专利名称：单镜头光学数字式引伸计的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料力学中测量试样拉伸和压缩变形的装置，尤其是用于金属材料及部分非金属材料的力学性能试验中测量试样微小变形的装置。属于测量装置类。
技术背景引伸计是材料试验机的重要部件，用来测量被测试件在拉伸、压缩、振动状态以及断裂过程中的微小形变量，要求引伸计具有高精度、高可靠性，高灵敏度，抗震。中国专利(申请号)200410062273.5非接触式光学数字式引伸计，提出了使用二组可更换的光学镜头对固定在试样上的二个反光标志分别进行光学成像的测量装置，该装置虽然可以适用大多数标准的疲劳和拉伸试验情况，在试验时需要对二组镜头分别进行成像调整，结构复杂，操作繁琐。受二组镜头本身结构尺寸的限制，在高放大倍数时，难以对超小标距的试样进行测量。
发明内容
为了简化双镜头的非接触式光学数字式引伸计调整操作，实现对超小标距的试样的变形进行非接触精确测量，本实用新型提供了一种单镜头光学数字引伸计装置，该引伸计装置使用一组焦距连续可调的变焦镜头，将固定在试样上的反光标志成像在一个线性图像传感器上，将试样的标距部分的形变量转化为反光标志的像的长度的变化，电路板6上的逻辑电路14、计数电路18、D触发器17、微控制器20实时检测反光标志的像的长度，微控制器将检测到的反光标志的像的长度数值与校准时反光标志的像的长度数值相比较，计算出试件标距部分的形变量，并通过串行通讯接口数字化输出。
电路板6上的模拟信号输出连接器22提供线性图像传感器阵列扫描的模拟信号输出，连接普通示波器或带有模拟信号输入接口的计算机可以直接观察光学镜头的成像调整情况，使本装置的调整和校准更加方便。
本实用新型解决其技术问题所采用的单镜头光学数字式引伸计，包括反光标志、变焦镜头、成像器、图像传感器、电路板，使用一组光学变焦镜头将固定在试样上的反光标志成像在一个线性图像传感器上，图像传感器与电路板相连接，电路板与数据通讯连接器、模拟信号连接器、校准或测试切换开关、比较电平调整电位器相连接，电路板将线性图像传感器上的反光标志的像的长度转换为数字信号。
所说的模拟信号连接器将线性图像传感器的各感光单元的感光量模拟信号直接输出。
本实用新型是使用一组焦距连续可调的变焦镜头，将固定在试样标距处反光标志成像在一个线性图像传感器的光敏单元所组成的线阵上，当试件发生形变时，试样上反光标志前面的两个黑色滑动盖板11间的距离发生变化，成像在线性图像传感器上的反光标志12的像的长度也发生变化，电路板6上的逻辑电路14、计数电路18、D触发器17、微控制器20实时检测反光标志的像的长度，微控制器20将检测到的反光标志的像的长度数值与校准时反光标志的像的长度数值相比较，计算出试样标距部分的形变量。微控制器通过串行通讯口将试件标距部分的形变量直接数字化输出。
焦距连续可调的透镜组，可以使反光标志的像放大1-10倍，对应的，测量反光标志位移的分辨率放大了1-10倍，也可以使反光标志的像缩小1-10倍，对应的，测量反光标志位移的量程放大了1-10倍。
模拟放大器和模拟信号连接器提供了对线性图像传感器感光单元扫描的模拟信号输出，连接普通示波器或带有模拟信号输入的计算机可以直接观察光学镜头的成像调整情况。
本发明的有益效果是本实用新型采用焦距连续可调的一组变焦镜头和一个线性图像传感器实现了对试件的微小变形的非接触数字化测量，特别是实现了对超小标距试样的微小变形量进行非接触式精确测量。通过焦距连续可调的一组变焦镜头，可以满足多种标距试样的测量需要，并可以适应多种测量分辨率和量程的要求。
简化了采用二组镜头的非接触式光学数字引伸计(中国专利申请号200410062273.5)的结构和试验前的调试操作。解决了采用二组镜头的非接触式光学数字引伸计在高分辨率要求时难以对超小标距的试样进行测量的问题。
模拟放大器和模拟信号连接器提供线性图像传感器阵列扫描的模拟信号输出，连接普通示波器或带有模拟信号输入接口的计算机可以直接观察光学镜头的成像调整情况，使本装置的安装调整准确、方便。
采用不同的线性图像传感器配合不同的光学放大倍数可以得到不同的测量分辨率和测量范围，可以满足不同的测量需要。采用RPLIS-2048线性图像传感器，配合5倍的光学放大，引伸计的测量分辨率可达1微米。
以下结合附图对该实用新型做进一步的描述
图1是引伸计装置及成像示意图。
图2反光标志及支架的放大图。
图3是图像传感器线性阵列的光敏单元排列。
图4是电路板内集成电路的电连接图。
图5是电路板内集成电路布置图。
图6是模拟输出波形图7是微控制器的主程序流程图图8是微控制器的中断服务程序流程图图中，1.滑动导槽，2.变焦镜头，3.光敏单元，4.线性图像传感器，5.成像器，6.电路板，7.数据通讯连接器，8.成像器底座，9.固定镙钉，10.试样，11.黑色滑动盖板，12.白色反光标志，13.试样标距，14.逻辑电路，15.时钟发生器，16.模拟放大器，17.D触发器，18.计数电路，19.先入先出缓冲器，20.微控制器，21.串行通讯集成电路，22.模拟信号连接器，23.校准或测试切换开关，24，比较电平调整电位器
