CN105953739A - 一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，包括顺次摆放的激光器、滤光片、聚焦透镜、光电探测器和示波器，所述激光器、聚焦透镜和光电探测器的几何中心保持在一条轴线上，且主平面均互相平行，所述光电探测器和示波器电连接；所述激光器用于发射激光，并将激光照射在位于激光器和聚焦透镜之间的待测试件和待测试件背后的滤光片上；所述光电探测器用于接收的聚焦后的激光照射并感知光强度信号，通过光电转换获得光强度信号对应的电信号；所述示波器用于将电信号进行计算和显示。本发明实现了材料横向形变的测量。激光变形测量不需要将测量器件粘贴到待测物体上，本发明具有较高的测量精度，能够捕捉试件产生的任意微小的横向变形。

Description

一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统及方法。

背景技术

在对材料的加载变形研究的过程中，人们发现在对材料进行轴向加载的时候，在轴向产生形变的同时，材料会在横向方向会产生膨胀或者收缩形变，人们把横向方向的形变定义为泊松形变。横向形变是表征材料力学性能重要的性能参数，因此对横向形变的测量也是探究材料力学响应中重要的一环。对横向形变的测量，传统的方法有两种：一是通过测量试件的纵向应变，对于结构均匀、成分单一的材料有着固定的泊松比，通过测量得到的纵向变形就可以推导出材料的横向形变；二是采用应变片测量技术测量材料的横向变形。然而随着复合材料的出现以及动态力学研究的兴起，传统方法的局限性日益凸现已经不能满足测量的需求。复合材料的成分复杂，无法通过泊松比来反推横向变形，同时应变片的粘贴也会受到不同成分材料的影响。在动态加载过程中，传统的测量方法也越来越难以满足动态测量要求。对于某些脆性材料，其横向变形通常比较微小，变形量一般都在微米的数量级。因此，如何能够更精确有效的测量物体的横向变形，是测量领域的热点研究课题。

现有的形变测量方法主要包括以下几种，但都存在各种各样的缺点：

应变片测量技术是目前材料变形测量的最常见的方法。应变片测量技术将应变片粘贴在待测材料的表面，使应变片与材料的变形同步，引发应变片中的电阻丝产生变形，从而改变输出的电压信号计算材料的变形。应变片测量技术属于接触式测量，必须将测量变形的应变片粘贴到待测材料的表面，应变片的粘贴质量将直接影响变形的测量精度；另外应变片的粘贴增加了实验测试的准备工作量，增大了实验测试的工作时间。给测试的精度和测试效率带来不利的影响。

光纤光栅法利用光纤传感技术以光作为信息载体、光纤作为信号传输媒介，通过光栅中光波波长的变化测量材料的变形，这种传感技术是将光导纤维和光纤通信技术相结合的产物。类似于应变片测量技术，光纤光栅测量需要在被测物表面粘贴光栅片感知材料的变形，属于接触测量，对测试的精度和测试效率具有不利的影响；

光干涉法进行形变测量，要求激光器发射的激光束垂直照射到被测物体表面，被物体表面反射的激光与参考光干涉形成干涉条纹，通过对干涉条纹的观察处理来测量物体表面的形变。实际操作中，入射光很难与被测物体保持绝对的垂直，而且物体表面有可能并不平整，会导致反射光与参考光不能形成干涉，有可能导致测量无法进行。对于短时高应变率动态的材料变形，光干涉法由于难以在极短的变形时间内形成稳定的干涉条纹，光干涉法很难适用；

