利用線陣CCD非接觸測(cè)量材料變形量的方法

1、第卷第期光電工程 Vol.29,No.4 年月 Opto-Electronic Engineering Aug，2002 文章編號(hào)：1003-501X（2002）04-0020-04利用線陣CCD非接觸測(cè)量材料變形量的方法王慶有,于涓匯,郭 青,張盛彬（天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津；光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津）摘 要：用線陣作為光電傳感器非接觸測(cè)量材料拉伸過(guò)程中的變形量，不但比常規(guī)的引伸計(jì)測(cè)量的方法更客觀，而且可以測(cè)量材料拉伸變形到斷裂的全過(guò)程。該方法能在X和Y兩個(gè)方向上同時(shí)測(cè)量材料變形量，可以獲得材料在實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程中兩個(gè)方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。采用拼接技術(shù)，測(cè)量精度可達(dá)

2、到µm，測(cè)量范圍80mm。關(guān)鍵詞：非接觸測(cè)量；線陣；應(yīng)力測(cè)量；變形測(cè)量中圖分類號(hào)：TG806文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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 引言一般的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)常用接觸式的刀口引伸計(jì)來(lái)測(cè)量材料在拉伸過(guò)程中的變形量。在材料的拉伸變形過(guò)程中，由于刀口與被測(cè)件之間的摩擦?xí)a(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必然產(chǎn)生測(cè)量誤差，尤其是在測(cè)量金屬材料時(shí)，常因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中刀口的磨損而影響測(cè)量精度，

6、特別是當(dāng)材料斷裂時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)和沖擊會(huì)使刀口報(bào)廢，因此用接觸式引伸計(jì)測(cè)量材料拉伸變形量時(shí)必須在材料斷裂之前將引伸計(jì)卸下來(lái)，以免損壞刀口引伸計(jì)，故無(wú)法對(duì)材料拉伸的全程進(jìn)行測(cè)量。利用線陣測(cè)量變形量，其優(yōu)點(diǎn)在于非接觸、無(wú)磨損、不引入測(cè)量的附加誤差、測(cè)量精度高、能夠測(cè)量材料拉伸變形的全過(guò)程，特別是能夠測(cè)量材料在斷裂前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而能夠測(cè)得材料的各種極限特性參數(shù)。年月 王慶有等：利用線陣CCD非接觸測(cè)量材料變形量的方法21非接觸測(cè)量材料拉伸變形量的原理用線陣CCD非接觸測(cè)量材料拉伸變形量的原理方框圖如圖1所示。圖中光源發(fā)出的均勻光線將標(biāo)有標(biāo)距的被測(cè)材料照明，被測(cè)材料上的標(biāo)距信號(hào)通過(guò)成像物鏡成像在

7、線陣CCD的像敏面上，當(dāng)材料被拉伸變形時(shí)線陣CCD像敏面上的標(biāo)距像也在變化，CCD將標(biāo)距像信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)并通過(guò)處理電路提取出標(biāo)距像的間距變化量，再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，就可以計(jì)算出被測(cè)物的拉伸量。信號(hào)的提取在拉伸測(cè)量系統(tǒng)中，被測(cè)材料同時(shí)受到X（橫向）和Y（縱向）兩個(gè)方向的拉力，產(chǎn)生兩個(gè)方向的變形，因此采用兩個(gè)拉力傳感器分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的拉力，采用兩個(gè)線陣CCD攝像頭同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)方向上的變形量的測(cè)量。首先在被測(cè)材料的兩側(cè)分別畫(huà)出X方向和Y方向的雙條標(biāo)距標(biāo)記，如圖2所示。由于所測(cè)的材料為黑色橡膠，故采用白色的平行條作為標(biāo)距標(biāo)記，拉伸時(shí)這兩個(gè)白條標(biāo)記均隨著材料的不斷變形而被拉開(kāi)。在被測(cè)材料的兩側(cè)

