房永強(qiáng)，余澤利，楊軍紅,，魏 康，馬曉晨，鄭 銥，余 森

(1.西安漢唐分析檢測(cè)有限公司，陜西西安710201；2.西北有色金屬研究院，陜西西安710016)

1 引 言

引伸計(jì)作為一種檢測(cè)材料拉伸應(yīng)變的計(jì)量器具，廣泛應(yīng)用于材料拉伸性能測(cè)試中，其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、通用性及可靠性直接影響材料的性能測(cè)試結(jié)果和對(duì)材料應(yīng)用性能的判定[1,2]。

常見的引伸計(jì)可分為接觸式引伸計(jì)與非接觸式引伸計(jì)兩類[3，4]，接觸式引伸計(jì)用量最大的為電子式引伸計(jì)[5]，其主要缺點(diǎn)是：如果樣品達(dá)到其斷裂點(diǎn)并出現(xiàn)鞭打，則可能損壞測(cè)試儀器；同時(shí)，傳統(tǒng)的接觸式引伸計(jì)不適用于測(cè)試細(xì)絲材、薄材樣品。非接觸式引伸計(jì)通過使用視頻或激光進(jìn)行拉伸測(cè)試，在試驗(yàn)過程中不與被測(cè)物接觸，即使樣品達(dá)到斷裂點(diǎn)，也可避免損壞儀器的風(fēng)險(xiǎn)。非接觸式引伸計(jì)中最常見的為視頻引伸計(jì)，它是利用亞像素原理進(jìn)行測(cè)量變形的精密測(cè)量?jī)x器[6，7]，由一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)對(duì)應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)組成，通過使用高分辨率數(shù)字影像技術(shù)跟蹤試樣上的兩個(gè)附加標(biāo)記的位移來測(cè)量變形[8～10]。其優(yōu)勢(shì)在于可高速、精確同步測(cè)量軸向和徑向兩個(gè)方向變形[11～14]，消除了試樣慣性造成的誤差；其應(yīng)用范圍廣，測(cè)量范圍大，基于攝像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像拍攝。

科學(xué)、有效地校準(zhǔn)是保證引伸計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、有效性、可靠性的重要溯源手段。目前，對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式引伸計(jì)已有成熟的標(biāo)定方法[15～17]；對(duì)于非接觸式視頻引伸計(jì)，ISO 9513:2012中規(guī)定，非接觸式視頻引伸計(jì)示值的標(biāo)定按照制造商的說明書進(jìn)行設(shè)定和標(biāo)定，國(guó)內(nèi)相關(guān)引伸計(jì)檢定規(guī)程和相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)于視頻引伸計(jì)的標(biāo)定也尚未進(jìn)行相關(guān)的研究和報(bào)道[18～20]。

本文研制了一套視頻引伸計(jì)標(biāo)定裝置，并對(duì)其標(biāo)定方法進(jìn)行了研究，旨在解決非接觸式視頻引伸計(jì)的準(zhǔn)確有效的計(jì)量溯源問題，為材料性能測(cè)試提供計(jì)量基礎(chǔ)保障。

2 視頻引伸計(jì)原理及標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)

2.1 視頻引伸計(jì)工作原理

以金屬板材拉伸試驗(yàn)為例介紹視頻引伸計(jì)的工作原理。視頻引伸計(jì)測(cè)量試樣的伸長(zhǎng)，需在試樣平行長(zhǎng)度部分的兩端分別制作一個(gè)邊緣標(biāo)記物。由于視頻引伸計(jì)工作時(shí)捕捉的是標(biāo)記物的幾何中心，因此用記號(hào)筆涂出來的圓斑標(biāo)記物的邊緣質(zhì)量對(duì)圓斑幾何中心以及圓斑標(biāo)記物移動(dòng)距離的測(cè)量影響不大。

