JP7405003B2 - 歪み分布計測システム、及び歪み分布計測方法 - Google Patents

歪み分布計測システム、及び歪み分布計測方法 Download PDF

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Description

本発明は、材料試験機によって変形される試験片の歪み分布計測システム、及び歪み分布計測方法に関する。
材料試験機によって変形される試験片の表面の変位を計測する種々の技術が知られている。
例えば、特許文献１には、変位計測装置が、所定の位置に設けられた変位計測用の格子を含む変位計測用画像を撮影する撮影部と、変位計測用画像から格子の領域を検出して該格子領域の画像を抽出する格子領域検出部と、抽出した格子領域の画像に対してサンプリングモアレ法により格子領域の画像に対するモアレの位相分布を導出する位相分布導出部と、位相分布から求められた所定の位置における変位前後の位相差と、予め定められた格子ピッチとから所定の位置における変位を決定する変位決定部と、を備えた技術が開示されている。
特開２０１１－１７４８７４号公報
しかしながら、特許文献１に記載の変位計測装置では、変位計測用の格子模様等を試験片の表面に形成する必要がある。例えば、引張試験機の試験片の変位分布を測定する場合には、ユーザは、例えば、格子模様のような模様を、試験片の表面に塗布又は貼付する必要があり、ユーザの手間を要した。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、材料試験機の試験片の歪み分布を測定するためのユーザの手間を軽減することが可能な歪み分布計測システム、及び歪み分布計測方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、試験片を変形させて、前記試験片の材料の機械的特性を測定する材料試験機と、前記試験片の歪み分布を計測する歪み分布計測装置と、を備え、前記試験片は、平織り又は綾織りされたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）であって、前記試験片を変形させた際に明領域と暗領域とが市松模様状に配置され、前記歪み分布計測装置は、前記明領域及び前記暗領域を撮像した前記試験片の主面の画像に対して２次元ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を含む処理を行うことで、前記試験片の歪み分布を計測する制御部を備える、歪み分布計測システムに関する。
本発明の第２の態様は、試験片を変形させて、前記試験片の材料の機械的特性を測定する材料試験機と、前記試験片の歪み分布を計測する歪み分布計測装置と、を備える歪み分布計測システムにおける歪み分布計測方法であって、前記試験片は、平織り又は綾織りされたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）であって、前記試験片を変形させた際に明領域と暗領域とが市松模様状に配置され、前記歪み分布計測装置は、前記明領域及び前記暗領域を撮像した前記試験片の主面の画像に対して２次元ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を含む処理を行うことで、前記試験片の歪み分布を計測する、歪み分布計測方法に関する。
本発明の第１の態様によれば、試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測する。
よって、試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測するため、格子模様のような模様を試験片に塗布又は貼付することなく、試験片の歪み分布を計測できる。したがって、格子模様のような模様を試験片に塗布又は貼付するユーザの手間を削減できる。その結果、材料試験機の試験片の歪み分布を測定するためのユーザの手間を軽減することができる。
本発明の第２の態様によれば、試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測する。
よって、試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測するため、格子模様のような模様を試験片に塗布又は貼付することなく、試験片の歪み分布を計測できる。したがって、格子模様のような模様を試験片に塗布又は貼付するユーザの手間を削減できる。その結果、材料試験機の試験片の歪み分布を測定するためのユーザの手間を軽減することができる。
本発明の実施形態に係る引張試験機の構成の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る歪み分布計測システムの構成の一例を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係る撮像画像の一例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る制御部の構成の一例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る歪み算出部の処理の一例を示す図である。 本発明の第1実施形態に係る制御部の処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る歪み分布計測システムの構成の一例を示す平面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
［１．引張試験機の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る引張試験機１の構成の一例を示す図である。
本発明の実施形態に係る引張試験機１は、試験片ＴＰに試験力Ｆを与えて、試料の引張強度、降伏点などの機械的性質を測定する材料試験を行う。試験力Ｆは、引張力である。
引張試験機１は、試験対象の材料である試験片ＴＰに試験力Ｆを与えて引張試験を行う引張試験機本体２と、引張試験機本体２による引張試験動作を制御する制御ユニット４と、を備える。
