CN109115114A - 激光引伸计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的激光引伸计及其测量方法，涉及力学性能测试技术领域。该激光引伸计包括加热炉、引伸计、夹具组件和激光测量系统。引伸计包括第一引伸杆和第二引伸杆，夹具组件包括第一夹持头和第二夹持头。第一夹持头和第二夹持头相对设置，并位于加热炉内。第一夹持头和第二夹持头之间用于安装待测试样。第一引伸杆与第一夹持头连接，并延伸至加热炉外。第二引伸杆与第二夹持头连接，并延伸至加热炉外。第一引伸杆与第二引伸杆平行设置。激光测量系统用于实时测量第一引伸杆和第二引伸杆之间的距离，以计算待测试样的实时长度及应变。该激光引伸计结构稳定可靠，生产成本低，可重复使用，测量精度高。

Description

激光引伸计及其测量方法

技术领域

本发明涉及力学性能测试技术领域，具体而言，涉及一种激光引伸计及其测量方法。

背景技术

在高温条件下进行应变测量，主要有接触式与非接触式两类方法。最常见的接触式方法通常用接触式高温引伸计来实现高温应变的测量，在加热炉下端开口，将导杆引到外面，由于金属本身的特性，导致金属导杆尺寸较大，加热炉下端的开口也就比较大，这样使得熔炉的设计与隔热变得困难，测量精度不够高。

有鉴于此，设计制造出一种激光引伸计，能够通过引伸杆将熔炉内高温区域的变形转换到外部的低温区域，提高测量精度，是目前力学性能测试技术领域中急需改善的技术问题。

发明内容

本发明的目的包括提供一种激光引伸计，采用非接触式测量方式，能够实时测量待测试样的长度，进行不同工况下的待测试样的应变测量，提高测量精度。且该激光引伸计结构简单可靠、测量精度高、可重复利用。

本发明的目的还包括提供一种激光引伸计测量方法，通过引伸杆将加热炉内的高温区域的变形转换到外部的低温区域，通过测试第一引伸杆和第二引伸杆之间的距离，计算待测试样的长度。通过实时测试两个引伸杆之间的距离的变化情况，获得待测试样在不同工况下的应变曲线。

本发明改善其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。

本发明提供的一种激光引伸计，包括加热炉、引伸计、夹具组件和激光测量系统。

所述引伸计包括第一引伸杆和第二引伸杆，所述夹具组件包括第一夹持头和第二夹持头；所述第一夹持头和所述第二夹持头相对设置，并位于所述加热炉内；所述第一夹持头和所述第二夹持头之间用于安装待测试样。

所述第一引伸杆与所述第一夹持头连接，并延伸至所述加热炉外；所述第二引伸杆与所述第二夹持头连接，并延伸至所述加热炉外；所述第一引伸杆与所述第二引伸杆平行设置。

所述激光测量系统用于实时测量所述第一引伸杆和所述第二引伸杆之间的距离，以计算所述待测试样的实时长度及应变。

进一步地，所述第一夹持头包括第一表面，所述第二夹持头包括第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对设置；所述第一引伸杆的下端面与所述第一表面共面，所述第二引伸杆的下端面与所述第二表面共面。所述待测试样的一端与所述第一表面贴合连接，所述待测试样的另一端与所述第二表面贴合连接。

进一步地，所述第一引伸杆和所述第二引伸杆均采用陶瓷杆。

进一步地，所述第一引伸杆伸出所述加热炉第一预设距离，所述第二引伸杆伸出所述加热炉第二预设距离，所述第一预设距离与所述第二预设距离不相等。

进一步地，所述第一预设距离为5厘米至10厘米；所述第二预设距离为5厘米至10厘米。

进一步地，所述加热炉的侧面设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔供所述第一引伸杆穿过，所述第二通孔供所述第二引伸杆穿过。

