利用線陣CCD非接觸測量材料變形量的方法

1、第卷第期光電工程 Vol.29,No.4 年月 Opto-Electronic Engineering Aug，2002 文章編號：1003-501X（2002）04-0020-04利用線陣CCD非接觸測量材料變形量的方法王慶有,于涓匯,郭 青,張盛彬（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津；光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，天津）摘 要：用線陣作為光電傳感器非接觸測量材料拉伸過程中的變形量，不但比常規(guī)的引伸計測量的方法更客觀，而且可以測量材料拉伸變形到斷裂的全過程。該方法能在X和Y兩個方向上同時測量材料變形量，可以獲得材料在實驗的全過程中兩個方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。采用拼接技術(shù)，測量精度可達

2、到µm，測量范圍80mm。關(guān)鍵詞：非接觸測量；線陣；應(yīng)力測量；變形測量中圖分類號：TG806文獻標識碼：AA method for measuring material deformationwith linear CCD detectorsWANG Qing-you, YU Juan-hui,GUO Qing, ZHANG Sheng-bin(1 . College of Precision Instruments and Optoelectronic Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Key Labo

3、ratory of Optoelectronic Information Technical Science, EMC, Tianjin 300072, China)Abstract: Measurement of the deformation quantity of a material during stretching process by using linear CCD detectors in non-contact mode, not only is more objective than the common extensometer measurement method,

4、but also can measure the whole process from stretching deformation to breaking .The deformation quantity of a material can be simultaneously measured at both direction of X and Y and the stressstrain curves of the both direction during the whole experimental process of a material can be obtained. Wi

5、th CCD splicing technique, the measuring accuracy can be reached 1µm and measuring range 80mm.Key words: Non-contact measurement；Liner CCD；Stress measurement；Deformation measurement 引言一般的材料實驗機常用接觸式的刀口引伸計來測量材料在拉伸過程中的變形量。在材料的拉伸變形過程中，由于刀口與被測件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生相對運動，必然產(chǎn)生測量誤差，尤其是在測量金屬材料時，常因為在測量過程中刀口的磨損而影響測量精度，

6、特別是當材料斷裂時所產(chǎn)生的震動和沖擊會使刀口報廢，因此用接觸式引伸計測量材料拉伸變形量時必須在材料斷裂之前將引伸計卸下來，以免損壞刀口引伸計，故無法對材料拉伸的全程進行測量。利用線陣測量變形量，其優(yōu)點在于非接觸、無磨損、不引入測量的附加誤差、測量精度高、能夠測量材料拉伸變形的全過程，特別是能夠測量材料在斷裂前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而能夠測得材料的各種極限特性參數(shù)。年月 王慶有等：利用線陣CCD非接觸測量材料變形量的方法21非接觸測量材料拉伸變形量的原理用線陣CCD非接觸測量材料拉伸變形量的原理方框圖如圖1所示。圖中光源發(fā)出的均勻光線將標有標距的被測材料照明，被測材料上的標距信號通過成像物鏡成像在

7、線陣CCD的像敏面上，當材料被拉伸變形時線陣CCD像敏面上的標距像也在變化，CCD將標距像信號轉(zhuǎn)變成電信號并通過處理電路提取出標距像的間距變化量，再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，就可以計算出被測物的拉伸量。信號的提取在拉伸測量系統(tǒng)中，被測材料同時受到X（橫向）和Y（縱向）兩個方向的拉力，產(chǎn)生兩個方向的變形，因此采用兩個拉力傳感器分別測量兩個方向的拉力，采用兩個線陣CCD攝像頭同時進行兩個方向上的變形量的測量。首先在被測材料的兩側(cè)分別畫出X方向和Y方向的雙條標距標記，如圖2所示。由于所測的材料為黑色橡膠，故采用白色的平行條作為標距標記，拉伸時這兩個白條標記均隨著材料的不斷變形而被拉開。在被測材料的兩側(cè)

