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    引伸计的应用现状及发展趋势

    时间:2019-07-29    作者:仪多多网     

      引伸计是用来测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器,通常由传感器、放大器和记录器3部分组成。

      传感器直接和被测构件接触,构件上被测两点之间的距离l为标距,标距的变化Δl(伸长或缩短)为线变形。构件变形,传感器随着变形,并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息,放大器将传感器输出的微小信号放大,记录器(或读数器)将放大后的信号直接显示或自动记录下来。

      引伸计的种类很多,依据测量内容和工作原理的不同,可以划分成各种各样的引伸计。依据测量原理的不同,引伸计大致可分为机械式引伸计、电子引伸计、视频引伸计、激光引伸计、全自动引伸计等。

    机械式引伸计

     

      机械式引伸计主要以球铰式引伸计为主,被广泛地使用。球铰式引伸计是胡国华于1977年设计发明的,由于其结构简单,操作方便,至今仍然被广泛应用于拉伸性能试验中。

      球铰式引伸计通过4个顶尖螺钉安装在试样上,上标距叉和下标距叉处都是前、后各一个顶尖螺钉,如图1所示。 

    图1 球铰式引伸计的工作原理示意图

      当试样标距l伸长Δl时,上标距叉可看成不发生转动,而下标距叉以球铰为中心转动一微小角度,在千分表上就可反映出试样的伸长量。由于千分表轴线至球铰心的距离是试样轴线至球铰心距离的两倍,所以试样的伸长量为Δl时千分表的读数是2Δl。

    电子引伸计

     

      近年来伴随计算机时代的快速发展,出现了另外一种新型引伸计———电子引伸计。电子引伸计包括:电阻式引伸计、电容式引伸计、电感式引伸计等。

      电子引伸计将应变信号采集到计算机里,使其同材料应力同步显示,相比机械引伸计,其降低了人为读数误差,提高了测量准确度。由于电子引伸计具有价格实惠、便于安装等优势,且易与电子万能试验机、电子传感器等配合联机使用,电子引伸计被国内外的相关行业广泛地使用。

     

    01电阻式引伸计

      电阻式引伸计是一种电阻应变式传感器,应用最为广泛。电阻应变式引伸计的测量原理主要是依据黏贴在引伸计弹性元件上的应变片电阻产生变化,通过变换电路转化成电压信号,经过计算机采集与应力同步显示来测量应变,电阻应变式引伸计安装示意图如图2所示。 

    图2 电阻应变式引伸计安装图

    02电容式引伸计

      电容式引伸计是将物体长度的变化转换为电容的变化,再将测得的电容变化量换算成物体的应变。由于其在高频时基本上没有滞后现象,故可用于动态载荷的测试,如冲击力的测试等,电容式引伸计如图3所示。 

    图3 电容式引伸计示意图

    03电感式引伸计

      电感式引伸计的原理主要是构件变形使铁心运动,使得线圈电感发生变化,因此在输出线圈中产生了电压,放大并测出这个电压,即可换算出构件的位移及运动的规律。

      电感式引伸计如图4所示,其不如电阻式引伸计轻便,但由于其在长时间测试时具有较好的稳定性,故适用于常设的测量装置。电阻应变式引伸计,是目前应用最多的引伸计。常见的电阻应变式引伸计有单侧电子引伸计、平均值引伸计、双侧电子引伸计等。

     

    图4 电感式引伸计示意图

    04测量误差

      电子引伸计的测量误差对拉伸试验结果会有影响,不同的影响因素,产生不同的应变测量误差,测量结果直接影响到规定非(总)比例延伸强度的测试准确度。

    视频引伸计

     

      视频引伸计是利用亚像素法原理测量试样变形的,核心是图像传感器(Charge-coupled Device,CCD)感光元件,将光强度按一定比例转换成电信号输出。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。

     

    01测量原理

      视频引伸计测量系统主要由光源部分、CCD摄像头、图像采集器、图像处理、计算机和检测软件等组成。测试试样在无影光源照射下,首先经过CCD感光摄像,由图像采集器提取试样宏观变形,再经图像处理对比和计算变形量,输出应变信号给计算机,此时从力传感器上同步传输应力信号给计算机,由计算机将应变信号和应力信号合成输出应力-应变曲线。

      视频引伸计的测量原理如图5所示。 

    图5 视频引伸计测量原理示意图

      CCD成像技术检测拉伸变形量时,刻画在拉伸材料上的标志线的位移测量精度直接影响到拉伸变形量的计算,利用CCD接收标志线图像时,由于CCD光敏元的感光程度有所差异以及标志线本身的离散性,导致CCD在标志线信号的基础上产生抖动性起伏,出现毛刺或异常点,产生随机噪声,从而影响插值的效果。同时,通过小波变换对输出信号进行去噪处理,起到了滤除高频噪声、平滑输出曲线的效果。同时,采用最小二乘法进行曲线拟合,使位移精度达到了CCD光敏元尺寸的1/10。

    02发展情况


      德国Zwick、美国Instron、日本Shimadzu和英国Imetrum公司先后开发了系列视频引伸计产品,在技术上都达到了比较高的水平。其中,德国Zwick公司和美国Instron公司走在了最前列,在中国市场的占有率比较高,而且产品结构合理,操作简便,功能齐全,外观质量高。而国内视频引伸计生产厂家尚处于起步阶段,技术指标少,科技含量较低。近几年,随着高新技术的不断出现,国内对材料应变检测的要求也越来越高。目前,市场上的视频引伸计均采用CCD作为光电传感器,对材料拉伸变形量进行非接触测量,并且采用大量的图像处理算法对采集得到的图像进行处理,以得到满意的力-变形曲线。

