（机械电子工程专业论文）基于彩色图像ps转炉炉膛温度场的建立.pdf

摘要 摘要 铜锍吹炼过程中熔体温度检测是实现生产过程控制的关键。c c d 以其高精 度、高效率及高稳定性成为高温测量领域的重要研究方向。 本文系统地论述了基于c c d 的非接触式的双色温度检测技术，研究了双色 测温原理、测温系统的构建和测温公式的实验标定方法。本文主要完成的工作 如下： l 、构建了基于彩色c c d 的热辐射温度检测和标定系统。在分析c c d 输出 信号与热辐射体辐射之间的关系的基础上，通过实验研究快门和光圈两个参数 对成像的影响；并验证快门和光圈对曝光量的影响是等价的。 2 、详细论述了基于彩色c c d 的双色辐射测温方法和相关系数的标定方法。 在测温系统的标定研究中，发现选曝光系数与标定有关系。通过标定结果的分 析，得出选择临近的双色曝光系数可以减d , n 温误差。并详细分析温度检测中 误差的产生的原因。 3 、采用了一种自动阈值分割的方法，对测温对象进行识别。然后在构建温 度场模型的基础上，采用m a t l a b 软件实现温度场的建立，并对p s 转炉炉内熔 体图片进行了温度场仿真计算。 关键词：p s 转炉；c c d ；辐射温度测量原理；温度场 a b s t r a c t o nt h em a t t ec o n v e r t i n gp r o c e s s ，t e m p e r a t u r ed e t e c t i o ni st h ek e yt oa c h i e v et h e c o n t r o lt h ep r o d u c t i o np r o c e s s c c dw i t hi t sh i g l lp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c ya n d h i 曲s t a b i l i t yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tf i e l do fh i g ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t r e s e a r c h t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h en o n - c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t b a s e do nc c do ft w o - c o l o rd e t e c t i o nt e c h n i q u et os t u d yt h ep r i n c i p l eo ft w o - c o l o r t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o nf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e ma n d t h ec a l i b r a t i o nf o r m u l a i nt h i sp a p e r , t h ew o r kc o m p l e t e da sf o l l o w s ： 1 c o n s t r u c t e dt h et h e r m a lr a d i a t i o nt e m p e r a t u r ed e t e c t i o na n dc a l i b r a t i o ns y s t e m b a s e do nc o l o rc c d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc c d o u t p u t s i g n a la n dt h e r m a lr a d i a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ei m p a c to fi m a g i n go fa d o p t i o n o fs h u t t e ra n do fa p e r t u r ep a r a m e t e r s a n dv e r i f yt h a tt h es h u t t e ra n dt h ea p e r t u r eo f t h ee f f e c t so fe x p o s u r ea r ee q u i v a l e n t 2 d e t a i lc o l o rc c d b a s e dt w o c o l o rr a d i a t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o da n dt h e c a l i b r a t i o nm e t h o do ft