基于双金属元件的物体内部温度X光测量研究

1、基于双金属元件的物体内部温度X光测量研究陈树越，蒋星，朱双双（常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州213164）摘要：针对密封结构体的温度测量，提出一种基于对螺旋形双金属感温元件X光成像的物体内部温度测量方法。首先，利用X射线成像设备获取物体内部双金属元件图像，再对其采用区域生长法进行图像分割以及边缘检测，得到双金属元件的图像特征。基于Hu不变矩在图像旋转平移的稳定性，通过构造温度测量模型和实验研究，第一个Hu不变矩与温度值之间呈现良好的线性关系。实验结果表明，所给出的方法准确可靠，为物体内部温度测量提供了一条新途径。关键词：X光成像；双金属元件；温度测量；Hu不变矩；图像识别中图分类号：T

2、P212 文献标识码：ATemperature measurement inside object based on X-ray radiography with thermal bimetallic componentsChen Shuyue, Jiang Xing,Zhu Shuangshuang School of Information Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, ChinaAbstract: Aiming at the internal temperature measurement

3、 of the sealed objects, a technique based on X-ray radiography with the thermal spiral bimetallic component to obtain their interior temperature was presented. Firstly, the image of the bimetallic component that was put into the measured object was captured by X-ray radiographic equipment. Then the

4、region-growth method and the edge detection were employed to obtain the image feature of the bimetallic component. According to the shift-rotation invariability of Hu invariant moments, we found a good linear relationship between the first Hu invariant moments and temperature values through the esta

5、blished temperature models and experimental studies. Experimental results show that the given strategy is accurate and reliable. It provided a new approach for the interior temperature measurement. Keywords: X-ray radiography; bimetallic components; temperature measurement; Hu invariant moments; ima

6、ge recognition0引言作者简介：陈树越(1963-)，男，汉族，河北定州人，教授，博士，主要从事检测技术，数字图像处理方向的研究蒋星(1990-)，男，汉族，湖南衡阳人，硕士研究生，主要从事检测技术，数字图像处理方向的研究温度检测一直被广泛地运用在许多领域。目前，国内外对于温度测量的主要手段包括红外测温、热电偶、热敏电阻测温和激光测温等。现有的这些测温方法只能测量物体或结构表面的温度，无法满足某些场合中直接测量物体内部温度或对其内部温度进行监控的要求1-2。如对密闭容器，例如管道、压力容器、反应釜等内部温度测量，在不允许容器表面钻孔引出导线或因电磁屏蔽无法无线传感等情况下，传统的测

7、温方法存在一定的局限性。本文测温的基本方法是利用X射线成像系统，把平面螺旋型的双金属感温元件置入构件内部需要测温的区域，对采集到的X光图进行双金属片图像提取分割，然后通过计算该图像Hu不变矩，得出Hu不变矩与测量温度之间的关系模型，进而实现构件内部实时温度的测量，为密封结构体内部温度测量提供了一种新方法。2 基于X射线视觉的温度测量系统2.1内部温度测量构建基于X射线的温度测量系统如图1所示。该系统主要由三个部分组成，包括X射线源，像增强器和被测物体内部的双金属元件。图1 基于X射线视觉的内部温度测量系统为了实验研究所提出的温度测量方法，设计了温控系统，如图2所示，实物如图3所示。该温控系统主

8、要由温控器、周波控制器、电磁继电器、铂电阻测温传感器和陶瓷加热片构成。温控器输出4-20mA电流经过周波控制器，周波控制器控制电磁继电器的通断，进而控制加热片的工作状态，铂电阻将测量的温度信号反馈给温控器，这样便能有效地控制温度并显示出来。小型温控室由耐高温隔热合成石板在耐高温胶水粘合下做成的。温控室由耐高温轻型非金属材料构成，实物如图4所示。图2温控系统结构 图3温控系统实物 图4温控室2. 2 双金属感温原理 双金属感温元件以热膨胀原理测温3,4，它是由两种膨胀系数差别较大的金属薄片通过叠焊后加工而成的。膨胀系数较大的被称为主动层，膨胀系数较小的被称为被动层。通常主动层的材料有镍，镍铬铁合

9、金和镍锰铁合金等，被动层的材料大多是镍铁合金，镍的含量为34-50%。当双金属片温度发生变化时，由于两种金属片的线膨胀系数的不同，会产生不同程度上的膨胀和收缩，从而使双金属感温元件弯曲变形。双金属片受热原理图如图5所示，其中A和B分别为两种不同的金属片，B的膨胀系数比A的大。我们采用了螺旋形双金属感温元件，其主动层为锰镍铜合金，被动层为镍合金，直径约9.8mm，如图6所示。随着温度增加，双金属感温元件产生变形，其端点移动轨迹如图7所示中星号标记。图5双金属片热膨胀原理图 图6 螺旋形双金属感温元件实物 图7 随温度变化端点移动轨迹3.基于双金属成像的温度模型和方法3.1双金属元件图像的分割和提

