JP7814616B2 - 応力計測装置 - Google Patents

Description

本開示は、応力発光体を用いて物体の応力を計測する応力計測装置に関する。

計測対象の破壊を予測ないし検知するために、応力を計測することがある。従来の応力の計測方法には、計測対象にひずみゲージを貼り付けてひずみを計測し応力を求める手法、赤外線カメラを用いて発熱作用又は吸熱作用を計測して応力分布を求める手法、計測対象の表面にランダム模様を付与してカメラで撮像し、ひずみの変化から応力を求めるデジタル画像相関法、などがある。

しかし、ひずみゲージは貼り付けのための手間がかかるとともに計測部位が限られる。また、赤外線カメラを用いる手法は高精度に温度を計測できるカメラが必要であり、測定系のコストが高い。デジタル画像相関法は、事前に表面模様を準備する必要があり、また測定系の位置調整の制約が大きいという問題がある。このため、非接触かつ広範囲に一括で応力計測するために、応力発光体を表面に付与した計測対象からの応力発光を撮像することにより、計測対象の応力分布を非接触で計測する技術が注目されている。応力発光体を応力発光させるためには、あらかじめ応力発光体に励起光を照射して応力発光体の励起状態を飽和状態にしておく必要がある。例えば、特許文献１には、応力発光体に励起光を照射することによって応力発光体の励起状態を飽和状態にし、一定条件で応力発光体を発光させて対象物の表面を撮像する技術が記載されている。

特許第６４９９３６３号公報

物体にかかる応力には変化が生じない成分である静的成分と変化する成分である動的成分とが含まれ、物体が静止した状態でも静的成分である静的な応力がかかり続ける。このため、例えば、物体の破壊の予測精度を向上させるために、静的な応力を計測可能とする技術の実現が望まれる。特許文献１に記載の手法は、応力が変化した際に発光するという応力発光体の特性を利用して応力を計測しており、静的成分と動的成分とを含む応力を計測することが可能であるが、静的成分である静的な応力を計測することはできないという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、計測対象で生じている静的な応力を計測可能な応力計測装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかる応力計測装置は、応力発光体が塗布され、かつ未知の変動応力が生じる計測対象に連続的に励起光を照射して得られる発光強度を計測する計測部と、計測部で計測した発光強度を記憶する記憶部と、記憶部が記憶している発光強度の時間変動波形に基づいて、未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、を備え、変動応力が周期的に変動する応力であり、信号解析部は、時間変動波形の連続する２つの波のピークの強度の比に基づいて静的応力を算出することを特徴とする。

本開示によれば、計測対象で生じている静的な応力を計測可能な応力計測装置を得ることができる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる応力計測装置の構成例を示す図 発光強度式（１）および（２）のそれぞれを用いた発光強度算出結果の第一の比較例を示す図 発光強度式（１）および（２）のそれぞれを用いた発光強度算出結果の第二の比較例を示す図 発光強度式（１）および（３）のそれぞれを用いた発光強度算出結果の第一の比較例を示す図 発光強度式（１）および（３）のそれぞれを用いた発光強度算出結果の第二の比較例を示す図 実施の形態１にかかる応力計測装置が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャート 実施の形態２にかかる応力計測装置が計測する応力の一例を示す図 計測対象で生じる応力と応力発光体の応力発光強度との関係を示す第１の図 計測対象で生じる応力と応力発光体の応力発光強度との関係を示す第２の図 計測対象で生じる応力と応力発光体の応力発光強度との関係を示す第３の図 計測対象で生じる応力の動的成分と応力発光体の発光強度との関係を示す図 計測対象で生じる応力の静的成分と応力発光体の発光強度との関係を示す図 実施の形態３にかかる応力計測装置の構成例を示す図 実施の形態４にかかる応力計測装置が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャート 実施の形態５にかかる応力計測装置の構成例を示す図 実施の形態６にかかる応力計測装置による応力計測方法を説明するための図 実施の形態６にかかる応力計測装置が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャート 信号解析部として動作する解析装置をプロセッサおよびメモリで実現する場合の処理回路の構成例を示す図

以下に、本開示の実施の形態にかかる応力計測装置を図面に基づいて詳細に説明する。各実施の形態にかかる応力計測装置は、実験室における試験片の応力計測、インフラ設備の力学的負荷状況の点検など、様々な用途における応力計測に使用できる。なお、各実施の形態においては、時間変動する応力を変動応力と称する場合がある。また、変動応力の動的成分を動的応力と称し、変動応力の静的成分を静的応力と称する場合がある。

以下に示す各実施の形態においては、応力発光体を塗布した計測対象に未知の変動応力が作用した際に応力発光体が発する光である応力発光の強度を解析することで、計測対象に作用した応力を評価する計測方法について説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる応力計測装置１の構成例を示す図である。図１では、応力計測装置１が応力を計測する対象である計測対象１１１も記載している。計測対象１１１には応力発光体１１２が塗布されている。また、計測対象１１１では時間変動する応力１２１が生じる。

応力計測装置１は、計測対象１１１に向けて連続的に励起光１０１を照射する光照射部１１と、応力発光体１１２の発光強度を計測する計測部１２と、計測部１２で計測された発光強度を記憶する記憶部１３と、記憶部１３が記憶している発光強度の時間変動波形を解析する信号解析部１４とを備える。

