引伸計是用來測量構件及其他物體兩點之間線變形的一種儀器，通常由傳感器、放大器和記錄器3部分組成。
傳感器直接和被測構件接觸，構件上被測兩點之間的距離l為標距，標距的變化Δl（伸長或縮短）為線變形。構件變形，傳感器隨著變形，并把這種變形轉(zhuǎn)換為機械、光、電、聲等信息，放大器將傳感器輸出的微小信號放大，記錄器（或讀數(shù)器）將放大后的信號直接顯示或自動記錄下來。
引伸計的種類很多，依據(jù)測量內(nèi)容和工作原理的不同，可以劃分成各種各樣的引伸計。依據(jù)測量原理的不同，引伸計大致可分為機械式引伸計、電子引伸計、視頻引伸計、激光引伸計、全自動引伸計等。
機械式引伸計
機械式引伸計主要以球鉸式引伸計為主，被廣泛地使用。球鉸式引伸計是胡國華于1977年設計發(fā)明的，由于其結構簡單，操作方便，至今仍然被廣泛應用于拉伸性能試驗中。
球鉸式引伸計通過4個頂尖螺釘安裝在試樣上，上標距叉和下標距叉處都是前、后各一個頂尖螺釘，如圖1所示。
圖1 球鉸式引伸計的工作原理示意圖
當試樣標距l(xiāng)伸長Δl時，上標距叉可看成不發(fā)生轉(zhuǎn)動，而下標距叉以球鉸為中心轉(zhuǎn)動一微小角度，在千分表上就可反映出試樣的伸長量。由于千分表軸線至球鉸心的距離是試樣軸線至球鉸心距離的兩倍，所以試樣的伸長量為Δl時千分表的讀數(shù)是2Δl。
電子引伸計
近年來伴隨計算機時代的快速發(fā)展，出現(xiàn)了另外一種新型引伸計———電子引伸計。電子引伸計包括：電阻式引伸計、電容式引伸計、電感式引伸計等。
電子引伸計將應變信號采集到計算機里，使其同材料應力同步顯示，相比機械引伸計，其降低了人為讀數(shù)誤差，提高了測量準確度。由于電子引伸計具有價格實惠、便于安裝等優(yōu)勢，且易與電子萬能試驗機、電子傳感器等配合聯(lián)機使用，電子引伸計被國內(nèi)外的相關行業(yè)廣泛地使用。
01電阻式引伸計
電阻式引伸計是一種電阻應變式傳感器，應用較為廣泛。電阻應變式引伸計的測量原理主要是依據(jù)黏貼在引伸計彈性元件上的應變片電阻產(chǎn)生變化，通過變換電路轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)過計算機采集與應力同步顯示來測量應變，電阻應變式引伸計安裝示意圖如圖2所示。
圖2 電阻應變式引伸計安裝圖
02電容式引伸計
電容式引伸計是將物體長度的變化轉(zhuǎn)換為電容的變化，再將測得的電容變化量換算成物體的應變。由于其在高頻時基本上沒有滯后現(xiàn)象，故可用于動態(tài)載荷的測試，如沖擊力的測試等，電容式引伸計如圖3所示。
圖3 電容式引伸計示意圖
03電感式引伸計
電感式引伸計的原理主要是構件變形使鐵心運動，使得線圈電感發(fā)生變化，因此在輸出線圈中產(chǎn)生了電壓，放大并測出這個電壓，即可換算出構件的位移及運動的規(guī)律。
電感式引伸計如圖4所示，其不如電阻式引伸計輕便，但由于其在長時間測試時具有較好的穩(wěn)定性，故適用于常設的測量裝置。電阻應變式引伸計，是目前應用較多的引伸計。常見的電阻應變式引伸計有單側(cè)電子引伸計、平均值引伸計、雙側(cè)電子引伸計等。
圖4 電感式引伸計示意圖
04測量誤差
電子引伸計的測量誤差對拉伸試驗結果會有影響，不同的影響因素，產(chǎn)生不同的應變測量誤差，測量結果直接影響到規(guī)定非(總)比例延伸強度的測試準確度。
視頻引伸計
視頻引伸計是利用亞像素法原理測量試樣變形的，核心是圖像傳感器(Charge-coupled Device，CCD)感光元件，將光強度按一定比例轉(zhuǎn)換成電信號輸出。因此，可以用非接觸方式同時測量縱向和橫向兩個方向的變形量，其測量范圍由鏡頭焦距決定，配備不同焦距的鏡頭，可獲得各種測量范圍的量程。
