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KR20000062782A - 비접촉신장계 - Google Patents

비접촉신장계 Download PDF

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KR20000062782A
KR20000062782A KR1020000011493A KR20000011493A KR20000062782A KR 20000062782 A KR20000062782 A KR 20000062782A KR 1020000011493 A KR1020000011493 A KR 1020000011493A KR 20000011493 A KR20000011493 A KR 20000011493A KR 20000062782 A KR20000062782 A KR 20000062782A
Authority
KR
South Korea
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distance
test piece
camera
marks
cameras
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
KR1020000011493A
Other languages
English (en)
Inventor
와타나베나오토
타카하시노부나리
Original Assignee
나카무라 요지
제이티토-시 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 나카무라 요지, 제이티토-시 가부시키가이샤 filed Critical 나카무라 요지
Publication of KR20000062782A publication Critical patent/KR20000062782A/ko
Abandoned legal-status Critical Current

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Abstract

비접촉신장계는 인장시험에 제공되는 시험편(S)에 부착된 2개의 표선간의 거리를 간단 또한 고정도(高精度)로 계측하는 것이며, 2개의 표선을 각각 촬상하는 제 1 및 제 2의 카메라(1, 2)와, 각 카메라의 이동원점을 각각 규정하는 제 1 및 제 2의 원점센서(9, 10)를 구비하고, 표선의 한쪽을 촬상 화면중심에 포착되도록 각 카메라를 이동했을 때의 이동원점으로부터의 이동량(xo, yo)에서 원점센서간 거리(zo)를 계측하고, 시험편의 신장에 따른 각 표선의 변위에 추종시켜서 각 카메라를 각각 이동시켰을 때의 이동량과 상기 원점센서간 거리(zo)에서 표선간 거리를 시험편의 신장으로서 계측한다.

Description

비접촉신장계{NON-CONTACT EXTENSOMETER}
본 발명은 인장시험용의 신장계에 관해서, 특히 개개의 시험편 사이에서의 외형치수의 편차나 인장시험기로의 시험편의 첨부자세의 편차에 기인하는 측정오차를 제거하면서, 시험편의 신장이나 파단(破斷)신장을 간단하게 또 고정도(高精度)로 비접촉으로 계측하는 비접촉신장계에 관한 것이다.
인장시험에서는 시험편에 가해지는 인장하중과 그 인가에 따른 시험편의 신장이 계측된다. 최근, 레이저나 라인센서 등을 이용하여 시험편의 신장을 비접촉으로 계측하는 비접촉신장계가 주목되고 있다. 비접촉신장계는 시험편 신장방향으로 소정의 간격을 두고 서로 평행하게 연장되는 2개의 표선이 표면에 미리 부착된 시험편에 인장하중을 인가하면서 이들의 표선을 광학적으로 검출하여, 표선간 거리의 편차로부터 시험편의 신장량을 구하도록 되어 있다.
예를 들면, 일본실용공개 평 6-31365호 공보에 개시된 비접촉신장계는 시험편의 2개의 표선을 각각 촬상하는 2대의 카메라(광학헤드)를 시험편 신장방향으로 이동 가능하게 설치하며, 시험편의 신장에 따른 표선의 위치변화에 추종하여 2대의 카메라를 이동시키는 것으로 되어 있다. 즉, 각 카메라에 의해 촬상된 화상전체에서 표선화상이 항상 기준위치 예를 들면 촬상화상 중심위치를 취하도록 카메라 위치가 제어된다. 그리고, 2대의 카메라의 이동위치에서 표선간 거리 나아가서는 시험편의 신장량이 계측된다.
이상과 같이 인장하중 인가시의 표선간 거리를 검출 가능하지만, 시험편의 일그러짐이나 파단신장을 계측하기 위해서는 표선간 거리의 초기치(초기 표선간 거리)를 인장시험 전에 계측하여 둘 필요가 있다. 종래, 초기 표선간 거리의 계측은 전부 노기스(버니어 캘리퍼스(vernier calipers)) 등의 계측기구를 이용하여 행하여지고 있어, 계측에 수고가 들 뿐만아니라, 계측정도의 점에서도 문제가 있다.
또, 비접촉신장 계측에서의 다른 계측정도의 저하요인으로서, 개개의 시험편 사이에서의 외형치수 예를 들면 두께의 편차가 있다. 시험기 본체로의 시험편의 첨부자세(기울기)도 엄밀하게는 시험편마다 다르고, 이것도 계측정도 저하요인이 된다. 즉, 개개의 시험편의 두께나 첨부자세에 편차가 있으면, 카메라와 시험편 표면에 붙인 표선과의 사이의 거리(이하, 카메라·표선간 거리라고 함)가 시험편에 의해 다르게 되며, 이것이 비접촉신장계에서의 계측오차(광학적오차)를 초래한다. 이와 같은 계측오차를 배제하기 위해, 각각의 시험편의 신장계측에 앞서 카메라·표선간 거리를 계측하고, 이 계측거리에 의거해 카메라위치를 보정하여 카메라·표선간 거리를 일정하게 하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 카메라위치 보정을 행하기 위해서는 거리센서를 필요로 할 뿐아니라, 카메라 지지기구를 카메라를 이동가능하도록 구성하지 않으면 안되어, 구조가 상당히 복잡하게 된다.
또, 시험편의 신장에 따른 표선위치 변화에 대해서 카메라위치를 추종 이동시키면서 표선위치를 계측하는 구성의 비접촉신장계에서는 카메라이동에 기계적오차가 생길 염려가 있다. 이와 같은 기계적오차를 배제하는 데는 카메라 지지기구 및 그 이동기구가 상당히 복잡화하고, 상당히 고가격인 것으로 된다.
그런데 인장시험의 하나로 파단신장 시험이 있으며, 이 파단신장 시험에서는 인장하중에 의해 시험편이 파단에 이르렀을때의 시험편의 신장률을 구할 수 있다. 신장률 측정에 있어서, 종래는 시험기 본체에서 분리한 파단시험편의 반부(半部)끼리를 파단면으로 서로 맞대고, 이 상태에서 셀로판테이프 등으로 시험편 양(兩)반부를 고정하며, 노기스 등을 이용하여 파단신장 후의 표선간 거리를 계측하도록 하고 있다. 그리고, 파단신장 후의 표선간 거리에서 초기 표선간 거리를 줄여서 얻어진 파단신장량을 초기 표선간 거리에서 제산(除算)하여 파단신장률을 구하고 있다.
그러나, 파단시험편의 양반부를 상기와 같이 맞대어 고정하는 데는 시간이 걸린다. 또, 시험편의 파단면에서의 파단상태는 여러 가지이며, 파단시험편을 시험기 본체에서 일단 분리하여 버리면, 시험편 반부끼리의 맞닿게 할때, 양자의 중심선을 합치시키는 것이 특히 곤란하다. 이와 같이 시험기에서 분리한 파단시험편 반부끼리를 파단면으로 맞대는 것은 곤란하며, 파단시험편의 표선간 거리를 정도(精度) 좋게 측정하는 것은 어렵다.
본 발명의 목적은 인장시험에서의 시험편의 신장이나 파단신장을 간단하고 또한 고정도로 계측 가능하며, 바람직하게는 개개의 시험편간의 두께의 편차 등의 계측오차 요인을 제거 가능한 비접촉신장계를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 인장시험에 제공되는 시험편의 표면에 시험편 신장방향으로 간격을 두고 부착한 제 1 및 제 2의 표선을 광학적으로 비접촉으로 검출하여 시험편의 신장을 계측하는 비접촉신장계가 제공된다.
본 발명의 비접촉신장계는 시험편 신장방향으로 이동이 자유롭게 설치된 제 1 및 제 2의 카메라와, 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 이동원점에 각각 설치되어 양(兩)카메라의 원점복귀를 각각 검출하는 제 1 및 제 2의 원점센서와, 양카메라의 이동원점간 거리를 구하는 원점간 거리계측 수단과, 제 1 및 제 2의 표선 사이의 거리를 계측하는 표선간 거리계측 수단을 구비한다.
원점간 거리계측 수단은 제 1 및 제 2의 카메라에 의해 각각 촬상되는 시험편 화상 내에 미리 설정한 기준위치에 상기 제 1 및 제 2의 표선의 한쪽의 화상이 합치할 때까지의, 제 1 및 제 2의 카메라의 각각의 이동원점으로부터의 이동량에 의거하여, 이동원점간 거리를 구한다. 또, 표선간 거리계측 수단은 상기 제 1의 카메라의 이동량, 상기 제 2의 카메라의 이동량 및 상기 이동원점간 거리에 의거하여, 상기 제 1 및 제 2의 표선 사이의 거리를 계측한다.
