CN106644089B - 铸坯表面温度场测量传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铸坯表面温度场测量传感器及方法，涉及传感器技术领域，主要目的在于克服铸坯表面发射率非确定性、烟雾水汽及氧化皮干扰造成温度场测量不准确的缺陷，以实现铸坯表面温度场的准确、稳定和连续测量。所述铸坯表面温度场测量传感器包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器。所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种铸坯表面温度场测量传感器及方法。
背景技术
连铸工艺中铸坯表面温度对优化二冷制度和提高铸坯质量具有重要意义，对其在线准确测量是冶金行业至今尚未解决的技术难题。关键问题是：铸坯表面发射率的不确定性和烟气水雾等干扰因素难以实现真温测量；表面随机分布的氧化皮影响难以实现稳定测量；高达400℃的温度梯度难以实现对不同种类的钢坯在各个温度段进行等精度测量。
目前，主要通过设于连铸机二冷区的若干红外测温仪与计算机连接，在一个时间间隔中读取各测温仪的数据取其中最大值作为铸坯表面真实温度。或者通过包括一个红外热像仪和一个红外测温仪，将二者相结合并通过模型滤波方法克服铸坯表面氧化皮的影响。以上两种方法的不足是：其一，无论是红外热像仪还是红外测温仪均无法克服铸坯表面发射率的非确定性影响，只能将其视为黑体或人为设定发射率，因而上述方法的测量结果难以反映铸坯表面的真实温度；其二，常规的热像仪或测温仪无法克服水汽和烟雾造成的测温误差；其三，模型滤波虽然可以克服氧化皮造成的测温波动，但因不同钢种的组分区别较大，通过生产工艺建立的模型难以具有通用性，据此进行测温结果的修正难以保证测量精度。
有些文献中采用影视彩色图像传感器(Charge-coupled Device，CCD)相机经过标定后利用比色法实现高温测量，以克服发射率的非确定性影响。然而，普通的影视彩色相机中各个像素的R、G、B值是通过贝尔滤光片获得的，其中只有一个值真正来自CCD，而其它两个值都通过“色彩插值法”计算而得，因此都是估算值。这些估算值不能精确反应被测目标的辐射能量，因而难以测取目标的真实温度；其次，R、G、B像素的动态测温范围差别很大，作比色测温时只能有一个波长的动态范围得以充分利用，而其它两个波长的测量范围较窄，无法满足不同钢种大梯度温度场测量的需要。
此外，经过标定的影像相机不能在线克服CCD暗电流噪声，导致低温段测量精度远低于高温段，难以实现整个温度段的等精度测量。
连铸过程中铸坯处于强氧化和强水冷环境，由于受铸坯表面发射率非确定性、烟雾水汽干扰和随机分布的氧化皮影响，现有技术的不足主要是利用常规的辐射测温仪器难以准确稳定地测量铸坯表面的真实温度，其次是难以实现多钢种大梯度温度场的等精度测量。因此，研制一种能够克服发射率非确定性、烟雾水汽和氧化皮影响且具有较大动态范围的铸坯表面温度场测量传感器就成为该技术领域亟待解决的问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的铸坯表面温度场测量传感器及方法。
为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种铸坯表面温度场测量传感器，该测量传感器包括：
光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器，
所述光学镜头，用于接收铸坯表面发出的辐射光；
所述步进电机，用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态；
所述光调制转盘与所述光学镜头相耦合，在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光完全遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流噪声的暗图像；
所述三光谱热成像单元与所述光调制转盘相耦合，所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD；
所述分光镜，用于对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述窄带滤光片；
所述窄带滤光片，用于对所述分光处理得到的光进行滤波处理形成单色光，并将滤波处理得到的单色光分别投射给所述CCD；
所述CCD，用于根据所述滤波处理得到的单色光光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述铸坯表面暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；
所述信号采集处理器与所述三光谱热成像单元相连接，用于根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪(CCD暗电流)处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量。
另一方面，本发明提供了一种铸坯表面温度场测量方法，该测量方法包括：
通过光学镜头接收铸坯表面发出的辐射光；
通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转，使得嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘分时处于通光状态或者处于阻光状态；