h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t i nt h es t u d yo ft h ec a l i b r a t i o no f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m ，f o u n dt h a tt h ee x p o s u r ef a c t o ra n dc a l i b r a t i o no f t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r er e l a t e d o nt h ea n a l y s i so ft h er e s u l t so ft h e c a l i b r a t i o nt oc h o o s et w on e i g h b o r i n gc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tc a nr e d u c et h e 豇l o rf o r t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t a n a l y z et h ec a u s e so ft h ee r r o ro ft h et e m p e r a t u r e d e t e c t i o n 3 u s i n ga na u t o m a t i ct h r e s h o l ds e g m e n t a t i o nm e t h o dt oi d e n t i f yt h eo b j e c t t h e n b u i l dam o d e lo ft e m p e r a t u r ef i e l do l lt h eb a s i so ft h em a t l a bs o f t w a r e ，a n du s i n gt h e e s t a b l i s h m e n to ft h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ep - sm e l tp i c t u r e ，a c h i e v e df u r n a c e t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n k e yw o r d s ：p - sc o n v e r t e r ；c c d ；r a d i a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r i n g p r i n c i p l e ； t e m p e r a t u r ef i e l d 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特，i i l j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：尉、 签字日期： 伽。c 年6 月y 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 尿再、 导师签名( 手写) ： 咕喈 签字日期： 枷明年 月 l 了日 签字日期： t 年月百e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 铜锍吹炼过程中熔体温度是一个重要参数，直接影响粗铜产物的质量，是 实现生产过程控制的关键。但是目前国内转炉吹炼绝大多数没有温度自动检测 手段，基本上处于凭经验操作的落后状况，这主要由于冶炼过程温度较高、气 体的酸碱腐蚀性强、电磁场干扰强等，对测量仪器的耐热性能、耐腐蚀性能和 抗电磁干扰性能要求较高。 自2 0 世纪7 0 年代c c d 电荷藕合器件问世以来，由于其具有光电转换、灵 敏度高、信号失真度小、工作稳定可靠等优点，能很好地与电子技术、传热学、 数学计算方法、图像处理技术、计算机科学与技术学科相结合。基于图像传感 器的非接触式测温的测温过程不受被测温物体物理性质的影响，不破坏被测温 物体的温度场，能给出被测温物体表面的温度场，测温响应的时间短，且仪器 能远离被测温物体，不会被物体表面高温所损坏f l 】。c c d 图像测温技术的这些 优点使得它成为高温检测领域中的研究热点之一。 1 2 辐射测温方法综述 1 2 1 高温测量方法的简述 通常将温度在6 3 0 0 c 以上称为高温【2 】，对高温物体的测量可以是点测量、表 面温度场测量和三维温度场测量。高温测量方法可分为接触测量和非接触测量， 图1 1 是几种高温温度测量方法。 接触式测温方法使用传感器与被测对象相接触的方式，这种测温方法只能 测量点温且仪器容易在高温下受损。尤其在冶金方面，给炉内温度场的测量带 来了巨大的阻碍，这样，非接触式测温方法就显出了它的优势，非接触式测量 中测温元件不与被测物接触，其热惯性d d 3 1 ，不会破坏被测物的温度场和造成感 温元件的损耗。 