본 발명의 비접촉신장계는 제 1 및 제 2의 원점센서를 이용하여 미리 구한 이동원점간 거리를 이용하여 표선간 거리를 계측하는 것으로 되어 있고, 이것에 의해 인장하중의 인가에 의한 표선간 거리의 증대량 즉 시험편의 신장량을 간단하고 또한 정도 좋게 검출할 수 있다. 또, 이와 같은 표선간 거리계측은 시험편의 신장에 따라 표선이 변위하는 사이에 행하여 질 뿐만아니라, 시험편으로의 인장하중의 인가에 앞서 실시 가능하다. 인장하중의 인가 전에는 표선은 초기 표선위치에 있고, 이 상태에서 표선간 거리계측을 행하는 것에 의해 초기 표선간 거리를 계측할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 노기스 등을 이용한 종래의 사람손에 의한 초기 표선간 거리계측을 불필요하게 되고, 계측의 효율 및 정도가 향상한다. 그리고, 인장하중의 인가전 및 인가 중에 각각 계측한 표선간 거리에서 시험편의 신장률이 정도 좋게 구해진다.
본 발명에서, 바람직하게는 상기 표선간 거리계측 수단은 상기 시험편의 신장에 따른 제 1 및 제 2의 표선의 변위에 각각 추종하여 이동하는 제 1 및 제 2의 카메라의 각각 이동원점으로부터의 이동량을 구하고, 양카메라의 각각의 이동량과 원점간 거리계측 수단이 구한 이동원점간 거리에서 시험편의 신장에 따라서 각각 변위하는 제 1 및 제 2의 표선 사이의 거리를 계측한다.
이 바람직한 태양에 의하면, 인장하중의 인가에 의해 증대변화하는 표선간 거리를 정도 좋게 검출 가능하다.
바람직하게는 비접촉신장계는 제 1 및 제 2의 카메라의 각각과 시험편의 표선측 표면과의 사이의 거리를 산출하는 거리산출 수단과, 이 산출거리에 따라 각 카메라의 촬상조건(예를 들면, 카메라의 초점위치나 초점거리(시야각))을 조정하는 계측조건 설정수단을 더 구비한다. 거리산출 수단은 서로 동일한 초점거리로 조정되고 또한 시험편의 신장방향으로 서로 간격을 두고 배치된 제 1 및 제 2의 카메라에 의해 제 1 및 제 2의 표선의 어느 한쪽을 촬상했을 시에 각각 얻어지는 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치와, 상기 초점거리와, 상기 카메라 배치간격에 의거하여, 상기 카메라·시험편간 거리를 산출한다. 계측조건 설정수단은 조정한 촬상조건을 표선간 거리계측 수단으로 부여한다.
상기의 바람직한 태양의 비접촉신장계에 의하면, 소정의 카메라 간격과, 이 카메라 간격을 두고 배치된 제 1 및 제 2의 카메라에 의해 동일한 표선을 촬상하여 각각 얻어진 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치와, 촬상시의 각 카메라의 초점거리에서 카메라·시험편간 거리를 구할 수있다. 일반적으로 개개의 시험편의 사이에서 시험편의 두께 등에 편차가 있으며, 엄밀하게 말하면 각 시험편에는 두께오차가 있다. 이 때문에 일정한 카메라 촬상조건하에서 얻어진 시험편 화상에서 표선화상에 초점이 번지는 현상이 생기거나 혹은 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치에 어긋남이 생기고, 따라서, 표선화상 위치에 의거하여 표선간 거리계측에 계측오차가 발생한다. 본 발명에서는 이와 같은 두께의 편차를 카메라·시험편간 거리의 계측치로부터 검출 가능하고, 또, 카메라·시험편간 거리에 따라서 각 카메라의 촬상조건을 조정하는 것에 의해 두께의 편차에 기인하는 계측오차를 제거 가능하다.
즉, 본 발명에 의하면, 카메라·시험편간 거리에 의해 나타나는 각 시험편의 두께오차에 따라서 카메라의 초점위치나 초점거리 등의 촬상조건을 조정하는 것에 의해 두께오차에 기인하는 표선화상의 초점이 번지는 현상이나 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치 어긋남을 해소하거나 화상의 분해능을 높여서, 표선화상에 의거하는 표선간 거리계측에서의 계측정도를 향상할 수 있다. 더욱이, 촬상조건 조정을 위한 카메라·시험편간 거리계측을 표선간격 거리계측을 위해 장비(裝備)되는 카메라를 이용하여 행할 수 있고, 따라서 구성이 간단하며, 계측정도가 우수한 비접촉신장계가 제공된다.
상기의 바람직한 태양에 있어서, 바람직하게는 상기 계측조건 설정수단은 각 표선의 예측 최대 변위량에 따라 각 카메라의 초점거리(촬상시야각)를 설정하고, 또, 상기 표선간 거리계측 수단은 상기 예측 최대 변위량을 따라서 변위하는 각 표선이 카메라의 시야에 들어오는 이동위치에 카메라를 고정적으로 배치한다. 이 경우, 표선간 거리측정(신장측정) 중에 카메라의 이동은 행하여지지 않고, 카메라 이동에 의한 기계적오차가 발생하지 않는다. 이 때문에 기계적오차에 기인하는 측정오차가 제거되어 측정정도가 향상한다.
바람직하게는 본 발명의 비접촉신장계는 인장하중의 인가에 의해 파단한 시험편의 양반부가 파단면으로 서로 맞닿게 인장시험기를 구동하는 맞대음 수단을 더 구비하고 있다.
파단시험편 반부의 맞대음은 예를 들면, 작업자의 수동조작에 의해 실시되어 시험편 양단부를 지지하는 인장시험기의 2개의 척(chuck)이 서로 근접하도록 적어도 한쪽의 척을 이동시킨다. 예를 들면, 맞대음 수단은 작업자에 의해 수동조작되는 인장시험기의 조작반(操作盤)에 의해서 구성되고, 작업자가 파단시험편 반부끼리의 맞닿는 상태를 눈으로 확인하면서 조작반을 수동조작하는 사이, 조작반은 구동신호를 송출한다. 이 구동신호의 송출에 따라서, 인장시험기의 크로스헤드(cross head) 구동기구는 2개의 척을 접근방향으로 상대 이동시킨다. 맞대음 수단은 척에 가해지는 하중을 감시하여 척에 유의(有意)한 하중이 가해졌을 때에 파단시험편의 맞대음의 완료를 판별하는 기능을 구비하는 것이라도 좋고, 또 맞대음완료 판별시에 경보화상을 디스플레이화면에 표시하고 혹은 경보음을 발생하는 기능을 포함하는 것이라도 좋다. 혹은 맞대음 수단은 적어도 한쪽의 척의 변위나 이것에 가해지는 하중에 의거하여 시험편의 파단을 판별했을 때부터 척에 유의한 하중의 인가가 검출될 때까지의 사이, 구동신호를 송출하는 것이라도 좋고, 이 경우 파단시험편의 맞대음을 자동적으로 행한다.
맞대음 수단을 구비한 바람직한 태양에 의하면, 파단신장 계측시에 인장하중의 인가에 의해 파단한 시험편을 인장시험기에서 분리하는 일 없이, 파단시험편의 양반부를 맞닿게 할 수 있고, 이 맞닿은 상태에서 표선간 거리계측 수단에 의해 파단신장 후의 표선간 거리를 계측할 수 있다. 종래의 파단신장 계측방법은 시험기 본체에서 분리한 파단시험편을 맞닿게 하여 셀로판테이프 등으로 고정하고, 노기스 등을 이용하여 표선간 거리를 계측하는 것이며, 맞대음 작업에 노력을 요함과 동시에 계측정도가 떨어진다. 이에 대해서 본 발명의 파단신장계측은 인장시험기에 파단시험편을 장착한 채로 맞닿게 하여 파단신장량을 자동계측하는 것이며, 계측효율 및 계측정도에 우수하다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 비접촉신장계의 요부 개략 구성도,
도 2는 비접촉신장계에 조립되는 원점센서를 예시하는 사시도,
도 3은 시험편(試驗片)의 두께의 편차에 의한 계측오차를 설명하는 도면,
도 4는 카메라·시험편간 거리의 계측순서 및 카메라·시험편간 거리에 의거하여 초점거리의 최적화 순서를 나타내는 플로우차트,
도 5는 카메라·시험편간 거리의 계측원리를 설명하는 도면,
도 6은 카메라의 주밍(zooming)기구와 포커싱(focusing)기구의 작용을 나타내는 도면,
도 7은 원점센서간 거리(카메라의 이동원점간 거리)의 계측의 개요를 나타내는 도면,
도 8은 도 7에 나타내는 이동원점간 거리(zo)의 계측에서의 처리순서를 나타내는 플로우차트,
도 9는 표선간 거리계측의 개요를 나타내는 도면,
도 10은 도 9에 나타낸 표선간 거리계측에서의 처리순서을 나타내는 플로우차트,
도 11은 계측정도(精度)에 따른 계측모드의 설정순서을 나타내는 플로우차트,
도 12는 고정 카메라 및 표선의 변위에 추종하여 이동하는 카메라에 의한 표선위치 계측을 나타내는 도면,
도 13은 파단(破斷)신장시험에서의 초기 표선위치를 나타내는 모식도,
도 14는 파단신장시험에서의 시험편 파단상태를 나타내는 모식도,
도 15는 파단시험편을 맞닿게한 상태로 나타내는 모식도,
도 16은 파단신장시험의 개략적인 처리순서를 나타내는 플로우차트이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시형태에 관한 비접촉신장계에 대해서 설명한다.
