一種可以實現試樣橫截面幾何尺寸實時測量的測量裝置及試驗機的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可對試樣拉伸測試過程中的橫截面幾何尺寸進行實時測量的測量裝置及試驗機，用于獲得測試材料的真實應力?應變曲線，科學有效地分析材料的拉伸力學行為。它由移動平臺、攝像頭Ⅰ、攝像頭Ⅱ、支架、驅動裝置等組成。該測量裝置可模塊化地直接安裝在普通拉伸試驗機上，測量試樣在拉伸過程中的橫截面實時幾何尺寸，而且結構精巧、簡單實用。
【專利說明】
一種可以實現試樣橫截面幾何尺寸實時測量的測量裝置及試 驗機
技術領域
[0001] 本實用新型涉及對各種材料在不同拉伸狀態下進行試樣橫截面幾何尺寸實時測 量的測量裝置及試驗機。
【背景技術】
[0002] 現有的拉伸試驗機對材料試樣進行力學拉伸性能測試時，通常始終以試樣的初始 橫截面積去計算材料內部的應力，所得的拉伸試驗結果是工程應力-應變曲線。這種試驗處 理方法雖然存在著測量誤差，但是對于延伸率比較小的試驗材料公認可以接受。近年來，隨 著研發和工程應用材料的范圍不斷擴大和研究的深入，人們發現應用工程應力-應變曲線 在解釋一些材料的力學行為機制時存在著較大的不科學性。因此若能在材料試樣的拉伸過 程中對試樣進行橫截面幾何尺寸實時測量，就能實時計算出材料的真實應力，從而得出材 料的真實應力-應變曲線，有利于對材料的真實形變機制和力學性能進行科學有效的深入 研究。迄今為止，雖然也有一些研究材料真實應力-應變曲線的發明，例如下表中：
[0004] 但是上述表中的這些發明仍然存在著局限性：
[0005] 1)、主要針對金屬材料，金屬材料在整個拉伸過程應變較小，而彈性體材料的整個 拉伸過程中應變非常大，可到1000%以上，現有的設備并不能夠用于彈性體材料的真實應 力-應變曲線的測量；
[0006] 2)、主要針對金屬材料在拉伸過程中明顯的均勻塑性變形階段，通過泊松比之類 的參數擬合計算材料拉伸時的真實橫截面積，從而計算真實應力，而彈性體材料在拉伸時 的變形則顯著不同于金屬材料，無法用相關參數進行擬合計算得出拉伸時的真實橫截面 積，從而得出真實應力。
[0007] 而許多高彈性、超塑性、大延伸率的材料在拉伸試驗時，其在拉伸方向上的尺寸變 化較大，導致試樣在垂直于拉伸方向的橫截面積尺寸變化也較大，此種狀態下，工程應力和 真實應力的偏差非常大(有的可達數十倍以上），使用工程應力并不能夠代表這些材料在此 拉伸狀態下的真實應力-應變行為，故長期以來廣為采用的工程應力-應變曲線并不能夠科 學真實地表征這些材料的力學性能及其形變機制。 【實用新型內容】
[0008] 本實用新型旨在消除上述方法的局限性，提供一種可以實時測量試樣拉伸過程中 相互垂直兩個方向上的試樣幾何尺寸，無論試樣的橫截面是圓形還是矩形，均能夠實時計 算出橫截面的面積，從而實時計算出真實應力，得出彈性體材料在拉伸過程中的真實應力-應變曲線。
[0009] 本實用新型的目的在于提供一種彈性體材料拉伸過程中對試樣橫截面幾何尺寸 進行實時測量的用于拉伸試驗機的測量裝置。
[0010] 本實用新型的另一目的是提供上述測量裝置的用途。
[0011] 本實用新型是一種裝于拉伸試驗機上可對試樣進行橫截面幾何尺寸實時測量的 測量裝置，用于對試樣真實應力-應變曲線的得出和分析。該裝置能在普通的拉伸試驗機上 測量試樣在拉伸過程中的橫截面實時幾何尺寸，而且結構精巧、簡單實用，可模塊化地直接 安裝在普通拉伸試驗機上。
[0012] -種可以實現試樣橫截面幾何尺寸實時測量的用于拉伸試驗機的測量裝置，包括 支架、移動平臺、攝像記錄裝置、驅動裝置;所述攝像記錄裝置設置在移動平臺上，所述移動 平臺由驅動裝置帶動沿直線往返運動；
[0013] 所述攝像記錄裝置包括攝像頭I和攝像頭Π，所述攝像頭I和攝像頭Π所在水平線 與移動平臺運動方向夾角為85~95°，優選90°，即垂直。
[0014] 進一步地，在上述技術方案中，所述攝像頭I和攝像頭Π拍攝的方向呈垂直，且在 同一平面上，對準拉伸試樣的橫截面的寬和厚。