計測対象１１１に塗布される応力発光体１１２は、励起光を照射されたのちに摩擦、衝撃、圧縮、引っ張り、せん断などの力学的刺激を受けた際に発光する物質である。例えばユウロピウムをドープしたアルミン酸ストロンチウム（ＳｒＡｌ２０４：Ｅｕ）や、遷移金属や希土類をドープした硫化亜鉛（ＺｎＳ：Ｍｎ）などがあるが、応力に応じた輝度で発光する物質であれば、これらに限定されるものではない。

励起光１０１は、時間的に連続して照射される光であって、応力発光体１１２を励起させられる波長の光である。計測部１２は、応力を受けた応力発光体１１２の応力発光の強度（以下では応力発光強度と称する場合がある）を逐次的に検知するものである。計測部１２は応力発光を検出できればよく、例えば、応力発光の発光波長に感度のある光センサーを用いて実現する。光センサーは例えばフォトダイオードを使用できるほか、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）といった二次元イメージセンサを使用した汎用のデジタルカメラやビデオカメラも使用できる。二次元イメージセンサを使用する場合、応力発光強度を計測するのみならず、計測対象の位置ごとの応力発光を画像として計測できる。計測部１２は、時間ごとの応力発光強度、連続した静止画、もしくは動画を出力する。記憶部１３は、計測部１２の出力を記憶する記憶装置である。信号解析部１４は、記憶部１３に記憶されたデータから応力発光強度を抽出し、応力発光強度の時間変動を解析する解析装置である。

ここで、応力発光体の発光強度は、応力発光体に作用する応力σと、応力σの変化速度dσ/dtの両方に依存することがすでに知られている。また、応力発光体の発光強度は係数Ｃ，Ｄ，Ｅを用いて、以下の式（１）で近似的に示されることが公知である。

しかし、式（１）は、応力の静的成分および動的成分、すなわち、静的応力および動的応力を考慮したものではないため、応力発光強度から静的応力および動的応力を求めることはできない。応力発光体の応力発光強度から静的応力および動的応力を求めるためには、これらの関係、すなわち、応力発光強度、静的応力および動的応力の対応関係を考慮に入れた構成の式を用いる必要がある。例えば、静的応力をσ_s、動的応力をσ_dとし、式（１）のσをσ_s＋σ_dに置き換え、かつそれぞれの項に個別の係数を設定する。このとき、発光強度式は式（２）の形となる。

さらに、式（２）の右辺のうち、静的応力σ_sおよび動的応力σ_dの項である第２項および第３項を、静的応力σ_sおよび動的応力σ_dの積の項に置き換えることで、発光強度式は式（３）の形となる。

式（３）では、式（２）より少ないパラメータでも同等の精度で、現象論的に静的応力が異なる場合の発光強度を近似できる。パラメータがより少ない式（３）を用いることで計算負荷を下げることができるため、測定時間を短縮したり、より安価な計算機を用いたりすることができる。

図２および図３は、実際の応力発光強度Ｉ(t)に合致するように、式（１）および式（２）の係数を調整した結果の比較である。図２は、平均応力が１３０ＭＰａ、応力の振幅が１１０ＭＰａである場合の比較を示し、図３は、平均応力が４００ＭＰａ、応力の振幅が１１０ＭＰａである場合の比較を示す。また、図４および図５は、実際の応力発光強度Ｉ(t)に合致するように、式（１）および式（３）の係数を調整した結果の比較である。図４は、平均応力が１３０ＭＰａ、応力の振幅が１１０ＭＰａである場合の比較を示し、図５は、平均応力が４００ＭＰａ、応力の振幅が１１０ＭＰａである場合の比較を示す。このように、式（１）では再現できなかった平均応力が異なる場合の発光強度を、式（２）または式（３）で近似することができる。

以下では、応力発光式として式（３）を採用した場合を例として応力の波形を評価する手順を説明する。計測対象１１１の応力を評価するためには、式（３）の係数Ａ”～Ｆ”を事前に決定する必要がある。そこで、計測対象１１１の応力を評価する前に、既知の変動応力σを印加した試験体の発光強度を計測することで、事前に係数Ａ”～Ｆ”をキャリブレーションする。以下、変化が不規則な一般的な応力の波形を評価する場合の手順の詳細を説明する。

図６は、実施の形態１にかかる応力計測装置１が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャートである。この例のフローチャートは、キャリブレーション用の試験体に既知の変動荷重を与えるキャリブレーション用荷重印加ステップ（ステップＳ１１）と、変動荷重印加時の応力発光体の応力発光強度Ｉ(t)を記録する記録ステップ（ステップＳ１２）と、式（３）の係数をキャリブレーションするキャリブレーションステップ（ステップＳ１３）と、計測対象１１１に未知の変動応力σ'(t)を与えた際の応力発光強度Ｉ'(t)を記録する計測ステップ（ステップＳ１４）と、式（３）にＩ'(t)を代入してσ'(t)を求める算出ステップ（ステップＳ１５）と、静的応力を算出する出力ステップ（ステップＳ１６）とを含む。これらの各ステップについて、以下で詳しく説明する。

ステップＳ１１～Ｓ１３では、例えば、図１に示す計測対象１１１をキャリブレーション用の試験体に置き換えた構成で実施する。

ステップＳ１１（キャリブレーション用荷重印加ステップ）では、キャリブレーション用の試験体に既知の変動荷重を与える。キャリブレーション用の試験体は、応力発光体を含む樹脂材であってもよいし、応力発光体を含まない材料、例えば金属や樹脂材、セラミックス、ガラス、コンクリートなどの表面に応力発光体を塗布したものであってもよい。また、キャリブレーション用の試験体は、荷重を印加した際に、塗布されている応力発光体に生じる応力の分布が予測できる形状であればよく、好ましくは平板状や柱状などの単純形状である。既知の変動荷重は、印加時にキャリブレーション用の試験体の応力発光体に生じる応力が予測できるものであればよい。好ましくは正弦波状の単軸荷重である。平均荷重、荷重振幅、荷重周波数が異なる複数のパターンの既知の変動荷重を試験体に印加することで、精度の良いキャリブレーションが可能となる。

