視頻引伸計標定裝置設(shè)計及標定方法研究

房永強，余澤利，楊軍紅,，魏 康，馬曉晨，鄭 銥，余 森

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

1 引 言

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

常見的引伸計可分為接觸式引伸計與非接觸式引伸計兩類[3，4]，接觸式引伸計用量最大的為電子式引伸計[5]，其主要缺點是：如果樣品達到其斷裂點并出現(xiàn)鞭打，則可能損壞測試儀器；同時，傳統(tǒng)的接觸式引伸計不適用于測試細絲材、薄材樣品。非接觸式引伸計通過使用視頻或激光進行拉伸測試，在試驗過程中不與被測物接觸，即使樣品達到斷裂點，也可避免損壞儀器的風險。非接觸式引伸計中最常見的為視頻引伸計，它是利用亞像素原理進行測量變形的精密測量儀器[6，7]，由一個光學(xué)系統(tǒng)和一個對應(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)跟蹤試樣上的兩個附加標記的位移來測量變形[8～10]。其優(yōu)勢在于可高速、精確同步測量軸向和徑向兩個方向變形[11～14]，消除了試樣慣性造成的誤差；其應(yīng)用范圍廣，測量范圍大，基于攝像技術(shù)可實現(xiàn)實時圖像拍攝。

科學(xué)、有效地校準是保證引伸計測量數(shù)據(jù)準確性、有效性、可靠性的重要溯源手段。目前，對于傳統(tǒng)的接觸式引伸計已有成熟的標定方法[15～17]；對于非接觸式視頻引伸計，ISO 9513:2012中規(guī)定，非接觸式視頻引伸計示值的標定按照制造商的說明書進行設(shè)定和標定，國內(nèi)相關(guān)引伸計檢定規(guī)程和相關(guān)文獻資料對于視頻引伸計的標定也尚未進行相關(guān)的研究和報道[18～20]。

本文研制了一套視頻引伸計標定裝置，并對其標定方法進行了研究，旨在解決非接觸式視頻引伸計的準確有效的計量溯源問題，為材料性能測試提供計量基礎(chǔ)保障。

2 視頻引伸計原理及標定裝置設(shè)計

2.1 視頻引伸計工作原理

以金屬板材拉伸試驗為例介紹視頻引伸計的工作原理。視頻引伸計測量試樣的伸長，需在試樣平行長度部分的兩端分別制作一個邊緣標記物。由于視頻引伸計工作時捕捉的是標記物的幾何中心，因此用記號筆涂出來的圓斑標記物的邊緣質(zhì)量對圓斑幾何中心以及圓斑標記物移動距離的測量影響不大。

本文用專用記號筆涂直徑3 mm左右黑點，上邊緣標記物簡稱上黑點，下邊緣標記物簡稱下黑點。上黑點和下黑點在圖像中的兩個區(qū)域內(nèi)成像，因此需要對這兩個區(qū)域分別進行像素當量的標定，假設(shè)圖像中上邊緣區(qū)域的像素當量為K1，下邊緣區(qū)域的像素當量為K2。試樣拉伸過程中，試驗機上夾頭所連接的橫梁保持位置不變，下夾頭向下移動，視頻引伸計采集試樣在變形過程中的一系列圖像，見圖1。

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

在上、下黑點中各選取一條邊緣進行跟蹤監(jiān)測，通過邊緣檢測算法檢測到邊緣標記物在t=0時，上邊緣的位置為H10,下邊緣的位置為H20，經(jīng)過時間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,上邊緣的實際位移為為ΔhL1,下邊緣的實際位移為hL2,則有：

(1)

根據(jù)像素位移與實際位移之間的關(guān)系，有：

(2)

因此兩黑點之間的相對位移也就是試樣在t時刻的延伸Δh

Δh=ΔhL1-ΔhL1

(3)

2.2 視頻引伸計在線標定裝置設(shè)計

為有效解決視頻引伸計的溯源問題，本文設(shè)計了一套在線標定裝置，該裝置可解決：1) 視頻引伸計橫向標距和縱向標距的標定；2) 視頻引伸計的圖像畸變測量；3) 視頻引伸計位移示值的標定；4) 實現(xiàn)視頻引伸計標距和位移示值在同一基準平面下標定；5) 實現(xiàn)視頻引伸計的動態(tài)標定。

