（机械制造及其自动化专业论文）基于arm和dsp的红外热像下渣检测系统研究与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 全文摘要 在钢铁制造工业中，高温熔化状态钢水中的钢渣检测问题是一直以来未能 很好解决的难题，钢渣是钢铁冶炼过程中的副产品，钢渣本身会直接降低铸坯 质量进而影响生产出的钢材质量，另外钢渣也会破坏钢铁连铸生产连续性给钢 厂效益带来负面效应。因此连铸过程中钢渣检测是一个具有较大生产实际意义 的研究课题。 本文以钢包到中间包敞开式浇注过程中，保护浇注后期移除长水口后浇注 过程中的钢水下渣检测为研究对象。在调研了国内外下渣检测技术与下渣检测 设备的应用情况后，提出了一套将嵌入式技术与红外热像检测技术相结合的钢 水下渣检测系统的解决方案，并搭建了系统的原型：硬件系统平台以红外热像 探测器为系统的传感器，以a r m 7 嵌入式微处理器与d s p 数字信号处理器为系 统运算处理核心；软件系统平台包含基于在a r m 7 上移植的i a c o s i i 嵌入式操 作系统构建的嵌入式应用程序，以及基于d s p 各类支持库的嵌入式应用程序。 该下渣检测系统设计方案具有非接触式检测、低成本、系统自成一体、直观显 示钢水注液状态、量化钢渣含量等特点，能够协助现场工作人员检测和判断下 渣，有效减少连铸过程中钢包到中间包的下渣量。 本文首先，介绍了课题研究的背景，明确了研究对象，分析了连铸过程中 的钢水下渣问题，调研了现有的连铸过程中钢包到中间包的钢水下渣检测方法； 其次，介绍了红外热像技术相关理论和基于红外热像技术检测钢水下渣的原理， 阐述了嵌入式系统解决方案的总体构架与设计思路；再次，分别介绍了系统的 上、下位机系统的设计与实现，包括对系统电源、存储器等硬件模块的设计， 软件部分的设计等，另外重点阐述了上、下位机h p i 通信的软硬件设计与调试 过程，以及嵌入式操作系统i t c o s i i2 8 3 版本在上位机a r m 7 硬件平台的移植 方法；对系统平台原型进行了调试和实验，将h p i 通信、上位机系统软件实验 结果进行了分析说明；最后，对论文进行总结，并对系统的改进和优化方向进 行展望。 关键词：嵌入式系统；连铸；钢水下渣；红外热像 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ns t e e lm a k i n gi n d u s t r y , t h ed e t e c t i o no fs l a gc a r r y o v e rw i t h i nm o l t e ns t e e lh a s b e e na c h a l l e n g ef o ro v e rac e n t u r y t h cp r e s e n c eo fs l a g ，ab y p r o d u c to ft h ep r o c e s s i t s e l f , d i r e c t l yr e d u c e st h eq u a l i t yo fs t e e la n di n f l u e n c e st h ec o n t i n u i t yo fs t e e l p r o d u c t i o n t h e r e b y , s l a gd e t e c t i o ni nc o n t i n u o u sc a s t i n gi sa ni m p o r t a n ta n dp r a c t i c a l r e s e a r c hs u b j e c t b a c k g r o u n do ft h et h e s i si st h es l a gd e t e c t i o ni no p e nc a s t i n gp r o c e s sa n df i n a l s t a g eo fp r o t e c t i v ec a s t i n gp r o c e s sf r o ml a d d i et ot u n d i s h a f t e ri n v e s t i g a t i n g d o m e s t i cs l a gd e t e c t i o nm e t h o d sa n da p p l i c a t i o no fs l a gd e t e c t i o nd e v i c e s ，as e to f s l a gd e t e c t i o ns y s t e ms c h e m ew h i c hc o m b i n e se m b e d d e dt e c h n o l o g ya n di n f r a r e d t h e r m o g r a p h i ct e c h n o l o g y w a sb r o u g h tf o r w a r d ，a n d s y s t e mp r o t o t y p ew a s e s t a b l i s h e d ；h a r d w a r ep l a t f o r mc o n s i s t e do