（电路与系统专业论文）基于CCD图像传感器的高温温度场非接触软测量研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 摘要 基于c c d ( 电荷耦合器件) 图像传感器的非接触高温温度场软 测量方法将c c d 技术、数字图像处理技术与传统辐射测温方法相结 合，能够实现快速、准确的高温场测量，显著提高测量技术水平，因 而成为高温检测领域近年来的研究热点。本文在研究分析c c d 辐射 测温的研究历史和现状的基础上，通过深入的理论分析与大量的实验 研究，提出了一种新型的基于c c d 图像传感器的高温场软测量方法。 取得了如下的研究成果： 1 提出了一种新型的含有c c d 响应带宽校正系数和发射率校正 系数的比色测温公式。以此为基础构建的高温场软测量系统可以减少 c c d 光谱响应特性非理想和被测辐射体发射率变化带来的测量误差。 2 提出了利用黑体炉实验标定c c d 响应带宽校正系数、利用现 场实验标定发射率校正系数的方法。实验表明，该方法能有效地减小 测温误差，具有较强的实用性。 3 提出了一种基于高温辐射体颜色信息的图像目标识别方法。 通过对红、绿基色图像分别进行分割来减小甚至消除高温辐射体图像 的各种噪声，然后综合红、绿基色图像分割结果实现高温辐射体的准 确识别，并运用数学形态学方法对分割结果进行后处理以消除游离点 和孔洞，使图像边缘平滑。实验表明，该方法可以快速有效地实现高 温辐射体的正确识别。 4 通过理论推导和实验研究指出，在摄像头前加中性滤光片可 以扩大c c d 的测温范围，但是扩大的程度有限，且测温下限随滤光 片透过率的减少而上升。 5 提出利用调节光圈和快门组合的方法扩大c c d 的测温范围， 并通过实验验证了该方法的有效性。 6 在研究测温系统标定实验原理的基础上，提出了标定实验方 案，研发了标定实验系统和基于c c d 的高温场软测量实验系统，并 完成了对测量系统的标定。 7 在上述工作的基础上，利用基于c c d 图像传感器的高温场软 测量系统对工业现场的高温熔体进行了测温实验。实验结果表明，所 研发的高温场软测量系统测温精度较高，具有较强的实用性和推广价 值。 关键词：c c d ；温度场软测量；比色测温法；数字图像处理 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t a c t l e s ss o f tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fh i g h - t e m p e r a t u r e f i e l db a s e do n c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) i m a g es e n s o r , w h i c h c o m b i n e st h ec c dt e c h n o l o g y , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a d i t i o n a l r a d i a t i o nt h e r m o m e t r y , h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fm e a s u r i n gt e m p e r a t u r e f i e l dr a p i d l ya n da c c u r a t e l y , a n de n h a n c e st h el e v e lo fm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g ys i g n i f i c a n t l yt h e r e f o r e ，i tb e c o m e st h er e s e a r c hh o tp o i n ti n t h eh i g h - t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tf i e l dr e c e n t l y an e wm e t h o df o r h i g h - t e m p e r a t u r ef i e l ds o f tm e a s u r e m e n tb a s e do nc c di m a g es e n s o ri s p r o p o s e df r o mt h er e s e a r c ho fh i s t o r ya n dp r e s e n ts i t u a t i o nf o rc c d t h e r m o m e t r y , t h e o r e t i c a la n a l y s i s a n dam a s so fe x p e r i m e n t s 1 1 1 em a i n r e s u l t sf o rt h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 