散斑法是根据激光的散斑特性发展起来的形变测量方法。散斑法进行形变测量时，采用激光作为测试光源。因激光是由光的受激辐射产生的，因此激光的相干性比较强，散斑法就是基于激光的高相干性。将相干激光照射到物体表面时，由于物体表面粗糙度的影响，反射光与入射光线会形成干涉，会形成散斑场，物体表面信息可以通过散斑场表现出来。然后用高速摄像机对物体变形前后的散斑成像并将其转化为数字图像，用计算机对数字散斑图进行编码和解码计算出物体的形变量。散斑法采用激光作为测试光源。依据激光具有的较强相干性，将相干激光照射到物体表面时，受物体表面粗糙度的影响，反射光与入射光线会形成干涉，形成散斑场，物体表面信息可以通过散斑场表现出来。借助高速摄像机对物体变形前后的散斑成像并将其转化为数字图像，得到物体变形前后两幅数字散斑图，然后用计算机对数字散斑图进行编码和解码，将解码之后得到的表征物体形变信息的散斑干涉条纹通过计算器的显示屏显示出来，进而计算出物体的形变量。类似于光干涉法，散斑法目前主要适用于静态变形测量，对动态变形的演化还无法进行连续的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，包括沿着水平方向顺次摆放的激光器、滤光片、聚焦透镜、光电探测器和示波器，所述激光器、聚焦透镜和光电探测器的几何中心保持在一条轴线上，且主平面均互相平行，所述光电探测器和示波器电连接；

所述激光器用于发射激光，并将激光照射在位于激光器和聚焦透镜之间的待测试件和待测试件背后的滤光片上；

所述滤光片用于过滤自然光，保留激光光线；

所述聚焦透镜用于将激光聚焦；

所述光电探测器用于接收的聚焦后的激光照射并感知光强度信号，通过光电转换获得光强度信号对应的电信号；

所述示波器用于将电信号进行计算和显示。

本发明的有益效果是：激光变形测量基于材料变形对光通量的影响，通过光电转换输出电压信号，实现材料变形的测量。测量方法与原理简单明了，通过电压标定可直接测量变形，数据处理简洁方便。激光变形测量不需要将测量器件粘贴到待测物体上，属于非接触测量，测量过程对待测物体不产生任何作用和影响，可以最大限度的保证实验的真实状态。通过采用高速光电探测器和高速数字示波器，激光变形测量系统还可应用于材料的高速动态变形的测量中。为光电测量方法开辟新的应用领域。本发明具有较高的测量精度，能够捕捉到试件产生的任意微小的横向变形。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述滤光片的中心波长和激光器中心波长相同。

采用上述进一步方案的有益效果是：滤光片的可以滤掉混杂在激光束中的干扰光线，起到屏蔽自然光，同时又保证所需波长的光波透过的作用。

进一步的，所述激光器和光电探测器位于聚焦透镜的焦平面上。

采用上述进一步方案的有益效果是：这样可以使准直与聚光的效果更加良好。

进一步的，所述激光器的激光发射口通过尾纤接头耦合多模方形光纤，同时在多模方形光纤输出端设置准直透镜。

采用上述进一步方案的有益效果是：激光器发出的光斑通常呈现高斯强度分布，称为高斯光斑。高斯光斑对激光变形测量精度有重大影响。因此高斯光斑需要采用匀化技术使其光强度分布均匀化，使光强度随变形的变化呈线性关系，以保证变形测量的精度。方形光纤不仅拥有着比圆柱形光纤更好的匀光效果，也能得到使用所需的矩形光斑。

进一步的，所述聚焦透镜和准直透镜上均镀有氟化镁薄膜。

采用上述进一步方案的有益效果是：增透膜可以减少光路带来的激光能量损失。

一种基于激光照射强度变化的横向形变测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、发射激光，并将激光照射在位于激光器和聚焦透镜之间的待测试件上和待测试件背后的滤光片上；

步骤S2、使待测试件的产生形变；

步骤S3、滤光片进行滤光，聚焦透镜对过滤后的激光进行聚焦；

步骤S4、接收聚焦后的激光照射并感知光强度信号，通过光电转换获得光强度信号待测试件形变前和待测试件形变后对应的电信号；

步骤S5、将电信号进行计算和显示，计算得到待测试件的横向形变量。

附图说明

图1为本发明测量系统的结构示意图；

图2为本发明测量原理示意图；

图3为本发明光斑面积变化示意图；

图4为本发明光纤匀光装置示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光器；2、滤光片；3、聚焦透镜；4、光电探测器；5、示波器；6、待测试件；61、形变前的待测试件；62、形变后的待测试件；7、支撑架；8、光斑；9、尾纤接头；10、方形光纤；11、准直透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的测量方法是将机械形变转换成投射到光电探测器上光斑光强的变化，光电探测器会将光强的变化转换成可以被直接测量的电信号。