fi n f r a r e dt h e r m og r a p h i ci n s p e c t o rw h i c h w a st h es e n s o ro fs y s t e m a 1 w 7m i c r o p r o c e s s o ra n dd s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r w e r ep r o c e s s i n gk e r n e l ；s o f t w a r ep l a t f o r mc o n s i s t e do fl x c o s i ie m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e mp o r t e do na rm 7a n dk i n d so fe m b e d d e da p p l i c a t i o np r o g r a m sb a s e do nd s p s u p p o r t i n gl i b r a r i e s t h es l a gd e t e c t i n gs y s t e m d e s i g ns c h e m eh a l s f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：n o n 。c o n t a c td e t e c t i o n , l o wc o s t ，v i s u a l l yd i s p l a ys t e e lc a s t i n gs t a t u s ， q u a n t i z es l a ga m o u n ta n ds oo n i tc a nh e l pf i e l dw o r k e rt o j u d g ew h e t h e rs l a g c a l t y 。o v e ro c c u l so rn o t ，i no r d e rt oe f f e c t i v e l ym i n i m i z es l a ga m o u n tl e a k e di n t o t u n d i s h f i r s t l y , r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds u b j e c tw e r ei n t r o d u c e d ，s l a g c a r r y 。o v e r p h e n o m e n o ni nc o n t i n u o u sc a s t i n gw a sa n a l y z e d ，a n dp r e s e n ts l a gd e t e c t i o nm e t h o d s w e r es t u d i e d s e c o n d l y , r e l a t e di n f r a - r e dt h e r m o g r a p h i ct e e h n o l o g ya n ds l a g d e t e c t i o np r i n c i p l ew e r ei l l u s t r a t e d ，a n d s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nw e r e i n t r o d u c e d t h i r d l y , u p p e ra n dl o w e rp o s i t i o nc o m p u t e r sw e r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y , i n c l u d i n gc r i t i c a lm o d u l e sd e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，e m p h a s e sw e r ep l a c e d o nd e s i g na n dd e b u g g i n gp r o c e s so fh p ic o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e rp o s i t i o n c o m p u t e ra n dl o w e rp o s i t i o nc o m p u t e r , a n d “c o s - i iv e r s i o n2 8 3p o r t i n gm e t h o do n 趾洲7h a r d w a r ep l a t f o r m ；e x p e r i m e n t sa n dd e b u g g i n gw e r em a d ef o rs y s t e m ，t h e n a n a l y s i sa n di l l u s t r a t i o no fh p ic o m m u n i c a t i o na