도 1 중, 기호 S는 도시하지 않은 재료시험기 본체에 장착되어 인장시험에 제공되는 시험편을 나타내고, R1, R2는 시험편(S)의 표면에 미리 부착한 2개의 표선을 나타낸다. 이들의 표선(R1, R2)은 시험편(S)의 평행부에 예를 들면 50㎜의 거리를 사이에 두고 도료 등을 이용하여 그려진 직선 마크로 이루어지며, 시험편(S)의 신장방향으로 소정의 거리(L`o)(도 13을 참조)를 사이에 두고 서로 평행하게 연장하고 있다. 또한 복수개의 시험편(S)을 인장시험에 제공하는 경우에는 각 시험편(S)의 동일 위치에 표선(R1, R2)이 부착된다.
재료시험기 본체에는 시험편(S)의 신장을 이 시험편과 비접촉으로 계측하는 비접촉신장계가 조립되어 있다. 이 비접촉신장계는 표선(R1, R2)을 각각 촬상하는 고배율의 제 1 및 제 2의 카메라(1, 2)와, 각 카메라(1, 2)의 측부에 장착되어 카메라(1, 2)에 의한 촬상영역(시험편(S)의 각 표선부분)을 조명하는 광원(3, 4)을 구비하고 있다. 카메라(1, 2)는 제 1 및 제 2의 이동스테이지(5, 6)에 각각 지지되어 시험편(S)의 신장방향으로 평행 이동이 자유롭게 설치되어 있다. 스테이지(5, 6)는 펄스모터(7, 8)에 의해 구동되는 이송나사(7a, 8a)에 맞물리고, 위치제어부(15, 16)의 제어하에서 펄스모터(7, 8)가 회전하면 시험편(S)의 신장방향으로 이동(상하로 움직임)하여 위치 조정되도록 되어 있다. 바람직하게는 카메라(1)(스테이지(5))와 카메라(2)(스테이지(6))는 서로 간섭하는 일 없이 이동영역 전체에 걸쳐 이동 가능하게 설치된다.
카메라(1, 2)는 예를 들면 CCD 이미지센서(에리어센서)를 촬상소자로서 내장하고, 각 표선(R1, R2)을 각각 포함하는 시험편(S)의 부분적인 표면상(이하, 시험편 화상이라 함)을 예를 들면 대략 등배의 촬상배율로 근접촬상(마크로촬영)하여 고해상도의 화상신호를 얻도록 구성된다. 카메라(1, 2)에 의한 시험편의 표선측 표면의 촬상은 합(合)초점상태로 행해지며, 이것에 의해 항상 선명한 시험편 화상을 얻도록하고 있다.
또, 각 카메라(1, 2)는 주밍기구를 구비하고, 그 초점거리(F)(촬상시야각(θ))를 적당하게 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 바람직하게는 카메라(1, 2)는 도 6에 나타내는 바와 같이 주밍제어기구(21)와 포커싱제어기구(22)를 구비하고, 도 1에 나타내는 카메라제어부(20)의 제어하에서 초점거리(F)(촬상시야각(θ))의 조정(주밍조정) 및 합초점조정(초점위치조정(포커싱))이 행하여진다. 포커싱제어에서는 카메라(1, 2)의 영상출력에서 초점 어긋남 검출기구(23)에 의해 초점 어긋남이 검출되고, 이 초점 어긋남을 해소하여 합초점상태가 확립된다. 또, 주밍제어에서는 후술과 같이 계측되는 카메라·시험편간 거리(L)와 요구계측정도(분해능)에 따라 초점거리가 최적화된다.
상술한 바와 같이 각 카메라(1, 2)에 의해 촬상된 시험편 화상은 화상처리부(11, 12)를 통해서 CPU로 이루어지는 연산처리부(13)에 보내져 화상처리가 실시되며, 디스플레이(14)상에 표시된다.
디스플레이(14)의 화면에는 예를 들면 2개의 화상표시영역이 설정되며, 이들의 표시영역에는 시험편 화상이 표시된다. 또한 카메라(1, 2)가 촬상한 원 화상을 TV모니터(도시하지 않음)에 별도로 표시해도 좋다.
또, 디스플레이(14)의 화면에는 예를 들면 카메라(1, 2)(스테이지(5, 6))의 이동을 매뉴얼 조작하기 위한 소프트스위치, 카메라(1, 2)에 대한 초기 설정 등을 지시하기 위한 소프트스위치, 인장시험기의 동작을 제어하기 위한 소프트스위치 등을 표시한 오퍼레이션영역이 설치되며 이 오퍼레이션영역의 표시화면을 머신·유저·인터페이스로서, 인장시험에 대한 각종 조건 등의 설정입력이나 신장계에 대한 초기 설정처리 등이 행하여진다. 또한 디스플레이화면에는 인장시험에 의해 계측된 하중과 신장과의 관계를 그래프 표시하는 그래프 표시영역이 설치된다.
연산처리부(13)는 신장계측용의 소프트웨어·어플리케이션에 따라 동작하는 것으로 좋고, 각 카메라(1, 2)에 의해 촬상된 시험편 화상 중의 표선화상을 검출하고, 표선화상의 중심위치를 구하는 기능을 구비하고 있다. 표선화상의 중심위치는 예를 들면 표선을 횡(橫)절단하는 방향에서의 표선화상의 화상성분(예를 들면 휘도성분)의 분포면적의 중심을 구하는 등으로 결정된다. 그리고, 각 시험편 화상 내의 표선화상의 중심위치와 각 시험편 화상 내에 미리 설정한 기준위치(예를 들면 시험편 화상중심)와의 차(화상상의 거리)가 표선화상의 기준위치로부터의 어긋남량으로서 검출된다. 후에 상술하는 바와 같이 이 표선화상 위치 어긋남량 또는 카메라 이동량의 한쪽 혹은 양쪽은 시험편(S)의 신장에 따라 변위한 표선(R1, R2)의 위치나 표선의 변위량을 나타낸다.
표선변위량의 연산에 관해서, 예를 들면 카메라(1, 2)의 촬상초점거리에 의해 규정되는 촬상배율과 CCD 이미지센서의 화소배열 핀치에 따라, 시험편화상에서의 1화소 당의 거리(이하, 단위거리 혹은 분해능이라고 칭함)를 미리 구할 수 있다. 그리고, 이 단위거리를 상기 차(화상상의 거리)에 곱하는 것에 의해 표선변위량이 구해진다. 또한 카메라(1, 2)에 의해 얻어진 화상신호를 적당하게 내삽(內揷)연산을 실행하면서 확대처리하고, 이 확대처리된 화상에서 표선(R1, R2)의 변위위치를 검출하는 것에 의해 그 계측정도를 높게 하는 것도 가능하다.
또, 연산처리부(13)는 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상되는 시험편 화상에서 표선화상이 벗어나는 경우, 다시말하면, 시험편의 신장에 의해 표선(R1, R2)의 위치가 변위하여 각 카메라(1, 2)에 의한 촬상범위의 한계에 도달했을 때에, 위치제어부(15, 16)를 기동한다. 위치제어부(15, 16)는 표선화상의 중심위치와 기준위치와의 차에 상당하는 분, 펄스모터(7, 8)를 각각 구동하고, 시험편(S)의 신장에 따라 표선(R1, R2)의 변위방향으로 카메라(1, 2)를 각각 이동시킨다. 이것에 의해 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상되는 시험편 화상 중의 표선화상의 중심위치와 각 시험편 화상 내의 기준위치가 합치하도록 카메라(1, 2)의 위치가 제어되어 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 변위에 추종하여 카메라(1, 2)가 이동한다.
이하, 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상된 시험편 화상에서의 표선화상위치에 의거하는 시험편(S)의 신장계측에 대해서 더 설명한다.
일반적으로 인장시험에서는 시험편(S)의 하단을 변위불능으로 고정한 상태에서 시험편의 상단에 인장하중이 상방향으로 인가된다. 이 경우, 시험편(S)에 부착된 2개의 표선(R1, R2)은 시험편(S)의 신장에 따라, 도 9에 굵은 실선으로 표시한 위치에서 굵은 파선으로 표시한 위치를 향해 순차적으로 상방으로 변위한다. 따라서, 각 카메라(1, 2)를 각 표선(R1, R2)의 변위에 따라서 위쪽으로 이동시켜 항상 각 표선(R1, R2)을 시험편 화상중심에 포착되도록 하면 카메라(1, 2)의 이동위치(도 9에 P11, P12로 나타낸다)에 의거하여 식 z = P11- P12에서 표선간 거리(z)를 구할 수 있고, 또 각 카메라(1, 2)의 이동거리(x, y)에 의거하여 식 E = x - y에서 시험편(S)의 신장량(E)(도시 생략)을 구할 수 있다.