第1 章绪论 图1 1 几种高温温度测量方法 1 2 2 高温辐射测温技术发展综述 隐丝式光学高温计是最早发明的辐射测温计【4 羽。它采用的是单色法测温技 术，光学高温计的出现使工业生产中接触法测温的高温温标惯性大的问题以及 使用环境要求高的问题，得到了一定程度的解决。 但是，由于光学高温计是用亮度平衡方法，必须靠人眼判读，所以不能进 行自动测量。后来，人们利用光电检测元件代替人眼，发展了光电高温计，并 被美国n b s 等国家实验室用来重新作为国际实用温标。 在2 0 世纪7 0 年代初，w i t h e r e l l 和f a u l h a b e r 认为：c c d 耦合器稳定性和灵 敏度优良、结构牢固、寿命长且价格适中，适合于精密光度测量，同时r u f f i n o 在噪声和检测数据方面证明了c c d 应用到高分辨率温度计的可能性。后来，人 们在c c d 辐射温度测温领域先后又提出了红外测温方法、全辐射测温方法等， 但都由于存在着发射率无法消除的问题【7 。9 1 ，测得的温度不是真实温度，而是物 体的亮度温度或辐射温度。比色法在一定程度上解决了发射率的影响，比色法 兴起于2 0 世纪8 0 年代，只要两个波长选择适当，可较好地消除环境及发射率 2 第1 章绪论 的影响，许多物体的比色温度接近真实温度。近些年来这种方法已经应用在一 些工业生产中。 在高温工业领域，中南大学周怀春等人【1 0 1 做了大量辐射温度测量方面的研 究，以电站锅炉和工业炉窑的温度为检测对象，总结了炉内火焰可视化检测方 法和影响温度检测的因素及对应的解决方法，并在实验室成功模拟出炉内火焰 温度场。李少辉【l l 】等人直接利用差值法建立双色比与温度之间的关系，实验证 明双色比测温方法计算简单，但是这种差值法只能适用于光电线性关系较好的 c c d 。李威宣等人【1 2 】设计了一种光纤比色法钢水测量系统，精度比较高，但是 成本较高，不能广泛应用在工业现场。姜志伟【1 3 】做了大量实验研究了在灰性假 设条件下，获得火焰的温度场，还能获得辐射率分布图像。李海滨等人【1 4 】以水 泥篦冷机熟料为对象研究c c d 比色法中系统参数的选择方法，进一步减少比色 法测温因为仪器所带来的误差。针对曝光量对辐射温度场建立的影响，南昌大 学焊接机器人实验室张华【1 5 】教授采用三个不同曝光时间进行检测，得到宽范围 温度场的全面信息。潘际銮院士【1 6 1 针对波长直接影响传感器的性能，选择了两 个中心波长滤光片作为双色波长，在焊接试验中，更精确的建立了焊接温度场。 后来又采用红外波段来建立温度场，滤除大量环境光的影响【1 7 1 。中科院沈阳自 动化研究所姜淑娟和刘伟军【1 8 】把红外图像比色法应用于金属零件激光成形过程 中的熔池温度场检测中，主要研究双色波长的选择。 1 2 3 辐射测温方法总述 c c d 高温辐射测量方法分为【1 9 1 ：单色法，双色法、全辐射法、红外全辐射 法、多色方法。 1 、单色法 单色测温法是利用单一波长光线的辐射能量与温度之间的关系进行测温。 根据辐射定律，非黑体的辐射能量与温度之间的关系： 鱼 m ( 名，丁) = c i ( 允，丁) z 。( e 五r 1 ) 叫( 1 1 ) 式中： m ( 屯r ) 单色光谱辐射力，单位为w m 3 ； c 1 普朗克斯第一辐射常数，c l = 3 7 4 2 x 1 0 - 6 w m 2 ； 占( 元，功辐射体的黑度系数，又称发射率，单位为w ( m 2 ； g 普朗克第二辐射常数，g = 1 4 3 8 8 1 x m k ； 3 第1 章绪论 力辐射波长，单位为l a i n ； r 绝对温度，单位为k 。 如果发射率6 ( 4 ，丁) 已知，就能由吸收的能量得到温度。这个方法需要选择 很窄的光谱波段，以排除其他波长光谱辐射的干扰，可是带宽过窄口们，会使探 测器接收的能量变得太小而无法产生足够的响应，而且未知辐射率随环境的变 化，也影响着真实温度的测定。 2 、双色法 根据热辐射物体在两个光谱辐射亮度之比与温度之间的函数关系来测量温 度的方法，叫做双色测温法。用双色法测温，只有当实际物体是黑体或灰体时， 测出的温度才是实际物体的温度。双色法测不出实际物体真实温度1 2 1 1 的原因在 于忽略了实际物体的光谱发射率变化对测温结果的影响。如果选择相邻波长的 两种颜色，在带宽较窄的情况下，两种颜色的光谱发射率可以认为相等，这样 双色法测得的温度就很接近真实温度【2 2 1 。因为这种方法不需要标定物体的实际 光谱发射率，所以被人们广泛的使用在一些环境恶劣的高温领域中。 3 、全辐射法 全辐射法辐射测温是通过测量辐射物体的全波长的热辐射能来确定物体的 辐射温度。全辐射法的理论根据是斯忒藩玻耳兹曼定律：高于绝对零度的物体 所有辐射能量的总和与物体的绝对温度之四次方成正比【2 3 1 ，如式( 1 2 ) 。 鸩= e f t 4 ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中： 盯为斯忒藩玻耳兹曼常熟，仃= 2 z r 5 k 4 1 5 h 2 c 2 = ( 5 6 7 0 3 2 o 0 0 0 7 1 ) x 1 0 - 8w ( m 2 k 4 ) 。 