なお、引張試験機１は、「材料試験機」の一例に対応する。
本発明の実施形態は、後述にて図２～図６を参照して説明する第１実施形態と、図７を参照して説明する第２実施形態とを含む。
試験機本体２は、テーブル２６と、このテーブル２６上に鉛直方向を向く状態で回転可能に立設された一対のねじ棹２８、２９と、これらのねじ棹２８、２９に沿って移動可能なクロスヘッド１０と、このクロスヘッド１０を移動させて試験片ＴＰに負荷を与える負荷機構１２と、ロードセル１４と、を備える。ロードセル１４は、試験片ＴＰに与えられる引張荷重である試験力Ｆを測定し、試験力測定信号ＳＧ１を出力するセンサである。
負荷機構１２は、各ねじ棹２８、２９の下端部に連結されるウォーム減速機１６、１７と、各ウォーム減速機１６、１７に連結されるサーボモータ１８と、ロータリエンコーダ２０と、を備える。ロータリエンコーダ２０は、サーボモータ１８の回転量を測定し、回転量に応じたパルス数の回転測定信号ＳＧ２を制御ユニット４に出力するセンサである。
そして負荷機構１２は、ウォーム減速機１６、１７を介して、一対のねじ棹２８、２９にサーボモータ１８の回転を伝達し、各ねじ棹２８、２９が同期して回転することにより、クロスヘッド１０がねじ棹２８、２９に沿って昇降する。
クロスヘッド１０には、試験片ＴＰの上端部を把持する上つかみ具２１が付設され、テーブル２６には、試験片ＴＰの下端部を把持する下つかみ具２２が付設されている。引張試験を実行するときには、試験機本体２は、上つかみ具２１及び下つかみ具２２が試験片ＴＰの両端部を把持した状態で、制御ユニット４の制御に従って、クロスヘッド１０を上昇させることによって、試験片ＴＰに試験力Ｆを与える。
試験片ＴＰは、平織り、又は綾織りされた、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）及びＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を含むＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）で構成される。
本発明の実施形態では、試験片ＴＰは、平織りされたＣＦＲＰで構成される。試験片ＴＰは、経糸（たていと）ＶＴと緯糸（よこいと）ＨＴとを有する。
経糸ＶＴ及び緯糸ＨＴについては、後述する図３を参照して詳細に説明する。
なお、本発明の実施形態では、試験片ＴＰが、平織りされたＣＦＲＰで構成されるが本発明の実施形態はこれに限定されない。試験片ＴＰが、平織り、又は綾織りされたＦＲＰで構成されればよい。例えば、試験片ＴＰが綾織りされたＣＦＲＰで構成されてもよい。また、例えば、試験片ＴＰが平織りされたＧＦＲＰで構成されてもよい。
制御ユニット４は、統括制御装置３０と、表示装置３２と、試験プログラム実行装置３４と、を備える。
統括制御装置３０は、当該試験機本体２を中枢的に制御する装置であり、試験機本体２との間で信号を送受信可能に接続される。試験機本体２から受信する信号は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号ＳＧ１、ロータリエンコーダ２０が出力する回転測定信号ＳＧ２、及び制御や試験に要する適宜の信号などである。
表示装置３２は、統括制御装置３０から入力される信号に基づいて各種情報を表示する装置であり、例えば、統括制御装置３０は、引張試験の間、回転測定信号ＳＧ２に基づくクロスヘッド１０の変位を示す変位計測値ＸＤを表示装置３２に表示する。
引張試験プログラム実行装置３４は、引張試験の試験条件といった各種設定パラメータの設定操作や実行指示操作などのユーザ操作を受け付け、統括制御装置３０に出力する機能や、試験力計測値ＦＤのデータを解析する機能などを備えた装置である。
本発明の実施形態の引張試験プログラム実行装置３４はコンピュータを備え、このコンピュータは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサと、ＲＯＭ(Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ)やＲＡＭ(Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ)などのメモリデバイスと、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）などのストレージ装置と、統括制御装置３０や各種の周辺機器などを接続するためのインターフェース回路と、を備える。そして、プロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶されたコンピュータプログラムである引張試験プログラムを実行することで、上述の各種の機能を実現する。
次いで、本発明の実施形態の統括制御装置３０について、更に詳述する。統括制御装置３０は、信号入出力ユニット４０と、制御回路ユニット５０と、を備える。
信号入出力ユニット４０は、試験機本体２との間で信号を送受する入出力インターフェース回路を構成するものであり、本発明の実施形態では、第１センサアンプ４２と、第２センサアンプ４５と、カウンタ回路４３と、サーボアンプ４４とを有する。
第１センサアンプ４２は、ロードセル１４が出力する試験力測定信号ＳＧ１を増幅して制御回路ユニット５０に出力する増幅器である。
カウンタ回路４３は、ロータリエンコーダ２０が出力する回転測定信号ＳＧ２のパルス数を計数し、サーボモータ１８の回転量、すなわちサーボモータ１８の回転によって昇降するクロスヘッド１０の変位計測値ＸＤを示す変位測定信号Ａ３を制御回路ユニット５０にデジタル信号で出力する。サーボアンプ４４は、制御回路ユニット５０の制御に従って、サーボモータ１８を制御する装置である。
制御回路ユニット５０は、通信部５１と、フィードバック制御部５２を備える。
