CN103376065A - 类条形码引伸计系统及其测量应力应变全曲线的方法 - Google Patents

Abstract

一种类条形码引伸计系统及其测量应力应变全曲线的方法，其中类条形码引伸计系统包括扫描器、译码器、应力采集装置、计算机和能够贴附于试样的类条形码，所述扫描器的扫描端口与所述类条形码相配合，所述扫描器通过所述译码器与所述计算机连接，所述应力采集装置与所述试样相配合，所述应力采集装置也连接到所述计算机；所述扫描器包括光电转换器、放大器和整形电路，所述光电转换器设置在所述扫描器的扫描端口上，所述光电转换器与所述类条形码相配合，所述光电转换器通过所述放大器连接到所述整形电路，所述整形电路连接到所述译码器。本发明解决了常规接触式引伸计在试验过程打滑现象，提高测量效率和测量精度；同时不受量程或标距限制，无需间断试验中途摘取。

Description

类条形码引伸计系统及其测量应力应变全曲线的方法

技术领域

本发明涉及湿法冶金重金属高度精炼电积技术领域，尤其涉及类条形码引伸计系统及其测量应力应变全曲线的方法。

背景技术

目前采用金属材料力学性能试验测试应变主要采用机械式引伸计、电子引伸计、视频引伸计和激光引伸计等。

机械引伸计主要是以球铰式引伸计为主，广泛长时间使用。球铰式引伸计胡国华[1]于1977年设计发明的，由于其结构简单，操作方便被广泛应用30余年，至今任然被广泛应用于拉伸性能测试中。

球铰式引伸计的工作原理示意图[2]，如图1所示。

球铰式引伸计主要工作原理简述如下：球铰式引伸计通过4个预尖螺钉安装在试样上(上标距叉和下标距叉处都是前、后各一个顶尖螺钉)。当试样标距|伸长Δ

时，上标距叉可看成不发生转动，而下标距叉以球铰为中心转动一微小角度，千分表上就可反映出试样的伸长是。由于千分表轴线至球铰心的距离是试样轴线至球铰心距离的两倍，所以试样的伸长量为Δ

时千分表的读数是2Δ

近年来伴随计算机时代快速发展，出现的另外一种新型引伸计--电子引伸计，将应变信号采集到计算机里，使其同材料应力同步显示，比较机械引伸计降低人为读数误差，提高了更高的测量准确度。

电子引伸计包括：电阻式引伸计、电容式引伸计、电感式引伸计等。其中电阻式引伸计，是一种电阻应变计式传感器，它的应用最为广泛。

电容式引伸计是将物体长度的变化转换为电容的变化，再将测得的电容变化量换算成物体的应变。由于它在高频时基本上没有滞后现象，故可用于动态载荷的测试，如冲击力的测定等(图2[电容式引伸计])。

电感式引伸计原理主要是由于构件变形使铁心运动，致使线圈电感发生变化。因此在输出线圈中产生了电压。放大并测出这个电压，即可换算出构件的位移及运动的规律。它不如电阻式引伸计轻便，但由于其在长时间测定时稳定性能较好，故适用于常设的测量装置

而电阻应变式引伸计，是目前应用最多的引伸计。常见的电阻应变式引伸计有单侧电子引伸计、平均值引伸计和双侧电子引伸计等。其测量原理主要是依据粘贴在引伸计弹性元件上的应变片电阻产生变化，通过变换电路转化成电压信号，经过计算机采集，与应力同步显示，来测量应变。其工作示意图图如图4所示。

视频引伸计[3]是利用亚像素法原理测量试样变形的，它的核心是CCD元件，CCD是Charged Coupled Device缩写，中文为电荷耦合元器，电信号与光强度成比例输出。因此，可以用非接触方式同时测量纵向和横向两个方向的变形量，其测量范围由镜头焦距决定，配备不同焦距的镜头，可获得各种测量范围的量程。视频引伸计测量系统主要包括光源部分、定位架、CCD摄像头、图像采集卡、PC机和检测软件等几部分。

据文献[4]，CCD成像技术检测拉伸变形量，刻画在拉伸材料上的标志线的移位测量精度直接影响到拉伸变形量计算，利用CCD接收标志线图像时，由于CCD光敏元的感光程度有所差异以及标志线本身的离散性，导致CCD在标志线信号的基础上产生抖动性起伏，出现毛刺或异常点，给测量数据带来复杂性，产生随机噪声从而影响插值的效果。同时，文献[4]通过小波变换对输出信号进行去噪处理，实现了滤除高频噪声、平滑输出曲线的效果。同时，采用最小二乘法做曲线拟合，使位移精度达到CCD光敏元尺寸的1/10。

