特開 2024-98847 非破壊検査方法及び非破壊検査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098847

(43)【公開日】2024-07-24

(54)【発明の名称】非破壊検査方法及び非破壊検査装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/00 20060101AFI20240717BHJP

   G01N 25/20 20060101ALI20240717BHJP

   G01M 99/00 20110101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

G01L1/00 G

G01L1/00 M

G01N25/20 Z

G01M99/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023002602

(22)【出願日】2023-01-11

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和４年１１月２３日にアドレスｈｔｔｐｓ：／／ｌｉｎｋ．ｓｐｒｉｎｇｅｒ．ｃｏｍ／ａｒｔｉｃｌｅ／１０．１００７／ｓ１１３４０－０２２－００８９４－ｙのウェブサイト「Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｌｉｎｋ（シュプリンガーリンク）」において公開した。

(71)【出願人】

【識別番号】504150450

【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学

(71)【出願人】

【識別番号】509147444

【氏名又は名称】ＮＥＸＣＯ西日本イノベーションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004196

【氏名又は名称】弁理士法人ナビジョン国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金出 武雄

(72)【発明者】

【氏名】阪上 ▲隆▼英

(72)【発明者】

【氏名】塩澤 大輝

(72)【発明者】

【氏名】内田 勇治

【テーマコード（参考）】

2G024

2G040

【Ｆターム（参考）】

2G024AD34

2G024BA13

2G024CA17

2G024CA22

2G024CA26

2G024FA06

2G024FA15

2G040AA05

2G040AB19

2G040BA14

2G040BA25

2G040CA02

2G040DA06

2G040GA01

2G040HA05

2G040HA11

(57)【要約】

【課題】 負荷信号を与えることなく検査対象物の応力分布を計測することができ、高度な専門知識を有しない者でも利用可能な非破壊検査装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 検査対象物を繰り返し撮影し、多数の熱画像を生成する赤外線カメラ１と、前記熱画像を構成する各画素値ψ（ｐ，ｔ）の時間平均に対する偏差を成分とし、行が前記熱画像中の画素位置に対応し、列が撮影時刻に対応する観測行列Ψ^＊を生成する観測行列生成部２２と、特異値分解により前記観測行列Ψ^＊を固有値行列Σ及び固有ベクトル行列Ｕ，Ｖに分解する特異値分解部２３とを備え、固有ベクトル行列Ｕを構成する単位ベクトルｕ_１～ｕ_Ｐのうち、最大の固有値σ_１に対応する固有ベクトルｕ_１に基づいて、前記検査対象物内における応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）を求める。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

検査対象物を繰り返し撮影し、多数の熱画像を生成するステップと、
前記熱画像を構成する各画素値の時間平均に対する偏差を成分とし、行又は列の一方が前記熱画像中の画素位置に対応し、他方が撮影時刻に対応する観測行列を生成するステップと、
特異値分解により前記観測行列を固有値行列及び固有ベクトル行列に分解するステップとを備え、
最大の固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における応力分布を求めるステップとを備えることを特徴とする非破壊検査方法。

【請求項2】

３番目に大きな固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における塑性変形分布を求めるステップとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の非破壊検査方法。

【請求項3】

検査対象物を繰り返し撮影し、多数の熱画像を生成する撮影部と、
前記熱画像を構成する各画素値の時間平均に対する偏差を成分とし、行及び列の一方が前記熱画像中の画素位置に対応し、他方が撮影時刻に対応する観測行列を生成する観測行列生成部と、
特異値分解により前記観測行列を固有値行列及び固有ベクトル行列に分解する特異値分解部とを備え、
最大の固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における応力分布を求めることを特徴とする非破壊検査装置。

【請求項4】

３番目に大きな固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における塑性変形分布を求めることを特徴とする請求項３に記載の非破壊検査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非破壊検査方法及び非破壊検査装置に係り、さらに詳しくは、検査対象物の熱画像を用いて検査を行う非破壊検査方法及び当該非破壊検査に用いる非破壊検査装置に関する。

