CN105973699A - 一种可以实现试样横截面几何尺寸实时测量的测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于拉伸试验机上可对试样拉伸测试过程中的横截面几何尺寸进行实时测量的测量装置及其应用，用于获得测试材料的真实应力‑应变曲线，科学有效地分析材料的拉伸力学行为。它由移动平台、摄像头Ⅰ、摄像头Ⅱ、支架、驱动装置等组成。该测量装置可模块化地直接安装在普通拉伸试验机上，测量试样在拉伸过程中的横截面实时几何尺寸，而且结构精巧、简单实用。

Description

一种可以实现试样横截面几何尺寸实时测量的测量装置及其 应用

技术领域

本发明涉及对各种材料在不同拉伸状态下进行试样横截面几何尺寸实时测量的测量装置及其应用。

背景技术

现有的拉伸试验机对材料试样进行力学拉伸性能测试时，通常始终以试样的初始横截面积去计算材料内部的应力，所得的拉伸试验结果是工程应力-应变曲线。这种试验处理方法虽然存在着测量误差，但是对于延伸率比较小的试验材料公认可以接受。近年来，随着研发和工程应用材料的范围不断扩大和研究的深入，人们发现应用工程应力-应变曲线在解释一些材料的力学行为机制时存在着较大的不科学性。因此若能在材料试样的拉伸过程中对试样进行横截面几何尺寸实时测量，就能实时计算出材料的真实应力，从而得出材料的真实应力-应变曲线，有利于对材料的真实形变机制和力学性能进行科学有效的深入研究。迄今为止，虽然也有一些研究材料真实应力-应变曲线的发明，例如下表中：

但是上述表中的这些发明仍然存在着局限性：

1)、主要针对金属材料，金属材料在整个拉伸过程应变较小，而弹性体材料的整个拉伸过程中应变非常大，可到1000％以上，现有的设备并不能够用于弹性体材料的真实应力-应变曲线的测量；

2)、主要针对金属材料在拉伸过程中明显的均匀塑性变形阶段，通过泊松比之类的参数拟合计算材料拉伸时的真实横截面积，从而计算真实应力，而弹性体材料在拉伸时的变形则显著不同于金属材料，无法用相关参数进行拟合计算得出拉伸时的真实横截面积，从而得出真实应力。

而许多高弹性、超塑性、大延伸率的材料在拉伸试验时，其在拉伸方向上的尺寸变化较大，导致试样在垂直于拉伸方向的横截面积尺寸变化也较大，此种状态下，工程应力和真实应力的偏差非常大(有的可达数十倍以上)，使用工程应力并不能够代表这些材料在此拉伸状态下的真实应力-应变行为，故长期以来广为采用的工程应力-应变曲线并不能够科学真实地表征这些材料的力学性能及其形变机制。

发明内容

本发明旨在消除上述方法的局限性，提供一种可以实时测量试样拉伸过程中相互垂直两个方向上的试样几何尺寸，无论试样的横截面是圆形还是矩形，均能够实时计算出横截面的面积，从而实时计算出真实应力，得出弹性体材料在拉伸过程中的真实应力-应变曲线。

本发明的目的在于提供一种弹性体材料拉伸过程中对试样横截面几何尺寸进行实时测量的用于拉伸试验机的测量装置。

本发明的另一目的是提供上述测量装置的用途。

本发明是一种装于拉伸试验机上可对试样进行横截面几何尺寸实时测量的测量装置，用于对试样真实应力-应变曲线的得出和分析。该装置能在普通的拉伸试验机上测量试样在拉伸过程中的横截面实时几何尺寸，而且结构精巧、简单实用，可模块化地直接安装在普通拉伸试验机上。

一种可以实现试样横截面几何尺寸实时测量的用于拉伸试验机的测量装置，包括支架、移动平台、摄像记录装置、驱动装置；所述摄像记录装置设置在移动平台上，所述移动平台由驱动装置带动沿直线往返运动；

所述摄像记录装置包括摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ，所述摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ所在水平线与移动平台运动方向夹角为85～95°，优选90°，即垂直。

进一步地，在上述技术方案中，所述摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ拍摄的方向呈垂直，且在同一平面上，对准拉伸试样的横截面的宽和厚。

进一步地，在上述技术方案中，所述驱动装置的传动形式包括带传动、螺杆传动和齿轮传动但不限于以上三种。

进一步地，在上述技术方案中，在试样拉伸或压缩过程中，所述移动平台的移动方向与试样的拉伸或压缩方向一致，所述移动平台的移动速度是试样的拉伸或压缩速度的一半，所述摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ对准试样被拉伸或压缩部分的中间位置，且能保持移动平台的移动速度保持在试样拉伸速度的一半左右且可调节，这样在刚开始时候调节移动平台的位置使得摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ刚好对准试样被拉伸或压缩部分的中间位置，以后拉伸过程中摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ能始终对准试样被拉伸或压缩部分的中间位置。

