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，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 CCD 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。
1 CCD 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 12 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，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 SH 为线阵 CCD 的转移脉冲;FC 为行同步脉冲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 CCD 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
式中L0为线阵CCD 像敏单元的尺寸，β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12 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 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/β)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(7/2β)μm，测量范围可以达到(37.38/β)mm，其中β为光学系统的横向放大倍率，本测量系统的横行放大倍率β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β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
2001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试，测试结果报告如下:
试验材料:黑橡胶;
试样数量:10;
试样尺寸:30mm×20mm;
试样几何形状:十字型;
加载速率: 纵向速率:10cm/s;横向速率:50cm/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1.112kN时材料将发生断裂, 材料一旦断裂,拉力立即减小(拉力由1.112kN变为0.732kN)，变形量增大到33.733mm，同时垂直方向的拉力大于3.223kN也发生断裂,拉力由3.223kN变为0.029kN。
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,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.
作者简介: 王庆有(1945-)，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 : streaymu@163.com