制御回路ユニット５０は、ＣＰＵやＭＰＵなどのプロセッサと、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリデバイスと、ＨＤＤやＳＳＤなどのストレージ装置と、信号入出力ユニット４０とのインターフェース回路と、引張試験プログラム実行装置３４と通信する通信装置と、表示装置３２を制御する表示制御回路と、各種の電子回路と、を備えたコンピュータを備える。また、制御回路ユニット５０のプロセッサがメモリデバイス又はストレージ装置に記憶された制御プログラムを実行することで、図１に示す各機能部を実現する。
また、信号入出力ユニット４０のインターフェース回路にはＡ／Ｄ変換器が設けられており、アナログ信号の試験力測定信号ＳＧ１がＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換される。
なお、制御回路ユニット５０は、コンピュータに限らず、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の適宜の回路によって構成されてもよい。
通信部５１は、試験プログラム実行装置３４との間で通信し、試験条件の設定や各種設定パラメータの設定値、引張試験の実行指示や中断指示などを試験プログラム実行装置３４から受信する。また、通信部５１は、試験力測定信号ＳＧ１に基づく試験力計測値ＦＤを適宜のタイミングで試験プログラム実行装置３４に送信する。また、通信部５１は、回転測定信号ＳＧ２に基づく変位計測値ＸＤを適宜のタイミングで試験プログラム実行装置３４に送信する。
フィードバック制御部５２は、試験機本体２のサーボモータ１８をフィードバック制御して引張試験を実行する。フィードバック制御部５２は、サーボモータ１８のフィードバック制御を実行する回路である。
フィードバック制御部５２が位置制御を実行する場合には、フィードバック制御部５２は、例えば、ロードセル１４が出力する試験力計測値ＦＤについて位置制御を実行する。この場合には、フィードバック制御部５２は、試験力計測値ＦＤを試験力目標値ＦＴに一致させるように変位計測値ＸＤの指令値ｄＸを演算し、当該指令値ｄＸを示す指令信号Ａ４をサーボアンプ４４に出力する。なお、試験力目標値ＦＴは、試験力計測値ＦＤの目標値を示す。
なお、「位置制御」とは、センサ等によって測定された検出値を、その目標値に一致させるように制御することを示す。
なお、本発明の実施形態では、フィードバック制御部５２が位置制御を実行する場合について説明するが、フィードバック制御部５２が速度制御を実行してもよい。「速度制御」とは、センサ等によって測定された検出値の単位時間当たりの変化量を、その目標値に一致させるように制御することを示す。
［２．第１実施形態］
［２－１．第１実施形態に係る歪み分布計測システムの構成］
図２は、本発明の第1実施形態に係る歪み分布計測システム１００の構成の一例を示す平面図である。図２に示すように、歪み分布計測システム１００は、図１を参照して説明した引張試験機１と、歪み分布計測装置２００とを備える。歪み分布計測装置２００は、光源部６と、カメラ７と、制御部８と、を備える。
引張試験機１の上つかみ具２１及び下つかみ具２２は試験片ＴＰを把持している。
試験片ＴＰは、主面ＭＦを有する。主面ＭＦは、試験片ＴＰのカメラ７に近接する側の主面を示す。試験片ＴＰのカメラ７に近接する側は、図２では下側を示す。
カメラ７は、制御部８の指示に従って、試験片ＴＰの主面ＭＦの撮像画像ＰＮを生成する。カメラ７は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、及び、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ）等のイメージセンサーを備える。
カメラ７は、「撮像部」の一例に対応する。また、撮像画像ＰＮについては、後述にて図３を参照して説明する。
カメラ７の撮影方向Ｃ１は、試験片ＴＰの幅方向の中央を通り、試験片ＴＰの主面ＭＦと直交するようにカメラ７が配置される。試験片ＴＰの幅方向Ｃ２は、図２の左右方向を示す。撮影方向Ｃ１は、カメラ７の撮影範囲の中心を示す。
光源部６は、試験片ＴＰの主面ＭＦに光を照射する。光源部６は、第１光源６１と、第２光源６２とを含む。
第１光源６１は、第１方向Ｄ１から試験片ＴＰの主面ＭＦに光を照射する。第１方向Ｄ１は、第１照射方向Ｃ３に対応する。第１照射方向Ｃ３を示す直線と幅方向Ｃ２を示す直線との狭角は、第１角θ１を示す。第１角θ１は、例えば、２５度である。第１角θ１は、１５度～３０度の範囲であることが好ましい。
第２光源６２は、第２方向Ｄ２から試験片ＴＰの主面ＭＦに光を照射する。第２方向Ｄ２は、撮影方向Ｃ１を示す直線に対して第１方向Ｄ１と線対称の方向を示す。撮影方向Ｃ１を示す直線は、試験片ＴＰの主面ＭＦを含む平面の法線を示す。
第２方向Ｄ２は、第２照射方向Ｃ４に対応する。第２照射方向Ｃ４を示す直線と幅方向Ｃ２を示す直線との狭角は、第２角θ２を示す。第２角θ２の値は、第１角θ１の値と略一致する。すなわち、第２角θ２は、例えば、２５度である。第２角θ２は、１５度～３０度の範囲であることが好ましい。
第１光源６１及び第２光源６２の各々は、例えば白色のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源である。
本発明の第1実施形態では、第１光源６１及び第２光源６２の各々が、ＬＥＤ光源であるが、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、第１光源６１及び第２光源６２の各々が、ハロゲンランプ、キセノンランプ等のランプ光源でもよい。
制御部８は、歪み分布計測装置２００の動作を制御する。また、制御部８は、制御回路ユニット５０と通信可能に構成され、制御回路ユニット５０からの指示に従って、光源部６及びカメラ７の動作を制御する。具体的には、制御部８は、制御回路ユニット５０からの指示に従って、光源部６の発光タイミング、及びカメラ７の撮影タイミングを決定する。制御部８の構成については、後述にて図４を参照して詳細に説明する。
第１実施形態に係る歪み分布計測システム１００では、第１光源６１及び第２光源６２が、試験片ＴＰに対して、幅方向Ｃ２に離間して配置されるが、本発明の実施形態はこれに限定されない。第１光源６１及び第２光源６２が、試験片ＴＰに対して、１つの方向に離間して配置されればよい。例えば、第１光源６１及び第２光源６２が、試験片ＴＰに対して、試験片ＴＰの長手方向に離間して配置されてもよい。試験片ＴＰの長手方向は、図２の紙面に垂直な方向を示す。