本文用專用記號(hào)筆涂直徑3 mm左右黑點(diǎn)，上邊緣標(biāo)記物簡(jiǎn)稱上黑點(diǎn)，下邊緣標(biāo)記物簡(jiǎn)稱下黑點(diǎn)。上黑點(diǎn)和下黑點(diǎn)在圖像中的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)成像，因此需要對(duì)這兩個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行像素當(dāng)量的標(biāo)定，假設(shè)圖像中上邊緣區(qū)域的像素當(dāng)量為K1，下邊緣區(qū)域的像素當(dāng)量為K2。試樣拉伸過程中，試驗(yàn)機(jī)上夾頭所連接的橫梁保持位置不變，下夾頭向下移動(dòng)，視頻引伸計(jì)采集試樣在變形過程中的一系列圖像，見圖1。

圖1 視頻引伸計(jì)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of video extensometer

在上、下黑點(diǎn)中各選取一條邊緣進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，通過邊緣檢測(cè)算法檢測(cè)到邊緣標(biāo)記物在t=0時(shí)，上邊緣的位置為H10,下邊緣的位置為H20，經(jīng)過時(shí)間t，上邊緣的位置變?yōu)镠1，t，下邊緣的位置變?yōu)镠2，t，假設(shè)在t時(shí)間內(nèi)上邊緣的像素位移為ΔhH1,下邊緣的像素位移為ΔhH2,上邊緣的實(shí)際位移為為ΔhL1,下邊緣的實(shí)際位移為hL2,則有：

(1)

根據(jù)像素位移與實(shí)際位移之間的關(guān)系，有：

(2)

因此兩黑點(diǎn)之間的相對(duì)位移也就是試樣在t時(shí)刻的延伸Δh

Δh=ΔhL1-ΔhL1

(3)

2.2 視頻引伸計(jì)在線標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)

為有效解決視頻引伸計(jì)的溯源問題，本文設(shè)計(jì)了一套在線標(biāo)定裝置，該裝置可解決：1) 視頻引伸計(jì)橫向標(biāo)距和縱向標(biāo)距的標(biāo)定；2) 視頻引伸計(jì)的圖像畸變測(cè)量；3) 視頻引伸計(jì)位移示值的標(biāo)定；4) 實(shí)現(xiàn)視頻引伸計(jì)標(biāo)距和位移示值在同一基準(zhǔn)平面下標(biāo)定；5) 實(shí)現(xiàn)視頻引伸計(jì)的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

2.2.1 上標(biāo)定板和下標(biāo)定板設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)視頻引伸計(jì)標(biāo)距標(biāo)定和圖像畸變測(cè)量，設(shè)計(jì)了上標(biāo)定板，為解決示值溯源問題，設(shè)計(jì)了下標(biāo)定板。參考國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商給出的建議，拉伸試樣圓點(diǎn)標(biāo)記直徑一般在2～4 mm之間，本設(shè)計(jì)圓點(diǎn)標(biāo)記直徑選擇3 mm，參考拉伸試驗(yàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 9513:2012和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010,拉伸試樣標(biāo)距基本為5的倍數(shù)，因此相鄰兩圓心間的距離選擇了5 mm，示值誤差±0.15%。為了實(shí)現(xiàn)視頻引伸計(jì)圖像畸變的測(cè)量，上標(biāo)定板設(shè)計(jì)了6列、35行圓標(biāo)記。為了使標(biāo)定板圓標(biāo)記與使用偏振光的攝像頭識(shí)別出的試樣顏色形成對(duì)比，標(biāo)定板選用了白底黑圓標(biāo)記，材質(zhì)選取了溫度系數(shù)較小的陶瓷材料作為基材，標(biāo)距上標(biāo)定板見圖2，上標(biāo)定板可實(shí)現(xiàn)縱向標(biāo)距5～170 mm、橫向標(biāo)距5～25 mm以及在此區(qū)域內(nèi)任意方向兩點(diǎn)間距離的標(biāo)定、圖像畸變的測(cè)量、示值校準(zhǔn)時(shí)可作為上參考點(diǎn)。下標(biāo)定板設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)了6列、3行圓標(biāo)記，示值校準(zhǔn)時(shí)用作下參考點(diǎn)。

圖2 視頻引伸計(jì)標(biāo)距上標(biāo)定板Fig.2 Drawing of distance calibration board of video extensometer