또, 카메라(1, 2)의 위치를 고정한 상태에서, 각 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상되는 시험편 화상 내에서의 표선화상위치의 변화에서, 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 실제변위량(DH, DL)(도시 생략)을 구할 수도 있다. 구체적으로는 시험편 화상에서의 표선화상의 기준위치로부터의 변위량(도 5에 P1, P2로 나타낸다)에 화소피치나 촬상배율 등에 의존하는 계수를 곱하는 것에 의해, 변위량(DH, DL)이 구해진다. 그리고, 표선변위량(DH, DL)에 의거하여 식 E = DH- DL에서 시험편(S)의 표선간 거리의 신장량(E)이 구해진다. 또한, 표선간 거리(z)는 카메라(1, 2)의 고정위치를 P21, P22(도시 생략)로 하여, 산출식 z = (P21+ DH) - (P22+ DL)에서 구해진다.
단, 표선(R1, R2)이 카메라(1, 2)의 시야에서 벗어난 경우에는 표선간 거리의 신장량(E)을 계측할 수 없게 된다. 이 경우 각 화상에서의 표선화상의 위치가 미리 정해진 촬상범위의 한계에 도달했을 때, 펄스모터(7, 8)를 구동하여 각 카메라(1, 2)가 그 기준위치에 표선(R1, R2)을 포착하도록 카메라를 이동시킴과 동시에 각 카메라(1, 2)의 이동량(x, y)을 계측하면 된다. 그리고, 카메라 이동량(x, y)과 각 시험편 화상 중의 표선화상 위치에서 구해진 표선(R1, R2)의 변위량(DH, DL)에 의거하여 표선간의 신장량(E)을 식 E = (DH+ x) - (DL+ y)에서 구하고, 표선간 거리(z)를 식 z = (P21+ DH+ x) - (P22+ DL+ y)에서 구한다.
상기의 신장계측 원리로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시형태의 비접촉신장계는 주로 카메라(1, 2)의 이동량에 의거하여 표선위치, 표선간 거리 및 그 변화량을 계측하는 것으로서, 특히 계측정도 향상을 위해 카메라(1, 2)의 각각의 이동원점으로부터의 이동량을 정확하게 계측하는 점에 특징이 있고, 바람직하게는 카메라(1, 2)의 이동원점간 거리(zo)를 이용하여 표선(R1, R2) 간의 거리를 계측하는 데에 특징이 있다.(도 7을 참조).
이 특징에 관련하여 비접촉신장계는 제 1 및 제 2의 원점센서(9, 10)를 구비하고 있다. 원점센서(9, 10)는 이동스테이지(5, 6)의 이동원점으로의 복귀 더나아가서는 스테이지(5, 6)에 장착된 카메라(1, 2)의 이동원점으로의 복귀를 검출하는 것이며, 이동스테이지(5, 6)의 이동원점에 대향한 위치에 고정되어 있다.
원점센서(9)는 예를 들면 도 2에 나타내는 바와 같이 「コ」의 자(字)형상을 이루는 슬릿(slit)부에 포토커플러(photo coupler)(도시하지 않음)를 조립한 것으로, 이동스테이지(5)에 첨부된 센싱(sensing)편(5a)이 상기 슬릿부에 위치 정해지는 스테이지(5)의 원점복귀가 행하여졌을 때, 이것을 포토커플러에 의해 광학적으로 검출하도록 되어 있다. 동일하게 원점센서(10)는 이동스테이지(6)에 첨부된 센싱편을 수용 가능한 슬릿부를 가지고 스테이지(6)의 원점복귀를 광학적으로 검출하도록 구성되어 있다. 또한 원점센서(9, 10)에 의해 규정되는 스테이지(5, 6)의 이동원점 더 나아가서는 카메라(1, 2)의 이동원점은 미리 시험기 본체의 사양 등에 따라 초기설정 된다.
그리고, 카메라(1, 2)의 이동원점간 거리의 계측은 표선(R1, R2)의 한쪽을 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상했을 때의 각 카메라(1, 2)의 이동량에 의거하여 실시되며, 이 계측거리 데이터는 메모리(17)에 저장된다. 이 이동원점간 거리의 계측 및 데이터저장은 일반적으로 원점센서(9, 10)를 첨부했을 때, 혹은 그 첨부 위치를 조정했을 때에 실행된다.
상세하게는 이동원점간 거리(zo)의 계측에서는 도 7에 나타내는 바와 같이 시험편(S)에 부착된 2개의 표선의 한쪽(예를 들면 위쪽의 표선(R1))을 촬상화면상의 기준위치 예를 들면 촬상화면 중심에 포착하도록 각 카메라(1, 2)를 이동시키고, 이때의 각 카메라(1,2)의 이동원점(원점센서(9, 10)의 첨부위치)으로부터의 이동량(xo, yo)을 각각 구한다. 그리고 이들 이동량(xo, yo)에서 이동원점간 거리(zo)를 식 zo = yo - xo에서 산출하고, 이 계측거리(zo)를 메모리(17)에 기억한다.
보다 구체적으로는 시험기 본체에 시험편(S)을 장착하고, 이어서 제1 및 제2의 카메라(1, 2)를 각각의 이동원점으로 복귀시킨 후에, 도 8에 나타내는 이동원점간 거리계측 처리가 실시된다. 이 계측처리에서는 제 1의 카메라(1)를 이동원점에서 제 1의 표선(R1)으로 이동시켜[스텝(S11)], 카메라(1)가 촬상한 시험편 화상 내에서 표선(R1)의 화상이 화상중심에 합치의 여부를 판별한다[스텝(S12)]. 표선화상이 화상중심에 합치하면 카메라이동을 종료하고, 카메라(1)의 이동원점으로부터의 이동량(xo)을 구한다[스텝(S13)]. 이 카메라 이동량(xo)은 예를 들면 카메라(1)의 이동이 개시된 후부터 종료할 때까지 위치제어부(15)에서 펄스모터(7)로 송출된 구동펄스 수와 일펄스 당의 이미 알고 있는 카메라 이동거리와의 곱으로서 구해진다.
다음으로, 제 1의 카메라(1)를 이동종료 위치에서 위쪽으로 퇴피시킨 후에, 제 2의 카메라(2)를 이동원점에서 제 1의 표선(R1) 측으로 이동시켜[스텝(S14, S15)], 카메라(2)가 촬상하는 시험편 화상 내에서 화면중심에 표선(R1)을 포착했을 때에 카메라이동을 종료하고[스텝(S16)], 카메라(2)의 이동원점으로부터의 이동량(yo)을 구한다[스텝(S17)]. 이어서, 각 카메라(1, 2)의 이동량(xo, yo)을 산출식 zo = yo - xo에 대입하여 양카메라(1, 2)의 이동원점간 거리(zo)를 산출하고[스텝(S18)], 이 계측거리(zo)를 메모리(17)에 기억한다[스텝(S19)].
이상과 같이 원점센서(9, 10)를 설치하면 간단한 구성에 의해, 이동원점간 거리(zo)를 고정도로 계측할 수 있다. 또한 카메라(1, 2)를 유효하게 활용하여, 다시말하면, 신장량의 계측계와 동일한 계측계를 이용하여 이동원점간 거리(zo)를 계측하기 때문에, 계측계의 틀림에 의한 오차가 발생하지 않는다. 또, 이동원점간 거리계측은 원점센서(9, 10)의 첨부시나 첨부위치의 변경시에 실행하면 좋으므로, 인장시험의 효율이 떨어질 염려가 없고, 또 연산처리부(13)의 제어하에서 자동적으로 행하여지기 때문에 시간도 걸리지 않는다. 또한, 이동원점간 거리측정에서 각 카메라를 이동원점에서 제 2의 표선(R2)에 향하여 이동시키도록 해도 좋고, 이 경우 이동원점간 거리는 표선(R2)을 화면중심에 포착할 때까지의 제 1, 제 2 카메라의 각각의 이동량의 차로서 구해진다.
본 발명의 비접촉신장계는 상술한 바와 같이 하여 구한 이동원점간 거리(zo)를 제 1의 카메라의 이동량, 제 2의 카메라의 이동량, 제 1의 카메라에 의해 촬상된 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치 및 제 2의 카메라에 의해 촬상된 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치 중의 소요의 것과 함께 이용하여, 표선간 거리를 계측하는 것으로 되어 있다.