8、分別安裝兩個(gè)同步驅(qū)動(dòng)的線陣CCD攝像頭，它們分別攝取X方向和Y方向白色標(biāo)距信號(hào)，并將其輸出的載有白色標(biāo)距寬度信息的視頻信號(hào)送入具有細(xì)分功能的二值化數(shù)據(jù)采集卡，二值化數(shù)據(jù)采集卡將所采集的兩白條間距的寬度數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，從而獲得材料在兩個(gè)方向上的拉伸變形量。 材料拉力變形量的測(cè)量材料拉力變形量的測(cè)量原理如圖3所示。材料拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，被測(cè)材料在X,Y兩個(gè)方向上均加載荷，產(chǎn)生變形。載荷量以壓力傳感器輸出的電壓量通過(guò)位數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，而變形量的測(cè)量是將被測(cè)材料上的標(biāo)距信號(hào)通過(guò)成像物鏡成像在線陣CCD的像敏面上從而形成如圖4所示的輸出信號(hào)U0（U0信號(hào)的中心距即為標(biāo)距像的間距），通過(guò)處理電路產(chǎn)

9、生標(biāo)距的邊沿?cái)?shù)字信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出各個(gè)標(biāo)距信號(hào)的中心距值，在方向上的兩個(gè)標(biāo)記中心差為方向上的變形量，同理也可獲得方向上的變形量，再經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理便可以獲得被測(cè)材料的應(yīng)力與變形量的關(guān)系曲線。The observeThe reserve圖試件示意圖Fig.2 Sketch for sample圖應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)方框圖Fig.3 Block diagram of the strain measuring system二值化數(shù)據(jù)采集應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量的二值化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在方向與方向上的測(cè)量原理相同，本文以方向?yàn)槔齺?lái)說(shuō)明其測(cè)量原理。圖為二值化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的波形圖。圖中為線陣的轉(zhuǎn)移脈沖；為行同步脈

10、沖，22 光電工程 第卷第期 它的上升沿恰與線陣CCD輸出的第一個(gè)有效像素單元信號(hào)同步；U0為線陣輸出的視頻信號(hào)，U0經(jīng)過(guò)二值化處理電路進(jìn)行處理后，輸出U1方波脈沖信號(hào)。U1信號(hào)的上升沿與下降沿分別為線陣CCD像敏面上標(biāo)距像的兩個(gè)邊沿，即N11與N13為像的黑白邊沿，而N12與N14為像的白黑邊沿。利用二值化數(shù)據(jù)采集電路將N11,N12,N13和N14采集并存入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算軟件的支持下計(jì)算出X方向上兩個(gè)標(biāo)距間的中心距L為(N+N13N11N12)L0142式中L0為線陣像敏單元的尺寸，為光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率。而拉力傳感器感受拉力的變化，經(jīng)過(guò)位數(shù)據(jù)采集卡采集量化送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)

11、軟件處理得到如圖所示的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線。測(cè)量范圍與測(cè)量精度本應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采用TCD1500C線陣CCD為光電傳感器，它具有5340個(gè)像敏單元，像敏單元的尺寸為7µm×7µm ，像元中心距亦為7µm 。因此，本測(cè)量系統(tǒng)在不考慮細(xì)分的情況下，其絕對(duì)測(cè)量精度為（7/）µm，考慮到測(cè)量精度的要求，采用了二細(xì)分，測(cè)量系統(tǒng)的分辨力可達(dá)到（7/2）µm，測(cè)量范圍可以達(dá)到(37.38/)mm，其中為光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率，本測(cè)量系統(tǒng)的橫行放大倍率為0.35，其分辨力可達(dá)到10µm，測(cè)量范圍超過(guò)100mm。在測(cè)量的過(guò)程中測(cè)量的精度也會(huì)受到

12、一些因素的影響，如：2.1 光照強(qiáng)度變化對(duì)測(cè)量精度的影響當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，CCD輸出的信號(hào)U0的幅度將發(fā)生上下浮動(dòng)，固定閾值二值化處理電路的輸出脈沖U1的寬度將發(fā)生變化。當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，輸出脈沖U1的寬度將變寬，但只要CCD不工作在飽和狀態(tài)，U1的變寬不會(huì)影響中心位置的測(cè)量。但是，如果CCD處于飽和工作狀態(tài)，飽和的溢出具有方向性，會(huì)使中心位置的測(cè)量產(chǎn)生偏移。2.2 光學(xué)系統(tǒng)畸變的影響在測(cè)量前，我們?cè)诤谏鹉z上做出白色的標(biāo)記。測(cè)量開(kāi)始時(shí)，標(biāo)記通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的中心成像，隨著被測(cè)物件的不斷拉伸，白色標(biāo)記越來(lái)越遠(yuǎn)離視場(chǎng)中心。若光學(xué)成像系統(tǒng)存在畸變，它在不同視場(chǎng)有著不同的放大倍率，隨著視場(chǎng)的變化放大倍率

