1　引　言

　　自CCD技术问世以来,就具有工作稳定可靠、图像清晰度高、灵敏度等优点,与计算机图像处理相结合之后在温度场测量方面得到广泛应用。CCD比色测温是非接触测温,它是根据同一时刻同一点的两个相邻波长辐射能的比值来确定温度值,较好的消除了环境和发射率的影响,在国外有用于测量化学合成过程中温度分布的CCD双色测温法[1],有用于轧板过程中监测的面阵CCD亮温测量方法[2];国内,CCD比色技术在炉膛火焰[3]、焊接领域[4]、水泥回转窑温度检测[5]等方面有着广泛的应用。在CCD比色测温中,波长与带宽的准确选择是限制其应用的一个重要因素[6]。波长与带宽的选择合理将提高测量精度,减少误差;如果波长与带宽选择不当不仅带来较大的测量误差,而且使测量设备的成本升高。本文通过分析计算,建立了在确定测量温度范围内选择理想波长的方法,对水泥篦冷机熟料温度场的测量实验结果证明该方法的有效性。

　　2　比色测温原理

　　系统测量框图如图1所示。被测对象经过光学系统后,由滤光片分离出两个不同波长的单色辐射图像,并成像于面阵CCD上,从CCD出来的视频信号被同时送入图像采集卡中,经A/D转换后送入计算机,通过计算机的图像处理系统进行灰度比色处理,形成灰度值的分布图,之后在显示器上输出温度分布的数字和图像信息。

　　比色图像的灰度(Nλi)比值R(T)为

　　式中Qλi(i =1,2)为比色电荷信号量;λi,Ii,δλi(i=1,2)分别为滤光片的峰值波长、峰值透过率和带宽;η(λi)(i =1,2)为CCD的光谱响应函数;C2为第二辐射常数。由(1)式可以得到R(T)和T的关系曲线。在实际测量中,获得被测对象的R(T)后,就可以得到温度场的分布。

　　3　比色波长及带宽的选择

　　3.1　波长的选择

　　决定比色波长的因素很多,主要有被测对象的辐射率,测温范围,CCD的光谱响应和动态范围,环境光的影响,系统的响应灵敏度,信噪比等。因为被测对象的发射率与其材质、波长、温度、表面状况及方向有关,很难精确补偿和修正,所以在两波长的选择上尽量使在λ1、λ2上的辐射率相等或接近,这样可以抵消辐射率变化的影响或是将其减少到最低限度。在测温范围T1~T2内,选择的波长应在CCD的光谱响应范围之内(0·4~1·1μm),并且应该避开环境光的影响。测量通路上介质如CO2、H2O、尘埃等的吸收会使CCD接受的能量减少,导致信号变小,选择的波长应避开这些介质的光谱吸收带,选择其透过率较高的波段。由此可以确定两波长的选择范围。在CCD比色测温过程中,除了考虑每一波长下的信号足够大以外,还要考虑到两路信号的比值必须随被测温度变化而变化,并保证其单调性。如果比值过高,就会在其中一个波长下CCD器件饱和,而另一波长下器件接受信号很弱,使测量误差增加;比值太小则影响比色的灵敏度。

　　对于CCD比色测温系统,线性度好和灵敏度高是确保温度测量精确的前提条件,而波长的选择对测量系统的线性度、灵敏度等都影响甚大。如果在两个波长下的灵敏度S(T1)和S(T2)都较高,且有S(T1) = S(T2),则系统的响应R(T)具有良好的线性且较陡,测温分度均匀。由上述关系来确定比色波长的值将满足CCD比色测温系统的要求。以下是详细的计算。

　　系统灵敏度S(T)为

　　3·2　带宽的选择

　　带宽光谱强度等于极大值强度的一半的两点间的波长差,是影响CCD动态测温误差的重要参数之一。减少带宽可以提高精确度,但是带宽太小,将使CCD接受的光信号变弱,对于较低温度的光信号尤为显著,这可能使得CCD检测不到。增加带宽,CCD接受的光信号越强,信噪比得到提高,但是太大的带宽容易使CCD趋于饱和而无法正常工作。对于比色测温系统来说,带宽并不是敏感变量,所以带宽的选择一定要满足单个CCD的动态测量要求,即要满足CCD摄像机的最小照度要求。像平面光照度公式为

