引伸計的測量原理及其改進方案

1、引伸計的測量原理及其改進方法李演楷丄，衛(wèi)明陽2 ,張云輝丄，潘倩3（1.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春130025 ; 2 .長春機械科學研究院有限公司，吉林長春130012 ; 3 .長春市創(chuàng)高機電設備有限公司，吉林長春130012）摘 要：本文分析了包括接觸式引伸計和非接觸式引伸計在內(nèi)的常見變形測量裝置的原理，在分別 總結(jié)了其優(yōu)點和缺點的基礎上，提出了兩種基于激光設備與圖像處理技術的改進方案。這兩種測址 方法克服了部分傳統(tǒng)引伸計存在的問題，具有良好的應用前眾.關鍵詞：變形測最；引伸計；CCD；激光中圖分類號：TH871文獻標識碼：Bdoi :10. 3969/j. issn. 167

2、4-3407. 2010. 09Principle and Improvement of ExtensometerLi Yankai1, Wei Minyang2, Zhang Yunhui1, PanQian3（1. Institute of Mechanical Science andEngineering 9 Jilin UniversityChangchun 130025, Jilin, China. 2. ChangchunResearch Institute for MechanicalScience Co., Ltd. Changchun 130012, Jilin,China.

3、 3 Chuanggao Mechanical &Electrical Equipment Co.Changchun 130012Jilin, china）Abstract: This paper analyzes the principleand features of common extensometer measurements , including contact extensometers and non-contact video extensometers. They also have advantages and disadvantages, in such ci

4、rcumstances, we proposed two improve methods, and they are based on laser and image processing technology. The improvement of the measuring method overcomes many problems of the traditional extensometers, and it has a good prospectKeywords: Deformation measurement ; extensometer ; Charge-coupled Dev

5、ice ; laser了人們的青睞.針對上述情況，本文總結(jié)了已經(jīng)出現(xiàn)的各類引 伸計的特點，分析了其變形測量的原理.在現(xiàn)有技 術基礎上，提出了兩種激光引伸計的設計方案，說 明了其工作過程，同時對其優(yōu)點及存在的問題進行 了探討。1引言變形測量是材料物理特性檢測中最基本的測 量環(huán)節(jié)之一，引伸計是用于測量試件標距間軸向及 徑向變形的基本裝置。因此引伸計的精確度、穩(wěn)定 性、通用性及可靠性對于材料物理特性的判斷至關 重要。試驗機行業(yè)是引伸計較常見的應用領域，圖 1所示為電子引伸計在萬能試驗機棒材拉伸試驗中 的應用.該領域所應用的引伸計需要適應各種試驗 條件及要求，諸如址程變化范圍大，標距不統(tǒng)一， 非常溫下

6、進行試驗尊。常見的引伸計可分為接觸式 與非接觸式兩類，它們各自存在不同的優(yōu)點和缺 點，不能完全適應所有的試驗要求和使用環(huán)境.近 年來隨著激光測試技術和圖像處理手段的成熟，基 于這兩方面技術的測試儀器以其獨有的優(yōu)點獲得圖1引伸計衽實際環(huán)境中的應用2接觸式引伸計的原理及特點接觸式引伸計目前應用比較廣泛，其技術也相 對成熟。接觸式引伸計從原理上可分為機械式和電 子式兩種。2.1接觸式引伸計測原理對于機械式引伸計，變形厳首先由機械結(jié)構(gòu)采 集.然后通過各類機械原理對其進行放大，履后直 觀將變形量顯示出來。這類引伸計包捋表式和杠桿 式等。以表式引伸計為例，它通過千分表頂桿接收 變形量，變形通過頂桿傳至表內(nèi)

7、的齒輪系統(tǒng)進行放 大，最后由表盤上的指針顯示出示數(shù).不同機械式 引伸計間的根本區(qū)別在于變形放大采用的機械原 理不同。機械式引伸計的工作原理如圖2所示。變形量變形傳遞結(jié)構(gòu)變形放人結(jié)構(gòu)讀數(shù)顯示圖2機械式引伸計工作原理框圖電子式引伸計是機械技術與傳感器技術的結(jié) 合。這類引伸計前瑞同樣采用機械結(jié)構(gòu)采集試樣變 形，后端將變形量傳遞至各類電氣原件組成的傳感 器.傳感器將變形凰轉(zhuǎn)化為電信號，處理器對電信 號進行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大等處理，最終將變形 值顯示出來。這類引伸計根據(jù)內(nèi)部所用傳感器原理 不同可分電阻式、電容式、電感式等。電子引伸計 工作原理如圖3所示。變形量變形傳遞結(jié)構(gòu)迪 一傳感器舉電信號>信