n du p p e rp o s i t i o nc o m p u t e rs o f t w a r e s y s t e me x p e r i m e n tr e s u l t sa r es h o w n f i n a l l y , s u m m a r yo ft h et h e s i sw a sm a d e ， s y s t e mi m p r o v e m e n td i r e c t i o na n do p t i m i z a t i o ne x p e c t a t i o n si nt h ef u t u r ew e r e d i s c u s s e d k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；c o n t i n u o u sc a s t i n g ；s l a gc a l t y o v e r ；i n f r a - r e dt h e r m o 擎a p h i ct e c h n o l o g y 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生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。除了文中特别加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，也不包含为获得逝婆盘堂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己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：糊 签字日期：训吕年月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂 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和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 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： 椭、孑 签字日期：7 2 ；年多月日 导师签名： 力沙 签字日期：口亨年f 月日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章以连铸过程中钢水下渣检测为课题研究背景，讨论了连铸生产工艺， 分析了连铸过程中钢包到中间包的钢水下渣过程与下渣产生的原因，调研了国 内外钢水下渣检测领域的研究现状及检测方法，分析现有的各检测方法的优劣， 及其在生产实际中应用情况。最后介绍本文研究内容、创新点和文章组织结构。 1 1 引言 2 0 0 5 年我国粗钢产量首次超出过3 4 亿吨，同比增长2 5 占世界粗钢产量 3l ，这是我国钢铁工业发展史上的又一里程碑。2 0 0 6 年达4 2 亿吨，同比增长 1 8 4 占世界粗钢产量3 4 7 。2 0 0 7 达4 9 亿吨占全世界粗钢产量3 6 4 ，2 0 0 8 年还会有进一步的增长【l l 。 我国是一个钢铁大国，不仅在钢铁产量上处领先地位，对钢铁质量也应有 更高的要求。但是我国钢铁质量却一直处于较低水平，出口钢材以低附加值的 普通钢材为主，而工业用的大部分高质量钢材却基本依靠进口【2 1 。提高钢材质量 已成为钢铁行业发展的第一要务，钢材质量的提高需要对钢铁企业的生产技术 水平进行提升，因此提高我国钢铁企业的生产技术水平是迫切需要解决的问题。 在钢铁生产的重要环节连铸生产过程中，钢水下渣检测问题一直很难解决， 钢渣大量进入中间包会很大程度上影响生产出的钢材品质，严重时甚至使钢水 浇注无法进行，因此如何准确控制连铸过程中钢水下渣，减少连铸过程中下渣 量提高钢水净洁度，可提升炼钢质量，带来极大的经济效益。综上所述本课题 具有较重要工业实际意义。 1 2 论文研究背景 1 2 1 连铸工艺与钢水下渣分析 随着连续铸造技术的飞速发展，连续铸造目前已经成为现代化炼钢厂成熟的 生产技术，也是钢厂生产主要方式f 3 i 。目前连续铸钢技术已为全世界各产钢国普 遍采用，不少发达国家连续铸钢比例已达9 5 以上，不少发达国家钢厂已实现 全连铸，我国的连铸比己超过9 5 t 5 1 。连铸技术的开发与应用己成为衡量一个国 家钢铁工业发展水平的标志。 连铸钢铁生产工艺是对原有的模铸生产工艺的改进，简化了钢坯的生产流 程，提高了生产自动化程度和钢水的收得率。连铸的特点在于，钢包在浇注过 程起到缓冲的作用，转炉或电炉炼好的钢水不断浇入钢包，使得连铸机上的钢 水浇注不间断进行。在连铸过程中的连铸机是机械化程度高、连续性强的生产 设备。高速连铸设备有立式连铸机、立弯式连铸机、弧式连铸机以及椭圆形连 铸机。弧形连铸机是连铸生产中使用晟多的一种机型。如图1 1 所示为直弧形连 浙江大学硕上学位论文 续弯矫连铸机的连铸过程示意图。该弧形连铸机的生产工艺为：钢水从钢包( 又 称大钢包、大包) 1 流入中间包2 ，再进入结晶器4 ，冷却后凝固成特定截面的 铸坯6 ，通过滚轮向外拉出后切削成规定长度的板坯6 1 2 。