［２－２．撮像画像の具体例］
図３は、本発明の第1実施形態に係る撮像画像ＰＮの一例を示す図である。
撮像画像ＰＮは、明領域ＰＶと、暗領域ＰＨとが市松模様状に配置されて構成される。
明領域ＰＶは、第１光源６１からの光線、及び第２光源６２からの光線の各々の反射光のうちのカメラ７に入光する反射光の光量が、暗領域ＰＨと比較して多い領域を示す。明領域ＰＶは、経糸ＶＴに対応する。
暗領域ＰＨは、第１光源６１からの光線、及び第２光源６２からの光線の各々の反射光のうちのカメラ７に入光する反射光の光量が、明領域ＰＶと比較して少ない領域を示す。暗領域ＰＨは、緯糸ＨＴに対応する。
経糸ＶＴを構成する繊維は、上下方向ＤＶに延びる。上下方向ＤＶは、試験片ＴＰの上下方向と一致する。また、図２に示すように、試験片ＴＰの上下方向は、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２と直交する。したがって、経糸ＶＴの表面においては、緯糸ＨＴの表面と比較して、第１光源６１からの光線、及び第２光源６２からの光線の各々が乱反射し易い。その結果、経糸ＶＴに対応する明領域ＰＶが生成される。
一方、緯糸ＨＴを構成する繊維は、左右方向ＤＨに延びる。左右方向ＤＨは、試験片ＴＰの幅方向と一致する。また、図２に示すように、試験片ＴＰの幅方向と第１方向Ｄ１とは、第１角θ１をなし、試験片ＴＰの幅方向と第２方向Ｄ２とは、第２角θ２をなす。第１角θ１及び第２角θ２の各々は、２５度である。したがって、緯糸ＨＴの表面においては、経糸ＶＴの表面と比較して、第１光源６１からの光線、及び第２光源６２からの光線の各々が正反射し易い。その結果、緯糸ＨＴに対応する暗領域ＰＨが生成される。
［２－３．制御部の構成］
図４は、本発明の第１実施形態に係る制御部８の構成の一例を示す図である。
図４に示すように、制御部８は、光源制御部８１と、撮影制御部８２と、歪み算出部８３と、を備える。
また、制御部８は、ＣＰＵやＭＰＵ等のプロセッサ８Ａと、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリデバイス８Ｂと、ＨＤＤやＳＳＤ等のストレージ装置８Ｃと、制御回路ユニット５０の各々と通信する通信装置８Ｄと、各種の電子回路と、を備えたパーソナルコンピュータで構成される。また、制御部８のプロセッサ８Ａがメモリデバイス８Ｂ又はストレージ装置８Ｃに記憶された制御プログラムを実行することで、図４に示す各機能部を実現する。
なお、制御部８は、パーソナルコンピュータに限らず、ＩＣチップやＬＳＩなどの集積回路といった１又は複数の適宜の回路によって構成されてもよい。また、制御部８は、例えば、タブレット端末、又はスマートフォンとして構成されてもよい。
また、制御部８は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等、プログラムされたハードウェアを備えてもよい。また、制御部８は、ＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）－ＦＰＧＡを備えてもよい。
光源制御部８１は、試験片ＴＰの主面ＭＦに光源部６が光を照射するように、光源部６を制御する。具体的には、光源制御部８１は、制御回路ユニット５０からの指示に従って、光源部６を制御する。
また、光源制御部８１は、撮影制御部８２が撮像画像ＰＮを生成するタイミングで、試験片ＴＰの主面ＭＦに光源部６が光を照射するように、光源部６を制御する。
撮影制御部８２は、カメラ７に試験片ＴＰの主面ＭＦを撮像させて、撮像画像ＰＮを生成させる。具体的には、撮影制御部８２は、制御回路ユニット５０からの指示に従って、撮像画像ＰＮを生成させる。
また、撮影制御部８２は、所定時間毎に撮像画像ＰＮを生成させる。所定時間は、例えば、０．０１秒である。具体的には、引張試験機１が引張試験の実行を開始してから、引張試験の実行を終了するまでの間において、撮影制御部８２は、所定時間毎に撮像画像ＰＮを生成させる。
歪み算出部８３は、撮像画像ＰＮに基づき、試験片ＴＰの歪み分布を算出する。具体的には、歪み算出部８３は、以下のようにして、試験片ＴＰの歪み分布を算出する。
図４は、本発明の第1実施形態に係る歪み算出部８３の処理の一例を示す図である。図４の上図に示すように、以下の説明では、撮像画像ＰＮが市松模様であるとする。
図４の上図に示すように、撮像画像ＰＮの画素（ｘ，ｙ）を中心として、市松模様の１周期分に対応する画素を、ｘ軸方向に個数Ｎｘ、ｙ軸方向に個数Ｎｙだけ抜き出す。図４の上図の横軸は、ｘ軸であり、縦軸はｙ軸である。そして、市松模様の１周期分の輝度値Ｉ（ｘ，ｙ）を関数ｆ（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）とする。
関数ｆ（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）は、次の式（１）で与えられる。
Figure 0007405003000001
 ここで、ｘ軸方向は、試験片ＴＰの幅方向に対応し、ｙ軸方向は、試験片ＴＰの上下方向に対応する。
図４の中図は、関数ｆ（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）を示す。図４の中図の横軸は、ｘ軸方向の画素数ｉであり、縦軸は、ｙ軸方向の画素数ｊである。
式（１）に示す関数ｆ（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）に対して２次元ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を行うと、図１の下図のように、空間周波数成分の分布が得られる。図１の下図の横軸は、ｘ軸方向の周波数ｕを示し、縦軸は、ｙ軸方の周波数ｖを示す。
撮像画像ＰＮが市松模様である場合には、図１の下図に示すように、ＤＣ成分に対応する領域ＰＸ０以外の強度の高い成分として、領域ＰＸ０に対して斜め方向に位置し、基本周波数成分を示す２つの領域ＰＸ１及び領域ＰＸ２が現れる。
