黃群坤，蘇 睿

(上海茲韋克測試設(shè)備技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200135)

激光引伸計

黃群坤，蘇 睿

(上海茲韋克測試設(shè)備技術(shù)服務(wù)有限公司，上海 200135)

本文介紹了德國Zwick激光引伸計的應(yīng)用范圍、原理、特點及在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。

激光引伸計；高溫；試驗

1 引 言

引伸計是用于測量試件標(biāo)距間軸向及徑向變形的基本裝置，引伸計的精確度、穩(wěn)定性、通用性及可靠性對于材料物理特性的檢測和判斷至關(guān)重要。試驗機(jī)行業(yè)是引伸計較常見的應(yīng)用領(lǐng)域,該領(lǐng)域所應(yīng)用的引伸計需要適應(yīng)各種試驗條件及要求，諸如量程變化范圍大、標(biāo)距不統(tǒng)一、高溫下進(jìn)行試驗等。常見的引伸計可分為接觸式與非接觸式兩類，各有不同的優(yōu)點和缺點，尚不能完全適應(yīng)所有的試驗要求和使用環(huán)境。

近年來，高溫測試的需求量迅速增加，傳統(tǒng)的接觸式引伸計已不能滿足高溫測試的需求。隨著激光測試技術(shù)和圖像處理手段的成熟,激光引伸計得到了人們的青睞。本文總結(jié)、介紹了德國激光引伸計系統(tǒng)、激光引伸計的測量原理和應(yīng)用范圍。圖1為德國Zwick最新的激光引伸計。

圖1 德國Zwick激光引伸計

2 激光引伸計的測量原理

當(dāng)一束激光照射到光感粗糙表面時，會往不同的方向發(fā)散光線，這些光線發(fā)生漫反射，其中一部分光線返回到激光接收器，另一部分散射之后不返回激光接收器，這樣就形成了顆粒狀的散斑圖(如圖2、圖3所示)。

圖2 激光束照到光感粗糙表面后分散

圖3 激光散斑效應(yīng)

在給試樣施加載荷的過程中，試樣的表面結(jié)構(gòu)會慢慢發(fā)生變形，與此同時，照射到試樣表面形成的激光散斑也會慢慢發(fā)生變形。此時，視頻處理器會接收到連續(xù)變化的圖像，而且視頻處理器會定位所存儲的散斑圖案并計算出散斑圖案在圖像之間移動的位移，從而達(dá)到測量移動距離的目的。在圖像之間實時迭代地應(yīng)用這個過程，可以測量兩個分離的激光圖像之間的距離，從而測量出實時應(yīng)變。每個測量完成后，基準(zhǔn)的散斑圖案又重新回到了原坐標(biāo)點上(也就是說，在整個測量過程中，這個散斑圖案在圖像中是固定不變的)。

應(yīng)變計算公式：

式中， ∑d1為次激光攝像頭移動的位移之和；∑d2為主激光攝像頭移動的位移之和；l0為兩個散斑圖案之間的初始距離。

3 德國Zwick激光引伸計系統(tǒng)描述及應(yīng)用范圍

激光引伸計包含兩個測量頭，測量頭由數(shù)字影像器和激光光源組成。激光光束照射試樣，在試樣表面產(chǎn)生散斑圖案，比較前一個與后一個試樣表面的散斑圖案，試驗系統(tǒng)自動跟蹤這些變化的散斑圖案，從而得到試樣伸長變化的信號。

激光引伸計提供非接觸式應(yīng)變測量技術(shù)，用于大多數(shù)材料測試。激光光譜技術(shù)意味著在測試過程中無需接觸試樣，更不需要在試樣上做標(biāo)記，激光引伸計的易用性能使其成為質(zhì)量控制和研發(fā)等的理想測量系統(tǒng)。圖4-圖7為在激光照射下的不同材料的試樣表面。

圖4 45#鋼

圖5 鋁合金

圖6 橡膠

圖7 塑料

4 激光引伸計的優(yōu)勢

(1)測量范圍大：原始標(biāo)記1.5mm起，可以測量試樣應(yīng)變；

(2)測量應(yīng)用溫度范圍大：-70℃～1200℃；

(3)精度高：按照ISO 9513，精度等級為0.5級；

(4)無需在試樣上打標(biāo)記：節(jié)省時間，特別適合生產(chǎn)線測試和大批量測試，可以方便與環(huán)境溫箱和高溫爐配合使用；

(5)分辨率高：0.15μm。

5 激光引伸計在高溫下的應(yīng)用

高低溫條件下的應(yīng)變測量，在許多科技及工業(yè)部門有著日益廣泛的應(yīng)用和重要意義，特別是航空、航天、核工程、化工和動力工程中，很多機(jī)械、設(shè)備在高溫或低溫下工作，除了解決材料本身的高低溫強(qiáng)度問題外，還迫切需要進(jìn)行模型或材料在熱(冷)態(tài)工況下的應(yīng)力應(yīng)變測量，特別是在高溫環(huán)境中，測量條件較為惡劣，傳統(tǒng)的接觸式引伸計及應(yīng)變片無法滿足高溫測試要求。德國Zwick研制的激光引伸計能夠很好地克服高溫環(huán)境應(yīng)變測量難的問題，下面是具體的測量實例。

(1)激光引伸計在1100℃下金屬拉伸測試

圖8 高溫測試裝置

圖8為高溫測試前的測試裝置。從圖中可以看出，關(guān)閉高溫爐后，激光引伸計發(fā)射出的激光透過高溫爐前側(cè)玻璃后，直接打在試樣的表面進(jìn)行實時捕捉應(yīng)變變化。圖9為金屬拉伸測試完成后的狀態(tài)。

圖9 高溫測試后的試樣

(2)高溫下測試的曲線

圖10為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，激光引伸計可以實時監(jiān)測到試樣在1100℃的應(yīng)變，能夠很好地得出試樣在高溫下的彈性模量、非比例極限伸長率等性能指標(biāo)。

圖10 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖11 應(yīng)變控制曲線

從圖11可以看出，激光引伸計進(jìn)行的應(yīng)變控制曲線也很好，更加確信了測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

目前，市場上常見的都是接觸式引伸計和視頻引伸計，這些引伸計在高溫下很難滿足應(yīng)變測試的需求。而在國內(nèi)，激光引伸計技術(shù)并沒有得到很好

的發(fā)展，因此，希望本文能夠為國內(nèi)激光引伸計的研究和發(fā)展提供一點參考。

[1]GB/T 4338-2006 金屬材料高溫拉伸試驗方法[S].

[2]杜曉，劉燕娜,等.激光自動跟蹤式引伸計的優(yōu)化設(shè)計[J].測試技術(shù)學(xué)報，2012,26(3):265-271.

[3]安志勇,趙鐵鈞,田雯,等.激光掃描鋼材在線檢測儀研究[J].測試技術(shù)學(xué)報,1994,8(1):27-33.

[4]李演楷,衛(wèi)明陽,張云輝,等．引伸計的測量原理及其改進(jìn)方法[J]．工程與試驗，2010,50(3):65-66，74.

Laser Extensometer

Huang Qunkun, Su Rui

(Zwick China, Shanghai 200135, China)

As the newest technology for strain measurement, laser extensometer is used widely in some fields. The application, principle, characteristics of laser extensometer and the application at high temperature are described in the paper.

laser extensometer; high temperature; test

2016-10-11

黃群坤(1986-)，男，湖北大冶人，工學(xué)學(xué)士，工程師，研究方向：儀器設(shè)備及其應(yīng)用等。

TH73

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.017