2.2.2 在線標(biāo)定裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)視頻引伸計(jì)在線動(dòng)態(tài)標(biāo)定，本裝置采用精度高、重復(fù)性好的光柵位移傳感器作為主標(biāo)準(zhǔn)，編制程序控制步進(jìn)電機(jī)的速度，從而實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)位移的速度可調(diào)節(jié)。由于視頻引伸計(jì)工作時(shí)識(shí)別的是一個(gè)平面，上、下標(biāo)定板安裝須在同一平面，本裝置設(shè)計(jì)了專用定位裝夾裝置，解決了這一問題，減少了離面位移造成的測(cè)量誤差[21，22]。標(biāo)定裝置總體設(shè)計(jì)方案見圖3所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和外觀見圖4[23～26]。

圖3 標(biāo)定裝置總體設(shè)計(jì)方案Fig.3 Overall design scheme of calibration device

本裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于：1) 標(biāo)定板設(shè)置多個(gè)呈矩形陣列的黑色圓點(diǎn)，可以擴(kuò)大非接觸式視頻引伸計(jì)的檢測(cè)點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)在不改變校準(zhǔn)裝置整體安裝位置的情況下非接觸式視頻引伸計(jì)縱向標(biāo)距和橫向標(biāo)距的同步校準(zhǔn)以及圖像畸變測(cè)量；2) 標(biāo)定裝置設(shè)置升降安裝座便于調(diào)整上、下標(biāo)定板高度，適用于不同標(biāo)距范圍的非接觸式視頻引伸計(jì)的校準(zhǔn)；3) 標(biāo)定裝置內(nèi)部設(shè)置高精度光柵位移傳感系統(tǒng)控制下標(biāo)定板升降，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式視頻引伸計(jì)縱向位移的校準(zhǔn)；4) 視頻引伸計(jì)連續(xù)動(dòng)態(tài)、全量程標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)距與示值同步、同一平面內(nèi)標(biāo)定，解決了位移偏離的問題；5) 標(biāo)定裝置設(shè)置上、下夾裝機(jī)構(gòu)，夾持類型包括標(biāo)定板、圓棒、刀口型夾具等，更換夾具可以實(shí)現(xiàn)不同類型接觸式引伸計(jì)和非接觸式視頻引伸計(jì)的校準(zhǔn)。

圖4 標(biāo)定裝置Fig.4 Calibration device

2.3 標(biāo)定裝置的溯源

標(biāo)定裝置調(diào)試后，對(duì)其送檢，第三方溯源機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)定板和裝置位移示值進(jìn)行了溯源，標(biāo)定板用萬能工具顯微鏡進(jìn)行溯源，位移部分采用1等量塊進(jìn)行溯源，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表1和2所示。

表1 標(biāo)定板校準(zhǔn)結(jié)果Tab.1 Calibration results of the calibration plate

表2 標(biāo)定裝置示值偏差Tab.2 Indication deviation of the calibration device

對(duì)于0.5級(jí)視頻引伸計(jì)來說，標(biāo)距相對(duì)誤差為±0.5%，因此使用的標(biāo)準(zhǔn)器的示值誤差須滿足±0.15%，由表1可以看出：5 mm標(biāo)距測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)誤差較大，其結(jié)果為(0.07±0.04)%，k=2，但標(biāo)定板技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)定要求。

參考JJG 762—2007《引伸計(jì)》檢定規(guī)程，對(duì)于0.5級(jí)視頻引伸計(jì)來說，標(biāo)定示值時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)器示值≤1/3 mm時(shí),絕對(duì)誤差±0.5 μm，大于1/3 mm時(shí),相對(duì)誤差±0.15%。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，該裝置的技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于檢定規(guī)程中的要求。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 視頻引伸計(jì)標(biāo)距的標(biāo)定

視頻引伸計(jì)標(biāo)距標(biāo)定時(shí)用標(biāo)定裝置的上標(biāo)定板，選取上標(biāo)定板的最小標(biāo)定距離5 mm以及常用標(biāo)距50，100 mm作為測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。將標(biāo)定裝置安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)底座上并調(diào)平，保證標(biāo)定板的垂直軸線與試驗(yàn)機(jī)試樣拉伸時(shí)垂直軸線基本重合；進(jìn)入視頻引伸計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦，待上標(biāo)定板在對(duì)話框清晰可見后開始測(cè)試；測(cè)試最小標(biāo)定距離 5 mm 時(shí)，在同一列圓上任意選擇相鄰兩圓點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)大于5 mm時(shí)，為了避免干擾需要用白色背景紙遮蓋兩圓點(diǎn)之間的其余圓點(diǎn)標(biāo)記；重復(fù)對(duì)焦并測(cè)量3次，測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

