CN108279071A - 基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 - Google Patents
基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108279071A CN108279071A CN201711486908.8A CN201711486908A CN108279071A CN 108279071 A CN108279071 A CN 108279071A CN 201711486908 A CN201711486908 A CN 201711486908A CN 108279071 A CN108279071 A CN 108279071A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- temperature field
- ccd camera
- molten pool
- detecting system
- full filed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 8
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 17
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010259 detection of temperature stimulus Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000005619 thermoelectricity Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J2005/0077—Imaging
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，包括分光镜、滤光片、CCD相机、FPGA、计算机；分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；滤光片用于选择特定波段的光通过；CCD相机用于熔池在选择的特定波段下进行成像；FPGA用于发出触发信号给CCD相机；计算机一方面用于控制FPGA，一方面用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。本发明以比色测温法为基础，使用标准高温黑体对测温系统进行标定，在CMT工艺下，当焊接电流处于基值时，FPGA发出信号触发CCD相机，CCD相机采集的熔池图像几乎不受电弧光的干扰，之后计算机对采集的图像进行处理，计算可以得到高精度的熔池温度场。
Description
技术领域
本发明涉及一种测温系统，特别是一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统。
背景技术
在高温生产过程中，温度是反映生产状况的最重要参数，是控制生产过程、确保产品质量的重要依据。对生产对象的温度进行高精度的实时测量，能够使生产操作人员随时了解实际生产情况，及时采取有效措施控制生产过程，保证产品的质量，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，是实现节能生产过程的关键所在。目前温度传感器的使用数量在各种传感器中位居首位，这也在一定程度上反映了温度测量技术的重要性。
焊接制造过程中，熔池内存在着强烈的能量、动量和质量传输物理过程，从而产生传热、对流和传质等物理现象。熔池温度场的强度与温度分布强烈影响能量、动量和质量传输物理过程，它直接影响焊接制造的外在质量。因此从理论和实验上开展熔池温度场研究对激光焊接等再制造技术的发展具有直接指导意义。
在目前实际高温生产过程中，一般采用热电偶、热电阻等作为高温检测的传感器。这些接触式传感器通常只能测量高温对象中特定一点或多点的温度值，很难获取高温对象的温度场分布情况，而且其中某些传感器的热惰性较大，难以对高温对象进行高精度实时检测。因此，为使生产操作人员能及时准确地了解生产情况，采取有效措施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，提高产品质量，有必要研究并开发出一种抗干扰高精度的非接触式全视场温度场检测技术。
与传统的接触式测温方法相比，辐射测温法具有不直接与被测物体相接触、测温响应时间短、便于进行实时动态测量等优点。近年来，辐射测温法得到了快速发展。根据日本铁钢协会调查，在日本钢铁工业使用的温度传感器中，辐射温度计占65％，热电偶、热电阻只占27％，其他类型的温度传感器占8％。而国内绝大部分企业目前仍主要使用接触式测温仪表，热电偶与热电阻的用量占98％之多。国外辐射测温技术的快速发展，引起了国内有关研究人员的重视。
随着CCD成像技术的日益成熟，CCD逐渐开始应用到高温温度场的检测当中，基于CCD图像传感器的非接触高温温度场检测技术是综合运用热辐射理论、现代光电检测技术和数字图像处理技术的一种新型辐射测温方法，其相关研究成果在焊接、冶金、化工等多个领域具有广阔的应用前景，其发展潜力巨大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式、高精度的全视场熔池温度场检测系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，包括分光镜、两片滤光片、两个CCD相机、FPGA和计算机；
所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；
所述滤光片用于选择特定波段的光通过；
所述CCD相机用于熔池在选择的特定波段下成像；
所述FPGA用于发出触发信号给两个CCD相机；
所述计算机一方面用于控制FPGA，另一方面用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。
与现有技术相比，本发明的显著效果为：
(1)本发明可以对CMT工艺下的熔池温度场实现非接触式测量；(2)本发明可以实现CMT工艺下的高精度的熔池温度场分布；(3)本发明适当调整滤光片的选择波段，就可以检测其他焊接工艺下的熔池温度场分布。
附图说明
图1为本发明的全视场熔池温度场检测系统原理框图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，包括分光镜、滤光片、CCD相机、FPGA、计算机；
所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；