【背景技術】

【0002】

赤外線カメラ（赤外線サーモグラフィカメラ）を用いて検査対象物を撮影し、得られた熱画像から検査対象物における応力の空間分布を測定し、検査対象物の非破壊検査を行う方法が従来から知られている。このような方法を採用することにより、例えば、鋼製橋、船舶、飛行機、列車などの金属材料の疲労き裂の発生を事前に検知し、あるいは、塗膜下で発生したき裂を検知することができる。

【0003】

金属材料内において応力集中が発生すれば、将来、その位置において疲労き裂が発生する可能性が高い。また、き裂が既に発生している場合、き裂の先端にスポット的な応力集中が発生する。このため、金属材料内における応力分布を観察することができれば、き裂が発生する可能性が高い部位や、既にき裂が発生している部位を特定することができ、当該金属材料の健全性を確認することができる。

【0004】

一般に、対象物に作用する応力が急激に変化して弾性変形が生じる場合、この変形が断熱的に行われるならば、当該対象物の内部には、応力変動に応じた温度変動が生じることが知られている。この温度変動は、熱弾性効果と呼ばれ、温度変動△Ｔと主応力和の変動△σとの関係は次式（１）で表される。

【数1】

ｋは熱弾性係数であり、Ｔは材料の絶対温度である。例えば、金属材料に引張応力を作用させると、その応力変動に比例した温度低下が発生し、圧縮応力を作用させると、その応力変動に比例した温度上昇が発生する。

【0005】

金属材料に対し所定の負荷が作用しているとき、金属材料内では領域ごとに異なる応力が発生し、金属材料上に応力分布が発生する。このため、金属材料に作用する負荷が変動すれば、当該金属材料上には応力変動の分布が生じ、温度変動の分布となって現れる。このとき、応力変動の分布形状は、温度変動の分布形状と一致し、また、応力変動の分布形状は、応力の分布形状と一致すると考えられる。従って、温度変動の分布を観察することができれば、金属材料内における応力分布を取得することができる。

【0006】

しかしながら、熱弾性効果による温度変動は非常に小さく、熱画像に含まれる負荷変動とは無関係のノイズに埋もれてしまう。このため、熱画像から熱弾性温度変動の成分のみを抽出して観察する必要がある。例えば、負荷の周期がわかれば、その周期に一致する温度変動のみを抽出し、応力分布を測定することができる。このような方法として、ロックイン赤外線サーモグラフィ法や自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法が従来から知られている（例えば、非特許文献１）。

【0007】

時刻ｔに撮影した熱画像（赤外線サーモグラフィ画像）内の画素位置ｐの画素値ψ（ｐ，ｔ）は、次式（２）に示したモデル式で表すことができる。

【数2】

画素位置ｐ＝１～Ｐは、画素数Ｐの２次元画像を構成する各画素を示す数値であり、時刻ｔ＝１～Ｆは、熱画像の撮影時刻である。

【0008】

右辺の第１項ａ（ｐ）は、画素位置ｐにおける画素値の時間変動しない成分（直流成分）、つまり、室温や放射率で決まる負荷変動に関係のない熱成分である。右辺の第２項ｂ（ｐ）ｆ（ｔ）は、画素値の時間変動成分である。ｆ（ｔ）は、負荷変動であり、検査対象物に作用する負荷の時間変化を示している。ｂ（ｐ）は、温度変動係数であり、検査対象物に作用する負荷が単位量だけ変動したときに、画素位置ｐに対応する検査対象物上の観察点に生じる温度変化量を示している。

【0009】

検査対象物が均一な素材で構成されていれば、応力変動に対する温度変動の割合は、観察点にかかわらず一定になる。このため、温度変動係数ｂ（ｐ）は、負荷が作用することにより検査対象物上に発生する応力分布を示していると考えられる。このため、熱画像の画素値ψ（ｐ，ｔ）からｂ（ｔ）を求めることができれば、検査対象物上における応力分布を取得することができる。