01測量原理
視頻引伸計測量系統(tǒng)主要由光源部分、CCD攝像頭、圖像采集器、圖像處理、計算機和檢測軟件等組成。測試試樣在無影光源照射下，首先經(jīng)過CCD感光攝像，由圖像采集器提取試樣宏觀變形，再經(jīng)圖像處理對比和計算變形量，輸出應變信號給計算機，此時從力傳感器上同步傳輸應力信號給計算機，由計算機將應變信號和應力信號合成輸出應力-應變曲線。
視頻引伸計的測量原理如圖5所示。
圖5 視頻引伸計測量原理示意圖
CCD成像技術檢測拉伸變形量時，刻畫在拉伸材料上的標志線的位移測量精度直接影響到拉伸變形量的計算，利用CCD接收標志線圖像時，由于CCD光敏元的感光程度有所差異以及標志線本身的離散性，導致CCD在標志線信號的基礎上產(chǎn)生抖動性起伏，出現(xiàn)毛刺或異常點，產(chǎn)生隨機噪聲，從而影響插值的效果。同時，通過小波變換對輸出信號進行去噪處理，起到了濾除高頻噪聲、平滑輸出曲線的效果。同時，采用最小二乘法進行曲線擬合，使位移精度達到了CCD光敏元尺寸的1/10。
02發(fā)展情況
德國Zwick、美國Instron、日本Shimadzu和英國Imetrum公司先后開發(fā)了系列視頻引伸計產(chǎn)品，在技術上都達到了比較高的水平。其中，德國Zwick公司和美國Instron公司走在了最前列，在中國市場的占有率比較高，而且產(chǎn)品結構合理，操作簡便，功能齊全，外觀質(zhì)量高。而國內(nèi)視頻引伸計生產(chǎn)廠家尚處于起步階段，技術指標少，科技含量較低。近幾年，隨著高新技術的不斷出現(xiàn)，國內(nèi)對材料應變檢測的要求也越來越高。目前，市場上的視頻引伸計均采用CCD作為光電傳感器，對材料拉伸變形量進行非接觸測量，并且采用大量的圖像處理算法對采集得到的圖像進行處理，以得到滿意的力-變形曲線。
03優(yōu)缺點
與傳統(tǒng)的機械接觸式引伸計相比，視頻引伸計有應用范圍廣泛、無易磨損部件、可任意設定標距和測量范圍等諸多優(yōu)點，但是由于視頻引伸計測量原理與構成元素的復雜性，在數(shù)據(jù)獲取、外部震動、光的震動、試樣在線變化、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)處理等各方面都有可能引入測量誤差。所以測量精度和穩(wěn)定性都需要進一步提高和完善。
04如何減小誤差
減少應變測量誤差，提高拉伸性能測試的準確性，可通過提高硬件設備的性能，即使用變焦放大鏡頭、準確度更高的CCD和更可靠的光源來實現(xiàn)；還可以運用精度更高的匹配、檢測算法，實現(xiàn)硬件和軟件算法較好匹配等措施來降低測量誤差。
激光引伸計
測量原理
當一束激光照射到光感粗糙表面時，會往不同的方向發(fā)散光線，這些光線發(fā)生漫反射，其中一部分光線返回到激光接收器，另一部分散射之后不返回激光接收器，這樣就形成了顆粒狀的散斑圖。在給試樣施加載荷的過程中，試樣的表面結構會慢慢發(fā)生變形，與此同時，照射到試樣表面形成的激光散斑也會慢慢發(fā)生變形。此時，視頻處理器會接收到連續(xù)變化的圖像，而且視頻處理器會定位所存儲的散斑圖案并計算出散斑圖案在圖像之間移動的位移，從而達到測量移動距離的目的。
在圖像之間實時迭代地應用這個過程，可以測量兩個分離的激光圖像之間的距離，從而測量出實時應變，應變計算公式為
ε＝(σΣd1 - Σd2)/l0 （1）
式中：Σd1為次激光攝像頭移動的位移之和；Σd2為主激光攝像頭移動的位移之和；l0為兩個散斑圖案之間的初始距離。