进一步地，所述激光测量系统包括激光器、发射光镜片组、图像传感器、接收端镜片组、信号处理器和数据处理器。所述激光器与所述信号处理器连接，所述发射光镜片组设于所述激光器和所述第二引伸杆之间，所述第一引伸杆相对所述第二引伸杆远离所述激光器。所述激光器发出的光经所述发射光镜片组到达所述第二引伸杆、所述第一引伸杆，分别在所述第二引伸杆、所述第一引伸杆处反射后，经过所述接收端镜片组到达所述图像传感器。所述图像传感器实时采集反射后的光束位置信息并将所述光束位置信息传递至所述信号处理器中，所述信号处理器与所述数据处理器连接。

进一步地，所述激光器与所述第二引伸杆在所述加热炉外的一端端部在同一平面上。

进一步地，所述激光器与所述第二表面的垂直距离为5厘米至20厘米。

本发明提供的一种激光引伸计测量方法，用于测试待测试样的实时应变，包括：

设置第一引伸杆，所述第一引伸杆的下端面与所述待测试样的一端端面共面。

设置第二引伸杆，所述第二引伸杆的下端面与所述待测试样的另一端端面共面。

测量所述第一引伸杆的下端面与所述第二引伸杆的下端面的距离L₀。

向所述待测试样施加载荷，实时测量所述第一引伸杆的下端面与所述第二引伸杆的下端面的距离L′(t)。

计算所述待测试样的应变，

本发明提供的激光引伸计及其测量方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的激光引伸计，包括相对设置的第一夹持头和第二夹持头，待测试样安装在第一夹持头和第二夹持头之间，分别在第一夹持头和第二夹持头上设置第一引伸杆和第二引伸杆，并且将第一引伸杆和第二引伸杆延伸至加热炉外，通过激光测量系统实时测试第一引伸杆和第二引伸杆的高度差，来计算待测试样的实际长度变化情况，从而获得待测试样的应变时间曲线关系。该激光引伸计结构简单，制造成本相对较低，可重复使用，测量精度高。

本发明提供的一种激光引伸计测量方法，通过在待测试样的两端分别引出第一引伸杆和第二引伸杆，通过将加热炉内的高温区域的变形转换到外部的低温区域，通过测试第一引伸杆和第二引伸杆之间的距离，计算待测试样的长度。通过实时测试第一引伸杆和第二引伸杆之间的高度距离的变化情况，获得待测试样在不同工况下的应变曲线。该激光引伸计测量方法简单，采用非接触式测量方式，可以进行高温环境下待测试样的应变测试，可操作性强，测量精度高，具有将极大的推广应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明具体实施例提供的激光引伸计的整体结构示意图；

图2为本发明具体实施例提供的激光引伸计的加热炉的应用结构示意图；

图3为本发明具体实施例提供的激光引伸计的激光测量系统的测试原理示意图；

图4为本发明具体实施例提供的激光引伸计测量方法的测试流程示意图。

图标：100-激光引伸计；110-加热炉；101-待测试样；121-第一引伸杆；123-第二引伸杆；131-第一夹持头；133-第二夹持头；1311-第一表面；1331-第二表面；150-激光测量系统；151-激光器；152-发射光镜片组；153-接收端镜片组；154-图像传感器；155-信号处理器；156-数据处理器；161-第一反射光束；163-第二反射光束。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的“第一”、“第二”等，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明具体实施例提供的激光引伸计100的整体结构示意图，图2为本发明具体实施例提供的激光引伸计100的加热炉110的应用结构示意图，请参照图1和图2。

本实施例提供的激光引伸计100，包括加热炉110、引伸计、夹具组件和激光测量系统150。

引伸计包括第一引伸杆121和第二引伸杆123，夹具组件包括第一夹持头131和第二夹持头133；第一夹持头131和第二夹持头133相对设置，并位于加热炉110内。第一夹持头131和第二夹持头133之间用于安装待测试样101。

