非接觸式光學數字引伸計的製作方法

2023-08-05 01:02:16 2

專利名稱：非接觸式光學數字引伸計的製作方法
技術領域：
本發明屬於材料力學中測量試件拉伸和壓縮變形的裝置，尤其是用於金屬材料及部分非金屬材料的力學性能試驗中測量試件微小變形的裝置。屬於測量裝置類。
背景技術：
引伸計是材料試驗機的重要部件，用來測量被測試件在拉伸、壓縮、振動狀態以及斷裂過程中的微小形變量，要求引伸計具有高精度、高可靠性，高靈敏度，抗震。當前眾知採用電阻應變計式引伸計和光電式引伸計及進行接觸式測量，例如中國專利ZL93219143.6電阻應變計式引伸計、中國專利ZL92218236.1不限位光電式引伸計、中國專利ZL02115729.4引伸計使用新方法。這類引伸計具有固定的標距，不能適應材料試驗中對標距的不同要求，通常的做法是準備各種標距的引伸計，從而增加了試驗設備的備件數量和複雜性。這類引伸計必須與被測試件進行機械連接，試件的震動和溫度的變化對測量精度造成影響。這類引伸計將試件的形變量轉換成微弱的模擬信號，須配置高精度、高增益模擬信號放大裝置，為配合計算機數據採集和控制，還必須配置模擬量/數字量轉換裝置.附屬設備複雜。溫度漂移和零點漂移以及機械連接的機械間隙影響測量精度，特別是試驗過程中試件的意外斷裂和彎曲變形還會導致與之進行了機械連接的引伸計的永久性損壞。

發明內容
為了徹底解決試件振動和試件溫度變化以及機械間隙等對測量精度的影響，消除固定標距對引伸計應用的限制，避免試驗過程中試件的意外斷裂和彎曲變形造成引伸計的永久性損壞，本發明提供了一種非接觸式光學數字引伸計裝置，該引伸計裝置測量標距可以調節，不與試件直接接觸，通過光學成像的方法將試件的標距部分的形變量轉化為二個反光標誌的像的位置的變化，再通過二個線性圖像傳感器、比較邏輯和計數電路同時檢測二個反光標誌的像的位置，並將二個反光標誌的像的位置數值送微控制器，微控制器將檢測到的二個反光標誌的像的位置數值與試驗開始時二個反光標誌的像的位置數值相比較，計算出試件標距部分的形變量，並通過串行通訊接口數位化輸出。採用LIS-1024線性圖像傳感器，配合5倍的光學放大，該引伸計的測量解析度可達2微米。
一種非接觸式光學數字式引伸計，該引伸計包括反光標誌、透鏡組、成像器成像器調節支架、二個圖像傳感器線性陣列、比較邏輯和計數電路板和控制器，二組光學透鏡將二個反光標誌分別成像在二個線性圖像傳感器上，二個圖像傳感器分別與二個比較邏輯和計數電路相連接，二個比較邏輯和計數電路與一個微控制器電路相連接。
所說的二組光學透鏡是可更換的，可更換的光學透鏡組可以使成像比例在1∶5-5∶1的範圍內調節。
所說固定在試件上的二個反光標誌具有黑白分界的圖案。
所說比較邏輯和計數電路將反光標誌的像的位置轉換為數位訊號。
本發明解決其技術問題所採用的是在被測試件標距兩端分別固定二個黑白相間的反光標誌，固定在調節支架上的二個成像器將反光標誌分別成像在二個獨立的線性圖像傳感器的光敏單元組成的線陣像平面上，當試件發生形變時，試件上標距兩端兩個反光標誌間的距離發生微小變化，在像平面上反光標誌的像的位置也發生移動，比較邏輯和計數電路實時檢測反光標誌的像中第一個黑白分界線在圖像傳感器線性陣列上的位置，將位置數值傳送給微控制器，微控制器將檢測到的二個反光標誌的像的位置數值與試驗開始時二個反光標誌的像的位置數值相比較，計算出試件上二個反光標誌之間部分(標距部分)的形變量。微控制器通過串行通訊口將試件標距部分的形變量直接數位化輸出。可更換的透鏡組，使反光標誌的像放大1--5倍，對應的，測量反光標誌位移的解析度放大了1--5倍。可更換的透鏡組，還可以使反光標誌的像縮小1--5倍，對應的，測量反光標誌位移的量程放大了1--5倍。在透鏡組和成像面之間設置活動的反光板及與之相配的成像屏和目鏡，用來觀察成像質量，調整設備。
本發明的有益效果是實現了對試件的微小變形的非接觸數位化測量，避免了機械間隙、試樣溫度、振動、模擬信號的溫度飄移和零點漂移等對測量精度的影響。通過調整二個成像器之間的距離和二個反光標誌之間的距離，可以滿足多種試件標距的要求。通過更換透鏡組，可以調整位移測量的解析度和量程。徹底解決了試驗過程中試件的意外斷裂和彎曲變形造成引伸計的永久性損壞的技術難題。精度高，成本地，使用方便、安全。