an e w t y p eo f t w o - c o l o rt h e r m o m e t r yf o r m u l ai sp r o p o s e d ，w h i c h c o n t a i n st h er e v i s i o nc o e f f i c i e n t so fe m i s s i v i t ya n dc c dr e s p o n s eb a n d w i d t h a n dt h e nas o rm e a s u r e m e n ts y s t e mo fh i g h - t e m p e r a t u r ef i e l di s c o n s t r u c t e db a s e do nt h a tf o r m u l a , w h i c hc a nr e d u c et h em e a s u r e m e n t e r r o r sr e s u l t e df r o mt h ee m i s s i v i t yo f am e a s u r e do b j e c tc h a n g i n ga n dt h e n o n i d e a lc c d s p e c t r u mr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c 2 an e wc a l i b r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d , w h i c hc a l i b r a t e sc c d r e s p o n s e b a n dw i d t hr e v i s i o nc o e f f i c i e n t sa n de m i s s i v i t yr e v i s i o n c o e f f i c i e n tb yt h eb l a c k b o d yf u r n a c ee x p e r i m e n ta n dl o c a l ee x p e r i m e n t r e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e t h o dc o u l dr e d u c et h e m e a s u r i n ge r r o re f f e c t i v e l ya n dh a s t h es t r o n gu s a b i l i t y 3 a ni m a g er e c o g n i t i o nm e t h o df o rh i g h - t e m p e r a t u r er a d i a t o ri s p r o p o s e d ，w h i c hb a s e do nt h ec o l o ri n f o r m a t i o no fah i g h - t e m p e r a t u r e r a d i a t o r b ys e g m e n t i n gt h er e da n dg r e e nc o l o ri m a g e s ，t h ev a r i o u s n o i s e si nh i g h - t e m p e r a t u r er a d i a t o rc o l o ri m a g ea r er e d u c e do re v e n e l i m i n a t e d a n dt h e n , b ys y n t h e s i z i n gt h er e s u l t so ft h er e da n dg r e e n c o l o ri m a g es e g m e n t i n g ，t h eh i g h - t e m p e r a t u r er a d i a t o ri sr e c o g n i z e d a c c u r a t e l y f i n a l l y , i no r d e rt os m o o t ht h ei m a g e se d g e ，t h em o r p h o l o g y m e t h o di nm a t h e m a t i c si sa p p l i e dt op r o c e s st h es e g m e n t e di m a g ea n d r e m o v et h ed i s s o e i a t i o i l sa n dn a r r o wh o l e s t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t 硕士学位论文a b s l l 艮研 t h em e t h o dc a nr e c o g i l i z eh i g h - t e m p e r a t u r er a d i a t o rw i