本发明测量原理为：激光器1，聚焦透镜3，光电探测器4都放置在支撑架7上，且几何中心要保持在一条轴线上，它们的主平面要互相平行。如图2所示，激光器1发出一个长度为几毫米的矩形光斑，将该光斑投射到与试件侧面轮廓垂直的指定位置处，此时光斑一部分投射到待测试件6上，另一部分沿入射方向投射到聚焦透镜3上并被光电探测器的光敏面感知。

激光器1、待测试件6和焦距透镜3之间的距离没有具体限制，但要确保激光器1照射出的光斑长度不超过聚焦透镜3的直径，即激光器1照射出的光线除被待测试件6阻挡的部分外，全部照射到聚焦透镜3上。本实施例激光器的光斑在其发散到10cm处的是一个4mm*1mm的矩形光斑，本实施例使用的聚焦透镜的直径为9mm，因此要保证激光束在聚焦透镜所在平面上的投射光斑的长度小于9mm，实验中把待测试件至于离激光器10cm处，滤光片和聚焦透镜距离激光器15cm左右。

当待测试件6(以矩形试件为例)受到轴向压缩加载的时候，被测物体的横向会发生膨胀，此时照射到探测器上的光斑8面积会减少，如图3所示，光电探测器4感知的光通量会减少。光电探测器4会将光通量的改变转化成电信号的改变，然后通过高精度的数字示波器5对电压信号进行采集、并加以计算。

图3中L为激光器1发出的带状光斑的宽度，l₁为变形前被聚焦到聚焦透镜3那一部分光斑的长度，因此形变前的待测试件61能被光电探测器4到的那一部分光斑8的面积为S₁＝L×l₁，假设光斑能量分布均匀，即光斑每一点的光照度L_V相同，此时面积为S₁的光斑内光通量为F₁＝L_V×S₁，这部分光信号经过光电转换后电压信号为U₁；当试件受到轴向压缩加载后，试件横向产生膨胀，为形变后的待测试件62，假设其横向变形为Δd₀，此时被聚焦到光电探测器的光斑8的长度变为l₂＝l₁-Δd₀，光斑8面积变为S₂＝L×l₂，光斑面积内的光通量变为F₂＝L_V×S₂，这部分光信号经过光电转换后的电压信号为U₂。变形前后聚焦到光电探测器的光斑光通量减小了，光通量的变化可用下式表示

ΔF＝F₁-2F₂＝L_V×(S₁-S₂)＝L_VL(l₁-l)＝L_VLΔd₀

其中，由于光斑光能量分布均匀，光照度L_V变形前后不变，L为光斑的宽度，当投射距离固定的时候，光斑的宽度也是一定的。因此如果能够测出光斑光通量的改变，就可以测出试件的横向变形。光通量是表征光斑能量大小的物理量，光通量越大，光斑的光能量就越强，光通量与光能量成正比例关系。光电探测器可以实现光参量到电参量的转化，如果光电探测器拥有良好线性输出特性，即探测器的输出电压与输入光量成正比例关系，也就是ΔU＝U₁-U₂与ΔF线性相关，就可以用电压的变化ΔU来表征光通量ΔF的变化，横向形变就转化为易于测量的电信号变化。然后通过实验手段对ΔU和Δd₀进行标定，找到ΔU与Δd₀之间对应的数量关系，就可以通过测得的电压变化量推断出试件的横向形变。该方法是建立在光电转化的基础上，该实验方法的成立是建立在两个基本要求条件下的：⑴要有能量分布均匀的平顶型光束作为实验光源；⑵光电探测器要工作在线性区内。同时为了保证测量结果的准确性与精确性，在进行测量系统光路设计的时候应注意以下几点：