[0015] 進一步地，在上述技術方案中，所述驅動裝置的傳動形式包括帶傳動、螺桿傳動和 齒輪傳動但不限于以上三種。
[0016] 進一步地，在上述技術方案中，在試樣拉伸或壓縮過程中，所述移動平臺的移動方 向與試樣的拉伸或壓縮方向一致，所述移動平臺的移動速度是試樣的拉伸或壓縮速度的一 半，所述攝像頭I與攝像頭Π對準試樣被拉伸或壓縮部分的中間位置，且能保持移動平臺的 移動速度保持在試樣拉伸速度的一半左右且可調節，這樣在剛開始時候調節移動平臺的位 置使得攝像頭I與攝像頭Π剛好對準試樣被拉伸或壓縮部分的中間位置，以后拉伸過程中 攝像頭I與攝像頭Π能始終對準試樣被拉伸或壓縮部分的中間位置。
[0017] 所述的作為整個裝置中的支架，在裝置中起支撐和控制平臺運動方式的作用。
[0018] 在上述技術方案中，所述攝像頭I與攝像頭Π連接計算機，利用計算機對兩攝像頭 拍攝的圖片進行測量處理。
[0019] 進一步地，在上述技術方案中，所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式若為帶傳動， 其驅動裝置包括鋼絲繩（4)、滑輪座（5)、滑輪（6)，支架包括頂板1(1)、導軌1(2)、導軌Π (3)，頂板1(1)分別與導軌1(2)和導軌Π (3)的上端固定連接，導軌1(2)和導軌Π (3)平行安 置，滑輪座(5)固定在移動平臺上，滑輪(6)通過轉軸固定在滑輪座(5)上，可繞轉軸自由轉 動，鋼絲繩(4) 一端固定連接在拉伸試驗機的可移動部分(22)上，另一端固定連接在頂板I (I) 上，導軌1(2)和導軌Π (3)分別穿過設置在移動平臺上的兩個通孔與其滑動連接，移動 平臺由驅動裝置帶動可沿著導軌1(2)和導軌Π (3)做豎直方向上的運動。
[0020]進一步地，在上述技術方案中，所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式若為螺桿傳 動，其驅動裝置包括步進電機（11)、聯軸器（12)、螺桿（14)，支架包括頂板Π (10)、側板 (13)、圓柱導軌（15)、底座（17)，所述頂板Π (10)與側板(13)和圓柱導軌（15)的頂端固定連 接，底座（17)與側板（13)和圓柱導軌（15)的底端固定連接，圓柱導軌（15)穿過設置在移動 平臺上的通孔與其滑動連接，步進電機（11)固定在頂板Π (10)上，聯軸器（12)將步進電機 (II) 的輸出軸與螺桿（14)上端固定連接，螺桿(14)通過設置在移動平臺上與之相匹配的螺 孔，螺桿(14)底端與底座(17)轉動連接。
[0021 ]步進電機(11)轉動時，通過聯軸器（12)帶動螺桿(14)轉動，在螺桿（14)的驅動下， 移動平臺沿著圓柱導軌（15)做豎直方向上的運動。
[0022] 進一步地，在上述技術方案中，所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式若為齒輪傳 動，其驅動裝置包括步進電機（11)、齒條（19)、齒輪(20)，支架包括頂板ΙΠ (18)、側板（13)、 圓柱導軌（15)、底座（17)，頂板ΙΠ(18)與側板（13)和圓柱導軌（15)的頂端固定連接，底座 (17)與側板(13)和圓柱導軌（15)的底端固定連接，圓柱導軌（15)穿過設置在移動平臺上的 通孔與其滑動連接，步進電機（11)固定在移動平臺上，齒輪(20)與步進電機（11)的輸出軸 固定連接，齒條（19)上的齒與齒輪(20)上的齒相嚙合，齒條（19)的頂端與頂板ΠΚ18)固定 連接，齒條(19)的底端與底座(17)固定連接，齒條(19)通過移動平臺上的孔但不與其接觸。
[0023] 步進電機（11)轉動時，帶動齒輪(20)轉動，齒輪(20)轉動的同時沿著齒條（19)在 豎直方向上運動，帶動步進電機（11)在豎直方向上運動，帶動移動平臺沿著圓柱導軌（15) 做豎直方向上的運動。
[0024] 本實用新型提供一種包括上述的測量裝置的立式拉伸試驗機、臺式拉伸試驗機。