t hh i g ha c c u r a c y a n dp r a c t i c a b i l i t y 4 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi n d i c a t et h a tu s i n g n e u t r a lf i l t e rc a r l e x p a n dc c dm e a s u r i n gr a n g ew i t hl i m i t e de f f e c t f u r t h e r m o r e t h el o w e rl i m i to ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i l lr i s ew i n i t h er e d u c i n go ff i l t e rt r a n s m i t t a n c e 5 c c dm e a s u r e m e n tr a n g ec a l lb ee x p a n d e db y a d j u s t i n gt h e c o m b i n a t i o no fa p e r t u r ea n ds h u t t e ra u t o m a t i c a l l y t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sp r o v et h ep r a c t i c a b i l i t yo f t h em e t h o d 6 b a s e do nt h er e s e a r c ho fc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n tp r i n c i p l eo 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 ，t h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t sa r ep l a n e d t h e nt h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e ma n dh i g h - t e m p e r a t u r ef i e l d m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nc c da r eb u i l t f i n a l l yt h em e a s u r e m e n t s y s t e mi sc a l i b r a t e d 7 o nt h eb a s i so fa b o v ew o r k s ，ah i g h - t e m p e r a t u r ef i e l ds o f t m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nc c di m a g es e n s o ri su s e dt om e a s u r e t e m p e r a t u r eo fh i g h - t e m p e r a t u r em e t a lm e l ti n i n d u s t r i a ll o c a l e t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h es y s t e mc a nm e a s u r et e m p e r a t u r ew i t h l l i g ha c c b r a c y , p r a c t i c a b i l i t ya n dp r o m o t i o nv a l u e s k e y w o r d s ：c c di m a g e s e n s o r , h i g h - t e m p e r a t u r e f i e l ds o f t m e a s u r e m e n t , t w o - c o l o rt h e r m o m e t r y , d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g m 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：导师签名日期：年 月一日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 在高温生产过程中，温度是反映生产状况的最重要的参数，是控制生产过程、 确保产品质量的重要依据。为使高温生产过程能够正常有效地进行，必须对生产 对象的温度进行实时准确的测量，以使生产操作和决策人员能随时了解实际生产 状况，及时采取有效措施控制生产过程，提高产品产量和质量，降低能源和原材 料消耗，提高设备热效率，延长设备使用寿命，确保生产安全同时，高温测量 也是实现高温生产过程决策优化和自动控制的必要条件，是实现生产过程节能降 耗的关键所在。