这种测温方法需要所有波段光都无干扰洲，所以这种测温方法极易受到自 然光叠加、大气的吸收、杂质的干扰等，因此全辐射测温法所测量的只能是某 一波长范围内的光线，而且环境要求强。 4 、红外全辐射法 红外辐射测温方法原理与全辐射测温原理相同，它的理论根据是物体的各 种波长红外线能量的总和和物体的绝对温度之四次方成正比，也和物体的辐射 率成正比。即： 尥= 阳r( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中： 4 第1 章绪论 盯已知常数，需要标定； 必被测物体的红外线辐射能量总和，单位为j ； 占被测物体的辐射率，单位为w ( m 2 t a n ) 。 5 、多色法 多色法是利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息，再经过数据处理，得到 物体的光谱发射率，该方法不需辅助设备和附加信息，对被测对象无特殊要求， 因而特别适合于高温，但是目前这种方法的理论还不够完善。 1 3 课题的主要内容 本课题将铜锍吹炼造铜期终点前后炉内熔体的温度测量作为研究对象，用 c c d 传感器实时采集炉内熔体图像，并对图像进行分析处理，得到炉内熔体温 度场。本课题研究的主要内容如下： l 、对熔体测温方法和几种辐射测温方法进行回顾和总结。 2 、对p s 转炉吹炼过程热效应进行分析，着重分析吹炼终点附近的温度 变化情况。 3 、详细介绍彩色图像测温系统的组成，分析成像设备输出信号与热辐射体 辐射的关系，列出影响成像的重要参数，然后详细叙述本文采用的双色测温方 法的原理和公式的标定方法，最后构建温度场。 4 、详细分析建立温度场过程中产生误差的主要原因，包括计算误差和仪器 产生的误差。 5 、设计温度场建立模型，利用m a t l a b 进行仿真，建立p s 转炉临近吹 炼终点的炉内熔体表面温度场。 1 4 小结 对高温测量方法进行归类，详细介绍几种辐射测温方法的原理以及它们的 优缺点和现在的研究进展，然后综述辐射测温法在熔体测温领域中的发展情况， 以及未解决的问题，并介绍一下本课题研究的主要内容。 5 第2 章p s 转炉吹炼过程分析 第2 章p s 转炉吹炼过程分析 2 1 转炉吹炼过程【2 别 现代铜冶金的生产工艺分为两大类：湿法提取冶炼与火法熔炼。目前世界 上原生铜产量中8 5 用火法冶金方法生产，而湿法冶金产品产量仅占世界铜总 产量的1 5 左右。 火法冶炼过程实际上是一种氧化富集的作业过程，它主要用于处理各种硫 化矿石和铜精矿，其具体过程大致可以分为三个步骤：造锍熔炼一铜锍吹炼一 火法精炼和电解精炼。火法炼铜流程如图2 1 ： 丁 厂1 阳极板渣精矿尾矿 | r 嵫燃) 照矾也蟹蕉夔- 阳极泥 皇筮鲴 图2 1 火法炼铜流程图 铜锍的吹炼过程是在卧式( p s ) 转炉内进行的。吹炼过程是间歇式的周期作 业，转炉是一横卧的圆柱形简体，上方有一进出物料的炉口，沿长度方向的一 侧有一系列风口。整个过程分为两个阶段( 或两个周期) ，造渣期和造铜期。 1 、造渣期 6 第2 章p s 转炉吹炼过程分析 转炉加入的大部分炉料是液态铜锍，在风口中鼓入高压空气的作用下进行 脱硫、造渣反应，此反应是放热反应，整个过程不用外加燃料，是自热熔炼过 程，反应过程中产生的烟气不断从炉口喷出，沿烟罩进入收尘和制酸系统；反 应过程中所造的渣在定期停风后倾动炉体从炉口到出。 2 、造铜期 铜锍吹炼进入第二期，不加入熔剂、不造渣，以产出粗铜为特征，叫做造 铜期。最终的产品粗铜也是停风后倾动炉体从炉口到出。 2 2 铜锍吹炼过程热化掣2 5 l 铜锍吹炼整个过程是自热过程，即吹炼过程中化学反应放出的热量不仅能 满足吹炼过程对热量的要求，而且有时候还有过剩。铜锍吹炼过程的温度波动 在8 0 0 1 2 5 0 0 c 。在此温度范围下，化学反应可以正常进行，在短时间内可能趋 于平衡。另外转炉吹炼过程是周期性作业，在造渣期和造铜期炉内的化学反应 不同，放出的热量也不同。 在造渣期，开始加入铜锍时，炉温1l o o o c ，到造渣期末升至1 2 5 0 0 c 。造渣 期反应的热效应如下： 2 f e s + 3 0 2 + s i 0 2 = 2 f e o s i 0 2 + 2 s 0 2 + 1 0 3 0 0 9 k j ( 2 1 ) l k g f e s 氧化造渣反应可以放出约5 8 5 k j 的热量。 造铜期反应的热效应为： c u 2 s + 0 2 = 2 c u + s 0 2 + 2 17 4 k j ( 2 2 ) l k g c u ，s 氧化成金属铜可以放出约1 3 k j 的热量。可见，造铜期的热条件远不如 造渣期好。根据工厂实践，在造渣期每鼓风l m i n ，炉内熔体的温度可升高 o 9 3 0 0 c ，而停止鼓风l m i n ，熔体温度下降l q o c 。在造铜期每鼓风l m i n ，炉 内熔体温度上升o 1 5 1 2 0 c ，而停止鼓风l m i n ，熔体温度下降3 8 0 c 。 