利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法

　　引 言

　　一般的材料实验机常用接触式的刀口引伸计来测量材料在拉伸过程中的变形量。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，必然产生测量误差，尤其是在测量金属材料时,常因为在测量过程中刀口的磨损而影响测量精度，特别是当材料断裂时所产生的震动和冲击会使刀口报废，因此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，以免损坏刀口引伸计，故无法对材料拉伸的全程进行测量。利用线阵 CCD 测量变形量,其优点在于非接触、无磨损、不引入测量的附加误差、测量精度高、能够测量材料拉伸变形的全过程,特别是能够测量材料在断裂前后的应力应变曲线，从而能够测得材料的各种极限特性参数。

　　1 CCD 非接触测量材料拉伸变形量的原理

　　用线阵 CCD 非接触测量材料拉伸变形量的原理方框图如图1 所示。图中光源发出的均匀光线将标有标距的被测材料照明，被测材料上的标距信号通过成像物镜成像在线阵 CCD 的像敏面上，当材料被拉伸变形时线阵 CCD 像敏面上的标距像也在变化，CCD 将标距像信号转变成电信号并通过处理电路提取出标距像的间距变化量，再根据成像物镜的物像关系，就可以计算出被测物的拉伸量。

　　1.1 信号的提取

　　在拉伸测量系统中，被测材料同时受到 X(横向)和Y(纵向)两个方向的拉力，产生两个方向的变形，因此采用两个拉力传感器分别测量两个方向的拉力，采用两个线阵 CCD 摄像头同时进行两个方向上的变形量的测量。首先在被测材料的两侧分别画出X 方向和 Y 方向的双条标距标记，如图 2 所示。由于所测的材料

　　为黑色橡胶，故采用白色的平行条作为标距标记，拉伸时这两个白条标记均随着材料的不断变形而被拉开。在被测材料的两侧分别安装两个同步驱动的线阵 CCD 摄像头，它们分别摄取 X 方向和 Y 方向白色标距信号，并将其输出的载有白色标距宽度信息的视频信号送入具有细分功能的二值化数据采集卡，二值化数据采集卡将所采集的两白条间距的宽度数据送入计算机内存，从而获得材料在两个方向上的拉伸变形量。

　　1.2 材料拉力-变形量的测量

　　材料拉力-变形量的测量原理如图3 所示。材料拉伸试验过程中，被测材料在 X,Y 两个方向上均加载荷，产生变形。载荷量以压力传感器输出的电压量通过 12 位 A/D 数据采集卡送入计算机，而变形量的测量是将被测材料上的标距信号通过成像物镜成像在线阵CCD 的像敏面上从而形成如图4 所示的输出信号U0(U0信号的中心距即为标距像的间距)，通过处理电路产生标距的边沿数字信号并送入计算机，计算机软件计算出各个标距信号的中心距值，在 X 方向上的两个标记中心差为 X 方向上的变形量，同理也可获得 Y 方向上的变形量，再经计算机软件处理便可以获得被测材料的应力与变形量的关系曲线。