2.2.1 上標定板和下標定板設(shè)計

為實現(xiàn)視頻引伸計標距標定和圖像畸變測量，設(shè)計了上標定板，為解決示值溯源問題，設(shè)計了下標定板。參考國內(nèi)外供應(yīng)商給出的建議，拉伸試樣圓點標記直徑一般在2～4 mm之間，本設(shè)計圓點標記直徑選擇3 mm，參考拉伸試驗國際標準ISO 9513:2012和國家標準GB/T 228.1—2010,拉伸試樣標距基本為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%。為了實現(xiàn)視頻引伸計圖像畸變的測量，上標定板設(shè)計了6列、35行圓標記。為了使標定板圓標記與使用偏振光的攝像頭識別出的試樣顏色形成對比，標定板選用了白底黑圓標記，材質(zhì)選取了溫度系數(shù)較小的陶瓷材料作為基材，標距上標定板見圖2，上標定板可實現(xiàn)縱向標距5～170 mm、橫向標距5～25 mm以及在此區(qū)域內(nèi)任意方向兩點間距離的標定、圖像畸變的測量、示值校準時可作為上參考點。下標定板設(shè)計了設(shè)計了6列、3行圓標記，示值校準時用作下參考點。

圖2 視頻引伸計標距上標定板Fig.2 Drawing of distance calibration board of video extensometer

2.2.2 在線標定裝置設(shè)計

為了實現(xiàn)視頻引伸計在線動態(tài)標定，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準，編制程序控制步進電機的速度，從而實現(xiàn)了標準位移的速度可調(diào)節(jié)。由于視頻引伸計工作時識別的是一個平面，上、下標定板安裝須在同一平面，本裝置設(shè)計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量誤差[21，22]。標定裝置總體設(shè)計方案見圖3所示，結(jié)構(gòu)簡圖和外觀見圖4[23～26]。

圖3 標定裝置總體設(shè)計方案Fig.3 Overall design scheme of calibration device

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

圖4 標定裝置Fig.4 Calibration device

2.3 標定裝置的溯源

標定裝置調(diào)試后，對其送檢，第三方溯源機構(gòu)對標定板和裝置位移示值進行了溯源，標定板用萬能工具顯微鏡進行溯源，位移部分采用1等量塊進行溯源，實測數(shù)據(jù)及結(jié)果見表1和2所示。

表1 標定板校準結(jié)果Tab.1 Calibration results of the calibration plate

表2 標定裝置示值偏差Tab.2 Indication deviation of the calibration device

對于0.5級視頻引伸計來說，標距相對誤差為±0.5%，因此使用的標準器的示值誤差須滿足±0.15%，由表1可以看出：5 mm標距測試點的相對誤差較大，其結(jié)果為(0.07±0.04)%，k=2，但標定板技術(shù)指標均優(yōu)于標定要求。

參考JJG 762—2007《引伸計》檢定規(guī)程，對于0.5級視頻引伸計來說，標定示值時使用的標準器示值≤1/3 mm時,絕對誤差±0.5 μm，大于1/3 mm時,相對誤差±0.15%。

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

3 實 驗

3.1 視頻引伸計標距的標定

視頻引伸計標距標定時用標定裝置的上標定板，選取上標定板的最小標定距離5 mm以及常用標距50，100 mm作為測試點進行試驗。將標定裝置安裝在拉伸試驗機底座上并調(diào)平，保證標定板的垂直軸線與試驗機試樣拉伸時垂直軸線基本重合；進入視頻引伸計標定系統(tǒng)自動對焦，待上標定板在對話框清晰可見后開始測試；測試最小標定距離 5 mm 時，在同一列圓上任意選擇相鄰兩圓點進行標定，當大于5 mm時，為了避免干擾需要用白色背景紙遮蓋兩圓點之間的其余圓點標記；重復(fù)對焦并測量3次，測試數(shù)據(jù)見表3。