ＤＦＴで得られる成分は通常複素数であるが、分かりやすいように実数で表現すると、次の式（２）及び式（３）となる。
Figure 0007405003000002
Figure 0007405003000003
 なお、式（２）に示す関数ｆ１（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）は、図１の下図に示す基本周波数成分を示す領域ＰＸ１に対応し、式（３）に示す関数ｆ２（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）は、図１の下図に示す基本周波数成分を示す領域ＰＸ２に対応する。ここで、関数ｆ１（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）、及び関数ｆ２（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）の各々の位相をx軸方向とy軸方向に分けて、関数φｘ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）としている。周期Ｐｘ、及び周期Ｐｙの各々は、ｘ軸方向とｙ軸方向の画素単位の模様周期（整数）を表す。関数ｆ１（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）、及び関数ｆ２（ｘ，ｙ，ｉ，ｊ）の各々の位相は、下記の式（４）及び式（５）で得られる。
Figure 0007405003000004
Figure 0007405003000005
ＤＦＴは、処理する画像ＰＮ１の両端が連続であることを仮定しているが、カメラ７と試験片ＴＰの主面ＭＦとの距離の関係や、試験中に発生する試験片ＴＰの歪みにより、撮影された模様の周期と抜き出す画素の周期にズレがあると、画像ＰＮ１の両端が不連続になってしまう。
そこで、窓関数を用いることで不連続の影響を低減する。窓関数には次の式（６）で示すガウシアン関数を用い、各画素の周辺画素も１周期よりも広く抜き出す。
Figure 0007405003000006
 第１実施形態では、式（６）で示すσｘ、及びσｙを、次の式（７）で規定し、周辺画素を３周期分抜き出した。
σｘ＝Ｐｘ／２，σｙ＝Ｐｙ／２ （７）
式（６）を式（４）、及び式（５）と組み合わせると、畳み込み計算によって、次の式（８）～式（１０）に示すように、全画素の位相をまとめて高速に計算することが出来る。
Figure 0007405003000007
Figure 0007405003000008
Figure 0007405003000009
Figure 0007405003000010
 関数φｘ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）の各々は、次の式（１２）及び式（１３）で得られる。
Figure 0007405003000011
Figure 0007405003000012
このとき、関数φｘ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）の各々は、－πからπの間の値として得られる。また、関数φｘ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）で得られる模様と、関数φｘ（ｘ，ｙ）＋π、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）＋πで得られる模様、若しくは、関数φｘ（ｘ，ｙ）－π、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）－πで得られる模様とは、全く同じになるため、一意に位相を決定することができない。
そこで、関数φｘ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）を次の式（１４）及び式（１５）に示すように規定することによって、関数φｘ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ（ｘ，ｙ）の各々の値が、零からπの間で一意に値が決まるようにする。
Figure 0007405003000013
Figure 0007405003000014
その後、変形前後の位相値を比較するために、隣接する画素との位相の差分がπ／２より大きい、又は、－π／２より小さい場合には、π又は－πを加算する位相アンラッピング処理を行う。なお、位相アンラッピング処理は空間的な差分を用いるほか、時間的な差分を用いることもできる。
変形前の位相を関数φｘ ｂ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ ｂ（ｘ，ｙ）とし、変形後の位相を関数φｘ ａ（ｘ，ｙ）、及び関数φｙ ａ（ｘ，ｙ）とし、実スケールの模様周期をｘ軸方向の周期Ｐｘ’、及びｙ軸方向の周期Ｐｙ’とすると、ｘ軸方向の変位ｕｘ、及びｙ軸方向の変位ｕｙは次の式（１６）及び式（１７）で求められる。
Figure 0007405003000015
Figure 0007405003000016
また、試験中の歪みにより模様周期が変化した場合には、位相の勾配から各画素における小数点以下を含む画素単位の模様のｘ軸方向の周期Ｐｘ、及びｙ軸方向の周期Ｐｙが次の式（１８）及び式（１９）で求められる。
Figure 0007405003000017
Figure 0007405003000018
 よって、ｘ軸方向の歪みεｘ、及びｙ軸方向の歪みεｙの各々は、次の式（２０）及び式（２１）で求められる。
Figure 0007405003000019
Figure 0007405003000020
 このようにして、歪み算出部８３は、試験片ＴＰのｘ軸方向の歪みεｘと、ｙ軸方向の歪みεｙとを算出する。
［２－４．制御部の処理］
図６は、本発明の第1実施形態に係る制御部８の処理の一例を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１０１において、制御部８は、引張試験機１が引張試験を開始するか否かを判定する。具体的には、制御部８は、制御回路ユニット５０からの情報に基づいて、引張試験機１が引張試験を開始するか否かを判定する。