ステップＳ１２（記録ステップ）では、キャリブレーション用の試験体に変動荷重を印加させながら、応力計測装置１が応力発光強度Ｉ(t)を記録する。すなわち、変動荷重が印加された試験体の応力発光体に対し、応力計測装置１の光照射部１１が励起光１０１を照射し、計測部１２が計測した応力発光体の応力発光強度を記憶部１３に記録する。また、同時に試験体の応力発光体に印加された応力σ(t)を記録する。応力発光体に印加された応力σ(t)は、試験体に印加する変動荷重を基に計算で求めてもよいし、試験体のひずみを計測し、計測したひずみを応力発光体の弾性係数で除算することで求めてもよい。印加する平均荷重、荷重振幅および荷重周波数を変えた複数の既知の変動荷重の場合について同様の計測を行い、それぞれの応力σ(t)と応力発光強度Ｉ(t)とを記録しておくことが好ましい。

ステップＳ１３（キャリブレーションステップ）では、変動荷重印加時にキャリブレーション用の試験体に生じた応力σ(t)と応力発光強度Ｉ(t)との変換式である式（３）をキャリブレーションする。具体的には、信号解析部１４が、ステップＳ１２で記録された応力発光強度Ｉ(t)と応力σ(t)とを記憶部１３から読み出し、式（３）に応力σ(t)を代入した際に応力発光強度Ｉ(t)が再現されるよう、式（３）の係数を調整する。係数の調整は、例えば、Ｉ(t)と式（３）にσ(t)を代入した値の差の二乗和が最小となるように実施する。

以上のステップＳ１１～Ｓ１３を実行することにより式（３）の係数Ａ”～Ｆ”を調整するためのキャリブレーションが完了し、式（３）と応力発光体の応力発光強度とを用いて未知の変動応力を求めることが可能となる。

ステップＳ１４（計測ステップ）では、未知の変動応力１２１が印加された計測対象１１１の応力発光強度Ｉ'(t)を記録する。未知の変動応力１２１が印加された計測対象１１１の例は、流体を通す配管、動力伝達軸、橋梁の橋げた部、締め付けられたボルトなどである。変動応力１２１は、応力印加部による繰り返し荷重によって生じる。応力印加部とは計測対象１１１そのものに含まれるか、もしくは計測対象１１１と不可分な構成である。一例として、計測対象１１１が流体を通す配管である場合、応力印加部は配管内の流体であり、応力は流体の圧力の変動によって与えられる。他の例として、計測対象１１１が回転する動力伝達軸である場合、応力は伝達する動力であったり、動力を伝達する過程で生じる振動であったりする。このステップＳ１４では、具体的には、変動応力１２１が印加された計測対象１１１の応力発光体１１２に対し、応力計測装置１の光照射部１１が励起光１０１を照射し、計測部１２が応力発光体１１２の応力発光強度を計測する。この計測部１２が計測した応力発光強度を記憶部１３が記録する。応力発光強度Ｉ'(t)の計測および記録は複数回実行する。

ステップＳ１５（算出ステップ）では、ステップＳ１３で係数を調整した式（３）と、ステップＳ１４で記録した応力発光強度Ｉ'(t)とを用いて、Ｉ'(t)が式（３）にσ'(t)を代入した値となる変動応力σ'(t)を求め、求めたσ'(t)を未知の変動応力の推定値とする。ここで、Ｉ'(t)を用いてσ'(t)を求める際は逆問題を解く必要があり、記録したＩ'(t)を単純に式（３）に代入してσ'(t)を求めることはできない。これに対して、一般的に知られる逆問題の解法を用いることができる。例えばσ'(t)が準周期的であると想定される場合は、σ'(t)をフーリエ変換し、波数空間にてσ'(t)を求めることができる。また、数値的な解法として、逐次的にσ'(t)の推定値を式（３）にσ'(t)を代入し、式（３）にσ'(t)を代入した値とＩ'(t)との差が最小になるようにσ'(t)を推定してもよい。さらに、ランダムな時間波形をもつσ'(t)を入力、式（３）にσ'(t)を代入した値を出力とするデータセットを事前に学習させた機械学習モデルを用いてσ'(t)を推定してもよい。

以上のように、事前に式（３）に含まれる係数を調整することによって、未知の変動応力σ'(t)を精度よく推定することができる。なお、発光強度を近似的に表す式の代表として式（３）を用いたが、応力の静的成分、動的成分および動的成分の時間微分の項を含んでいればよく、式の形は式（２）や式（３）に限定されない。例えば、より高次の項を追加することで、より精度よく発光強度を近似できる。

発光強度式の形によっては、Ｉ'(t)に対するσ'(t)が一意に定まらない場合がある。この場合、必要に応じて複数のσ'(t)のうちひとつを選択するステップを追加する。この選択ステップでは、物理的に予測されるもっともらしい解を選択してもよいし、他の判断基準で解を選択してもよい。他の判断基準の例の一つとして、より安全側となるような解を選択する場合を説明する。例えば計測対象１１１が構造材であって、継続的に変動する応力がかかり続ける状況において計測対象１１１が破壊しない安全性を検証する場合、複数のσ'(t)のうち最も疲労損傷度が大きくなる解を選択することで、安全側の評価とすることができる。

