CN101566503A

CN101566503A - Ccd图像传感高温场测量仪

Info

Publication number: CN101566503A
Application number: CNA2009100432606A
Authority: CN
Inventors: 彭小奇; 孙元; 严军; 李阳保
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-10-28

Abstract

本发明是一种基于彩色CCD图像传感器的高温场非接触式测量仪表。测量仪由CCD图像传感器、图像采集卡、计算机系统和相应的测量软件组成。利用标定实验来校正测温结果，通过自动调整进光量保证CCD始终工作于线性区。对CCD采集的高温辐射体图像进行预处理，获取其红、绿基色值，然后利用软测量模型计算出辐射体的表面温度场，利用烟雾衰减辐射能补偿器对测温结果进行补偿校正。将温度场的最终计算结果进行伪彩色显示。

Description

CCD图像传感高温场测量仪

技术领域

本发明涉及一种高温温度场测量仪表。

背景技术

温度测量方法一般分接触测量法与非接触测量法两大类。常用的接触测温仪表主要包括热电偶温度计、热电阻温度计和接触式光纤高温计。接触测温仪表在技术上已经成熟，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，易导致接触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接触式精密测温仪器的应用。非接触测温仪表主要包括光学高温计、红外/紫外温度计、声学高温计等。这些测温仪表主要测量温度场某一点的温度或者整个温度场的平均温度，无法测量高温物体表面温度场分布。而且现有的辐射测温方法在测量精度上难以达到接触测温仪表的水平。

CCD图像传感器出现之后，被大量应用于非接触高温温度测量研究。但由于一些关键问题尚未得到有效的解决，导致现有的基于CCD图像传感器的高温场测量装置存在测温误差较大、测温范围较窄的缺点，目前在实践中尚未被广泛使用。

发明内容

本发明能够对高温生产过程中高温对象的表面温度场进行实时准确的测量，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，确保生产过程正常有效进行，对实现高温生产过程的优化决策和自动控制，促进生产过程节能降耗等具有重要意义。

本发明的理论基础是由发明人提出的式(1)～(2)所示的机理分析与统计辨识相结合的高温温度场软测量模型：

T_{b} = \frac{5.7925 \times 10^{3}}{\ln \frac{R}{G} + K + 1.2414} - - - (1)

\frac{1}{T} - \frac{1}{T_{b}} = \frac{- d}{5.7925 \times 10^{3}} - - - (2)

式中，R、G为CCD输出的红、绿基色值，K为CCD光谱响应特性校正系数，d为辐射体发射率校正系数，T_b为黑体等效温度，T为实际温度。

为了对高温场进行实时准确的测量，本发明采用了以下技术方案：

CCD图像传感高温场测量仪由CCD图像传感器、图像采集卡、计算机系统和相应的测量软件组成。CCD传感器作为光电传感器获取高温辐射体表面辐射图像，图像采集卡将辐射图像信号转换为适合于计算机处理的数字图像信号。计算机系统首先从高温辐射体图像中准确识别出待测辐射体；然后运用数学形态学方法对待测辐射体的辐射图像进行后处理以消除图像中的游离点和孔洞，使图像边缘平滑；最后利用中值滤波方法对辐射体图像进行平滑滤波以消除图像噪声。完成图像处理后，将辐射图像像素点的红、绿基色值代入高温场软测量模型进行计算。计算过程中，利用预先设定的判断准则判断测温结果是否受烟雾干扰，如果测量受到烟雾干扰，则通过构建烟雾衰减辐射能补偿器，对受烟雾干扰的测温结果进行补偿校正。最后计算出各区域的温度及温度场中的最高温度、最低温度和平均温度，并将辐射体的表面温度场用伪彩色在计算机屏幕上显示出来。

