CN207074147U - 一种利用线阵ccd成像法测量杨氏弹性模量的实验*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：包括被测材料、支架、砝码、片状物、线阵CCD、辅助照明光源、信号采集与处理、成像透镜和稳定装置。本实用新型利用透镜成像把被测样品上的标线放大成像到线阵CCD上，采用计算机处理线阵CCD的图像信号，从而获得样品受力时标线位置的变化，并计算出材料的杨氏弹性模量。本方法具有非接触、结构简单、调整方便等优点。

Description

一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***

技术领域

本实用新型涉及光学实验领域，具体是一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***。

背景技术

杨氏弹性模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量，是工程技术中常用参数，是选择材料的重要依据之一，因而在桥梁、建筑、汽车等工程技术中，杨氏弹性模量的测量都非常重要。

测量杨氏弹性模量的方法很多，最常见的是镜尺组结合光杠杆进行测量，这种方法调整较为困难，间接测量量较多，容易引起较大的误差。

人们在实验研究中，还提出了利用激光杠杆、电容器、洛埃镜、迈克尔逊干涉仪、劈尖干涉、面阵CCD图像传感器、差动变压器、读数显微镜、光纤位移传感器等器件或手段测量杨氏弹性模量的方法，这些方法在测量精度、***复杂性、操作方便性及成本等方面都有一定的缺点。

利用最常用的光杠杆进行测量时，测量过程繁琐，由于光杠杆对振动很敏感，装置中的标尺、望远镜等调节起来也很费力，要求轻、稳、慢，实验操作起来相当麻烦。

采用面阵CCD、迈克尔逊干涉仪、洛埃镜等方式测量结构太过复杂，成本也较高。

采用光纤传感器测量时一般要求对传感器上下左右进行微调，结构精细，成本高，调节困难。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***。

为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：包括被测材料、支架、砝码、片状物、线阵CCD、辅助照明光源、信号采集与处理、成像透镜和稳定装置。

所述支架的整体结构呈矩形框架状。

所述稳定装置的整体结构呈板状，所述稳定装置的中心位置处设有一个通孔。所述稳定装置安装在支架上，所述稳定装置的平面两端朝向支架的顶端和底端。

所述被测材料呈丝状或棒状，所述被测材料的顶部被固定在支架的顶部正中位置、中间穿过稳定装置上的通孔，底部连接若干个砝码。所述被测材料的直径与稳定装置上的通孔直径相契合。

所述被测材料上粘贴片状物，所述片状物位于支架顶部和稳定装置之间。所述片状物的中间位置处设有标线。

所述标线通过成像透镜成像到线阵CCD上。所述标线的中心位置、成像透镜的中心位置和线阵CCD的中心位置位于同一条直线上，且该直线垂直于片状物所在平面。

所述辅助照明光源位于成像透镜的一侧。

所述辅助光源以照明标线物为目的，同时突出标线和标线物的反差，因此光源需放置在成像透镜一侧，照射反向与成像透镜所在方向的夹角不超过30度为宜。在CCD探测的光信号不饱和的前提下，光源距离标线物越近越好。

进一步，所述被测材料为金属棒或金属丝。

进一步，所述片状物为除镜面反射物外的任意固定在被测材料上并做标线的物体；所述标线和片状物在光的照射下有较大的亮度差别。

进一步，所述成像透镜的焦距为100mm，物距像距比例为1:3，即标线被放大3倍，可以调整物距和像距的比例，若比例减小，探测精度提高，但光强减弱，容易出现错判、漏判。