他の選択方法として、計測対象１１１のある一点において応力発光体１１２を用いずに応力を計測し、計測した応力と合致する解を選択し出力する方法がある。応力発光体１１２を用いない応力計測手段には、例えばひずみゲージや伸び計などでひずみを求め、応力に変換する手法を用いることができる。これにより、一点のみの応力計測値を参照しつつ、応力発光体１１２で計測対象１１１全体の応力分布を評価することができる。

ステップＳ１６（出力ステップ）では、ステップＳ１５で求めた変動応力σ'(t)に含まれる静的応力を計算し、応力計測装置１の外部に出力する。例えば、静的応力を表示装置に表示することで外部に通知する。変動応力σ'(t)も一緒に外部に出力してもよい。静的応力は、ステップＳ１４で記録した複数の発光強度、例えば、Ｉ'(t₁)およびＩ'(t₂)のそれぞれに対応するσ'(t₁)およびσ'(t₁)と、発光強度式とを用いて算出する。

以上説明したように、本実施の形態にかかる応力計測装置１は、計測対象１１１が有する応力発光体１１２に作用する応力σと、応力発光体の発光強度Ｉとの関係を示す発光強度式とを用いて、計測対象１１１に作用する応力および静的応力を算出する。本実施の形態にかかる応力計測装置１によれば、計測対象１１１に作用する応力を連続的に計測でき、また、計測した応力から静的応力を求めることができる。

また、応力を計測する対象物に断続的に励起光を照射する場合、励起光の励起状態も断続的となり、応力を連続して計測することができないという課題があるが、本実施の形態にかかる応力計測装置１は計測対象１１１に対して連続的に励起光１０１を照射するので、計測対象１１１に作用する応力を連続して計測することができる。このため、例えば時間的に連続した応力評価が必要な物体や、突発的に予期しない応力が印加される可能性がある物体の応力を高精度に評価することが可能となる。

実施の形態２．
つづいて、実施の形態２にかかる応力計測装置について説明する。実施の形態２にかかる応力計測装置の構成は実施の形態１と同様である。本実施の形態では、計測対象１１１で生じる応力１２１が周期的に変動する場合の計測方法について説明する。

例えば、計測対象１１１が流体を通す配管であり、流体の圧力の脈動によって応力が生じる場合、応力は周期的に変動する。また、計測対象１１１が回転する動力伝達軸であり、伝達する動力の脈動によって応力が生じる場合も応力は周期的に変動すると考えられる。このような場合、図７に示すように、応力１２１は、時間的に変動しないもしくは変動の時間スケールが十分に長い静的成分１２２と、応力１２１から静的成分１２２を差し引いた動的成分１２３とに分割でき、動的成分１２３は周期的に変動する。また、静的成分１２２は、応力１２１の時間平均に相当する。図７は、実施の形態２にかかる応力計測装置が計測する応力１２１の一例を示す図である。なお、周期的に変動する応力１２１について説明したが、周期的ではなくランダムに変動する応力の場合も、応力の静的成分である静的応力は応力の時間平均に相当する。

本実施の形態にかかる応力計測装置１は、信号解析部１４の動作が実施の形態１と異なる。光照射部１１および計測部１２は、実施の形態１で説明した図６のステップＳ１４と同様の処理を実行し、応力発光体１１２の発光強度を記憶部１３に記録する。

信号解析部１４が記憶部１３に記録された応力発光強度を解析して応力１２１の静的成分１２２および動的成分１２３を求める動作について、図８～図１２を用いて説明する。図８は、計測対象１１１で生じる応力１２１と応力発光体１１２の応力発光強度との関係を示す第１の図、図９は、計測対象１１１で生じる応力１２１と応力発光体１１２の応力発光強度との関係を示す第２の図、図１０は、計測対象１１１で生じる応力１２１と応力発光体１１２の応力発光強度との関係を示す第３の図、図１１は、計測対象１１１で生じる応力１２１の動的成分１２３と応力発光体１１２の発光強度との関係を示す図、図１２は、計測対象１１１で生じる応力１２１の静的成分１２２と応力発光体１１２の発光強度との関係を示す図である。

一例として、応力１２１の動的成分の波形が正弦波である場合について説明する。上述したように、計測対象１１１に印加される応力１２１は、時間平均である静的成分１２２と、応力１２１から静的成分１２２を差し引いた動的成分１２３とに分けることができる。このとき応力発光体１１２の応力発光強度は、図８～図１０に示すように、応力１２１の動的成分１２３の一周期あたり二回の頻度でピークが現れる。これは、応力発光強度が応力１２１の変動速度に依存するためである。以下では、応力１２１が減少する際に生じる応力発光強度のピークを第一ピーク１３１、応力１２１が増加する際に生じる応力発光強度のピークを第二ピーク１３２と称する。また、第一ピーク１３１の応力発光強度をＰ₁、第二ピーク１３２の応力発光強度Ｐ₂と称する。

Ｐ₁とＰ₂の比は静的成分１２２によって変わる。詳細には、図８に示す例のように静的成分１２２が正の場合はＰ₁の方がＰ₂よりも高くなる。図９に示す例のように静的成分１２２がゼロの場合はＰ₁とＰ₂は一致する。図１０に示す例のように静的成分１２２が負の場合はＰ₂の方がＰ₁よりも高くなる。また、図１１に示すように、Ｐ₁とＰ₂の平均値は、動的成分１２３の振幅の二乗に比例し、図１２に示すように、Ｐ₁をＰ₂で除した値は、静的成分１２２の指数関数に比例する。

