胡潇寅 康张宜 虞跃凌 汤亚杰 / 上海市计量测试技术研究院

大量程引伸计校准装置

胡潇寅 康张宜 虞跃凌 汤亚杰 / 上海市计量测试技术研究院

利用磁栅尺与数字图像技术相结合的方式，开发了一种针对大量程引伸计的校准装置。将所设计的校准装置与Renishaw公司的XL-80激光干涉仪同时对一台大量程引伸计进行校准。实验结果表明，所设计的大量程引伸计校准装置在25～500 mm测量范围内的最大允许误差为0.09%。最后，对校准装置的不确定度进行了分析。

大量程引伸计；数字图像技术；引伸计标定仪

0 引言

引伸计是材料科学研究领域中最为常用的变形测量装置，目前最为常用的引伸计主要针对金属材料小区域小变形设计，量程通常为2～10 mm[1-3]。近年来，随着材料科学的迅速发展，大量程引伸计以其量程范围大、对被测试样伤害小、测量效率高、应用范围广等特点逐步取代传统引伸计。目前最常用的引伸计标定仪，由螺旋测微头与固定支架组成，测量范围为0～25 mm，仅适用于传统引伸计[4-5]。考虑到目前仍未有针对大量程引伸计的校准装置，利用磁栅尺和数字图像技术，研究开发一套非接触式大量程引伸计校准装置，校准范围为25～500 mm，最大允许误差不超过±0.1%。

1 装置结构及测量原理

所设计的大量程引伸计校准装置结构如图1所示，安装底座固定在地面上，移动滑台上安装有移动平台，CCD相机固定在移动平台上。磁栅尺安装在移动滑台侧面，并随其同步移动，用于测量位移。标定板固定在所需校准的大量程引伸计上。

校准装置的工作原理如图2所示。被测引伸计下端引伸杆固定在试验机下端，另一端加持在标定板上。当试验机横梁产生位移时，标定板和引伸计活动端随着试验机横梁一起运动，且位移相同。校准时，首先记录磁栅尺的位移读数L和标定板上的特征标记在CCD相机视野范围内的初始位置，以视野范围左上角为原点，其中心位置为（a，b），如图3所示。利用试验机使引伸计产生一定的位移p至校准点。标定板和引伸计活动端引伸杆刚性连接，因而所产生的位移相同。控制滑台上的移动平台带着CCD相机产生一定的位移d，使特征标记重新进入CCD相机的视野范围。此时磁栅尺的读数即为L'。校准装置所测量到的引伸计位移量可由式（1）得到。

图1 大量程引伸计校准装置结构

图2 测量原理示意图

图3 特征标记位置变化示意图

校准装置中的光学系统包括CCD相机、镜头、环光光源和标定板。CCD相机在校准过程中用以捕捉标定板上的特征标记，并记录下图像后用以测量特征标记在视野中的位置。环光光源在校准过程中为CCD相机提供良好的视野。标定板上刻有特征标记，用以测量被测引伸计的位移。测量软件用于通过测量所记录图片中特征标记与边界之间的像素数量，从而得到相应的长度信息。校准装置中的硬件信息如表1所示。

表1 硬件信息表

2 实验验证

为了验证所研制的校准装置，将其与一台激光干涉仪同时对一台大量程引伸计进行校准，并将两者数据进行比对，以激光干涉仪数据作为真值对校准装置进行准确度验证，如图4所示。激光干涉仪性能参数如表2所示，测试结果如表3所示。

图4 安装在试验机上的激光干涉仪

表2 激光干涉仪性能参数

表3 测试结果

从上述结果可以看出测量最大误差不超过±0.1%，量程以及测量准确度达到了最初的设计要求。

3 不确定度分析

3.1 测量重复性引起的标准不确定度u1的评定

测量重复性引起的标准不确定度u1的评定，可以通过连续测量得到测量列，采用A类方法进行评定。

u1= 0.061 8 μm；u1rel= 0.018% ；

3.2 磁栅尺误差所引起的不确定度u2的评定

按照磁栅尺的出厂报告和在激光干涉仪上的测量结果，测量准确度为5 μm。按均匀分布处理，包含因子，采用B类方法进行评定：

3.3 相机分辨力所引起的标准不确定度u3的评定

相机分辨力所引起的标准不确定度u3采用B类方法进行评定。读数分辨力按均匀分布考虑。

3.4 扩展不确定度评定

合成不确定度：

100 mm处：urel= 2.04/100×100% = 0.02%

扩展不确定度取覆盖因子：k= 2

4 结语

本文所设计的装置采用了磁栅尺和移动滑台与高像素相机相结合的方式，磁栅尺用于测量大位移，而相机则用于0～1 mm位移量的测量，从而实现了对大量程引伸计25～500 mm范围内位移量的校准。实验结果表明，这种测量方法可以满足最大允许误差±0.1%的要求。

[1] 全国力值硬度计量技术委员会.JJG 762-2007 引伸计检定规程[S].北京：中国计量出版社，2007.

[2] 王学鹏，石国发.大型电机材料0Cr18Ni10Ti 不锈钢的高温力学性能[J].理化检验，2016（3）：159-163.

[3] 王培侠，王景琳，仲想生.应变式测试在残余变形上的应用[J].凿岩机械气动工具，2015（1）：53-58.

[4] 全国几何量工程参量计量技术委员会.JJF 1096-2002 引伸计标定器校准规范[S].北京：中国计量出版社，2002.

[5] 项勇，王敏，郝定武.引伸计测量系统校准装置[P].CN202757856 U，2013.

Calibration device for large range extensometer

Hu Xiaoyin, Kang Zhangyi, Yü Yüeling, Tang Yajie
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

In this paper, based on the integration of magnetic railing ruler and digital image correlation technology, a new calibration device for the wide range extensometer is developed. By calibrating a large range extensometer simultaneously with a laser interferometer (Renishaw, model:XL-80), the measuring range and the precision of the designed calibration device is verified. Results show that the maximum error in the range of 25-500 mm is 0.09%. The uncertainty of the calibration device is analysed.