CN108645522A - Cmt焊接工艺下基于彩色ccd的熔池温度场检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种CMT焊接工艺下一种熔池温度场检测系统，包括彩色CCD相机、FPGA和计算机；彩色CCD相机用于采集熔池图像；FPGA用于发出触发信号给CCD相机；计算机一方面用于控制FPGA，一方面用于对彩色CCD相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。本发明使用彩色CCD相机红、绿两个通道的输出图像进行比色测温，使用标准高温黑体对测温系统进行标定，使用最小二乘法拟合后得到熔池温度场的计算公式，减少CMT焊接工艺下电弧光对熔池温度场检测的影响，得到高精度的熔池温度场分布情况，对后续提高CMT焊接产品质量具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种测温系统，特别是一种CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统。
背景技术
CMT(Cold Metal Transfer-冷金属过渡技术)是一种新型的无飞溅、低热输入焊接方法，在其焊接加工过程中，熔池的温度场分布直接影响着焊接加工的质量，对熔池的温度场进行在线检测对提高焊接加工质量具有重要意义。在CMT工艺下，电弧光干扰十分强烈，并且其光谱覆盖范围广，使得对熔池的观察以及温度场检测极其困难，因此目前研究CMT工艺下的熔池温度场大多只能采用数值模拟技术，还没有真正进入实验阶段。
随着CCD(Charge Coupled Device-电荷耦合器件)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。
采用黑白CCD相机进行高温辐射体的温度场检测通常有单通道和双通道两种结构方案，单通道系统采用两种不同波长滤光片来处理热辐射，使用一个黑白CCD相机接收该热辐射。该测温系统是利用调色板在马达的带动下，不同波长的滤光片交替置于光路中，以便黑白CCD相机可以接收不同波长下物体的辐射。其优点是使用一个黑白CCD相机，其光路简单，便于调整；缺点是需要调色板，响应较慢，而且采集的两幅图像之间存在时间差，给温度测量带来较大误差。
双通道黑白CCD测温系统使用两个黑白CCD相机同时接收热辐射，每个黑白CCD相机对应一个滤光片，然后将两个黑白CCD相机采集得到的图像输入计算机进行处理。双通道测温系统优点是动态响应较快；缺点是光路复杂，不便调整。两台黑白CCD相机采集得到的图像后续还需进行对称和匹配处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CMT焊接工艺下的熔池温度场检测系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，包括彩色CCD相机、FPGA和计算机；
所述彩色CCD相机用于采集熔池图像；
所述FPGA用于发出触发信号给彩色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焊接工艺下的熔池温度场实现非接触式测量；(2)本发明可以很大程度上减少CMT焊接工艺下电弧光对熔池温度场检测的影响，可以得到高精度的熔池温度场分布情况；(3)本发明的温度场检测系统结构简单，实用性好。
附图说明
图1为本发明的CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统原理框图。
具体实施方式
针对现有技术存在的问题，本发明基于彩色CCD相机进行温度场检测，彩色CCD本身包含有红、绿、蓝三色滤光片，可以直接得到辐射目标的三色信息，取彩色CCD其中的红、绿两个通道的输出图像，便可以进行比色测温。系统结构简单，实用性好。选择彩色CCD红、绿两个通道的输出图像进行比色测温的原因是辐射目标在红、绿基色的辐射亮度大于其在蓝基色的辐射亮度，彩色CCD蓝色通道的输出图像几乎看不清辐射目标。本测温系统既避免了单通道黑白CCD测温系统由于调色板转动带来的时间差、响应慢等问题，同时也避免了双通道黑白CCD测温系统带来的系统复杂和后续图像对称匹配处理等问题。针对CMT焊接工艺下电弧光对熔池温度场检测产生的干扰问题，我们提出了一种解决办法：根据焊接电流波形图在焊接电流处于基值时刻时，FPGA(现场可编程门阵列)发出信号触发彩色CCD采集熔池图像，这样可以采集得到高信噪比的熔池图像，几乎不受电弧光的干扰。
结合图1，本发明的CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，包括彩色CCD相机、FPGA和计算机；
所述彩色CCD相机用于采集熔池图像；
所述FPGA用于发出触发信号给彩色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。
进一步的，在CMT焊接工艺下，所述FPGA在焊接电流处于基值时发出信号触发CCD相机采集熔池图像，这样采集得到的熔池图像几乎不受电弧光的干扰。
进一步的，本发明使用彩色CCD相机红、绿两个通道的输出图像进行比色测温。