具体地，第一引伸杆121与第一夹持头131连接，并延伸至加热炉110外。第二引伸杆123与第二夹持头133连接，并延伸至加热炉110外。作为优选，第一引伸杆121与第二引伸杆123平行设置。

激光测量系统150用于实时测量第一引伸杆121和第二引伸杆123之间的距离，以计算待测试样101的实时长度及应变。

第一夹持头131包括第一表面1311，第二夹持头133包括第二表面1331，第一表面1311与第二表面1331相对设置。第一引伸杆121和第二引伸杆123均为直杆，第一引伸杆121的下端面与第一表面1311共面，第二引伸杆123的下端面与第二表面1331共面。待测试样101的一端端面与第一表面1311贴合连接，待测试样101的另一端端面与第二表面1331贴合连接。即，第一表面1311和第二表面1331之间的距离即待测试样101的长度，同时，第一引伸杆121下端面到第二引伸杆123下端面的距离(高度差)也是待测试样101的长度。

这样，测量加热炉110内的待测试样101的长度就转换成了测量加热炉110外第一引伸杆121下端面到第二引伸杆123下端面的距离。当向第一夹持头131和第二夹持头133施加拉力，即待测试样101被拉长时，相应地，第一引伸杆121下端面到第二引伸杆123下端面的距离也会随着变化。通过激光测量系统150实时测量第一引伸杆121下端面到第二引伸杆123下端面的距离，就可以计算待测试样101的应变情况，从而完成高温条件下待测试样101的应变测量。

需要说明的是，第一引伸杆121与第一夹持头131的连接方式、第二引伸杆123与第二夹持头133的连接方式，可以采用卡接、粘接、铆接、焊接、螺纹连接等方式，这里不作具体限定。

第一引伸杆121伸出加热炉110第一预设距离，第二引伸杆123伸出加热炉110第二预设距离，并且第一预设距离与第二预设距离不相等。容易理解的是，可以是第一引伸杆121伸出加热炉110的长度更长，也可以是第二引伸杆123伸出加热炉110的长度更长。

优选地，在本实施例中，第一预设距离为5厘米至10厘米；第二预设距离为5厘米至10厘米，且第一引伸杆121伸出加热炉110的长度相对第二引伸杆123伸出加热炉110的长度更长。比如，第一引伸杆121伸出加热炉110外8厘米，第二引伸杆123伸出加热炉110外5厘米。

加热炉110的侧面设有第一通孔和第二通孔，第一通孔的尺寸形状与第一引伸杆121的尺寸形状相适应，供第一引伸杆121穿过。第二通孔的尺寸形状与第二引伸杆123的尺寸形状相适应，供第二引伸杆123穿过。

在本实施例中，第一引伸杆121和第二引伸杆123均采用陶瓷杆。陶瓷杆耐高温，尤其适用于高温条件下的应变测量，并且陶瓷杆不易被氧化，性能稳定，能够被重复使用。同时，采用陶瓷杆相对金属杆而言，成本相对较低，体积更小。这样，第一通孔和第二通孔的尺寸可以相对更小，使得陶瓷杆在高温下依然可以保持很高的刚度，所以对内部温度场影响就比较小。而且，第一通孔和第二通孔的尺寸越小，加热炉110的隔热性能更好，更有利于待测试样101在超高温条件下、大变形测量。

图3为本发明具体实施例提供的激光引伸计100的激光测量系统150的测试原理示意图，请参照图3。图中激光测量系统150中的箭头表示光的路径方向。

激光测量系统150包括激光器151、发射光镜片组152、图像传感器154、接收端镜片组153、信号处理器155和数据处理器156。激光器151与信号处理器155连接，发射光镜片组152设于激光器151和第二引伸杆123之间，第一引伸杆121相对第二引伸杆123远离激光器151。激光器151发出的光经发射光镜片组152到达第二引伸杆123、第一引伸杆121，在第一引伸杆121处反射后形成地光束，在第二引伸杆123处反射后形成第二光束，第一光束和第二光束经过接收端镜片组153到达图像传感器154。图像传感器154实时采集反射后的第一反射光束161、第二反射光束163位置信息并将第一反射光束161、第二反射光束163位置信息传递至信号处理器155中，信号处理器155与数据处理器156连接。信号处理器155将第一反射光束161、第二反射光束163位置信息转换为数据处理器156能识别处理的信号，再传递至数据处理器156中，数据处理器156计算待测试样101的应变。优选地，数据处理器156可以是计算机，图像传感器154采用线性CCD阵列传感器。

