延伸的测量方法及非接触式激光延伸计 本发明涉及用激光非接触测量例如材料试验机的试验样品的伸缩量的方法及作为其装置的非接触式激光延伸计。
利用激光照射在试样表面得到的反射光，非接触地测定该试样的延伸量(或压缩量，下同)的方法，已经知道的有利用斑纹图案的方法、利用激光多普勒效应的方法以及在试验样品表面地两处做记号，同时用激光测定各记号的位置、随时算出这两个记号之间的距离的方法。
利用斑纹图案的方法，是在固定设定于试验样品上的一处测定两种斑纹图案，求出各互相关函数，以此算出斑纹图案各自的移动量，通过求出其差，使关于包含在斑纹图案各移动量计算结果中的平移量的信息互相抵消、只留下激光光点内的变形量(日本专利特公昭61—27681号)。
利用多普勒效应时根据下述原理计算出试验样品上两处之间的延伸量。即将具有不同波长的两种激光光束以某一角度交互照射于固定设定于试验样品上的一处，使其产生用两激光光束的频率差调制的干涉条纹。在这种状态下，一旦试验样品移动，根据多普勒效应干涉条纹的强度的调制频率只漂移与试验样品移动速度相对应的值，而利用这一现像求其移动速度，对其进行时间积分，可以求出激光光束照射位置的移动量。利用这一原理，求出试验样品两处的移动量，若计算出两者的差，即可求出试验样品上两处之间的延伸量。
又，在用激光分别测量贴在试验样品上的两个记号位置的方式中，使用多面反射镜等在试验样品的延伸方向上扫描照射激光光点，通过连续检测其反射光强度，从而求出各记号每一时刻的位置。根据这些记号的位置变化，求得试验样品两记号之间的延伸。
再者，本发明人已经提出利用斑纹图案，①求出试验样品两处的斑纹图案的移动量，通过计算出两者之差，消去包含于各移动量中的应变信息、计算出该两处之间的延伸或压缩量的技术，②用利用这样的斑纹图案或激光多普勒效应得出的、试验样品上两处的移动量的计算结果，使两处的激光照射位置跟踪试验样品的变形而改变、同时测定试验样品上两处之间的延伸的技术(日本专利特开平7—4928号)。
但是，在上述各种方式中，根据照射激光于试验样品上一个地方得到的两种斑纹图案计算变形量的方式得到的延伸量，只是激光光点内的延伸量，而试验样品的其他地方即使发生断裂等情况，其信息也不会在数据中得到反映，不仅如此，而且它与使用现有的接触式机械延伸计等的日本工业标准(JIS)依据的延伸概念相距甚远。
与此相反，求试验样品两处的斑纹图案的移动量、再求出该两移动量的差的、本发明人提出的第①种方式，或利用激光多普勒效应由试验样品两处的移动速度求出其各自的移动量，从两移动量的差求两处之间的延伸的方式得出的延伸量数据中反映出试验样品上两处之间广泛区域内的状况。
但是，根据这样的两处的斑纹图案的移动量或利用多普勒效应的试验样品两处的移动量信息求得的延伸，都是激光照射位置从试验开始后就没有变化，所以与JIS规定的延伸概念不同。也就是说，固定激光照射的两个位置得到的延伸，是以该照射位置之间的距离为GL、在相隔GL固定的两观测量点之间的试验样品移动量积分值，而与此相反，JIS的抗拉试验中规定的延伸，是表示最初设定的两点(标记点)间的距离GL，在试验后如何变化的变化率或变化量，两者的值并不等价。而且，像上面说的那样，使激光照射位置不变，计算该两点之间延伸的方式中，在试验样品延伸大的情况下，最初设定的两点，由于试验造成的试验样品延伸，有可能离开观测点，故还存在使测定不能正确进行的问题。
解决这些问题的，是前述由本发明者提出的技术②。在该技术中，根据最初设定的两标记点每一时刻移动量的测定结果，因为改变各激光的照射位置，使其跟踪各标记点，所以有可能得到与已有的接触式机械延伸计相同的延伸测定结果，同时，因为扩大了激光照射位置的跟踪范围，也可以相应用于延伸大的试验样品。