【0010】

ロックイン赤外線サーモグラフィ法は、負荷変動ｆ（ｔ）を用いて応力分布を求める方法である。検査対象物上の参照点に接触式の歪み計を設置すれば、参照点における歪みを観察することができる。負荷を作用させたときに大きな応力が発生する検査対象物上の点を参照点に選択すれば、測定される歪みの波形は負荷の波形と一致するため、参照点における歪みの測定値から負荷変動ｆ（ｔ）を得ることができる。従って、熱画像と参照点の歪み量とを同期取得すれば、次式（３）により応力分布を求めることができる。

【0011】

【数3】

ｂ_Ｌ（ｐ）は、ロックイン赤外線サーモグラフィ法により得られる応力分布ｂ（ｐ）である。

【0012】

ロックイン赤外線サーモグラフィ法を用いることにより、熱画像の時系列データから応力分布を算出することができる。しかし、この方法では、負荷変動ｆ（ｔ）を示す負荷信号を与える必要があり、例えば、検査対象物上に接触式センサを設置し、参照点の歪みを計測する必要がある。従って、赤外線カメラを用いるにもかかわらず、応力分布を非接触で計測することができないという問題があった。

【0013】

自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法は、このようなロックイン赤外線サーモグラフィ法の欠点を補うために開発された方法である。自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法は、熱画像上において温度変動が大きな画素位置ｓの画素値ψ（ｓ，ｔ）を参照信号として用いる方法であり、次式（３）により応力分布を求めることができる。

【0014】

【数4】

ｂ_Ｓ（ｐ）は、自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法により得られる応力分布ｂ（ｐ）である。

【0015】

自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法を用いることにより、応力分布を非接触で計測することができる。しかし、この方法では、負荷と大きな相関を持つ温度変動が画素位置ｓに発生している必要があり、画素位置ｓにおける温度変動が、非常に小さかったり、ノイズを多く含む場合には、正確な応力分布を得ることができない。つまり、参照信号を取得する画素位置ｓの選び方によって応力分布の精度が左右される。このため、計測者には、検査対象物に対する専門的知識が要求され、専門家でなければ、高い精度で計測することができないという問題があった。

【0016】

さらに、これらの方法により、弾性変形によって生じる温度変動は検出できるが、塑性変形によって生じる温度変動は検出することができないという問題があった。塑性変形による温度変動は、例えば、金属材料に対し、引張応力又は圧縮応力のいずれを作用させた場合にも、その応力変動に比例して温度が上昇する変動である。この温度変動は、弾性変形による温度変動よりも更に小さく、従来の方法では検出することが困難であった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】坂上隆英「赤外線サーモグラフィによる熱弾性応力測定」溶接学会誌、第７２巻（２００１年）第６号、５１～５５頁

【非特許文献2】坂上隆英ら「自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法による疲労き裂の遠隔非破壊検査技術の開発」日本機械学会論文集（Ａ編）、７２巻（２００６年）７２４号、５０～５７頁

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、負荷信号を与えることなく検査対象物の応力分布を計測することができ、かつ、高度な専門知識を有しない者でも利用可能な非破壊検査方法を提供することを目的とする。また、塑性変形分布を計測する非破壊検査方法を提供することを目的とする。さらに、上記非破壊検査方法を用いた非破壊検査装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明の第１の実施態様による非破壊検査方法は、検査対象物を繰り返し撮影し、多数の熱画像を生成するステップと、前記熱画像を構成する各画素値の時間平均に対する偏差を成分とし、行又は列の一方が前記熱画像中の画素位置に対応し、他方が撮影時刻に対応する観測行列を生成するステップと、特異値分解により前記観測行列を固有値行列及び固有ベクトル行列に分解するステップとを備え、最大の固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における応力分布を求めるステップとを備える。