3.2 視頻引伸計(jì)示值的標(biāo)定

視頻引伸計(jì)示值的準(zhǔn)確性是影響測(cè)試材料的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度、延伸率等指標(biāo)的另一個(gè)因素。

本文選擇了常用測(cè)試范圍中的0.1，0.2，0.5，2，5 mm典型的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。為了比較機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器和標(biāo)定裝置，視頻引伸計(jì)示值的標(biāo)定選擇了兩種方式。

表3 引伸計(jì)標(biāo)距測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Extensometer gauge length test data mm

3.2.1 機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器標(biāo)定

用黑色記號(hào)筆在機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器的上下測(cè)桿同一軸線上涂直徑大約3 mm圓點(diǎn)，將上下測(cè)桿上兩點(diǎn)之間的距離調(diào)節(jié)至50 mm左右，先對(duì)焦標(biāo)定標(biāo)距，然后旋轉(zhuǎn)機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器微分筒，下測(cè)桿向下產(chǎn)生0.1，0.2，0.5，2，5 mm位移，記錄視頻引伸計(jì)軟件顯示位移，重復(fù)測(cè)量10次。

3.2.2 標(biāo)定裝置標(biāo)定

視頻引伸計(jì)標(biāo)距標(biāo)定后，保證標(biāo)定裝置固有位置標(biāo)定示值，通過視頻引伸計(jì)軟件將裝置的上標(biāo)定板、下標(biāo)定板調(diào)整在視頻引伸計(jì)的焦距范圍內(nèi)，對(duì)焦調(diào)整焦距，在上標(biāo)定板和下標(biāo)定板同一列圓中上下各選擇一個(gè)黑色圓標(biāo)記，調(diào)整上下標(biāo)定板的距離保證上下標(biāo)定板兩圓圓心距在50 mm左右，首先標(biāo)定視頻引伸計(jì)標(biāo)距，啟動(dòng)視頻引伸計(jì)標(biāo)定裝置，下標(biāo)定板向下緩慢產(chǎn)生0.1，0.2，…，5 mm位移量進(jìn)行在線標(biāo)定，重復(fù)標(biāo)定10次。

圖5為機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器和標(biāo)定裝置對(duì)0.1，0.2，0.5，2 mm測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析圖。兩種標(biāo)定方式比對(duì)得出：用標(biāo)定裝置標(biāo)定，測(cè)得的數(shù)據(jù)分散性小。其原因有三點(diǎn)：一是標(biāo)定裝置的精度和重復(fù)性優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器；二是用標(biāo)定裝置標(biāo)定示值時(shí)是連續(xù)無停頓的，而機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器需要停頓讀數(shù)，故人為影響因素多；第三是因?yàn)闃?biāo)定裝置上、下標(biāo)定板的同軸度高于機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器上、下測(cè)桿。

圖5 機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器與標(biāo)定裝置測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Fig.5 Comparison of test results of mechanical extensometer calibrator and calibration device

4 不確定度分析

4.1 標(biāo)距測(cè)量不確定度評(píng)定

視頻引伸計(jì)標(biāo)距測(cè)量不確定度來源主要有測(cè)量重復(fù)性、標(biāo)定板標(biāo)定結(jié)果的不確定度、標(biāo)定板陶瓷溫度系數(shù)引入的不確定度。金屬材料拉伸試驗(yàn)中，常見標(biāo)距有25，50，100 mm，本文選擇標(biāo)距50 mm為例對(duì)標(biāo)距的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。

4.1.1 標(biāo)距重復(fù)性測(cè)量引入的不確定度分量u1

對(duì)50 mm標(biāo)距測(cè)試點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次,由于標(biāo)距的測(cè)量以單次測(cè)量作為測(cè)量結(jié)果，故標(biāo)準(zhǔn)偏差s即為u1：