引張試験を開始しないと制御部８が判定した場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）には、処理が待機状態になる。引張試験を開始すると制御部８が判定した場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）には、処理がステップＳ１０３に進む。
次に、ステップＳ１０３において、制御部８は、撮影タイミングであるか否かを判定する。具体的には、制御部８は、制御回路ユニット５０からの指示に基づいて、撮影タイミングであるか否かを判定する。
撮影タイミングではないと制御部８が判定した場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）には、処理が待機状態になる。撮影タイミングであると制御部８が判定した場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）には、処理がステップＳ１０５に進む。
そして、ステップＳ１０５において、光源制御部８１が、試験片ＴＰの主面ＭＦに光源部６が光を照射するように光源部６を制御する。
次に、ステップＳ１０７において、撮影制御部８２は、カメラ７に試験片ＴＰの主面ＭＦを撮像させて、撮像画像ＰＮを生成する。
次に、ステップＳ１０９において、歪み算出部８３は、撮像画像ＰＮに対して、ＤＦＴ処理を実行する。
次に、ステップＳ１１１において、歪み算出部８３は、位相アンラッピング処理を実行する。
次に、ステップＳ１１３において、歪み算出部８３は、ｘ軸方向の歪みεｘと、ｙ軸方向の歪みεｙとを算出する。
次に、ステップＳ１１５において、制御部８は、引張試験機１が引張試験を終了するか否かを判定する。具体的には、制御部８は、制御回路ユニット５０からの情報に基づいて、引張試験機１が引張試験を終了するか否かを判定する。
引張試験を終了しないと制御部８が判定した場合（ステップＳ１１５；ＮＯ）には、処理がステップＳ１０３に戻る。引張試験を終了すると制御部８が判定した場合（ステップＳ１１５；ＹＥＳ）には、処理が終了する。
［３．第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る歪み分布計測システム１００Ａの構成の一例を示す平面図である。図７に示すように、歪み分布計測システム１００Ａは、引張試験機１と、歪み分布計測装置２００Ａとを備える。歪み分布計測装置２００Ａは、光源部６と、カメラ７と、制御部８と、ハーフミラー９と、を備える。光源部６は、光源６０と、偏光部材６３を備える。
歪み分布計測システム１００Ａは、図２に示す歪み分布計測システム１００と比較して、光源部６が１つの光源６０と、偏光部材６３とで構成される点で相違している。また、歪み分布計測システム１００Ａは、ハーフミラー９を備える点で相違している。以下では、歪み分布計測システム１００Ａが、図２に示す歪み分布計測システム１００と相違する点について説明する。
光源６０は、ハーフミラー９に向けて光線Ｌ１を照射する。光源６０は、例えば白色のＬＥＤ光源である。
偏光部材６３は、光源６０とハーフミラー９との間に配置される。偏光部材６３は、光源から出射される光線の偏光方向を直線偏光にする。偏光部材６３は、例えば、複屈折型偏光子である。
すなわち、光源部６は、偏光部材６３によって生成された直線偏光をハーフミラー９に照射する。
ハーフミラー９は、カメラ７の撮影方向Ｃ１に配置される。ハーフミラー９は、カメラ７と、試験片ＴＰとの間に配置される。また、ハーフミラー９は、光源部６に対して、試験片ＴＰの幅方向Ｃ２と平行な位置に配置される。
ハーフミラー９は、反射面９１を備える。光線Ｌ１は、反射面９１で反射し、反射光Ｌ２を試験片ＴＰの主面ＭＦに向けて出射する。反射光Ｌ２は、試験片ＴＰの主面ＭＦで反射して、反射光Ｌ３がハーフミラー９に入射する。反射光Ｌ３は、反射面９１を透過して、透過光Ｌ４がカメラ７に入射する。
反射光Ｌ２の偏光面は、例えば、図７の紙面と平行である。換言すれば、反射光Ｌ２の偏光面は、撮影方向Ｃ１を示す直線と、幅方向Ｃ２を示す直線とを含む平面と平行である。
図３を参照して説明したように、経糸ＶＴを構成する繊維は、上下方向ＤＶに延び、緯糸ＨＴを構成する繊維は、左右方向ＤＨに延びる。上下方向ＤＶは、試験片ＴＰの上下方向と一致し、左右方向ＤＨは、試験片ＴＰの幅方向と一致する。そこで、経糸ＶＴの偏光特性と、緯糸ＨＴの偏光特性とは相違する。
反射光Ｌ２の偏光面は、幅方向Ｃ２を示す直線を含む平面と平行であるため、例えば、経糸ＶＴにおける反射光Ｌ３の光量は、緯糸ＨＴにおける反射光Ｌ３の光量より多い。
したがって、図３に示すように、明領域ＰＶと、暗領域ＰＨとが市松模様状に配置されて構成される撮像画像ＰＮがカメラ７によって撮像される。明領域ＰＶは、経糸ＶＴに対応し、暗領域ＰＨは、緯糸ＨＴに対応する。
このようにして、第２実施形態に係る歪み分布計測システム１００Ａでは、試験片ＴＰの主面ＭＦにおける偏光特性の分布によって、図３に示すような市松模様状の撮像画像ＰＮがカメラ７によって撮像される。したがって、歪み算出部８３は、撮像画像ＰＮに基づき、試験片ＴＰの歪み分布を算出できる。
また、第２実施形態に係る歪み分布計測システム１００Ａでは、反射光Ｌ２を試験片ＴＰの主面ＭＦと直交する方向に照射する。したがって、試験片ＴＰの主面ＭＦを、光量が均一になるように照射できる。
［４．態様と効果］
上述した第１実施形態及び第２実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。
（第１項）
一態様に関わる変位分布計測システムは、試験片を変形させて、前記試験片の材料の機械的特性を測定する材料試験機と、前記試験片の歪み分布を計測する歪み分布計測装置と、を備え、前記歪み分布計測装置は、前記試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、前記試験片の歪み分布を計測する制御部を備える、歪み分布計測システムである。