이하, 시험편의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 변위량과 이동원점간 거리(zo)에 의거하는 표선간 거리계측에 대해서 설명한다. 이 설명예에서는 인장시험에서 인장하중의 인가에 의해 시험편(S)에 신장이 생겨 표선(R1, R2)이 변위할 시에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 이들의 각 표선(R1, R2)을 화면중심에 포착되도록 각 카메라(1, 2)를 표선의 변위에 추종하여 이동시켜, 이들의 카메라(1, 2)의 이동량(x, y)에서 표선(R1, R2)간의 거리(신장)가 계측된다.
보다 구체적으로는 시험기 본체에 시험편(S)을 장착한 후에, 도 10에 나타내는 표선간 거리계측 처리를 개시한다. 이 계측처리에서 앞서 위쪽의 카메라(1)를 이동하여[스텝(S21)], 그 화면중심에 표선(R1)을 포착하도록 한다[스텝(S22)]. 또 아래쪽의 카메라(2)를 이동하여[스텝(S23)], 그 화면중심에 표선(R2)을 포착하도록 한다[스텝(S24)]. 스텝(S21내지 S24)의 처리에 의해 인장시험에 대한 초기설정이 완료한다. 이때 도 9에 실선으로 나타내는 카메라(1, 2)가 굵은 실선으로 나타내는 표선(R1, R2)에 대향하여 위치 정해진다.
그런 후에, 시험기 본체를 구동하여 시험편(S)에 인장하중을 가하여 인장시험을 개시한다[스텝(S25)]. 이 인장시험의 실행중, 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 변위에 추종시켜, 도 9에 굵은 파선으로 나타내는 표선(R1, R2)을 화면중심에 포착하도록 카메라(1, 2)를 각각 이동시키면서[스텝(S26)], 카메라(1)의 이동량(x) 및 카메라(2)의 이동량(y)을 각각 계측한다[스텝(S27, S28)]. 그리고, 카메라 이동량(x, y)과 메모리(17)에 기억되어 있는 이동원점간 거리(zo)에 의거하여, 표선(R1, R2)간의 거리(z)를 식 z = zo + x - y로 산출한다[스텝(S29)]. 이와 같은 표선간 거리(z)의 계측은 인장시험의 종료가 판정될 때까지 반복 실행된다[스텝(S30)].
상기의 표선간 거리계측에 의하면, 시험편(S)의 신장에 따른 표선변위에 추종하여 이동하는 카메라(1, 2)의 이동량과, 도 8에 나타내는 계측처리에 의해 정도 좋게 계측한 이동원점간 거리(zo)에서, 시험편의 신장에 따라 증대변화하는 표선간 거리를 정도 좋게 구할 수 있다.
또한 인장하중 인가 전에서의 표선(R1, R2)간 거리(초기 표선간 거리)를 계측하기 위해서는 카메라(1, 2)에 의해 표선(R1, R2)을 각각의 화면중심에 포착하도록 카메라를 이동시켜, 각 카메라(1, 2)의 이동원점에서의 이동량(x, y)을 구하고, 이동량(x, y)과 이동원점간 거리에서 초기 표선간 거리를 구하면 된다.
이하, 본 실시형태의 비접촉신장계에 의한 표선간 거리측정의 변형예를 설명한다.
이 변형예는 표선(R1, R2)의 위치계측 즉, 표선간 거리의 계측시에 카메라(1, 2)의 이동을 가능한 한 억제하고, 카메라(1, 2)의 이동에 따른 기계적오차의 발생을 배제하여 표선간 거리계측을 간단 또한 고정도로 행하는 것을 기도한 것이며, 다시말하면 정도가 높은 큰 카메라 지지기구(이동기구)를 조립하는 일 없이, 기계적오차 요인을 제외하고 간단하게 고정도 계측을 실현하는 것이다.
도 11은 이 변형예에 의한 표선간 거리계측 순서를 나타낸다. 도 11의 처리에서는 시험편 신장계측에서 요구되고 있는 계측정도와 판정기준 정도를 비교하여 고정도계측이 요구되는지의 여부를 판단한다[스텝(S31)]. 고정도 계측이 요구되고 있으면, 도 10에 나타낸 표선간 거리계측의 경우와 같이, 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 변위에 추종하여 카메라(1, 2)를 이동시켜, 이것에 의해 각 표선(R1, R2)을 시험편 화상중심에 포착한다. 그리고, 카메라 이동위치에서 표선(R1, R2)의 변위위치를 고정도로 계측한다[스텝(S32)]. 이 표선간 거리측정에 앞서, 후술하는 거리계측·초점거리 최적화처리를 실시하여, 카메라·시험편간 거리(L)에 따라 카메라(1, 2)의 초점거리(F)를 최대의 분해능이 얻어지는 값으로 설정하여 두는 것이 바람직하다.
한편, 요구 계측정도가 판정기준 정보보다도 낮은 것이 스텝(S31)에서 판별된 경우에는 카메라 고정상태에서의 표선간 거리계측이 가능한지의 여부를 판별하기 위해, 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 최대 변위량(C1, C2)을 예측한다[스텝(S33)]. 이 최대 변위량(C1, C2)은 예를 들면 각종 시험편의 종별에 따른 과거의 실적데이터 등에 의거하여 예측 가능하다.
이하, 인장시험에서 시험편(S)의 하단을 변위불능으로 고정한 상태에서 시험편의 상단에 인장하중을 상방향으로 인가하고, 또 제 1 및 제 2의 카메라(1, 2)에 의해 표선(R1, R2)을 각각 촬상하는 경우에 대해서 설명한다.
이와 같은 인장시험에서는 인장하중을 가하는 상측의 표선(R1)의 변위량보다도 하측의 표선(R2)의 변위량이 적다. 거기서, 도 11의 계측처리에서는 먼저, 표선(R2)이 예측 최대 변위량(C2)만큼 변위했을 때에 카메라(2)의 시야범위 내에 표선(R2)이 들어가는지 여부를 판정한다[스텝(S34)]. 카메라(2)의 시야범위는 카메라·시험편간 거리(L)와 카메라의 초점거리(F)(촬상시야각)에 의거하여 산출된다. 여기서, 초점거리(F)는 요구 계측정도에 따라 정해지는 요구계측 분해능과 카메라·시험편간 거리에 따라 설정되는 것으로 한다.
그런데, 예측 최대 변위량(C2)만큼 표선(R2)이 변위했을 때에 표선(R2)이 카메라(2)의 시야범위에서 벗어나는 경우에는[스텝(S34)], 표선간 거리계측을 카메라고정 상태에서는 행하지 않는 것으로 판정된다. 이 경우, 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 변위에 추종시켜 카메라(1, 2)를 이동시키고, 카메라(1, 2)의 이동위치에 의거하여 표선(R1, R2)의 변위위치를 계측한다[스텝(S32)].
한편, 예측 최대변위 후의 표선(R2)이 카메라(2)의 시야범위에 포함되는 것이 스텝(S34)으로 판별된 경우, 카메라(1)를 고정한 상태에서 표선(R1)의 변위영역 전체를 카메라의 시야에 포함하는 것이 가능한지의 여부를 판단하기 위해, 상측의 표선(R1)이 예측 최대 변위량(C1(〉C2))만큼 변위했을 때에 표선(R1)이 카메라(1)의 시야범위 내에 들어오는지 여부를 판정한다[스텝(S35)]. 그리고, 표선(R1)의 예측 변위영역 전체가 카메라(1)의 시야범위에 포함되는 경우에는 예측 최대 변위량(C1)에 맞추어 카메라(1, 2)의 초점거리(F)(촬상시야각)를 설정하고[스텝(S36)], 이것에 의해 양카메라의 촬상범위를 표선(R1, R2)의 각각의 예측 변위영역 전체가 상기 범위 내에 들어가도록 설정한다. 이어서, 시험편(S)의 신장에 따라서 변위하는 표선(R1, R2)이 카메라의 시야범위 내에 반드시 포착되도록 각 카메라(1, 2)의 위치를 각각 고정적으로 설정한다[스텝(S37)]. 그리고 고정배치한 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상된 화상 내에서의 표선화상의 위치에 의거하여 각 표선(R1, R2)의 변위위치를 계측한다[스텝(S38)].
예측 최대변위 후의 표선(R2)이 제 2의 카메라(2)의 시야에 포함되는 것이 스텝(S34)으로 판별됨과 동시에 예측 최대변위 후의 표선(R1)이 제 1의 카메라(1)의 시야에서 벗어나는 것이 스텝(S35)에서 판별된 경우에는, 표선(R2)의 예측 최대 변위량(C2)에 맞추어 카메라(1, 2)의 초점거리(F)(촬상시야각)를 설정하고, 이것에 의해 카메라(2)의 촬상범위 내에 표선(R2)의 예측 변위영역 전체가 포함되도록 한다[스텝(S39)]. 다음으로 표선(R2)의 예측 변위영역 전체가 카메라(2)의 시야범위 내에 반드시 포함되도록 제 2의 카메라(2)의 위치를 고정적으로 설정하는 한편, 표선(R1)을 촬상 화상중심에 포착하는 위치에 제 1의 카메라를 설정한다[스텝(S40)]. 그리고, 도 12에 나타내는 바와 같이 고정한 카메라(2)에 의해 촬상된 시험편 화상 상에서의 표선(R2) 화상의 위치에 의거하여 표선(R2)의 변위위치를 계측하고, 또 표선(R1)의 변위에 추종하여 이동하는 카메라(1)의 이동위치에 의거하여 표선(R1)의 변위위치를 계측한다[스텝(S41)].