但是，这种跟踪方式不仅需要使激光照射位置变化所需的复杂机构，装置的价格也高，而且由于跟踪用的机构的误差，存在测量结果有误差的缺点。
另一方面，在试验样品的两处贴标志、用激光测量各标志位置的方式，不产生这一类问题，但缺点是贴标志费事，而且有可能在试验进行中标志剥落。
鉴于存在上述情况，本发明的目的在于提供一种完全不必要在试验样品上做任何记号等，而且也不需要复杂的机构，又能适用于试验样品延伸大的情况，而且可以直接得到符合JIS的延伸测定结果的方法以及非接触式激光延伸计。
为了达到上述目的，本发明的延伸测定方法具有如下特征：在试验样品表面要测量的延伸方向上的预定长度上照射激光，把该激光在试验样品表面产生的散射光通过光电变换得到斑纹图案数据，同时，该数据中，分别以该试验样品上在上述延伸方向上只相距规定距离的两个区域来的数据作为观察点数据进行初始设定，用该各观察点数据分别一边计算出试验样品上的上述两个区域的斑纹图案的移动量，一边每当该各移动量的计算结果分别达到规定值，使观察点数据源的区域朝其移动方向进行移位，根据该各观察点的移位量与利用各观察点数据算出的斑纹图案的移动量计算出初始设定的两个区域的延伸。
也就是说，本发明的延伸测定方法是，对试验样品的延伸测定方向上比较长的区域照射激光，将其散射光进行光电变换，得到该长照射区域来的散射光所含的斑纹图案数据，但是以其中在延伸方向上只相距某一距离的两个区域作为观察点进行初始设定，用来自该各区域的斑纹图案数据分别计算出这些区域的斑纹图案的移动量，随时求出各观察点区域的位移。然后，不固定初始设定的两个观察点区域，每当其位移达到规定量时，将所用的数据进行移位，实质上就在跟踪观察点区域。
从而，本发明基本上是根据来自试验样品的、在延伸方向上相隔规定距离的两个观察点的散射光，求出该两处各自的斑纹图案的移动量，由该各移动量的差，计算出该两处之间的延伸，同时跟踪在试验样品变形时两个观察点的移动、取得数据，如由本发明者提出的方案②所述，不是用机械方法改变激光照射位置进行跟踪，而是一边取得试验样品在延伸方向上广大区域的斑纹图案数据，一边不久就使供计算斑纹图案移动量的观察点数据跟踪试验样品的变形进行移位。
采用这种数据移位跟踪观察点的方式，不需要复杂的跟踪用的机构，而且能够适用于试验样品延伸大的情况。
又，本发明的非接触式激光延伸计是利用上述本发明方法的延伸计，如实施例的图1所示，其特征在于，具有对延伸测定方向上规定长度的试验样品W表面照射激光的照射光学系统1；接收该激光被试验样品W散射的光、得到斑纹图案数据的多通道散射光检测装置2；将该散射光检测装置2的输出中与试验样品W上要测定的延伸方向上相距只为规定距离的两个区域来的散射光有关的各多通道的数据作为观察点数据进行初始设定的设定装置3；利用该各观察点数据，分别计算试验样品W的上述两个区域来的斑纹图案的移动量的移动量计算装置41、42；每当由该移动量计算装置41、42算出的各移动量分别达到规定量时，将分别作为观察点数据源应该使用的通道，根据斑纹图案在其移动方向上的移动量作相应移位的通道移位控制装置43、44；根据来自该通道移位控制装置43、44的、关于两个观察点数据的各通道位移量与来自移动量计算装置41、42的、从两区域来的斑纹图案移动量计算出用设定器3初始设定的两区域之间的延伸的延伸计算装置45。
这样结构的装置，随着观察点的移动而产生的通道的移位动作，在装置的动作程序中，总之，由于有可能平稳地进行，因而瞬时移位是可能的，与借助于机构跟踪激光的照射位置的方式相比，也可以不必担心在跟踪时斑纹图案散乱。