第１項に記載の変位分布計測システムによれば、試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測するため、試験片の主面に格子模様のような模様を試験片に塗布又は貼付することなく、試験片の歪み分布を計測できる。したがって、格子模様のような模様を試験片に塗布又は貼付するユーザの手間を削減できる。その結果、材料試験機の試験片の歪み分布を測定するためのユーザの手間を軽減することができる。
（第２項）
第１項に記載の変位分布計測システムにおいて、前記試験片は、平織り、又は綾織りされた、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）及びＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を含むＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）で構成される。
第２項に記載の変位分布計測システムによれば、前記試験片は、平織り、又は綾織りされた、ＣＦＲＰ及びＧＦＲＰを含むＦＲＰで構成されるため、試験片の主面における反射率、及び偏光特性が、例えば市松模様状に分布する。したがって、試験片の歪み分布を正確に計測できる。
（第３項）
第２項に記載の変位分布計測システムにおいて、前記試験片は、平織りされたＣＦＲＰで構成される。
第３項に記載の変位分布計測システムによれば、試験片は、平織りされたＣＦＲＰで構成されるため、試験片の主面における反射率、及び偏光特性が、市松模様状に分布する。したがって、試験片の歪み分布を正確に計測できる。
（第４項）
第１項から第３項のいずれか１項に記載の変位分布計測システムにおいて、前記歪み分布計測装置は、前記試験片の前記主面に光を照射する光源部と、前記試験片の前記主面を撮像する撮像部と、を備え、前記制御部は、前記撮像部の撮像画像に基づいて、前記試験片の歪み分布を算出する。
第４項に記載の変位分布計測システムによれば、光源部が、試験片の主面に光を照射し、撮像部が試験片の主面を撮像するため、適正な撮像画像を生成できる。また、適正な撮像画像に基づいて、制御部が試験片の歪み分布を算出するため、正確な歪み分布を算出できる。
（第５項）
第２項に記載の変位分布計測システムにおいて、前記光源部は、第１方向から前記試験片の前記主面に光を照射する第１光源と、前記主面を含む平面の法線に対して前記第１方向と線対称の方向を示す第２方向から前記試験片の前記主面に光を照射する第２光源と、を備える。
第５項に記載の変位分布計測システムによれば、第１光源が、試験片の主面を第１方向から照射し、第２光源が、試験片の主面を、主面を含む平面の法線に対して第１方向と線対称の方向を示す第２方向から照射するため、試験片の主面を均一に照射できる。
また、第１光源が試験片の主面を第１方向から照射し、第２光源が試験片の主面を第２方向から照射するため、試験片の主面における反射率の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測できる。
（第６項）
第４項に記載の変位分布計測システムにおいて、前記光源部は、前記試験片の前記主面に光を照射する光源と、前記光源から出射される光線の偏光方向を直線偏光にする偏光部材と、を備える。
第６項に記載の変位分布計測システムによれば、直線偏光を試験片の主面に照射できる。したがって、試験片の主面における偏光特性の分布に基づいて、試験片の歪み分布を計測できる。
（第７項）
第４項から第６項のいずれか１項に記載の変位分布計測システムにおいて、前記制御部は、２次元ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いた前記撮像画像の位相解析によって、前記試験片の歪み分布を算出する。
第７項に記載の変位分布計測システムによれば、制御部は、２次元ＤＦＴを用いた撮像画像の位相解析によって、試験片の歪み分布を算出するため、簡素な処理で、試験片の歪み分布を正確に算出できる。
（第８項）
一態様に関わる歪み分布計測方法は、試験片を変形させて、前記試験片の材料の機械的特性を測定する材料試験機と、前記試験片の歪み分布を計測する歪み分布計測装置と、を備える歪み分布計測システムにおける歪み分布計測方法であって、前記歪み分布計測装置は、前記試験片の主面における反射率、及び偏光特性の少なくともいずれか一方の分布に基づいて、前記試験片の歪み分布を計測する、変位分布計測方法である。
第８項に記載の変位形状検出方法によれば、第１項に記載の変位分布計測システムと同様の効果を奏する。
［５．その他の実施形態］
本発明の実施形態では、材料試験機が、引張試験機１である場合について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されない。材料試験機が、圧縮試験機でもよい。
また、本発明の実施形態では、試験片ＴＰが、平織りされたＣＦＲＰで構成されるが、本発明の実施形態はこれに限定されない。試験片ＴＰが、平織り、又は綾織りされたＦＲＰで構成されればよい。例えば、試験片ＴＰが、平織りされたＧＦＲＰで構成されてよいし、試験片ＴＰが、綾織りされたＣＦＲＰで構成されてもよい。
また、本発明の実施形態では、材料試験機により試験片ＴＰを変形させる場合について説明したが、測定対象の変化前と変化後の格子模様の状態に基づき、歪み分布及び変位分布を測定しても良い。例えば、測定対象を航空機、自動車としたとき、構成部材の成形過程で格子パターンを埋め込んだり、構成するガラスクロスの縦糸と横糸との色を変え織り込むことによって、メンテナンス前の格子パターンとメンテナンス時の格子パターンとをそれぞれ撮影可能とし、それらを撮影記録及び計測することで、歪み分布及び変位分布を測定してもよい。
なお、構成部材の表面に格子パターンが現れる場合には上記方法でよいが、格子パターンが構成部材に完全に埋め込まれている場合には、Ｘ線等の放射線を用いて格子模様を測定してもよい。
また、本発明の実施形態では、撮影部を2つ以上設けることで試験対象の歪みを３次元的に解析又は測定してもよい。