    03优缺点


      与传统的机械接触式引伸计相比,视频引伸计有应用范围广泛、无易磨损部件、可任意设定标距和测量范围等诸多优点,但是由于视频引伸计测量原理与构成元素的复杂性,在数据获取、外部震动、光的震动、试样在线变化、数据提取、数据处理等各方面都有可能引入测量误差。所以测量精度和稳定性都需要进一步提高和完善。

    04如何减小误差

      减少应变测量误差,提高拉伸性能测试的准确性,可通过提高硬件设备的性能,即使用变焦放大镜头、准确度更高的CCD和更可靠的光源来实现;还可以运用精度更高的匹配、检测算法,实现硬件和软件算法最优匹配等措施来降低测量误差。

    激光引伸计

    测量原理

      当一束激光照射到光感粗糙表面时,会往不同的方向发散光线,这些光线发生漫反射,其中一部分光线返回到激光接收器,另一部分散射之后不返回激光接收器,这样就形成了颗粒状的散斑图。在给试样施加载荷的过程中,试样的表面结构会慢慢发生变形,与此同时,照射到试样表面形成的激光散斑也会慢慢发生变形。此时,视频处理器会接收到连续变化的图像,而且视频处理器会定位所存储的散斑图案并计算出散斑图案在图像之间移动的位移,从而达到测量移动距离的目的。

      在图像之间实时迭代地应用这个过程,可以测量两个分离的激光图像之间的距离,从而测量出实时应变,应变计算公式为

      ε=(σΣd1 - Σd2)/l0 (1)

      式中:Σd1为次激光摄像头移动的位移之和;Σd2为主激光摄像头移动的位移之和;l0为两个散斑图案之间的初始距离。

      国内激光引伸计技术尚未得到很好的发展,部分技术还需要进行深入的研究和发展。


    类条形码引伸计

    01组成

      某新型的类条形码引伸计系统组成如图6所示,包括扫描器、译码器、应力采集装置、计算机和能够贴附于试样的类条形码。 

    图6 类条形码引伸计系统工作原理示意图

    02扫描器

      扫描器的扫描端口与类条形码相配合,扫描器通过所述译码器与计算机连接,应力采集装置与试样相配合,应力采集装置也连接到计算机上。

      扫描器包括光电转换器、放大器和整形电路,光电转换器设置在所述扫描器的扫描端口上,光电转换器与所述类条形码相配合,光电转换器通过所述放大器连接到整形电路,整形电路连接到译码器上。

    03类条形码

      类条形码为条形码或条码或二维码,类条形码的结构组成如图7所示,包括依次贴合在一起的外保护层、类条形码层、胶层和不黏胶层,类条形码层为聚氯乙烯(PolyVinylChloride,PVC)类条形码层。

     

    图7 类条形码的结构示意图

      类条形码中包含引伸计标距、量程、生产单位和型号规格等信息。

    04测试流程

      首先将类条形码和所述应力采集装置设置于试样的测量位置上,光电转换器扫描类条形码上反射的光线并转化为电信号,电信号经放大器放大后又经整形电路转化为数字信号,数字信号传输给译码器。译码器将数字信号编译成实时应变量,并传输给计算机。计算机同时采集应力采集装置上传的实时应力信息。计算机将实时应变量和应力信息进行数据处理,即可获得完整的试样力学性能试验全过程的应力-应变曲线。

    05优点

      ● 解决了常规接触式引伸计在试验过程打滑的现象,提高了测量效率和测量精度;

      ● 不受量程或标距限制,无需间断试验,中途摘取引伸计;

      ● 可同时测量拉伸或者压缩试验弹性、屈服、断裂等全过程的应力-应变行为,能更好地了解材料弹塑性变形行为和断裂行为。

    06测试标准

      GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》相对于2002版来说,对拉伸试样、拉伸试验机、拉伸强度等指标测试提出了新的技术条款,对引伸计标距长度提出了更高要求。

    07发展前景

      目前引伸计正朝着微机化、自动化、多功能化的方向发展,随着用户对测试仪器的要求越来越高,新一代具有网络功能的全自动引伸计的应用前景会更广阔。


    结束语

      应用广泛的机械式引伸计和电阻式电子引伸计,由于其量程与标距可调性差,不能满足通用性的要求;同时试样断裂前需要摘除引伸计,无法应用于大应变试样试验,不能直接测量试样后屈服阶段、颈缩阶段以及断裂阶段的弹塑性应力、应变行为;此外此类接触式引伸计都采用刀口接触式固定,引伸计与被测试样连接不牢固,存在滑脱现象,直接影响测量结果和测量准确度。

      视频引伸计,受CCD光敏元尺寸限制,安装和操作过程对操作人员水平要求高,适用于研究性试验,无法在大批量工业生产中普及。

      激光引伸计,受安装精度、人员要求、自身成本等限制,目前尚处于试验开发阶段,不能应用于大量工业测试中。

      类条形码引伸计还处于理论研究阶段,尚未真正开发,距离工业应用阶段距离甚远。

      综上所述,大量程、高灵敏度的全自动电子式引伸计急需开发和应用。



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