基于CCD圖像傳感器的火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的研究

引言

溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)，能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地檢測(cè)溫度是減少資源浪費(fèi)以及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段?；贑CD圖像傳感器的測(cè)溫技術(shù)是綜合利用圖像檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和輻射測(cè)溫技術(shù)的新型測(cè)溫技術(shù)，具有費(fèi)用低廉、精度較高、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠測(cè)量出整個(gè)高溫物體表面的溫度場(chǎng)，穩(wěn)定性也相當(dāng)好，可廣泛應(yīng)用于熱電站、金屬焊接、水泥窯爐、玻璃窯爐及某些冶金爐等場(chǎng)合，其應(yīng)用前景十分廣闊叫本文在研究比色測(cè)溫法的原理以及對(duì)高溫物體表面溫度計(jì)算公式推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，利用酒精燈火焰作為研究對(duì)象，構(gòu)建了測(cè)溫系統(tǒng)的模型，編寫測(cè)溫軟件得到酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布，并畫出相應(yīng)的等溫線。

1測(cè)溫的基本原理和方法

1.1熱輻射測(cè)溫原理

熱輻射是由于物體具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，這種電磁波是由物體內(nèi)部微觀粒子在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)所激發(fā)出來的。一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能發(fā)射出電磁波，從而產(chǎn)生熱輻射。根據(jù)普朗克定律和維恩位移定律，當(dāng)物體的輻射波長(zhǎng)很小時(shí)，非黑體的輻射亮度和波長(zhǎng)之間的關(guān)系可以用維恩公式表示為：

式中，人為物體的輻射波長(zhǎng)，T為物體的溫度，eT）為非黑體的發(fā)射率，C1為第一輻射常數(shù)，C2為第二輻射常數(shù)。從維恩公式可以看出，輻射體的光譜輻射亮度是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)。

1.2基于CCD傳感器的比色測(cè)溫法

比色測(cè)溫法根據(jù)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)的光譜輻射亮度的比值與被測(cè)溫度之間的函數(shù)關(guān)系，通過公式變換和推導(dǎo)來計(jì)算出溫度值?；鹧娴牟噬珗D像在計(jì)算機(jī)內(nèi)，以像素為單位逐點(diǎn)存儲(chǔ),每一像素點(diǎn)存儲(chǔ)的信息量都包括了該像素點(diǎn)的亮度值RGB三基色分量叫而彩色CCD三基色的通道輸出值與輻射體的單色輻射亮度在一定范圍內(nèi)成線性關(guān)系，若保持CCD傳感器工作于線性區(qū)，對(duì)CCD光譜響應(yīng)特性作理想化的單色響應(yīng)假設(shè),并運(yùn)用積分中值定理，可得:

該公式中,R、G、B分別為彩色CCD的三通道輸出值,』為CCD的器件響應(yīng)特性參數(shù)，r。）、g。）、b。）分別為彩色CCD的三基色信號(hào)的光譜響應(yīng)特性函數(shù)，K,、Kg、Kb分別為CCD彩色相機(jī)的三基色通道響應(yīng)系數(shù)。對(duì)公式（2）變形整理,可得到：

根據(jù)式⑴得到它們輻射亮度比值為:

那么根據(jù)式（3）、（4）的等號(hào)右邊部分相等，取對(duì)數(shù)變換整理得：

由于絕大多數(shù)實(shí)際物體的光譜發(fā)射率在較窄的波段范圍

內(nèi)變化不大，可以近似認(rèn)為：

2構(gòu)建測(cè)溫系統(tǒng)

該測(cè)溫系統(tǒng)由彩色CCD相機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)計(jì)算軟件組成，基于CCD圖像傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)的構(gòu)建框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)測(cè)量溫度的具體過程為：彩色CCD相機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)上，完成對(duì)高溫輻射體的光電轉(zhuǎn)換過程，軟件的圖像采集部分通過計(jì)算機(jī)上的圖像采集卡對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上。測(cè)溫軟件的預(yù)處理和測(cè)溫部分對(duì)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行分析和處理，并完成對(duì)圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的溫度的計(jì)算和溫度場(chǎng)的處理，從溫度場(chǎng)中得到溫度的最大最小值、平均溫度以及完成對(duì)等溫線的繪制。