有资料表明，温度传感器的使用数量在各种传感器中位居首位， 约占传感器总量的5 0 左右【l j ，这也从一个侧面反映了温度测量技术的重要性。 在目前的实际生产过程中。通常采用热电偶、热电阻和光电转换器件等作为 温度传感器进行高温检测。这些传感器在技术上已经成熟，在工业炉的温度测量 中起到了很好的作用。但这些传感器通常一次只能测量高温对象中某一点或多点 的温度值，无法获取高温对象的温度场分布，而且其中某些传感器的热惰性较大， 热平衡的建立比较困难，难以对高温对象进行实时在线连续检测。此外，高温生 产过程往往存在设备体积大、物料多、工况复杂、酸碱腐蚀性和电磁干扰强的情 况，易导致测温仪器使用寿命不长，测量精确度降低。生产现场的高温，高湿、 多粉尘、强干扰等恶劣环境，也限制了一些对环境要求较高的精密测温仪器的应 用。因此，为使生产操作和决策人员能及时准确地了解生产情况，采取措旌改进 生产条件和工艺，对生产过程进行优化决策与自动控制，从而实现高温生产过程 的节能降耗，提高产品产量和质量，有必要研究并开发出一种能实现实时在线连 续检测的精度较高的高温场测量技术 当前温度测量技术发展的总体趋势和最新动态是由点到线、由线到面，辐射 测温法是实现温度面测量的最重要的方法闭与传统的接触式测温方法相比，辐 射测温法具有以下优点m ： ( 1 ) 测温范围理论上无上、下限； ( 2 ) 测温仪表不直接与被测物体相接触，不会改变被测物体的温度； ( 3 ) 测温响应时间短，便于进行实时动态测量； ( 4 ) 可以测量物体表面的温度场。 因此，辐射测温技术在近年来得到了很大的发展。据日本铁钢协会调查( 见 表l 1 ) ，在日本钢铁工业使用的温度传感器中，辐射温度计占6 5 ，热电偶、 硕七学位论文第一章绪论 热电阻只占2 7 ，其他类型的温度传感器占8 。而国内绝大部分企业现仍主要 使用接触式测温仪表，热电偶与热电阻的用量占9 8 之多。国外辐射测温技术 的蓬勃发展，已引起国内有关人士的重视【5 卅。 表i 一1日本钢铁工业中使用的温度传感器 1 9 7 0 年在贝尔实验室诞生的c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 是一种以电荷为信 号载体的微型图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移、读出的功能， 其输出信号通常是符合电视标准的视频信号，并可存储于适当的介质或输入计算 机，便于进行图像增强、识别等处理。c c d 图像传感器以其光谱响应范围宽、 分辨率和灵敏度高、图像畸变小、噪声低、体积小、重量轻、低电压，低功耗、 抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、可以长时间工作于恶 劣环境、可高速成像、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点在工业测控 中得到广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领 域之一研 由c c d 的光谱响应特性和光电转换特性可知，彩色c c d 图像传感器的r g b 输出值反映了被测对象表面辐射光的亮度和色度信息，而物体的辐射光与物体温 度有着特定的关系，根据热辐射理论，可由c c d 输出的热辐射图像信息计算出 辐射体的表面温度场。因此，c c d 作为一种光电转换器件，可用于实现非接触 式温度测量 基于c c d 图像传感器的非接触高温温度场测量技术是综合运用现代光电图 像检测技术、数字图像处理技术和热辐射理论的一种新型辐射测温方法，除具备 传统辐射测温法的优点外，还具有以下突出优点： ( 1 ) 测量结果受被测对象发射率和辐射途中各种介质选择性吸收的影响较 小，测量精度高； ( 2 ) 热惰性小，响应时间短，能实现实时动态测量； ( 3 ) 测温系统不直接与被测对象接触，不受被测对象物理和化学性质的影 响，适用于有腐蚀性的被测对象： ( 4 ) 受测温环境的限制较小，可用于强电磁干扰的苛刻环境中； ( 5 ) 可用于测量移动、旋转物体的温度； 2 硕士学位论文 第一章绪论 ( 6 ) 能给出被测对象的表面温度分布，并实现温度场的伪彩色显示； ( 7 ) 可通过网络进行测量数据的远距离传输，实现远程监测和资源共享。 因此，研制开发一种基于c c d 图像传感器的非接触高温温度场测量技术适 应了现代温度测量技术的发展趋势，研究成果在冶金、能源、化工等国民经济基 础行业具有广阔的应用前景。 1 2 基于c c d 的辐射测温研究现状 就国外的研究情况来看，1 9 9 3 年，t e n c h o v 等人采用c c d 间接测量溶液表 面温度，但效果不够理想【研；1 9 9 5 年，k yh s u 和l d c h e n 用可测量红外波段 的加强型c c d 测量液态金属的燃烧火焰温度，但其测量误差达到4 0 0 - - - 2 0 0 k ，缺 乏实用性 9 1 。此后，利用红外c c d 测量温度场成为c c d 测温研究的主流。