本发明的非接触式激光延伸计的适用实施例中，散射光检测装置由多通道的图像传感器22和使散射像成像于该图像传感器22的受光面用的聚光透镜21构成。而且，设置多组这样的图像传感器与聚光透镜，借助于此，也可以将来自试验样品上受激光照射区域的散射光按空间分开接收。
另一方面，向试验样品投射激光的照射光学系统1可以由半导体激光器11与将其输出光变成平行光束的准直管透镜12，和将经过该准直管透镜的激光一维放大用的由两个圆柱形透镜13a、13b构成的光束扩展器13构成。又可设置多组这样的照射光学系统，形成各照射光学系统对整个试验样品表面应测试的延伸方向上扩展的区域照射激光的结构。这时，不妨把各照射光学系统照射试验样品表面的激光照射区域在应测试的延伸方向上分为两部分。
于是，像上面说的那样，把试验样品上的激光照射区域分为两部分时，也可以对应各个激光照射区域，分别设置检测散射光的光学系统。
又，借助于通道移位进行的观察点跟踪动作，由于在试验样品及装置的外观上完全不能用视觉确认，因而最好是根据需要采用像，将这样的跟踪动作告知操作者用的显示器、或将按照跟踪而移动的光点照射在试验样品表面这样的对策。
附图的简单说明：
图1是表示本发明实施例的总体结构的模式图。
图2是为了说明用本发明实施例的设定器3进行观察点初始设定的手法的曲线图。
图3是本发明其他实施例的光学系统的结构图。
图4是本发明的又一实施例的重要部分的光学系统结构图。
图5是表示本发明的再一个实施例的总体结构的模式图。
下面参照附图对本发明适用的实施例加以说明：
图1是表示本发明实施例的总体结构的模式图，试验样品W以两端被例如材料试验机的夹具夹住的状态，在图中的上下方向承受拉伸负载。用照射光学系统1、在该试验样品W的延伸方向的规定距离上、例如20cm的长度上向该试验样品W照射同样的激光。
照射光学系统1由半导体激光器11、使该半导体激光器11发出的光成为平行光束用的准直管透镜12及将经该透镜12的激光仅在上下方向扩散开、并引向试验样品W的两个柱状透镜13a、13b构成的光束扩张器13构成。
从照射光学系统1来的激光经试验样品W表面散射的光，用聚光透镜21及一维图像传感器22构成的散射光检测装置2检测，一维图像传感器22是例如上下方向上2000个像素以10μm的间距排列的2000通道的图像传感器。而且，聚光透镜21，其焦距例如为4.4cm，它被配置于距离试验样品W的受激光照射的一面50cm的位置上，同时，在其后方5cm的地方安放一维图像传感器22，从试验样品W的20cm长的激光照射区域来的散射光由聚光透镜21聚焦在一维图像传感器22的受光面上形成缩小为1/10的像。
一维图像传感器22的各通道的输出，在放大器5放大后，经A-D变换器6变成数字，寄存于存储器7。在存储器7，一维图像传感器22的每一通道予先设定数据的寄存地址，来自各通道的数据，寄存于相应的地址。这存储器7内的各通道的数据，除了作为下述参考数据用的初始数据外，每当数据到来，运算部4随时读出，其一部分供后述的运算后全部数据立即舍弃、等待来自一维图像传感器的下一次数据到来。
运算部4，在图中用各种不同机能的方框图分别表示，但实际上由高速信号处理电路和CPU构成。在该运算部4连接着把一维图像传感器22的各通道的数据中、相当于试验前试验样品W的两个标记点的两个区域来的散射光数据分别被作为观察点数据进行初始设定用的设定器3。该设定器3，如图2曲线所示，在一维图像传感器22的第1至2000通道中，作为初始观察点数据源，将例如第301通道至400通道作为第1观察点数据源设定，而将第1601至1700通道作为第2观察点数据源设定。