①在聚光透镜前要安装一个滤光片，滤光片起到减少外界环境干扰的作用，不仅能保证激光器发出的特定波长的光具有很高的透过率，又能将干扰光滤掉；

②要选择合适的光学材料来制备聚光镜，使其对实验所使用的特定波长的激光具有很好的透射性，尽量避免由于透镜表面反射造成的光衰减；

③因为激光器发出的激光束在其传播方向上会发散，并且随着距离越长，发散越严重，因此试件位置与聚光透镜的距离不能太大,本实验采用的距离范围为5～10cm。

根据对测量系统原理的分析，本发明公开了一套基于光电转换的形变测量装置，测量装置由激光光源、光路匹配处理部分、信号转换与采集部分等部分组成，如图1所示。

(1)光源部分

由于激光是由光的受激辐射产生的，相比于普通光源，激光的有着更好的方向性，更高的相干性以及更强的亮度，激光这一系列特有的光学特性使得它能够满足高精度测量的要求，因此选择激光作为本实验的光源。

通过对各种激光器特性的比较，以及实际的市场调研，本实施例采用的是半导体激光器，半导体激光器有着简单的构成结构，器件体积较小，方便现场的安装与调试，同时工作效率高，且可以实现输出功率的快速可调，可满足不同情况下的测量需求。激光器为型号为A0087带尾纤输出的半导体激光器，激光器的激光波长为638nm，输出功率可调为0～100mw，工作方式连续且功率不稳定性小于3％。但是在使用普通激光器作为实验光源的时候，会出现一个问题，即激光器产生的光斑并不是能量分布均匀的平顶型光斑，而是在其投影面上产生一个光强度呈高斯分布的高斯光斑，不能满足实验设计的要求，因此必须要对激光器发出的高斯光束进行最大程度的匀光处理。

本发明利用光纤扰模的特性，用多模光纤对高斯光束进行匀化整形，因此带尾纤输出的激光器能够更方便的进行光前耦合，光纤匀光装置示意图结构如图4所示。激光束通过尾纤接头9耦合入多模方形光纤10，然后在光纤输出端将整形后的输出光束通过焦距为10mm的准直透镜11进行准直。实施例所用光纤为阶跃型高纯度熔融石英材料的多模光纤，方形光纤不仅拥有着比圆柱形光纤更好的匀光效果，也能得到实验所需的矩形光斑。光纤长度为10m，芯径为200um，数值孔径为0.22，将光纤以30CM直径的圆形盘绕，这样可以消除宏观弯曲造成光纤传输过程中附加的能量损耗和激光模式耦合。

(2)光路匹配处理

在系统光路设计过程当中，会涉及到光束的滤光以及聚焦。自然光中存在着各种波长的自然光线，在进行光电转换的过程当中，这一部分自然光也会被光电探测器探测到进而转换成光电流，从而影响到实验的测量精度。滤光片的作用就是滤掉混杂在激光束中的干扰光线，起到屏蔽自然光，同时又保证所需波长的光波透过的作用。滤光片2的选取是根据激光波长来选取的，本实施例使用的激光器的波长为638nm，因此只需要选择中心波长为638nm的滤光片即可。本实施例采用的是Thorlabs公司生产的型号为FB600-40的滤光片，该型号滤波片有良好的滤光性能和较高的透过率，使用寿命较长，能满足实验的要求。

为了使激光光束能够全部且均匀的照射到光电探测器上，要使激光束在入射到光电探测器之前先通过聚光透镜对光束进行聚光处理。在光学透镜制备过程中，最常使用的光学材料是N-BK7光学玻璃，N-BK7光学玻璃在可见光和近红外波段具有出色的透射性能，能够很好避免由于镜面反射造成的激光能量损失。本实施例使用的是由N-BK7制备而成的平凸透镜。

为了使准直与聚光的效果更加良好，激光光源与光电探测器应该置于透镜的焦平面上，因此必须要知道透镜的焦距，平凸透镜的焦距与透镜的厚度以及折射率有关，平凸透镜的焦距可以根据厚球面透镜的焦距计算公式推导出来。