これらの関係から、応力１２１の静的成分１２２および動的成分１２３は、それぞれ次式（４）を用いて求めることができる。式（４）において、ＡおよびＢは測定系による係数である。

信号解析部１４は、式（４）を用いて、応力発光強度の時間変動から、応力１２１の静的成分１２２と動的成分１２３とを求めて出力する。

本実施の形態にかかる応力計測装置１は、周期的に変動する応力１２１を連続的に計測でき、また、応力１２１の静的成分１２２を計測できる。

実施の形態３．
実施の形態１および２では、計測対象１１１に作用する応力が時間的に変動する場合について説明したが、本実施の形態では、計測対象１１１に作用する応力が時間的に変動しない場合であっても未知の静的応力を計測することが可能な応力計測装置について説明する。

図１３は、実施の形態３にかかる応力計測装置１ａの構成例を示す図である。応力計測装置１ａは、実施の形態２にかかる応力計測装置１に応力印加部１５が追加された構成である。応力印加部１５は、周期的に変動する応力１２１を計測対象１１１に印加する。計測対象１１１では、応力印加部１５による応力１２１が印加されていない状態のときは、未知の静的応力のみが生じているものとする。

本実施の形態における未知の静的応力とは、計測対象にかかっている時間的に変動しないもしくは変動の時間スケールが十分に大きい応力であって、例えば自重によってたわんだ状態の橋梁の橋げた部に生じる応力や、締め付けられたボルトにかかる引張応力、線膨張係数が異なる材料が組み合わされた部材に温度変化が生じた際の熱応力、樹脂成型物の成型時に生じる残留応力など、様々な状況で想定される応力である。

一例として、ボルトにかかる引張応力を計測することは、例えば生産工程における異常な組付け状態の点検に用いることができる。従来、組付け状態の点検方法のひとつに、打音検査がある。これは点検対象をハンマーなどで打撃し、その際の音響で正常か異常かを判断するが、例えばボルトが緩んではいないものの軸力が不十分である状況などは判別困難である。これに対し、本実施の形態の手法によれば、応力発光体を頭部に塗布したボルトを用いることで、ハンマーなどで打撃した際の応力発光強度を記録して解析することでボルトの軸力を推定し、従来よりも詳細な点検を実施できる。

応力計測装置１ａの応力印加部１５は、既知の変動応力、好ましくは正弦波を計測対象１１１に印加する。応力印加部１５は、例えば、疲労試験機や加振機を使用して実現することが可能である。計測対象１１１に印加する変動応力１２１は時間変動する応力であればよく、正弦波以外でも、例えば、三角波、矩形波などを印加することとしてもよい。

応力計測装置１ａは、応力印加部１５が計測対象１１１に既知の変動応力１２１を印加した際の応力発光体１１２の応力発光強度の波形を実施の形態１と同様の方法で解析することにより、計測対象１１１で生じている応力の静的成分１２２を求めて出力する。

このように、本実施の形態にかかる応力計測装置１ａは、計測対象１１１に周期的に変動する変動応力１２１を印加する応力印加部１５を備えるため、計測対象１１１で生じる応力が時間変動しない場合であっても応力の静的成分１２２を求めることができる。

実施の形態４．
応力発光体の応力発光強度は、印加された応力のみならず、応力発光体の濃度分布に依存する。また、応力発光体が塗膜状である場合はその膜厚に依存し、また励起光の強度に依存する。応力発光体の励起状態が飽和していない場合、応力発光強度は応力発光体の濃度、膜厚および励起光強度のそれぞれに比例する。こうした応力発光強度の不定性は、応力を評価する際の誤差要因となる。そこで、本実施の形態では、応力評価の誤差要因となる応力発光強度の不定性を補正する方法について説明する。

上記の不定性を補正する方法では、実施の形態１～３で説明したいずれかの手法で計測対象の変動応力を計測する前もしくは後に、計測対象に変動応力がかかっておらず、かつ励起光を照射した状況で、応力発光体の発光強度を計測する。このとき、応力発光体は応力発光していないが、励起光による蛍光を発している。この発光強度を、以下、補正用蛍光強度と称する。励起光は連続的に照射されるため、補正用蛍光強度も連続的となる。補正用蛍光強度は、応力発光体の励起状態が飽和していない場合、応力発光体の濃度、膜厚、励起光強度それぞれに比例する。したがって、実施の形態１～３で説明した手法で計測した応力発光強度を補正用蛍光強度で除算して補正することで、応力発光体の濃度、膜厚、励起光強度の影響を除去できる。

実施の形態１～３で説明した応力計測装置１，１ａの計測部１２が撮像系である場合には、画像として補正用蛍光強度の分布を取得できる。実施の形態１～３で説明した手法で計測した応力発光強度の画像を補正用蛍光強度の画像で除算して補正することで、応力発光体の濃度、膜厚、励起光強度の分布の影響を除去できる。

図１４は、実施の形態４にかかる応力計測装置が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャートである。なお、実施の形態４にかかる応力計測装置の構成は、実施の形態１，２の構成（図１参照）または実施の形態３の構成（図１３参照）と同様である。図１４では、図６に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理に同一のステップ番号を付している。図６に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理については説明を省略する。

