基本信息
- 项目名称：
- 一种基于激光测量技术的应变测量系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本系统可以完成材料的应变测量，核心技术是一种新型激光引伸计。不同于传统的激光引伸计利用光反射或光干涉，本系统是利用激光的传播路径变化测得位移。本系统在很广的刚度、温度和形变范围内都有较高的精度和稳定性。而且其成本低廉，操作简便，算法简单，以及对环境条件要求低。
- 详细介绍：
- 本系统发明的非接触式引伸计，使用标记引出形变，利用激光传播路径的特性来获取位移的变化。据信，世界范围内尚无对此方法的研究。 与应变片等接触式引伸计相比，除了精度更高，本系统的优势更在于可应用于微小试样、柔性材料、变温环境和大形变实验等情况。 在各类非接触式引伸计之中：相较于传统的激光引伸计，本系统不利用激光的反射或者干涉，由此对环境的要求低，而且也更加稳定可靠，不需要大量的矫正算法；与视频引伸计相比，由于不需要特制的镜头和高精度的CCD，成本低很多，而且不需要严格的特殊光照条件，算法简单。 综上所述，本系统是一种新颖的应变测量方法，不仅精度高、应用范围广泛，而且价格低廉。更重要的是其首创性，打破了国外对于应变测量的技术垄断。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 设计一种既可解决接触式引伸计无法对柔性、大形变或者微型试样进行形变测量等难点，又能克服激光引伸计和视频引伸计等已有非接触式引伸计造价昂贵、环境条件苛刻、算法复杂等缺陷的新型引伸计，不仅有很大的工程应用前景，也打破了国外对应变测量关键技术的垄断。 基本思路： 将试样实验区间的形变转化为标记物两端的位移变化。引入一条激光带，利用激光直线传播的特性，分析激光带被遮蔽区之间的距离变化，再经算法分析可得到试样的应变。 创新点： （1）利用激光直线传播的特性，避免了利用光反射和光干涉所需的苛刻环境条件，以及需要进行的复杂分析和矫正； （2）测量精度和适用的材料范围不输传统的非接触式引伸计，但其造价低廉许多。 技术关键： 本系统中的激光引伸计是技术核心。在激光带的变化与试样形变之间需由标记的位移来过渡信号，因此要保证标记与试样的粘合可靠，误差可被算法有效的消减。 主要技术指标： 单台激光器测量范围为33mm（双台理论上不限），精度等级为1级（参考标准DIN EN ISO 9513），分辨力为1μm，最小测量长度1mm，误差±2μm，最大采样频率2400Hz，激光安全等级为2M（不需要额外的保护措施）。
科学性、先进性
- 作品的先进性和科学性: 检索主要的文献数据库，尚未了解到有利用激光直线传播的特性测量形变的相关研究。相较于接触式引伸计，本系统可在其难以被应用的柔性材料、大形变实验、变温环境和微小试样等情况下进行精确测量；相较于非接触式引伸计，本系统有着同水平的技术指标，而其优势是成本低、操作简便、对环境要求不高。 技术性分析说明： 测量范围：形变值大于1mm。与一般的非接触式引伸计在同一量级；一般的接触式引伸计应变极限为2%左右。 适用材料：普遍适用。一般的接触式引伸计不能用于微小试件、柔性材料，或大形变实验。 测量精度：±2μm。一般来说，视频引伸计为±4μm，激光引伸计为±2μm，应变片误差一般为2%。 特殊实验要求：无特殊要求。视频引伸计需根据不同材料的特性安排特殊光照；利用光干涉的激光引伸计需在安静、清洁的暗室中进行测量；应变片的实验结果随温度变化而变化。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 图片、视频、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 该系统可进行应力应变数据采集记录、静动态测量以及绘制应力应变曲线和计算材料的弹性模量。 技术特点和优势： 本系统的特点在于发明了利用激光直线传播进行形变测量的新型激光引伸计。相较于利用光干涉或光反射的传统引伸计，其造价低、对环境要求不高，且操作简便；相较于接触式引伸计，则有着适用材料广泛，测量精度高的优势。 适用范围及推广前景： 本系统可普遍用于各类材料、各型试样的应变测量。由于相较传统非接触式引伸计更有优势，尤其可应用于更低廉的接触式引伸计不适用的柔性材料、大形变实验、变温环境和微小试样等情况。由此有着广阔的推广前景。 市场分析和经济效益预测： 应变测量广泛应用于科学研究和工业生产之中。本方法的技术指标达到传统非接触式引伸计水平，而较其有多方面的优势，如果定位于分割激光引伸计和视频引伸计市场，会有很大的经济前景。
同类课题研究水平概述
- 在材料的力学行为实验中通常将材料做成标准试样，借助引伸计获取试样形变。引伸计是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器。可分为接触式引设计和非接触式引伸计两大类。本系统采用的新型激光引伸计是一种非接触式引伸计。检索主要的文献数据库，尚未了解到有利用激光直线传播的特性测量形变的相关研究。 （1）接触式引伸计主要包括电阻应变片和机械式引伸计： ①电阻应变片 测量精度：电阻应变计测量常温下的静态应变时，灵敏度和精确度高，可分辨到一个微应变，一般精度为1%～2%。 适用范围：对于柔性材料、变温环境、微小试样和大形变实验难以测量。特殊的大应变电阻应变计可测到结果为20％的应变值。 ②机械式引伸计（杠杆式引伸计） 测量精度：示值精度为1um，放大倍数一般可达1000倍以上。 适用范围：除受电阻应变片类似的范围限制之外，所测材料的刚度必须足够大，否则材料受引伸计作用产生的应变将导致误差。 （2）非接触式引伸计主要包括激光引伸计和视频引伸计 ①视频引伸计 测量精度：配备不同焦距的镜头，可获得各种量程和精度。美国INSTRON公司的视频引伸计为单镜头固定式，视野范围50mm-500mm，最大误差为伸长的0.5%；GALDABINI公司的视频引伸计用单镜头固定式，视野范围为50mm-1000mm，最大误差为0.5um；中科院长春科新公司的视频引伸计视野范围50mm-1000mm，测量误差为4μm。 适用范围：视频光学引伸计应用范围非常广泛，几乎适用于所有材料，但需要根据不同材料的表面特性安排特殊光照。它还可用于一般引伸计不能测量的金属箔、线丝、塑料薄膜等材料变形测量。 ②激光全息干涉技术（干涉式激光引伸计） 测量精度：精度等级为1级（参考标准DIN EN ISO 9513）。分辨力1μm。 适用范围：广泛适用于各类材料、各型试样。 ③反射式激光引伸计 测量精度：精度等级为1级（参考标准DIN EN ISO 9513）。分辨力1μm。 适用范围：广泛适用于各类材料、各型试样。