[0025] 本實用新型提供一種包括上述的測量裝置的桌面拉伸或壓縮試驗機。
[0026] 本實用新型提供一種包括上述的測量裝置的疲勞試驗機。
[0027]實用新型有益效果
[0028] 1、不需要對普通的拉伸試驗機的結構進行任何更改；
[0029] 2、在進行測量時，兩個攝像頭相互垂直分布在兩個方向上，分別記錄試樣在拉伸 過程中的寬度和厚度兩個方向的幾何尺寸;采用非接觸的光學測量，對拉伸試驗過程無影 響；
[0030] 3、在拉伸過程中，兩個攝像頭的位移始終是試樣伸長量的一半，即在一開始時通 過調整使得兩個攝像頭對準試樣的正中央，則在整個拉伸過程中兩個攝像頭能始終對準試 樣拉伸部分的中心位置，保證測量位置始終為拉伸試樣的中心位置，不發生變化。
【附圖說明】
[0031]本實用新型附圖9幅。
[0032]圖1是采用帶傳動方式的本實用新型的裝置主體機構；
[0033]圖2是采用螺桿傳動方式的本實用新型的裝置主體機構；
[0034] 圖3是采用齒輪傳動方式的本實用新型的裝置主體機構；
[0035] 圖4是一種實驗室中常用的立式拉伸試驗儀；
[0036] 圖5是采用帶傳動方式的本實用新型用于拉伸試驗儀時的示意圖；
[0037] 圖6是采用螺桿傳動方式的本實用新型用于拉伸試驗儀時的示意圖；
[0038] 圖7是采用齒輪傳動方式的本實用新型用于拉伸試驗儀時的示意圖；
[0039] 圖8是處理攝像頭攝像頭I和攝像頭Π所拍攝的圖片的方法的流程圖；
[0040] 圖9是本實用新型得出的真實應力-曲線與工程應力-應變曲線的對比圖。
[0041 ]圖中：
[0042] 1、頂板I 15、圓柱導軌
[0043] 2、導軌I 16、移動平臺Π
[0044] 3、導軌Π 17、底座
[0045] 4、鋼絲繩 18、頂板ΙΠ
[0046] 5、滑輪座 19、齒條
[0047] 6、滑輪 20、齒輪
[0048] 7、移動平臺I 21、移動平臺m
[0049] 8、攝像頭I 22、可移動部分
[0050] 9、攝像頭Π 23、拉力傳感器
[0051] 10、頂板Π 24、上夾頭
[0052] 11、步進電機 25、下夾頭
[0053] 12、聯軸器 26、拉伸機機身
[0054] 13、側板 27、顯示控制箱
[0055] 14、螺桿 28、機座
【具體實施方式】
[0056] 下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本實用新型，但 不以任何方式限制本實用新型。
[0057] -種可以實現試樣橫截面幾何尺寸實時測量的用于拉伸試驗機的測量裝置，包括 支架、移動平臺、攝像記錄裝置、驅動裝置;所述攝像記錄裝置設置在移動平臺上，所述移動 平臺由驅動裝置帶動沿直線往返運動;所述攝像記錄裝置包括攝像頭I和攝像頭Π ，所述攝 像頭I和攝像頭Π所在平面與移動平臺運動方向垂直。所述攝像頭I和攝像頭Π拍攝的方向 呈垂直，且在同一平面上，對準拉伸試樣的橫截面的寬和厚。
[0058] 在試樣拉伸或壓縮過程中，所述移動平臺的移動方向與試樣的拉伸或壓縮方向一 致，且能保持移動平臺的移動速度保持在試樣拉伸速度的一半左右且可調節，所述攝像頭I 與攝像頭Π對準試樣被拉伸或壓縮部分的中間位置，這樣在剛開始時候調節移動平臺的位 置使得攝像頭I與攝像頭Π剛好對準試樣被拉伸或壓縮部分的中間位置，以后拉伸過程中 攝像頭I與攝像頭Π能始終對準試樣被拉伸或壓縮部分的中間位置。
[0059] 實施例1
[0060]所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式為帶傳動，其驅動裝置由鋼絲繩4、滑輪座5、 滑輪6構成，支架由頂板II、導軌12、導軌Π 3構成，頂板II分別與導軌12和導軌Π 3的上端固 定連接，導軌12和導軌Π 3平行安置，滑輪座5固定在移動平臺17上，滑輪6通過轉軸固定在 滑輪座5上，可繞轉軸自由轉動，鋼絲繩4如圖中所示穿過滑輪6,鋼絲繩4一端固定連接在拉 伸試驗儀的可移動部分22上，另一端固定連接在頂板11上，導軌12和導軌Π 3分別穿過移動 平臺17上的兩個通孔與其滑動連接，移動平臺17可沿著導軌12和導軌Π 3做豎直方向上的 運動。
