JPH07151515A - 非接触型変位または歪計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光を用いた非接触型でありながら、簡単な構
成のもとに高温下での計測を正確に行うことのできる変
位または歪計を提供する。 【構成】 被測定試料Ｗに光を照射する光学系１と、そ
の光の被測定試料Ｗによる反射光を入射する光検出手段
２と、その光検出出力を用いて被測定試料Ｗの変位また
は歪を算出する演算部３を備えた装置において、被測定
試料Ｗの周囲を覆い、かつ、少なくとも一部が光透過性
部材によって形成された筒体４を備え、光学系１および
光検出手段２はその筒体４の外部に配置した構成とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光等の光を用い
て試料の変位または歪を非接触のもとに測定する、いわ
ゆる非接触型の変位または歪計に関し、例えば材料試験
機等における試験片の伸縮量等を測定するのに適した非
接触型変位または歪計に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光等の光を被測定試料に照射する
とともに、その反射光をイメージセンサ等で計測するこ
とによって、被測定試料の変位または歪を非接触で測定
する装置としては、例えばスペックルパターンを利用す
るもの、あるいはドップラー効果を利用するもの等、既
にいくつかの方式のものが提案されている。

【０００３】スペックルパターンを用いた測定装置で
は、基本的には、被測定試料にレーザビームを照射して
得られる反射光をイメージセンサ等によって光電変換し
てスペックルパターンに応じた電気信号を得るととも
に、被測定試料の変形前後の信号の相関関数を求めるこ
とによってスペックルパターンの移動量を求め、そのレ
ーザ光の照射部位における被測定試料の変形量ないしは
歪量を算出している（例えば特公昭５９−５２９６３
号）。

【０００４】また、ドップラー効果を利用した測定装置
では、被測定試料の同一箇所に異なる波長を持つ２種の
レーザビームを互いにある角度をもって照射すると干渉
縞が生じ、この干渉縞の強度は２つのレーザビームの周
波数差で変調され、この状態で被測定試料が移動する
と、ドップラー効果によって干渉縞の強度の変調周波数
が被測定試料の移動速度と干渉縞の間隔に応じて変化す
ることを利用して、その照射位置の移動量を求めるよう
にしたもので、被測定試料の２箇所にそれぞれ上記のよ
うな２種のレーザビームを照射し、その各照射位置にお
ける移動量から被測定体の伸びまたは縮み量を求めるこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、以上のよう
な光の干渉現象を利用した非接触型の変位または歪計で
は、例えば材料試験機等によって被測定試料を高温雰囲
気中で引張または圧縮試験を行いつつ、その試料の伸び
または縮み量等を測定するような場合、被測定試料の近
傍の雰囲気のゆらぎによって測定ノイズが増加し、実質
的に測定不能となってしまう。そのため、従来のこの種
の測定装置において高温下での計測を行う場合、被測定
試料を真空雰囲気中に置いた状態で計測しなければなら
ず（例えばSPIE Vol.1554A Specle Techniques, Birefr
igence, and Applications to Sol-id Mechanics 199
1)、装置が複雑で高価なものとなるばかりでなく、試料
の交換が面倒であるという問題があった。

【０００６】このような高温下で被測定試料の変位ない
しは歪を計測する装置としては、被測定試料を加熱する
ための炉外に差動トランス等のセンサ部を配置するとと
もに、被測定試料に接触させた変位検出棒によって被測
定試料の変位ないひは歪をセンサ部に取り出す方式の接
触型の変位または歪計が実用化されているが、接触型で
は変位検出棒の被測定試料への取り付けが困難であると
ともに、被測定試料の材質によっては変位検出棒が接触
することによって試験結果に影響を及ぼす場合があると
いう問題もある。

【０００７】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
もので、光を用いた非接触型でありながら、簡単な構成
のもとに高温下での計測を正確に行うことのできる変位
または歪計の提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の非接触型変位または歪計は、実施例図面で
ある図１、図２に示すように、被測定試料Ｗに光を照射
する光学系１と、その光の被測定試料Ｗによる反射光を
入射する光検出手段２ａ，２ｂと、その光検出手段２
ａ，２ｂの出力を用いて被測定試料の変位または歪を算
出する演算部３を備えた装置において、被測定試料Ｗの
周囲を覆い、かつ、少なくとも一部が光透過性部材によ
って形成された筒体４（および５）を備え、光学系１お
よび光検出手段２はその筒体４の外部に配置されている
ことによって特徴づけられる。

【０００９】

【作用】高温の被測定試料の近傍の雰囲気のゆらぎは、
被測定試料とその周囲の雰囲気との温度差に起因する、
被測定試料の近傍の雰囲気の温度分布の大きさによって
生じる。被測定試料の周囲を筒体で覆うと、その筒体内
部の雰囲気の温度分布は均一化され、雰囲気のゆらぎが
軽減される結果、光信号のノイズを低減させることがで
きる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明を材料試験機に適用した場合の
実施例の構成を示す図で、被測定試料Ｗの近傍の機械的
構成を示す縦断面図と光学的および電気的構成のブロッ
ク図とを併記して示す図で、図２はそのＡ−Ａ断面図で
ある。