测量仪需要先利用黑体炉标定实验确定CCD响应带宽校正系数，以消除CCD光谱响应特性函数非理想冲激响应导致的测温误差；通过测温现场标定实验确定被测辐射体光谱发射率校正系数，以减少甚至消除被测物体发射率随其温度和辐射光波长变化而变化给测量结果引入的误差。测量过程中，通过自动调整和选择光圈快门组合来控制CCD的曝光量以确保CCD始终工作于线性工作区，从而扩大了测量仪的测温范围。

由于本发明采用了发明人提出的减小CCD光谱响应特性非理想、被测对象发射率变化和测温现场烟雾干扰导致的测温误差的校正方法，因而有效地减少了测量误差，提高了测量精度；同时由于本发明提出通过自动调节进光量以克服工业用彩色CCD图像传感器动态响应范围窄、测温范围小的问题，有效地扩大了测温范围，提高了测量仪的实用性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的标定步骤。

图3是本发明的测温步骤。

具体实施方式

由CCD的光谱响应特性和光电转换特性可知，彩色CCD图像传感器的RGB通道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CCD输出的热辐射图像信息计算出辐射体的表面温度场。

图1所描述的CCD图像传感高温场测量仪由CCD摄像机、图像采集卡、计算机和相应的测量软件构成。彩色CCD摄像机摄取高温辐射体的光辐射图像，完成光电转换过程，输出辐射图像的RGB三基色信号并将其转换成标准视频信号。图像采集卡对彩色CCD输出的模拟视频信号进行实时采集，并将其转换为数字图像信号，以便计算机存储和处理。计算机完成对高温辐射体辐射图像的预处理、辐射体相关温度信息及表面温度场的计算和伪彩色显示。

图像处理软件包括利用Visual C++编写的标定模块、测温模块和显示模块。

标定模块完成测量仪的黑体炉标定，其处理流程如图2所示：对CCD采集的图像进行图像目标识别后，先判断CCD是否工作于线性工作区。若辐射体的红色值大于给定阈值或绿色值小于给定阈值，则利用控制程序调节光圈快门组合，直到图像各像素值达到要求。分别求出辐射体图像的红基色平均值R_avg和绿基色平均值G_avg，然后计算响应带宽校正系数K。重复前述标定过程，直到完成整个测温范围内的K值标定为止。

测温模块完成对辐射体表面温度场和最大、最小、平均温度的计算。其处理流程如图3所示：对高温辐射图像进行目标识别并判断所识别出的高温辐射体图像是否处于饱和或截止状态：若是，则自动调节光圈快门组合，直至高温辐射体图像脱离饱和或截止状态；否则，根据此时的光圈快门组合读入相应的响应带宽校正系数K，然后利用发明人提出的高温温度场软测量混合模型计算温度场的有关信息，如各区域的温度值、平均值和最大值、最小值及其所在区域等。

显示模块完成高温辐射体表面温度场的伪彩色显示和定位显示。

测量仪采用了发明人提出的基于高温辐射体颜色信息的图像目标识别方法，该方法可以有效地减少甚至消除各种环境噪声，准确识别出图像目标。

测量仪内嵌了烟雾干扰判断程序和烟雾衰减补偿器，用于对有烟雾干扰的测温结果进行温度校正。

Claims

1.CCD图像传感高温场测量仪的标定方法。其处理流程为：对CCD采集的图像进行图像目标识别后，先判断CCD是否工作于线性工作区，若辐射体的红色值大于给定阈值或绿色值小于给定阈值，则利用控制程序调节光圈快门组合，直到图像各像素值达到要求；分别求出辐射体图像的红基色平均值R_avg和绿基色平均值G_avg，然后计算响应带宽校正系数K。重复前述标定过程，直到完成整个测温范围内的K值标定为止。

2.根据权利要求1所述的标定方法，以及自动调节进光量技术、基于辐射体颜色信息的图像目标识别方法和烟雾噪声干扰消除方法编写的图像处理软件。图像处理软件包括利用Visual C++编写的标定模块、测温模块和显示模块。