3 】。 1 钢包2 中间包3 钢水注液4 结晶器5 二次冷却装置6 铸坯 图1 1 弧形连铸机连铸过程示意图 在钢包到中间包的浇注过程中，高温下钢渣比重较轻，只有纯钢水比重的 三分之一左右，以油状浮于钢水表面，当钢水从钢包注入中间包时，钢渣层随 钢水液面高度的减少而下降，由于熔体( 包含钢水和钢渣) 积累的能量尤其是 环绕容器动能在液面降低时容易失稳，形成微小旋涡，称为汇流旋涡1 6 1 。随着小 旋涡的不断延伸，很快旋涡的前锋进入水口，此时漂浮在钢包上部的钢渣被卷 进中间包，此过程俗称卷渣【3 1 。 漩涡的产生受到钢渣浇注速度、浇注平稳程度和钢渣的特性尤其是表面张 力和粘度的影响，浇注越平稳，速度越快，渣的表面张力和粘度越小，渣层越 厚，则漩涡越容易产生，因此在浇注完成前3 。5 分钟会减小拉速，并点动开关 水口，使大包中的钢水在流动中产生一定的扰动，以破坏钢水中汇流漩涡的产 生，但在液面较低的时候，点动开关水口也会引起钢水和油状钢渣的紊流，而 使钢渣被吸入中间包水v i 。钢包下渣根本原因是随着钢包液面下降形成汇流旋 涡，汇流旋涡产生的巨大抽力将钢包覆盖渣吸进中间包，漩涡产生的巨大抽力 也会吸入空气，增加钢水的氧含量，引起渣、钢和空气间的剧烈混合，造成渣 颗粒悬浮在钢液中。卷渣形成的夹杂物尺寸在1 0 3 0 0 9 m 之间，在外形上为球形， 富含氧化铁、氧化锰等氧化物。钢渣从钢包流入中间包以后，会造成钢水中铝、 钛等易氧化合金元素的烧损，产生氧化铝夹杂物，影响钢水的纯净度，钢水和 渣中的s i 0 2 ，f e o 和m n o 以及炉衬耐火材料之间的多元反应造成夹杂物成分复 杂，并影响冷轧板和涂层板的表面质量。此外，钢渣中的氧化铝还会造成中间 包水口堵塞，影响连铸多炉连浇，中间包的钢渣进入结晶器会降低铸坯洁净度， 影响钢坯质量，甚至造成拉漏事故，使连铸生产的正常进行受到很大影响【3 1 。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 下渣检测系统应用对象 “口 红外撮像机 图l - 2 本文研究对象示意图 本文研究对象及系统的应用对象是保护浇注末期去除长水口后浇注过程 中、敞开式浇注过程中的由钢包到中间包的钢水注液，如图1 2 所示，关键点是 系统进行下渣监测时钢水注液是可见的，即可直接捕获钢水注液的红外热像。 1 保护浇注后别4 1 ，最常用的是长水口保护，使用长水口保护钢水从钢包浇注 入中间包，在浇注后期，钢厂现场工作人员会移开长水口观察注液或中间包 液面的亮度、颜色等特征变化，以确定钢包是否下渣，钢水注液便暴露出来。 2 敞开式浇注f 4 】，一般敞开浇注用于普通低合金钢与普碳钢，在常见的建材钢 中，都是敞开浇注的，钢水浇注过程中注液一直可见。 以上这两种情况均是本文的研究对象，可使用本文所研究设计的下渣检测 系统进行钢水下渣检测，以减少钢包到中间包浇注过程中的下渣量。 1 2 3 连铸钢包下渣检测技术 连铸钢包下渣检测技术已成为现代连铸生产和质量控制的重要技术之一， 现有针对生产普碳钢或是低合金钢的连铸过程中的钢包下渣检测的方法有称重 检测法、电磁检测法、超声波检测法、红外热像检测法、人眼观察法、长水口 振动检测、法【“】。核心思想是，利用各类钢水与钢渣在高温熔融状态下相区别的 特征，提取特征后进行钢水下渣检测。众多检测方法中长水口振动检测法【7 1 由于 是针对于保护浇注，钢水注液一直被长水口所遮挡，不在本文的研究范围之内， 也不适合本系统的应用，因此本节不对此检测方法介绍，以下对其它检测方法 原理及其局限进行分析和讨论1 1 5 】。 ( 1 ) 称重检测法 称重检测法原理【8 】：连铸过程中，钢包的总重量会随着钢包内钢水液面的下 降而缓慢地降低，利用在下渣过程中钢包重量变化率明显变化特征来判断下渣 的发生。如图1 3 所示，在钢水浇注末期，总重量随时间的次导数曲线在8 0 浙江大学硕士学位论文 秒内基本不变，但一旦钢渣的出现，此重量一阶导数值发生改变。同时，总重 量的二次导数曲线也发生了明显的变化，这与目测下渣点几乎完全一致。 图i - 3 转称重检测法实验曲线 称重检测法的局限性在于，首先检测过程中，滑动水口开度需维持不变， 现场实际操作较难满足。其次称重设备要有足够的称量精度，也就需要一种大 量程( 如1 0 0 吨以上) ，称重分辨率在1 千克左右，抗干扰能力强的称重传感器。 就目前来讲这些要求较难充分满足。另外由称重测量法的原理知在检测过程中 会存在较大的时间延迟，不利于下渣量控制。 ( 2 ) 电磁检测法 电磁检测法首先在1 9 8 6 年应用于转炉出钢口【9 1 ，1 9 8 9 年德国的e d m u n d j u d i u s 博士又将此技术应用于钢包下渣的早期探测【l o l 。电磁检测法的原理是利用 钢水与钢渣磁导率的不同来检测钢渣。以德国a m e p a 公司的e s d t l l 】系统为例， 采用双线圈结构的传感器来检测钢渣，其工作原理如图1 - 4 ( a ) 所示，高频电流通 过第一个线圈，线圈中心又有钢水流过时，钢水将有磁场产生。由于钢渣的磁 导率明显低于钢水的磁导率( 1 6 0 0 度时，它们的比值是l ：1 0 0 0 0 ) ，故钢渣中感 应产生的磁场远小于在钢水中产生的磁场。