【0020】

上記構成を採用することにより、多数の熱画像を時系列に取得し、各画素値の温度変動を成分とする観測行列を生成して特異値分解することにより、検査対象物内における応力分布を求めることができる。このため、負荷信号を用いることなく応力分布を取得することができ、非接触で応力分布を取得することができる。また、応力変動による温度変動が大きな画素位置を指定する必要がなく、高度な専門的知識を有しない者でも精度の高い応力分布を取得することができる。

【0021】

本発明の第２の実施態様による非破壊検査方法は、上記構成に加えて、３番目に大きな固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における塑性変形分布を求めるステップとを備える。

【0022】

上記構成を採用することにより、弾性変形による温度変動よりも小さい塑性変形による温度変動を計測することができ、塑性変形分布を取得することができる。

【0023】

本発明の第３の実施態様による非破壊検査装置は、検査対象物を繰り返し撮影し、多数の熱画像を生成する撮影部と、前記熱画像を構成する各画素値の時間平均に対する偏差を成分とし、行及び列の一方が前記熱画像中の画素位置に対応し、他方が撮影時刻に対応する観測行列を生成する観測行列生成部と、特異値分解により前記観測行列を固有値行列及び固有ベクトル行列に分解する特異値分解部とを備え、最大の固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における応力分布を求めるように構成される。

【0024】

本発明の第４の実施態様による非破壊検査装置は、上記構成に加えて、３番目に大きな固有値に対応する固有ベクトルに基づいて、前記検査対象物内における塑性変形分布を求めるように構成される。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、負荷信号を与えることなく検査対象物の応力分布を計測することができ、かつ、高度な専門知識を有しない者でも利用可能な非破壊検査方法を提供することができる。また、本発明によれば、塑性変形分布を計測する非破壊検査方法を提供することができる。さらに、上記非破壊検査方法を用いた非破壊検査装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の実施の形態１による非破壊検査装置１００の一構成例を示した図である。

【図2】図１の非破壊検査装置１００の動作の一例を示したフローチャートである。

【図3】本発明の実施の形態２による非破壊検査装置１０１の一構成例を示した図である。

【図4】図３の非破壊検査装置１０１の動作の一例を示したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0027】

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による非破壊検査装置１００の一構成例を示した図である。非破壊検査装置１００は、検査対象物の熱画像を繰り返し撮影し、熱画像の時系列データに基づいて検査対象物の応力分布を求め、検査対象物の健全性を非接触で検査する非破壊検査装置である。この非破壊検査装置１００は、赤外線カメラ１と分析装置２とにより構成される。

【0028】

赤外線カメラ１は、物体から放射される赤外線を撮影し、熱画像を生成する撮影手段である。熱画像は、温度を画素値とする２次元画像であり、被写体表面の温度分布を表している。赤外線カメラ１は、検査対象物の撮影を一定周期で繰り返し、多数の熱画像を生成する。つまり、熱画像の時系列データが生成される。本実施の形態では、時刻ｔに撮影された熱画像内における画素位置ｐの画素値をψ（ｐ，ｔ）とする。画素位置ｐ＝１～Ｐは、画素数Ｐの２次元画像を構成する各画素に対応する数値であり、例えば２次元画像をラスタースキャンする場合におけるスキャン順序を示す数値を用いることができる。時刻ｔ＝１～Ｆは、熱画像の撮影時刻である。

【0029】

分析装置２は、赤外線カメラ１が生成した熱画像に基づいて、検査対象物の応力分布を算出する。分析装置２は、熱画像取得部２０、熱画像記憶部２１、観測行列生成部２２、特異値分解部２３、応力分布記憶部２４及び表示出力部２５により構成される。