[0061]當拉伸機工作時，拉伸機可移動部分帶動鋼絲繩4 一端運動，鋼絲繩4帶動滑輪6和 滑輪座5-起上下運動，從而帶動移動平臺17上下運動，移動平臺17上的攝像頭18和攝像頭 Π 9也跟著一起運動，從而對試樣拉伸過程中的幾何尺寸進行記錄。
[0062] 實施例2
[0063]所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式為螺桿傳動，其驅動裝置為步進電機11、聯 軸器12、螺桿14,支架為頂板Π 10、側板13、圓柱導軌15、底座17,頂板Π 10與側板13和圓柱 導軌15的頂端固定連接，底座17與側板13和圓柱導軌15的底端固定連接，圓柱導軌15穿過 移動平臺Π 16上的通孔與其滑動連接，步進電機11固定在頂板Π 10上，聯軸器12將步進電 機11的輸出軸與螺桿14上端固定連接，螺桿14通過移動平臺Π 16上與之相匹配的螺孔，螺 桿14底端與底座17轉動連接。
[0064]步進電機11轉動時，通過聯軸器12帶動螺桿14轉動，在螺桿14的驅動下，移動平臺 Π 16沿著圓柱導軌15做豎直方向上的運動，移動平臺Π 16上的攝像頭18和攝像頭Π 9也跟 著一起運動，從而對試樣拉伸過程中的幾何尺寸進行記錄。
[0065] 實施例3
[0066] 所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式若為齒輪傳動，其驅動裝置為步進電機11、 齒條19、齒輪20,支架為頂板ΙΠ18、側板13、圓柱導軌15、底座17,頂板ΙΠ18與側板13和圓柱 導軌15的頂端固定連接，底座17與側板13和圓柱導軌15的底端固定連接，圓柱導軌15穿過 移動平臺ΙΠ21上的通孔與其滑動連接，步進電機11固定在移動平臺ΙΠ21上，齒輪20與步進 電機11的輸出軸固定連接，齒條19上的齒與齒輪20上的齒相嚙合，齒條19的頂端與頂板m 18固定連接，齒條19的底端與底座17固定連接，齒條19通過移動平臺ΙΠ21上的孔但不與其 接觸。
[0067]步進電機11轉動時，帶動齒輪20轉動，齒輪20轉動的同時沿著齒條19在豎直方向 上運動，帶動步進電機11在豎直方向上運動，帶動移動平臺ΙΠ21沿著圓柱導軌15做豎直方 向上的運動，移動平臺ΙΠ21上的攝像頭18和攝像頭Π 9也跟著一起運動，從而對試樣拉伸過 程中的幾何尺寸進行記錄。
[0068]采用本實用新型所述的裝置，進行實驗測量時，在拉伸試驗機上夾好試樣，使兩個 攝像頭呈垂直方向，分別對用測量試樣的寬度和厚度，通過圖像處理軟件的處理和比例換 算就可以計算出試樣在拉伸過程中的實時寬度和厚度，從而計算出試樣實時的橫截面積， 結合拉伸試驗機上得出的應力-應變數據，就可以計算得出試樣的真實應力-應變曲線。 [0069]圖9為對一種聚氨酯彈性體材料進行測量得出的工程應力-應變曲線與真實應力-應變曲線的對比圖。圖中，工程應力-應變曲線用濟南蘭光機電技術有限公司的XLW(M)智能 電子拉力試驗機測量得出，該試驗機和實驗所用試樣符合GB/T 17200-2008(橡膠塑料拉 力、壓力和彎曲試驗機(恒速驅動)技術規范)和GB/T 1040.1-2006(塑料拉伸性能的測定）。 真實應力-應變曲線采用實施例1中裝置測定。
【主權項】
1. 一種可以實現試樣橫截面幾何尺寸實時測量的測量裝置，其特征在于： 包括支架，所述支架上設有移動平臺、驅動裝置;所述移動平臺上設有攝像記錄裝置， 所述移動平臺由驅動裝置帶動沿直線往返運動； 所述攝像記錄裝置包括攝像頭1(8)和攝像頭Π (9)，所述攝像頭1(8)和攝像頭Π (9)所 在水平線與移動平臺運動方向夾角為85~95°。2. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于： 所述攝像頭1(8)和攝像頭Π (9)拍攝的方向呈垂直，且在同一平面上，在測量過程中， 調整兩攝像頭位置以保證剛好能夠對準試樣的寬度和厚度兩個面。