所述滤光片用于使选择的特定波段的光通过；
所述CCD相机用于熔池在选择的特定波段下进行成像；
所述FPGA用于发出触发信号给CCD相机；
所述计算机一方面用于控制FPGA，一方面用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。
进一步的，所述滤光片为两片，滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段。
进一步的，所述CCD相机为两台相同的黑白CCD相机。
进一步的，在CMT工艺下，所述FPGA在焊接电流处于基值时发出信号触发CCD相机，这样CCD相机采集的熔池图像几乎不受电弧光的干扰。
进一步的，所述全视场熔池温度场检测系统在测量之前需要使用标准高温黑体进行标定，这样才能测量得到高精度的熔池温度场。
进一步的，所述计算机基于比色测温法计算熔池的温度场。
进一步的，熔池的温度场计算公式通过以下公式推导得到：
比色测温公式为：
其中C2为第二辐射常数，C2＝1.4388*10-2m·K。
L(λ1,T)和L(λ2,T)为熔池在波长λ1,λ2下的辐射亮度，ξ(λ1,T)和ξ(λ2,T)为熔池在波长λ1,λ2下的光谱发射率，将两台CCD相机的曝光时间设置成相同，CCD相机在波长λ1,λ2下采集到的图像灰度值N(λ1,T)和N(λ2,T)的比值为：
其中η(λ)为CCD相机的光谱响应率，τ(λ)为透镜的光谱透过率，γ(λ)为滤光片的光谱透过率，δλ1,δλ2分别为两片滤光片的带宽。由以上两式可得：
令：
公式(3)就变为：
设熔池为灰体，有：ξ(λ1,T)＝ξ(λ2,T)，式(5)就变为：
式(6)就是熔池温度场的计算公式，式中K就是需要标定的参数。
进一步的，标定的具体过程为：
选定一个标准高温黑体，将其温度上升至1000℃，将分光镜输入面对准黑体炉的出口，计算出系统输出的两幅图像的灰度值比值，然后根据式(6)计算出对应的K值；后续将黑体炉逐步上升50℃，重复以上步骤10次，可以计算出10个K值，最后分析K值的变化趋势，选定后续趋于平稳的那个K值。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
本实施例的全视场熔池温度场检测系统由下述部分组成：
(1)分光镜
分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出，分光镜的波长范围应该包括后续所选择的两片滤光片的波段范围。
(2)滤光片
滤光片为两片，滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段，考虑到电弧光的影响，滤光片波段的选择还要尽量往长波方向移。考虑到CCD相机的光谱响应率，滤光片所选波段处对应的CCD相机响应率不能太低。因此滤光片波段的选择要综合考虑多种因素。
(3)CCD相机
全视场熔池温度场检测系统应选用两台相同的黑白CCD相机。
(4)FPGA
FPGA用于发出触发信号给CCD相机，在CMT工艺下，FPGA在焊接电流处于基值时发出信号触发CCD相机，这样CCD相机采集的熔池图像几乎不受电弧光的干扰，CCD相机采集到的光几乎全是熔池自身辐射的光。
(5)计算机
计算机一方面用于控制FPGA，一方面用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。在CCD相机采集到两幅熔池图像后，因为两台CCD相机成的像是镜像关系，所以首先要将其中一幅图像进行对称处理，对称过后两幅图像仍然会存在一定的偏移，这时需要进行匹配处理，匹配之后才能进行熔池温度场的计算。
整体系统的工作原理是：在CMT工艺下，熔池由于自身温度高而发光，光线通过分光镜变成两路输出，两路输出分别再通过特定波段的滤光片，CCD相机输出两幅熔池在不同波段下的图像。为了在最大程度上减少焊接时电弧光对熔池温度场测量的影响，FPGA在焊接电流处于基值时发出信号触发CCD相机。计算机对采集得到的两幅图像作对称、匹配处理后计算熔池的温度场。
Claims (8)
1.一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，包括分光镜、两片滤光片、两个CCD相机、FPGA和计算机；
所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；
所述滤光片用于选择特定波段的光通过；
所述CCD相机用于熔池在选择的特定波段下成像；
所述FPGA用于发出触发信号给两个CCD相机；
所述计算机一方面用于控制FPGA，另一方面用于对CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。
2.根据权利要求1所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段。
3.根据权利要求1所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，所述CCD相机为两台相同的黑白CCD相机。
4.根据权利要求1所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，在CMT工艺下，所述FPGA在焊接电流处于基值时发出信号触发CCD相机。
5.根据权利要求1所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，所述全视场熔池温度场检测系统在测量之前使用标准高温黑体进行标定。
6.根据权利要求1所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，所述计算机基于比色测温法计算熔池的温度场；
比色测温公式为：
其中C2为第二辐射常数，C2＝1.4388×10-2m·K，L(λ1,T)和L(λ2,T)为熔池在波长λ1,λ2下的辐射亮度，ξ(λ1,T)和ξ(λ2,T)为熔池在波长λ1,λ2下的光谱发射率，将两台CCD相机的曝光时间设置成相同，CCD相机在波长λ1,λ2下采集到的图像灰度值N(λ1,T)和N(λ2,T)的比值为：
其中η(λ)为CCD相机的光谱响应率，τ(λ)为透镜的光谱透过率，γ(λ)为滤光片的光谱透过率，δλ1,δλ2分别为两片滤光片的带宽。由以上两式可得：
令：
公式(3)就变为：
设熔池为灰体，有：ξ(λ1,T)＝ξ(λ2,T)，式(5)就变为：
式(6)即为熔池温度场的计算公式，式中K为需要标定的参数。
7.根据权利要求6所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，标定的具体过程为：