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，ε(λ1,T)和ε(λ2,T)为熔池在波长λ1,λ2下的光谱发射率。
彩色CCD相机使用红(λr＝700nm)、绿(λg＝546.1nm)、蓝(λb＝435.8nm)三色作为成像基色，其红、绿通道的输出值分别为：
式中：A为彩色CCD相机的特性，由曝光时间、光圈、光学系统透过率参数共同决定，r(λ)、g(λ)分别为彩色CCD相机红、绿通道的光谱响应函数。
根据积分中值定理，在[3.8×10-7m,7.8×10-7m]内存在λξ和λη，使得：
R＝A·4×10-7·L(λξ,T)·r(λξ) (4)
G＝A·4×10-7·L(λη,T)·g(λη) (5)
令：R＝Kr·L(λr,T) (6)
G＝Kg·L(λg,T) (7)
式中：Kr、Kg分别称为彩色CCD相机红、绿基色的光谱响应系数。将式(6)和式(7)代入式(1)可得：
设熔池近似为灰体，有ε(λr,T)＝ε(λg,T)，令：式(8)就变为：
式(9)就是熔池温度场的计算公式。
进一步的，所述CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统在使用之前需要使用标准高温黑体进行标定。
标定的计算公式为：
标定的具体过程为：选定一个标准高温黑体，其最高温度可达3000℃。首先将其温度上升至1000℃，将彩色CCD相机的镜头对准黑体炉的出口，计算出相机输出彩色图像红、绿两个通道灰度图的灰度值比值然后根据式(10)计算出对应的K值；后续将黑体炉逐步上升100℃，直到黑体的温度达到3000℃，共可以计算出21个K值，最后采用最小二乘法对实验数据进行曲线拟合，将K表示成的关系式，最后式(9)就变成温度T与比色值的关系式。
Claims (5)
1.一种CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，其特征在于，包括彩色CCD相机、FPGA和计算机；
所述彩色CCD相机用于采集熔池图像；
所述FPGA用于发出触发信号给彩色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CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，其特征在于，在CMT焊接工艺下，FPGA在焊接电流处于基值时发出信号触发CCD相机采集熔池图像。
3.根据权利要求1所述的CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，其特征在于，使用彩色CCD相机红、绿两个通道的输出图像进行比色测温；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，ε(λ1,T)和ε(λ2,T)为熔池在波长λ1,λ2下的光谱发射率。
彩色CCD相机使用红、绿、蓝三色作为成像基色，红、绿、蓝三基色波长分别为λr＝700nm、λg＝546.1nm和λb＝435.8nm，其红、绿通道的输出值分别为：
式中：A为彩色CCD相机的特性，由曝光时间、光圈、光学系统透过率参数共同决定，r(λ)、g(λ)分别为彩色CCD相机红、绿通道的光谱响应函数；
根据积分中值定理，在[3.8×10-7m,7.8×10-7m]内存在λξ和λη，使得：
R＝A·4×10-7·L(λξ,T)·r(λξ) (4)
令：
式中：Kr、Kg分别称为彩色CCD相机红、绿基色的光谱响应系数；将式(6)和式(7)代入式(1)可得：
设熔池近似为灰体，有ε(λr,T)＝ε(λg,T)，令：式(8)就变为：
式(9)即为熔池温度场的计算公式。
4.根据权利要求1所述的CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述的CMT焊接工艺下基于彩色CCD的熔池温度场检测系统，其特征在于，标定的计算公式为：
标定的具体过程为：选定一个标准高温黑体，其最高温度可达3000℃；首先将其温度上升至1000℃，将彩色CCD相机的镜头对准黑体炉的出口，计算出相机输出彩色图像红、绿两个通道灰度图的灰度值比值然后根据式(10)计算出对应的K值；后续将黑体炉逐步上升100℃，直到黑体的温度达到3000℃，共计算出21个K值，最后采用最小二乘法对实验数据进行曲线拟合，将K表示成的关系式，最后式(9)就变成温度T与比色值的关系式。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113961026A (zh) * | 2020-10-27 | 2022-01-21 | 深圳职业技术学院 | 一种基于多基色光谱叠加过程的环境光照模拟系统 |
| CN115077602A (zh) * | 2022-05-25 | 2022-09-20 | 上海交通大学 | 熔池温度场和三维形貌同步检测方法、装置及存储介质 |
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|---|---|---|---|---|
| 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 |
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