下面結合附圖對該發明作進一步的說明圖1是引伸計的光學成像裝置示意2是引伸計的光學成像裝置左視3是成像器內部結構4是反光標誌圖5是圖像傳感器線性陣列的光敏單元排列圖6是電路系統框中，1.反光標誌，2.透鏡組，3.成像器，4.反光標誌的像，5.圖像傳感器線性陣列，6.像平面，7.成像器調節支架，8，緊固裝置，9.試件，10.電路板，11.平面鏡翻板，12.帶刻度線的成像屏，13.目鏡，14.轉軸，15.信號連接器，16.手柄，17.控制器。
具體實施例方式
在圖1中，緊固裝置8將二個有黑白相間圖案的反光標誌1分別固定在試件9的標距兩端，將透鏡組2與成像器3連接，將圖像傳感器線性陣列5固定在成像器3內，其中透鏡組2與成像器3之間採用螺紋連接，從而，可以調節透鏡與圖像傳感器線性陣列5之間的距離。使反光標誌的像處於圖像傳感器線性陣列5的像平面6上。
在圖3中，將電路板10安裝在成像器3內，電路板一端與圖像傳感器線性陣列5連接，另一端與信號連接器15相連。可活動的平面鏡翻板11放置在透鏡組2和圖像傳感器線性陣列5之間，經轉軸14與成像器相連接。當平面鏡翻板與透鏡組和圖像傳感器線性陣列的連線成45°角時，平面鏡將反光標誌的像成像在成像屏12上，通過目鏡13可以直接觀察成像質量。調整透鏡組及成像器的位置，使反光標誌清晰成像在成像屏的中央。
轉動手柄16使平面鏡翻板與透鏡組和圖像傳感器線性陣列的連線成0°角時，平面鏡翻板退出光路，反光標誌成像在圖像傳感器線性陣列5的像平面6上。
參見圖1、3、6，將控制器17分別與兩個信號連接器15相連接，信號連接器與比較邏輯和計數電路板10相連接。
零點校準參閱圖3，在試驗開始前，由微控制器同時記錄二個反光標誌的像的位置，即在第一個亮條的邊緣的像的位置處圖像傳感器線性陣列的光敏單元的序數，作為初始零位置，記做N10和N20。LIS-1024圖像傳感器線性陣列有1024個光敏單元，可能的光敏單元序數為1-1024。
測量試驗開始後，微控制器實時檢測二個反光標誌的位置，記做N11和N21，由以下公式計算兩個反光標誌間試件的形變量Hx微米Hx＝(N11-N10+N21-N20)*M/K其中1)M為圖像傳感器線性陣列的像素間距，LIS-1024圖像傳感器線性陣列的光敏單元間距為7.8微米(um)，
2)K為光學放大倍數。選透鏡組光心到像平面6的距離為20釐米，透鏡組的焦距10釐米，則K＝1。
3)當試件伸長時，Hx＞0，當試件壓縮時，Hx＜0.
權利要求
1.一種非接觸式光學數字式引伸計，其特徵在於該引伸計包括反光標誌(1)、透鏡組(2)、成像器(3)、成像器調節支架(7)、二個圖像傳感器線性陣列(5)、比較邏輯和計數電路板(10)和控制器(17)，二組光學透鏡(2)將二個反光標誌(1)分別成像在二個線性圖像傳感器(5)上，二個圖像傳感器(5)分別與二個比較邏輯和計數電路(10)相連接，二個比較邏輯和計數電路(10)與一個微控制器電路(17)相連接。
2.根據權利要求書1所述的一種非接觸式光學數字式引伸計，其特徵在於所說的二組光學透鏡(2)是可更換的，可更換的光學透鏡組(2)可以使成像比例在1∶5-5∶1的範圍內調節。
3.根據權利要求書1所述的一種非接觸式光學數字式引伸計，其特徵在於所說固定在試件上的二個反光標誌(1)具有黑白分界的圖案。
4.根據權利要求書1所述的一種非接觸式光學數字式引伸計，其特徵在於所說比較邏輯和計數電路(10)將反光標誌(1)的像的位置轉換為數位訊號。
全文摘要
本發明涉及一種非接觸式光學數字引伸計，包括二組光學透鏡、二個成像器、二個線性圖像傳感器、比較邏輯和計數電路、時鐘脈衝發生器、微控制器及固定在被測試樣上的二個反光標誌構成。本發明是使用二組光學透鏡將被測試樣上的二個反光標誌分別成像在二個線性圖像傳感器上，將試樣上二個反光標誌間長度的變化轉換為反光標誌的像的位置的變化，比較邏輯和計數電路實時檢測反光標誌的像的位置，由微控制器直接數位化輸出，實現了可變標距下對微小位移的非接觸精確測量。徹底解決了其他形式的引伸計必須與試件進行機械連接，在大位移及試件意外斷裂時極易造成引伸計永久性損壞的技術難題。
文檔編號G01N3/00GK1719222SQ20041006227
公開日2006年1月11日 申請日期2004年7月5日 優先權日2004年7月5日
發明者王永春 申請人:首鋼總公司