浅论光测技术在钢材拉伸试验中的应用

浅论光测技术在钢材拉伸试验中的应用

蒋昀

江苏省产品质量监督检验研究院

【摘要】本文主要分析光测技术在钢材拉伸试验中的运用。钢铁资源在推动国民经济发展过程中发挥着重要的功能和作用，同时也是推动社会经济发展的基础性材料。随着一系列顶层设计的推进和实施，先进钢铁材料的运用范围不断拓展，研发和使用需求也在不断增加，光测技术为主的新型测量方法和手段也推动了材料力学试验的完善和进步。

【关键词】光测技术；钢材拉伸试验

1 光测技术原理

光测技术的应用主要是通过拍摄试样，在特定电荷耦合元件上进行数字化及图像化成像的方式实现检测。在应用过程中需要使用量值溯源方式对图像相关像素区域进行改变，同时，还需要与被测试样发生的位置变化与位面变形相联系，在分析图像基础上得到试样位移值。

光测系统在创造应用过程中借鉴了人体构成，其主要由机器视觉构成，其在实际运用的过程中会受到分辨率、可视区域、景深等因素的影响。由于CCD元器件所具有的矩阵式成像原理，其单镜头光测系统仅能够测量一组二维平面变形信息，如果在实际开展测量工作的过程中想要得到实空间应变信息需要完成不同位置下固定试样的拍摄工作，则应当拼接组装图像，从而还原试样三维信息。从全场三维应变信息测量工作角度出发，其测量工作应当由双镜头光测系统或是多镜头光测系统开展。

1.1二维光测技术

在无需考量z向变形的力学试验中，二维光测技术得到了首次应用，二维光侧技术测量方法较为单一，在实际测量工作中应变值仅能够通过试样参考点位置变化摄录的方式获得。但同时，二维光测技术也具有一定的应用优势和价值，对于检测工作人员而言，必须要在实际检测工作中根据检测目标、任务以及材料的实际情况酌情选择应用二维光测技术，从而发挥出二维光测技术的作用。

1.2散斑技术

散斑技术是数字图像相关技术的实现方式，其在实际运用的过程中会将在物体表面呈现随机分布状态的散斑作为变形信息载体，相较于二维光测技术，散斑技术更多地在测量材料或是结构件受外载荷作用情况下时应用，得到其位移以及应变分布情况。散斑技术在材料或结构件受外载荷作用情况下应用时，能够相对更加精确地得到材料拉伸变形的情况，其检测精确度相对更高。因此，检测工作人员在钢材拉伸试验中应用光测技术，需要结合多方面情况选择应用二维光测技术或是散斑技术，从而更好地获得钢材拉伸后的变形情况。

2 拉伸试验中光测技术应用

对被测对象进行拉伸试验的目标与任务是更好地评价材料性能。当前，在电控以及机电传感器等技术迅速发展的背景下，以时间、载荷和横梁位移等外部通道同步测量控制得到了一定的发展，拉伸试验机能够在此基础上更加高效、科学地应用电子引伸计实现测量工作，完成对试样横向以及纵向变形的测量，同时，测量过程还能够实现与试验机的闭环控制。常见的电子式引伸计能够依照其在工作中所呈现的特点不同而划分为两种类型，分别为全自动引伸计以及手动夹持引伸计。

2.1拉伸试验的变形测量

随着轻量化设计理念普及应用广泛度地不断提高，金属材料的规格也随设计理念的变化而由厚变为薄，同时强度等级也实现了由软到硬的转变。在理想状态下的拉伸加载过程中，试样平行部位则会出现二维变形情况，根据体积不变原理，材料厚度的变化能够通过其纵向与横向变形幅度进行推断。在拉伸试验情况下，二维光侧技术则能够较为良好地完成变形测量对。拉伸长度、宽度变形情况进行测量的方法如下：首先在横向与纵向两组中设置4个标识点；其次可以设置一对纵向标记线，并同时测量横向边缘宽度。最后，则可以应用2D随机散斑技术实现“虚标实测”。在对拉伸试验中材料变形测量过程中，还需要充分考虑外部环境因素对材料变形的影响，必须要对温度等条件进行控制，从而确保能够得到较为准确的测量结果。

2.2光测r值技术

金属材料的塑性应变比为r，这一指标能够较为有效地衡量和判定金属板材减薄加工性能。由于材料织构性能存在差异，不同试样取向r值也会存在一定的差异和区别，这也是制耳效应的体现。拉伸试验机的一个主要功能就是测试金属材料的塑性应变比r值。在拉伸试验所得结果中，r值稳定性和可重复性最低，结果往往会受到材料组织、试样加工等因素的影响。此外，宽向引伸计在测量r值的过程中会与试样拉伸变形相互产生作用，从而影响到测量结果。