8、分別安裝兩個同步驅(qū)動的線陣CCD攝像頭，它們分別攝取X方向和Y方向白色標距信號，并將其輸出的載有白色標距寬度信息的視頻信號送入具有細分功能的二值化數(shù)據(jù)采集卡，二值化數(shù)據(jù)采集卡將所采集的兩白條間距的寬度數(shù)據(jù)送入計算機內(nèi)存，從而獲得材料在兩個方向上的拉伸變形量。 材料拉力變形量的測量材料拉力變形量的測量原理如圖3所示。材料拉伸試驗過程中，被測材料在X,Y兩個方向上均加載荷，產(chǎn)生變形。載荷量以壓力傳感器輸出的電壓量通過位數(shù)據(jù)采集卡送入計算機，而變形量的測量是將被測材料上的標距信號通過成像物鏡成像在線陣CCD的像敏面上從而形成如圖4所示的輸出信號U0（U0信號的中心距即為標距像的間距），通過處理電路產(chǎn)

9、生標距的邊沿數(shù)字信號并送入計算機，計算機軟件計算出各個標距信號的中心距值，在方向上的兩個標記中心差為方向上的變形量，同理也可獲得方向上的變形量，再經(jīng)計算機軟件處理便可以獲得被測材料的應(yīng)力與變形量的關(guān)系曲線。The observeThe reserve圖試件示意圖Fig.2 Sketch for sample圖應(yīng)變測量系統(tǒng)方框圖Fig.3 Block diagram of the strain measuring system二值化數(shù)據(jù)采集應(yīng)力應(yīng)變測量的二值化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在方向與方向上的測量原理相同，本文以方向為例來說明其測量原理。圖為二值化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的波形圖。圖中為線陣的轉(zhuǎn)移脈沖；為行同步脈

10、沖，22 光電工程 第卷第期 它的上升沿恰與線陣CCD輸出的第一個有效像素單元信號同步；U0為線陣輸出的視頻信號，U0經(jīng)過二值化處理電路進行處理后，輸出U1方波脈沖信號。U1信號的上升沿與下降沿分別為線陣CCD像敏面上標距像的兩個邊沿，即N11與N13為像的黑白邊沿，而N12與N14為像的白黑邊沿。利用二值化數(shù)據(jù)采集電路將N11,N12,N13和N14采集并存入計算機，在計算軟件的支持下計算出X方向上兩個標距間的中心距L為(N+N13N11N12)L0142式中L0為線陣像敏單元的尺寸，為光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率。而拉力傳感器感受拉力的變化，經(jīng)過位數(shù)據(jù)采集卡采集量化送入計算機內(nèi)存中，再經(jīng)過計算機

11、軟件處理得到如圖所示的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。測量范圍與測量精度本應(yīng)力應(yīng)變測量系統(tǒng)采用TCD1500C線陣CCD為光電傳感器，它具有5340個像敏單元，像敏單元的尺寸為7µm×7µm ，像元中心距亦為7µm 。因此，本測量系統(tǒng)在不考慮細分的情況下，其絕對測量精度為（7/）µm，考慮到測量精度的要求，采用了二細分，測量系統(tǒng)的分辨力可達到（7/2）µm，測量范圍可以達到(37.38/)mm，其中為光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率，本測量系統(tǒng)的橫行放大倍率為0.35，其分辨力可達到10µm，測量范圍超過100mm。在測量的過程中測量的精度也會受到

12、一些因素的影響，如：2.1 光照強度變化對測量精度的影響當光照強度發(fā)生變化時，CCD輸出的信號U0的幅度將發(fā)生上下浮動，固定閾值二值化處理電路的輸出脈沖U1的寬度將發(fā)生變化。當光照增強時，輸出脈沖U1的寬度將變寬，但只要CCD不工作在飽和狀態(tài)，U1的變寬不會影響中心位置的測量。但是，如果CCD處于飽和工作狀態(tài)，飽和的溢出具有方向性，會使中心位置的測量產(chǎn)生偏移。2.2 光學(xué)系統(tǒng)畸變的影響在測量前，我們在黑色橡膠上做出白色的標記。測量開始時，標記通過光學(xué)系統(tǒng)的中心成像，隨著被測物件的不斷拉伸，白色標記越來越遠離視場中心。若光學(xué)成像系統(tǒng)存在畸變，它在不同視場有著不同的放大倍率，隨著視場的變化放大倍率