第1及第2移动量计算部41及42，将设定器3初始设定的从上下两区域A1及A2来的散射光数据、总之将一维图像传感器22的第301至第400通道的数据群与第1601至第1700通道的数据群分别作为观察点数据，就各区域的数据群、分别算出随时间变化的数据的互相关函数，求出来自各区域的斑纹图案的移动量。具体地说，就是将各观察点数据的初始值分别作为参照数据，计算出该各参照数据与从后每时刻的观察点数据的互相关函数，求出其最大强度的移动量。
各移动量计算部41及42的输出，分别供给延伸计算部45，同时供给分别对应设置的第1及第2通道移位控制部43及44。每当被提供的斑纹图案的移动量达到规定的量、例如相当于30通道的量，从而在图1的光学系统结构中试验样品W上斑纹图案的实际移动量达到300μm时，通道移位控制部43及44使作为观察点数据源的通道在其移动方向上移位30个通道。也就是说，一旦来自第一观察点数据源的斑纹图案的移动量达到300μm，就将作为数据源使用的通道移位到第331—430通道，以后，将在第1移动量计算部41使用的数据换成来自移位后的通道的数据。总而言之，在进行通道移位的时刻，废弃在此之前一直使用的参照数据，重新将来自第331—430通道的初始数据作为参照数据，随时算出与后来的、来自同一通道群的数据的互相关函数。对于第2观察点数据源，也完全同样处理。然后，每进行这样的规定量的通道移位，该命令也传给延伸计算部45。
延伸计算部45根据各移动量计算部41及42供给的、来自各观察区域的斑纹图案移动量S1及S2，和各通道移位控制部43及44供给的关于各区域的通道移位量C1及C2，计算出初始设定的第1与第2区域间的延伸并输出。
也就是说，初始设定的第1及第2区域A1及A2的、从试验开始起经某些时间的某一时刻的位移δ1及δ2分别为：
δ1＝C1＋S1
δ2＝C2＋S2其中S1及S2分别为由该时刻移动量计算部41及42得出的斑纹图案的移动量；C1及C2为同一时刻的通道移位量。从而该时刻第1区域与第二区域A1与A2之间的延伸Δ可由下式算出：Δ＝δ1－δ2＝(C1＋S1)－(C2＋S2)
这样得到的延伸值Δ，是在以初始设定的作为第1及第2观察点数据源的各通道群的中央位置上，就是说第350通道与第1650通道上所成的试验样品W的像，换句话说就是区域A1与A2的各中点作为标记点的、以JIS为依据的延伸值，而将Δ除以该两标志点间的初始距离，即可得到JIS所述的延伸率。
而且，应该使通道移位的斑纹图案移动量的规定值可以为任意值，但是由斑纹图案移动量计算部41、42计算出的互相关函数的最大强度，随着斑纹图案的移动而降低，其位置的辨别变得困难起来，因此，最好以可以清楚地识别其最大强度的位置的限度内的移动量作为规定量。
在此处，上述实施例中，在由各斑纹图案移动量计算部41、42算出的斑纹图案移动量达到例如相当于30通道的规定量之前，继续使用来自与用作参照数据的数据相同的通道的数据，但本发明不限于此，可按如下要求构成：对于作为参照数据使用的数据，在进行规定量的移动时同样逐级移位，同时，对于用于计算与该参照数据的相关函数的每时刻的数据，每当斑纹图案的移动量达到例如相当于1通道的量，即进行移位。
也就是说，图1的光学系统结构中，每当试验样品W上的实际斑纹图案移动10μm，参照数据保持原封不动，而将算出与此相关的相关函数用的数据源移位1通道。而即使这样使数据源移位，一旦斑纹图案的移动量超过某一值，相关强度即下降，最大强度位置的识别逐渐变得困难，因此，在不超过该限度的范围内，与前述例子一样，为了使参照数据行进而逐级将通道移位。以这样的动作，更加仔细地追踪最初的观察点，因此相关强度的下降也变得缓慢了。在这种情况下，各观察点每时刻的移动量δ1(δ2)如下：