值得说明的是：

使用本实用新型中的装置***的测量原理为：

如果长为L，横截面积为A的金属丝(或棒)，受到沿长度方向的外力F作用后伸长ΔL，根据虎克定律：在弹性限度内，伸长应变ΔL/L与外应力F/A成正比，有

由此可得

式中E为该材料的杨氏弹性模量。它是某种材料伸长应变为1 时，单位面积所受的力。

本实用新型的技术效果是毋庸置疑的，本实用新型公开了一种利用线阵CCD和透镜成像测量杨氏弹性模量的一种新方法，利用透镜成像把被测样品上的标线放大成像到线阵CCD上，采用计算机处理线阵CCD的图像信号，从而获得样品受力时标线位置的变化，并计算出材料的杨氏弹性模量。本方法具有非接触、结构简单、调整方便等优点；具体的：

1)线阵具有CCD像素小、扫描速度快、动态范围大以及可通过积分时间调整灵敏度等优点，这些特点有利于实现高精度测量，并且非接触、速度快、环境适应强。

2)本实验***更为简洁，将标线成像到线阵CCD上比调整光杠杆在操作上更为容易。

3)通过算法判读阈值并计算成像位置，避免了人为读数引起的误差。

4)在算法上可以实现自动判断阈值和位置计算，这样可能实现智能实时测量。

5)减少了光杠杆这样的转动机构，测量结果的稳定性更好，从本次实验结果可见，相关系数r＝0.9998，线性度非常高。

附图说明

图1为线阵CCD成像法测量杨氏模量***结构图；

图2为光强分布曲线图；

图3为二值化以后的光强分布曲线图；

图4为定标用标尺及成像后的信号图；

图5为标线像位置与钢丝拉力的线性拟合图。

图中：被测材料1、支架2、砝码3、片状物4、标线401、线阵 CCD5、辅助照明光源6、信号采集与处理7、成像透镜8和稳定装置 9。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。

实施例1：

如图1所示，一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：包括被测材料1、支架2、砝码3、片状物4、线阵CCD5、辅助照明光源6、信号采集与处理7、成像透镜8和稳定装置9。

所述支架2的整体结构呈矩形框架状。

所述稳定装置9的整体结构呈板状，所述稳定装置9的中心位置处设有一个通孔。所述稳定装置9安装在支架2上，所述稳定装置9的平面两端朝向支架2的顶端和底端。

所述被测材料1呈丝状或棒状，所述被测材料1的顶部被固定在支架2的顶部正中位置、中间穿过稳定装置9上的通孔，底部连接若干个砝码3。所述被测材料1的直径与稳定装置9上的通孔直径相契合。

所述被测材料1上粘贴片状物4，所述片状物4位于支架2顶部和稳定装置9之间。所述片状物4的中间位置处设有标线401。

所述标线401通过成像透镜8成像到线阵CCD5上。所述标线401 的中心位置、成像透镜8的中心位置和线阵CCD5的中心位置位于同一条直线上，且该直线垂直于片状物4所在平面。

所述辅助照明光源6位于成像透镜8的一侧。

所述被测材料1为金属棒或金属丝。

实施例2：

所述被测材料1为钢丝，使用实施例1中的装置***进行测试：

1)被测材料1钢丝的一端悬挂在支架上，另一端通过添加砝码3施加拉力，钢丝1上紧贴一片状物4，片状物4上有一矩形标线401，标线401通过成像透镜8成像到线阵CCD5上，线阵CCD5将光强信号转化为电信号，信号采集与处理***将信号送至计算机软件处理；

固定在被测材料上并做线状标记的物体尺寸可以有较大的变动范围，本实施例中的标线401为矩形，约为10mm高、20mm宽。线状标记位于片状物4的中间且垂直于被测材料1，标线401在片状物4 上尽量长，宽度1-2mm为宜。

线状标记和该物体在光的照射下应有较大的亮度差别，以白底黑线或黑底白线为佳。

本实施例中线阵CCD5采用TCD1209型的CCD器件；通过上述步骤得到如图2所示的光强分布曲线图，图中横坐标代表像素值；总计有2048个有效像素，每两个像素的间距为14μm；纵坐标代表光强的相对大小，因此没有单位。