10、取首先获取双金属元件的X射线图像，然后利用区域生长法进行图像分割，最后经Canny算子边缘检测得到其边缘图像，原始图像、分割后图像以及Canny边缘检测图像分别如图8(a) ,8(b)和8(c)所示。 (a)原始图像 (b)分割后图像 (c) Canny边缘检测图像图8 双金属元件X光图像3.2基于Hu矩的温度测量模型一般情况下，形状的表示方法包含以下二类：第一类即基于边界的方法，如Fourier描述子及变形模板的匹配5,6；第二类即基于区域的方法，如Hu不变矩7。与第一类不同，Hu不变矩使用的是整个图像形状信息，而不仅仅是形状区域的外边界。由于Hu不变矩在图像经平移、旋转、尺度变换后仍具有不

11、变性。所以，利用Hu不变矩来描述双金属元件的形状特征，这能更好的反应双金属感温元件随温度变化过程。把双金属X射线图像f(x, y)的(p+q)阶矩定义为9： (1)(p+q)阶中心矩定义为： (2)式中，x=m10/m00，y=m01/m00 为双金属图像重心位置的坐标。mpq会随着图像的变化而改变，但pq只对旋转敏感而对平移具有不变性8。(p+q)阶中心矩进行归一化得到： (3)其中，r=(p+q+2)/2，则通过二阶和三阶中心矩可得到下面7个Hu不变矩，定义为9： (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)这种经典算法的加法和乘法次数比较多，为了提高计算的速度，采用Hatam

12、ian提出的快速不变矩计算法10。基于Hu矩的温度测量模型可以通过一个n次多项式表达，即 (11)其中，为Hu矩值，T为被测温度，a1,a2,an为常数。经多次实验测量，可计算获得这些常数。在实验研究中，发现不变矩1与温度值之间呈现良好的线性关系。利用最小二乘法拟合出一条直线，通过下式计算得出该感温元件的线性度。 (12)式中，A为量程，max为实际曲线与拟合直线的最大偏差。3.3 基于Hu矩的温度测量方法首先将双金属感温元件置于被测物体内部，利用X射线成像系统采集被测温度下双金属元件的X光图像，然后对双金属元件进行图像分割提取，通过(4)式计算所分割图像的Hu矩值1。最后基于温度测量模型(1

13、1)式，计算所测的温度值。测量方法流程如图9所示。图9 基于双金属元件测温流程图4 实验研究为了研究所提出的温度测量方法的可行性，将双金属感温元件放入温控室内，使用温控器控制温度。在不同温度下拍摄一系列X光图像，使用铂电阻温度传感器测得的温度作为实测值。再对所有图像进行处理进而计算出其7个Hu不变矩。实验中双金属元件的测温范围为2068，采样间隔为2。计算出1-7的值，分别分析各个不变矩与测量温度的关系，我们发现其中1与温度T有良好的线性关系。根据双金属数学模型(11)式，我们采用3次多项式表达，利用实验测量数据可获得该感温元件的模型如下： (13)采用最小二乘法对实验测量值进行直线拟合，温度

14、线性模型如下： (14) 根据(13)式和(14)式，可得到该感温元件的线性度为3%。实测值与拟合直线之间的相对误差，如表1所示。Hu不变矩值1与温度之间的关系曲线如图10所示，可见双金属的膨胀变形与温度之间呈现近似线性关系。表1 实测值与拟合直线值比较测量点实测值()拟合直线值()相对误差(%)测量点实测值()拟合直线值()相对误差(%)12019.03211-4.839144646.000000.00022220.67816-6.008154848.021850.04632423.65252-1.448165050.498790.99842626.121050.466175251.6994

15、5-0.57852828.404791.445185453.36173-1.18263030.101560.339195655.39553-1.07973232.289010.903205857.33253-1.15183434.530791.561216059.75952-0.40193636.421041.170226261.18766-1.310103839.137482.993236463.37656-0.974114040.865602.164246666.263470.399124242.472241.124256868.502230.739134444.894332.033 图1

16、0 Hu不变矩1与温度关系曲线5 结论本文针对密闭构件内部温度测量，提出一种利用Hu矩图像旋转和平移不变性，通过采集螺旋形双金属感温元件的X射线图像并提取以计算其变形，再利用温控系统对该元件进行的温度控制。实验发现其中Hu不变矩1与温度基本呈线性关系。将实测数据与拟合数据进行对比，验证了该方法的可行性。使用该方法测量构件内部温度有着准确度较高、速度快等优点。该方法不仅能测量内部温度，同时还可用于物体的故障检测，为更进一步的温度测量研究提供了一种思路。参考文献1 Childs P R N, Greenwood J R, Long C A. Review of temperature measur

17、ementJ. Rev. Sci. Instrum, 2000,71(8):2959-2978.2 BlackBurn David L.Temperature measurements of semiconductor devices - A review, Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium, Vol.20, Mar 9-11,2004, San Jose, CA., United States.3 徐卓辉. 热双金属的先进制造技术及发展方向J. 电工材料, 2009, (2):35-4

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