δ1＝(C1＋D1＋S1)
δ2＝(C2＋D2＋S2)其中C1(C2)为该时刻的参照数据行进所需的通道移位量；S1(S2)为该时刻的、移动量计算部41(42)计算出的斑纹图案移动量；D1(D2)为每一时刻数据源的移位量的累加值。
又，在上述实施例中，用一个图像传感器22观测来自照射光学系统1的激光照射的整个区域。而如图3所示，在试验样品W的延伸方向上设置两个一维图像传感器221、222，同时，可采用和那两个图像传感器221及222相对，配设两个将来自激光照射区域的散射光分成上下两部分加以引导的聚光透镜211及212的结构。如果采用图3的结构，各图像传感器221及222、聚光透镜211及212、以及这些零部件相对于试验样品W的位置关系，就各组来说，都做成与图1相同，以此，各图像传感器221、222分别可测定20cm、合计可测定40cm的区域。用同样的图像传感器和聚光透镜做成3组，可以测定60cm的区域。
在像这样用多个图像传感器将空间加以分割测定散射光的情况下，配置各传感器等，使各图像传感器上的像连续，或一部分重复，在设置两个2000通道的图像传感器的情况下，各图像传感器互相分开，但是，从它们来的信号宛如从连续的4000通道的一个图像传感器来的信号，可与先前的实施例完全一样处理，可以应付用长标距的测试和延伸大的试样的测试。
而且，试验样品W的激光照射区域，不必一定像上述各实施例那样是一条连续的线状区域，而可以像图4例示那样，设置与图1相同的两组照射光学系统1a及1b、同时也可以使其与两观察点分别对应，作为在同一线上、在试验样品W延伸的方向上分为两部分的区域。这种情况下，上下观察点可以对不超过各照射区域的范围的延伸进行测定。而采用这样的照射光学系统的情况下，也可以采取与两照射区域分别相对应配置检测散射光用的光学系统的结构。这样把射向不需要的地方的激光减少到零、使单位面积的激光功率加大因而效率提高，从而能取得提高数据信号噪声比的效果。
再者，图像传感器22不限于一维的图像传感器，也可以在与应该测定的延伸方向垂直的方向上也并排数十个画素作为二维的图像传感器，这时，得到的斑纹图案数据包含更多的信息量，同时，即使试验样品W在横方向移动的情况下，也有能继续测定延伸的优点。
也可以，将照射于试验样品W表面上的激光换成上述静止的线状光线，使用例如多面反射镜、在试验样品W上、沿着延伸测定方向、以与图像传感器的帧速率同步或与其相比足够快的周期快速扫描光点，实质上进行线状激光照射。
但是，使用上述各实施例，直线状激光只是对试验样品W表面作固定照射，用设定器3设定的最初的观察点的第1与第2区域存在于试验样品W上的什么位置，而随着试验的进行，这些区域移向什么位置，肉眼看不见。为了让人知道第1与第2区域存在于试验样品W上的什么地方，可以采用例如另外使用摄像机拍摄试验样品W，将该图像显示于阴极射线管等监视画面上，同时，在该画面上，根据设定器3的观察点初始设定内容和前述δ1及δ2的计算结果，迭加显示表示各区域的符号等的结构。
而且可以采用如下的、在试验样品表面直接照射表示观察点(标志点)的光点的、图5模式所示的那种结构。
在图5的例子中，照射光学系统1、散射光检测装置2及该散射光数据的取样装置和存储器7、还有运算部4的基本结构，与图1的示例相同，但是在散射光检测装置2的聚光透镜21和一维图像传感器22之间，可由用于选择滤光器的驱动器105从两个带通滤光器103与104中任选一个插入。该选择滤光器的驱动器105受运算部4的指令而动作。