吹炼过程的正常温度在1 1 5 0 0 c 1 3 0 0 0 c 范围内，如图2 2 。温度越高，炉内 熔体颜色越亮，而当温度高于1 3 0 0 0 c 时，转炉炉衬耐火材料的损坏明显加快。 控制炉温的办法主要是调节鼓风量和加入冷料( 如固体锍、锍包子上的冷壳等) 。 当温度低于1 1 5 0 0 c 时，熔体有凝结的危险，风眼易粘结、堵塞，需鼓入氧气进 行富氧吹炼以减少烟气带走的热量，弥补热量的不足。在吹炼终点时，烟气中 的s o ，会突然减少，熔体温度会突降，炉内熔体颜色突然变红。 7 第2 章p s 转炉吹炼过程分析 图2 2c u 2 s 氧化过程温度变化图 2 3 小结 本章通过对铜锍吹炼过程分析，不难发现，铜锍吹炼是一个涉及化学反应、 传热、传质、流体流动的复杂过程。通过分析化学反应热效应和吹炼过程中的 热量损失，可以得到吹炼过程是一个放热过程，吹炼过程温度逐渐上升，温度 可达11 5 0 0 c 1 3 0 0 0 c ，但是临近吹炼终点时，温度会突降，熔体表面辐射颜色也 会突变，根据熔体表面辐射颜色的变化规律可知可以通过熔体表面辐射颜色的 变化来判断吹炼终点。 8 第3 章高温熔体c c d 测温系统 第3 章高温熔体c c d 测温系统 3 1 辐射成像原理 凡高于绝对零度的物体都具有辐射的能力，其光谱辐射能量是波长和温度 的函数【2 6 1 。能够发出电磁辐射的物理实体称之为辐射体。加热的铜熔体就是一 个辐射体。 3 1 1 热辐射体 由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量叫做热辐射。自然界中的一切 温度高于绝对零度的物体都会不停地向周围发出热辐射，热辐射是电磁波的一 种，电磁波包含了多种形式，如图3 1 所示，工业上有实际意义的热辐射区域一 般为o 1 1 0 0ur n ，产生热辐射的物体叫做热辐射体【2 6 1 。 物体在温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度在5 0 0 摄氏 度以上时，可见光区也产生热辐射，可见光波段热辐射被人的视觉所感受，就 呈现不同的颜色。本文主要通过研究可见光波段的热辐射来检测热辐射体的温 度。 一热辐射 无 线 夷x 霪 羹 可红 电 见外 荚、 - 光线 | _ 一 广一 ri。il 上ii1pil 上i 上、 l o 。81 0 。7l 旷l o - 51 酽l o - 3l o 。21 0 111 01 0 21 0 31 0 4 波长( i tm ) 图3 1 电磁波谱1 2 纠 热辐射体按辐射率分为黑体、灰体和选择性热辐射体【2 7 1 ，如图3 2 、图3 3 。 黑体：在任何温度下都能全部吸收入射辐射和在相同温度下有最大辐出度 的物体 2 2 1 。黑体是一个完完全全的吸收体。当温度升高时，它也是一个完完全 全的辐射发射体。规定黑体的辐射率为1 。实际热辐射体都不是黑体，其辐射率 都小于l ，不同物体的辐射特性差异很大。 9 第3 章高温熔体c c d 测温系统 灰体：辐射率与波长无关的辐射源称为灰体，其值介于0 - 1 之间。黑体是 灰体中的一种【2 引。 选择性辐射体：选择性辐射体的辐射强度随波长的变化是不连续的，不同 波长的辐射率也有很大差异。 曝 将 一i r 垛 螟 细 米 0 趔 瑚 刺 卿 1 r 碌 婵 耀 米 波长 波长 图3 2 三类辐射体的光谱发射本领 图3 3 三类辐射体的光谱辐射通量密度 3 1 2 热辐射基本概念和相关定律1 2 9 - 3 3 1 1 、辐射力 物体在单位时间内单位表面积向半球空间所有方向发射的全部波长的辐射 能的总量，单位w m 2 。 2 、普朗克定律 普朗克定律给出了在热力学平衡状态下黑体发射光谱的变化规律。真空中普朗 克定律表达式如下： m ( 2 , t m 2 - 5 唧c 务- 1 t ， 式中： c 1 普朗克第一辐射常数，c l = 3 7 4 2 x 1 0 - 6 w m 2 ； c 2 普朗克第二辐射常数，c 2 = 1 4 3 8 8 1 t m - k ； 元辐射波长，单位为t u n ； 丁绝对温度，单位为k ； m ( 2 ，r ) 单色光谱辐射力，单位为w ( c m 2 t u n ) 。 3 、辐射通量 通过某一面积的全部辐射能与通过时间的比值称为辐射能通量，又叫辐射 通量，即： 1 0 第3 章高温熔体c c d 测温系统 痧：塑 d f 式中： 痧辐射通量，单位为w ； e 辐射能，单位为j ： ，_ 辐射时间，单位为s 。 4 、辐射强度 点光源向空间单位立体角内发射的一切波长的能量叫做辐射强度。 ，d 痧 ，= 一 d 2 式中： ，辐射强度，单位为w s r ： 痧辐射通量，单位为w ； d 口空间单位立体角，单位为s r 。 5 、辐射照度 单位面积像面上的光辐射通量。 。d 痧 也o _ 嘏 式中： e 辐射照度，单位为w m 2 ； ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 衄像面单位面积，单位为m 2 。 