이렇게 하여, 상술한 바와 같이 표선위치 계측 시에 각 카메라(1, 2)의 고정의 가부를 선택적으로 설정하는 비접촉신장계에 의하면, 카메라(1, 2)의 분해능을 최대한으로 활용하여 간단하게 고정도 계측을 행할 수 있다. 더욱이 카메라(1, 2)의 한쪽 또는 양쪽을 고정한 상태에서 신장계측을 행함으로써, 기계적오차를 효과적으로 방지하여 계측정도를 향상시킬 수 있다.
또한, 설정된 촬상조건에 따라 그 계측분해능을 산출하고, 그때의 분해능에 따라 화상에서 구해지는 표선의 계측위치를 보상하는 것도 물론 가능하다. 이 경우, 카메라(1, 2)의 초점거리를 조정할 필요가 없으므로, 보다 간단하게 계측정도를 높게 할 수 있다. 또 최대의 분해능이 얻어지도록 카메라(1, 2)의 촬상시야를 조정 가능하다.
본 실시형태의 비접촉신장계는 상기의 표선간 거리계측 기능에 더하여, 개개의 시험편 사이에서의 두께의 편차 등에 기인하는 계측오차를 제거하는 기능을 구비하고 있다. 또한 계측오차 제거처리는 표선간 거리계측에 앞서 실시하는 것이 바람직하다.
계측오차 제거시에, 비접촉진장계는 카메라(1, 2)에 의해 촬상된 시험편 화상에 의거하여, 카메라(1, 2)에서 시험편(S)의 표선(R1, R2)이 첨부된 표면(이하, 시험편 표면이라고 함)까지의 거리(L)(도 5)를 산출하고, 이 카메라·시험편간 거리(L)에 따라서 각 카메라(1, 2)의 초점위치 및 초점거리(F)(촬상시야각(θ)(도 3)) 등의 카메라 촬상조건을 조정한다. 즉, 포커스제어 및 주밍제어를 행한다. 이것에 의해 개개의 시험편 사이에서의 두께의 편차에 의한 각 시험편의 표선측 표면의 위치 어긋남에 기인하는 계측오차(광학적오차)가 보정된다. 또한, 조정된 촬상조건을 연산처리부(13)에 부여하여 연산처리부(13)에서의 연산오차를 보상하도록 하고 있다.
상기의 시험편 표면의 위치 어긋남은 규정의 두께를 가지는 시험편을 규정의 첨부자세에서 시험기에 첨부된 경우의 위치로부터의 어긋남을 말하고, 다시말하면, 그와 같은 경우에서의 규정의 카메라·시험편간 거리와 각 시험편마다 다른 카메라·시험편간 거리와의 차를 나타낸다. 그리고, 이 위치 어긋남은 시험편의 두께오차뿐만 아니라 시험편의 첨부자세 오차에 기인하여 생긴다.
이하, 도 3을 참조하여 시험편 표면의 위치 어긋남에 기인하는 계측오차(광학적오차)에 대해서 더 설명한다.
상기의 설명 및 시험편(S)과 카메라(1)와의 사이의 광학적인 관계를 나타내는 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 시험편(S)의 두께에 의해 카메라·시험편간 거리(L)(도 5를 참조)가 변화한다. 따라서, 초점거리(F)(촬상시야각(θ))가 일정한 카메라(1)에서 시험편(S)을 촬상하는 경우에서, 시험편 신장방향으로 보아서 시험편(S)에 부착된 표선의 위치가 개개의 시험편의 사이에서 일정하다 하더라도, 두께에 편차가 있으면, 시험편마다의 카메라·시험편간 거리는 도 3에 L1, L2로 예시하도록 서로 다른것이 된다. 이와 같은 카메라·시험편간 거리(L)의 변화에 따라서, 도 3에 2개의 파선으로 나타내는 바와 같이 광로가 상위(相違)하고, 카메라(1)의 촬상면 상에서의 표선의 결상위치에 어긋남이 발생하고, 이 결상위치의 어긋남이 표선위치의 계측오차로서 나타난다. 카메라(2)에 대해서도 동일하다.
이 실시형태에 관한 비접촉신장계에서는 개개의 시험편 사이의 두께의 편차에 의한 카메라·시험편간 거리(L)의 변화를 보상하기 위해 도 4에 나타내는 카메라·시험편간 거리계측·초점거리 최적화처리를 행한다.
도 4의 처리에서, 연산처리부(13)의 제어하에서 위치제어부(15, 16)를 작동시켜서 시험편신장방향의 카메라 간격이 조정거리(D)임과 동시에 표선(R1, R2)의 한쪽(본 실시형태에서는 아래쪽의 표선(R2))을 시야(촬상범위)에 포함하는 도 5에 나타내는 위치에 카메라(1, 2)를 각각 위치 결정한다[스텝(S1)]. 이어서, 카메라제어부(20)의 제어하에서 카메라(1, 2)의 초점거리(F)를 미리 설정된 규정치로 설정하고[스텝(S2)], 이와 같은 촬상조건하에서 카메라(1, 2)에 의해 표선(R2)을 촬상한다[스텝(S3)]. 그리고, 각 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상된 시험편 화상 중에서의 표선화상의 위치(P1, P2)(도 5)를 계측하고[스텝(S4)], 계측된 표선화상 위치(P1, P2)와 카메라간 거리(D)와 초점거리(F)에 따라서 카메라·시험편간 거리(L)를 산출한다[스텝(S5)].
카메라제어부(20)는 산출거리(L)에 따라서 카메라(1, 2)의 촬상조건 예를 들면 초점거리(촬상시야각)를 최적화 조정한다. 바람직하게는 포커싱제어 및 주밍제어에 의해 카메라(1, 2)의 초점위치와 초점거리(촬상시야각)를 조정한다[스텝(S6)]. 이 결과, 카메라·시험편간 거리(L)에 구속됨 없이 표선이 촬상면 상의 동일 위치에 합초점상태로 결상하고, 이것에 의해서 시험편(S)의 두께오차 등에 기인하는 계측오차(광학적오차)가 보상된다. 또, 카메라(1, 2)의 초점거리(F)를 최적화 하는 것에 의해 카메라(1, 2)에 의한 계측 분해능이 향상한다.
또한, 이미 규정된 카메라·시험편간 거리에서의 카메라(1, 2)의 실시야(시험편 화상에서의 실측거리)를 구해 두고, 산출된 계측거리(L)에 따라 포커싱제어만을 실행하여 초점위치를 조정하고, 이 초점위치 조정에 따른 시험편 화상 내에서의 표선화상 위치의 변화분을 보정함으로써, 계측오차를 보상하는 것도 가능하다.
이하, 도 5를 참조하여 도 4의 스텝(S6)에서의 초점거리 조정에 대해서 더 설명한다.
도 5는 거리(D)를 두고 배치된 카메라(1, 2)에 의해 표선(R2)을 촬상하는 경우의 촬상 광학계를 나타낸다. 도 5에서, 표선(R2)은 시험편 신장방향으로 보아서 각 카메라(1, 2)의 광축에서 거리 K1, K2씩 떨어진 위치에 있고, 카메라(1, 2)가 표선(R2)을 시야하는 각도는 α, β이다. 이 경우 카메라(1, 2)의 촬상면(시험편 화상)에서 표선(R2)은 시험편 화상중심에서 거리 P1, P2씩 변위한 위치에 결상한다.
각 카메라(1, 2)의 초점거리(F)는 미리 규정된 서로 같은 값으로 설정되어 있으므로, 거리(K1, K2, P1, P2)의 사이에는 다음의 식이 성립한다.
K1+ K2= D (1)
P1: P2= K1: K2(2)
P1: K1= P2: K2= F : L (3)
상기 (1), (2) 식에서 다음의 식을 도출할 수 있다.
K1/ (K1+ K2) = P1/ (P1+ P2)
K1= D·P1/ (P1+ P2)
K2/ (K1+ K2) = P2/ (P1+ P2)
K2= D·P2/ (P1+ P2)
상기 식 (3) 및 상기 도출식에 나타내어지는 관계에서, 카메라(1, 2)의 촬상면 상에서의 화상중심에서의 표선화상의 거리(P1, P2)와 초점거리(F)와 카메라(1, 2)간 거리(D)에 의거하여 카메라·시험편간 거리(L)를
L = D·F / (P1+ P2)
로서 산출하는 것도 가능하게 된다.
