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申请/专利权人：湖北省产品质量监督检验研究院荆州分院

摘要：本发明提供了一种控制激光照射点跟踪标线非接触测量断裂伸长率的方法，所述的方法包括以下步骤：1、试验前的准备：（1）寻找垂直距离；（2）锁定标线边缘；2、试验中激光照射点动态跟踪标线边缘：（1）确定激光照射点的可见偏移量；（2）确定激光照射点的实际偏移量；（3）确定激光照射点跟踪速度；（4）确定伺服电机转速；3、识别试样断裂并计算断裂伸长率；本发明的方法是将激光位移传感器、集光管与引伸计相结合，利用激光照射点精准锁定标线边缘，通过多种算法计算相关变量和断裂伸长率，进一步提高检测结果的精度，有效解决引伸计与各种拉力机软件和数据接口的兼容问题，适用于小变形材料和大变形材料等多种检测场景，推广价值高。

主权项：1.一种控制激光照射点跟踪标线非接触测量断裂伸长率的方法，其特征在于：所述的测量方法包括以下步骤：步骤一、试验前的准备：（1）、寻找垂直距离：两台激光位移传感器A、B分别测量两条标线的边缘至伺服电机转动轴心的距离；设上标线对应激光位移传感器A、伺服电机A，下标线对应激光位移传感器B、伺服电机B；激光位移传感器发射激光束上下扫描试样来寻找垂线，伺服电机带动激光位移传感器正、反向旋转，实现激光扫描；正向扫描为激光位移传感器向对应的夹具头方向扫描，激光位移传感器A向上夹具头方向扫描为正向，激光位移传感器B向下夹具头方向扫描为正向，系统默认两台激光位移传感器启动时均正向扫描，扫描速度ω=90°s；通过两个步骤寻找垂直距离：①判断扫描方向是否正确，根据扫描过程中激光位移传感器的反馈数据Dd的变化趋势重新确定扫描方向：如果Dd从大变小，证明激光照射点正在靠近垂线，扫描方向正确；如果Dd从小变大，证明激光束正在远离垂线，扫描方向错误，则需反向扫描；为防止误判，需要对连续三个采样周期的Dd数据进行比较，如果连续三个数据持续减小，则判断扫描方向正确，如果连续的三个数据持续增大，则判断扫描方向错误；②搜索垂线，通过步骤①判断出正确的扫描方向后，正式开始扫描，直到Dd数据从小变大时结束扫描；为防止误判，Dd从小变大时，需要对连续三个采样周期的Dd数据进行比较，当连续的三个数据都持续增大时，结束扫描；计算机记录扫描结束时激光测距数据Dd中的最小值Ddmin，Ddmin即为伺服电机转动轴心至试样表面的垂直距离c；计算机将Dd=c时伺服电机的旋转位置作为编码器的零点，此后伺服电机相对于零点转过的角度即为θ，伺服电机正转时，θ＞0，伺服电机反转时，θ＜0，扫描结束后，伺服电机回到零点位置并停机；（2）、锁定标线边缘：①锁定原理：再次激光扫描试样，扫描过程中计算机将捕捉试样空白区、标线区、标线边缘反射激光的光电信号特征，并以此作为识别标线边缘的依据；识别出标线边缘后，结束扫描，伺服电机反转，控制激光照射点锁定标线边缘，即保证激光照射点的中心一直处于标线边缘位置；②空白区、标线区和标线边缘的判断标准：空白区的判断标准：激光位移传感器的激光垂直照射试样时对应的激光反射强度数字量信号Dx值即为空白区的信号特征值D空，标线区的判断标准：以DxD空≥3或DxD空≤13作为阈值，判断激光照射点从空白区跨入标线区，标线边缘的判断标准：标线边缘的信号特征值D0=12D空+D标；③锁定标线边缘的步骤：第一步：激光扫描试样，寻找空白区、标线区和标线边缘的信号特征D空、D标、D0；寻找垂线步骤结束后，伺服电机停机，此时的激光照射点锁定在垂直点位置，处于空白区，将此时的Dx赋值给D空，则扫描开始前DxD空=1；然后伺服电机带动激光位移传感器正向扫描试样，扫描速度ω=10°s；计算机默认设置标线辨识度k=3，扫描过程中实时对比DxD空与k、DxD空与1k的大小，并由此决定下一步伺服电机的动作，如果1k＜DxD空＜k，则计算机判定激光照射点没有跨区，继续扫描，如果DxD空由1变为≥k或≤1k，则计算机判定激光照射点从空白区跨入标线区，并开始记录该时刻之后Dx的极值，DxD空≥k时记录极大值，DxD空≤1k记录极小值，直到DxD空再次趋向于1，即DxD空=1±10%，判定激光照射点冲出标线区，再次进入空白区，此时将扫描过程中记录的Dx极值赋值给D标；计算机7根据捕捉的空白区和标线区的信号特征D空、D标，计算得到标线边缘的信号特征D0=12D空＋D标，结束扫描，伺服电机停转，此时激光照射点处在标线之外；扫描过程中激光反射强度数字量信号Dx是与反射激光的接收角度、接收距离无关的数字量，Dx通过反射激光---