所述的作为整个装置中的支架，在装置中起支撑和控制平台运动方式的作用。

在上述技术方案中，所述摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ连接计算机，利用计算机对两摄像头拍摄的图片进行测量处理。

进一步地，在上述技术方案中，所述测量装置的驱动装置的传动形式若为带传动，其驱动装置包括钢丝绳(4)、滑轮座(5)、滑轮(6)，支架包括顶板Ⅰ(1)、导轨Ⅰ(2)、导轨Ⅱ(3)，顶板Ⅰ(1)分别与导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)的上端固定连接，导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)平行安置，滑轮座(5)固定在移动平台上，滑轮(6)通过转轴固定在滑轮座(5)上，可绕转轴自由转动，钢丝绳(4)一端固定连接在拉伸试验机的可移动部分(22)上，另一端固定连接在顶板Ⅰ(1)上，导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)分别穿过设置在移动平台上的两个通孔与其滑动连接，移动平台由驱动装置带动可沿着导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)做竖直方向上的运动。

进一步地，在上述技术方案中，所述测量装置的驱动装置的传动形式若为螺杆传动，其驱动装置包括步进电机(11)、联轴器(12)、螺杆(14)，支架包括顶板Ⅱ(10)、侧板(13)、圆柱导轨(15)、底座(17)，所述顶板Ⅱ(10)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的顶端固定连接，底座(17)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的底端固定连接，圆柱导轨(15)穿过设置在移动平台上的通孔与其滑动连接，步进电机(11)固定在顶板Ⅱ(10)上，联轴器(12)将步进电机(11)的输出轴与螺杆(14)上端固定连接，螺杆(14)通过设置在移动平台上与之相匹配的螺孔，螺杆(14)底端与底座(17)转动连接。

步进电机(11)转动时，通过联轴器(12)带动螺杆(14)转动，在螺杆(14)的驱动下，移动平台沿着圆柱导轨(15)做竖直方向上的运动。

进一步地，在上述技术方案中，所述测量装置的驱动装置的传动形式若为齿轮传动，其驱动装置包括步进电机(11)、齿条(19)、齿轮(20)，支架包括顶板Ⅲ(18)、侧板(13)、圆柱导轨(15)、底座(17)，顶板Ⅲ(18)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的顶端固定连接，底座(17)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的底端固定连接，圆柱导轨(15)穿过设置在移动平台上的通孔与其滑动连接，步进电机(11)固定在移动平台上，齿轮(20)与步进电机(11)的输出轴固定连接，齿条(19)上的齿与齿轮(20)上的齿相啮合，齿条(19)的顶端与顶板Ⅲ(18)固定连接，齿条(19)的底端与底座(17)固定连接，齿条(19)通过移动平台上的孔但不与其接触。

步进电机(11)转动时，带动齿轮(20)转动，齿轮(20)转动的同时沿着齿条(19)在竖直方向上运动，带动步进电机(11)在竖直方向上运动，带动移动平台沿着圆柱导轨(15)做竖直方向上的运动。

本发明提供一种上述的测量装置应用于立式拉伸试验机、台式拉伸试验机、桌面拉伸或压缩试验机、疲劳试验机。

发明有益效果

1、不需要对普通的拉伸试验机的结构进行任何更改；

2、在进行测量时，两个摄像头相互垂直分布在两个方向上，分别记录试样在拉伸过程中的宽度和厚度两个方向的几何尺寸；采用非接触的光学测量，对拉伸试验过程无影响；

3、在拉伸过程中，两个摄像头的位移始终是试样伸长量的一半，即在一开始时通过调整使得两个摄像头对准试样的正中央，则在整个拉伸过程中两个摄像头能始终对准试样拉伸部分的中心位置，保证测量位置始终为拉伸试样的中心位置，不发生变化。

