引伸计的测量原理及其改进方案

引伸计的测量原理及其改进方案

引伸计的测量原理及其改进方法

李演楷1，卫明阳2，张云辉1，潘倩3

(1．吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春130025；2．长春机械科学研究院有限公司，吉林长春130012；3．长春市创高机电设备有限公司，吉林长春130012）

摘要：本文分析了包括接触式引伸计和非接触式引伸计在内的常见变形测量装置的原理，在分别总结了其优点和缺点的基础上，提出了两种基于激光设备与图像处理技术的改进方案。这两种测量方法克服了部分传统引伸计存在的问题，具有良好的应用前景。

关键词：变形测量；引伸计；CCD；激光

中图分类号：TH871文献标识码：B doi：

10.3969/j.issn.1674-3407.2010.09

Principle and Improvement of Extensometer

Li Yankai1，Wei Minyang2，Zhang Yunhui1，

PanQian3

(1. Institute of Mechanical Science and

Engineering，Jilin University，Changchun 130025，Jilin，China; 2. Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.，Ltd. Changchun 130012，Jilin，China; 3. Chuanggao Mechanical & Electrical Equipment Co.,Changchun 130012

Jilin，china)

Abstract: This paper analyzes the principle

and features of common extensometer measurements，including contact extensometers and non-contact video extensometers. They also have advantages and disadvantages，in such circumstances，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 prospect.

Keywords:Deformation measurement ; extensometer ;Charge-coupled Device ; laser

1 引言

变形测量是材料物理特性检测中最基本的测量环节之一，引伸计是用于测量试件标距间轴向及径向变形的基本装置。因此引伸计的精确度、稳定性、通用性及可靠性对于材料物理特性的判断至关重要。试验机行业是引伸计较常见的应用领域，图1所示为电子引伸计在万能试验机棒材拉伸试验中的应用。该领域所应用的引伸计需要适应各种试验条件及要求，诸如量程变化范围大，标距不统一，非常温下进行试验等。常见的引伸计可分为接触式与非接触式两类，它们各自存在不同的优点和缺点，不能完全适应所有的试验要求和使用环境。近年来随着激光测试技术和图像处理手段的成熟，基于这两方面技术的测试仪器以其独有的优点获得了人们的青睐。

针对上述情况，本文总结了已经出现的各类引伸计的特点，分析了其变形测量的原理。在现有技术基础上，提出了两种激光引伸计的设计方案，说明了其工作过程，同时对其优点及存在的问题进行了探讨。

被测试件，被测试件上的标记成像到CCD 上。当试件变形时上下标记相对位置发生变化，CCD 的成像也相应发生变化，通过图像采集卡将将不同时刻采集到数字图像存储到计算机中，利用图像处理技术对比前后图像中标记的位置变化便可计算出试件的变形大小。

图4 视频引伸计

3.2 测量系统的关键技术

CCD 器件是一种电荷耦合器件，电信号与光强度成比例输出，其体积小、重量轻、功耗低、精度高，广泛应用于非接触测量领域。视频引伸计采用数字图像处理技术实时检测试样的变形量，其突出优点是可以通过不同的算法来提高测量精度。

图5 测量模块

图像处理模块是整个测量系统的关键，这个模块通过一种算法将试件的变形量精确地检测出来。图像预处理的主要任务是除去原图像中的噪声，突出有用信号，消除干扰信号，得到质量较高的图像。预处理包括平滑处理、数据滤波、图像变换，图像增强等技术。CCD 得到的图像是像素点灰度值不同的数字图像，图像中的有效信号，不同的灰度值变化以边缘的形式表现出来，边缘检测的目的就是把这些边缘提取出来达到检测的目的，采用微分算子法、或者亚像素算法可以精确地检测出图像边缘。边缘检测得到标记的位置图像后通过图像匹配技

术将前后拍摄到的图像在空间上进行对准，确定出标记相对位移大小，从而计算出试件变形的实际大小。[1] 3.3 特点分析

视频引伸计作为非接触式引伸计的典型代表，相对于接触式引伸计有很多优点：(1) 量程和标距不再受到严格限制；(2) 消除了试样与引伸计连接相对滑动而造成的测量误差；(3) 避免了摘除引伸计带来的麻烦；(4)可测量有透明介质的环境箱中试样的变形。但在部分环境下不适合使用视频引伸计。一方面CCD 采集到的图像要经过基于亚像素级的算法处理，故外界光源产生的噪声对图像处理有很大影响。另一方面，在大标距变形测量中，受到CCD 摄像机有效距离和范围的影响，难以使用这类视频引伸计。

2 引伸计测量原理的改进

激光测量作为目前检测技术的发展方向之一，其优势是传统测量方法不可比拟的。下文简述两种激光引伸计改进方案。

4.1 基于激光三角法的引伸计改进方案

激光三角法是接触光学测量的重要形式，目前

已经在物体表面纹理测量，工件车削过程尺寸的在线检测等领域得到应用。

激光三角法的基本原理如下：激光光源发出的

一束激光照射在待测物体表面上，激光经过反射照射到感光元件上成像。当物体相对位置发生改变时, 其在感光元件上成像也发生改变。[2]通过像移和实际物体位移之间的固定关系,真实物体位置变化便可得到。激光三角法原理如图6所示。

试件变形

数字图

图像预处

CCD 器件

相关算法

变形大小