3.2 視頻引伸計示值的標定

視頻引伸計示值的準確性是影響測試材料的規(guī)定塑性延伸強度、規(guī)定總延伸強度、延伸率等指標的另一個因素。

本文選擇了常用測試范圍中的0.1，0.2，0.5，2，5 mm典型的測試點進行測試。為了比較機械式引伸計標定器和標定裝置，視頻引伸計示值的標定選擇了兩種方式。

表3 引伸計標距測試數(shù)據(jù)Tab.3 Extensometer gauge length test data mm

3.2.1 機械式引伸計標定器標定

用黑色記號筆在機械式引伸計標定器的上下測桿同一軸線上涂直徑大約3 mm圓點，將上下測桿上兩點之間的距離調(diào)節(jié)至50 mm左右，先對焦標定標距，然后旋轉(zhuǎn)機械式引伸計標定器微分筒，下測桿向下產(chǎn)生0.1，0.2，0.5，2，5 mm位移，記錄視頻引伸計軟件顯示位移，重復(fù)測量10次。

3.2.2 標定裝置標定

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

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

圖5 機械式引伸計標定器與標定裝置測試結(jié)果對比圖Fig.5 Comparison of test results of mechanical extensometer calibrator and calibration device

4 不確定度分析

4.1 標距測量不確定度評定

視頻引伸計標距測量不確定度來源主要有測量重復(fù)性、標定板標定結(jié)果的不確定度、標定板陶瓷溫度系數(shù)引入的不確定度。金屬材料拉伸試驗中，常見標距有25，50，100 mm，本文選擇標距50 mm為例對標距的測量結(jié)果進行不確定度評定。

4.1.1 標距重復(fù)性測量引入的不確定度分量u1

對50 mm標距測試點重復(fù)測量10次,由于標距的測量以單次測量作為測量結(jié)果，故標準偏差s即為u1：

4.1.2 標定板的校準結(jié)果引入的不確定度分量u2

表1給出了標定板在20 ℃時50 mm標距測試點的校準結(jié)果為50.006 mm，相對誤差的擴展不確定度Urel=0.01%，k=2。因此

4.1.3 標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 合成標準不確定度和擴展不確定度

視頻引伸計標距(50 mm)的合成標準不確定度為：

取置信概率95%，得絕對誤差擴展不確定度：

U=k·u=2×4.89=9.78 μm，k=2

相對誤差的擴展不確定度：

標距50 mm實測數(shù)據(jù)中偏離標準值最大值為50.047 mm，示值誤差為0.09%，則50 mm標距相對示值誤差為(0.09±0.02)%，k=2。

4.2 示值不確定度評定

視頻引伸計示值引入的不確定度來源包括：重復(fù)測量或分辨率、標定裝置標定結(jié)果引入的測量不確定度、標定裝置光柵尺溫度變化引入的不確定度分量。本文對0.5 mm測試點不確定度進行評定。

4.2.1 重復(fù)測量引入的標準不確定度分量u1

對0.5 mm示值測試點重復(fù)測量10次,標定時采用單次測量值的算數(shù)平均值作為測量結(jié)果,故：

4.2.2 標定裝置校準結(jié)果引入的不確定分量u2

查表2，標定裝置在0.5 mm測試點校準結(jié)果的相對擴展不確定為Urel=0.04%，k=2，因此擴展不確定度U=Urel×0.5 mm=0.2 μm，k=2。

4.2.3 標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 合成標準不確定度和擴展不確定度

示值0.5 mm測試點的合成標準不確定度為：

取置信概率95%，得擴展不確定度：

U=k·u=0.32 μm，k=2

相對擴展不確定度：

0.5 mm實測數(shù)據(jù)中偏離標準值最大值為0.5008 mm，示值誤差為0.16%，則0.5 mm示值相對示值誤差為(0.16±0.06)%，k=2。

5 結(jié) 論

針對視頻引伸計溯源問題，本文設(shè)計了一套在線標定裝置，該裝置通過了第三方校準和溯源，并用該裝置對視頻引伸計進行了在線標定，結(jié)論如下：

(1) 該裝置由上、下標定板和用于標定示值的光柵傳感器組成，重復(fù)性、穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了引伸計的動態(tài)全量程任意位移示值的標定；將該標定裝置的上、下標距標定板更換成測桿，可用于電子引伸計示值的標定。

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

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