利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法

1、第卷第期光电工程 Vol.29,No.4 年月 Opto-Electronic Engineering Aug，2002 文章编号：1003-501X（2002）04-0020-04利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法王庆有,于涓汇,郭 青,张盛彬（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津；光电信息技术科学教育部重点实验室，天津）摘 要：用线阵作为光电传感器非接触测量材料拉伸过程中的变形量，不但比常规的引伸计测量的方法更客观，而且可以测量材料拉伸变形到断裂的全过程。该方法能在X和Y两个方向上同时测量材料变形量，可以获得材料在实验的全过程中两个方向的应力应变关系曲线。采用拼接技术，测量精度可达

2、到µm，测量范围80mm。关键词：非接触测量；线阵；应力测量；变形测量中图分类号：TG806文献标识码：AA method for measuring material deformationwith linear CCD detectorsWANG Qing-you, YU Juan-hui,GUO Qing, ZHANG Sheng-bin(1 . College of Precision Instruments and Optoelectronic Engineering,Tianjin University, Tianjin 300072, China；2. Key Labo

3、ratory of Optoelectronic Information Technical Science, EMC, Tianjin 300072, China)Abstract: Measurement of the deformation quantity of a material during stretching process by using linear CCD detectors in non-contact mode, not only is more objective than the common extensometer measurement method,

4、but also can measure the whole process from stretching deformation to breaking .The deformation quantity of a material can be simultaneously measured at both direction of X and Y and the stressstrain curves of the both direction during the whole experimental process of a material can be obtained. Wi

5、th CCD splicing technique, the measuring accuracy can be reached 1µm and measuring range 80mm.Key words: Non-contact measurement；Liner CCD；Stress measurement；Deformation measurement 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，

6、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。年月 王庆有等：利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法21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

7、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。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

8、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。 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位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

9、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，在方向上的两个标记中心差为方向上的变形量，同理也可获得方向上的变形量，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。The observeThe reserve图试件示意图Fig.2 Sketch for sample图应变测量系统方框图Fig.3 Block diagram of the strain measuring system二值化数据采集应力应变测量的二值化数据采集系统在方向与方向上的测量原理相同，本文以方向为例来说明其测量原理。图为二值化数据采集系统的波形图。图中为线阵的转移脉冲；为行同步脉

10、冲，22 光电工程 第卷第期 它的上升沿恰与线阵CCD输出的第一个有效像素单元信号同步；U0为线阵输出的视频信号，U0经过二值化处理电路进行处理后，输出U1方波脉冲信号。U1信号的上升沿与下降沿分别为线阵CCD像敏面上标距像的两个边沿，即N11与N13为像的黑白边沿，而N12与N14为像的白黑边沿。利用二值化数据采集电路将N11,N12,N13和N14采集并存入计算机，在计算软件的支持下计算出X方向上两个标距间的中心距L为(N+N13N11N12)L0142式中L0为线阵像敏单元的尺寸，为光学系统的横向放大倍率。而拉力传感器感受拉力的变化，经过位数据采集卡采集量化送入计算机内存中，再经过计算机

11、软件处理得到如图所示的材料应力应变曲线。测量范围与测量精度本应力应变测量系统采用TCD1500C线阵CCD为光电传感器，它具有5340个像敏单元，像敏单元的尺寸为7µm×7µm ，像元中心距亦为7µm 。因此，本测量系统在不考虑细分的情况下，其绝对测量精度为（7/）µm，考虑到测量精度的要求，采用了二细分，测量系统的分辨力可达到（7/2）µm，测量范围可以达到(37.38/)mm，其中为光学系统的横向放大倍率，本测量系统的横行放大倍率为0.35，其分辨力可达到10µm，测量范围超过100mm。在测量的过程中测量的精度也会受到

12、一些因素的影响，如：2.1 光照强度变化对测量精度的影响当光照强度发生变化时，CCD输出的信号U0的幅度将发生上下浮动，固定阈值二值化处理电路的输出脉冲U1的宽度将发生变化。当光照增强时，输出脉冲U1的宽度将变宽，但只要CCD不工作在饱和状态，U1的变宽不会影响中心位置的测量。但是，如果CCD处于饱和工作状态，饱和的溢出具有方向性，会使中心位置的测量产生偏移。2.2 光学系统畸变的影响在测量前，我们在黑色橡胶上做出白色的标记。测量开始时，标记通过光学系统的中心成像，随着被测物件的不断拉伸，白色标记越来越远离视场中心。若光学成像系统存在畸变，它在不同视场有着不同的放大倍率，随着视场的变化放大倍率

13、也在变化，这必将影响拉伸测量的精度。解决的方法可以通过现场多次标定动态确定光学系统的值来修整测量结果，或者采用畸变尽可能小的光学成像系统。现场测试结果年月日在哈尔滨工业大学复合材料研究所的材料实验机上对其黑色橡胶材料进行了实验测年月 王庆有等：利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法 23试，测试结果报告如下：试验材料：黑橡胶；试样数量：；试样尺寸：×；试样几何形状：十字型；加载速率：纵向速率：；横向速率：。在横向拉力、纵向拉力的共同作用下材料在两个方向上均产生拉伸变形，其变形量分别由两方向的测量系统采集到计算机，并得到如图5所示的材料拉力变形的关系曲线。从材料的拉力变形曲线可以看出

14、当水平拉力大于或等于时材料将发生断裂, 材料一旦断裂,拉力立即减小（拉力由变为），变形量增大到mm，同时垂直方向的拉力大于也发生断裂,拉力由变为。结束语用线阵CCD为光电传感器对材料拉伸变形量进行非接触测量是现代材料试验机所必需的测量方法。它必将取代现有的刀口式电阻应变器的引伸计而被广泛地应用于材料试验机。然而，CCD光电传感器所构成的变形测量仪的测量范围与测量精度的矛盾是这项技术的关键。在要求高精度和大范围的情况下应采用CCD的拼接技术，此时的测量精度可达到1µm，测量范围可达到80 mm。参考文献：1 王庆有. CCD应用技术M. 天津 : 天津大学出版社，2000.2 龚予吉,

15、杨守忠. 高精度动态测径仪设计中的关键问题J. 光电工程, 1990, 17(3): 44 47.3 王庆有. 轨道振动的非接触测量J. 光学技术, 1998, (6): 69 70.ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg（上接第页）结束语低对比度条件下小目标的检测与跟踪历来被认为是一个十分复杂的问题。在低信噪比的情况下，要保证可靠、稳定地检测并跟踪目标是很困难的。USAN原则作为性能优良的特征点提取方法，能够实现快速单帧检测，较好地解决了低对比度小目标的检测问题。在此基础上，深入分析目标的特征参数及目标运动特性，提出了有效的跟踪算法，保证了

16、实际跟踪的稳定性和实时性。参考文献：1 孙即祥. 数字图像处理M. 石家庄:河北教育出版社，1993.2 杨卫平，沈振康. 红外图像序列小目标检测预处理技术J. 红外与激光工程，1998，27（1）：2328.3 SMITH S M , BRADY J M. SUSAN-A New Approach to Low Level Image Processing: Internal Technical ReportTR95SMS1cR. Farnborough,Hampshire, UK: Defence Research Agency,1995.4 SMITH S M. Edge Thinning Used in the SUSAN Edge Detector: Internal Technical Reports TR95SMS5R.Farnborough,Hampshire, UK: Defence Research Agency,1995.5 杨皞昀，张桂林. 利用SUSAN算子的特征复合相关跟