図１４のフローチャートが示す動作例では、まず、計測対象１１１に変動応力１２１がかかっておらず、かつ励起光１０１を照射した状態で、応力発光体１１２の発光強度を計測部１２が計測して補正用蛍光強度を取得する（ステップＳ２１）。次に、計測対象１１１に未知の変動応力σ'(t)を与えた際の応力発光強度Ｉ'(t)を記録する（ステップＳ１４）。次に、ステップＳ１４で記録した応力発光強度Ｉ'(t)をステップＳ２１で取得した補正用蛍光強度で除算して応力発光強度Ｉ'(t)を補正する（ステップＳ２２）。次に、補正後の応力発光強度Ｉ'(t)を用いて応力を算出する（ステップＳ２３）。このステップＳ２３では、実施の形態１～３で説明したいずれかの手法で計測対象１１１の未知の変動応力σ'(t) を算出する。次に、静的応力を算出する（ステップＳ１６）。静的応力の算出は実施の形態１～３で説明したいずれかの手法で行う。

以上説明したように、本実施の形態にかかる応力計測装置は、変動応力がかかっていない状態の計測対象１１１に励起光１０１を照射して応力発光体１１２の発光強度を計測し、これを補正用蛍光強度として使用して、実施の形態１～３で説明したいずれかの手法で計測した変動応力を補正する。これにより、計測対象１１１の応力の計測値から、応力発光体１１２の濃度および膜厚と、応力発光体１１２に照射する励起光１０１の強度とによる影響を除去することができる。すなわち、応力の計測精度を高めることができる。

なお、計測対象１１１において変動応力を生じさせる応力印加部が計測対象１１１に含まれるか計測対象１１１と不可分な構成である場合、応力印加部が応力の印加を開始する前に補正用蛍光強度を取得しておけばよい。例えば、計測対象１１１が流体を通す配管である場合は流体を通す前に補正用蛍光強度を取得する。計測対象１１１が回転する動力伝達軸である場合、動力の伝達開始前に補正用蛍光強度を取得する。

実施の形態５．
本実施の形態では、応力計測装置が計測対象に照射する励起光の波長および応力計測装置が備える計測部の感度がある波長を適切に設定することで、応力発光強度を計測する際のノイズを低減し、応力の計測精度を向上する方法を示す。上述した実施の形態１～４にかかる応力計測装置１，１ａにおいて、励起光１０１は応力発光体１１２を励起できる波長であればよく、また計測部１２は応力発光体１１２の発光波長に感度があればよい。ただし、励起光１０１の反射光が計測部１２で検出されると応力発光強度を評価する際のノイズとなるため、励起光１０１の波長は計測部１２の感度がある波長帯の範囲外とする。

応力発光体１１２の発光波長は狭い波長帯にピークを持ち、例えばアルミン酸ストロンチウムの場合は３６５ｎｍ付近の強度が最も高い。一方、応力発光以外のノイズとなる光、例えば太陽光や蛍光灯、白熱電球等の光源からの光やそれらの散乱光は、一般的に応力発光以外の波長帯の光を多く含む。したがって、計測部１２の前面に応力発光の波長のみを透過するフィルタを追加することで、さらにノイズを低減できる。図１５は、実施の形態５にかかる応力計測装置１ｂの構成例を示す図である。図１５では、実施の形態１～４にかかる応力計測装置と共通の構成要素に同一の符号を付している。例えば、図１５に示すように、計測部１２と計測対象１１１との間に、応力発光の波長を透過し、他の波長、例えば、励起光１０１の波長などは透過しないフィルタ１６を設ける。これにより、励起光１０１の反射光など、応力発光にとってノイズとなる波長を検出することがなくなり、応力の計測精度を向上させることができる。

実施の形態６．
本実施の形態では、画像から負荷方向を求めて応力のテンソル方向の評価精度を向上する応力計測が可能な応力計測装置について説明する。上述した実施の形態１では、不規則に変動する応力の静的応力と変動応力とを評価することが可能な応力計測装置１について説明したが、計測対象１１１に塗布された応力発光体１１２にランダムパターン模様等の特徴点が描かれていてもよい。

図１６は、実施の形態６にかかる応力計測装置による応力計測方法を説明するための図である。本実施の形態にかかる応力計測装置の構成は実施の形態１と同様であるが、計測対象１１１に塗布された応力発光体１１３にはランダムパターン模様が描かれている。また、信号解析部１４の動作が実施の形態１と異なる。

計測対象１１１には時間変動する未知の負荷が加わり、これに伴い未知の変動応力１２１が生じている。このため、時間がｔ₁からｔ₂に経過した際、応力発光体１１３として描かれた模様が、負荷が変動する方向である負荷方向へ変位する。図１６では、簡単な例として、時間変動する未知の負荷がｙ軸方向の負荷のみの場合を示しているが、負荷方向が不明な未知の負荷が加わった場合でも、特徴点の変位量から変位方向を求め、時間変動する負荷による応力のテンソル方向を求めることができる。すなわち、本実施の形態にかかる応力計測装置１の信号解析部１４は、時間経過時の画像の特徴点の変位から応力のテンソル方向を求め、また応力発光体の発光強度から応力の絶対値を求めることで、応力が変動する方向と、応力の絶対値とを同時に求めることができる。

図１７は、実施の形態６にかかる応力計測装置１が応力の波形を評価する動作の一例を示すフローチャートである。なお、図１７では、図６に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理に同一のステップ番号を付している。図６に示すフローチャートに含まれる処理と共通の処理については説明を省略する。