6 、辐射亮度 辐射亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的辐射强度与 垂直且指定方向的发光面的面积之比。 2 c o s 0 - d s2 c o s 0 d o d s 式中： d 刃空间单位立体角，单位为s r ； 衄辐射体单位面元，单位为m 2 ； 厶和法线成任意角度9 方向的辐射亮度，单位为w s r m 2 。 7 、余弦辐射体 辐射亮度为常数的辐射体或光源称为余弦辐射体或朗伯光源， 体的定向辐射亮度为： 1 1 ( 3 5 ) 则余弦辐射 第3 章高温熔体c c d 测温系统 r ，d 矽 l = 一 c o s 0 d q d s 式中： 秒为发光面积与辐射方向的夹角，单位为度。 8 、空间立体角 从图3 4 可得空间单位立体角为： d 臼= s i n 0 d o d 妒 则式( 3 5 ) 可化成： d o = l c o s 0 s i n 0 d 0 d f p d s z 图3 4 立体角示意图 9 、光学系统的横向放大率和透射率 入射光 k - 1 n k - ! a z n 1 n z 3 f b t f ，1 n a 3 专a - 3 b l b b 光学透镜系统 ，l i ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 出射光 图3 5 光学系统的放大率和透射率示意图 如图3 5 ，三为入射光辐射亮度，f 为出射光辐射亮度，r 为折射率，为 透射率，b 为反射率，其中扛1 2 k 。 1 2 第3 章高温熔体c c d 测温系统 则出射光辐射亮度为： = c - 一6 1 ，c 一6 2 ，c 一6 ，口i 口2 口( 等) 2 = 三k ( 古) 2 c 3 9 ， 式中： k 光学系统的透射率，k = ( 1 一b 1 ) ( 1 一b 2 ) ( 1 一b ) 口l a 2 a ； 一向放婶= 。 3 2 基于热辐射的测温系统 彩色图像测温系统是利用辐射强度与温度之间的关系，采用双色测温方法 实现高温熔体温度测量。实验系统如图3 6 所示。系统包括加热炉、成像设备和 计算机系统。 日 一一一一一一一一1 i i 图像分析处理_ 温度显示i l i 计算机 图3 6 彩色图像测温系统示意图 3 2 1 彩色测温系统组成 1 、加热炉 选择中温电阻加热炉加热金属铜作为热辐射源，加热温度范围为 8 8 0 0 c 1 1 4 0 0 c 。温控仪采用d r z 6 型电阻炉温度控制器，如图3 7 。 2 、c c d 成像设备采用配有1 2 2 0 万有效像素图像感应器的高性能彩色c c d ，全手动， 电子可调快门1 6 0 - - 1 4 0 0 0 。镜头的焦距为1 8 - - 5 5 m m ，可调光圈为f 5 6 2 2 ， 白平衡可调，参数说明如表3 1 ，设备如图3 7 。 1 3 第3 章高温熔体c c d 测温系统 表31 c c d 参数说明 基本规格 手动操作 感光元件尺寸 传癌嚣描述 有效像素 分辨事 手动变焦 光圈f 快门类型 全手动支持 2 22 1 4 8 毫米 长宽比3 ：2 1 2 2 0 万 4 2 7 2 x 2 8 4 8 像素 等效于3 5 m m 焦距 f 3 6 - 3 2 电子控制焦平面快门 轻触式电磁释放 快门速度1 4 0 0 0 s 至1 6 0 s 旦塑! q 塑鉴： 1 2 咝：2 2 2 竖：旦垫 3 、计算机系统 利用计算机对c c d 拍摄的图片进行分析得到热辐射与成像信号的关系，从 而得出测温公式和标定公式，主要采用软件m a d a b 进行分析，仿真得出炉内熔 体表面温度场。 图37 实验设备 3 2 2 成像设m l l $ 信号与热辐射体辐射关系雄挪l 为了便于分析计算，作如下假设： 1 、待测高温辐射体为具体实物面，这样可获得清晰的高温物体表面图像。 另外，由于空气对高温物体辐射出的可见光反射、散射和吸收很小，可忽略空 气的影响( 避免空气中杂质对测温的影响) ，这样获得的图像灰度值准确地反映 了热辐射体表面的辐射亮度。 2 、高温辐射体表面可以分割成小面元，每一个小面元对应一个像元。 3 、c c d 摄像机靶面上的每一个像素点，只接受与对应面元的光辐射刺激。 4 第3 章高温熔体c c d 测温系统 4 、同一个面元上的温度相同。 5 、被测温实物面为余弦辐射体，即被测温物体的表面亮度从各个方向看都 是一样的，其在各个方向的辐射亮度均为三。 由入瞳大小决定光学系统的物方孔径角为u ，则o = u 对式( 3 8 ) 两端对0 进 行积分得到由嘏发出的能进入入瞳的全部辐通量是： d q ) = 1 r l s i n 2 u d s ( 3 1 0 ) 物面上的辐射元心被光学系统在像面上成像为嘏，它与出瞳构成了与图3 8 完 全相对应的关系。 图3 8 辐射照度不葸图 得到像面的照度为： e = 尝= 学 ( 3 1 1 ) 舔d s l 、。 如果辐射通量经光学系统传递的透过率为k ，横向放大率为，根据式( 3 9 ) 将d s d s 用光学系统的透过率k 和横向放大率来表示，式( 3 1 1 ) 可表示为： 肚万k l s 砰玑旁 ( 3 1 2 ) 图3 9 成像光路图 1 5 第3 章高温熔体c c d 测温系统 如图3 9 ，量，p e 是系统的出瞳，直径为2 口。