國內(nèi)激光引伸計技術尚未得到很好的發(fā)展，部分技術還需要進行深入的研究和發(fā)展。
類條形碼引伸計
01組成
某新型的類條形碼引伸計系統(tǒng)組成如圖6所示，包括掃描器、譯碼器、應力采集裝置、計算機和能夠貼附于試樣的類條形碼。
圖6 類條形碼引伸計系統(tǒng)工作原理示意圖
02掃描器
掃描器的掃描端口與類條形碼相配合，掃描器通過所述譯碼器與計算機連接，應力采集裝置與試樣相配合，應力采集裝置也連接到計算機上。
掃描器包括光電轉(zhuǎn)換器、放大器和整形電路，光電轉(zhuǎn)換器設置在所述掃描器的掃描端口上，光電轉(zhuǎn)換器與所述類條形碼相配合，光電轉(zhuǎn)換器通過所述放大器連接到整形電路，整形電路連接到譯碼器上。
03類條形碼
類條形碼為條形碼或條碼或二維碼，類條形碼的結構組成如圖7所示，包括依次貼合在一起的外保護層、類條形碼層、膠層和不黏膠層，類條形碼層為聚氯乙烯(PolyVinylChloride，PVC)類條形碼層。
圖7 類條形碼的結構示意圖
類條形碼中包含引伸計標距、量程、生產(chǎn)單位和型號規(guī)格等信息。
04測試流程
首先將類條形碼和所述應力采集裝置設置于試樣的測量位置上，光電轉(zhuǎn)換器掃描類條形碼上反射的光線并轉(zhuǎn)化為電信號，電信號經(jīng)放大器放大后又經(jīng)整形電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)字信號傳輸給譯碼器。譯碼器將數(shù)字信號編譯成實時應變量，并傳輸給計算機。計算機同時采集應力采集裝置上傳的實時應力信息。計算機將實時應變量和應力信息進行數(shù)據(jù)處理，即可獲得完整的試樣力學性能試驗全過程的應力-應變曲線。
05優(yōu)點
● 解決了常規(guī)接觸式引伸計在試驗過程打滑的現(xiàn)象，提高了測量效率和測量精度；
● 不受量程或標距限制，無需間斷試驗，中途摘取引伸計；
● 可同時測量拉伸或者壓縮試驗彈性、屈服、斷裂等全過程的應力-應變行為，能更好地了解材料彈塑性變形行為和斷裂行為。
06測試標準
GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》相對于2002版來說，對拉伸試樣、拉伸試驗機、拉伸強度等指標測試提出了新的技術條款，對引伸計標距長度提出了更高要求。
07發(fā)展前景
目前引伸計正朝著微機化、自動化、多功能化的方向發(fā)展，隨著用戶對測試儀器的要求越來越高，新一代具有網(wǎng)絡功能的全自動引伸計的應用前景會更廣闊。
結束語
應用廣泛的機械式引伸計和電阻式電子引伸計，由于其量程與標距可調(diào)性差，不能滿足通用性的要求；同時試樣斷裂前需要摘除引伸計，無法應用于大應變試樣試驗，不能直接測量試樣后屈服階段、頸縮階段以及斷裂階段的彈塑性應力、應變行為；此外此類接觸式引伸計都采用刀口接觸式固定，引伸計與被測試樣連接不牢固，存在滑脫現(xiàn)象，直接影響測量結果和測量準確度。
視頻引伸計，受CCD光敏元尺寸限制，安裝和操作過程對操作人員水平要求高，適用于研究性試驗，無法在大批量工業(yè)生產(chǎn)中普及。
激光引伸計，受安裝精度、人員要求、自身成本等限制，目前尚處于試驗開發(fā)階段，不能應用于大量工業(yè)測試中。
類條形碼引伸計還處于理論研究階段，尚未真正開發(fā)，距離工業(yè)應用階段距離甚遠。
綜上所述，大量程、高靈敏度的全自動電子式引伸計急需開發(fā)和應用。
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