【0030】

熱画像取得部２０は、熱画像ψ（ｐ，ｔ）を赤外線カメラ１から取得する手段であり、熱画像記憶部２１は、取得した熱画像ψ（ｐ，ｔ）を記憶する記憶手段である。検査対象物を繰り返し撮影して生成された熱画像ψ（ｐ，ｔ）は、熱画像取得部２０により赤外線カメラ１から順次に又は一括して取得され、熱画像記憶部２１に格納される。

【0031】

観測行列生成部２２は、熱画像記憶部２１に保持されている熱画像ψ（ｐ，ｔ）から観測行列Ψ^＊を求める。観測行列Ψ^＊は、画素位置ｐを行とし、撮影時刻ｔを列とし、変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）を要素とする行列である。つまり、観測行列Ψ^＊は、次式（５）のように表すことができる。

【数5】

【0032】

変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）は、熱画像の画素値ψ（ｐ，ｔ）の時間変動成分であり、例えば、画素値ψ（ｐ，ｔ）の時間平均に対する偏差として、次式（６）により求められる。

【数6】

【0033】

特異値分解部２３は、特異値分解を行うことにより、観測行列Ψ^＊を固有値行列Σ及び固有ベクトル行列Ｕ，Ｖに分解する。一般に、Ｐ行Ｆ列（Ｐ×Ｆ）の観測行列Ψ^＊を特異値分解すれば、次式（７）に示す通り、固有値行列Σ及び固有ベクトル行列Ｕ，Ｖが求められる。

【数7】

固有ベクトル行列Ｕは、Ｐ×Ｐの縦固有ベクトル行列であり、その成分である固有ベクトルｕ_１～ｕ_Ｐは、それぞれＰ次元単位ベクトルである。行列Ｖ^Ｔは、Ｆ×Ｆの横固有ベクトル行列の転置行列であり、その成分である固有ベクトルｖ_１～ｖ_Ｆは、それぞれＦ次元単位ベクトルである。行列Σは、Ｐ×Ｆの固有値行列であり、固有値σ_１～σ_Ｆが対角線上に配置され、それ以外の成分は全てゼロである。また、固有値σ_１～σ_Ｆについてσ_１≧…≧σ_Ｆ≧０の関係が成立している。

【0034】

ここで、上式（６）に対し、上式（２）の関係を適用すれば、変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）は次式（８）のように表すことができる。

【数8】

ｆ^＊（ｔ）は、負荷変動ｆ（ｔ）の時間変動成分であり、ｆ（ｔ）の時間平均に対する偏差である。

【0035】

観測行列Ψ^＊は、上式（８）の関係を用いると、次式（９）のように表すことができる。

【数9】

【0036】

上式（９）の右辺は、Ｐ×１（Ｐ行１列）の行列と１×Ｆ（１行Ｆ列）の行列との積であるから、観測行列Ψ^＊の階数は１でなければならないことが分かる。観測行列Ψ^＊の階数が１であるなら、観測行列Ψ^＊の特異値分解で得られる固有値は、σ_１を除き全てゼロになると考えられる。また、観測行列Ψ^＊に多少のノイズが混入していたとしても、他の固有値σ_２～σ_Ｆは、σ_１に対し十分に小さい値になるはずである。そこで、上式（７）において、他の固有値σ_２～σ_Ｆを全てゼロにすれば、観測行列Ψ^＊は、次式（１０）で表すことができる。

【数10】

【0037】

上式（９）及び（１０）の右辺を比較すれば、スケールを除いて、固有ベクトルｕ_１がベクトルｂに対応し、固有ベクトルｖ_１がベクトルｆ^＊に対応していることがわかる。スケールに関しては任意であるから、ベクトルｂ及びｆ^＊は、次式（１１）のように表すことができる。