具体实施方式
使用RPLIS2048线性图像传感器，该传感器具有2048个感光单元组成的一维线性阵列，感光单元的间距为4微米，内部集成有电平比较电路，图1和图4中的电位器24为传感器内置电平比较电路提供外部参考电平，传感器按照外部时钟电路15发出的脉冲，顺序输出与线性图像传感器各感光单元的感光量成正比的模拟电压信号，同时内部比较器将各感光单元的感光信号与外部参考电平比较输出1bit数字信号，感光量信号高于参考电平时，输出“1”，低于参考电平时输出“0”。
参见图4和图5，按图5所示进行电路板元件布置，按图4进行各部分集成电路连接，制作电路板6。
参见图4、图7和图8，微控制器20采用时钟为24Mhz的AT89C52单片计算机，按图7和图8编写单片机主程序和中断服务程序。主程序使用单片机内部T0定时控制主程序的循环周期，T0定时常数与时钟发生器15的频率相配合，在本实施例中，时钟发生器15的频率设定为2MHz，图像传感器的行扫描时间为1mS，行扫描间隔5mS，T0时间常数为5mS。主程序通过I/O口每隔5mS触发一次图像传感器的行扫描，使用外部中断0接受D触发器17发来的中断请求，中断服务程序的运行时间控制在2毫秒以内。主程序在延时程序段等待并处理外部中断0的中断请求，读取先入先出缓冲器19中的感光像素数。
参见图1和图2，将具有白色表面反光标志12安装在黑色表面的滑动盖板11的滑动导槽1内，使用二个固定锣钉9将滑动盖板11固定在试样10的试样标距13处，二个滑动盖板间的初始距离固定为2mm，将变焦镜头2与成像器5连接，将线性图像传感器4固定在电路板6上。将电路板6固定在成像器5内，变焦镜头2与成像器5之间采用螺纹连接，将成像器5固定在成像器底座8上，将模拟信号连接器22的模拟信号输出线与示波器连接，将模拟信号连接器22的电源引线接5V直流电源。将数据通讯连接器7与PC计算机的串行通讯口连接。
将校准或测试切换开关23拨向校准侧，调节变焦镜头的焦距，使反光标志的像处于线性图像传感器4的光敏单元3上，示波器的显示参见图6。微控制器检测反光标志的像的长度，即像素个数，并按以下公式计算当前的光学放大倍数，存储反光标志的像的初始长度N0和光学放大倍数KK＝C0*N0/L0其中N0为反光标志的像的初始长度，用所覆盖的感光单元的个数表示。
L0为反光标志的初始长度，在本实施例中固定为2000微米。
C0为线性图像传感器的感光单元间距，在本实施例中，采用RPLIS2048线性图像传感器，感光单元间距常数为4微米。
将校准/测试切换开关23拨向测试侧，微控制器实时检测反光标志的像的长度，即像素个数，按下面公式计算反光标志的长度的变化量，并通过串行通讯接口传送给PC计算机。
Hx＝C0*(N1-N0)/K其中
N1为实时检测的反光标志的像长度，用像素个数表示。
N0为反光标志的像的像的初始长度，用像素个数表示。
C0为线性图像传感器的像素间距常数4微米/像素。
Hx为反光标志长度的变化量，即试样标距部分的伸长量，以微米为单位。
权利要求1.一种单镜头光学数字式引伸计，包括反光标志、变焦镜头、成像器、图像传感器、电路板，其特征在于使用一组光学变焦镜头(2)将固定在试样上的反光标志(12)成像在一个线性图像传感器(4)上，图像传感器(4)与电路板(6)相连接，电路板(6)与数据通讯连接器(7)、模拟信号连接器(22)、校准或测试切换开关(23)、比较电平调整电位器(24)相连接，电路板(6)将线性图像传感器(4)上的反光标志的像的长度转换为数字信号。
2.根据权利要求书1所述的一种单镜头光学数字式引伸计，其特征在于所说的模拟信号连接器(22)将线性图像传感器(4)的各感光单元的感光量模拟信号直接输出。
专利摘要本实用新型涉及一种单镜头光学数字式引伸计，属测量装置类，包括反光标志、变焦镜头、成像器、图像传感器、电路板。使用一个变焦镜头将固定在被测试样上的反光标志成像在一个线性图像传感器上，将试样上反光标志的长度的变化转换为反光标志的像的长度的变化。比较逻辑和计数电路实时检测反光标志的像的长度，由微控制器计算反光标志的像的长度的变化，并直接数字化输出，实现了对不同标距的试样的微小变形的非接触精确测量。与采用双镜头的非接触式光学数字引伸计相比，结构简化，成本降低，试验调整和操作更加方便。
文档编号G01B5/30GK2762107SQ200420122109
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月29日 优先权日2004年12月29日
发明者王永春 申请人:首钢总公司