3測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分主要由圖像采集、圖像預(yù)處理和溫度場(chǎng)計(jì)算3部分組成，測(cè)溫軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖像采集部分完成對(duì)高溫物體的單幀采集、序列幀采集、錄像功能，并能夠通過數(shù)據(jù)流回調(diào)在界面中實(shí)時(shí)地顯示對(duì)視頻圖像的采集和處理。圖像預(yù)處理包括圖像濾波和圖像分割，圖像濾波用來排除噪聲的干擾，圖像分割則把圖像中的背景和目標(biāo)體分離出來。溫度場(chǎng)計(jì)算需要先把目標(biāo)圖像區(qū)域的溫度值計(jì)算出來形成對(duì)應(yīng)的溫度矩陣，然后對(duì)溫度矩陣進(jìn)行處理，并畫出等溫線。

本文研究的是根據(jù)CCD相機(jī)拍攝的熱輻射圖像來計(jì)算溫度場(chǎng)的分布，因此在對(duì)高溫目標(biāo)的數(shù)字圖像進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)避免采用或者盡量減小可能會(huì)弓起圖像的色彩信號(hào)失真的數(shù)字圖像處理過程。首先完成對(duì)圖像采集的設(shè)置，設(shè)置視頻流參數(shù)和圖像的大小，以避免可能導(dǎo)致圖像色彩信號(hào)失真的數(shù)字圖像處理過程，接著設(shè)置初始化標(biāo)定數(shù)據(jù)，以便帶入測(cè)溫公式進(jìn)行計(jì)算。為排除CCD相機(jī)的各種噪聲干擾，需要對(duì)圖像進(jìn)行噪聲處理，然后需要完成目標(biāo)的區(qū)分而使用圖像分割技術(shù),將高溫被測(cè)物體與背景分離，將識(shí)別出來的高溫物體表面的圖像的每一點(diǎn)的像素值提取出來帶入測(cè)溫公式計(jì)算，這樣得到了整個(gè)高溫目標(biāo)區(qū)域的溫度矩陣。對(duì)該溫度矩陣處理可以得到溫度場(chǎng)中的溫度的最大值、最小值、平均值，并且使用三角形網(wǎng)格自動(dòng)生成等值線的算法完成等溫線的追蹤和繪制。該測(cè)溫軟件的程序流程圖如圖3所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中采用酒精燈火焰作為研究對(duì)象，對(duì)酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布作了計(jì)算和處理來驗(yàn)證該測(cè)溫系統(tǒng)。通過彩色CCD相機(jī)連續(xù)拍攝酒精燈火焰圖像，測(cè)溫軟件的采集部分結(jié)合圖像采集卡將模擬的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理，完成對(duì)溫度場(chǎng)的計(jì)算，最后根據(jù)等值線的追蹤和繪制算法繪制出等溫線。根據(jù)測(cè)溫軟件得到的酒精燈火焰的測(cè)溫結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看到，圖像中畫出了等溫線，不同的溫度用不同顏色的等溫線來表現(xiàn)，同時(shí)在等溫線線上對(duì)溫度值進(jìn)行了標(biāo)注，并且可以得到酒精燈火焰圖像的平均溫度、最高溫度和最低溫度。鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖像上的某一個(gè)點(diǎn)，將該點(diǎn)的坐標(biāo)提取出來并轉(zhuǎn)換為相對(duì)于圖像的坐標(biāo)，在溫度矩陣中取出對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度值并顯示出來。

5結(jié)語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過比色測(cè)溫法建立的CCD比色測(cè)溫系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)單快速地計(jì)算出酒精燈火焰的溫度場(chǎng)分布，使用該測(cè)溫軟件計(jì)算出近似溫度值，顯示出等溫線，能直觀地顯示不同亮度下火焰的溫度場(chǎng)。對(duì)在溫度場(chǎng)的測(cè)量過程中產(chǎn)生的誤差，需要對(duì)測(cè)溫軟件進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)定和校正，以提高精度。

20211119_6197c359ba570__基于CCD圖像傳感器的火焰溫度場(chǎng)測(cè)量的研究