応力計測装置１は、まず、第一荷重状態の画像を取得し（ステップＳ３１）、第二荷重状態の画像を取得する（ステップＳ３２）。具体的には、計測部１２が、時間ｔ₁に応力発光体１１３を撮影し、得られた画像を第一荷重状態の画像１５１として記憶部１３に記録し、時間ｔ₂に応力発光体１１３を撮影し、得られた画像を第二荷重状態の画像１５２として記憶部１３に記録する。

応力計測装置１は、次に、デジタル画像相関法で変動応力のテンソルを算出する（ステップＳ３３）。具体的には、信号解析部１４が、記憶部１３から第一荷重状態の画像１５１および第二荷重状態の画像１５２を読み出し、デジタル画像相関法を用いて、第一荷重状態の画像１５１および第二荷重状態の画像１５２を解析し、変動応力のテンソルを算出する。

応力計測装置１は、次に、計測対象１１１に未知の変動応力σ'(t)を与えた際の応力発光強度Ｉ'(t)を記録する（ステップＳ１４）。

応力計測装置１は、次に、静的応力を算出する（ステップＳ３５）。具体的には、信号解析部１４が、実施の形態１～５で説明したいずれかの手法を用いて静的応力を算出する。

応力計測装置１は、次に、変動応力のテンソルと静的応力を加算する（ステップＳ３６）。具体的には、信号解析部１４が、ステップＳ３３で算出した変動応力のテンソルとステップＳ３５で算出した静的応力を加算する。

応力計測装置１は、最後に、評価結果、すなわち、ステップＳ３６で実行した加算結果を外部に出力する（ステップＳ３７）。応力計測装置１は、例えば、評価結果を表示装置に表示する。

なお、上記のステップＳ３１～Ｓ３３とステップＳ１４およびＳ３５とを並列に実行してもよい。

デジタル画像相関法では変形前後の画像を比較してひずみを求めて応力を評価するため、時間的に変動しない応力は評価できない。本手法のようにデジタル画像相関法と応力発光体による応力評価とを同時に実施することで、時間変動の無い静的応力を含めた評価が可能になる。

計測対象１１１に塗布する応力発光体１１３に特徴点を描くにあたっては、応力発光体１１３にカーボンブラック等の粉体を混ぜて塗布することで描いてもよいし、応力発光体１１３の表面に特徴点を塗装して描いてもよい。

つづいて、応力計測装置１の各部を実現するハードウェアについて説明する。応力計測装置１の光照射部１１は、例えば半導体レーザーで実現することができる。計測部１２は、上述したように、フォトダイオード、二次元イメージセンサなどの光センサーで実現することができる。記憶部１３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の記憶装置で実現することができる。

信号解析部１４は、上述したように、解析装置で実現することができる。この解析装置は、例えば、専用のハードウェアである処理回路、具体的には、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた処理回路で実現してもよいし、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサおよびメモリで構成される制御回路で実現してもよい。図１８は、信号解析部１４として動作する解析装置をプロセッサおよびメモリで実現する場合の処理回路の構成例を示す図である。プロセッサ２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）である。メモリ２０２は、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等である。なお、メモリ２０２には信号解析部１４の各部として動作するためのプログラムが格納され、このプログラムをプロセッサ２０１が読み出して実行することにより信号解析部１４が実現される。信号解析部１４がプロセッサ２０１およびメモリ２０２で実現される場合、メモリ２０２に格納されるプログラムは、例えば、ＣＤ（Compact Disc）－ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）－ＲＯＭなどの記憶媒体に書き込まれた状態でユーザ等に提供される形態であってもよいし、ネットワークを介して提供される形態であってもよい。なお、上記の記憶部１３をメモリ２０２で実現してもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
応力発光体が塗布され、かつ未知の変動応力が生じる計測対象に連続的に励起光を照射して得られる発光強度を計測する計測部と、
前記計測部で計測した前記発光強度を記憶する記憶部と、
前記記憶部が記憶している前記発光強度の時間変動波形に基づいて、前記未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、
を備えることを特徴とする応力計測装置。
（付記２）
前記変動応力が周期的に変動する応力である場合、
前記信号解析部は、前記時間変動波形の連続する２つの波のピークの強度の比に基づいて前記静的応力を算出する、
ことを特徴とする付記１に記載の応力計測装置。
（付記３）
前記計測対象に前記励起光を連続的に照射する光照射部と、
前記計測対象に周期的に変動する応力を印加する応力印加部と、
を備え、
前記光照射部は、前記応力印加部により応力が印加されている状態の前記計測対象に連続的に前記励起光を照射し、
前記計測部は、前記光照射部が前記励起光を照射したときの前記応力発光体の発光強度を計測する、
ことを特徴とする付記１または２に記載の応力計測装置。
（付記４）
前記信号解析部は、
前記応力発光体が塗布された試験体に既知の変動荷重を与えるとともに前記励起光を照射して得られる発光強度に基づいて、前記変動応力と前記発光強度との変換式の係数を調整し、前記係数の調整が終了した前記変換式と、前記記憶部が記憶している前記発光強度とに基づいて前記静的応力を算出する、
ことを特徴とする付記１から３のいずれか一つに記載の応力計測装置。
（付記５）
前記変換式は、応力の静的成分、動的成分および動的成分の時間微分の項を含む、
ことを特徴とする付記４に記載の応力計測装置。
（付記６）
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、物理的に予測されるもっともらしい変動応力を選択する、
ことを特徴とする付記４または５に記載の応力計測装置。
（付記７）
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、前記計測対象がより安全側となる変動応力を選択する、
ことを特徴とする付記４または５に記載の応力計測装置。
（付記８）
前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、前記計測対象のある一点において前記応力発光体を使用しない方法で計測した応力との比較結果に基づいて、複数の前記変動応力の中の一つを選択する、
ことを特徴とする付記４または５に記載の応力計測装置。
（付記９）
前記信号解析部は、
前記変動応力が生じていない状態の前記計測対象に前記励起光を照射して得られる発光強度を補正用蛍光強度として取得し、
前記補正用蛍光強度を使用して前記記憶部が記憶している前記発光強度を補正し、
補正後の前記発光強度を使用して静的応力を算出する、
ことを特徴とする付記１から８のいずれか一つに記載の応力計測装置。
（付記１０）
前記励起光の波長と前記応力発光体の発光波長とが異なる、
ことを特徴とする付記１から９のいずれか一つに記載の応力計測装置。
（付記１１）
前記励起光の照射に伴い前記応力発光体が発する光の波長を透過させ、かつ前記励起光の波長を透過させない特性のフィルタを前記計測対象と前記計測部との間に備える、
ことを特徴とする付記１０に記載の応力計測装置。
（付記１２）
前記応力発光体の表面に光学的に識別できる特徴点が形成され、
前記信号解析部は、異なる時間に前記特徴点を撮影して得られた複数の画像をデジタル画像相関法により解析して前記変動応力のテンソル方向をさらに算出する、
ことを特徴とする付記１から１１のいずれか一つに記載の応力計測装置。