2 0 0 1 年，t a k e s h ia z a m i 等人利用c c d 的亮度波动信息来研究熔融硅桥表面的热流状 况，获得了较好的结果【lo j 。2 0 0 2 年，d m a n c a 等人提出了一种利用红外c c d 测 控燃烧室火焰温度场的实用方法 1 l 】。2 0 0 3 年，l e m m 等人利用加强型c c d 测 量近似黑体的物体表面发出的某一波长的单色光，以此得到物体的辐射温度，并 将其用于测量直角高速切割机的刀具温度场，其实验误差为1 6 0 c t 2 1 。这种方法 测量不同范围的温度时，需要寻找不同的最佳波长，并使用频带很窄的滤波片获 取单一波长的光辐射信号，实现较为复杂。b s k a r m a n 等人于1 9 9 6 年提出用c c d 拍摄流体的全息图，然后通过图像处理技术重建流体的三维温度场，由于当时的 c c d 采集速度、图像处理速度和储存速度都比较低，激光干涉质量也不高，。因 而该方法缺乏实用性【1 3 i ；到1 9 9 8 年，该方法进入实用阶段，能测量稳定透明液 体的三维温度，并得到流速和流体密度等数据【1 4 l 。2 0 0 2 年，c h o h m a n n 等利用 高分辨率温度传感液晶颜色随温度变化的特性对被测区域感温，然后用彩色 c c d 摄取液晶表面的颜色图像来间接测量液体蒸发时弯月面的温度【”l ，此方法 可实现小面积的温度测量，但需要对测量结果进行精确的校正还有学者提出利 用c c d 配合激光感应磷光器测量温度【l q 。也有人提出了基于c c d 测温系统的 三维温度场构建算法l 】”。 国内的研究主要集中在测量火焰温度场方面。清华大学王补宣等首先进行了 小型发光火焰温度分布测量的研究，开创了国内火焰图像处理研究的先河i 瑚。上 海交通大学徐伟勇等采用传感光纤和图像处理技术检测锅炉燃烧火焰，所拍摄到 的火焰图像经计算机进行图像处理后，在c r t 上直接用伪彩色表示【1 9 l ；余岳峰 等根据彩色c c d 摄像机所拍摄的火焰图像，采用三色波长光谱测量法和温度分 段线性化方法来计算煤粉火焰温度1 2 0 1 华中科技大学周怀春等考虑到实时分离 两个不同波长下的辐射图像在技术上存在较大困难，提出采用单色火焰图像处理 3 硕士学位论文 第一章绪论 技术来检测锅炉炉膛燃烧时的二维温度分布1 2 i 】；娄春等设计了d s p 嵌入式火焰 图像检测处理系统，采用同步f i f o 作为视频数据缓冲方案，通过p c i 总线完成 与主机系统的通信任务，大大提高了火焰图像的检测和处理速度 2 2 1 。浙江大学 卫成业等研究了基于彩色c c d 测量火焰温度的比色法，对其主要的两个误差来 源( 带宽和灰度) 进行了分析，提出了测量误差的校正方法瞄】。 当前基于c c d 图像传感器的辐射测温方法的研究主要分为以下三类： 1 2 1 单色测温法的研究现状 华中理工大学周怀春教授提出，通过在c c d 摄像机前加装滤色片以获取单 波长名下的火焰辐射图像，同时利用高温热电偶实测炉内一点的燃烧温度，设该 点( 热电偶位置) 在图像上的位置为( i o , ) ，则可根据所测温度值r ( i o ， ) 和滤 色后的单波长五计算出该点实际辐射能量e ( o ，矗) 。假设所用c c d 在可见光范 围内的光电转换特性可以通过光学电路设计或数字补偿方法线性化，则可确定当 前测量的图像亮度与易( i o , 矗) 之间的增益系数，进而计算出火焰温度a 他将数 字化单色火焰图像处理技术应用于电站锅炉燃烧检测、诊断和控制，设计的系统 能够有效地反映锅炉炉膛燃烧工况的变化1 2 4 - - 2 s l 。 这一方法的优点在于避开了分离2 个波长辐射图像的困难，不需要复杂的光 学设备。其缺点是【捌： ( 1 ) 必须依赖其它高温计的实测点温度，未能完全摆脱传统接触式测温法 的限制； ( 2 ) 参考点在图像上精确定位困难； ( 3 ) 参考点测温准确性与整个温度场测量结果的准确性关系甚大，容易引 入新的测量误差。 因此，该方法主要用于对锅炉炉膛燃烧工况进行实时监测，为诊断锅炉燃烧 和结渣过程提供依据，难以实现火焰温度场的精确测量。 1 2 2 比色测温法的研究现状 比色测温法利用被测辐射体在两个波长下的单色辐射亮度之比计算辐射体 的温度，基关键在于分离两个不同波长的单色辐射亮度。根据分离方法的不同， 可以将其分为光学分色的比色测温法和c c d 分色的比色测温法。 l 光学分色的比色测温法 现有的方法主要分为两种。一种是将滤光片装在法兰盘上，利用法兰盘的转 动得到不同波长的单色图像。c n e e n w i c h 大学的y h u a n g ，y y a n 等在一台单色 4 硕士学位论文 第一章绪论 c c d 摄像机前加两个滤色镜，采用机械方式旋转两个滤色镜得到两幅单色温度 场图像，再由这两幅图像求出温度场伫- q 。这种方法对机械设备要求很高，制作工 艺及可靠性都要受到影响，较难实现，而且拍摄的两幅单色图像有时间差，给测 量结果带来了误差。另一种方法是利用分光镜将输入光信号分成若干束，在不同 光路上装置不同的滤光片和摄像机。西北工业大学李迸军采用这一方法构建测温 系统，系统中透射光作为红色通道，反射光作为绿色通道，利用所得红、绿色辐 射图像进行测温嘲。这种方法在实现上简单得多，但要用到多台摄像机，同一性 较难以控制。 光学分色的比色测温法的优点是： ( 1 ) 通过选用窄带滤波片，有效地避免了c c d 图像传感器光谱响应特性非 理想冲击响应带来的测量误差； ( 2 ) 由于对单一波长的辐射光单独成像，可以避免c c d 动态响应范围不足 的问题。被测辐射体的热辐射中红色光占有较大比例，因此在成像时容易出现红 色曝光过度，绿、蓝色曝光不足的问题。利用对红色光成像时减小曝光时间，绿、 蓝色成像时延长曝光时间，在得到各通道输出后，根据摄像机快门速度与进光量 的反比关系对输出灰度进行调整的方法，就可以有效鳃决这一问题。 其主要问题是： ( 1 ) 需要复杂昂贵的分光设备； ( 2 ) 波长选择困难。为了满足两个不同波长的辐射率近似相等的要求，波 长 、如需要选得较为接近：如果 、五离得太近，又会带来较大的测量误差 嗍 2c c d 分色的比色测温法 利用c c d 本身所包含的色度信息进行温度测量是当前c c d 非接触式测温技 术的研究热点。彩色c c d 以r 、g 、b 三种接近光谱单色的光源作为基色，依靠 设置在c c d 靶面上的3 种条纹滤波器可以获得在可见光范围内的3 个基色的亮 度信号。利用彩色c c d 的这种分光特性，在不需要额外增加分光系统的条件下 实现温度场测量，具有简便实用的优点。 该方法的主要问题是： ( 1 ) c c d 光谱响应特性非理想冲击响应带来测量误差。针对这一问题，许 多文献讨论了利用黑体炉标定以减小误差的方法。此外，文献f 3 0 】提出了利用红、 绿，蓝三色通道输出值两两相比后得到的三个温度瓦，。、，。，。，来求得一 个更接近真实温度的方法； ( 2 ) c c d 测温范围不足。基于彩色c c d 的比色测温中，c c d 必须工作在 光电转换特性的非饱和区由于c c d 图像传感器并非专门设计用于温度测量， 硕士学位论文第一章绪论 其非饱和区宽度较窄，测温范围难以达到高温检测的应用要求。 尽管关于c c d 分色的双色测温法的研究较多，但直接利用彩色c c d 测量温 度的仪器还仅处在实验研发阶段【3 ”。 1 2 3 三色测温法的研究现状 陕西科技大学张玉杰等利用三色测温法构建测温系统，通过小粒子散射理论 和h o t t g l - - b r o u g t o h 方程估计出辐射率的比值，通过黑体炉标定进行c c d 带宽 校正。该系统主要用于反映二维平面上火焰温度的变化情况，以实现炉膛火焰温 度场检测和燃烧诊断，能够对炉内的燃烧状况做出符合实际的评价1 3 2 1 。中南大学 周海叶等提出了c c d 三色测温的插值修正算法，通过三色测温来减小发射率变 化带来的误差；通过将c c d 响应波长带宽等影响因素归结为误差校正系数足， 再对k 进行插值修正的方法减小误差【”1 。但是这一思想仅限于理论阶段，并未 应用于实践。 三色测温法可以比比色法更好地消除辐射体发射率变化引起的误差。这一方 法的主要问题是，由于辐射体辐射光中红色光所占比例最大，绿色光次之，蓝色 光比例最小，因而常常出现红色信号通道己饱和，而蓝色信号通道尚无输出的情 况。三色测温法要求三色通道都有输出且不饱和，对c c d 动态响应范围的要求 比比色测温法更高。因此，在宽响应范围的测温专用c c d 尚未开发出来之前， 三色测温法应用于实践仍有一定困难。 综上所述，虽然当前基于c c d 图像传感器的非接触式测温技术得到了国内 外研究人员的高度关注，并成为高温检测领域中的研究热点之一刚，但由于各种 原因，到目前为止，直接利用彩色c c d 图像传感器测量温度的仪器在国内外都 还处于实验研发阶段，尚未在工业生产过程中得到广泛应用。 1 3 辐射测温主要产品及其应用简述 1 3 1 火焰检测器 炉膛火焰检测器( s c a n n e rf l a m e ) 是电站锅炉安全保护系统( f s s s ) 中的关 键部件之一。火焰检测器一般由探测头和数据处理器两部分组成，主要用于检测 由喷燃器喷入炉膛内的燃料是否能正常燃烧。国内外火焰检测器的结构主要可归 纳为三种： ( 1 ) 紫外火焰检测装置 用紫外波密度来检测火焰的温度，工作效率和探测灵敏度很低。 6 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 亮度温度火焰检测装置 用色温的变化来判断火焰是否熄灭。串测现象很严重；探测器在饱和段工作， 分辨率较低。 ( 3 ) 红外火焰检测装置 红外火焰检测方式不因闪烁现象存在而造成输出信号的波动，因而在火焰检 测方面得到广泛应用。 国内外现有的火焰检测器主要有三种结构： l 国产火焰检测器 国内大部分厂家的产品均是由光学透镜、传光束和光电探测器为基本元件组 成。当火焰检测装置对准某个喷嘴时，紫外、红外和可见光被光学透镜会聚于传 光束端面，这种传光束由几千根玻璃光纤组成，约2 5 米长，光波从一端传输至 另一端，进入光电探测器，从光电转换部分输出信号的大小判断火焰的燃烧工况。 这种结构的关键问题是抗干扰能力低，误码率高。 2 进口的传统传感器型火焰检测器 此类火焰检测器以美国f o r n e y 公司、b a i l e y 公司和瑞典a b b 公司的产品 最有代表性。 