当所述光调制转盘在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；当所述光调制转盘处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光完全遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像；
通过三光谱热成像单元包括的两个分光镜对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片；
通过所述窄带滤光片对所述分光处理得到的光进行滤波处理获得单色光，并将滤波处理得到的单色光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个单色面阵CCD；
通过所述CCD根据所述滤波处理得到的单色光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；
通过信号采集处理器根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行暗电流去噪处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量。
本发明提供的一种铸坯表面温度场测量传感器及方法，具有以下优点：1、本发明采用独立的三CCD结构进行铸坯表面温度场测量传感器，可以有效克服因铸坯表面发射率的非确定性以及现场烟气、水雾和尘埃产生的测量误差；2、本发明采用光调制转盘结构，每个周期在CCD上采集一次暗图像和一次热图像，其中暗图像可用于在线补偿CCD的暗电流噪声，从而大大减小了传感器因环境因素变化而产生的附加误差；3、本发明采用分光结构(而非斩光结构)使移动的铸坯表面在三个CCD上同时热成像，每个CCD像素电荷反应的均是被测目标单元发出的真实能量。而彩色相机中的R、G、B只有一个真正来自CCD，其它两个是通过“色彩插值”的估算值。因此所述结构从真正意义上实现了三光谱高温场的测量，且针对移动的铸坯测量时不会产生因三个CCD的像素彼此错位而造成的附加误差；4、本发明通过合理选择三个不同窄带滤光片的透光率，测温范围可达800℃-1200℃，能够满足不同钢坯测温的需要。与此相比，商业彩色CCD的R、G、B无法分设滤光片，三个信号同处于非饱和区的温度域较窄，导致测温范围很窄；5、本发明依据像素相关性滤波方法，采用图像测温技术有效抑制了CCD本身的随机噪声和铸坯表面随机分布的氧化皮噪声，实现铸坯表面温度场的稳定测量；6、本发明采用本地DSP与远程PC两级数据处理架构，并通过以太网接口构成分布式多节点传感器，因此可以实现同时对多流铸坯进行在线温度场测量，并可进行数据存储和历史回放。本发明采用全数字化设计，功耗低，可广泛应用于高温场的非接触式测量。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种铸坯表面温度场测量传感器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种信号采集处理器的电路示意图；
图3为本发明实施例提供的一种铸坯表面温度场测量传感器实体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种铸坯表面温度场测量方法流程图；
图5为本发明实施例提供的因光谱发射率非确定性对三色与双色测温模型引起的误差比较；
图6是本发明实施例提供的CCD原始灰度(含有随机噪声)与采用像素相关性原则滤波后(抑制随机噪声)的灰度比较。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为使本发明技术方案的优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
本发明实施例提供了一种铸坯表面温度场测量传感器，如图1所示，所述测量传感器包括：光学镜头100、步进电机200、嵌有阻光片3001和衰减片3002的光调制转盘300、三光谱热成像单元400、信号采集处理器500。
所述光学镜头100，用于接收铸坯表面发出的辐射光。温度高于800℃的铸坯表面发出的辐射光，所述辐射光可以为可见光或近红外光。
所述步进电机200，用于驱动所述光调制转盘300进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态。所述步进电机200可以为微型步进电机。
所述光调制转盘300与所述光学镜头100相耦合，用于在处于通光状态时，通过衰减片3002对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片3001对所述辐射光进行遮挡，得到用于CCD暗电流在线抑制的暗图像。所述衰减片为中性衰减片。
所述三光谱热成像单元400与所述光调制转盘300相耦合，所述三光谱热成像单元400包括：两个分光镜4001、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片4002、三个单色面阵CCD 4003。
所述分光镜4001，用于对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述窄带滤光片4002。
所述窄带滤光片4002，用于对所述分光处理得到的光进行滤波处理获得单色光，并将滤波处理得到的单色光投射给所述CCD 4003，其中窄带滤光片的带宽小于等于10nm。
所述CCD 4003，用于根据所述滤波处理得到的光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声。