因此在下渣时，如图1 - 4 ( b ) 所示，磁 场会减弱，此值可由第二个线圈测得，由计算机处理后得到混渣量的大小，依 据阈值判定下渣。 ( a ) 全钢水时磁场情况( b ) 混渣时磁场情况 图l _ 4 电磁检测原理示意图 电磁检测法的局限在于，首先需要对钢包进行改造以放置传感器线圈，其 4 浙江大学硕上学位论文 次是传感器所处环境温度高，使用寿命受到影响，会经常需要进行更换。这两 个缺点不仅会带来很多额外的费用，另外钢包改造会影响到钢厂的正常生产。 ( 3 ) 超声波检测法 超声波检测法的原理是利用当有渣和无下渣时超声波发出信号和反射信号 的差别来实现对钢渣的检测。主要分为浸入式检测法和侧壁安装式检测法 1 2 - 1 4 l 。 浸入式检测法是采用浸入式超声波探头，如图1 5 所示： 图1 5 浸入式检测原理示意图 浸入式的超声波探头由压电晶体，低碳钢波导和一个安装在石墨支撑架上 的中空反射器组成。钢水和微小的钢渣团都可以进入反射器内。下渣时就会有 钢渣进入到反射器内部。此时示波器上会显示出3 个峰值：左边的初始脉冲信 号，中间从钢渣反射回来的回声信号，右边的从反射器壁上反射回来的回声信 号。没有下渣时则只有左右两个峰值信号；侧壁安装式检测法是在钢包侧壁装 上超声波探头。这种检测法可有效检测涡流卷渣现象。这种方法就是利用钢水 中产生涡流和没有产生涡流【5 7 】时，超声波发射和反射信号的差别来进行检测。 如图1 6 【7 l 所示 子魂等娟 a = 簇主暑一 主= 一 ( a ) 侧壁安装，无涡流( b ) 侧壁安装，有涡流 图1 6 超声波检测原理示意图 图1 6 ( a ) e o 钢水中无涡流产生，示波器上只能看到一个峰值，无接收反射波。 图图1 6 ( b ) 中钢水中产生涡流，这时会接收到反射脉冲信号，左侧峰值为初始发 生的脉冲信号，右侧峰值则是涡流与钢水分界面处反射回来的脉冲信号。 超声波检测法的局限在于，首先传感器的寿命由于恶劣的高温工况会受到 影响，其次浸入式检测由原理知其天生的局限性，检测出下渣时已经有一定量 的下渣存在于中间包中，侧壁安装式检测法要求对钢包改造，再次就是传感器 的高要求及对钢包的改造使系统制造和安装成本都很高。 ( 4 ) 红外热像检测法 红外热像检测法f 1 5 】是一种非接触式的下渣检测方法。其原理是利用在红外波 浙江大学硕士学位论文 段钢渣与钢水显现出不同的辐射特性。整个检测方法的核心部件是红外热像探 测器与进行分析处理图像、控制报警的主控计算机。红外摄像机记录下钢水注 液的热像视频，传输给计算机，通过一定的图像处理分析算法进行下渣检测。 图1 - 7 红外热像检测法示意图 如图1 7 所示，应用该方法于转炉出钢。这种方法的优点是系统可靠，检测 无接触，能准确反映钢渣含量，但应用范围主要是转炉出钢。 ( 5 ) 人工肉眼观察法 在现场对钢水下渣检测的主要手段是人工肉眼观察法1 5 1 ，通过钢包到中间包 浇注过程中注液的颜色、亮度特征来区分钢和钢渣，由于出钢时的浓烟和强光， 准确判断是否下渣是一件困难的事情。根据每种钢的浇注经验，在浇注结束前 3 5 分钟开始注视中间包液面，直至确定已经下渣。 人工肉眼观察法的局限在于：因为钢水和钢渣均为炽热状态，工作环境恶 劣，操作者难以准确判断下渣量的多少。当观察者长时间注视液面，对液面光 线敏感度下降，往往只有当钢流夹渣量为1 5 - 2 0 时才有可能发现下渣，而渣 含量小于此值就无法分辨夹渣现象；如硅钢等特种钢对下渣量有严格控制时， 往往采用保守的判断方法，根据经验，在浇注末期，根据经验而不是在看到钢 渣的情况下即关闭水口停止浇注。因此，导致大量特种钢水残留，钢水收得率 低；长期用肉眼观察钢流下渣的情况不利于工人的劳动保护。工人长时间注视 中包钢水液面时，高温下钢水热辐射使面部特别是眼睛受到极大的伤害。 1 2 4 下渣检测技术应用情况 目前，应用最多的钢渣检测系统是基于电磁感应原理的下渣检测系统【1 4 l 。如 德国a m e p a 公司的电磁感应式下渣检测系统1 1 1 l 是目前世界上最先进的下渣检测 系统，但是这套系统要在钢包壁中埋入线圈 9 - 1 0 , 1 9 l 。国内的武汉钢铁公司等都在 进行研制生产。上海宝钢近年来引进了一套a m e p a 公司的电磁下渣检测装置， 由于更换传感器维护费用高经常处于待用状态。 基于红外热像检测方法的系统有英国l a n d 公司的s d s 下渣检测系统 1 6 1 7 l 、 6 浙江大学硕士学位论文 澳大利亚i t e m a 公司的红外检测下渣检测系统 1 9 - 2 0 l 。国内有海成电子技术有限公 司的d m 7 4 0 0 与d m 7 4 0 0 e x 检测系统应用于转炉出钢，电炉出钢，在钢包到中间 包浇注过程中应用较少。 利用称重检测方法的系统，理论上具有可行性，但实际应用条件局限，使 其无法达到所要求的准确性，目前还只是在较小的转炉上作对比实验，几乎没 有实际使用1 2 1 - 2 2 】。 超声检测系统正处于研制阶段，系统要求对钢包进行改造，而且工作环境 恶劣，超声波探头的耐用性也不够，生产和使用的成本也很高，很少有实际应 用【2 3 i 。 在国内的钢厂，考虑到成本问题，绝大多数都是采用人工观察的方法，例 如在首钢集团、武钢集团连铸车间，由钢包进入中间包中的钢渣量，通常需要 人工直接观察钢包水口处注液、液面情况与钢包重量的变化间接推断而得。