在本实施例中，激光器151与第二引伸杆123在加热炉110外的一端端部处于同一平面上。激光器151发出的光束先到达第二引伸杆123处发生反射，形成第一反射光束161；再到达第一引伸杆121处发生反射，形成第二反射光束163。作为优选，激光器151与第二表面1331的垂直距离为5厘米至20厘米。该垂直距离可以根据不同的阵列图像传感器154以及根据待测试样101的长度和需求精度来设定的。

图4为本发明具体实施例提供的激光引伸计100测量方法的测试流程示意图，请参照图4。

本实施例提供的一种激光引伸计100测量方法，用于测试待测试样101的实时应变，包括：

S1：测量待测试样101的初始长度。设置第一引伸杆121，第一引伸杆121的下端面与待测试样101的一端端面共面。设置第二引伸杆123，第二引伸杆123的下端面与待测试样101的另一端端面共面。测量第一引伸杆121的下端面与第二引伸杆123的下端面的距离L₀，即待测试样101的初始长度。

S2：测量待测试样101在加温加载工况下的实际长度。向待测试样101施加载荷F，并控制加热炉110升温，实时测量第一引伸杆121的下端面与第二引伸杆123的下端面的距离L′(t)，即加温、加载条件下，不同时刻待测试样101的实际长度。

S3：计算待测试样101的应变。实时应变

本发明提供的激光引伸计100及其测量方法，其测试原理如下：

待测试样101、第一引伸杆121和第二引伸杆123均设于加热炉110内，激光测量系统150设于加热炉110外。第一夹持头131相对第二夹持头133位于上方，第二夹持头133位于下方。待测试样101竖直安装在第一夹持头131和第二夹持头133之间，即待测试样101的一端端面与第一夹持头131的第一表面1311贴合连接，待测试样101的另一端端面与第二夹持头133的第二表面1331贴合连接。第一引伸杆121安装在第一夹持头131上，且第一引伸杆121的下端面与第一表面1311共面；第二引伸杆123安装在第二夹持头133上，且第二引伸杆123的下端面与第二表面1331共面。第一引伸杆121的下端面和第二引伸杆123的下端面之间的距离即待测试样101的长度。第一引伸杆121和第二引伸杆123均延伸至加热炉110外。

在初始状态下，先通过激光测量系统150在加热炉110外测量出第一引伸杆121的下端面和第二引伸杆123的下端面之间的距离，即待测试样101的初始长度。再对待测试样101进行加温、加载，待测试样101在加热炉110内的长度变化会导致第一引伸杆121的下端面和第二引伸杆123的下端面之间的距离发生变化，这样，在对待测试样101进行加温、加载的同时，通过激光测量系统150实时测量第一引伸杆121的下端面和第二引伸杆123的下端面之间的距离，即可计算待测试样101的应变，完成高温条件下的应变测量。

综上所述，本发明提供的激光引伸计100及其测量方法具有以下几个方面的有益效果：

本发明提供的激光引伸计100，结构简单，陶瓷杆成本相对较低，安装方便，耐高温，耐氧化，能够将加热炉110内的高温区域的变形转换到外部的低温区域，高温下应变测量精度高，由于陶瓷杆体积较小，加热炉110上开设的通孔尺寸较小，加热炉110隔热性能好，更有利于超高温状态下大变形量的应变测量，使用方便，适用范围广，可重复使用。