选定一个标准高温黑体，将其温度上升至1000℃，将分光镜输入面对准黑体炉的出口，计算出系统输出的两幅图像的灰度值比值，然后根据式(6)计算出对应的K值；后续将黑体炉逐步上升50℃，重复以上步骤10次，计算出10个K值，最后分析K值的变化趋势，选定后续趋于平稳的K值。
8.根据权利要求6或7所述的基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，其特征在于，计算熔池温度场前对两幅图像进行对称处理和匹配处理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711486908.8A CN108279071A (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711486908.8A CN108279071A (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108279071A true CN108279071A (zh) | 2018-07-13 |
Family
ID=62802853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711486908.8A Pending CN108279071A (zh) | 2017-12-29 | 2017-12-29 | 基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108279071A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109014202A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-12-18 | 西安空天能源动力智能制造研究院有限公司 | 一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法 |
| CN109556736A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-04-02 | 南京森林警察学院 | 一种基于近红外波段比色法的火场温度测量装置及方法 |
| CN111207838A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-05-29 | 中南大学 | 一种基于特殊红外光谱波段的铁水测温装置 |
| CN111458033A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-28 | 中国科学院金属研究所 | 炼钢炉双波长温度测量装置及方法 |
| CN112197866A (zh) * | 2020-09-24 | 2021-01-08 | 华北电力大学 | 一种非接触式定点测量的测温系统及方法 |
| CN114749495A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-07-15 | 武汉钢铁有限公司 | 一种板坯温度场在线检测及耦合校正控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102252757A (zh) * | 2011-06-14 | 2011-11-23 | 山东大学 | 一种应用于机床切削温度测试的双色红外测温仪 |
| CN202533179U (zh) * | 2012-03-30 | 2012-11-14 | 长春工业大学 | 基于双光比色的红外aod炉测温光路系统 |
| CN106755683A (zh) * | 2016-11-01 | 2017-05-31 | 北京科技大学 | 一种基于比色法的高炉燃烧带温度场检测装置 |
| CN107167249A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-09-15 | 北京理工大学 | 单相机双波段熔池比色测温方法及系统 |
-
2017
- 2017-12-29 CN CN201711486908.8A patent/CN108279071A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102252757A (zh) * | 2011-06-14 | 2011-11-23 | 山东大学 | 一种应用于机床切削温度测试的双色红外测温仪 |
| CN202533179U (zh) * | 2012-03-30 | 2012-11-14 | 长春工业大学 | 基于双光比色的红外aod炉测温光路系统 |
| CN106755683A (zh) * | 2016-11-01 | 2017-05-31 | 北京科技大学 | 一种基于比色法的高炉燃烧带温度场检测装置 |
| CN107167249A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-09-15 | 北京理工大学 | 单相机双波段熔池比色测温方法及系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 于晓明: "高温炉窑测温监控摄像机的研制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
| 周颖慧: "基于CCD图像传感原理的温度监测方法及应用研究", 《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
| 李梦醒: "基于数字图像的短路过渡焊熔池形态研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》 * |
| 王维等: "双CCD比色测温系统研究", 《机械设计与制造》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109014202A (zh) * | 2018-09-21 | 2018-12-18 | 西安空天能源动力智能制造研究院有限公司 | 一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法 |
| CN109556736A (zh) * | 2018-12-04 | 2019-04-02 | 南京森林警察学院 | 一种基于近红外波段比色法的火场温度测量装置及方法 |
| CN111207838A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-05-29 | 中南大学 | 一种基于特殊红外光谱波段的铁水测温装置 |
