專利名稱：基于激光標記自動跟蹤的材料變形測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料變形測量方法及裝置，尤其是涉及一種基于激光標記自動跟蹤的材料變形測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
材料變形測量是表征材料性能的基礎(chǔ)。在材料力學(xué)性能測試研究及應(yīng)用領(lǐng)域，材料試樣受力發(fā)生變形，其變形量是材料性能測試的重要研究內(nèi)容之一，通過對材料變形過程的精確測量，可以獲得材料的彈性模量、屈服點延伸強度、斷后伸長率和斷裂總伸長率等技術(shù)參數(shù)，以保證材料的正確使用。目前，國內(nèi)外材料變形測量的方法主要有接觸式測量方法和非接觸式測量方法。 接觸式測量方法以應(yīng)變片式和電感式的引伸計為典型代表，其存在的不足之處是在材料的拉伸變形測量過程中，引伸計刀口與試樣之間的摩擦將引入測量誤差，而且在測量中由于試驗機上、下夾頭之間一般存在同軸度誤差，使試樣處于偏心拉伸狀態(tài)產(chǎn)生反走現(xiàn)象，引入測量誤差，故該測量方法的測量精度一般小于0. 05% ；另外，在試樣將要發(fā)生斷裂前，為避免引伸計刀口損壞，需將引伸計刀口與試樣卸開，因此，無法實現(xiàn)對材料拉伸全過程的測量。非接觸式測量方法以視頻引伸計為主，在試樣兩端做顯著標記線，由CCD實時拍攝試樣變形圖像，根據(jù)CCD成像幾何關(guān)系，準確推算出試樣標記線間的實際變形量，該方法的形變測量精度可達0. 03%。但是，在試樣被拉伸時，由于試樣上的標記線也會隨之產(chǎn)生形變，這將導(dǎo)致圖像處理算法無法對標記線進行精準定位，而且對于機器視覺測量系統(tǒng)來說，一般物距是焦距的幾百或上千倍，這時CXD內(nèi)外參數(shù)或圖像上目標像點位置的任何一點微小誤差在測量結(jié)果中都可能被放大千百倍，因此限制了測量精度的提高。

發(fā)明內(nèi)容
針對材料力學(xué)性能測試等技術(shù)領(lǐng)域需要高精度的材料形變測量，本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光標記自動跟蹤的材料變形測量方法及裝置，通過激光標記自動跟蹤試樣標記線完成對材料變形的精確測量，是一種非接觸式的材料變形測量方法及裝置，解決了材料變形測量時試樣標記線發(fā)生形變導(dǎo)致測量精度降低的技術(shù)問題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一、一種基于激光標記自動跟蹤材料變形測量方法
激光器輸出的激光標記光束經(jīng)五角棱鏡反射后照射到試樣標記線上，開始拉伸變形測量前，先需對激光標記掃描范圍進行標定；試樣在試驗機載荷的作用下進行拉伸變形運動， 由伺服電機驅(qū)動五角棱鏡轉(zhuǎn)動使激光標記實時自動跟蹤試樣標記線，CCD實時獲得激光標記和試樣變形的圖像，經(jīng)過計算機圖像處理算法求出試樣在拉伸全程中的變形量。二、一種基于激光標記自動跟蹤材料變形測量裝置
激光器的激光光束經(jīng)分劃板后形成的激光標記，經(jīng)五角棱鏡反射到試樣的試樣標記線上，使激光標記與試樣標記線重合；電機控制器的一端控制伺服電機驅(qū)動五角棱鏡轉(zhuǎn)動，電機控制器的另一端經(jīng)計算機、圖像采集卡與CCD連接，CCD實時采集激光標記和試樣標記線的圖像，經(jīng)圖象采集卡輸入計算機，獲得試樣的變形量。本發(fā)明具有的有益效果是
(1)激光標記自動跟蹤式的非接觸式測量方法利用CCD對材料在載荷作用下變形全過程進行實時圖像獲取，能夠克服接觸式引伸計刀口容易損壞問題和無法對材料拉伸的全程進行測量的缺陷，并克服測量中處于偏心拉伸狀態(tài)下產(chǎn)生的反走現(xiàn)象。(2)激光標記在試樣拉伸變形中具有不變性，從而在試樣形變?nèi)^程中完成對標記線的實時準確自動跟蹤，因此可抑制試樣變形對單一傳統(tǒng)固定標記線形變的影響，具有較強抗干擾能力，因此，測量精度高，在標準量程范圍內(nèi)變形相對測量精度達到0. 02%以上。(3)結(jié)構(gòu)簡單，低成本，且易于實用化。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是不同形式的激光標記圖案。圖中1、激光器，2、分劃板；3、五角棱鏡，4、伺服電機，5、電機控制器，6、計算機， 7、圖像采集卡，8、CXD，9、試樣，10、試樣標記線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。本發(fā)明的激光器1的激光光束經(jīng)分劃板2后形成的激光標記，經(jīng)五角棱鏡3反射到試樣9的試樣標記線10上，使激光標記與試樣標記線10重合；電機控制器5的一端控制伺服電機4驅(qū)動五角棱鏡3轉(zhuǎn)動，電機控制器5的另一端經(jīng)計算機6、圖像采集卡7與CCD8 連接，(XD8實時采集激光標記和試樣標記線10的圖像，經(jīng)圖象采集卡7輸入計算機6，獲得試樣的變形量?；诩す鈽擞涀詣痈櫟牟牧献冃螠y量方法及裝置，如圖1所示，激光器1采用半導(dǎo)體激光器，波長為650nm，分劃板2 (A3鋼材質(zhì))經(jīng)線切割制作成如圖2所示的標記圖案。本發(fā)明具體測量實施過程為
