视频引伸计测量技术初探

　　1　引　言

　　材料的物理性能试验是材料科学技术发展的基本条件,应变是材料物理试验中一个重要的基本参数。目前,多采用机械接触式的刀口引伸计来测量材料在拉伸过程中的变形量,这种引伸计适用于金属、刚性塑料等材料。在材料的拉伸变形过程中,由于刀口与被测件之间的摩擦会产生相对运动(打滑)而影响测量结果[1]。另外,在测量金属材料时,因为刀口的磨损也会影响测量精度,特别是当材料断裂时所产生的震动和冲击会使刀口受到严重损害,所以用接触式引伸计测量材料拉伸变形量时,必须在材料断裂之前将引伸计卸下来,故无法对材料拉伸的全程进行测量,这些缺点使其在很多领域和场合的使用受到限制。

　　光电器件和光电测量技术的发展以及图像处理技术的不断完善,为非接触视频引伸计的研究奠了坚实的基础。视频引伸计有诸多接触式引伸计无可比拟的优势,如非接触式应变测量,因此对断裂点无影响;可任意设定原始标距和测量范围;可自动判断试样颈部位置,检测横截面变化;几乎适用于测量所有材料,范围十分广泛;无易磨损部件。目前国内外多家公司和研究机构对视频引伸计的研究已取得了一定成果。本文讨论了视频引伸计的结构、工作原理、测量系统的关键技术,并分析了视频引伸计存在的缺点和发展趋势。

　　2　视频引伸计的工作原理

　　视频引伸计的原理与机械式引伸计完全不同,机械式引伸计需要与试样直接接触,这样才能真实测量材料的应变,引伸计的输出是由一个机械的变形所产生的电信号[2];视频引伸计是利用亚像素法原理测量试样变形的,它的核心是CCD元件,电信号与光强度成比例输出。因此,可以用非接触方式同时测量纵向和横向两个方向的变形量,其测量范围由镜头焦距决定,配备不同焦距的镜头,可获得各种测量范围的量程。

　　视频引伸计测量系统主要包括光源部分、定位架、CCD摄像头、图像采集卡、PC机和检测软件等几部分。以板材金属材料标准试件的应变测量为例,首先在试件两端做明显的标记。通过照明系统照亮被测试件,使被测试件的标记成像到CCD上,并且保持摄像机光轴与试件轴线垂直。当试件发生变形时,试件的尺寸及其变化将展现在一个二维像平面内,CCD上的成像也就相应发生变化。假设摄像机使试件成像遵循严格的几何光学关系,试件尺寸的变化将导致试件图像面积的相应改变,并且成线性比例关系。因此测得了图像中试件面积的变化,就可以准确推算出实际试件的尺寸及其变化。将图像数据信号传入计算机,利用计算机进行图像预处理、边缘检测和图像匹配技术等图像处理后即可得到所测的试样变形量[3-4]。系统检测示意图如图1所示。