도 4의 스텝(S6)에서는 이와 같이 하여 계측되는 카메라·시험편간 거리(L)에 따라 표선(R2)이 카메라(1, 2)의 촬상면 상의 규정의 위치에 결상하도록 카메라(1, 2)의 초점거리(F)를 조정하고, 이것에 의해 촬상시야각도(θ)을 바꿈으로써, 거리(L)의 변화에 따른 결상위치의 어긋남을 간단 또한 효과적으로 보상한다.
또한 규정의 카메라·시험편간 거리에서의 상술의 광학적관계와, 계측거리(L)에서 구해진 각 카메라(1, 2)의 촬상면 상에서의 표선화상 위치(P1, P2)의 어긋남을 이용하여, 각 시험편 화상 내의 표선화상 위치(P1, P2)를 보정 가능하며, 이것에 의해 표선화상 위치에 의거하는 표선위치 계측을 정도 좋게 행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태의 비접촉신장계는 카메라·시험편간 거리(L)에 따라 표선화상의 결상위치의 어긋남을 보상하는 기능을 구비하고, 시험편(S)의 두께나 그 첨부자세에 기인하는 카메라·시험편간 거리의 어긋남에 구속됨 없이, 표선위치를 고정도로 계측할 수 있다. 더욱이 표선(R1, R2)을 촬상하기 위해 설치된 카메라(1, 2)의 촬상기능을 유효하게 활용할 수 있으므로, 결상 어긋남 보상을 위한 카메라·시험편간 거리측정 전용의 거리센서 등을 새롭게 조립하는 것이 불필요하다.
또한 초점거리 조정 시에, 각 카메라(1, 2)의 초점거리(F)를 표선(R2)을 카메라(1, 2)에서 동시에 시야에 들어갈 수 있는 범위로 길게 설정하고, 이것에 의해 촬상시야각을 작게하여 표선(R2)을 고배율로 촬상하도록 하여 두면, 카메라(1, 2)에서의 계측분해능을 높여 보다 고정도 거리계측을 실현할 수 있다.
이하, 본 실시형태의 비접촉신장계에 의한 파단신장 계측에 대하여 설명한다.
파단신장 계측은 인장시험기에 의한 파단신장 시험의 실시에 따라서 행하여지는 것이며, 이 파단신장 계측에 관련하여, 비접촉신장계는 인장시험의 개시에 앞서 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상된 시험편 화상과 각 카메라(1, 2)의 이동위치에 의거하여 표선(R1, R2)간의 거리(L`o)(도 13)를 초기 표선간 거리로서 계측하는 기능과, 인장시험의 실행에 따라서 시험편(S)이 도 14에 나타내는 바와 같이 파단한 후에 시험기 본체를 수동조작하는 등으로 인장하중을 가한 방향과 역방향에 시험기 본체를 작동시켜 도 15에 나타내는 바와 같이 파단시험편 반부(S1, S2)를 파단면으로 서로 맞대는 기능과, 파단시험편을 맞닿은 상태에서 카메라(1, 2)에 의해 각각 촬상된 시험편 화상과 각 카메라(1, 2)의 이동위치에 의거하여 파단신장 후의 표선간 거리(L`)를 계측하는 기능을 구비하고, 초기 표선간 거리(L`o)와 파단신장 후의 표선간 거리(파단면 맞대음 표선간 거리)(L`)에 의거하여 시험편(S)의 파단신장률(K)을 산출하도록 되어 있다.
도 13 내지 도 15 중, 참조부호(121, 122)는 시험기 본체의 상부 크로스헤드 및 하부 크로스헤드에 첨부되는 시험편(S)의 양단을 각각 지지하는 척을 나타내고, 크로스헤드의 상하 움직임에 따라 시험편(S)에 하중이 가해진다. 일반적으로 인장시험에서는 하부 크로스헤드의 위치를 고정한 상태에서, 상부 크로스헤드를 상승 이동시키는 것에 의해 시험편(S)에 인장하중을 가한다. 또 파단시험편의 맞대음은 상부 크로스헤드를 하강시키는 것에 의해 행하여진다. 그리고, 각 척에 의해 지지된 시험편(S)의 양단간에 하중이 생겼을 때, 맞대음 종료를 검출한다.
보다 구체적으로는 도 16에 나타내는 파단신장 계측처리에서, 먼저 시험기 본체로의 시험편(S)의 첨부 후에 카메라(1, 2)에 의해 각 표선(R1, R2)을 촬상하여, 표선화상에서 표선(R1, R2)간의 거리를 초기 표선간 거리(L`o)로서 계측한다[스텝(S42)]. 그러한 후, 시험기 본체를 작동시켜서 시험편(S)에 인장하중을 가한다[스텝(S43)]. 이 시험편(S)으로의 인장하중의 인가는 예를 들면 하부 크로스헤드를 고정한 상태에서 상부 크로스헤드를 상승시키는 것에 의해 행하여진다. 시험편(S)의 인장은 시험편(S)에 가하는 하중을 감시하면서 행하여진다. 이때, 시험편(S)의 신장에 따른 표선(R1, R2)의 변위에 추종하여 이동하는 카메라(1, 2)에 의해 표선의 변위위치가 검출된다.
시험편(S)의 신장이 한계에 도달하여 시험편(S)이 파단하면, 이것에 따라서 시험편(S)에 가해지고 있던 하중이 급격하게 영(0)이 된다. 이와 같은 하중의 변화를 순차 판정하는 것으로서 시험편(S)의 파단이 검출된다[스텝(S44)]. 다시말하면 시험편(S)에 가해지는 하중이 영(0)이 될 때까지, 시험편(S)에 인장하중이 계속적으로 가해진다.
따라서 시험편(S)이 파단하면, 이 파단을 검출하여 시험기 본체의 구동이 빠르게 정지되어 인장하중의 인가가 정지되지만, 파단시험편의 상반부(S1)는 인장관성력을 받아서 도 14에 나타내는 바와 같이 그 파단위치보다도 위쪽으로 변위한다. 단, 이 위쪽으로의 변위는 브레이크기구 등을 이용하는 것으로 혹은 정도의 범위로 억제할 수 있다.
다음으로 시험기 본체를 매뉴얼조작하는 등으로 상부 크로스헤드를 하강시켜[스텝(S45)], 즉 인장하중 인가방향은 역방향으로 시험편(S)을 변위시키는 것으로 파단시험편 반부(S1, S2)를 파단면으로 서로 맞댄다. 이 맞대음은 시험편(S)의 양단에 가해지는 하중을 검출하면서 행하여지고, 혹은 하중이 검출되었을 때, 그 하중이 파단시험편의 맞대음에 의해 생긴 것이라고 판단하여, 상부 크로스헤드의 하강을 멈춘다[스텝(S46)].
또한 파단시험편 반부(S1, S2)가 서로 근접할 때까지 시야에 의해 상부 크로스헤드를 하강시킨 후, 하중의 발생을 감시하면서 상부 크로스헤드를 서서히 하강시켜서, 파단시험편 반부(S1, S2)를 양자간에 무리한 하중을 가하는 일 없이 맞닿도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 시험편 반부(S1, S2)가 도 15에 나타내도록 서로 맞대은 후에 카메라(1, 2)를 이용하여 표선간 거리를 재차 계측하고, 그 계측치를 파단면 맞대음 표선간 거리(L`)로서 구한다[스텝(S47)]. 그리고, 이 표선간 거리(L`)와 파단신장시험에 앞서 구해진 초기 표선간 거리(L`o)에 의거하여 파단신장률(K)을 산출한다.
또한 파단면 맞대음 표선간 거리(L`o)의 측정시에, 도 14에 나타내는 시험편(S)의 파단상태에서의 표선간 거리(L`c)를 계측하고, 다음으로, 하부 크로스헤드를 고정하여 하측의 표선(R2)의 위치를 변화 불능으로 유지한 상태에서 상부 크로스헤드를 하강시켜, 도 15에 나타내는 맞닿은 상태에 이를 때까지의 상부 크로스헤드의 하강에 따른 상측의 표선(R1)의 하강량(L`d)을 계측하여도 좋고, 이 경우, 파단면 맞대음 표선간 거리(L`)는 다음 식에서 구한다.
