基于面阵CCD图像的温度场测量研究

基于面阵!!"图像的温度场测量研究#李汉舟张敏贵潘泉张洪才$西北工业大学自动控制系西安%&’’%()摘要推导出具有实物面的高温辐射体温度和**+像素点亮度之间的关系,结合比色测温法-给出一种基于彩色**+图像的温度场测量方法,用一套经黑体炉标定过的测温系统-分别在黑体炉和普通煤炉上进行测温试验-取得较好结果,通过比较计算温度值和热电偶测量值-分析了本测温方法的误差来源,关键词**+温度场测量图像热辐射比色测温./01234567897:;01:7<7;=1:787>0?;=724>@A;>7/1:5;B7.::;3!!"C D E F G H I J K L I F G MND G M K D O F G P K F G L I F G ME J G M Q F D$R S T U V W XY Z U W[\U]^_W‘U a W b-cW a U d e S f U S a‘g W b h U S^d‘]^\b i‘]j S a f]U h-k]l\‘m n o o m p-_d]‘\).q=0:;B0r I s t J u v K w F x s y z s s Gy s v{s u F y K u s J t y I s J x|s Q y}I F~D G Mu s F w}K u t F Q s F G!w K v D G F G Q s J t y I s{D"s w}D G y I s**+D v F M sD}!s!K Q s!V#I D M Iy s v{s u F y K u st D s w!v s F}K u s v s G y v s y I J!x F}s!J GQ J w J u**+D}!D}Q K}}s!F Q Q J u!DG My Jy I s{u D G Q D{w s J t y z J$Q J w J u{%u J v s y s u V r I s v s y I J!D}K}s!y J v s F}K u s y I s y s v{s u F y K u s J t F x w F Q&$ x J!%t K u G F Q s F G!F Q J F w t K u G F Q s y I u J K M IF**+Q F v s u F-z I D Q ID}}Q F w s!x%F x w F Q&$x J!%t K u G F Q s x s t J u s I F G!V r I sQ F w Q K w F y D J G!F y FJ t y I sv s y I J!F u sQ J v{F u s!z D y Iy I su s}K w y}J t y I s u v J Q J K{w s-F G!D y}I J z}y I F y y I s {u s Q D}D J GJ t y I s v s y I J!D}}F y D}t%D G M V’K u y I s u v J u s-y I s v s F}K u s v s G y s u u J u}F u s F G F w%H s!V(73)4:2=**+r s v{s u F y K u s t D s w!v s F}K u s v s G y*v F M s E s F y u F!D F y D J G r z J$Q J w J u{%u J v s y s u D G M+引言火焰温度场的测量一直是工程界和理论界十分关心的问题-目前常用的温度测量方法除了传统的热电偶,热电阻,光学高温计等方法以外-激光光谱测温,声学高温计等方法成为研究热点,热电偶,热电阻属于接触式测量-只能测到接触点的温度-而且-测温时会破坏被测对象温度场-光学高温计在使用时要知道被测对象的黑度系数-每次也仅能测量一点的温度-对于工业锅炉内巨大尺寸的火焰-用声波,激光来测量温度-费用较高,近年来-国内外广大学者把数字图像处理技术和早已发展成熟的辐射测温原理相结合-在工业炉温度场检测方面取得了一定成果.&/01,该方法可以实现炉内温度场的实时测量,虽然在某些热电站已经试验性地运用了此项技术-但是目前还没有文献给出高温辐射体温度和图像像素点亮度之间的明确关系,针对这一问题-推导了用**+摄像机测量具有确定物面的高温辐射体温度场时-温度和图像亮度之间的解析表达式-并在此基础上-给出了一种基于彩色**+的温度检测方法,最后-分别在黑体炉和普通煤炉上进行了测温试验-验证了本文推导结果的正确性,2几个假设为了便于讨论做如下假设3$&)被测高温辐射体具有实的物面为了能在**+靶面上得到被测高温物体清晰的像-要求该物体应该具有实的物面-以便光学系统调第(4卷第5期仪器仪表学报(’’0年&(月#本文于(’’&年&&月收到-得到陕西省自然科学基金支持项目$(’’&6(0)资助,万方数据焦!