13、也在變化，這必將影響拉伸測(cè)量的精度。解決的方法可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次標(biāo)定動(dòng)態(tài)確定光學(xué)系統(tǒng)的值來(lái)修整測(cè)量結(jié)果，或者采用畸變盡可能小的光學(xué)成像系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果年月日在哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所的材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)其黑色橡膠材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)年月 王慶有等：利用線陣CCD非接觸測(cè)量材料變形量的方法 23試，測(cè)試結(jié)果報(bào)告如下：試驗(yàn)材料：黑橡膠；試樣數(shù)量：；試樣尺寸：×；試樣幾何形狀：十字型；加載速率：縱向速率：；橫向速率：。在橫向拉力、縱向拉力的共同作用下材料在兩個(gè)方向上均產(chǎn)生拉伸變形，其變形量分別由兩方向的測(cè)量系統(tǒng)采集到計(jì)算機(jī)，并得到如圖5所示的材料拉力變形的關(guān)系曲線。從材料的拉力變形曲線可以看出

14、當(dāng)水平拉力大于或等于時(shí)材料將發(fā)生斷裂, 材料一旦斷裂,拉力立即減小（拉力由變?yōu)椋?，變形量增大到mm，同時(shí)垂直方向的拉力大于也發(fā)生斷裂,拉力由變?yōu)?。結(jié)束語(yǔ)用線陣CCD為光電傳感器對(duì)材料拉伸變形量進(jìn)行非接觸測(cè)量是現(xiàn)代材料試驗(yàn)機(jī)所必需的測(cè)量方法。它必將取代現(xiàn)有的刀口式電阻應(yīng)變器的引伸計(jì)而被廣泛地應(yīng)用于材料試驗(yàn)機(jī)。然而，CCD光電傳感器所構(gòu)成的變形測(cè)量?jī)x的測(cè)量范圍與測(cè)量精度的矛盾是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。在要求高精度和大范圍的情況下應(yīng)采用CCD的拼接技術(shù)，此時(shí)的測(cè)量精度可達(dá)到1µm，測(cè)量范圍可達(dá)到80 mm。參考文獻(xiàn)：1 王慶有. CCD應(yīng)用技術(shù)M. 天津 : 天津大學(xué)出版社，2000.2 龔予吉,

15、楊守忠. 高精度動(dòng)態(tài)測(cè)徑儀設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題J. 光電工程, 1990, 17(3): 44 47.3 王慶有. 軌道振動(dòng)的非接觸測(cè)量J. 光學(xué)技術(shù), 1998, (6): 69 70.ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg（上接第頁(yè)）結(jié)束語(yǔ)低對(duì)比度條件下小目標(biāo)的檢測(cè)與跟蹤歷來(lái)被認(rèn)為是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。在低信噪比的情況下，要保證可靠、穩(wěn)定地檢測(cè)并跟蹤目標(biāo)是很困難的。USAN原則作為性能優(yōu)良的特征點(diǎn)提取方法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速單幀檢測(cè)，較好地解決了低對(duì)比度小目標(biāo)的檢測(cè)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，深入分析目標(biāo)的特征參數(shù)及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性，提出了有效的跟蹤算法，保證了

16、實(shí)際跟蹤的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。參考文獻(xiàn)：1 孫即祥. 數(shù)字圖像處理M. 石家莊:河北教育出版社，1993.2 楊衛(wèi)平，沈振康. 紅外圖像序列小目標(biāo)檢測(cè)預(yù)處理技術(shù)J. 紅外與激光工程，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 楊皞昀，張桂林. 利用SUSAN算子的特征復(fù)合相關(guān)跟