这 需要操作工作人有相当丰富的经验。 国内还没有成熟的下渣检测系统，所使用的下渣检测系统大部分依靠从国 外引进，而进口产品对于国内钢厂来说，价格昂贵，使用与维护费用都较高。 如在宝钢，引进的电磁检测系统平均每两个月就要对所用钢包底部的线圈、传 感器进行更换，使用成本很高【1 6 i 。因此迫切需要一种自主知识产权、成本低、使 用和维护方便的下渣检测系统。 1 3 论文研究意义与内容 1 3 1 研究意义 文中所研究设计的嵌入式红外热像钢水下渣检测系统，设计目的是为了准 确判断连铸过程中钢包到中间包浇注过程的下渣情况，进而有效的减少下渣量。 减少下渣量有以下作用： 1 减少回磷，提高钢水脱硫率，节省脱氧剂用量，提高钢水净洁度，有利于对 二次精炼； 2 减少中间包侵蚀，延长中间包寿命； 3 延长连铸系统作业时间，提高钢水收得率；提高钢厂经济效益等 2 4 - 2 5 1 。 为更好实现下渣检测的功能，本文研究相关的嵌入式系统技术和红外热像 检测技术，充分结合和利用这两种技术，设计出嵌入式红外热像下渣检测系统 另外具有以下特点： 1 钢包下渣过程实时在线监测，有效提高钢水纯净度，降低下渣量。 2 非接触式检测钢水下渣，系统传感器( 红外热像探测器) 安装方便，远离高 温的监测对象，有利于系统寿命。 3 利用嵌入式技术，系统针对钢包下渣检测应用对象软硬件功能剪裁设计，成 7 浙江大学硕上学位论文 本低，系统自成一体，现场系统设备安装、调试方便快捷。 4 利用红外热像检测技术可有效从环境中提取钢水与钢渣信息，并分离钢水与 钢渣的特征信息，对钢水注液中钢渣量化估计。另外也可最大限度排除其它 因素( 如粉尘、烟雾等) 的干扰。 5 对比现在国内钢厂普遍使用的人工肉眼检测法，通过自动化监测，可有效起 到工人劳动保护作用，降低对员工技能和经验上的要求，避免人为原因造成 的判断失误。 6 与电磁检测法下渣检测法相比，也不需要在钢包上安装检测设备，现场安装 与布线灵活方便，节约了大量的运行和维护费用。 综上所述，本文所研究设计的下渣检测系统，不仅具有检测钢水下渣的功 能，同时比较其它现有下渣检测系统也因为嵌入式技术和红外热像技术的应用， 具有一定的比较优势和先进性，因此本论文具有一定研究意义。 1 3 2 研究内容 本论文以连铸过程中的钢水下渣检测为课题研究背景，使用嵌入式技术，研 究设计出基于三星公司a r m 7 系列8 3 c 4 4 b o x 微控制器和德州仪器公司c 6 0 0 0 系列t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的数字信号处理器的嵌入式系统平台及相关底层软件系统， 系统据功能要求分为上下位机两个部分，应用红外热像下渣检测原理实现下渣 检测。论文中具体的研究内容有： 1 研究相关红外热像理论，分析研究了红外热像技术应用于钢水下渣检测的原 理，利用红热像下渣检测原理选择红外热像探测器，分析检测下渣的方法。 2 研究和设计基于a r m 7 的上位机嵌入式系统平台，包括a r m 7 硬件平台设 计，基于硬件平台的上位机软件系统设计与实现。 3 研究和设计基于d s p 的下位机嵌入式系统平台，包括d s p 硬件平台设计， 下位机图像采集，图像处理，数据通信等嵌入式软件设计。 4 研究了本文的重点与难点：在上位机的a r m 7 芯片移植p c o s i i 嵌入式操 作系统；设计及实现a r m 与d s p 之间h p i1 6 位并行数据通信。 在论文研究具体内容当中，有以下几点创新之处： 1 在下渣检测系统中实现了嵌入式技术与红外热像下渣检测技术相结合。 2 在下渣检测系统的上位机a r m 7 芯片中移植、运行嵌入式实时操作系统 c o s i i 进行实时任务调度、资源分配。 3 上下位机之间使用h p i 通信接口实现1 6 位并行通信。 通过本文的研究工作，目标在于构建一套基于a r m 与d s p 的红外热像下渣 检测系统，为钢厂现场工作的工作人员提供判断检测连铸过程中钢包到中间包 钢水下渣的工具。 8 浙江大学硕上学位论文 1 4 论文组织结构 本论文是采用以下组织结构： 1 第一章介绍钢铁生产中连铸生产的主要工艺流程，分析了钢渣形成原理、钢 包下渣过程及其特点。同时也介绍了现有的钢渣检测技术及应用于生产实际 的情况。基于此研究课题背景对本文所做研究的内容和意义进行阐述，进而 引出论文的主体。 2 第二章主要论述本文理论性部分即红外热像技术的相关理论，结合连铸过程 中的下渣过程，分析讨论将红外热像技术应用于钢水下渣检测的原理。 3 第三章介绍了嵌入式技术的技术特点，嵌入系统的一般结构，并对嵌入式开 发进行了论述，最后提出了本文所研究设计的嵌入式下渣检测系统方案。并 对相关的嵌入式微处理器和嵌入式操作系统进行了选型。 4 第四章主要介绍了下位机的系统实现，包括视频解码器的设计应用以及d s p 视频处理模块的硬件主要部分设计。基于下位机的硬件环境，介绍了下位机 软件设计与实现，介绍了视频采集和处理模块的设计与实现。 5 第五章是详细介绍了上位机的系统实现，以a r m 7 为核心的上位机系统平 台的硬件关键模块设计与实现，基于上位机硬件环境，描述了上位机系统软 件的设计与实现，重点阐述了关于嵌入式操作系统g c o s i i 的移植和h p i 通信部分软硬件设计与实现。 