【0038】

【数11】

【0039】

ベクトルｂは、その成分が各画素位置ｐにおける温度変動係数ｂ（ｐ）であり、応力分布をベクトルで表したものである。ベクトルｆ^＊は、その成分が各撮影時刻ｔにおける負荷変動の平均値からの偏差ｆ^＊（ｔ）であり、負荷変動ｆ（ｔ）の時間変動をベクトルで表したものである。つまり、観測行列Ψ^＊は、特異値分解により、温度変動係数ｂ（ｐ）と負荷変動の時間変動ｆ^＊（ｔ）とに分離される。

【0040】

従って、本実施の形態により求められる応力分布をｂ_Ｖ（ｐ）とすれば、固有ベクトルｕ_１の成分ｕ_１（ｐ）がｂ_Ｖ（ｐ）となる。

【数12】

【0041】

つまり、観測行列Ψ^＊の特異値分解により求められる固有ベクトル行列Ｕを構成する固有ベクトルｕ_ｉ（ｉ＝１～Ｐ）のうち、固有値行列Σを構成する最大の固有値σ_１に対応する固有ベクトルｕ_１が、検査対象物の応力分布を示している。

【0042】

応力分布記憶部２４は、応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）を記憶する記憶出手段であり、特異値分解を用いて求められた応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）が、応力分布記憶部２４に格納される。表示出力部２５は、応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）に基づいて画面表示を行うことができる。

【0043】

図２のＳ１０１～Ｓ１０４は、図１の非破壊検査装置１００の動作の一例を示したフローチャートである。まず、赤外線カメラ１が検査対象物を繰り返し撮影し、多数の熱画像ψ（ｐ，ｔ）を生成する（ステップＳ１０１）。生成された熱画像ψ（ｐ，ｔ）は、熱画像取得部２０により熱画像記憶部２１に格納される。観測行列生成部２２は、熱画像記憶部２１内の熱画像ψ（ｐ，ｔ）に基づいて観測行列Ψ^＊を生成する（ステップＳ１０２）。特異値分解部２３は、観測行列Ψ^＊の特異値分解を行って応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）を求める（ステップＳ１０３）。求められた応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）は、応力分布記憶部２４に格納される。表示出力部２５は、応力分布記憶部２４内の応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）に基づいて表示出力を行う（ステップＳ１０４）。

【0044】

本実施の形態による非破壊検査装置１００では、多数の熱画像ψ（ｐ，ｔ）を取得し、その変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）で構成される観測行列Ψ^＊を生成し、特異値分解により観測行列Ψ^＊を固有ベクトル行列Ｕ，Ｖ及び固有値行列Σの積ＵΣＶ^Ｔに分解する。熱弾性効果が観測行列Ψ^＊の支配的要因であれば、固有ベクトル行列Ｖを構成する固有ベクトルｖ_１～ｖ_Ｆのうち、最大の固有値σ_１に対応する固有ベクトルｖ_１がｆ^＊（ｔ）に相当し、固有ベクトル行列Ｕを構成する固有ベクトルｕ_ｉのうち、最大の固有値σ_１に対応する固有ベクトルｕ_１がｆ^＊（ｔ）との相関が最も高い変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）の成分に相当する。このため、固有ベクトルｕ_１として検査対象物の応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）を求めることができ、熱画像ψ（ｐ，ｔ）のみを用いて応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）を取得することができる。

【0045】

変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）に含まれるノイズ成分はｆ^＊（ｔ）との相関がないことから、固有値σ_１に比べて十分に小さな固有値σ_ｉに対応する固有ベクトルｕ_ｉとなって現れ、固有値σ_１に対応する固有ベクトルｕ_１から排除される。このため、本実施の形態による非破壊検査装置１００では、熱画像ψ（ｐ，ｔ）に含まれるノイズ成分を排除し、高い精度の応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）を取得することができる。

【0046】

従って、負荷信号を必要とする従来のロックイン赤外線サーモグラフィ法を採用する場合のように、接触式センサを用いて参照点の歪みを計測する必要がなく、応力分布を非接触で計測することができる。