【００１１】被測定試料Ｗはその両端が材料試験機の上
部チャック１１と下部チャック１２に把持されており、
これら各チャック１１と１２の相対的な移動により被測
定試料Ｗに引張または圧縮荷重が付与されるようになっ
ている。

【００１２】上部チャック１１の下端面には、例えば円
筒形の石英管からなる光透過性の筒体４の一端部が固着
されており、この筒体４は被測定試料Ｗの周囲を覆った
状態で下方に伸び、その他端は下部チャック１２の上端
面付近にまで到っている。下部チャック１２の上端面に
は、筒体４の内径寸法より僅かに小さい外径を持つ円筒
形の短い筒体５が筒体４と同心上に固着されており、こ
の筒体５の他端は筒体４の内側ににまで入り込んでい
る。この筒体５の材質は任意であり、例えば金属等を使
用することができる。

【００１３】以上の構成により、被測定試料Ｗは筒体４
および５によってその周囲が所定の隙間を開けて覆われ
ることになり、被測定試料Ｗを含む筒体４および５の内
側と外気とは、筒体４と５の間に生じる円筒状の僅かな
隙間のみによって連通した状態となる。

【００１４】筒体４および５の外部には、被測定試料Ｗ
にレーザ光を照射するためのレーザ装置１ａおよびレン
ズ１ｂからなる照射光学系１と、そのレーザ光の被測定
試料Ｗの表面からの反射光を受光して、スペックルパタ
ーンに応じた信号を得るための２つの１次元イメージセ
ンサ２ａおよび２ｂが配設されており、被測定試料Ｗに
は筒体４を介してレーザ光が照射され、その反射光につ
いても筒体４を介してイメージセンサ２ａおよび２ｂに
入射することになる。

【００１５】１次元イメージセンサ２ａおよび２ｂから
の刻々のスペックルパターンデータは、コンピュータを
主体とする演算装置３に採り込まれ、各イメージセンサ
２ａおよび２ｂごとに刻々のスペックルパターンデータ
の相関関数を求めてスペックルパターンの各移動量を求
めてこれらの差を算出する等の公知の演算によって、被
測定試料Ｗの刻々の変形量ないしは歪量が算出される。

【００１６】以上の本発明実施例においては、被測定試
料Ｗの周囲が筒体４ないしは５によって覆われているた
め、被測定試料Ｗを高温に加熱したとき、筒体４ないし
は５の内部の狭い空間の雰囲気の温度分布はほぼ一様な
ものとなり、雰囲気のゆらぎは殆ど生じない。ここで、
レーザ光は石英管等からなる筒体４を透過して被測定試
料Ｗの表面で反射し、その反射光も再び筒体４を透過し
て検出されることになるが、筒体４すなわち石英管表面
での散乱は被測定試料Ｗの表面での散乱に比べて小さい
ため、筒体４の歪み等の情報がノイズになることはな
い。

【００１７】次に、以上の本発明実施例を用いて実際に
スペックルパターンを測定した結果を、比較例とともに
述べる。実験においては、被測定試料Ｗとしてセラミッ
クヒータを用い、その温度を約８００°Ｃとするととも
に、この被測定試料Ｗをチャック１１および１２に把持
する代わりに、測定結果の分析を容易にするためにリニ
アステージ上に固定し、一定の微小速度で移動させた。
そして、この被測定試料Ｗの周囲を石英管からなる筒体
４によって覆い、外部からレーザ光を照射するととも
に、被測定試料Ｗからの反射光を１次元イメージセンサ
２ａおよび２ｂによって受光した。

【００１８】図３（Ａ）はその１次元イメージセンサ２
ａないしは２ｂからの出力に基づいて得たスペックルヒ
ストリーであり、縦軸は位置を、横軸は時間を表す画像
である。この画像においてイメージが右下に流れている
のは、前記したように被測定試料Ｗを微小速度で移動さ
せているためであり、被測定試料Ｗが変位していること
が判る。

【００１９】一方、図３（Ｂ）は、全く同じ条件のもと
に筒体４を除去して被測定試料Ｗに直接レーザ光を照射
するとともに、その反射光を直接１次元イメージセンサ
２で受光した場合の、１次元イメージセンサ２ａないし
２ｂからの出力に基づいて得たスペックルヒストリーで
ある。この測定結果から明らかなように、筒体４を除去
した場合には、全体としてイメージは右下に流れている
ことは認められるものの、雰囲気のゆらぎに起因してパ
ターンの乱れが激しい。