视频引伸计，由于精度受CCD光敏元尺寸限制，安装、操作对操作人员水平要求高，使用不便利，适用研究性试验，无法在大批量工业生产中普及。

此外，李演楷[5]提出了基于激光三角法以及激光与PSD结合的两种引伸计方案。激光三角法中，夹持激光发射器及CCD器件的一段负担较重；激光及PSD组成的引伸计中(见图5)，由于PSD属于精密传感器，感光面积大小受限，引伸计最大量程仅可达到两PSD器件直径之和，未能实现大量程测量。这两种引伸计后续数据处理方法及标定方法也有待进一步探讨。

可见，激光引伸计也不成熟，无法大面积推广应用。

电子引伸计的测试误差对拉伸性会有影响。据文献[6]，电子引伸计的应变测量误差来自于本身性能参数、安装状态、刀口钝化、试验机同轴度、试样安装倾斜和偏离加载线、机器震动、试样夹紧时附加载荷和标距外屈服的影响等等。对不同的影响因素，产生不同程度应变测量误差，测量结果直接影响到规定非(总)比例延伸强度的测试准确度。

综上，应用广泛的机械式引伸计和电阻式电子引伸计，由于其量程与标距可调性差，即一支引伸计只能适用于较小范围甚至某一特定标距，量程相对固定一定量程或标距的引伸计用于固定尺寸试样，不能满是通用性要求；于此同时，试样断裂前需要摘除引伸计，无法用于大应变试样试验，直接测量试样后屈服阶段、劲缩阶段以及断裂阶段下弹塑性应力应变行为；此外，此类接触式引伸计都需要刀口接触时固定，引伸计与破测物连接不牢固，存在滑脱现象，直接影响测量结果和测量准确度。

参考文献：

[1]胡国华.球铰式引伸仪.理化检验-物理分册，1977，13(5/6)：41-45.

[2]胡国华等.引伸计的过去和现在.理化检验-物理分册.1001-4012(2011)02-0067-05

[3]陈月婷.视频引伸计测量技术初探.工程与试验.1674-3407.2009.z1.014，50-53

[4]张宇等.提高引伸计测量精度的小波去噪方法研究.光电子激光.1005-0086(2006)08-0930-04

[5]李演楷等.引伸计的测量原理及其改进方法.工程与试验.1674-3407.(2010)03-0064-04

[6]杨怿，李佑斌，苏英群.电子引伸计应变测量误差来源分析.物理测试1001-0777(2006)04-0050-03

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的类条形码引伸计系统，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种类条形码引伸计系统，包括扫描器、译码器、应力采集装置、计算机和能够贴附于试样的类条形码，所述扫描器的扫描端口与所述类条形码相配合，所述扫描器通过所述译码器与所述计算机连接，所述应力采集装置与所述试样相配合，所述应力采集装置也连接到所述计算机。

所述扫描器包括光电转换器、放大器和整形电路，所述光电转换器设置在所述扫描器的扫描端口上，所述光电转换器与所述类条形码相配合，所述光电转换器通过所述放大器连接到所述整形电路，所述整形电路连接到所述译码器。

所述类条形码为条形码或条码或二维码。

所述类条形码包括依次贴合在一起的外保护层、类条形码层、胶层和不粘胶层。

所述类条形码层为PVC类条形码层。

还包括显示屏和扫描器光源，所述显示屏连接到所述计算机，所述扫描器光源设置在所述扫描器上并且与所述类条形码相配合。

所述类条形码中包含引伸计标距、量程、生产单位和型号规格信息。

一种应用所述类条形码引伸计系统测量应力应变全曲线的方法，包括如下步骤：

第一步，将所述类条形码和所述应力采集装置设置于试样的测量位置上，所述光电转换器扫描所述类条形码上反射的光线并转化为电信号，所述电信号经所述放大器放大后经过所述整形电路转化为数字信号，所述数字信号传输给所述译码器；所述译码器将所述数字信号编译成实时应变量，并传输给所述计算机；所述计算机同时采集所述应力采集装置上传的实时应力信息；