像面和出瞳平面相对于像方焦 点的距离，以惯用的符号x 和x ：表示，则 s i n u 了冬( 3 1 3 ) x x p 因为 口= 以一口 ( 3 1 4 ) 止v 争蔓f j = f ( 辟一夕) ( 3 1 5 ) 式中： 口入射光瞳孔径，单位为m ； 厂7 像方焦距，单位为m ； 尾光瞳面的放大率。 将式( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 5 ) 中各量分别用t l , 尾，和系统的焦距厂表示，并设系统 位于空气中，可得辐射照度为： e = 丝4 幽t , f 2 ) 南 ( 3 1 6 ) f 口一口1 2 、7 当物面位于c c d 比较远时，可有0 ，本文将焦距调到最大，以减少计 算误差，式( 3 1 6 ) 可简化为： e = z k l f q ( 3 1 7 ) 式中，f = 上为c c d 的相对孔径。 物体的辐射亮度l ( t ) 与光谱辐射力m ( t ) 的关系为【2 9 】： ( r ) ：塑 ( 3 1 8 ) 式中： m ( 丁) 光谱辐射力，单位为w m 2 。 物体的光谱辐射力与单色光谱辐射力的关系为： m ( r ) = im ( a ，t ) d x ( 3 1 9 ) 式中： m ( a ，丁) 单色光谱辐射力，单位为w m 2 。 对于非黑体，考虑到单色光谱发射率g ( 名，t ) 的影响，通过式普朗克公式( 1 1 ) 1 6 第3 章高温熔体c c d 测温系统 有非黑体的单色辐射力： 厂- - 1 m ( 2 歹) - “厶t ) c , 2 。5 ie x p ( 嘉t ) - 11 ( 3 2 0 ) 式中： 占( a ，r ) 热辐射体的单色光谱发射率，无量纲量。 在普朗克公式中，当2 t 1 时，维恩公式可以代替普朗克公式，带来的误差不大 于1 【2 3 1 ，可以忽落不计。因为可见光波长允 1 0 m ，所以当温度小于2 0 0 0 k 时， 用维恩公式可以代替普朗克公式进行计算，灰体的维恩公式为p 1 l m ( a ，t ) = q 名巧e x p ( - 杀) ( 3 2 1 ) 由式( 3 18 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 1 ) 可得： 娴一11 e ( 2 , t ) c 1 丽以 ( 3 2 2 ) 任何光学材料只能在某一特定的波段内才具有较高的透光率，透射率k 近似为 常数，设光学系统可透过【以，五】范围内的热辐射，则c c d 感光后输出灰度值为： 日= r l u t f 。2 ：薹羞器y c 五，d 五 c 3 2 3 ， ，7 是c c d 输出电流与图像灰度值之间的转换系数，是光电转换系数，r 是曝光 时间，】，( 五) 是c c d 镜头光学系统在五处的透光率。 式( 3 2 3 ) 可以改写成： 7 粤 日= a t f ql 占( 五，t ) l ( 2 ，t ) y ( a ) d 2 ( 3 2 4 ) 3 而 式中，a = k ( 2 ) f f ，三( 五，丁) = j _ _ 高为黑体单色辐射力，这里在焦距最 以。e x p ( c 、以) 大的情况下，彳可由黑体炉标定，r 、，为相机设置。 彩色c c d 的工作波段主要在可见光( 波长在3 8 0 n m 一7 8 0 n m 之间) 范围内， 可推导出彩色c c d 的每个像素点输出的三个灰度值r ，g ，曰与被测温物体温度之 间的关系分别为： 1 7 第3 章高温熔体c c d 测温系统 r = 彳。2 fs ( 五，t ) l ( 2 ，r ) ，( 2 ) d 2 3 8 0 7 8 0 g = a t f 吨f 占( 旯，丁) 三( 五，t ) g ( a , ) d 2 ( 3 2 5 ) 3 8 0 7 曰= 么俨之fs ( 旯，t ) l ( 2 ，t ) b ( 2 ) d 2 3 玉 式中，( 五) ，g ( a ) ，b ( 2 ) 分别为c c d 的红、绿、蓝三基色信号的光谱响应特性函 数，一般它是不受温度影响的，如图3 1 0 。 1 5 1 o 0 5 【 0 5 bg r l11迫j 1 j 图3 1 0c c d 光谱响应特性曲线1 3 2 1 3 2 3c c d 参数对成像的影响 由式( 3 2 5 ) 得知影响成像的c c d 参数主要是t 焦距、光圈、快门速度。 1 、焦距 焦距决定了摄取图像的大小。用不同焦距的镜头对同一位置的物体摄像时， 长焦距镜头的c c d 所摄取的物面的尺寸大，短焦距镜头的c c d 所摄取的物面 的尺寸小。理论上，任何一种镜头均可拍摄很远处的物体，并在c c d 靶面上成 一很小的像，但受c c d 像素物理尺寸的限制，当成像小于c c d 传感器的一个 像素大小时，便不能形成被摄物体的像，即使成像有几个像素大小，图像也难 以辨识。由公式( 3 1 6 ) 至t j ( 3 1 7 ) 变换的时候，为了减小计算误差和物像变形，本文 设置较大焦距，且保持焦距不变。 