L` = L`c - L`d
상기의 파단신장 계측에 의하면, 파단시험편을 시험기 본체에서 분리하는 일이 없기 때문에, 파단시험편 반부(S1, S2)를 양자의 중심선을 정확하게 일치시켜서 파단면으로 맞닿게 할 수 있고, 중심전의 어긋남에 기인하는 측정오차를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 초기 표선간 거리(L`o)의 측정계와 동일한 측정계를 이용하여 파단면 맞대음 표선간 거리(L`)를 구할 수 있기 때문에, 이 점에서도 측정정도를 높일 수 있다. 또, 시험기 본체에서 분리한 파단시험편 반부끼리를 셀로판테이프 등에 의해 고정하는 등의 작업이 불필요하기 때문에, 작업수고를 대폭으로 경감할 수 있고, 작업효율이 향상한다. 또한 시험기 본체가 기본적으로 구비하는 하중 계측기능이나 크로스헤드의 상하 구동기구 등을 유효하게 활용하여 파단시험편의 맞대음 작업을 행할 수 있기 때문에, 장치구성이 복잡화되는 등의 염려도 없다. 또한 본 실시형태를 변형하여 하부 크로스헤드 측을 하강시켜서 시험편(S)에 인장하중을 가하는 것도 물론 가능하다.
본 발명은 상기 실시형태의 것에 한정되지 않고, 여러 가지 변경 가능하다. 예를 들면, 실시형태의 것은 원점센서를 이용하여 구한 카메라 이동원점간 거리에 의거하는 표선간 거리계측기능에 더하여, 카메라·시험편간 거리에 따라 카메라의 촬상조건을 조정하는 기능과, 파단신장측정 시에 파단시험편을 맞대는 기능을 구비하지만, 본 발명에서 촬상조건 조정기능 또는 파단시험편 맞대음 기능의 한쪽 혹은 양쪽을 구비하는 것은 필수가 아니다.
상기의 파단신장 계측에 의하면, 파단시험편을 시험기 본체에서 분리하는 일이 없기 때문에, 파단시험편 반부(S1, S2)를 양자의 중심선을 정확하게 일치시켜서 파단면으로 맞닿게 할 수 있고, 중심전의 어긋남에 기인하는 측정오차를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한 초기 표선간 거리(L`o)의 측정계와 동일한 측정계를 이용하여 파단면 맞대음 표선간 거리(L`)를 구할 수 있기 때문에, 이 점에서도 측정정도를 높일 수 있다. 또, 시험기 본체에서 분리한 파단시험편 반부끼리를 셀로판테이프 등에 의해 고정하는 등의 작업이 불필요하기 때문에, 작업수고를 대폭으로 경감할 수 있고, 작업효율이 향상한다. 또한 시험기 본체가 기본적으로 구비하는 하중 계측기능이나 크로스헤드의 상하 구동기구 등을 유효하게 활용하여 파단시험편의 맞대음 작업을 행할 수 있기 때문에, 장치구성이 복잡화되는 등의 염려도 없다. 또한 본 실시형태를 변형하여 하부 크로스헤드 측을 하강시켜서 시험편(S)에 인장하중을 가하는 것도 물론 가능하다.
또한 원점센서를 이용하여 구한 카메라 이동원점간 거리에 의거하는 표선간 거리계측기능에 더하여, 카메라·시험편간 거리에 따라 카메라의 촬상조건을 조정하는 기능과, 파단신장측정 시에 파단시험편을 맞대는 기능을 구비하지만, 본 발명에서 촬상조건 조정기능 또는 파단시험편 맞대음 기능의 한쪽 혹은 양쪽을 구비하는 것은 필수가 아니다.

Claims (10)

  1. 인장시험에 제공되는 시험편(S)의 표면에 상기 시험편의 신장방향으로 간격을 두고 부착된 제 1 및 제 2의 표선(R1, R2)을 광학적으로 비접촉으로 검출하여 상기 시험편의 신장을 계측하는 비접촉신장계에 있어서,
    상기 시험편의 신장방향으로 이동이 자유롭게 설치된 제 1 및 제 2의 카메라(1, 2)와,
    상기 제 1의 카메라의 이동원점 및 상기 제 2의 카메라의 이동원점에 각각 설치되고 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 원점복귀를 각각 검출하는 제 1 및 제 2의 원점센서(9, 10)와,
    상기 제 1의 카메라에 의해 촬상되는 시험편 화상 내에 미리 설정한 기준위치에 상기 제 1 및 제 2의 표선의 한쪽(R1)의 화상이 합치할 때까지의 상기 제 1의 카메라의 상기 이동원점으로부터의 이동량(xo)과, 상기 제 2의 카메라에 의해 촬상되는 시험편 화상 내에 미리 설정한 기준위치에 상기 한쪽의 표선(R1)의 화상이 합치할 때까지의 상기 제 2의 카메라의 상기 이동원점으로부터의 이동량(yo)에 의거하여 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 각각의 이동원점 사이의 거리인 원점간 거리(zo)를 구하는 원점간 거리계측 수단(S19)과,
    상기 제 1의 카메라의 이동량, 상기 제 2의 카메라의 이동량 및 상기 이동원점간 거리에서, 시험편의 신장에 따라서 각각 변위하는 제 1 및 제 2의 표선 사이의 거리를 계측하는 표선간 거리계측 수단(S29)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표선간 거리계측 수단(S29)은, 상기 시험편의 신장에 따른 상기 제 1 및 제 2의 표선의 변위에 각각 추종하여 이동하는 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 각각의 이동원점으로부터의 이동량(x, y)을 구하고, 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 각각의 이동량과 상기 이동원점간 거리(zo)에서 상기 제 1 및 제 2의 표선간의 거리(z)를 계측하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    서로 동일의 초점거리(F)로 조정되고 또한 상기 시험편의 신장방향으로 서로 간격(D)을 두고 배치된 상기 제 1 및 제 2의 카메라(1, 2)에 의해 상기 제 1 및 제 2의 표선의 어느 한쪽(R2)을 촬상했을 시에 각각 얻어지는 시험편 화상 내에서의 상기 어느 한쪽의 표선의 화상의 위치(P1, P2)와, 상기 초점거리와, 상기 카메라 배치 간격에 의거하여, 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 각각과 상기 시험편의 표선측 표면과의 사이의 거리(L)를 산출하는 거리산출 수단(S5)과,
    상기 거리산출 수단에 의한 산출거리에 따라서 상기 각 카메라의 촬상조건을 조정함과 동시에 조정한 촬상조건을 상기 표선간 거리계측 수단에 부여하는 계측조건 설정수단(S6)을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 계측조건 설정수단(S6)은 상기 거리산출 수단(S5)에 의한 산출거리에 따라서 상기 각 카메라의 초점위치 맞춤을 행함과 동시에 초점거리를 조정하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 계측조건 설정수단(S6)은 상기 각 표선의 예측 최대 변위량(C1, C2)에 따라서 상기 각 카메라의 초점거리(F)를 설정하고,
    상기 표선간 거리계측 수단(S37, S40)은 상기 예측 최대 변위량을 따라서 변위하는 각 상기 표선이 각 상기 카메라의 적어도 한쪽의 시야에 들어오는 이동위치에 당해 카메라를 고정적으로 배치하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 표선간 거리계측 수단은 각 상기 카메라의 초점거리에 따라서 표선변위량의 계측분해능을 산출하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    인장하중의 인가에 의해 파단(破斷)한 상기 시험편의 양반부(兩半部)(S1, S2)가 파단면에서 서로 맞닿도록 인장시험기를 구동하는 맞대음 수단(S44, S45)을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 표선간 거리계측 수단은 상기 시험편의 파단에 따른 상기 제 1 또는 제 2의 표선 변위에 추종하여 이동하는 상기 제 1 또는 제 2의 카메라의 이동량에 의거하여 시험편 파단 후의 표선간 거리(L`c)를 계측하고, 이어서, 상기 제 1 또는 제 2의 표선의 시험편 파단 후에서의 최종 변위위치에서 상기 파단한 시험편의 양반부가 맞대어진 상태에서의 변위위치까지의 변위거리(L`d)를 계측하고, 또한 상기 시험편 파단 후의 표선간 위치와 상기 변위거리에서 상기 파단한 시험편의 양반부가 맞대어진 상태에서의 표선간 거리(L`)를 구하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 표선간 거리계측 수단은 상기 제 1 및 제 2의 카메라의 각각의 이동위치와 양(兩) 상기 카메라에 의해 각각 촬상된 시험편 화상 내에서의 표선화상의 위치에서 상기 제 1 및 제 2의 표선의 각각의 위치를 구하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 시험편으로의 인장하중의 인가 전에 상기 표선간 거리계측 수단에 의해 계측된 초기 표선간 거리(L`o)와 상기 파단한 시험편의 양반부를 맞닿은 상태에서 계측된 표선간 거리(L`)에 의거하여 상기 시험편의 파단신장률을 산출하는 것을 특징으로 하는 비접촉신장계.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100657542B1 (ko) * 2005-01-20 2006-12-15 대한민국 감시카메라의 왜곡보정을 통한 신장계측 장치,방법, 그방법이 기록된 기록매체 및 기준점 설정장치
KR100742546B1 (ko) * 2001-04-27 2007-07-25 키시모토 산교 가부시키가이샤 시험편 신장측정방법 및 장치
KR20220161061A (ko) * 2021-05-28 2022-12-06 현대제철 주식회사 인장 시험 장치

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