基于CCD圖像傳感器的加熱爐溫度測量的研究

杜旭婧，侯國強(qiáng)，黃海端，徐 莉

（河北聯(lián)合大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009）

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程的重要參數(shù)，準(zhǔn)確實(shí)時地檢測溫度是減少資源浪費(fèi)及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。高溫測量常采用熱電偶傳感器等接觸式測溫方法，由于其只能測量溫度場中單點(diǎn)的溫度，不能反映出溫度場的場溫度，所以非接觸式測溫越來越受到關(guān)注[1]。CCD圖像傳感器問世以來，由于其具有耐灼傷、耐震動、圖像清晰度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且能很好地與電子技術(shù)、輻射傳熱學(xué)、數(shù)學(xué)計(jì)算方法、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科相結(jié)合，因此成為高溫檢測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2]?；贑CD的爐內(nèi)測溫系統(tǒng)能實(shí)時的獲取爐內(nèi)溫度場的分布情況，具有準(zhǔn)確度高，在線實(shí)時測量等優(yōu)點(diǎn)。規(guī)定后，任何一種物體顏色C都可以用顏色方程來表示：

1 CCD測溫原理

1931年國際照明委員會（簡稱CIE）推薦的“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值數(shù)據(jù)”選定三基色λ=700 nm的紅基色、λ=546.1 nm 綠基色、λ=435.8 nm 藍(lán)基色[3]，有了這個

圖1 CIE-RGB系統(tǒng)光譜三刺激值曲線Fig.1 CIE-RGB tristimulus values system spectral curve

比色測溫法是根據(jù)熱輻射物體在兩個或兩個以上波長的光譜輻射亮度之比與溫度之間的函數(shù)關(guān)系來測量溫度的方法[4]。

彩色CCD的每個像素點(diǎn)輸出的三基色信號R、G、B與被測溫物體溫度之間的關(guān)系分別為：

假設(shè)CCD光譜響應(yīng)為理想沖擊響應(yīng)則

其中L（λ，T）為光輻射亮度，當(dāng)溫度低于3 000 K且波長λ＜0.8 μm 時

λ 為輻射電磁波波長（m）；ξ（λ，T）為輻射體的光譜發(fā)射率；T 為輻射體溫度 （K）；C1=3.741 844×10-16（W·m2）；C2=1.438 833 ×10-2（m·K）。

可推導(dǎo)出比色測溫公式，當(dāng)并帶入 R（T）、G（T）得：

可根據(jù)所測數(shù)據(jù)：溫度值T和三基信號值G、B、R，帶入公式中得出K′，然后建立 K′與 R/G、G/B、B/R的函數(shù)關(guān)系，確定其擬合曲線。在某個溫度場，從其圖片中得到R、B、G，根據(jù)所得的擬合曲線，計(jì)算求得K′，然后帶去式子中，即可求得此溫度場的溫度分布。

通過 R、G、B 計(jì)算的 TRG、TBR、TGB3 個不同的溫度值進(jìn)行驗(yàn)證。理論上，TRG、TBR、TGB3個溫度值是相等，但實(shí)際得到的結(jié)果并非如此，和實(shí)際的溫度是有較大偏差的。TRG、TBR、TGB雖然偏離真實(shí)溫度值T，但三者和溫度真值之間是具有相關(guān)性的。通過3個測量溫度值的關(guān)系，可以得到一個更接近真值的溫度T。如下式對溫度進(jìn)行校正。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

CCD測溫的硬件系統(tǒng)是由CCD傳感器、圖像采集卡和PC機(jī)組成，其硬件連接圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

CCD是使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料集成，它能夠根據(jù)照射在其面上的光線產(chǎn)生相應(yīng)的電荷信號，即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能處理的電信號[5]。