所述信号采集处理器500与所述三光谱热成像单元400相连接，用于根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量。
所述信号采集处理器500包括数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、微控制器(Micro Controller Unit，MCU)、步进电机驱动器、同步动态存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)、闪存FLASH、以太网收发器(Physical Layer，PHY)和网络端口(RJ45)；所述DSP与所述CCD驱动板、MCU、SDRAM、FLASH和PHY连接；所述MCU除与所述DSP连接，还与所述电机驱动器、光发射接收管及三个CCD驱动板连接；所述驱动器与所述MCU和步进电机连接；所述信号采集处理器通过网络端口与远程电脑连接。
如图2所示，本发明实施例提供了信号采集处理器的电路示意图，主要由DSP芯片TMS320DM642、微控制器(MCU)、SDRAM、FLASH、步进电机驱动器、以太网收发器和以太网端口构成。其中，TMS320DM642具有3个RAW格式视频采集端口，分别负责采集来自3个面阵CCD的热图像和暗图像，并将采集到的图像信息通过DMA(Direct Memory Access)方式存入到SDRAM，内置DSP进行像素相关性滤波处理后通过以太网收发器和网络端口输出至远程PC。
进一步地，所述信号采集处理器500，具体用于对所述三个热图像与所述三个暗图像进行相减处理，得到去噪后的三个铸坯表面热图像，并根据三波长图像测温公式和暗电流去噪后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面成像单元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：
其中，C2＝1.4388×104μm.K，λ1、λ2、λ3分别为三个窄带滤光的中心波长；K为常数，Vλ1、Vλ2和Vλ3分别为铸坯表面在三个单色CCD上所成热图像经暗电流去噪后的灰度值；
将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。
进一步地，所述测量传感器还包括：光发射管600和光接收管700，所述光调制转盘300还带有定位索引孔3003。
所述光发射管600和所述光接收管700分别安放在所述光调制转盘300的两侧，所述光发射管600，用于发射光脉冲，所述光接收管700用于在信号采集处理器控制下，通过所述定位索引孔3003接收所述光发射管600发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘300在每个测量周期的起始转动位置。
所述步进电机200，具体用于根据所述起始转动位置驱动所述光调制转盘300进行旋转，使得所述光调制转盘300恰好处于通光状态或者处于阻光状态。
定位索引孔3003与光收发管一起用于定位光调制转盘300在一个测量周期的起始转动位置。光调制过程如下：在光调制转盘300的每个转动周期，光接收管700通过定位索引孔接收一次光发射管600发出的光脉冲，该时刻恰好保证调制转盘位于通光状态，CCD采集热图像，从该时刻起步进电机再转动180°角，转盘则位于阻光状态，CCD采集暗图像。通过定位索引孔在每个测量周期对转盘进行一次起始位置定位，可以消除光调制转盘300的累积转动误差。
所述步进电机200可以为180°转角电机，由微控制器产生步进电机200所需的控制信号，经驱动电路功率放大后驱动步进电机旋转。在一个测量周期中包括两个节拍，每个节拍光调制转盘300转动半周，分别位于阻光状态和通光状态，在三个CCD上同时交替获取一帧铸坯表面暗图像和一帧铸坯表面热图像，二者对应之差即为消除CCD暗电流噪音噪后的热图像。
进一步地，所述信息采集处理器500，还用于产生所述步进电机200旋转所需的控制信号，并通过驱动电路功率放大所述控制信号后驱动所述步进电机200旋转；所述步进电机200，具体用于驱动所述光调制转盘旋转。
进一步地，所述两个分光镜4001平行安装，且所述两个分光镜的入射光与透镜主光轴平行，反射光与透镜主光轴垂直。
如图3所示，本发明实施例还提供了铸坯表面温度场测量传感器实体结构图，以下为图3中元件的说明：
1：光学镜头；2.光调制转盘；3.阻光片；4.定位索引孔；5.衰减片；6.步进电机 7.分光镜1；8.分光镜2；9.窄带滤光片1；10.窄带滤光片2；11.窄带滤光片3；12.单色CCD1及驱动电路；13.单色CCD2及驱动电路；14.单色CCD3及驱动电路；15.光发射管；16.光接收管；17.信号采集处理器；18.网络接口。
在图3中，分光镜7的反射与透射比为1:2，分光镜8的反射与透射比为1:1，为了保证热成像不失真，两个分光镜的法线方向与主光轴均成45°安装。分光镜7的反射光经窄带滤光片11投射在单色面阵CCD 14的像敏单元，分光镜8的反射光和透射光分别经窄带滤光片8和窄带滤光片9投射在单色面阵CCD 13和CCD 12的像敏单元。为了保证最佳测量效果，三个窄带滤光片分别粘贴在相应的CCD表面，其中心波长分别选择为0.71μm、0.82μm、0.93μm，带宽均为10nm。