| CN111458033A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-28 | 中国科学院金属研究所 | 炼钢炉双波长温度测量装置及方法 |
| CN112197866A (zh) * | 2020-09-24 | 2021-01-08 | 华北电力大学 | 一种非接触式定点测量的测温系统及方法 |
| CN114749495A (zh) * | 2022-03-18 | 2022-07-15 | 武汉钢铁有限公司 | 一种板坯温度场在线检测及耦合校正控制方法 |
| CN114749495B (zh) * | 2022-03-18 | 2023-11-17 | 武汉钢铁有限公司 | 一种板坯温度场在线检测及耦合校正控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108279071A (zh) | 基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统 | |
| CN106768380B (zh) | 一种对红外测温设备的测试结果进行修正的方法 | |
| Lane et al. | Thermographic measurements of the commercial laser powder bed fusion process at NIST | |
| CN107167249A (zh) | 单相机双波段熔池比色测温方法及系统 | |
| Raj et al. | Measurement of surface temperature and emissivity of different materials by two-colour pyrometry | |
| CN102967374A (zh) | 一种激光焊接过程温度场的测量方法 | |
| Zhang et al. | Online surface temperature measurement of billets in secondary cooling zone end-piece based on data fusion | |
| Zhang et al. | Development of a CCD-based pyrometer for surface temperature measurement of casting billets | |
| CN104101432B (zh) | 一种测量封闭空腔金属器具内壁温度分布的方法 | |
| US20030123518A1 (en) | Dual wavelength thermal imaging system for surface temperature monitoring and process control | |
| TWI442032B (zh) | 非接觸式溫度量測方法 | |
| Jeong et al. | Cooling rate measurement in directed energy deposition using photodiode-based planck thermometry (PDPT) | |
| Murphy et al. | A Review of In-situ Temperature Measurements for Additive Manufacturing Technologies. | |
| Yanming et al. | Research on some influence factors in high temperature measurement of metal with thermal infrared imager | |
| Trofimov et al. | Infrared thermometry in high temperature materials processing: influence of liquid water and steam | |
| Rakrueangdet et al. | Emissivity measurements of reflective materials using infrared thermography | |
| Che et al. | Development of ReFaST pyrometer for measuring surface temperature with unknown emissivity: methodology, implementation, and validation | |
| Coniglio et al. | Weld pool surface temperature measurement from polarization state of thermal emission | |
| CN113588091A (zh) | 一种利用高光谱实时测量激光选区金属熔池温度的系统和方法 | |
| CN108398190A (zh) | 一种去除电弧光影响的熔池温度场检测方法 | |
| Xie et al. | Development of three-wavelength CCD image pyrometer used for the temperature field measurements of continuous casting billets | |
| CN114777931A (zh) | 一种基于关联成像的物体表面温度分布测量方法与系统 | |
| CN204422067U (zh) | 一种被测表面失焦情况下的红外测温装置 | |
| Wu et al. | Optical noninvasive temperature measurement of molten melts in metallurgical process: a review | |
| Bai et al. | Evaluation and improvement in the accuracy of a charge-coupled-device-based pyrometer for temperature field measurements of continuous casting billets |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180713 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |