ESPIの測定原理

はじめに

電子スペックルパターン干渉法 (ESPI) は、ほぼすべての表面と材料の表面変位の干渉測定を可能にする光学手法です。

全視野で非接触的に測定することで、機械負荷または熱負荷に対する応答として、試験体の変位およびひずみや応力の3次元分布を計算することができます。ESPIは、自動車、航空宇宙、電子機器、材料試験を含む多くの分野で、材料特性、破壊力学、疲労試験、NDT、様々な部品の動的挙動の研究への応用に成功してきました。

特徴

  • この手法は非接触式で、ほぼすべての表面と材料についての全視野の情報を提供
  • 試験体の輪郭と変位を測定し、ひずみと応力を計算
  • コンパクトなセンサーヘッドで、変位と輪郭の3つの成分をすべて測定可能
  • 静的負荷 (引張試験など) のみでなく、動的現象 (振動など) も試験可能
  • 高分解能CCDカメラの使用により、サブマイクロメートルとマイクロのひずみ範囲の分解能が可能
  • 結果は有限要素解析と類似

原理

image of force vs elongation of clamp chart

粗い表面にコヒーレントレーザー光を照射し、CCDカメラを用いて撮像すると、スペックルと呼ばれる統計的干渉縞が生成されます。

これらのスペックルは指紋のように、試験対象の表面に固有のものです。これらのスペックル上に同じレーザー光源から分岐した参照光を重ね合わせると、干渉縞が得られます。

機械的手段などで試験体に負荷をかけ、表面が変形すると、スペックルの干渉縞も変化します。負荷前と負荷後の表面の干渉縞を比較すると、負荷中の表面の変位を変形の等高線として示す干渉縞が得られます。

このような定性的な干渉画像は、スペックルがあるためコントラストが低く、ノイズが多いものです。位相シフトと呼ばれる手法では、表面状態ごとに一連のスペックル画像を取得し、定量的な位相マップが計算されます。フリンジ画像とは対照的に、この位相マップには定量的・方向情報が含まれており、この情報を直接変位値に変換することができます。

3次元情報

image of ESPI experimental setup

3つの変位成分u、v、wをすべて測定するためには、x、y、z軸方向についてそれぞれ測定する必要があります。変位のz成分は面外配置で測定し、xとy成分は面内配置で測定します。最新のセンサーは、すべての配置を統合しており、ミリ秒単位で切り替えることができます。

静的試験では、3つの変位方向について直列して測定されます。しかし、動的用途では、すべての感受性方向について並行して取得されます。

変位の分解能は、使用するレーザーの波長と幾何学的配置によって決まります。典型的な値は50 nmまでです。

ひずみや応力

機械負荷または熱負荷による試験体内のひずみは、3次元の変位場から計算されます。したがって、非平面体の場合は、輪郭も測定されます。既知の材料パラメータ (ヤング率、ポアソン比) を用いて、ひずみ成分から線状弾性領域の対応する応力成分が計算されます。

応用例

測定結果の全視野という性格により、材料パラメータを正確かつ容易に判定し、高応力領域を特定することができます。ひずみゲージや走査型振動計のような従来の方法とは対照的に、ESPIシステムは、他に類を見ない密度の高い測定点と、超高感受性および数百kHzまでのダイナミックレンジを兼ね備えています。

一般的な用途では、1回の測定だけでなく、連続した測定を行うことで、負荷中の変位やひずみの変化を追跡することができます。

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