【0047】

また、熱弾性による温度変動が大きな画素位置を指定する必要がある自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法を採用する場合のように、応力変動による温度変動が大きな画素位置を指定する必要がないので、計測者は、検査対象物に対する専門的知識を有する者である必要はなく、高度な専門知識を有しない者でも応力分布を計測することができる。

【0048】

実施の形態２．
実施の形態１では、応力分布を計測する非破壊検査装置１００の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、塑性変形分布を計測する非破壊検査装置１０１について説明する。

【0049】

図３は、本発明の実施の形態２による非破壊検査装置１０１の一構成例を示した図である。図１の非破壊検査装置１００と比較すれば、非破壊検査装置１０１は、塑性変形分布記憶部２６を備える点で異なる。なお、図１の非破壊検査装置１００と同一の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

【0050】

また、図４のＳ２０１～Ｓ２０４は、図３の非破壊検査装置１０１の動作の一例を示したフローチャートである。図２のフローチャートと比較すれば、ステップＳ２０３において、塑性変形分布を求め、ステップＳ２０４において塑性変形分布を表示する点で異なる。

【0051】

非破壊検査装置１０１は、応力分布の計測に加えて、塑性変形分布を計測する。塑性変形分布とは、強い負荷が作用することにより検査対象物内に生じる塑性変形の強度分布である。なお、塑性変形は、弾性限界を超える応力が作用することによって生じ、塑性変形の強度は、検査対象物の領域ごとに異なる。

【0052】

一般に、塑性変形は、圧縮応力又は引張り応力のいずれであっても温度が上昇する。このため、例えば、負荷信号が正弦波であれば、弾性変形により、負荷信号と同一の周期の温度変動が生する一方、塑性変形により、負荷信号の２倍の周期の温度変動が生じることが知られている。ただし、塑性変形による温度変動は、弾性変形による温度変動よりも小さい。このため、観測行列Ψ^＊の特異値分解すれば、固有ベクトル行列Ｕを構成する固有ベクトルｕ_１～ｕ_Ｐのうち、３番目に大きな固有値σ_３に対応する固有ベクトルｕ_３が塑性変形分布を示している。

【0053】

固有値σ_ｉを第ｉ成分と呼ぶことにすれば、第１成分σ_１に対応する固有ベクトルｖ_１がｆ^＊（ｔ）に相当し、σ_１に対応する固有ベクトルｕ_１が応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）に相当することは実施の形態１で説明した通りである。また、第２成分σ_２に対応する固有ベクトルｖ_２には、ｆ^＊（ｔ）と９０°位相がずれたものが現れ、第２成分σ_２に対応する固有ベクトルｕ_２は、応力分布ｂ_Ｖ（ｐ）の符号を反転させたものになる。つまり、ｖ_２及びｕ_２の積はｖ_１及びｕ_１の積と一致し、第１成分と第２成分では同じ結果になる。従って、第１成分と第２成分は、同一の物理現象、つまり、熱弾性効果を表したものである。塑性変形による温度変動は、熱弾性効果とは異なる物理現象であって、温度変動に対し熱弾性効果の次に支配的な要因であるため、第３成分に現れる。従って、第３成分σ_３に対応する固有ベクトルｕ_３として塑性変形分布が求められる。

【0054】

特異値分解部２３は、実施の形態１の場合と同様、観測行列Ψ^＊の特異値分解を行って、固有値行列Σ及び固有ベクトル行列Ｕ，Ｖに分解し、固有値行列Σの固有値σ_１，σ_３にそれぞれ対応する固有ベクトルｕ_１，ｕ_３が生成される。応力分布は、第１成分σ_１に対応する固有ベクトルｕ_１として計測され、塑性変形分布は、第３成分σ_３に対応する固有ベクトルｕ_３として計測される。