8、號處理并顯示圖3應變片式電子引伸計工作原理圖2.2特點分析接觸式引伸計以其簡單的原理結(jié)構(gòu)，相對低廉 的價格與成熟的技術得到了廣泛的應用。其應用實 例見圖3。但是隨著現(xiàn)代科技對材料物理特性要求 的提高和試驗環(huán)境的多樣化，這類傳統(tǒng)引伸計已暴 雪出許多問題：（1）駅程與標距可調(diào)性差。一支引 伸計只能適用于較小范圍甚至某一特定標距，雖程 相對固定；<2）試樣斷裂時需要摘除，無法直接測 量斷后伸長率等；（3）引伸計與被測物連接不牢固， 存在滑脫現(xiàn)象：（4）難以適應特殊試驗環(huán)境，如測 定環(huán)境箱內(nèi)試樣變形等。3非接觸式引伸計的 原理及特點近年來隨著光電器件和圖像處理技術的不斷 發(fā)展，非接觸式變形測fi

9、t方法日趨成熟，本文以視 頻引伸計為代表進行說明。3.1視頻引伸計的結(jié)構(gòu)及工作原理視頻引伸計在實際中的應用如圖4所示，其核 心部件為CCD攝像機。整個測量系統(tǒng)主要包括光源、 CCD探測器、圖像釆集卡，計算機軟件處理部分。 （見圖5）視頻引伸計工作過程如下：首先在試樣 上根拒標距標記測屋上下限。然后用外部光源照亮被測試件，被測試件上的標記成像到CCD上. 當試件變形時上下標記相對位置發(fā)生變化，CCD的 成像也相應發(fā)生變化，通過圖像采集卡將將不同時 刻采集到數(shù)字圖像存儲到計算機中，利用圖像處理 技術對比前后圖像中標記的位置變化便可計算出 試件的變形大小.圖4視頻引伸計3.2測系統(tǒng)的關鍵技術CCD器

10、件是一種電荷耦合器件，電信號與光強 度成比例輸出，其體積小、重瑩輕、功耗低、精度 高，廣泛應用于非接觸測戰(zhàn)領域.視頻引伸計釆用 數(shù)字圖像處理技術實時檢測試樣的變形量，其突出 優(yōu)點是可以通過不同的算法來提高測fit精度.圖5測棋塊圖像處理模塊是整個測量系統(tǒng)的關鍵，這個模 塊通過一種算法將試件的變形量精確地檢測出來. 圖像預處理的主要任務是除去原圖像中的噪聲，究 出有用信號，消除干擾信號，得到質(zhì)繪較離的圖像。 預處理包括平滑處理、數(shù)據(jù)濾波、圖像變換，圖像 增強等技術。CCD得到的圖像是像素點灰度值不同 的數(shù)字圖像，圖像中的有效信號，不同的灰度值變 化以邊緣的形式表現(xiàn)出來，邊緣檢測的目的就是把 這些

11、邊緣提取出來達到檢測的目的，釆用微分算子 法、或者亞像發(fā)算法可以精確地檢測出圖像邊緣. 邊緣檢測得到標記的位置圖像后通過圖像匹配技 術將前后拍攝到的圖像在空間上進行對準，確定出 標記相對位移大小，從而計算出試件變形的實際大 小3.3特點分析視頻引伸計作為非接觸式引伸計的典型代表， 相對于接觸式引伸計有很多優(yōu)點：（1）量程和標距 不再受到嚴格限制；消除了試樣與引伸計連接 相對滑動而造成的測量碾差；（8）避免了摘除引伸 計帶來的麻煩；（4）可測量有透明介質(zhì)的環(huán)境箱中 試樣的變形。但在部分環(huán)境下不適合使用視頻引伸 計。一方面CCD采集到的圖像要經(jīng)過基于亞像素級 的算法處理，故外界光源產(chǎn)生的噪聲對圖像