(3)光电转换及信号处理部分

本实施例所使用的光电探测器是由光电二极管及其外围电路组成，光电二极管是光电探测器的最基本构成部分，其性能参数直接决定着光电探测器性能的好坏，本实施例采用的是波长为638nm的半导体激光器作为激光源，因此应该选用硅光电二极管作为本设计的光电转换器件，与此同时，硅光电二极管也有着暗电流小、响应速度高、成本低廉等优点。而常用的光电二极管按照其工作原理的不同又分为：PN型光电二极管、PIN型光电二极管、发射键型光电二极管、雪崩型光电二极管。经过分析比较，本设计采用的PN型硅光二极管，PN型硅光二极管相比其他几种光电二极管，有着结面积小，光电线性特性好，灵敏度高，暗电流小，稳定性好，成本低廉等优点。本实验是建立在光电转换器具有良好的线性输出特性的基础上，因此在设计硅光二极管的工作电路的时候，要着重考虑检测电路的线性响应度；同时对于脆性材料其横向形变一般都比较小，引起的光斑光强变化比较小，在硅光二极管上形成的光电流变化也很小，因此要对光电流信号进行放大处理，使电压变化量能够被示波器捕捉并且显示出来，并且要尽可能的减小电路自身以及环境因素引起的噪声。

本实施例采用的硅光二极管是Thorlabs公司PDF系列的PDA8A硅光二极管，其结面积为0.5mm²(直径为0.8mm)，光谱响应范围为320～1000nm,响应度为0.56A/W，NEP＝6.5×10^-15W，噪声电流RMS＝1.8mA。

对于运放芯片的选取，使用了ICL7650芯片，这类芯片利用了CMOS工艺技术的集成芯片，相对于其他的芯片，比如双极集成工艺芯片，该芯片在输入阻抗上更高，并且在工作时其功耗更低。因此，更加适合用在处理微电流以及低噪声的电路。该芯片输入电阻为1012Ω，偏置电流25℃时为1.5pA，输入失调电压为1μV，失调电压温度系数为0.01μV/℃，输入等效电压噪声为2μV，输入等效电流噪0.01pA/Hz1/2(0～10Hz)，带宽增益积为2MΩ，共模抑制比达130dB。性价比相对较高，尤其还具有其他高阻运放没有的斩波稳零优点，使其不仅能够很好地放大微弱直流光电流信号，而且还具有补偿电路温漂干扰的作用，因而可以提升输出信号的精度。

本实施例中，采用北京普源精电公司生产的RIGOL-DS4000系列示波捕捉采集电压信号的变化，RIGOL-DS4000是国内较为高端的示波器，采样频率高达4GHz/s、四通道、200M带宽，功能丰富，性能先进，可靠性强、测量结果非常精确，在测量行业有着广泛的应用，其能准确的测量出我们所需要的电压信号，并且利用其自身的多种功能辅助提高了我们测量的精度。

(4)形变测量实验

4.1实验材料

在本次实验操作过程中，采用的实验对象材质为天然橡胶。天然橡胶从属性分类上来看为高弹性材料，天然橡胶由于其结构的特殊性，导致了其存在一些良好的物理特性，比如较大的弹性以及较高的强度，在选材过程中，由于考虑到本实验为拉伸形变实验，因此需要拉伸对象具有一定的强度以及较高的弹性，最终在将天然橡胶的物理特性同其他材质做了对比之后，最终确定以天然橡胶作为实验拉伸材料。

4.2实验样品的制备

对于超弹性材料，单轴拉伸实验是非常常用的一种实验方式。现在对超弹性材料单轴拉伸的测试有几种标准。但是，用于分析的实验在某种程度上来说与大多数标准测试方法不尽相同。为了达到很好的单轴拉伸状态，样片在长度上的尺寸必须远远大于它自己在宽度以及厚度上面的尺寸，这是最大的不同。这样做的目的是为了在样片的侧面尽量减小约束。我们也可以通过有限元软件对样片的尺寸进行分析，得到一个能达到较好实验效果的长宽比。国外一些研究者也曾做过这样的有限元分析，得出的结论是样片在长度方向的尺寸要大于宽度以及厚度方向的10倍。我国的国家标准就一直使用的是哑铃型样片，我们在进行实验的时候，为了测得纯的单向拉伸的应力应变曲线，测量的位置应远离夹持部分。

