基于图像相关的钢绞线最大力伸长率测试装置研究

1 引 言

    钢绞线是钢厂用优质碳素结构钢经过冷加工成丝、再经回火和多根丝绞捻等加工而成, 具有塑性好、强度高和铺设方便等优点, 目前在桥梁、高层楼房、大型厂房等建筑物中广泛使用。由于因为钢绞线在断裂前已经散开或者部分断裂, 因此 GB/T5224—2003[1]规定以最大力伸长率作为钢绞线的一项重要性能指标, 如何精确测量该指标是长期以来一直在探索的问题[2-3]。传统力学性能自动测定仪器是利用安装在试样上的引伸计和安装在试验机工作台上的位移计来绘制拉伸曲线( 试样屈服以前利用引伸计采样, 屈服之后利用位移计工作) 。其缺点是引伸计必须在试样断裂之前取下以免损坏, 由安装在试验机工作台上的位移计顶替引伸计进行检测工作, 其所测得的实际上是试验机工作台之间的相对位移, 它包含试样的延伸和试样与夹具之间的相对滑动, 还包含夹具与横梁间的滑移及夹具与横梁的变形, 用此值来表达试样的延伸量显然要大于真实值, 往往容易得出错误的结论。针对上述弊端, 近年来产生了一些改进装置[2-3], 主要特点是将细丝按所定标距固定在被测钢绞线上, 当钢绞线拉伸时, 细丝随钢绞线的伸长而同时伸长, 这样将钢绞线的伸长量的测量转化为对细丝伸长量的测量。这些方法从一定程度上解决了钢绞线的测量问题, 但同时对卡具的要求相应较高。目前还没有一个完全精确的实验能够测量出钢绞线在最大力下的变形和伸长率等。

    为解决上述钢绞线测量过程中的不足, 本文设计了一种测量钢绞线伸长量的新方法- 图像分析法, 图像分析法是电测量- 图像实时同步采集和图像序列变形分析两者相结合的方法。图像采集系统是电测量系统的有效补充, 它具有和电测系统相似的实时优势, 同时图像分析法因其测试分析过程的非接触特性, 可克服目前钢绞线测量中的弊端, 弥补了前者只能识别电信号的不足, 把视觉影像和物理量的变化实时结合, 形成完整的实时采集系统。运用图像分析法可以一直工作到试样断裂, 并可对测量结果进行计算机自动分析, 直接准确测定最大力总伸长率。克服了以往引伸计标距过小、容易损坏、误差大等问题。对比实验表明, 该方法实现了钢绞线最大力伸长量的测量, 提高了测量的精度和可靠性。

2 实验原理

2.1 实验装置

    实验装置如图 1 所示, 硬件由液压式万能试验机、力传感器、钢绞线专用夹具、CCD 及图像卡组成; 专用测试软件系统采用 LabVIEW 软件实现。

2.2 电测量- 图像同步采集的实现方法

    本装置测力系统是由力传感器直接检测被测对象的受力, 由数据采集卡存入计算机。变形测量系统采用 CCD 图像采集和序列图像变形分析软件。本测量系统的关键是电测量- 图像同步采集, 其实现采用了美国 NI 公司的 PXI 数据采集系统, 流程图见图 2。PXI 机箱的背板上集成了触发总线, 含有各种测试模块, 如数据采集, 图像采集等。使用一个外触发信号( 如时间控制) , 由 LabVIEW 程序编程控制[3],同时触发电测量数据采集系统和图像采集系统, 实现同步测试。