→光电流信号Iph---→标准电流信号Mph---→光电流数字量信号Dph---→激光反射强度数字量信号Dx的信号采集、处理过程获得；第二步：锁定标线边缘，令伺服电机反转，ω=－1°，返回至激光扫描试样过程中第一次Dx=D0时对应的角度θ0，伺服电机停机，锁定标线边缘步骤完成，自动进入下一步动态跟踪标线边缘程序；步骤二、试验中激光照射点动态跟踪标线边缘：试验前的准备就绪后，启动拉力试验机，随着拉力试验机上夹具头的移动，试样被不断拉伸，两条标线也相应向上移动，此时由于标线的运动，激光照射点中心和标线边缘之间产生相对偏移，这种偏移将导致空白区和标线区各自的激光反射面积发生变化，进而导致激光照射点作为面源反射激光时，整体的辐射力、辐射亮度和辐射通量也相应变化，最终表现为光电流信号Iph和激光反射强度数字量信号Dx产生变化；计算机根据Dx和算法求出实际偏移量x＇，判断激光照射点的偏移方向、偏移距离和标线边缘的移动速度，以此确定激光照射点的跟踪速度vt，进而确定伺服电机的转速ω，最终实现激光照射点以速度vt及时补偿偏移量x＇，保持和标线的相对静止，精准跟随标线边缘移动；整个跟踪过程由计算机控制一个闭环跟踪程序循环运行来实现，该闭环跟踪程序具体为：（1）、确定激光照射点的可见偏移量x：根据实时测量的激光反射强度数字量信号Dx和已知的D空、D标、r，结合Dx和x的函数关系反求x。Dx=fx表示为： （2-1）Dx=fx是关于x的在定义域x∈[-r，+r]上的单调递增函数,是一个超越函数，无法求反函数，即无法用Dx函数表示出x，本申请通过插值比较法反求x；（2）、确定激光照射点的实际偏移量x＇：实际偏移量x＇的计算公式为： （2-2）（3）确定激光照射点跟踪速度vt：进入试验阶段后，激光照射点将以vt的速度跟踪标线边缘，vt由va、vb、vc三个速度分量共同组成，表示为： （2-3）式中：vt表示当前采样周期（t时刻到t＋T时刻）内激光照射点的跟踪速度，t时刻表示当前采样周期开始的时刻；T表示采样周期，即伺服电机每多长时间重新确定一个新的转速，va表示当前采样周期内需要补偿的偏移量，vb表示对上个采样周期（t－T时刻到t时刻）内激光照射点的跟踪速度vt-T进行迭代，vc表示上个采样周期（t－T时刻到t时刻）内，试样标线边缘的平均移动速度`v标和激光照射点跟踪速度vt-T的差值；va的表示公式为： （2-4）vb的表示公式为： （2-5）vc的表示公式为： （2-6）式中：Δx＇=xt＇－xt－T＇表示t时刻和（t－T）时刻相比，新增的偏移量，vb+vc用来模拟标线边缘在当前t时刻的移动速度v标,t；（4）确定伺服电机转速ω：ω按如下公式计算： （2-7）式中，v：扫描半径为r时的扫描线速度mms，r:扫描半径mm，vt：激光照射点跟踪速度mms，r0:伺服电机转动轴心到试样的垂直距离mm，θ：伺服电机的旋转角度°；步骤三、识别试样断裂并计算断裂伸长率：拉力试验机的拉力传感器数据以数字量形式输出到计算机的输入端，在试验过程中，计算机持续比较拉力传感器连续两个采样周期的拉力数据，并自动判断试样是否断裂；当同时满足以下两个条件时，则可判断试样断裂，条件1：当测量力值大于判断阈值FTH时，计算机开始自动判断试样是否断裂；条件2：后前测量力值之比≤10%；计算机识别出试样断裂时，立即记录出现后前测量力值之比=10%时，紧邻的前一个采样时刻对应的拉伸应变，作为断裂伸长率εb，并固定显示在计算机的显示屏上；计算断裂伸长率时，根据下式计算试样断裂时的标距L： （3-1）式中：L：试样断裂时的标距mm，a：激光位移传感器A测量的从伺服电机转动轴心到上标线下边缘的距离mm，cA：激光位移传感器A测量的从伺服电机转动轴心到试样的垂直距离mm，b：激光位移传感器B测量的从伺服电机转动轴心到下标线上边缘的距离mm，cB：激光位移传感器B测量的从伺服电机转动轴心到试样的垂直距离mm，x上＇：试样断裂瞬间，激光照射点相对上标线0点位置的实际偏移量mm，x下＇：试样断裂瞬间，激光照射点相对下标线0点位置的实际偏移量mm；计算L时的特殊情况：在试样断裂瞬间，下标线的激光照射点中心位于垂线c之上，即伺服电机B的转动角度θB为负值，此时L的计算公式为： （3-2）得出L后，根据公式计算断裂伸长率： （3-3）式中：εb：断裂伸长率%，L：试样断裂时的标距mm，L0：试样原始标距mm；得出εb后，将εb的值固定显示在计算机的显示屏上，装置停机，试验结束。

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