另外"空气对高温物体辐射出的可见光反射#散射和吸收很小"故忽略空气对$$%成像的影响"则可以认为照射到$$%靶面上的像"准确地反映了辐射体表面的亮度!&’(高温辐射体表面分割成若干微小面元如图)所示"假设*+$%为高温物体表面"调节位于,点的$$%摄像机焦距"使*+$%在$$%靶面上清晰成像"则物面上每一个点在像面上都有一个共轭点与之对应-./!由于面阵$$%靶面上每一个光敏单元都是分隔开的-0/"$$%工作时由这些离散的光敏单元对光学图像进行采样"采样结果破坏了物点与像点这种一一对应关系!设$$%成像分辨率为123"相应地*+$%面也被分为123个单元!在*+$%平面中第&4"5(个面元6789"映射为$$%靶面上第&4"5(个像素点!.’6D EF G’&)(其中"6为入射光瞳半径H FG 为像方焦距H &)(式只适用于在主光轴附近的面元!对于不在主光轴附近的面元"可以用一个与视场角有关的系数来修正-./!在此只讨论主光轴附近的面元!对余弦辐射体@=&<(B 1&<(C&’(而@1&<(B IJ KL K 1&?"<(9?&:(1&?"<(是光谱辐射出射度"可由普朗克公式-M /给出@1&?"<(B N &?"<(8)?0O 8’?<D EL)&.(其中"?为辐射电磁波波长&P (H N &?"<(为辐射体的黑度系数H <为温度&>(H 8)B :Q R .)S ..2)T L )M&U Q P ’(H 8’B)Q .:S S ::2)T L ’&P Q >(!为计算方便"经常用维恩公式代替普朗克公式&在温度小于’T T T V #?W)T T T X P 时"用维恩公式代替普朗克公式带来的误差不大于T Q )Y -R /(@1&?"<(B N &?"<(8)?0O8’?<&0(所以@=&<(B )C IJ KL K N &?"<(8)?0O8’?<9?&M (在$$%可以敏感的光谱范围-?)"?’/内的像面照度是@A B ).’6D EF G ’I ?’?)>&?(N &?"<(8)?0O8’?<9?&R ($$%摄像机输出电流信号不仅和像面照度有关"还和曝光时间Z 有关"其输出电流信号-0/@[B \A Z &S (其中@\是光电转换系数!所以@[B ).\Z ’6D EF G ’I ?’?)>&?(N &?"<(8)?0O8’?<9?&](设$$%摄像机在?B -:S T "R S T /的可见光谱范围内响应函数是<&?("则摄像机输出该点亮度值@^B ).*\Z ’6D EF G ’I R S T:S T >&?(N &?"<(8)?0O8’?<<&?(9?&)T (其中@*为$$%光敏单元输出电流和图像亮度值之间的转换系数!&)T (式表明@可见光图像的亮度值与高温辐射体的温度高低有一定关系!.0M 仪器仪表学报第’.卷万方数据但是!"#$%&是一个很难准确测量的系数$它与物体的材料’形态’几何形状’温度’波长等因素有关(为了消除!"#$%&带来的测量误差$有些学者利用比色测温法$发展出基于彩色))*的测温技术(+基于彩色,,-的测温方法普通彩色单管))*摄像机的光谱响应特性$由镜头’滤色点阵和摄像器件的特性组合而成$其曲线形状近似于图./01(39:7;7<7.=>?@A .B "#7&!"#7$%&C 3#D 7E C .#7%%"#7&"33&其中$7FG H $I $J K (根据32L 3年)M N 规定的三原色波长为5#H 8O 44P Q ’#I 8D 9R S 3P Q ’#J89L D S 0P Q (借用辐射测温中的比色测温法"在此仅用双色法(若用三色法$或用三个双色法互相修正$原则上会提高测温精度/341&取"33&式中任意两式相比"以H ’I 通道为例&$令5T H I8:H ;H <H B #H!"#H $%&#H D EC .#H %%"#H &:I ;I <I B #I !"#I $%&#I D EC .#I %%"#I &两边取对数$化简得5%8C .3#I U 3#>?HV PT H IUV P :H ;H <H B #H%"#H &:I ;I <I B #I%"#I &UV P !"#H $%&!"