2 、光圈 光圈是一个用来控制透过镜头的光线，进入机身内感光面的光量的装置， 也是c c d 一个极其重要的指标参数，它通常是在镜头内。它的大小决定着通过 1 8 第3 章高温熔体c c d 测温系统 镜头进入感光元件的光线的多少。 光圈值通常记为f 8 、f 1 l 、f 1 6 、f 2 2 、f 3 2 。数值越小光圈越大，前一个光 圈值比后一个光圈值辐通量多一倍。图3 1 1 是炉温1 0 0 0 。c 时，调节光圈为8 、 1 1 、1 6 、2 2 、3 2 拍摄的炉内图片。 匝 f = 8f = i lf = 1 6f - 一2 2f = 3 2 图3i i1 0 0 0 0 c 的炉内辐射在不同光圈下的图像 3 、快门速度 快门速度是相机上控制感光片有效曝光时间的一种装置，能够准确调控曝 光时间的作用。曝光时间与曝光量是正比关系。图3 1 2 是炉温1 0 0 0 。c 时，调节 快门为1 1 5 s 、1 3 0 s 、1 6 0 s 、1 1 2 5 s 、1 2 5 0 s 、1 5 0 0 s 拍摄的炉内图片。 r 丌 l ，1 5 sl ，3 0 sl m o si 1 2 5 si 2 5 0 si 5 ( 1 0 s 图31 2 炉温1 0 0 0 。c 时，不同快门时的图像 4 、白平衡 物体颜色会因投射光线颜色产生改变，在不同光线的场合下拍摄出的照片 会有不同的色温。例如以钨丝灯( 电灯泡) 照明的环境拍出的照片可能偏黄，一般 来说，c c d 没有办法像人眼一样会自动修正光线的改变。 白平衡就是无论环境光线如何，让c c d 默认“白色”，调整白平衡后所得到 的照片就能正确地以”白”为基色来还原其他颜色。不同的白平衡是通过改变输出 信号的强度来设置白平衡的，改变白平衡能改变成像信号值，如图3 1 3 。一般 白平衡有多种模式，以色温来定义：自动白平衡、8 0 0 0 k 、5 4 0 0 k 、3 2 0 0 k 、手 动调节。 辐射测温法是根据c c d 的输出信号来判断物体温度的方法，所以在测温过 程中，白平衡必须固定不变，本文选择5 4 0 0 k 白平衡。 第3 章高温熔体c c d 测温系统 白平衡5 4 0 0 k咀红色为自平衡阻蓝色为白平衡 图3 1 3 设置不同白平衡后拍摄的图片 5 、饱和灰度值m 当感光元件信号饱和时的灰度值显示叫做饱和灰度值。图3 1 4 是拍摄的黑体 炉内1 0 0 0 0 c 时的两幅图，左图是在快门1 1 5 s 时的图片，右图是在快门1 2 5 0 s 时的图片，可以看出左图红像素已经饱和，右图红像素没有饱和。 为了测得c c d 的饱和灰度值，实验拍摄稳定的强光得c c d 的三色像素都饱 和时的图片31 5 ，图中各像素值为最大值2 5 5 。从形态学灰度图3 1 6 可以得到 饱和像素的灰度值为2 5 5 。 舢红像素饱和( r - 一2 5 5 g - 一2 2 9 )b ) 红像素非饱和( r - 1 0 s g = 1 4 ) 图31 41 0 6 0 c 黑体炉内的红像素值饱和和非饱和图片 2 5 6 z2 5 5 图31 5 各像素值都为2 5 5 的饱和灰度国片 l e i l g t h 00 w i d t h ( a ) 红像素饱和输出信号的形态学显示 2 0 0 0 0 第3 章高温熔体c c d 测温系统 2 5 6 o2 5 5 2 5 4 1 0 l e n g t h 00 w l d l h ( b ) 绿像素饱和输出信号的形态学显示 图3 1 6 红绿像素饱和输出信号的形态学显示 口d 0 6 、暗电流灰度值1 3 3 】 暗电流灰度值是指在c c d 输入照度为0 时，c c d 所输出的灰度值，实质上 是c c d 仪器中的暗电流产生的噪声信号。图3 1 7 是拍摄的黑体炉内1 0 0 0 0 c 对 的两幅图，左图是在快门1 1 0 0 0 s 时的图片右图是在快门1 2 5 0 s 时的图片，左 圈双色值很小的图片，其中包含了很多暗电流噪声值。右图是没有暗电流噪声 值的图片。 为了测得c c d 的暗电流像素值，实验将c c d 的镜头盖关闭，拍摄无输入 光时的图片3 1 8 ，从形态学灰度图3 1 9 可以得到c c d 暗电流灰度值为1 1 0 。 t r = 3 g = 2r = 1 0 8 g = 1 4 图31 71 0 0 0 0 c 黑体炉内的红像素为暗电流像素和非暗电流像素的图片 圈3 1 8 输入光照度为0 时三色像素都为暗电流像素值的图片 第3 章高温熔体c c d 目i 温系统 1 5 1 0 z 5 口 1 加 1 5 o1 0 5 0 l a n s z h u 0 m m h ( b ) 绿暗电流像素值的形态学显示 图31 9 红绿暗电流像素值的形态学显示 通过5 、6 可知，为了保证得到的物体图像非失真，要求获取的置。g 灰度值 在1 1 - 2 5 4 之间。 在测量中由于测量现场的限制，焦距基本固定，白平衡等影响受温度等影 响较小，选定后基本可以固定不变，而光圈和快门的调节对图像影响较大，因 此进一步研究不同温度下这些参数的影响。