本发明实施例提供的一种铸坯表面温度场测量传感器，具有以下优点：1、本发明采用独立的三CCD结构进行铸坯表面温度场测量，可以有效克服因铸坯表面发射率的非确定性以及现场烟气、水雾和尘埃产生的测量误差；2、本发明采用光调制转盘结构，每个周期在CCD上采集一次暗图像和一次热图像，其中暗图像可用于实时补偿CCD的暗电流噪声，从而大大减小了传感器因环境因素变化而产生的附加误差；3、本发明采用分光结构(而非斩光结构)使移动的铸坯表面在三个CCD上同时热成像，每个CCD像素电荷反应的是被测目标单元发出的真实能量，而彩色相机中的R、G、B只有一个真正来自CCD，其它两个是通过“色彩插值”的估算值，因此所述结构从真正意义上实现了三光谱高温场的测量，且针对移动的铸坯进行测温时不会因像素对之间的错位而产生附加误差；4、本发明通过合理选择三个不同窄带滤光片的透光率，测温范围可达800℃-1200℃，能够满足不同钢坯测温的需要。与此相比，商业彩色CCD的R、G、B无法分设滤光片，三个信号同处于非饱和区的温度域较窄，导致测温范围很窄；5、本发明依据像素相关性滤波方法，采用图像测温技术有效抑制了CCD本身的随机噪声和铸坯表面随机分布的氧化皮噪声，实现铸坯表面温度场的稳定测量；6、本发明采用本地DSP与远程PC两级数据处理架构，并通过以太网接口构成分布式多节点网络传感器，因此可以实现同时对多流铸坯进行在线温度场测量，并可进行数据存储和历史回放。本发明采用全数字化设计，功耗低，可广泛应用于高温场的非接触式测量。
本发明实施例提供了一种铸坯表面温度场测量方法，如图4所示，所述方法包括：
101、通过光学镜头接收铸坯表面发出的辐射光。
102、通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转，使得嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态。
对于本发明实施例，光发射管和光接收管分别安放在所述光调制转盘的两侧，步骤102之前具体可以包括：通过所述光发射管发射光脉冲；通过所述光接收管在信号采集处理器控制下，通过所述光调制转盘带有的定位索引孔接收所述光发射管发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘在一个测量周期的起始转动位置。此时，所述步骤102具体可以包括：通过步进电机根据所述起始转动位置驱动所述光调制转盘进行旋转。
对于本发明实施例，步骤102之前具体还可以包括：通过所述信号采集处理器产生所述步进电机旋转所需的控制信号，并通过驱动电路功率放大所述控制信号后驱动所述步进电机旋转。此时，所述步骤102具体可以包括：通过步进电机自身旋转驱动所述光调制转盘进行旋转。
103、当所述光调制转盘在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；当所述光调制转盘处于阻光状态时，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像。
104、通过三光谱热成像单元包括的两个分光镜对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片。
105、通过所述窄带滤光片对所述分光处理得到的光进行滤波处理获取单色光，并将滤波处理得到的单色光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个单色面阵CCD。
106、通过所述CCD根据所述滤波处理得到的单色光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声。
107、通过信号采集处理器根据所述三个铸坯表面暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量。
对于本发明实施例，步骤107具体可以包括：通过信号采集处理器对所述三个热图像与所述三个暗图像进行相减处理，得到暗电流去噪后的三个铸坯表面热图像；根据三波长图像测温公式和去噪后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面成像单元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：
其中，C2＝1.4388×104μm.K，λ1、λ2、λ3分别为三个窄带滤光的中心波长；K为常数，Vλ1、Vλ2和Vλ3分别为铸坯表面在三个单色CCD上所成的热图像经暗电流去噪后的灰度值；将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。
在一个测温周期内DSP采集一帧热图像和一帧暗图像，暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声，热图像用于高温场测量。设铸坯表面某一面元分别成像在三个CCD上的某一像素上获得的灰度值为和在忽略暗电流噪声的情况下，像素灰度值与面元温度T的关系可以表示为：
式中ε1、ε2和ε3分别为铸坯表面面元对应波长为λ1、λ2和λ3单色光的光谱发射率，C2＝1.4388×104为μm·K，为普朗克第二常数；K为仪表常数，可通过实验获得。可见，所选的三个波长确定后，当光谱发射率ε1、ε2和ε3满足等比关系或相等时，发射率项可以消掉，因而实现了发射率无关性测量。与双光谱比色测温相比，三光谱测温精度更高，因为它对发射率的要求进行了松绑，只要发射率满足等比关系即可，而非必须满足彼此相等的条件。为了进一步阐明三光谱测温的优点，图3定量给出了当被测目标偏离理想离灰体时三光谱和双光谱测温产生的相对误差仿真结果(目标温度1154℃，光谱发射率为0.7)，可见当实际发射率产生微小偏移时，三光谱测温产生的误差要明显小于双光谱。
此外，从上述公式中不难看出，目标温度T与三个CCD对应像素的灰度比相关，同单光谱测温方式相比，这种比例关系可以有效消除传感器测温过程中的水雾、烟气或灰尘干扰，大大提高了传感器的抗干扰性。
需要说明的是，所述CCD的行分辨率大于650-700，列分辨率介于490-550。理论上行列分辨率越高对随机噪声的抑制效果越好，但行列分辨率过高会降低单个像素的动态响应范围。
