利用线阵 CCD 非接触测量材料变形量的方法.pdf

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1、第 2 9 卷第 4 期 光电工程 Vol.29,No.4 2 0 0 2 年 8 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（1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 3 0 0 0 7 2；2.光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 3 0 0 0 7 2）摘 要：用线阵 C C D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

2、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C C D 拼接技术，测量精度可达到 1 m，测量范围 80mm。关键词：非接触测量；线阵 C C D；应力测量；变形测量 中图分类号:TG806 文献标识码:A A method for measuring material deformation with linear CCD detectors WANG Qing-you,YU Juan-hui,GUO Qing,ZHANG Sheng-bin(1.College of Precision Instruments and Optoe

3、lectronic Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China；2.Key Laboratory 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

4、is more objective than the common extensometer measurement method,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

5、 the whole experimental process of a material can be obtained.With CCD splicing technique,the measuring accuracy can be reached 1m 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

6、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，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 C C D 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。收稿日期：2001-1 0-1 8；收到修改稿日期：2002-0 4-1 9 作者简介:王庆有（1945）

7、，男(汉族)，黑龙江牡丹江人，教授，主要从事光电图像检测方面的研究。E mail: 2 0 0 2 年 8 月 王庆有等：利用线阵 CCD 非接触测量材料变形量的方法 211 C C D 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。1.1 信号的提

8、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

9、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。1.2 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 1 2 位 A/D 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 X 方向上的两个标记中心差为 X 方向上的变形量

10、，同理也可获得 Y 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。1.3 二值化数据采集 应力应变测量的二值化数据采集系统在 X方向与 Y方向上的测量原理相同，本文以 X方向为例来说明其测量原理。图 4 为二值化数据采集系统的波形图。图中 S H 为线阵 C C D 的转移脉冲；F C 为行同步脉冲，图 1 原理图 Fig.1 Schematic diagram Lamp-house Imaging system Measured material Liner CCD The observe The reserve 图 2 试件示意图 Fig.2 Sketch

11、for sample SH FC U0 U1 N11 N12 N13 N14 图 4 线阵 C C D 的时序脉冲及二值化信号脉冲 Fig.4 Time series pulse of linear CCD and binaryzation signal pulse 图 3 应变测量系统方框图 Fig.3 Block diagram of the strain measuring system Measured material Imaging system Liner CCD and driving circuit Stress sensor Computer system 12bits A

12、/D data collected card Processing circuit Stress 光电工程 第 2 9 卷第 4 期 22 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 C C D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 L=2)(01211

13、1314LNNNN+式中 L0为线阵 C C D 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 1 2 位 A/D 数据采集卡采集量化送入计算机内存中，再经过计算机软件处理得到如图 5 所示的材料应力应变曲线。2 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 7m7m，像元中心距亦为 7m。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/）m，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）m，测量范围可以达到(37.38/)mm，其中为光学

14、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 10m，测量范围超过 100mm。在测量的过程中测量的精度也会受到一些因素的影响，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

15、，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。3 现场测试结果 2 0 0 1 年5 月4 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1.10 0.93 0.69 0.43 0.23 0.00 21.77 23.38 25.00 26.61 28.01 29.04 30.16 32.07 34.29Deformat

16、ion in direction X/mm 3.24 2.99 1.95 1.30 0.99 0.00 21.96 22.41 22.66 23.30 23.74 24.19 24.63 25.08 26.52Deformation in direction Y/mm 图 5 被测材料在 X，Y 方向的应力应变曲线 Fig.5 Stressstrain curves in both directions X and Y of the measured material Stress/kN Stress/kN 2 0 0 2 年 8 月 王庆有等：利用线阵 CCD 非接触测量材料变形量的方法 2

17、3试，测试结果报告如下:试验材料:黑橡胶；试样数量:1 0；试样尺寸:3 0 m m 2 0 m m；试样几何形状:十字型；加载速率:纵向速率:1 0 c m/s；横向速率:5 0 c m/s。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-变形曲线可以看出当水平拉力大于或等于1.1 1 2 k N 时材料将发生断裂,材料一旦断裂,拉力立即减小（拉力由1.1 1 2 k N 变为0.7 3 2 k N），变形量增大到3 3.7 3 3 mm，同时垂直方向的拉力大于3.2 2 3

18、 k N 也发生断裂,拉力由3.2 2 3 k N 变为0.0 2 9 k N。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 1m，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,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(

19、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.?（上接第 1 2 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

20、工程，1998，27（1）：23-28.3 SMITH S M,BRADY J M.SUSAN-A New Approach to Low Level Image Processing:Internal Technical Report TR95SMS1cR.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

21、,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踪算法J.红外与激光工程，2000，29（4）：34-37.6 杨卫平，沈振康.起伏背景下的自适应门限检测方法J.红外与毫米波学报，1999，18（2）：120-124.7 朱红，赵亦工.基于背景自适应预测的红外弱小运动目标检测J.红外与毫米波学报，1999，18（4）：306-309.8 刘建轶,卢伟,余松煜,等.低信噪比序列图像中目标检测、识别及跟踪算法的研究J.红外与激光工程,1996,25（4）：27-33.9 李强，杨涛.形心和匹配跟踪算法的改进J.光电工程，2000，27（2）：28-30.