13、也在變化，這必將影響拉伸測量的精度。解決的方法可以通過現(xiàn)場多次標定動態(tài)確定光學(xué)系統(tǒng)的值來修整測量結(jié)果，或者采用畸變盡可能小的光學(xué)成像系統(tǒng)?，F(xiàn)場測試結(jié)果年月日在哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所的材料實驗機上對其黑色橡膠材料進行了實驗測年月 王慶有等：利用線陣CCD非接觸測量材料變形量的方法 23試，測試結(jié)果報告如下：試驗材料：黑橡膠；試樣數(shù)量：；試樣尺寸：×；試樣幾何形狀：十字型；加載速率：縱向速率：；橫向速率：。在橫向拉力、縱向拉力的共同作用下材料在兩個方向上均產(chǎn)生拉伸變形，其變形量分別由兩方向的測量系統(tǒng)采集到計算機，并得到如圖5所示的材料拉力變形的關(guān)系曲線。從材料的拉力變形曲線可以看出

14、當水平拉力大于或等于時材料將發(fā)生斷裂, 材料一旦斷裂,拉力立即減?。ɡτ勺?yōu)椋?，變形量增大到mm，同時垂直方向的拉力大于也發(fā)生斷裂,拉力由變?yōu)椤＝Y(jié)束語用線陣CCD為光電傳感器對材料拉伸變形量進行非接觸測量是現(xiàn)代材料試驗機所必需的測量方法。它必將取代現(xiàn)有的刀口式電阻應(yīng)變器的引伸計而被廣泛地應(yīng)用于材料試驗機。然而，CCD光電傳感器所構(gòu)成的變形測量儀的測量范圍與測量精度的矛盾是這項技術(shù)的關(guān)鍵。在要求高精度和大范圍的情況下應(yīng)采用CCD的拼接技術(shù)，此時的測量精度可達到1µm，測量范圍可達到80 mm。參考文獻：1 王慶有. CCD應(yīng)用技術(shù)M. 天津 : 天津大學(xué)出版社，2000.2 龔予吉,

15、楊守忠. 高精度動態(tài)測徑儀設(shè)計中的關(guān)鍵問題J. 光電工程, 1990, 17(3): 44 47.3 王慶有. 軌道振動的非接觸測量J. 光學(xué)技術(shù), 1998, (6): 69 70.ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg（上接第頁）結(jié)束語低對比度條件下小目標的檢測與跟蹤歷來被認為是一個十分復(fù)雜的問題。在低信噪比的情況下，要保證可靠、穩(wěn)定地檢測并跟蹤目標是很困難的。USAN原則作為性能優(yōu)良的特征點提取方法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速單幀檢測，較好地解決了低對比度小目標的檢測問題。在此基礎(chǔ)上，深入分析目標的特征參數(shù)及目標運動特性，提出了有效的跟蹤算法，保證了

16、實際跟蹤的穩(wěn)定性和實時性。參考文獻：1 孫即祥. 數(shù)字圖像處理M. 石家莊:河北教育出版社，1993.2 楊衛(wèi)平，沈振康. 紅外圖像序列小目標檢測預(yù)處理技術(shù)J. 紅外與激光工程，1998，27（1）：2328.3 SMITH S M , BRADY J M. SUSAN-A New Approach to Low Level Image Processing: Internal Technical ReportTR95SMS1cR. Farnborough,Hampshire, UK: Defence Research Agency,1995.4 SMITH S M. Edge Thinning Used in the SUSAN Edge Detector: Internal Technical Reports TR95SMS5R.Farnborough,Hampshire, UK: Defence Research Agency,1995.5 楊皞昀，張桂林. 利用SUSAN算子的特征復(fù)合相關(guān)跟