【0055】

塑性変形分布記憶部２６は、塑性変形分布を記憶する記憶手段であり、特異値分解を用いて求められた塑性変形が、塑性変形分布記憶部２６に格納される。表示出力部２５は、塑性変形分布記憶部２６が保持する塑性変形分布に基づいて画面表示を行う。

【0056】

本実施の形態による非破壊検査装置１００では、多数の熱画像ψ（ｐ，ｔ）を取得し、その変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）で構成される観測行列Ψ^＊を生成し、特異値分解により観測行列Ψ^＊を固有ベクトル行列Ｕ，Ｖ及び固有値行列Σの積ＵΣＶ^Ｔに分解する。塑性変形が熱弾性効果の次に観測行列Ψ^＊の支配的要因であれば、固有ベクトル行列Ｖを構成する固有ベクトルｖ_１～ｖ_Ｆのうち、第３成分σ_３に対応する固有ベクトルｖ_３がｆ^＊（ｔ）に相当し、固有ベクトル行列Ｕを構成する固有ベクトルｕ_ｉのうち、第３成分σ_３に対応する固有ベクトルｕ_３がｆ^＊（ｔ）との相関が２番目に高い変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）の成分に相当する。このため、固有ベクトルｕ_３として検査対象物の塑性変形分布を求めることができ、熱画像ψ（ｐ，ｔ）のみを用いて塑性変形分布を取得することができる。従って、金属疲労による塑性変形の兆候を非接触で検知することが可能になる。

【0057】

変動値ψ^＊（ｐ，ｔ）に含まれるノイズ成分はｆ^＊（ｔ）との相関がないことから、固有値σ_３に比べて十分に小さな固有値σ_ｉに対応する固有ベクトルｕ_ｉとなって現れ、固有値σ_３に対応する固有ベクトルｕ_３から排除される。このため、本実施の形態による非破壊検査装置１００では、熱画像ψ（ｐ，ｔ）に含まれるノイズ成分を排除し、高い精度の塑性変形分布を取得することができる。

【0058】

塑性変形による温度変動は、赤外線カメラ１で捉えることができる温度変動としては非常に小さいものであるため、従来のロックイン赤外線サーモグラフィ法や自己相関ロックイン赤外線サーモグラフィ法では、塑性変形分布を容易に検知することができなかった。これに対し、非破壊検査装置１０１は、多数の熱画像を用いることにより、熱画像のみを用いて、塑性変形分布を求めることができる。

【0059】

なお、上記実施の形態では、画素位置ｐを行とし、撮影時刻ｔを列とする観測行列Ψ^＊を使用する場合の例について説明したが、本発明は、このような場合のみに限定されない。例えば、撮影時刻ｔを行とし、画素位置ｐを列とする観測行列Ψ^＊を使用することもできる。この場合、固有ベクトルＶを構成する単位ベクトルｖ_１～ｖ_Ｆのうち、最大固有値σ_１に対応する単位ベクトルｖ_１が応力分布を示し、３番目に大きな固有値σ_３に対応する単位ベクトルｖ_３が塑性変形分布を示す。

【符号の説明】

【0060】

１００，１０１ 非破壊検査装置
１ 赤外線カメラ
２ 分析装置
２０ 熱画像取得部
２１ 熱画像記憶部
２２ 観測行列生成部
２３ 特異値分解部
２４ 応力分布記憶部
２５ 表示出力部
２６ 塑性変形分布記憶部
ｂ 温度変動係数
ｂ_Ｖ 応力分布
ｆ（ｔ） 負荷変動
ｆ^＊（ｔ） 負荷変動の時間変動
ｐ，ｓ 画素位置
Ｐ 画素数
ｔ 撮影時刻
ψ（ｐ，ｔ） 画素値
Ψ^＊ 観測行列
Σ 固有値行列
σ_１～σ_Ｆ 固有値
Ｕ，Ｖ 固有ベクトル行列
ｕ_１～ｕ_Ｐ，ｖ_１～ｖ_Ｆ 固有ベクトル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】