6 第六章对系统实验结果展示和分析，主要是关于整体硬件系统原型的介绍， h p i 通信实验结果的分析，和上位机软件系统软件实验结果的分析。 7 第七章是论文的总结与展望，对整篇论文进行了总体性概括和结论性陈述， 最后对本系统应用前景进行了展望，并提出本系统可以改进和完善的方面。 9 浙江大学硕士学位论文 第2 章红外热像下渣检测原理 本章详细阐述了与钢渣检测相关的红外热像技术的基本原理，结合钢水下渣 检测领域阐述了基于红外热像技术的下渣检测原理和方法。并对红外热像探测 器的工作波段进行了讨论，对红外热像探测器进行了选型。 2 1 红外辐射基本理论 从1 8 6 0 到1 9 0 0 年，建立起了完整的红外辐射理论【2 7 1 ，其核心包括透射、反 射和吸收定律，基尔霍夫定律，普朗克定律在内的三大定律，从实验中总结出 的维恩定律、斯特芬一玻尔兹曼定律实际上是普朗克定律的特殊形式。以下将 与本文研究对象下渣检测紧密相关的定律理论进行介绍和应用。 红外辐射指的是波长在0 7 5 1 0 0 0 9 m 之间的电磁波。与可见光相比，红外辐 射特殊性在于其波长，具有更加明显的绕射、衍射等效应，更有利于在大气中 传播。此外其光子能量与构成物质的分子、原子热运动能量相当，更容易被吸 收。因为不同波长的红外辐射与空气分子的相互作用不同，所以红外辐射分为3 个波段：短波红外l 2 5 1 t m 、中波红外3 - 5 9 m 、远红外8 1 4 9 m 。这三个波段是 大气选择吸收形成的“大气透射窗口，红外辐射在大气中有这三个波段区间能 基本完全透过，因此将红外热像探测器的工作波段尽量选择在以上三个波段中， 选用合适的大气透射窗口可以有效降低介质的干扰问题，如烟雾、水气和灰尘 等，提高热像仪的探测质量。本系统选择的红外热像探测器的工作波段就在“大 气透射窗口的远红外波段1 2 8 1 。 2 1 1 黑体模型与实际红外辐射源 黑体是为分析红外辐射现象建立的理想模型。黑体是一种理想的辐射体。它 是一种完美的辐射体和完美的吸收体，也是一种完美的材料，没有能量的反射 和透射。黑体最大的特点就是所发射的辐射能等于吸收辐射能，即任何波长的 电磁波其发射率都等于吸收率( 等于1 ) 。虽然在实际中并不存在黑体，但是支 配红外辐射的物理定律的公式都是以它为研究对象而推导得到的；红外测量和 热像仪均匀性校正也都是以人工黑体( 辐射特性接近黑体) 为标准辐射源f 2 7 1 。讨 论黑体的目的在于清楚地获得辐射规律，再应用于实际物体研究当中。 实际红外辐射源有灰体和选择性辐射体两大类。灰体是不能全部吸收入射到 其上的辐射能的吸收体，其发射率为一常数，但小于1 。选择性辐射体的发射率 是波长的函数，在0 与1 之间。本文中的钢渣与钢水都属于选择性辐射体，其 发射率都是随波长变化的函数。本章之后的有关辐射定律都是针对黑体，应用 于实际物体还需要利用发射率进行修正。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 基本辐射定律 ( 1 ) 透射、反射、吸收定律 一般来说，温度一定时，入射到一个物体表面的红外辐射将发生吸收、反射、 透射三种物理现象，按能量守恒原则在一定温度下，光谱吸率坼、光谱反射率所 和光谱透射率。之和为1 。即 吩+ 所+ 勺= l( 2 1 ) 其中： 以 i ，m 。( a ，r ) 砒 a r = 专_ 一 ( 2 2 ) 2 f 一 ( 2 ) i ，m ，( 兄，t ) d t - 1 以 【m p ( 力，t ) a t 所= 专二一 ( 2 3 ) 所2 亏一 【2 3 ) 【m ( 兄，r ) 以 1 一 【帜( 五，丁) 以 r r = 专_ ( 2 4 ) 一 k 二- r ， 【m ( 力，t ) d a 以上几式中，m 为入射红外辐射，收为被物体吸收的红外辐射，心为物 体反射的红外辐射，m ，为物体透射的红外辐射。在不同的温度，物体吸收红外 辐射的机制可能不一样，因此吸收率、反射率和透射率仍然是温度的函数1 2 7 】。 ( 2 ) 基尔霍夫定律 1 8 6 0 1 8 6 2 年，基尔霍夫在深入研究了物体热辐射与发射之后，引入发射本 领与吸收本领的基本概念并定义了吸收率口和发射率s ，在黑体模型的基础上建 立了基尔霍夫定纠2 引。表述为：物体发射本领和吸收本领仅与辐射波长和温度有 关，与物体的性质无关，该比值是对所有物体的普适函数。一个绝对温度为丁的 黑体，单位表面积在波长兄附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率 即出射度m ，又称光谱辐射率、辐射度【3 lj ( 单位是瓦每平方米，2，辐射,t w m 出射度是波长和温度的函数) 与吸收率口。r 的比值是与物体性质无关的，因此可 将基尔霍夫定律表达为： m a r o t a r = a 死五7 灯= m h 五r = 厂( 旯，r ) 2 e , t ( r ) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中心a r 和五，为黑体的光谱出射度和光谱吸收率，e a ( t ) 是黑体表 面的辐照度。同时式( 2 5 ) 还表明吸收率越大的物体，出射度也势必越大，即好的 吸收体也必然是好的发射体。