本发明提供的激光引伸计100测量方法，第一引伸杆121和第二引伸杆123将加热炉110内的高温区域的变形转换到外部的低温区域，通过测试第一引伸杆121和第二引伸杆123之间的距离，计算待测试样101的长度。通过实时测试第一引伸杆121和第二引伸杆123之间的距离的变化情况，获得待测试样101在不同工况下的应变曲线。测量方法简单，可操作性强，测量精度高，具有极大的推广应用价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。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 (10)

1.一种激光引伸计，其特征在于，包括加热炉、引伸计、夹具组件和激光测量系统；

所述引伸计包括第一引伸杆和第二引伸杆，所述夹具组件包括第一夹持头和第二夹持头；所述第一夹持头和所述第二夹持头相对设置，并位于所述加热炉内；所述第一夹持头和所述第二夹持头之间用于安装待测试样；

所述第一引伸杆与所述第一夹持头连接，并延伸至所述加热炉外；所述第二引伸杆与所述第二夹持头连接，并延伸至所述加热炉外；所述第一引伸杆与所述第二引伸杆平行设置；

所述激光测量系统用于实时测量所述第一引伸杆和所述第二引伸杆之间的距离，以计算所述待测试样的实时长度及应变。

2.根据权利要求1所述的激光引伸计，其特征在于，所述第一夹持头包括第一表面，所述第二夹持头包括第二表面，所述第一表面与所述第二表面相对设置；所述第一引伸杆的下端面与所述第一表面共面，所述第二引伸杆的下端面与所述第二表面共面；所述待测试样的一端与所述第一表面贴合连接，所述待测试样的另一端与所述第二表面贴合连接。

3.根据权利要求1所述的激光引伸计，其特征在于，所述第一引伸杆和所述第二引伸杆均采用陶瓷杆。

4.根据权利要求1所述的激光引伸计，其特征在于，所述第一引伸杆伸出所述加热炉第一预设距离，所述第二引伸杆伸出所述加热炉第二预设距离，所述第一预设距离与所述第二预设距离不相等。

5.根据权利要求4所述的激光引伸计，其特征在于，所述第一预设距离为5厘米至10厘米；所述第二预设距离为5厘米至10厘米。

6.根据权利要求1所述的激光引伸计，其特征在于，所述加热炉的侧面设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔供所述第一引伸杆穿过，所述第二通孔供所述第二引伸杆穿过。

7.根据权利要求2所述的激光引伸计，其特征在于，所述激光测量系统包括激光器、发射光镜片组、图像传感器、接收端镜片组、信号处理器和数据处理器；所述激光器与所述信号处理器连接，所述发射光镜片组设于所述激光器和所述第二引伸杆之间，所述第一引伸杆相对所述第二引伸杆远离所述激光器；所述激光器发出的光经所述发射光镜片组到达所述第二引伸杆、所述第一引伸杆，分别在所述第二引伸杆、所述第一引伸杆处反射后，经过所述接收端镜片组到达所述图像传感器，所述图像传感器实时采集反射后的光束位置信息并将所述光束位置信息传递至所述信号处理器中；所述信号处理器与所述数据处理器连接。

8.根据权利要求7所述的激光引伸计，其特征在于，所述激光器与所述第二引伸杆在所述加热炉外的一端端部处于同一平面上。

9.根据权利要求7所述的激光引伸计，其特征在于，所述激光器与所述第二表面的垂直距离为5厘米至20厘米。

10.一种激光引伸计测量方法，其特征在于，用于测试待测试样的实时应变，包括：

设置第一引伸杆，所述第一引伸杆的下端面与所述待测试样的一端端面共面；

设置第二引伸杆，所述第二引伸杆的下端面与所述待测试样的另一端端面共面；

测量所述第一引伸杆的下端面与所述第二引伸杆的下端面的距离L₀；

向所述待测试样施加载荷，实时测量所述第一引伸杆的下端面与所述第二引伸杆的下端面的距离L′(t)；

计算所述待测试样的应变，