　　式中ρ为光透过率; L为物体的亮度;D/f为相对孔径。在CCD摄像机确定的条件下,ρ和D/f均为常数。物体的辐照度L的表达式为

　　在两个工作波长一定的条件下,将CCD的最小照度、检测的温度范围等代入(8)式,即可得出满足要求得带宽。

　　4　实　验

　　篦冷机熟料的测温范围在1200~1700K,其峰值波长为1·70~2·42μm。此种波长已不在CCD的光谱响应范围之内,环境光的影响使得CCD的峰值响应区域在0·5μm附近也无法应用,因此波长的选择区域局限在近红外区域0·75~1·1μm。根据上述峰值范围,选择测量通路上CO2和H2O透过率较高的波段,确定大气窗口为0·6~0·95μm。所以波长的选择范围为0·75~0·95μm。根据波长的选择范围(0·75~0·95μm),确定符合(4)式要求的波长λ1,λ2组合有6组: 1. (0·750μm, 0·880μm); 2.(0·760μm,0·894μm);3.(0·770μm,0·908μm);4.(0·780μm,0·922μm);5.(0·790μm,0·936μm);6.(0·800μm,0·950μm)。比较六组波长组合的系统响应R(T)和灵敏度S(T)的优劣,分别计算其R(T)和S(T),比较情况见图2与图3。在具体计算中,假定η(λ1)与η(λ2)相等,其产生的误差将在误差分析中进行修正,滤光片的峰值透过率Ii(i =1,2)分别为80%,60%,带宽δλi(i=1,2)为30nm, 20nm。由图可见,波长越长,R(T)越大,相应的S(T)提高,考虑到CCD的信噪比,在长波长区,响应值低,因此过长的波长不易作为最佳选择,综合考虑后确定波长组合为0·780μm,0·922μm。在波长分别保持在0·780μm,0·922μm时,改变带宽的值在0·01~0·04μm变动,计算发现满足实验所用单个CCD的动态测量要求。实验所采用的带宽均为0·03μm。

　　实验室采用加热标准黑体炉的方法标定实验设备,对水泥篦冷机熟料温度进行实验的曲线如图4所示。实线为理论计算的R(T)-T关系曲线,其中两波长分别为0·780μm,0·922μm,带宽均取0·03μm。由图4可以看出,在1200~1300K的温度范围内,实际比值比理论值偏小,这是因为较低温度的光强度较弱和CCD的信噪比共同作用的结果;在1300~1700K的温度范围内,有较好的线性,实际比值与理论值相差较少。

　　5　结　论

　　本文建立了采用CCD比色法测量确定温度范围的对象时,比色波长和带宽的选择方法。对篦冷机熟料温度场的实验表明所选择的波长合理,满足熟料温度场检测的要求,并且克服了传统方法中波长、带宽盲目选择的问题。

　　参考文献:

　　[1] TamburiNI U A. A two-color spatial-scanning pyrometer for the de-termination of temperature profiles in combustion synthesis reactions[J]. Rev Sci, Intstrum, 1995, 66(10): 5006—5014.

　　[2] Chen J, et al.. CCD near infrared temperature imaging in the steelindustry[J]. IEEE, 1993 (5):299—303.

　　[3]李少辉,高岳.图像比色法在炉膛火焰温度场实时监测的研究[J].光学技术, 2002, 28(2):145—147.

　　[4]张华,潘际銮,廖宝剑,等.用比色法实时检测焊接温度场的计算机处理技术[J].清华大学学报(自然科学版), 1997, 37(11):30—34.

　　[5]章立新,王少林,茅忠明.水泥回转窑温度检测与图像处理系统的研究与开发[J].仪器仪表学报, 2002, 23(5):70—73.

　　[6]朱麟章.高温测量原理与应用[M].北京:科学出版社, 1991.354—361.

　　基金项目:国家重大技术装备创新研制项目(02-ZZ-11)

　　作者简介:李海滨(1978-),男,燕山大学讲师,在读博士研究生,从事信号处理、模式识别、复杂系统过程控制研究。

　　E-mail:hbli@ysu.edu.cn

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