4.1.2 標(biāo)定板的校準(zhǔn)結(jié)果引入的不確定度分量u2

表1給出了標(biāo)定板在20 ℃時(shí)50 mm標(biāo)距測(cè)試點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果為50.006 mm，相對(duì)誤差的擴(kuò)展不確定度Urel=0.01%，k=2。因此

4.1.3 標(biāo)定板石英玻璃溫度系數(shù)引入的不確定度分量u3

=0.20 μm

4.1.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

視頻引伸計(jì)標(biāo)距(50 mm)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

取置信概率95%，得絕對(duì)誤差擴(kuò)展不確定度：

U=k·u=2×4.89=9.78 μm，k=2

相對(duì)誤差的擴(kuò)展不確定度：

標(biāo)距50 mm實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中偏離標(biāo)準(zhǔn)值最大值為50.047 mm，示值誤差為0.09%，則50 mm標(biāo)距相對(duì)示值誤差為(0.09±0.02)%，k=2。

4.2 示值不確定度評(píng)定

視頻引伸計(jì)示值引入的不確定度來源包括：重復(fù)測(cè)量或分辨率、標(biāo)定裝置標(biāo)定結(jié)果引入的測(cè)量不確定度、標(biāo)定裝置光柵尺溫度變化引入的不確定度分量。本文對(duì)0.5 mm測(cè)試點(diǎn)不確定度進(jìn)行評(píng)定。

4.2.1 重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

對(duì)0.5 mm示值測(cè)試點(diǎn)重復(fù)測(cè)量10次,標(biāo)定時(shí)采用單次測(cè)量值的算數(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果,故：

4.2.2 標(biāo)定裝置校準(zhǔn)結(jié)果引入的不確定分量u2

查表2，標(biāo)定裝置在0.5 mm測(cè)試點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定為Urel=0.04%，k=2，因此擴(kuò)展不確定度U=Urel×0.5 mm=0.2 μm，k=2。

4.2.3 標(biāo)定裝置光柵尺溫度變化引入的不確定度分量u3

=0.01 μm

4.2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

示值0.5 mm測(cè)試點(diǎn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

取置信概率95%，得擴(kuò)展不確定度：

U=k·u=0.32 μm，k=2

相對(duì)擴(kuò)展不確定度：

0.5 mm實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中偏離標(biāo)準(zhǔn)值最大值為0.5008 mm，示值誤差為0.16%，則0.5 mm示值相對(duì)示值誤差為(0.16±0.06)%，k=2。

5 結(jié) 論

針對(duì)視頻引伸計(jì)溯源問題，本文設(shè)計(jì)了一套在線標(biāo)定裝置，該裝置通過了第三方校準(zhǔn)和溯源，并用該裝置對(duì)視頻引伸計(jì)進(jìn)行了在線標(biāo)定，結(jié)論如下：

(1) 該裝置由上、下標(biāo)定板和用于標(biāo)定示值的光柵傳感器組成，重復(fù)性、穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了引伸計(jì)的動(dòng)態(tài)全量程任意位移示值的標(biāo)定；將該標(biāo)定裝置的上、下標(biāo)距標(biāo)定板更換成測(cè)桿，可用于電子引伸計(jì)示值的標(biāo)定。

(2) 該裝置的標(biāo)定板技術(shù)指標(biāo)：最大示值相對(duì)誤差為0.07%(Urel=0.04%，k=2)；光柵位移部分技術(shù)指標(biāo)：小于等于1/3 mm時(shí)，絕對(duì)誤差小于0.3 μm(U=0.1 μm，k=2)，大于1/3 mm時(shí),相對(duì)誤差小于0.1%，(Urel=0.04%，k=2)。該裝置的技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于使用要求。

(3) 視頻引伸計(jì)標(biāo)定結(jié)果：50 mm標(biāo)距相對(duì)示值誤差為：(0.09±0.02)%，k=2；0.5 mm示值標(biāo)定結(jié)果為：(0.16±0.06)%，k=2。標(biāo)定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度明顯優(yōu)于機(jī)械式引伸計(jì)標(biāo)定器標(biāo)定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度(一般為Urel=0.15%,k=2)。