要得到可以用于轴向拉伸的实验样片，完工之后的橡胶胚料必须经过辊炼、模压、冲压切片这样一系列处理。采用辊炼这一工艺流程的目的在于尽量的去除橡胶中所残留的气泡，以便确保最终得到的制品内部均匀，这样方能保证拉伸过程中受力统一。最终依据在实验过程中所需要的样片的具体的厚度以及形状来加工成相应的胚料。当胚料加工完毕之后，需要立即采取后续操作，即在48小时里实施模压。在本实验中，采用的橡胶是在天然橡胶经过一定的硫化工艺后形成，具体的硫化条件：在160摄氏度温度条件下，将压力调整为10兆帕，然后经过一分钟的碾压成型。其中，为了获取更加理想的实验结果，当橡胶经过一定的硫化工艺后，应该在大于16小时的时间间隔内实施二次测试，时间间隔最长不能超出三个月。所有的橡胶样片都是在常温25℃下进行测试的。我们使用的是工厂模压完成之后的样片，经裁刀修剪以后方可进行拉伸实验。得到如上图的胶片以后我们根据不同加载方式的样片的形状进行裁切，裁切时将样片放于冲切设备的平台上，并垫上硬纸板，胶片上面放置裁刀。通过旋转最上面的轮盘控制冲切设备上下移动。

橡胶拉伸实验中，样片的制备对整个实验结果的影响很大，应该按照ISO4661和GB527规定。对于实验拉伸测试对象厚度的选择，应当根据具体的实验方法来确立，在本拉伸测试中，对于参与拉伸测试橡胶的实际厚度选择为2.0mm±0.2mm，即1.8mm～2.2mm之间。在对橡胶样片进行剪裁时，裁刀的选择很重要，如果裁刀因为日常保养不到位而生锈或者因为碰撞出现破损，均会对裁的拉伸试件产生较大的影响。在具体剪裁过程中，如果拉伸试件的厚度低于4mm，则一般采用的是施加一定压力来冲裁的方法，如果拉伸试件的厚度大于4mm，则通常选择更加方便的旋转裁刀，因为，当厚度过大时使用旋转裁刀能够避免因为施加压力不到位或者是不均匀而产生的边沿凹陷的情况。由于在本次试验中，拉伸试件的厚度均低于4mm，因此对于拉伸试件的制备采用冲切的方法。

制备实验样片的时候，对于进行不同类型的拉伸实验，样片的尺寸也不尽相同。本实验进行的是单轴拉伸实验，实验所采用的裁刀应符合GB/T9865.1所述规定。单轴拉伸测试样片的具体尺寸为25mm×9.5mm×2.5mm，有效长度为25mm，样片宽度为9.5mm，厚度为2.5mm

4.3单轴拉伸实验

要测量橡胶样片的横向变形，必须选择合适的拉伸机对样片进行轴向拉伸。本实验采用的是由济南时代试金试验机有限公司生产的型号为WDW-100E的微机控制电子式万能试验机，此试验机主要用于金属和非金属材料的拉伸、压缩、弯曲等实验。适用于钢铁冶金、建工建材、质量监督、教学科研等领域。拉伸机的最大拉力值为100KN，可测最大形变为20mm，拉伸速度0.005mm/min～500mm/min无级可调，搭配一套测控软件，可通过计算机完成实时测量与结果显示、实时控制及数据处理，记录拉伸过程有关的拉力和位移。

在进行橡胶样片横向变形测量的时候，按照如下步骤进行：

⑴首先把样片匀称的放置于拉伸机上下两个夹片上面，使得在横截面上的拉力均匀分布，并使样片竖直方向与地面垂直；

⑵调整激光器、光电探测器的位置，调节激光器的准直透镜，使测量装置的初始状态与我们进行形变与电压量标定时的状态相同；

⑶调整光电测量装置左右方向的位置，使橡胶样片与激光器之间的距离为5cm，此时光束投影在试件所在平面上的光斑为一个4mm×1mm的矩形光斑；

⑷调整光电测量装置前后的位置，使矩形光斑垂直投射到橡胶样片有效长度内的侧面轮廓某一位置处，并使一部分光斑投射到试件上，另外一部分投射到光电探测器上，要保证照射到试件上的那部分光斑的长度尽量长一些，避免由于拉伸时产生的横向形变量过大导致试件脱离光束照射范围；