f o r n e y 公司的火焰检测器由i d d i i 火焰扫描器或d p d t m 数字剖面火焰扫 描器与p m - d r - 6 1 0 1 e 墙挂式双通道火焰放大器组成。智能动态火焰扫描器 i d 肌i i 设计用于检测和鉴别油、煤、褐煤燃烧产生的光信号。其中i d d i i ( u n t i l t e r e d ) 火焰扫描器一般用于检测油和煤火焰，i d d i i ( l i g n i t e ) 火焰扫描 器特别设计用于检测褐煤燃烧产生的低频火焰。i d d i i 有一个固态放大电路产当 含有硫化铅的传感器检测到火焰时即输出不断变化的电压信号，信号通过四芯电 缆传送到p m - d r - 6 1 0 1 放大器，放大器则处理该信号并向燃烧管理系统( b u r n e r m a n a g e m e n ts y a e m - b m s ) 输出火焰信号。d p 6 数字剖面火焰扫描器用微处理 器持续地检测燃烧器火焰的频率和振幅特性，将火焰形状同保存在存储器中的标 准火焰剖面进行比较，以便准确无误地确定火焰燃烧熄灭状况，以辨别同一炉 膛中多燃烧器的燃烧工况 f l a m o n 火焰检测器( f l a m ed e t e c t o r ) 是美国b a i l e y 公司的系列产品，主 要用于各种工业锅炉火焰监测，在国内一些大型火力发电机组使用的进口锅炉燃 烧管理系统( b m s ) 中有比较广泛的应用。为了监测不同对象，f l a m o n 火焰 检测器提供多种传感器和监测组件供选择。检测具有闪烁特征的煤、油火焰用硅 光电池，工作在4 0 0 7 0 0 n m 的可见光区；测量紫外线用半导体光电二极管，工 作波长2 0 0 3 5 0 n m 针对w 火焰锅炉、对冲布置燃烧器以及“火球监视有直接 观察型和折射光管型监测组件；对于“点监视”四角喷燃摆动燃烧器着火区则使用 7 硕士学位论文 第一章绪论 光纤监测组件。把光敏元件、监测组件以及专用放大板和电缆进行适当组合就可 以构成一台能够完成特定测量要求的四通道火焰检测裂3 5 】。 a b b 公司的u v i s o r 系列火焰检测系统由基于微处理器的智能单元 m f d s a ，1 或2 个u r 系列检测器探头，m f d s a 参数管理软件三部分组成。 根据燃料的不同，检测器探头分为三个类型，分别是紫外线( u v ) 型感应检测器、 红外线( i r ) 型感应检测器和双感应( u v & i r ) 检测器。紫外线型感应检测器探头对 于气体和轻油火焰所发出的紫外线辐射特别敏感，光谱灵敏度从波长2 0 0 n m 到 2 8 0 r i m ，能在被检测火焰和从其它燃烧器发射来的干扰火焰之间产生非常精确的 识别信号。红外线型感应检测器探头用束检测燃油、煤粉火焰，或两种燃料共同 使用时火焰所产生的闪烁信号，检测光谱范围从6 0 0 r i m 到3 0 0 0 n m ，它只接收燃 料在燃烧时因湍流而引起的闪烁部分的火焰信号，即燃烧的动态辐射部分，而对 于加热了的锅炉内壁或热管线产生的静态辐射，即使它们强度再大也不敏感。双 感应检测器探头同时检测由气体和轻油燃烧火焰所产生的紫外线脉冲，以及由重 油和煤粉燃烧火焰所产生的红外闪烁信号，检测光谱范围从2 0 0 r i m 到3 0 0 0 n m ， 利用独特的自动调谐过滤器技术，可以在各种工况下明显区分被检测火焰和从其 它火焰来的干扰辐射信号。a b b 公司的u v i s o r 系列火焰检测系统由于其优异 的性能，在欧洲和北美得到了广泛的应用，已占有很大部分的市场份额，在其它 一些地区和国家也有相当数量的用户。在我国，大部分还是随着外国公司的锅炉 直接进口阁。 3 基于c c d 图像传感器的火焰检测器： 2 0 世纪8 0 年代中期，日本三菱重工在火力发电厂煤粉锅炉上首先进行了图 像处理火焰检测器的研究和试验，通过长期耐久性试验和产品化设计，在2 0 世 纪8 0 年代末期，推出了商业化的产品，命名为o p t i s 火焰检测器1 3 】。它由图像 扫描器、摄像头、监视器等组成。在香港雅玛电厂使用，监视器可以观察到火焰 的综合图像。并通过光学扫描器观察到各喷嘴火焰的灰度等级，从而正确判断炉 膛火焰燃烧工况。该系统价格昂贵、装置复杂，与其它装置同样存在传输距离的 限制【3 川。 当前主要火焰检测器的比较见表l 一2 。 表1 2 火焰检测器产品比较 0 硕士学位论文第一章绪论 火焰检测器对于保证锅炉安全、平稳地运行，确保在灭火时停止燃料供应， 防止可燃物在炉膛或管道内聚积、发生爆燃甚至引起锅炉爆炸等方面起到了重要 作用，但是它的测量结果的准确性和精确度不能与传统的接触式测温仪表相比。 1 3 2 红外热成像仪 红外热成像技术即通过红外传感器接收位于一定距离的被测目标所发出的 红外辐射，再由信号处理系统转变成为目标的视频热图像的一种技术。它将物体 的热分布转换为可视图像，并在监视器上以灰度级或伪彩色显示出来，从而得到 被测目标的温度分布场。红外热像仪是一种红外波段的摄像机，它利用实时的扫 描热成像技术进行温度分析，其系统组成包括红外望远镜、光学扫描仪、红外探 测器与制冷器组件，信号放大器与处理电路、显示器等。红外热成像测温技术具 有很多优点，因此在医疗卫生、航空航天，无损探伤、安全检查等领域得到了广 泛的应用嗍。 