2)确定图2所示曲线中标线的中心位置

确定标线的中心位置的方法包括采用信号相关法、重心法或二值化法等，其中二值化处理法具有方法简单、速度快的优点。本实施例中采用二值化处理法二值化法求标线中心的位置分为三步：确定阈值、二值化、计算中心位置坐标。

2.1)确定阈值，一般阈值Pth取信号最大与最小值的中值(图中Pth＝500)，若采样时背景光波动较大，也可以采用浮动阈值法；

2.2)二值化，光强大于阈值的部分二值化为1，小于阈值的部分二值化为0，因此二值化后的曲线如图3所示；

2.3)计算中心位置坐标，如图3所示，x_a与x_b分别是标线像二值化后左右两侧的位置坐标，则标线的中心位置坐标为：

如果测得标线中心的初始位置坐标为x₁，然后钢丝上的拉力增加ΔF，钢丝伸长带动标线向下移动，线阵CCD上的像也会发生相应移动，可以得到标线像新的位置坐标x₂；如果成像透镜的放大倍数为β，可得钢丝在拉力ΔF的作用下伸长量ΔL为：

3)为了确定式(4)中的成像放大倍数β，最常用的方法是直接测量像距v和物距u，两者之比即为放大倍数。但这种方法测量物距、像距时并不容易测量准确，另外像差也会使误差进一步增大，因此采用定标的方法测量放大倍数β。

采用如图4(a)所示分度值为1mm的刻度尺放在图1中的标线处，经成像后线阵CCD采集的图像如图4(b)所示，经二值化处理后可知图中一个周期的像素数为167，显然其中一个周期的长度即是1mm 放大之后的结果，由此可得：

4)测试结果

待测钢丝直径R＝0.692mm，钢丝长L＝815mm，每个砝码质量 m＝1kg，每增加一个砝码测量1次数据，测量数据表1所示。

表1

代入式得E＝2.02×10¹¹(N/m²)。

取置信概率P＝95％，

测量结果的不确定度U_E≈8.5×10⁹N/m²。

即E＝(2.02±0.09)×10¹¹N/m²,P＝95％。

Claims (4)

1.一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：包括被测材料(1)、支架(2)、砝码(3)、片状物(4)、线阵CCD(5)、辅助照明光源(6)、信号采集与处理(7)、成像透镜(8)和稳定装置(9)；

所述支架(2)的整体结构呈矩形框架状；

所述稳定装置(9)的整体结构呈板状，所述稳定装置(9)的中心位置处设有一个通孔；所述稳定装置(9)安装在支架(2)上，所述稳定装置(9)的平面两端朝向支架(2)的顶端和底端；

所述被测材料(1)呈丝状或棒状，所述被测材料(1)的顶部被固定在支架(2)的顶部正中位置、中间穿过稳定装置(9)上的通孔，底部连接若干个砝码(3)；所述被测材料(1)的直径与稳定装置(9)上的通孔直径相契合；

所述被测材料(1)上粘贴片状物(4)，所述片状物(4)位于支架(2)顶部和稳定装置(9)之间；所述片状物(4)的中间位置处设有标线(401)；

所述标线(401)通过成像透镜(8)成像到线阵CCD(5)上；所述标线(401)的中心位置、成像透镜(8)的中心位置和线阵CCD(5)的中心位置位于同一条直线上，且该直线垂直于片状物(4)所在平面；

所述辅助照明光源(6)位于成像透镜(8)的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：所述被测材料(1)为金属棒或金属丝。

3.根据权利要求1所述的一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：所述片状物(4)为除镜面反射物外的任意固定在被测材料(1)上并做标线(401)的物体；所述标线(401)和片状物(4)在光的照射下有较大的亮度差别。

4.根据权利要求1所述的一种利用线阵CCD成像法测量杨氏弹性模量的实验***，其特征在于：所述成像透镜(8)的焦距为100mm，物距像距比例为1:3。