在试验样品W上，除了来自照射光学系统1的激光外，还照射着为了证明观察点用的来自两个标识用激光照射光学系统101及102的两束光点状标识用的激光。该各标识用激光的波长为例如680nm、从测试用的照射光学系统1来的激光的波长为780nm。所述两个带通滤光器103与104中，一个滤光器103只让波长以680nm为中心的狭窄的波长范围的光透过，另一滤光器104只让波长以780nm为中心的狭窄的波长范围的光透过。
各标识用激光照射光学系统101及102在将半导体激光器101a及102a输出的光用透镜101b及102b形成光点状后、通过可动反射镜101c、102c将该激光照射于试验样品W的表面，各可动反射镜101c、102c，其角度分别由根据运算部4的指令动作的反射镜驱动机构106、107进行控制。
而且，散射光检测装置2的聚光透镜21由根据运算部4的指令动作的自动调焦机构108控制可在光轴上移动。
初始设定观察点用的设定器3在本例中成为给控制标识用激光照射系统101、102内的可动反射镜101c、102c的角度的反射镜驱动机构106、107提供控制信号的电路，操作者通过操作该设定器3在试验样品W上的任意两处分别照射标识用的激光，从而在试验样品W上直接设定两个观察点的初始位置。
这样在试验样品W上照射标识用的激光、进行观察点的初始位置设定后，运算部4就首先发出指令给滤光器选择用驱动器105，选择680nm用的带通滤光器103，使其在1维图像传感器22上形成两个标识用激光光点像，根据该图像传感器22的输出、计测各标识用激光的中心位置，将该计测结果作为两个观察点的初始位置存储。在这里，根据含于来自试验样品W的散射光的斑纹信息求取光点的中心位置有困难时，可以使半导体激光器101a、102a的驱动电流改变，以一边使斑纹随机变化，一边累计一维图像传感器22的输出，用这样的方法可以消除斑纹引起的噪声，使求取各光点的中心变得容易。
而且，在那时，可以调整聚光透镜21的聚焦，亦即峰值分布曲线在焦点对好的时候半值宽度变得最小，而根据标识用激光的反射光的峰值的半值宽度驱动自动调焦机构108对聚光透镜21进行调焦。以此，在用测定来自照射光学系统1的激光的散射光进行实际延伸的测定时，即使测试用的激光不是平行光，也可以使其不受试验样品W前后移动的影响。而且也有可以根据焦点信息求出聚光透镜21与试验样品W表面之间的距离，并以此求出散射光像的正确倍率的好处。同时，可以求得测试开始时的图像传感器22上的标志点间隔，并根据倍率求得最初试验样品W上的标志点间的距离。
上述与初始设定有关的一连串动作一结束，即驱动滤光器选择用驱动器105、将带通滤光器换成780nm用的滤光器104，开始进行测定。测定动作与图1的示例完全相同，而将各观察点每时刻的移动量δ1及δ2的计算结果提供给各反射镜驱动机构106、107，以此控制各可动反射镜101c、102c的角度，各标识用激光的照射位置随着各观察点的移动分别跟着它变化。而且，伴随观察点的移动的标识用激光照射位置的精度，由于这些标识只是用来使操作者了解观察点的移动状况的，故精度不需要特别高。
又，在上述例子中，也可以采用卞述结构：根据焦点信息，求出聚光透镜21与试验样品W表面之间的距离、求出倍率、以此为根据求出试验样品W上最初的标志点间的距离，利用这一办法，作为初始观察点(标志点)的设定方法、操作者在设定标志点间距离的同时，只在两观察点(标志点)中的一方以标识用激光加以照射来进行设定，从而运算部4能自动设定另一侧的观察点，在该位置上照射标识用激光。