5 2 5 系列远红外热像仪是美国器件公司最新研制的高技术产品，是世界上最 先进的测温监控成像设备。它可用于生产设备全貌热故障快速检测，并能快速显 示，能连续储存2 8 0 幅图像，同时和计算机连网进行故障分析。5 2 5 型远红外热 像监控仪采用硅晶热电阵非冷却测温技术( 热电阵) ，其主要参数如下： ( 1 ) 温度测量范围：2 4 3 1 9 7 3 k 。 ( 2 ) 测量精度：士2 k 或读数的2 。 ( 3 ) 测量距离：2 5 4 m m 无限远，在1 5 0 m 远处测到的目标非常清楚m 、 日本n e c 公司生产的红外热成像仪t h 5 1 0 4 由高分辨率、宽角度的探测器、 可移动式显示器、高速扫描模式( 1 2 2 秒) 测试数据存储卡组成，重量轻、携带 方便其主要参数如下： ( 1 ) 温度测量范围；范围l ：2 6 3 至4 7 3 k ：范围2 ：3 7 3 至1 0 7 3 k 。 ( 2 ) 测量精度：4 - i 6 满量程。 ( 3 ) 测量距离：3 0 c m 到无穷大 ( 4 ) 温度分辨率：范围l ：o i k ( 3 0 k ) ；范围2 ：0 3 k ( 1 0 0 k ) 。 ( 5 ) 价格：2 9 8 0 0 0 元 红外热成像仪具有测温精度高，测试距离远的优点。但是目前专门用于高温 温度场测量的红外热成像仪较少，普通红外热成像仪测温范围小，无法测量高温。 另外，进口产品价格十分昂贵，使用成本很高 9 硕：e 学位论文第一章绪论 1 3 3 基于c c d 的回转窑温度测量系统 湖南大学的章兢教授研制开发出一套回转窑集成智能控制系统【4 1 - 4 5 1 ，系统 通过测量煅烧区温度、窑主电机电流、冷却机电流、窑头温度、窑尾温度、窑转 速、料浆流量等6 0 多个参数来控制回转窑中的煅烧温度，调节给煤量，以达到 规定的煅烧工艺要求。其中测量煅烧区温度的是一套基于c c d 的回转窑温度测 量系统。其硬件系统框图如图l 一1 ： f 厂一幽像采第 分 , - - - 1 1 l 摄像机卜- _ 配 一l q l i p c 器 t 图1 一i 系统硬件结构 i p c 中插有图像处理卡、d a 卡、a ，d 卡等，由放置在窑头小车看火孔位置 的工业摄像机所摄取的图像信号经分配器一路送至工业监视器，操作人员可清晰 地观看到窑内火焰、物料的情况，作出相应的操作；图像信号另一路送至i p c 中 的图像处理卡进行实时图像处理，从而得到窑内煅烧带的火焰、物料的温度信号。 窑头温度、窑尾温度、风门开度、料浆流量等信号通过a d 卡由i p c 的中央处 理器控制采样及数据处理，处理后得到的曲线和数据在显示器上实时地显示出 来。控制信号通过d a 卡端口输出，调节给煤量、风门开度等，从而实现温度 的自动控制 该系统采用基于图像序列处理的回转窑温度测量方法，对火焰图像进行图像 分割、烟雾滤波和数字序列滤波后计算温度值。通过实验发现，c c d 采集得到 的图像的灰度等级与窑温间存在着有机的联系，且不同基色所对应的灰度级的分 布情况各不相同。对灰度等级数据进行统计与处理，应能得到窑内的温度信号。 由于回转窑内烟雾、粉尘干扰大，易引起图像处理的错误判断，须剔除其干扰。 故根据所做直方图实验中的红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三基色对烟雾、粉尘的敏感程度， 分别规定其灰度等级的下限，再求取平均灰度值，从而较真实地反映窑内温度情 况。求出红、绿、蓝三色的平均灰度值后，根据色度学原理以及实验，确定图像 的平均灰度值m = 0 5 9 m g + 0 3 m r + 0 1 i m b 。再通过数字滤波以及现场标定即可得 到较为准确的窑内温度值图l - - 2 是回转窑实测温度记录瞌线，从图中可以看 出，用该系统测得的温度的趋势与比色光纤测温仪测得的温度变化基本一致。该 系统已经在回转窑的温度控制方面获得了成功的应用。 1 0 硕士学位论文 第一章绪论 聃m t 啦t i 玎l 臼 图i 一2 回转窑实测温度记录曲线 当前辐射测温主要产品的比较见表1 3 。 表l 一3 主要产品比较 cov2nlli卜 硕士学位论文第二章彩色c c d 比色测温方法 第二章彩色c c d 比色测温方法 2 1 比色测温原理 2 1 1 基本概念与热辐射定律 1 绝对黑体 任何温度下，能全部吸收投射到其表面上的任意波长的辐射能的物体称为绝 对黑体在相同温度下，黑体的辐射出射度最大，实际物体的辐射出射度总是低 于黑体。 2 实际物体的光谱发射率s ( a ，t ) 设m ( a ，r ) 表示实际物体在温度r 下的单色辐射出射度，m 。( 五，d 表示黑体 在温度r 下单色辐射出射度，则定义两者之比为实际物体的光谱发射率，记为 占( a ，丁) ： 姒d = 器 ( 2 _ 1 ) “a ，r ) 与辐射体的物理特性有关。光谱发射率小于1 且不随波长而改变的物 体称为灰体。各种物体的发射率随波长的变化如图2 一1 w 甜e n g 啪| i i j m 图2 - 1 特定辐射中的不同发射率 3 普朗克定律 根据普朗克定律，绝对黑体单色辐射亮度的函数形式为： 厶( 屯丁) = 鲁a 4 。鲁一1 ) 一1 ( 2 2 ) s一墨#