また、本発明の実施形態では、制御部８が、光源制御部８１、撮影制御部８２、及び歪み算出部８３として機能する場合について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されない。制御回路ユニット５０が、光源制御部８１、撮影制御部８２、及び歪み算出部８３のうちの少なくとも１つとして機能してもよい。例えば、制御回路ユニット５０が、光源制御部８１、撮影制御部８２、及び歪み算出部８３として機能してもよい。
また、図１及び図４の各々に示した各機能ブロックのうち少なくとも一部は、ハードウェアで実現してもよいし、ハードウェアとソフトウェアの協働により実現される構成としてもよく、図に示した通りに独立したハードウェア資源を配置する構成に限定されない。
また、制御部８が実行する制御プログラムは、メモリー内の他の記憶部に記憶されてもよい。また、外部の装置に記憶された制御プログラムを、通信部等を介して取得して実行する構成としてもよい。
また、図６に示すフローチャートの処理単位は、制御部８の処理を理解容易にするために、主な処理内容に応じて分割したものである。図６の各々に示すフローチャートに示す処理単位の分割の仕方や名称によって実施形態が制限されることはない。また、制御部８の処理は、処理内容に応じて、さらに多くの処理単位に分割することもできるし、１つの処理単位がさらに多くの処理を含むように分割することもできる。また、上記のフローチャートの処理順序も、図示した例に限られるものではない。
なお、本発明の実施形態に係る歪み分布計測システム１００、１００Ａは、あくまでも本発明に係る変位分布計測装置の態様の例示であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲において任意に変形および応用が可能である。
１００、１００Ａ 歪み分布計測システム
１ 引張試験機（材料試験機）
２ 引張試験機本体
１０ クロスヘッド
１２ 負荷機構
１４ ロードセル
１５ サーボモータ
２０ ロータリエンコーダ
２１ 上つかみ具
２２ 下つかみ具
４ 制御ユニット
３２ 表示装置
３４ 試験プログラム実行装置
３０ 統括制御装置
４０ 信号入出力ユニット
５０ 制御回路ユニット
２００、２００Ａ 歪み分布計測装置
６ 光源部
６０、６１、６２ 光源
６３ 偏光部材
７ カメラ
８ 制御部
８Ａ プロセッサ
８Ｂ メモリデバイス
８Ｃ ストレージ装置
８Ｄ 通信装置
８１ 光源制御部
８２ 撮影制御部
８３ 歪み算出部
９ ハーフミラー
ＨＴ 緯糸
ＶＴ 経糸
ＰＮ 撮像画像
ＰＶ 明領域
ＰＨ 暗領域
ＴＰ 試験対象
ＭＦ 主面

Claims (8)

  1. 試験片を変形させて、前記試験片の材料の機械的特性を測定する材料試験機と、前記試験片の歪み分布を計測する歪み分布計測装置と、を備え、
    前記試験片は、平織り又は綾織りされたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）であって、前記試験片を変形させた際に明領域と暗領域とが市松模様状に配置され、
    前記歪み分布計測装置は、前記明領域及び前記暗領域を撮像した前記試験片の主面の画像に対して２次元ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を含む処理を行うことで、前記試験片の歪み分布を計測する制御部を備える、歪み分布計測システム。
  2. 前記試験片は、平織り、又は綾織りされた、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）及びＧＦＲＰ（Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）を含む前記ＦＲＰで構成される、請求項１に記載の歪み分布計測システム。
  3. 前記試験片は、平織りされたＣＦＲＰで構成される、請求項２に記載の歪み分布計測システム。
  4. 前記歪み分布計測装置は、
    前記試験片の前記主面に光を照射する光源部と、
    前記試験片の前記主面を撮像する撮像部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記撮像部の撮像画像に基づいて、前記試験片の歪み分布を算出する、
    請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の歪み分布計測システム。
  5. 前記光源部は、
    第１方向から前記試験片の前記主面に光を照射する第１光源と、
    前記主面を含む平面の法線に対して前記第１方向と線対称の方向を示す第２方向から前記試験片の前記主面に光を照射する第２光源と、
    を備える、請求項４に記載の歪み分布計測システム。
  6. 前記光源部は、
    前記試験片の前記主面に光を照射する光源と、
    前記光源から出射される光線の偏光方向を直線偏光にする偏光部材と、
    を備える、請求項４に記載の歪み分布計測システム。
  7. 前記制御部は、前記２次元ＤＦＴを用いた前記撮像画像の位相解析によって、前記試験片の歪み分布を算出する、請求項４から請求項６のいずれか1項に記載の歪み分布計測システム。
  8. 試験片を変形させて、前記試験片の材料の機械的特性を測定する材料試験機と、前記試験片の歪み分布を計測する歪み分布計測装置と、を備える歪み分布計測システムにおける歪み分布計測方法であって、
    前記試験片は、平織り又は綾織りされたＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）であって、前記試験片を変形させた際に明領域と暗領域とが市松模様状に配置され、
    前記歪み分布計測装置は、前記明領域及び前記暗領域を撮像した前記試験片の主面の画像に対して２次元ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を含む処理を行うことで、前記試験片の歪み分布を計測する、歪み分布計測方法。
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