激光自动跟踪式材料变形测试系统的设计研究

在建筑业和制造业等领域，材料的应变性能是讨论选择使用何种材料时的一项非常重要的指标，引伸计则是检测材料这一性能的重要仪器设备。本论文分析了国内外引伸计的研究现状，提出了一种通过引入一类结构光作为定位标记的激光自动跟踪式材料变形测试系统的设计方案，以满足实际对大量程、高精度的材料变形测试的要求。本论文设计了激光跟踪式材料变形测试系统方案，描述了测试系统的工作原理，对系统的机械组成和光路结构进行了分析，得到了各组成部件之间的位置关系和参数取值范围。详细设计了激光跟踪机构的硬件电路和软件程序，实现了控制电机运动方向和调速，同时对激光跟踪速度和电机转速之间的关系进行了分析，得到了当试件速度变化时，控制电机转速的脉冲指令的发送频率的相应改变量。设计了激光自动跟踪图像处理方案，对CCD拍摄的试样和激光标记图像选取不同的滤波器进行滤波，利用Sobel算子进行边缘检测，设计了监测区域选取算法和激光标记识别算法，利用Hough变换对试件标记进行定位，完成了激光标记和试样标记的自动识别。为验证论文提出的各类方法的可行性，搭建了激光自动跟踪式材料变形测试系统的实验平台，分别进行了以下实验：（1）结构光对比实验：通过对比不同分划板产生的结构光，分析其特性，确定了适合本实验环境的结构光类型；（2）激光标记稳定度实验：对激光标记在CCD视场中的运动过程进行采样，经激光标记检测算法判断，激光竖直标记线的宽度维持在25个像素左右，经识别后的激光标记的稳定度较好；（3）激光跟踪精度对比实验：在机械结构固定且步距角均为0.014°的条件下，分别利用步进电机和伺服电机控制转镜进行扫描，实验结果表明使用步进电机的情况下扫描分辨率为200微米，使用伺服电机的情况下扫描分辨率为100微米，使用伺服电机时的扫描稳定度优于使用步进电机时的情况；（4）激光跟踪实验：试件以1mm/s的速度运动时，激光标记的跟踪误差小于200微米。上述实验验证了本论文设计的测试系统的可行性。