3 光学表面检测质量保证技术

光测技术在钢材拉伸试验中的应用还需要兼顾到光学表面检测质量保证技术。文章本部分将对光学表面检测质量保证技术在检测中的具体应用进行分析阐述。

3.1钢坯缺陷检测

钢坯缺陷检测时存在噪声或者过度误检的问题都会使得火焰处理后的钢坯表面仍然残留许多清理残渣。经过技术改进优化和开发工作，可防止过度误检的钢坯缺陷检测方法生成了，这种检测方法的主要对象为空洞缺陷，在实际开展检测工作的过程中运用表面凸凹的基本图像，同时运用模式组方法对各成分钢坯的表面状态进行分类，以此来防止再次出现钢坯过度误检的问题。这一技术被运用于钢坯缺陷自动检测装置之后与检测后的缺陷清理装置相连接，在此基础上开展针对缺陷原因的分析工作。

3.2钢材表面检测的“双光路差分法”

开展热状态钢材表面质量检测工作时，存在造成过度误检的主要原因在于铁皮氧化而产生花纹图样。因此在实际开展检测工作时会运用到“双光路差分法”的热状态钢材表面检测技术。这一技术能实现对不同方向两束照明光束的瞬间切换摄影，之后取两个图像的差分来抽取具有凸凹的缺陷，从而开展检测试验。运用“双光路差分法”的热状态钢材表面检测技术能去除无凸凹的氧化铁皮花纹样式，这一技术被运用于钢管表面缺陷检测工作时，体现出良好的检测功能和作用。

3.3远摄图像法监控热轧板卷侧面

热轧板卷边部缺陷会使得下游工序中带钢出现断裂的问题。为了防止带有缺陷的板卷流入市场，需要开展针对板卷侧面的检测工作。传统的检测方法为运用双筒望远镜，而现在得益于科学技术的改进和优化，远距离摄像法监控热轧板卷侧面技术产生，这一技术运用距板卷较远的投光器，将投光器产生的准平行光投射到板卷侧面，在这个过程中为了避免金属基体会产生晕影，需要进行两个不同角度的摄像，在此基础上完成对板卷侧面缺陷的检测工作。

3.4表面检测装置缺陷判定规则的自动构建

运用机器学习方法实现对缺陷分布情况进行判定时应做到：保证缺陷判定规则易于理解，同时部分规则可以进行修正且无须熟练技能，而且要保证人人可使用构建决策树的CART：CART与C4.5类似，也是一种决策树算法。

4光测技术的发展前景

光测技术方面开发的各种几何光学、波动光学、图像计测组合的新光测技术被广泛运用于钢铁材料生产过程中。

4.1照明

在通用照明方面，传统的白色LED在稳定性、辉度等方面存在问题。现在所使用的白色LED在性能和价格等方面实现了改进和优化，因此在普通照明方面得到了广泛的运用。通过对辉度均匀化聚光所用的设备和透镜进行优化设计，实现了轻量化，更加方便使用。当前超连续光源实现了实用化。

4.2信号处理

搭载FPGA高性能摄像机为代表的高速高密度装置的研发和运用，提高了信号处理和图像处理技术的运用有效性。相较于FPGA，GPGPU的扩大应用已经成为了图像处理和大型计算发展的一个主要趋势。开展图像和信号处理工作时，运用可进行几千个并列动作的浮动小数点运算芯片能有效提高图像和信号处理的效率和质量，这使得图像和信号处理技术的功能大大提高。此外，针对运用滤波进行的图像处理技术的研究也实现了突破，优化了图像处理技术的功能和作用。

5 小结

本文主要分析光测技术在钢材拉伸试验中的具体运用，依托数字图形相关技术的光测方法被运用于材料拉伸试验中能有效提高机力学试验中机器视觉方案应用的效果和水平，同时能够推动传统电子拉伸计突破其在被运用于拉伸试验中存在的局限性。文章对光学测量技术在材料拉伸试验中的运用进行了多方面分析，这一技术在材料拉伸试验中的科学应用，实现了测量方法和技术的改进优化，提高了试验的准确性。

【参考文献】

[1] 陈硕晖,夏宝东,齐翰,等. 三维立体激光扫描技术在大型钢结构构件质量检测中的应用[J]. 建筑技术,2021,52(5)

[2] 李俊才. 光测技术在钢材拉伸试验中的应用探究[J]. 中国机械,2020(14)