#I $%&UD V P #I #>?H 式中:H ;H <H B #H%"#H &:I ;I <I B #I%"#I &是常数$可用黑体炉标定得到(若认为被测辐射体是灰体$则!"#H$%&!"#I $%&83W即便灰性假设不成立$!"#H $%&和!"#I$%&是在除了波长不同$其它情况均相同的条件下的黑度系数$其比值也是比较接近3的(在此认为!"#H$%&!"#I$%&83$则5%8C .3#I U 3#>?HV PT H IUV P :H ;H <H B #H%"#H &:I ;I <I B #I%"#I &UD V P #I #>?H "3.&正是因为黑度系数的比值互相制约$使得比色测温法非常适用于在光路上存在着烟雾’粉尘等中性介质的场合/O 1(X 实验结果用Y6%Z 43中高温黑体炉标定了一套测温系统(该测温系统由))*摄像机’图像采集卡’计算机和相应计算软件组成(利用标定过的测温系统分别在黑体炉和普通煤炉上进行了测温试验(结果如表3(其中测量值是安装在黑体炉和普通煤炉内的热电偶输出温度$计算值是用本方法计算出来的结果(表[实验结果比较\黑体炉测量值33R L330L3..L3.R L最大误差计算值]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]33R 9S O 33O 0S 03.L 2S 33.R 3S 23R S 3普通煤炉测量值3.L 23.L 23.L 2最大误差计算值3.3L S 93.92S D 3..L S 9.D S 9说明5普通煤炉没有温控系统$所以只测得一个温度值由表3可见$计算值和热电偶测量结果存在一定误差(这些误差一方面是由))*摄像机暗电流’拖影’光晕等原因造成的W 更重要的误差来源是$在推导"3.&式时$假设))*摄像机的光敏特性曲线是冲激函数以及假设高温辐射体是灰体(另外$由于黑体炉有较好的黑体辐射特性$所以在黑体炉上的实验结果较好(^结论推导了用))*摄像机测量高温物体表面温度场时$温度和图像亮度之间的解析表达式(在此基础上$给出了一种基于彩色))*图像的温度场测量方法(实验结果表明$该测温方法基本是可行的(基于数字图像处理的温度场检测技术是一项全新的技术$这种测温方法具有费用低廉’精度较高’操作简单$可广泛应用于热电站’金属焊接’水泥窑炉’DD R 第R 期基于面阵))*图像的温度场测量研究万方数据玻璃窑炉!及某些冶金炉等场合"其应用前景十分广阔#参考文献$%&’’()*+,-./0)12.3’0424&)(5&6*5072&)1&489*5(&)1&)56&’,:&;26"$<<="$>?@A B@C ,D E ,+F (4&.0"-,+9G 0)&"H ,I050)082"250’,,:62.(15(&)E25F &.&3J )896)5%068&)3&6%&0’K (62.J 5(’(5LM &(’26J *()G N 40G 2:6&12**()G O 21F )&’&G L &3%&489*5(&)K ’042,N P P P O 60)*,P )26G L%&)/26*(&)"$<<>"$A Q R S ?T R >BT R A ,=王飞"马增益"卫成业"等,根据火焰图像测量煤粉炉截面温度场的研究,中国电机工程学报"D >>>"D >Q @S ?R >BR =,R 王子余,几何光学和光学设计,杭州?浙江大学出版社"$<C <,$><B$$=,A 王庆有,%%U 应用技术,天津?天津大学出版社"D >>>,D <B <A ,T 吴继宗"叶关荣,光辐射测量,北京?机械工业出版社"$<<D ,<BD R >,@由富恩,辐射测温仪原理及检定,北京?中国计量出版社"$<<>,D >B$=$,C 孙肇敏,应用电视,上海?复旦大学出版社"$<<A ,$C BD >,<卫成业"王飞"马增益"等,运用彩色%%U 测量火焰温度场的校正算法,中国电机工程学报"D >>>"D >Q $S ?@>B@T ,$>卫成业"李小东"马增益"等,高温火焰图像处理比色测温法的数值方法研究,燃烧科学与技术"$<<C "R Q =S ?VVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVV=>@B=$$,Q 上接第T R C 页SO /Q &S W=!%W>,>A !X W>,>A #把仿真结果与神经元完全微分型:N U 控制系统Q 6W>S 的仿真结果进行比较"可得到如图=所示的结果Q $为不完全微分型的仿真结果"D 为完全微分型的仿真结果"系统的给定值为A S#卷万方数据。