附图说明

本发明附图9幅。

图1是采用带传动方式的本发明的装置主体机构；

图2是采用螺杆传动方式的本发明的装置主体机构；

图3是采用齿轮传动方式的本发明的装置主体机构；

图4是一种实验室中常用的立式拉伸试验仪；

图5是采用带传动方式的本发明用于拉伸试验仪时的示意图；

图6是采用螺杆传动方式的本发明用于拉伸试验仪时的示意图；

图7是采用齿轮传动方式的本发明用于拉伸试验仪时的示意图；

图8是处理摄像头摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ所拍摄的图片的方法的流程图；

图9是本发明得出的真实应力-曲线与工程应力-应变曲线的对比图。

图中：

1、顶板Ⅰ 5、滑轮座

2、导轨Ⅰ 6、滑轮

3、导轨Ⅱ 7、移动平台Ⅰ

4、钢丝绳 8、摄像头Ⅰ

9、摄像头Ⅱ 19、齿条

10、顶板Ⅱ 20、齿轮

11、步进电机 21、移动平台Ⅲ

12、联轴器 22、可移动部分

13、侧板 23、拉力传感器

14、螺杆 24、上夹头

15、圆柱导轨 25、下夹头

16、移动平台Ⅱ 26、拉伸机机身

17、底座 27、显示控制箱

18、顶板Ⅲ 28、机座

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

一种可以实现试样横截面几何尺寸实时测量的用于拉伸试验机的测量装置，包括支架、移动平台、摄像记录装置、驱动装置；所述摄像记录装置设置在移动平台上，所述移动平台由驱动装置带动沿直线往返运动；所述摄像记录装置包括摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ，所述摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ所在平面与移动平台运动方向垂直。所述摄像头Ⅰ和摄像头Ⅱ拍摄的方向呈垂直，且在同一平面上，对准拉伸试样的横截面的宽和厚。

在试样拉伸或压缩过程中，所述移动平台的移动方向与试样的拉伸或压缩方向一致，且能保持移动平台的移动速度保持在试样拉伸速度的一半左右且可调节，所述摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ对准试样被拉伸或压缩部分的中间位置，这样在刚开始时候调节移动平台的位置使得摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ刚好对准试样被拉伸或压缩部分的中间位置，以后拉伸过程中摄像头Ⅰ与摄像头Ⅱ能始终对准试样被拉伸或压缩部分的中间位置。

实施例1

所述测量装置的驱动装置的传动形式为带传动，其驱动装置由钢丝绳4、滑轮座5、滑轮6构成，支架由顶板Ⅰ1、导轨Ⅰ2、导轨Ⅱ3构成，顶板Ⅰ1分别与导轨Ⅰ2和导轨Ⅱ3的上端固定连接，导轨Ⅰ2和导轨Ⅱ3平行安置，滑轮座5固定在移动平台Ⅰ7上，滑轮6通过转轴固定在滑轮座5上，可绕转轴自由转动，钢丝绳4如图中所示穿过滑轮6，钢丝绳4一端固定连接在拉伸试验仪的可移动部分22上，另一端固定连接在顶板Ⅰ1上，导轨Ⅰ2和导轨Ⅱ3分别穿过移动平台Ⅰ7上的两个通孔与其滑动连接，移动平台Ⅰ7可沿着导轨Ⅰ2和导轨Ⅱ3做竖直方向上的运动。

当拉伸机工作时，拉伸机可移动部分带动钢丝绳4一端运动，钢丝绳4带动滑轮6和滑轮座5一起上下运动，从而带动移动平台Ⅰ7上下运动，移动平台Ⅰ7上的摄像头Ⅰ8和摄像头Ⅱ9也跟着一起运动，从而对试样拉伸过程中的几何尺寸进行记录。

实施例2

所述测量装置的驱动装置的传动形式为螺杆传动，其驱动装置为步进电机11、联轴器12、螺杆14，支架为顶板Ⅱ10、侧板13、圆柱导轨15、底座17，顶板Ⅱ10与侧板13和圆柱导轨15的顶端固定连接，底座17与侧板13和圆柱导轨15的底端固定连接，圆柱导轨15穿过移动平台Ⅱ16上的通孔与其滑动连接，步进电机11固定在顶板Ⅱ10上，联轴器12将步进电机11的输出轴与螺杆14上端固定连接，螺杆14通过移动平台Ⅱ16上与之相匹配的螺孔，螺杆14底端与底座17转动连接。

步进电机11转动时，通过联轴器12带动螺杆14转动，在螺杆14的驱动下，移动平台Ⅱ16沿着圆柱导轨15做竖直方向上的运动，移动平台Ⅱ16上的摄像头Ⅰ8和摄像头Ⅱ9也跟着一起运动，从而对试样拉伸过程中的几何尺寸进行记录。

实施例3

所述测量装置的驱动装置的传动形式若为齿轮传动，其驱动装置为步进电机11、齿条19、齿轮20，支架为顶板Ⅲ18、侧板13、圆柱导轨15、底座17，顶板Ⅲ18与侧板13和圆柱导轨15的顶端固定连接，底座17与侧板13和圆柱导轨15的底端固定连接，圆柱导轨15穿过移动平台Ⅲ21上的通孔与其滑动连接，步进电机11固定在移动平台Ⅲ21上，齿轮20与步进电机11的输出轴固定连接，齿条19上的齿与齿轮20上的齿相啮合，齿条19的顶端与顶板Ⅲ18固定连接，齿条19的底端与底座17固定连接，齿条19通过移动平台Ⅲ21上的孔但不与其接触。