3. 根據權利要求1或2所述的測量裝置，其特征在于： 所述驅動裝置的傳動形式為帶傳動，螺桿傳動或齒輪傳動。4. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于： 在試樣測試過程中，所述移動平臺的移動方向與試樣的拉伸或壓縮方向一致，所述移 動平臺的移動速度是試樣的拉伸或壓縮速度的一半，所述攝像頭I (8)和攝像頭Π (9)對準 試樣被拉伸部分的中間位置。5. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于： 所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式為帶傳動，其驅動裝置包括鋼絲繩（4)、滑輪座 (5)、滑輪(6)，支架包括頂板1(1)、導軌1(2)、導軌Π (3)，頂板1(1)分別與導軌1(2)和導軌 Π (3)的上端固定連接，導軌1(2)和導軌Π (3)平行安置，滑輪座（5)固定在移動平臺上，滑 輪(6)通過轉軸固定在滑輪座(5)上，可繞轉軸自由轉動，鋼絲繩(4)一端固定連接在拉伸試 驗機的可移動部分(22)上，另一端固定連接在頂板1(1)上，導軌1(2)和導軌Π (3)分別穿過 設置在移動平臺上的兩個通孔與其滑動連接，移動平臺由驅動裝置帶動可沿著導軌1(2)和 導軌Π (3)做豎直方向上的運動。6. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于： 所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式為螺桿傳動，其驅動裝置包括步進電機（11)、聯 軸器（12)、螺桿（14)，支架包括頂板Π (10)、側板（13)、圓柱導軌（15)、底座（17)，所述頂板 Π (10)與側板（13)和圓柱導軌（15)的頂端固定連接，底座（17)與側板(13)和圓柱導軌（15) 的底端固定連接，圓柱導軌（15)穿過設置在移動平臺上的通孔與其滑動連接，步進電機 (11)固定在頂板Π (10)上，聯軸器（12)將步進電機（11)的輸出軸與螺桿（14)上端固定連 接，螺桿（14)通過設置在移動平臺上與之相匹配的螺孔，螺桿（14)底端與底座（17)轉動連 接。7. 根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于： 所述測量裝置的驅動裝置的傳動形式為齒輪傳動，其驅動裝置包括步進電機（11)、齒 條（19)、齒輪(20)，支架包括頂板ΠΚ18)、側板（13)、圓柱導軌（15)、底座（17)，頂板ΠΚ18) 與側板(13)和圓柱導軌（15)的頂端固定連接，底座（17)與側板(13)和圓柱導軌（15)的底端 固定連接，圓柱導軌（15)穿過設置在移動平臺上的通孔與其滑動連接，步進電機（11)固定 在移動平臺上，齒輪（20)與步進電機（11)的輸出軸固定連接，齒條（19)的頂端與頂板m (18)固定連接，齒條（19)的底端與底座（17)固定連接，齒條（19)上的齒與齒輪(20)上的齒 相嚙合，齒條(19)通過移動平臺上的孔但不與其接觸。8. -種包括權利要求1所述的測量裝置的立式拉伸試驗機、臺式拉伸試驗機。9. 一種包括權利要求1所述的測量裝置的桌面拉伸或壓縮試驗機。10. -種包括權利要求1所述的測量裝置的疲勞試驗機。
【文檔編號】G01N3/06GK205679475SQ201620577693
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201620577693.5, CN 201620577693, CN 205679475 U, CN 205679475U, CN-U-205679475, CN201620577693, CN201620577693.5, CN205679475 U, CN205679475U
【發明人】張占平, 宋小飛, 齊育紅
【申請人】大連海事大學