引伸计的应用现状及发展趋势

引伸计是用来测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器 3 部分组成。

传感器直接和被测构件接触，构件上被测两点之间的距离 l 为标距，标距的变化 Δl（伸长或缩短）为线变形。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大，记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来。

引伸计的种类很多，依据测量内容和工作原理的不同，可以划分成各种各样的引伸计。依据测量原理的不同，引伸计大致可分为机械式引伸计、电子引伸计、视频引伸计、激光引伸计、全自动引伸计等。

1. 机械式引伸计

机械式引伸计主要以球铰式引伸计为主，被广泛地使用。球铰式引伸计是胡国华于 1977 年设计发明的，由于其结构简单，操作方便，至今仍然被广泛应用于拉伸性能试验中。

球铰式引伸计通过 4 个顶尖螺钉安装在试样上，上标距叉和下标距叉处都是前、后各一个顶尖螺钉，如图 1 所示。

图 1 球铰式引伸计的工作原理示意图

当试样标距 l 伸长 Δl 时，上标距叉可看成不发生转动，而下标距叉以球铰为中心转动一微小角度，在千分表上就可反映出试样的伸长量。由于千分表轴线至球铰心的距离是试样轴线至球铰心距离的两倍，所以试样的伸长量为 Δl 时千分表的读数是 2Δl。

2. 电子引伸计

近年来伴随计算机时代的快速发展，出现了另外一种新型引伸计———电子引伸计。电子引伸计包括：电阻式引伸计、电容式引伸计、电感式引伸计等。

电子引伸计将应变信号采集到计算机里，使其同材料应力同步显示，相比机械引伸计，其降低了人为读数误差，提高了测量准确度。由于电子引伸计具有价格实惠、便于安装等优势，且易与电子万能试验机、电子传感器等配合联机使用，电子引伸计被国内外的相关行业广泛地使用。

2.1 电阻式引伸计

电阻式引伸计是一种电阻应变式传感器，应用最为广泛。电阻应变式引伸计的测量原理主要是依据黏贴在引伸计弹性元件上的应变片电阻产生变化，通过变换电路转化成电压信号，经过计算机采集与应力同步显示来测量应变，电阻应变式引伸计安装示意图如图 2 所示。

图 2 电阻应变式引伸计安装图

2.2 电容式引伸计

电容式引伸计是将物体长度的变化转换为电容的变化，再将测得的电容变化量换算成物体的应变。由于其在高频时基本上没有滞后现象，故可用于动态载荷的测试，如冲击力的测试等，电容式引伸计如图 3 所示。

图 3 电容式引伸计示意图

2.3 电感式引伸计

电感式引伸计的原理主要是构件变形使铁心运动，使得线圈电感发生变化，因此在输出线圈中产生了电压，放大并测出这个电压，即可换算出构件的位移及运动的规律。

电感式引伸计如图 4 所示，其不如电阻式引伸计轻便，但由于其在长时间测试时具有较好的稳定性，故适用于常设的测量装置。电阻应变式引伸计，是目前应用最多的引伸计。常见的电阻应变式引伸计有单侧电子引伸计、平均值引伸计、双侧电子引伸计等。

图 4 电感式引伸计示意图

2.4 测量误差

电子引伸计的测量误差对拉伸试验结果会有影响，不同的影响因素，产生不同的应变测量误差，测量结果直接影响到规定非（总）比例延伸强度的测试准确度。

3. 视频引伸计

视频引伸计是利用亚像素法原理测量试样变形的，核心是图像传感器（Charge-coupled Device，CCD) 感光元件，将光强度按一定比例转换成电信号输出。因此，可以用非接触方式同时测量纵向和横向两个方向的变形量，其测量范围由镜头焦距决定，配备不同焦距的镜头，可获得各种测量范围的量程。

3.1 测量原理

视频引伸计测量系统主要由光源部分、CCD 摄像头、图像采集器、图像处理、计算机和检测软件等组成。测试试样在无影光源照射下，首先经过 CCD 感光摄像，由图像采集器提取试样宏观变形，再经图像处理对比和计算变形量，输出应变信号给计算机，此时从力传感器上同步传输应力信号给计算机，由计算机将应变信号和应力信号合成输出应力 - 应变曲线。

视频引伸计的测量原理如图 5 所示。

图 5 视频引伸计测量原理示意图

CCD 成像技术检测拉伸变形量时，刻画在拉伸材料上的标志线的位移测量精度直接影响到拉伸变形量的计算，利用 CCD 接收标志线图像时，由于 CCD 光敏元的感光程度有所差异以及标志线本身的离散性，导致 CCD 在标志线信号的基础上产生抖动性起伏，出现毛刺或异常点，产生随机噪声，从而影响插值的效果。同时，通过小波变换对输出信号进行去噪处理，起到了滤除高频噪声、平滑输出曲线的效果。同时，采用最小二乘法进行曲线拟合，使位移精度达到了 CCD 光敏元尺寸的 1 /10。

3.2 发展情况

德国 Zwick、美国 Instron、日本 Shimadzu 和英国 Imetrum 公司先后开发了系列视频引伸计产品，在技术上都达到了比较高的水平。其中，德国 Zwick 公司和美国 Instron 公司走在了最前列，在中国市场的占有率比较高，而且产品结构合理，操作简便，功能齐全，外观质量高。而国内视频引伸计生产厂家尚处于起步阶段，技术指标少，科技含量较低。近几年，随着高新技术的不断出现，国内对材料应变检测的要求也越来越高。目前，市场上的视频引伸计均采用 CCD 作为光电传感器，对材料拉伸变形量进行非接触测量，并且采用大量的图像处理算法对采集得到的图像进行处理，以得到满意的力 - 变形曲线。