激光引伸计

黄群坤，苏 睿

(上海兹韦克测试设备技术服务有限公司，上海 200135)

激光引伸计

黄群坤，苏 睿

(上海兹韦克测试设备技术服务有限公司，上海 200135)

本文介绍了德国Zwick激光引伸计的应用范围、原理、特点及在高温环境下的应用。

激光引伸计；高温；试验

1 引 言

引伸计是用于测量试件标距间轴向及径向变形的基本装置，引伸计的精确度、稳定性、通用性及可靠性对于材料物理特性的检测和判断至关重要。试验机行业是引伸计较常见的应用领域,该领域所应用的引伸计需要适应各种试验条件及要求，诸如量程变化范围大、标距不统一、高温下进行试验等。常见的引伸计可分为接触式与非接触式两类，各有不同的优点和缺点，尚不能完全适应所有的试验要求和使用环境。

近年来，高温测试的需求量迅速增加，传统的接触式引伸计已不能满足高温测试的需求。随着激光测试技术和图像处理手段的成熟,激光引伸计得到了人们的青睐。本文总结、介绍了德国激光引伸计系统、激光引伸计的测量原理和应用范围。图1为德国Zwick最新的激光引伸计。

图1 德国Zwick激光引伸计

2 激光引伸计的测量原理

当一束激光照射到光感粗糙表面时，会往不同的方向发散光线，这些光线发生漫反射，其中一部分光线返回到激光接收器，另一部分散射之后不返回激光接收器，这样就形成了颗粒状的散斑图(如图2、图3所示)。

图2 激光束照到光感粗糙表面后分散

图3 激光散斑效应

在给试样施加载荷的过程中，试样的表面结构会慢慢发生变形，与此同时，照射到试样表面形成的激光散斑也会慢慢发生变形。此时，视频处理器会接收到连续变化的图像，而且视频处理器会定位所存储的散斑图案并计算出散斑图案在图像之间移动的位移，从而达到测量移动距离的目的。在图像之间实时迭代地应用这个过程，可以测量两个分离的激光图像之间的距离，从而测量出实时应变。每个测量完成后，基准的散斑图案又重新回到了原坐标点上(也就是说，在整个测量过程中，这个散斑图案在图像中是固定不变的)。

应变计算公式：

式中， ∑d1为次激光摄像头移动的位移之和；∑d2为主激光摄像头移动的位移之和；l0为两个散斑图案之间的初始距离。

3 德国Zwick激光引伸计系统描述及应用范围

激光引伸计包含两个测量头，测量头由数字影像器和激光光源组成。激光光束照射试样，在试样表面产生散斑图案，比较前一个与后一个试样表面的散斑图案，试验系统自动跟踪这些变化的散斑图案，从而得到试样伸长变化的信号。

激光引伸计提供非接触式应变测量技术，用于大多数材料测试。激光光谱技术意味着在测试过程中无需接触试样，更不需要在试样上做标记，激光引伸计的易用性能使其成为质量控制和研发等的理想测量系统。图4-图7为在激光照射下的不同材料的试样表面。

图4 45#钢

图5 铝合金

图6 橡胶

图7 塑料

4 激光引伸计的优势

(1)测量范围大：原始标记1.5mm起，可以测量试样应变；

(2)测量应用温度范围大：-70℃～1200℃；

(3)精度高：按照ISO 9513，精度等级为0.5级；

(4)无需在试样上打标记：节省时间，特别适合生产线测试和大批量测试，可以方便与环境温箱和高温炉配合使用；

(5)分辨率高：0.15μm。

5 激光引伸计在高温下的应用

高低温条件下的应变测量，在许多科技及工业部门有着日益广泛的应用和重要意义，特别是航空、航天、核工程、化工和动力工程中，很多机械、设备在高温或低温下工作，除了解决材料本身的高低温强度问题外，还迫切需要进行模型或材料在热(冷)态工况下的应力应变测量，特别是在高温环境中，测量条件较为恶劣，传统的接触式引伸计及应变片无法满足高温测试要求。德国Zwick研制的激光引伸计能够很好地克服高温环境应变测量难的问题，下面是具体的测量实例。

(1)激光引伸计在1100℃下金属拉伸测试

图8 高温测试装置

图8为高温测试前的测试装置。从图中可以看出，关闭高温炉后，激光引伸计发射出的激光透过高温炉前侧玻璃后，直接打在试样的表面进行实时捕捉应变变化。图9为金属拉伸测试完成后的状态。

图9 高温测试后的试样

(2)高温下测试的曲线

图10为应力-应变曲线。从图中可以看出，激光引伸计可以实时监测到试样在1100℃的应变，能够很好地得出试样在高温下的弹性模量、非比例极限伸长率等性能指标。

图10 应力-应变曲线

图11 应变控制曲线

从图11可以看出，激光引伸计进行的应变控制曲线也很好，更加确信了测量结果的可靠性和准确性。

6 结束语

目前，市场上常见的都是接触式引伸计和视频引伸计，这些引伸计在高温下很难满足应变测试的需求。而在国内，激光引伸计技术并没有得到很好

的发展，因此，希望本文能够为国内激光引伸计的研究和发展提供一点参考。

[1]GB/T 4338-2006 金属材料高温拉伸试验方法[S].

[2]杜晓，刘燕娜,等.激光自动跟踪式引伸计的优化设计[J].测试技术学报，2012,26(3):265-271.

[3]安志勇,赵铁钧,田雯,等.激光扫描钢材在线检测仪研究[J].测试技术学报,1994,8(1):27-33.

[4]李演楷,卫明阳,张云辉,等．引伸计的测量原理及其改进方法[J]．工程与试验，2010,50(3):65-66，74.

Laser Extensometer

Huang Qunkun, Su Rui

(Zwick China, Shanghai 200135, China)

As the newest technology for strain measurement, laser extensometer is used widely in some fields. The application, principle, characteristics of laser extensometer and the application at high temperature are described in the paper.

laser extensometer; high temperature; test

2016-10-11

黄群坤(1986-)，男，湖北大冶人，工学学士，工程师，研究方向：仪器设备及其应用等。

TH73

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.017