上述的讨论说明光谱的辐照度是光谱出射度和光 谱吸收率的比值，与物体本身性质无关，都是波长、温度的普适函数。如果物 体在光谱的任意波长处都能保持吸收率为1 的话，则它在任何温度、波长下辐 射都要比其它物体强，而在任何情况下吸收率为l 的物体就是黑体。基尔霍夫 浙江大学硕上学位论文 定律是辐射传输理论的基础之一，指出了吸收与辐射之间的联系。 ( 3 ) 普朗克定律 1 9 0 0 年，普朗克提出量子理论和黑体辐射理论。为克服瑞利一金斯公式在 高频区的困难i 盟1 ，他提出了一个全新模型，也是目前普遍承认和使用的理论模型 辐射的量子化振子模型。 在量子化模型中，我们把黑体的空腔壁看作是一个由密集的电磁偶极振子组 成的体系。空腔处于热平衡状态时，这些电磁振子发射和吸收的辐射能量是相 等的，因而其会处于稳定的振动运动中，同时使腔体内部的电磁辐射形成稳定 的驻波，每一驻波的能量与相同频率的振子的能量相同。这些电磁驻波也因此 可以看作是电磁振子【2 引。 普朗克应用微观粒子能量不连续的假说量子概念，并借助于空腔和谐振 子理论，导出以波长z ( , t u n ) 和r ( c ) 为变量、确定黑体辐射出射度 丑r ( 所一, t a n _ 2 ) 的公式为： ，2 5 m b 盯= 土 ( 2 6 ) e x p ( 嘉) _ 1 式( 2 6 ) 中第一辐射常量是c l = 2 n h c 2 = 3 7 4 1 8 1 0 w m , u r n 4 ，第二辐射常 量是c ，= h c k = 1 4 3 8 8 1 0 4 朋k ，k = 1 3 8 0 7 1 0 。2 3 j k _ 1 为玻尔兹曼常量。普 朗克定律就是基尔霍夫定律要求的普适函数，与透射、反射和吸收定律一起构 成红外物理理论基础的三大定律。由普朗克辐射定律知，提高温度辐射光谱会 向短波方向移动。利用普朗克定律可以量化计算在一定温度、一定波长情况下 黑体的出射度，在选择红外热像探测器时，这是一个考虑的因素，工作波长范 围内出射度越高，表明红外热像探测器能够接收到辐射功率越大，更有利于热 像探测器捕获钢水注液的热像。 ( 4 ) 维恩位移定律 1 9 8 3 年，维恩研究黑体辐射的实验数据，提出了描述黑体辐射分布的峰值 波长与温度关系的定律维恩定律，也称为维恩位移定律，基于普朗克定律 给出了简单的定量关系，如式( 2 7 ) 所示： 九t = 2 8 9 7 7 9l a n k( 2 7 ) 将普朗克公式对波长求导并取零值，求解出射度取极值的条件，即 杀= 2 1 1 - e x p ( - 杀) 】，可得出射度取到极值时厶t 的值，丸是光谱辐射极大 m i m l 值处对应的波长，一般称为峰值波长。将丸r 反代入普朗克定律中的波长表达式 ( 2 6 ) 中，可以得到温度丁下，峰值波长处的出射度的最大值，即峰值辐射最大值， 如式( 2 8 ) 所示： 1 2 浙江大学硕士学位论文 5 石c i 虿1 黑体出射度与波长、温度关系曲线如图2 1 所示： 0 1101 01 i t m ( 2 8 ) 图2 - 1 黑体出射度与波长、温度关系曲线 图2 1 中斜直线就是不同温度的黑体m 脚一彳曲线族峰值点的连线【3 0 1 。随着 黑体温度的升高，其出射度m m 明显变大；温度升高的同时，出射度取极值处 波长丸在变小。在红外热像检测应用中，可利用维恩定律计算出检测目标区域 温度范围所对应的峰值波长范围 2 9 - 3 0 i ，即要求红外热像探测器工作的波段上，被 测目标对象要有较强的出射度，这为确定红外热像探测器工作波长范围提供理 论依据依据。式( 2 7 ) 在文中用于计算红外热像探测器工作波长范围。 ( 5 ) 目标与背景的辐射对比度 用辐射对比度c 描述目标与背景辐射的差别，目标与背景之间的辐射对比 度实际上就是目标对背景辐射的对比度【2 6 1 ，定义为： c ：m r - m s m r + m b ( 2 9 ) 坼为目标在红外波段 一五内的辐射出射度，m 。为背景在相同波段的辐 射出射度： 一l m r = 【m 。( t r ) a a ，= 【鸩( 毛) 以 ( 2 1 0 ) 式中，弓和疋分别为目标和背景的温度值。由式( 2 6 ) 知，相同的波段范围 内，黑体出射度仅与温度相关，故在监测钢水下渣过程中，注液温度与环境温 度相差有近千度，故使用红外热像检测方法可得到较高的目标图像与背景的辐 射对比度，有利于提取所需的钢水注液的特征信息【3 i l 。 3 2 红外热像钢渣检测原理 上一节中所讨论的红外辐射的基本理论与相关定律都是基于黑体这一理想 矿 酽 矿 驴 旷 驴 小 时 浙江大学硕士学位论文 辐射模型推导所得；而本文的研究对象是连铸生产过程中的钢水与钢渣，是实 际物体的红外辐射情况，因此需要对由黑体模型推得的公式进行修正。 3 2 1 实际物体红外热辐射 由于实际物体的红外辐射与表面状态密切相关，因此在使用上述公式时需 要对表面的发射率进修正。一般来说，实际物体表面发射率也是波长与温度的 函数，定义其光谱辐射出射度为心r 与黑体的辐射出射度m 们之比为其光谱发 射率占a r ： ( 2 1 1 ) 发射率为一个随着波长变化而变化的比例系数，指在同一温度情况下物体表 面辐射出能量与黑体表面辐射出能量的比率，黑体的发射率是等于l ，故实际物 体发射红外辐射时也是完全遵循黑体辐射定律的，唯一的区别在于发射率是小