PDF《基于 MATLAB 热处理温度非接触式》

2 π c

2 h ( e h c / λ

0 k T0 -1 ) λ

5 0 式中: E( λ 0, T0) 表示当加热物体绝对温度为T0,辐射出波长为λ

0 时光谱的出射强度,单位为 W / m?m

2 ;

λ

0 表示辐射光谱波长,单位为 m;

T0 表示温度,单位是 K;

c=3 ? 0*1

0 8 m / s ,表示光在真空中的速度;

h=6 ?

6 2 61*1 0-3

4 J ?s ,为普朗克常数;

k=1 ?

3 8 07*1 0-2

3 J / K,为波尔兹曼常数. 若在C C D 摄像机镜头前加装一个工作波长为λ s 滤光片,即可得到在该波长下C C D 摄像机输出图像的 灰度值[ 8] : Hs =

1 4 η μ t?

2 a f ′ ? è ? ? ? ÷

2 ? Y( λ s) K( λ s) ε( λ s, T) c

1 ( e c

2 / λ s T -1 ) λ

5 s 式中: η 由加热物体炉标定得到, μ 为CCD感光元件光电转换特性值, ε( λ s, T) 为光谱发射率,根据假设 条件,此处为一定值, Y( λ s) 由CCD摄像机对波长为λ s 光谱辐射响应特性值, K ( λ s) 则为镜头的透光率, t、

2 a f ′ 则由摄像机设定. 令τλs=14ημt?

2 a f ′ ? è ? ? ? ÷

2 ? Y( λ s) ?K( λ s) 对于某一测温系统而言, τ λ s 是恒定的. 则Hs = τ λ s ? ε( λ s, T) c

1 ( e c

2 / λ s T -1 ) λ

5 s 由此得到了目标物辐射图像灰度值关于物体温度和辐射波长的函数关系式. 通过在镜头前安装不同波段的 滤光片,从而获得相同温度下,不同波长的辐射图像的灰度值,由于 ε( λR , T) ? ε( λB , T) ε( λG , T)

2 ≈1 所以可得出温度的计算公式: T = c 2?(

2 λG -

1 λB -

1 λR ) l n HR ?HB H2 G -l n τ λ R ? τ λ B τ

2 λ G +5 l n λR ? λB λ

2 G

2 系统硬件设计 测温系统的硬件系统包括三个模块:光学成像、光电转换及图像数字化、图像处理及测温;

具体结 构如图1. 光学成像模块由中性衰减片和镜头组成,衰减片安装在镜头前,衰减片能按同一比例降低辐射光谱强 度,不仅能防止 C C D 过快饱和,扩大响应范围,同时还能保护镜头和 C C D 摄像机. 通过调节镜头光圈大小 和焦距,可使得被测高温物体热辐射图像在 C C D 摄像机中呈现清晰的图像,同时能有效控制光通量. 光电转换及图像数字化模块由彩色 C C D 摄像机和内嵌的图像采集卡组成. C C D 感光元件可实现光电 转换,形成与辐射图像相对应的模拟信号,通过图像采集卡进行模/数转换,形成计算机可以处理的数字图 像,再通过 U S B数据线与上位机实现实时通讯. 图像处理及测温模块由上位机、显示器等附件和编写的软件组成,通过在上位机上运行图像处理和测 温程序,即可对从 C C D 摄像机传输过来的数字图像进行处理,根据处理所得的特征值进行温度计算.

2 西南大学学报( 自然科学版) h t t p : / / x b b j b ? s w u ? c n 第3 7卷图1 系统硬件结构示意图

3 系统软件设计 本系统通过彩色 C C D 摄像机拍摄加热过程中的零件表面的热辐射图像,由于图像三基色的灰度值与 辐射物体存在一一映射关系,因此,我们可以建立辐射物体表面温度与 R、G、 B 三基色灰度值之间的关 系,依据这一关系来实现温度的测量. 但是在拍摄图像的过程中,由于受到诸多因素的影响,如电子噪声、 暗电流等,会导致三基色灰度值未必与温度始终保持单调的映射关系,同时当温度很高时,三基色某些灰 度值已经达到饱和,这样限制了测温范围. 所以本文设计的测温系统还需要具备对图像进行预处理来降低 图像误差对测量结果的影响,同时在温度计算算法上要结合实际数据关于温度的分布情况,本文设计的算 法是基于 B P神经网络算法和最小二乘法[