步进电机11转动时，带动齿轮20转动，齿轮20转动的同时沿着齿条19在竖直方向上运动，带动步进电机11在竖直方向上运动，带动移动平台Ⅲ21沿着圆柱导轨15做竖直方向上的运动，移动平台Ⅲ21上的摄像头Ⅰ8和摄像头Ⅱ9也跟着一起运动，从而对试样拉伸过程中的几何尺寸进行记录。

采用本发明所述的装置，进行实验测量时，在拉伸试验机上夹好试样，使两个摄像头呈垂直方向，分别对用测量试样的宽度和厚度，通过图像处理软件的处理和比例换算就可以计算出试样在拉伸过程中的实时宽度和厚度，从而计算出试样实时的横截面积，结合拉伸试验机上得出的应力-应变数据，就可以计算得出试样的真实应力-应变曲线。

图9为对一种聚氨酯弹性体材料进行测量得出的工程应力-应变曲线与真实应力-应变曲线的对比图。图中，工程应力-应变曲线用济南兰光机电技术有限公司的XLW(M)智能电子拉力试验机测量得出，该试验机和实验所用试样符合GB/T 17200-2008(橡胶塑料拉力、压力和弯曲试验机(恒速驱动)技术规范)和GB/T 1040.1-2006(塑料拉伸性能的测定)。真实应力-应变曲线采用实施例1中装置测定。

Claims (8)

1.一种可以实现试样横截面几何尺寸实时测量的测量装置，其特征在于：

包括支架，所述支架上设有移动平台、驱动装置；所述移动平台上设有摄像记录装置，所述移动平台由驱动装置带动沿直线往返运动；

所述摄像记录装置包括摄像头Ⅰ(8)和摄像头Ⅱ(9)，所述摄像头Ⅰ(8)和摄像头Ⅱ(9)所在水平线与移动平台运动方向夹角为85～95°。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述摄像头Ⅰ(8)和摄像头Ⅱ(9)拍摄的方向呈垂直，且在同一平面上，在测量过程中，调整两摄像头位置以保证刚好能够对准试样的宽度和厚度两个面。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于：

所述驱动装置的传动形式为带传动，螺杆传动或齿轮传动。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

在试样测试过程中，所述移动平台的移动方向与试样的拉伸或压缩方向一致，所述移动平台的移动速度是试样的拉伸或压缩速度的一半，所述摄像头Ⅰ(8)和摄像头Ⅱ(9)对准试样被拉伸部分的中间位置。

5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述测量装置的驱动装置的传动形式为带传动，其驱动装置包括钢丝绳(4)、滑轮座(5)、滑轮(6)，支架包括顶板Ⅰ(1)、导轨Ⅰ(2)、导轨Ⅱ(3)，顶板Ⅰ(1)分别与导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)的上端固定连接，导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)平行安置，滑轮座(5)固定在移动平台上，滑轮(6)通过转轴固定在滑轮座(5)上，可绕转轴自由转动，钢丝绳(4)一端固定连接在拉伸试验机的可移动部分(22)上，另一端固定连接在顶板Ⅰ(1)上，导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)分别穿过设置在移动平台上的两个通孔与其滑动连接，移动平台由驱动装置带动可沿着导轨Ⅰ(2)和导轨Ⅱ(3)做竖直方向上的运动。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述测量装置的驱动装置的传动形式为螺杆传动，其驱动装置包括步进电机(11)、联轴器(12)、螺杆(14)，支架包括顶板Ⅱ(10)、侧板(13)、圆柱导轨(15)、底座(17)，所述顶板Ⅱ(10)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的顶端固定连接，底座(17)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的底端固定连接，圆柱导轨(15)穿过设置在移动平台上的通孔与其滑动连接，步进电机(11)固定在顶板Ⅱ(10)上，联轴器(12)将步进电机(11)的输出轴与螺杆(14)上端固定连接，螺杆(14)通过设置在移动平台上与之相匹配的螺孔，螺杆(14)底端与底座(17)转动连接。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：

所述测量装置的驱动装置的传动形式为齿轮传动，其驱动装置包括步进电机(11)、齿条(19)、齿轮(20)，支架包括顶板Ⅲ(18)、侧板(13)、圆柱导轨(15)、底座(17)，顶板Ⅲ(18)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的顶端固定连接，底座(17)与侧板(13)和圆柱导轨(15)的底端固定连接，圆柱导轨(15)穿过设置在移动平台上的通孔与其滑动连接，步进电机(11)固定在移动平台上，齿轮(20)与步进电机(11)的输出轴固定连接，齿条(19)的顶端与顶板Ⅲ(18)固定连接，齿条(19)的底端与底座(17)固定连接，齿条(19)上的齿与齿轮(20)上的齿相啮合，齿条(19)通过移动平台上的孔但不与其接触。

8.如权利要求1所述的测量装置应用于立式拉伸试验机、台式拉伸试验机、桌面拉伸或压缩试验机、疲劳试验机。