12、處理有 很大影響.另一方面，在大標距變形測最中，受到 CCD攝像機有效距離和范圍的影響，難以使用這類 視頻引伸計。2引伸計測量原理的 改進激光測嚴作為目前檢測技術的發(fā)展方向之一， 其優(yōu)勢是傳統(tǒng)測量方法不可比擬的。下文簡述兩種 激光引伸計改進方案.4.1基于激光三角法的引伸計改進方案激光三角法是接粧光學測瑩的重要形式，目前 已經(jīng)在物體表面紋理測量，工件車削過程尺寸的在 線檢測等領域得到應用。激光三角法的基本原理如下：激光光源發(fā)出的 一束激光照射在待測物體表面上，激光經(jīng)過反射照 射到感光元件上成像。當物體相對位置發(fā)生改變時, 其在感光元件上成像也發(fā)生改變.山通過像移和實 際物體位移之間的固定關系真

13、實物體位置變化便 可得到。激光三角法原理如圖6所示.圖6激光三角法基本原理示療圖PSDPSD圖7基于激光發(fā)射器及PSD器件的引伸計利用激光三角法測量變形，可以采用激光位移 傳感器的成熟技術。激光位移傳感器可精確非接觸 測量被測物體的位置、位移等變化，主要應用于檢 測物的位移、厚度、振動、距離、宜徑等幾何址的 測最.這類傳感器集成了激光光源和CCD器件，其 中激光光源以半導休激光發(fā)射器為主，其特點是體 積相對較小，加之激光本身方向性好且光功率高， 從而提高了系統(tǒng)的分辨率和穩(wěn)定性性。具體應用方 式如下：（1）在試樣標距的下限位置，夾持一支激 光位移傳感器，上限位買固定一片表面光滑的反光 器件；（2

14、）激光發(fā)射器將光束發(fā)射至上方反光器件 上，激光位移傳感器上的CCD元件采集反射回的信 號；（3）試樣變形時，CCD采集的光伯號也發(fā)生改變, 從而可以根據(jù)CCD輸出的信號，確定變形址大小。4.2基于激光發(fā)射器及PSD器件的引伸計原理初探此類引伸計設計初衷在于可實現(xiàn)任意標距的非 接觸測址。尤其在大標距測最時，相對于接觸式引 伸計具有重量輕，體積小，夾持方便等優(yōu)點。PSD是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的大光敬面的光電二 極管，又被稱為P-N結(jié)光電傳感器.當入射光照射 在感光面的不同位置上時，所得到的電信號也不同， 從輸出的電信號可以確定入射點在期間感光面上的 位置。同該類引伸計原理如圖7所示，工作過程如下：（1

15、）按試樣標距要求在試樣上夾持兩個小型半導 休激光發(fā)射器；（2）兩個PSD器件架設在支架上， 分別用來接受激光發(fā)射器所發(fā)射的光信號；（8）試 樣變形時，照射在兩個PSD器件上的光斑位置也發(fā) 生改變，通過計算兩個PSD采集到的信號的變化， 便可以計算出試樣變形.這類引伸計在測量試樣徑向變形的情況下，可 采用一維PSD器件。一維PSD根據(jù)其兩端輸出侑號 可得出光斑在光敏面上的光能質(zhì)心位置這使得確 定光電位置所需要處理的數(shù)據(jù)量很小，更有利于實 時測此本文總結(jié)了已經(jīng)出現(xiàn)的主要類別引伸計的原 理和工作過程。在分析了其待點后，提出了基于激 光三角法以及激光與PSD結(jié)合的兩種引伸計方案。 本文所討論的這兩種方法各有獨到之處，但仍存在 不足：激光三角法中，夾持激光發(fā)射器及CCD器件 的一段負擔較重；激光及PSD組成的引伸計中，由 于PSD屬于精密傳感器，感光面積大小受限，引伸 計最大盤程僅可達到兩PSD器件宜徑之和，未能實 現(xiàn)大量程測量。這兩種引伸計后續(xù)數(shù)據(jù)處理方法及 標定方法也有待進一步探討。除文中提及的涉及軸向引伸計的改進方法外， 徑向引伸計、高溫引伸計、扭角引伸計等其他方面 仍可參考