１，１ａ，１ｂ 応力計測装置、１１ 光照射部、１２ 計測部、１３ 記憶部、１４ 信号解析部、１５ 応力印加部、１６ フィルタ、１０１ 励起光、１１１ 計測対象、１１２，１１３ 応力発光体、１２１ 応力、１２２ 静的成分、１２３ 動的成分、１３１ 第一ピーク、１３２ 第二ピーク、１５１ 第一荷重状態の画像、１５２ 第二荷重状態の画像。

Claims (11)

1. 応力発光体が塗布され、かつ未知の変動応力が生じる計測対象に連続的に励起光を照射して得られる発光強度を計測する計測部と、
   前記計測部で計測した前記発光強度を記憶する記憶部と、
   前記記憶部が記憶している前記発光強度の時間変動波形に基づいて、前記未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、
   を備え、
   前記変動応力が周期的に変動する応力であり、
   前記信号解析部は、前記時間変動波形の連続する２つの波のピークの強度の比に基づいて前記静的応力を算出する、
   ことを特徴とする応力計測装置。
2. 応力発光体が塗布され、かつ未知の変動応力が生じる計測対象に連続的に励起光を照射して得られる発光強度を計測する計測部と、
   前記計測部で計測した前記発光強度を記憶する記憶部と、
   前記記憶部が記憶している前記発光強度の時間変動波形に基づいて、前記未知の変動応力の静的成分である静的応力を算出する信号解析部と、
   を備え、
   前記信号解析部は、
   前記応力発光体が塗布された試験体に既知の変動荷重を与えるとともに前記励起光を照射して得られる発光強度に基づいて、前記変動応力と前記発光強度との変換式の係数を調整し、前記係数の調整が終了した前記変換式と、前記記憶部が記憶している前記発光強度とに基づいて前記静的応力を算出する、
   ことを特徴とする応力計測装置。
3. 前記計測対象に前記励起光を連続的に照射する光照射部と、
   前記計測対象に周期的に変動する応力を印加する応力印加部と、
   を備え、
   前記光照射部は、前記応力印加部により応力が印加されている状態の前記計測対象に連続的に前記励起光を照射し、
   前記計測部は、前記光照射部が前記励起光を照射したときの前記応力発光体の発光強度を計測する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
4. 前記変換式は、応力の静的成分、動的成分および動的成分の時間微分の項を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の応力計測装置。
5. 前記変換式は、応力の静的成分である静的応力σ_s、応力の動的成分である動的応力σ_d、および係数Ａ”～Ｆ”を用いて、式（１）の形で表され、静的応力σ_sと動的応力σ_dの積の項を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の応力計測装置。
   
6. 前記計測対象を構造材とし、
   前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、変動応力による前記計測対象の疲労損傷度がより大きくなる変動応力を選択する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の応力計測装置。
7. 前記信号解析部は、前記発光強度を前記変換式で変換して得られる変動応力が複数の場合、前記計測対象のある一点において前記応力発光体を使用しない方法で計測した応力との比較結果に基づいて、複数の前記変動応力の中の一つを選択する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の応力計測装置。
8. 前記信号解析部は、
   前記変動応力が生じていない状態の前記計測対象に前記励起光を照射して得られる発光強度を補正用蛍光強度として取得し、
   前記補正用蛍光強度を使用して前記記憶部が記憶している前記発光強度を補正し、
   補正後の前記発光強度を使用して静的応力を算出する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
9. 前記励起光の波長と前記応力発光体の発光波長とが異なる、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。
10. 前記励起光の照射に伴い前記応力発光体が発する光の波長を透過させ、かつ前記励起光の波長を透過させない特性のフィルタを前記計測対象と前記計測部との間に備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の応力計測装置。
11. 前記応力発光体の表面に光学的に識別できる特徴点が形成され、
    前記信号解析部は、異なる時間に前記特徴点を撮影して得られた複数の画像をデジタル画像相関法により解析して前記変動応力のテンソル方向をさらに算出する、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の応力計測装置。