【００２０】図３（Ｃ）は、同じ被測定試料Ｗを加熱せ
ずに常温とし、（Ｂ）の実験と同じ条件で得たスペック
ルヒストリーである。この（Ｃ）と（Ａ）および（Ｂ）
を比較したとき、本発明実施例では被測定試料Ｗの加熱
による影響は極めて少なく、正確な変位ないしは歪の測
定が可能であるのに対し、筒体４を設けない場合には雰
囲気のゆらぎによってスペックルパターンは大きく乱
れ、正確な変位ないしは歪の測定が不可能であること判
る。

【００２１】なお、本発明における筒体４の形状、構造
等は上記した実施例に限らず、以下に示すような各種の
形状ないしは構造を採用することができる。図４に示す
ものは、下部チャック１２には全く筒体を取り付けず、
上部チャック１１に固着した筒体４の下端部近傍の径を
小さくして被測定試料Ｗの外周面に接近させることによ
り、被測定試料Ｗを含む筒体４の内部の雰囲気の気密性
を保つようにした例である。

【００２２】図５に示すものは、筒体４を二重の石英管
によって形成した例であり、筒体４内外の温度勾配によ
る対流の影響を少なくしている。筒体４は三重構造とし
てもよい。

【００２３】図６に示す例は、図５の例を更に発展さ
せ、筒体４を二重構造としてその間に形成される空間を
真空引きした例であり、図４による効果がより向上す
る。図７に示す例は、筒体４の主体部分を金属管とし、
レーザ光が通過する部分のみを石英等の光透過性材料か
らなる窓４１を設けた例であり、このような構造を採用
することにより、筒体４の強度が増して長期に渡って使
用することが可能となる。

【００２４】図８に示す例は、筒体４を下部チャック１
２側に固着したものであり、この場合、筒体４の内部は
下方が開放していない関係上、低温の外気が入り込みに
くいため上部チャック１１側に先の各実施例における筒
体５に相当するものを特に装着する必要はない。

【００２５】図９に示す例は、チャックへの装着を容易
化するとともに被測定試料Ｗの取り替えを容易とするた
めに、筒体４を縦に二分割した例であり、このような筒
体４を上部または下部チャック１１または１２のいずれ
かに装着して被測定試料Ｗの周囲を覆った構造としても
よい。

【００２６】また、本発明はスペックルパターンを利用
した変位または歪測定に限らず、被測定試料Ｗの移動に
伴う照射レーザ光のドップラー効果を利用した変位ない
しは歪測定等、広く光を利用した非接触の変位または歪
測定にも全く同様に適用可能であることは勿論である。

【００２７】更に、上記した各例において、筒体４ない
しは５は円筒形に限らず、角筒形であってもよいことは
言うまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定試料に光を照射し、その光の被測定試料による反
射光を検出し、その検出結果から被測定試料の変位また
は歪みを算出する非接触型の変位または歪計において、
被測定試料の周囲を、少なくとも一部が光透過性部材に
よって形成された筒体によって覆い、その筒体の外部か
ら光を照射し、被測定試料による反射光を筒体を介して
検出するように構成しているから、被測定試料を高温に
加熱しても、被測定試料近傍の雰囲気のゆらぎが抑制さ
れて反射光の検出結果に殆どノイズが含まれることがな
く、簡単な構成のもとに、被測定試料の交換等が極めて
容易で、しかも正確な計測が可能な非接触型の変位また
は歪計を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を材料試験機に適用した場合の実施例の
構成を示す図で、被測定試料Ｗの近傍の機械的構成を示
す縦断面図と光学的および電気的構成のブロック図とを
併記して示す図

【図２】図１のＡ−Ａ断面図

【図３】本発明実施例（Ａ）および比較例（Ｂ），
（Ｃ）によるスペックルパターンの実測結果を示すスペ
ックヒストリー

【図４】本発明の他の実施例の機械的構成図

【図５】本発明の更に他の実施例の機械的構成図

【図６】本発明の更にまた他の実施例の機械的構成図

【図７】本発明のまた更に他の実施例の機械的構成図

【図８】本発明の更に他の実施例の機械的構成図

【図９】本発明のまた更に他の実施例の機械的構成図

【符号の説明】

１ 照射光学系 １ａ レーザ装置 １ｂ レンズ ２ａ，２ｂ １次元イメージセンサ ３ 演算装置 ４ 筒体 ５ 筒体 １１ 上部チャック １２ 下部チャック Ｗ 被測定試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定試料に光を照射する光学系と、そ
   の光の被測定試料による反射光を入射する光検出手段
   と、その光検出手段の出力を用いて被測定試料の変位ま
   たは歪みを算出する演算部を備えた装置において、上記
   被測定試料の周囲を覆い、かつ、少なくとも一部が光透
   過性部材によって形成された筒体を備え、上記光学系お
   よび光検出手段はその筒体の外部に配置されていること
   を特徴とする非接触型変位または歪計。