彩色CCD輸出的信號是模擬電平信號，其缺點(diǎn)是信號受干擾雜波影響大、信號電路的調(diào)整復(fù)雜、信號存儲與延遲電路實(shí)現(xiàn)較困難、不便于利用信號時間軸的壓縮或擴(kuò)張來實(shí)現(xiàn)信號的各種變換，難于進(jìn)行復(fù)雜的信號處理等。而數(shù)字信號則具有許多優(yōu)點(diǎn)，如振幅性干擾可以通過限幅的方法加以消除，一致性和互換性好，穩(wěn)定性高，便于大規(guī)模集成化生產(chǎn)，便于存儲、延遲和變換，通過改變存儲器的讀出順序。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的工作一般由圖像采集卡完成，其主要功能是對模擬信號進(jìn)行取樣、量化和編碼，最后輸出數(shù)字信號，以便數(shù)字設(shè)備對模擬信號進(jìn)行處理、記錄和傳送。由于彩色CCD輸出的是不間斷的模擬信號，圖像采集卡必須要有足夠的采集速率和傳輸速度才能夠采集模擬信號中的每幀圖像，將此幀數(shù)據(jù)輸入PC機(jī)中進(jìn)行分析、處理和顯示[6]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)比色測溫的原理，編程實(shí)現(xiàn)了加熱爐爐內(nèi)溫度與像點(diǎn)間的算法關(guān)系，得到爐內(nèi)點(diǎn)溫度和場溫度的分布圖。為求出測溫公式中的K′，需將黑體作為輻射體，以確定系統(tǒng)中輻射體溫度與CCD接收到的輻射圖像中R/G的關(guān)系。輻射體溫度可由標(biāo)準(zhǔn)的接觸式測溫法測得，然后再從接受到的圖片中獲得R、G，即可求得K′。K′與R/G的擬合關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 K’與R/G的擬合關(guān)系曲線Fig.3 Curve fitting of K’and R/G

軟件設(shè)計(jì)是在MATLAB的GUI（圖形用戶界面）中完成的，主要由初始化函數(shù)，測溫點(diǎn)/區(qū)域選取函數(shù)，點(diǎn)/場溫度測量函數(shù)及溫度顯示函數(shù)組成。系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件程序流程圖Fig.4 Software program flow chart

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

加熱爐內(nèi)點(diǎn)溫度及場溫度的分布圖如圖5所示。single temperature（單點(diǎn)溫度）的作用是，選取圖片，然后選取單個測溫點(diǎn)，顯示選取點(diǎn)的溫度。Star point（起點(diǎn)）是選取測溫區(qū)域的起點(diǎn)，end point（結(jié)點(diǎn)）為選取測溫區(qū)域的結(jié)束點(diǎn)。field temperature（場溫度）顯示出此測溫區(qū)域的場溫度分布圖。

圖5 點(diǎn)溫度及場溫度分布圖Fig.5 Point temperature and distribution of the field temperature

在加熱爐中利用精密度高的測溫計(jì)測溫，作為標(biāo)準(zhǔn)溫度?，F(xiàn)場測溫結(jié)果如表1所示。

由表1看出CCD測溫系統(tǒng)，測得溫度與實(shí)際溫度的最大偏差為11.67℃，絕對誤差的平均值為8.45℃。研究得到，高溫測量允許誤差范圍在20℃左右，可見CCD測溫系統(tǒng)不影響工業(yè)生產(chǎn)過程，具有較高的精確度。相對誤差的均值為0.82%，且隨著溫度的升高有減小的趨勢，可見CCD測溫系統(tǒng)有較高的可信度。

表1 現(xiàn)場測溫結(jié)果Tab.1 On-the-spot temperature measurement results

4 結(jié) 論

CCD爐內(nèi)測溫作為一種高溫檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對加熱爐內(nèi)表面溫度分布及單點(diǎn)溫度的檢測。系統(tǒng)不直接與被測對象接觸，具有不受被測對象物理和化學(xué)性質(zhì)的影響，熱惰性小，響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，檢測得的溫度值誤差范圍小、精度高，可廣泛適用于高溫生產(chǎn)過程優(yōu)化決策與自動控制領(lǐng)域。

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