⑸设置微控电子拉伸机的初试拉伸参数，设置不同的拉伸速度进行多组实验。启动拉伸机，通过示波器对电压信号进行捕捉，一段时间之后，按下拉伸机停止按钮，使拉伸机停止工作，此时通过示波器得到的电压波形图就可以推导出这段时间内橡胶样片的横向变形。

4.4测量结果分析

要保证实验结果的准确性，一般至少应该做三次以上的测量实验。我们分别用200mm/min和300mm/min的拉伸速度进行了4次拉伸实验，保证每次拉伸的时间相等，每组两次。

示波器的垂直档位为20毫伏、水平档位为200毫秒，通过示波器读取拉伸过程中的前后的电压变化量，微电控制试验机测得样片拉伸前后轴向形变为Δl，并对照形变与电压的标定的关系曲线，通过origin的reader功能得到电压变化相对应的形变量，测试结果见下表所示：

本实验采用的哑铃状橡胶样品的的尺寸为25mm×9.5mm×2.5mm，轴向有效长度为25mm，横向宽度为9.5mm。被测形变Δd为试件某一侧面的横向形变，我们假设试件的结构均匀，因此在拉伸速度为200mm/min的时候，

第一组测得试件的整体横向变形为Δd₁＝2Δd₀＝0.82mm，

第二组测得试件的整体横向形变为Δd₂＝2Δd₀＝0.78mm；

当拉伸速度为300mm/min的时候，

第一组试件的整体横向形变为Δd₃＝2Δd₀＝2×0.48＝0.96mm，

第二组测得的试件的整体横向形变为Δd₄＝2Δd₀＝2×0.50＝1.0mm。橡胶材料的泊松比大致为0.44，泊松比计算公式为因此可以计算出4次实验的实际横向形变分别为 将实际形变与测量的结果进行对比分析，测量结果与实际形变能够保持一致，说明本发明的基于激光照射强度变化的横向形变测量系统能够对横向形变进行测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，其特征在于，包括沿着水平方向顺次摆放的激光器(1)、滤光片(2)、聚焦透镜(3)、光电探测器(4)和示波器(5)，所述激光器(1)、聚焦透镜(3)和光电探测器(4)的几何中心保持在一条轴线上，且主平面均互相平行，所述光电探测器和示波器(5)电连接；

所述激光器(1)用于发射激光，并将激光照射在位于激光器(1)和聚焦透镜(3)之间的待测试件(6)和待测试件(6)背后的滤光片上；

所述滤光片(2)用于过滤自然光，保留激光光线；

所述聚焦透镜(3)用于将激光聚焦；

所述光电探测器(4)用于接收聚焦后的激光照射并感知光强度信号，通过光电转换获得光强度信号对应的电信号；

所述示波器(5)用于对电信号进行计算和显示。

2.根据权利要求1所述的基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，其特征在于，所述滤光片(2)的中心波长和激光器(1)中心波长相同。

3.根据权利要求1所述的基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，其特征在于，所述激光器(1)和光电探测器(4)位于聚焦透镜的焦平面上。

4.根据权利要求1所述的基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，其特征在于，所述激光器(1)的激光发射口通过尾纤接头耦合多模方形光纤，同时在多模方形光纤输出端设置有准直透镜。

5.根据权利要求4所述的基于激光照射强度变化的横向形变测量系统，其特征在于，所述聚焦透镜(3)和准直透镜上均镀有一层氟化镁薄膜。

6.一种基于激光照射强度变化的横向形变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、发射激光，并将激光照射在位于激光器(1)和聚焦透镜(3)之间的待测试件(6)上和待测试件(6)背后的滤光片(2)上；

步骤S2、使待测试件(6)产生形变；

步骤S3、滤光片(2)进行滤光，聚焦透镜(3)对过滤后的激光进行聚焦；

步骤S4、接收聚焦后的激光照射并感知光强度信号，通过光电转换获得光强度信号待测试件(6)形变前和待测试件(6)形变后对应的电信号；

步骤S5、将电信号进行计算和显示，计算得到待测试件(6)的横向形变量。