对于本发明实施例，为了在测温过程中消除CCD本身的随机噪声和铸坯表面的氧化皮噪声，本发明采用基于CCD相邻像素的相关性原则对测温结果进行滤波。因此，所述将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场具体可以包括：提取铸坯表面各个成像单元的行像素温度极值，并对所述温度极值进行列重组；通过信号采集处理器中的数字信号处理器对列重组结果进行数字滤波，并根据数字滤波结果，得到铸坯表面温度场。
其实现过程如下：根据铸坯表面温度场的分布特性，当视场较小时，CCD同一行像素对应的铸坯表面的各个成像单元的真实温度近似相等。为了尽可能消除氧化皮的干扰，首先获取一帧去除CCD暗电流后的温度场信息，从中筛选出每行的8个温度极大值点并对其取均值，从而获得均值矩阵，该均值矩阵的元素个数为面阵CCD的列数，其物理意义相当于对CCD进行了列重组，该均值矩阵反映了铸坯表面沿宽度方向的含有随机噪声的温度梯度曲线；然后对均值矩阵进行DFT(Discrete Fourier Transformation)变换，将温度梯度曲线从时域转换到频域并提取出不同频率分量。因为真实温度梯度曲线应该是连续渐变的，其相邻点不会出现跳变，所以主要包括低频分量，而随机噪声则与之相反，主要包括高频分量。据此原则剔除8次以上的谐波分量后，再经IDFT(Inverse Discrete FourierTransformation)变换将其余低频分量由频域转换到时域，即可抑制随机噪声获取稳定的温度梯度曲线。图6给出了基于像素相关性原则的滤波去噪仿真曲线，从中可以看出经滤波后原始测温曲线的随机噪声得到了较好抑制，减小了测温结果的波动。
本发明实施例提供的一种铸坯表面温度场测量方法，具有以下优点：1、本发明采用独立的三CCD结构进行铸坯表面温度场测量传感器，可以有效克服因铸坯表面发射率的非确定性以及现场烟气、水雾和尘埃产生的测量误差；2、本发明采用光调制转盘结构，每个周期在CCD上采集一次暗图像和一次热图像，其中暗图像可用于实时抑制CCD的暗电流噪声，从而大大减小了传感器因环境因素变化而产生的附加误差；3、本发明采用分光结构(而非斩光结构)使移动的铸坯表面在三个CCD上同时热成像，每个CCD像素电荷反应的是被测目标单元发出的真实能量，而彩色相机中的R、G、B只有一个真正来自CCD，其它两个是通过“色彩插值”的估算值，因此所述结构从真正意义上实现了三光谱高温场的测量；4、本发明通过合理选择三个不同窄带滤光片的透光率，测温范围可达800℃-1200℃，能够满足不同钢坯测温的需要。与此相比，商业彩色CCD的R、G、B无法分设滤光片，三个信号同处于非饱和区的温度域较窄，导致测温范围很窄；5、本发明依据像素相关性滤波方法，采用图像测温技术有效抑制了CCD本身的随机噪声和铸坯表面随机分布的氧化皮噪声，实现铸坯表面温度场的稳定测量；6、本发明采用本地DSP与远程PC两级数据处理架构，并通过以太网接口构成分布式多节点传感器，因此可以实现同时对多流铸坯进行在线温度场测量，并可进行数据存储和历史回放。本发明采用全数字化设计，功耗低，可广泛应用于高温场的非接触式测量。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (8)
1.一种铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于，包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器；
所述光学镜头，用于接收铸坯表面发出的辐射光；
所述步进电机，用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态；
所述光调制转盘与所述光学镜头相耦合，用于在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光进行遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像；
所述三光谱热成像单元与所述光调制转盘相耦合，所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD；
所述分光镜，用于对所述用于生成铸坯表面热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述窄带滤光片；
所述窄带滤光片，用于对所述分光处理得到的光进行滤波从而形成单色光，并将滤波得到的单色光投射给所述CCD；
所述CCD，用于根据所述滤波处理得到的三个中心波长不同的单色光光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；
所述信号采集处理器与所述三光谱热成像单元相连接，用于根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量，并将测量结果通过以太网接口发送给远程PC；
所述信号采集处理器，具体用于对所述三个热图像与所述三个暗图像进行相减处理，得到去噪后的三个铸坯表面热图像，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面的成像单元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：
其中，C2＝1.4388×104μm.K，λ1、λ2、λ3分别为三个窄带滤光的中心波长；K为常数，Vλ1、Vλ2和Vλ3分别为铸坯表面在三个单色CCD上所成的热图像经去噪处理后的灰度值；