(1)激光器1輸出的激光光束經(jīng)分劃板2形成圖2所示的標記圖案中的一種，更換分劃板2可以形成不同的激光標記光束；
(2)激光標記光束經(jīng)五角棱鏡3(棱鏡間兩個鏡面夾角為108°，五個反射面鍍加強鋁反射膜且可被其它多面體棱鏡替換)反射后照射到試樣標記線10上，開始拉伸變形測量前，標準尺置于附圖1中試樣9的位置，用其對激光標記光束的掃描范圍進行標定，例如掃描試樣標距50mm、IOOmm等，以確定圖像像素點代表的實際距離；
(3)標定完成后，將試樣9固定于拉伸試驗機上，開始測量前，先使激光標記與試樣標記線
完全重合，記錄試樣標記線間標距為A5 ；
(4)開始測量時，試樣9在試驗機載荷巧$=1,2,..功作用下被拉伸，由電機控制器5控制伺服電機4轉(zhuǎn)動五角棱鏡3，使激光標記光束自動跟蹤試樣標記線10 ；(5)試樣拉伸過程中，由CXD8實時拍照獲得激光標記光束和試樣標記線的圖像，圖像采集卡7將CXD 8獲得的數(shù)字圖像傳送給計算機6 ；
(6)采用圖像預(yù)處理算法先對圖像進行去噪，利用圖像分割算法對背景與試樣進行圖像分割，去除試驗機和環(huán)境等干擾，得到比較單一的試樣圖像，利用自標定方法對CCD進行空間坐標標定，然后利用圖像識別算法找到兩激光標記的中點位置，根據(jù)兩中點位置， 計算試樣上激光標記間的拉伸距離= IA..，從而可得到試樣標記線間的變化量 ALi = Lj-L0 (i =1,2,^.. )；
(7)以FJSi(i=ix_..n)為試驗機載荷拉力，Si為試樣的原始截面積)為橫坐
標、Δ4 ￠=1,2,”.《)為縱坐標，繪制試樣在斷裂前后的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，即可得出被測材料
在拉伸全程中的試驗機載荷與試樣標記線間距離變化量的函數(shù)關(guān)系-Ο，
i = l, 2, ...，η。 至此完成本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種基于激光標記自動跟蹤材料變形測量方法，其特征在于激光器輸出的激光標記光束經(jīng)五角棱鏡反射后照射到試樣標記線上，開始拉伸變形測量前，先需對激光標記掃描范圍進行標定；試樣在試驗機載荷的作用下進行拉伸變形運動，由伺服電機驅(qū)動五角棱鏡轉(zhuǎn)動使激光標記實時自動跟蹤試樣標記線，CCD實時獲得激光標記和試樣變形的圖像，經(jīng)過計算機圖像處理算法求出試樣在拉伸全程中的變形量。
2.一種基于激光標記自動跟蹤材料變形測量裝置，其特征在于激光器(1)的激光光束經(jīng)分劃板( 后形成的激光標記，經(jīng)五角棱鏡(3)反射到試樣(9)的試樣標記線(10) 上，使激光標記與試樣標記線(10)重合；電機控制器(5)的一端控制伺服電機(4)驅(qū)動五角棱鏡C3)轉(zhuǎn)動，電機控制器(5)的另一端經(jīng)計算機(6)、圖像采集卡(7)與CCD(S)連接， CXD(S)實時采集激光標記和試樣標記線(10)的圖像，經(jīng)圖象采集卡(7)輸入計算機(6)， 獲得試樣的變形量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光標記自動跟蹤的材料變形測量方法及裝置。激光器輸出的激光經(jīng)分劃板后形成不同圖案的激光標記，射向五角棱鏡，經(jīng)五角棱鏡反射后照射到被測材料(即試樣)的標記線上，采用伺服電機和電機控制器驅(qū)動五角棱鏡轉(zhuǎn)動，使激光標記自動跟蹤材料變形過程中試樣標記線的變化，由CCD實時采集激光標記和試樣標記線的圖像輸入計算機，經(jīng)數(shù)字圖象處理后，獲得試樣的變形量。本發(fā)明具有較強的抗干擾能力，材料變形量測量精度可達到0.02%以上，成本低，易于實用化。
文檔編號G01B11/16GK102261894SQ201110197130
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者嚴利平, 孫政榮, 楊濤, 田秋紅, 陳本永 申請人:浙江理工大學(xué)