第二步，所述计算机将所述实时应变量和所述实时应力信息进行数据处理，获得完整的试样力学性能试验全过程的应力应变全曲线。

本发明中所谓的PVC类条形码层，PVC即为Poly Vinyl Chloride缩写，是聚氯乙烯。

本发明中所谓的类条形码即是指条形码、条码(Barcode)、二维码(QR码)等。

本发明的有益效果可以总结如下：

1，本发明解决了常规接触式引伸计在试验过程打滑现象，提高测量效率和测量精度；同时不受量程或标距限制，无需间断试验中途摘取。

2，本发明可以同时测量几个拉伸或者压缩试验弹性、屈服、断裂等全过程应力应变行为。

附图说明

图1所示的为球铰式引伸计的工作原理示意图；

图2所示的为电容式引伸计；

图3所示的为电感式引伸计；

图4所示的为3542型EPSILON工作示意图(±10％travel)；

图5所示的为基于激光发射器及PSD器件引伸计示意图；

图6所示的为条形码示意图；

图7所示的为类条形码引伸计系统工作原理图；

图8所示的为条形码的构成示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图6、7、8所示的一种类条形码引伸计系统，包括扫描器、译码器、应力采集装置、计算机和能够贴附于试样的类条形码，所述扫描器的扫描端口与所述类条形码相配合，所述扫描器通过所述译码器与所述计算机连接，所述应力采集装置与所述试样相配合，所述应力采集装置也连接到所述计算机；所述扫描器包括光电转换器、放大器和整形电路，所述光电转换器设置在所述扫描器的扫描端口上，所述光电转换器与所述类条形码相配合，所述光电转换器通过所述放大器连接到所述整形电路，所述整形电路连接到所述译码器；所述类条形码为条形码，在其他的实施例中也可以为条码或二维码；所述类条形码包括依次贴合在一起的外保护层、类条形码层、胶层和不粘胶层，所述类条形码层为PVC类条形码层；所述类条形码中包含引伸计标距、量程、生产单位和型号规格信息。在更加优选的实施例中，所述类条形码引伸计系统还包括显示屏和扫描器光源，所述显示屏连接到所述计算机，所述扫描器光源设置在所述扫描器上并且与所述类条形码相配合。

一种应用所述类条形码引伸计系统测量应力应变全曲线的方法，包括如下步骤：

第一步，将所述类条形码和所述应力采集装置设置于试样的测量位置上，所述光电转换器扫描所述类条形码上反射的光线并转化为电信号，所述电信号经所述放大器放大后经过所述整形电路转化为数字信号，所述数字信号传输给所述译码器；所述译码器将所述数字信号编译成实时应变量，并传输给所述计算机；所述计算机同时采集所述应力采集装置上传的实时应力信息；

第二步，所述计算机将所述实时应变量和所述实时应力信息进行数据处理，获得完整的试样力学性能试验全过程的应力应变全曲线。

具体说：

实施例中条形码中包含引伸计标距、量程、生产单位、型号规格等信息；试验前，条形码粘贴在试样表面上即可(为保证试验精度，条形码引伸计一次性使用)。

当条形码扫描器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条形码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据强弱不同的反射光信号，转换成相应的电信号。电信号输出到条形码扫描器的放大器增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号。依据白条、黑条的宽度不同，相应的电信号持续时间长短也不同，转换成脉冲数字电信号0，1。经过译码器，编译，即可知道我们需要的数字、字符等信息——实时应变量，再经过计算机系统进行数据处理，即可获得完整的试样力学性能试验全过程的应力应变全曲线，整个过程无需间断，无需摘取，试验结果准确。

条形码的构成示意图图8。

条形码引伸计由外保护层、PVC条形码层、胶层和不粘胶层等4部分组成。外保护层，主要保护条形码不受损伤；PVC条形码层，提供变形载体，胶层确保条形码引伸计与试样粘接强度，不打滑；不粘胶层，保护胶层不受污染。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种类条形码引伸计系统，其特征在于：包括扫描器、译码器、应力采集装置、计算机和能够贴附于试样的类条形码，所述扫描器的扫描端口与所述类条形码相配合，所述扫描器通过所述译码器与所述计算机连接，所述应力采集装置与所述试样相配合，所述应力采集装置也连接到所述计算机。

2.根据权利要求1所述的类条形码引伸计系统，其特征在于：所述扫描器包括光电转换器、放大器和整形电路，所述光电转换器设置在所述扫描器的扫描端口上，所述光电转换器与所述类条形码相配合，所述光电转换器通过所述放大器连接到所述整形电路，所述整形电路连接到所述译码器。

3.根据权利要求2所述的类条形码引伸计系统，其特征在于：所述类条形码为条形码或二维码。

4.根据权利要求2所述的类条形码引伸计系统，其特征在于：所述类条形码包括依次贴合在一起的外保护层、类条形码层、胶层和不粘胶层。

5.根据权利要求4所述的类条形码引伸计系统，其特征在于：所述类条形码层为PVC类条形码层。

6.根据权利要求2所述的类条形码引伸计系统，其特征在于：还包括显示屏和扫描器光源，所述显示屏连接到所述计算机，所述扫描器光源设置在所述扫描器上并且与所述类条形码相配合。

7.根据权利要求2所述的类条形码引伸计系统，其特征在于：所述类条形码中包含引伸计标距、量程、生产单位和型号规格信息。

8.一种应用根据权利要求2至7任意之一所述类条形码引伸计系统测量应力应变全曲线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，将所述类条形码和所述应力采集装置设置于试样的测量位置上，所述光电转换器扫描所述类条形码上反射的光线并转化为电信号，所述电信号经所述放大器放大后经过所述整形电路转化为数字信号，所述数字信号传输给所述译码器；所述译码器将所述数字信号编译成实时应变量，并传输给所述计算机；所述计算机同时采集所述应力采集装置上传的实时应力信息；

第二步，所述计算机将所述实时应变量和所述实时应力信息进行数据处理，获得完整的试样力学性能试验全过程的应力应变全曲线。

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