将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。
2.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于，所述测量传感器还包括：光发射管和光接收管，所述光调制转盘还带有定位索引孔，
所述光发射管和所述光接收管分别安放在所述光调制转盘的两侧，所述光发射管，用于发射光脉冲，所述光接收管用于在信息采集处理器控制下，通过所述定位索引孔接收所述光发射管发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘在一个测量周期的起始转动位置；
所述步进电机，具体用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态。
3.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于，所述信号采集处理器，还用于产生所述步进电机旋转所需的控制信号，并通过驱动电路放大所述控制信号后驱动所述步进电机旋转；
所述步进电机，具体用于通过自身进行旋转驱动所述光调制转盘进行旋转。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测量传感器，其特征在于，所述两个分光镜平行安装，且所述两个分光镜的入射光与光学镜头主光轴平行，反射光与光学镜头主光轴垂直。
5.一种铸坯表面温度场测量方法，应用于铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于，包括：
通过光学镜头接收铸坯表面发出的辐射光；
通过步进电机驱动光调制转盘进行旋转，使得嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态；
当所述光调制转盘在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；当所述光调制转盘处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光进行遮挡，得到用于在线补偿CCD暗电流的暗图像；
通过三光谱热成像单元包括的两个分光镜对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片；
通过所述窄带滤光片对所述分光处理得到的光进行滤波处理形成单色光，并将滤波处理得到的单色光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个单色面阵CCD；
通过所述CCD根据所述滤波处理得到的光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述铸坯表面暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；
通过信号采集处理器根据所述三个铸坯表面暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量；
所述通过信号采集处理器根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，包括：
通过信号采集处理器对所述三个热图像与所述三个暗图像进行对应像素灰度值相减处理，得到在线去除CCD暗电流噪声的三个铸坯表面热图像；
所述根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量，包括：
根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面的成像单元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：
其中，C2＝1.4388×104μm.K，λ1、λ2、λ3分别为三个窄带滤光片的中心波长；K为常数，Vλ1、Vλ2和Vλ3分别为铸坯表面的成像单元在三个铸坯表面热图像经暗电流去噪处理后的灰度值；
将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场，包括：
提取铸坯表面温度场行像素测取的温度极值，并对所述温度极值进行列重组；
通过信号采集处理器中的数字信号处理器对列重组结果进行数字滤波，并根据数字滤波结果，得到去除随机噪声的铸坯表面温度场。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，光发射管和光接收管分别安放在所述光调制转盘的两侧，所述通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转的同时，所述方法还包括：
通过所述光发射管发射光脉冲；
通过所述光接收管在信号采集处理器控制下，通过所述光调制转盘带有的定位索引孔接收所述光发射管发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘的起始转动位置；
所述通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转，包括：
通过步进电机根据所述起始转动位置驱动所述光调制转盘进行旋转。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转，所述方法还包括：
通过所述信号采集处理器产生所述步进电机旋转所需的控制信号，并通过驱动电路对所述控制信号进行功率放大后驱动所述步进电机旋转。
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