CN113189115B - 一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置及监测方法 - Google Patents

一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置及监测方法，适用于工业生产及工业加工。包括顺序连接的辐射信息采集模块、三波段等比比色存储二分法信息处理模块、功能选择模块和显示模块；辐射信息采集模块包括CCD相机，CCD相机通过数据线连接有数据转化传输模块，数据转化传输模块对CCD相机采集到的图像进行读取，功能选择模块包括分别与三波段等比比色存储二分法信息处理模块输出端连接的实际光谱响应定标模块和光谱响应幅值智能识别模块；在无需知晓表面发射率信息条件下实现辐射温度场的快速反演，其步骤简单，使用方便，监测快捷，具有广泛的实用性。

Description

一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及一种监测装置及监测方法，尤其适用于工业生产及工业加工的一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置及监测方法。
背景技术
温度作为描述物体冷热程度的物理量，是描述物体状态的重要参数之一。高温测量在航空、航天、科研实验、冶金及材料等领域中具有极重要的地位，其测量准确性对各类生产活动的进行有着重要影响。基于3CCD相机的彩色测温方法可以方便地实现温度场测量，但仍面临着发射率未知性和温度场快速反演两方面的问题。焊接是一种重要的加工手段，在制造业中广泛使用。无论是在机械制造、航天航空、水利水电、海洋钻探，还是在船舶制造、电子技术等领域，焊接都是其中的非常关键的一道工序。目前，在焊缝自动跟踪和焊接方面，机器人焊接的自动化和智能化程度有了很大的提高，但在焊接质量检测方面的自动化程度还有待进一步加强。传统的焊接质量检测主要包括焊缝尺寸测量和表面缺陷检测，大多是焊接后检测，即通过人工识别或者无损探伤、压力实验等方法识别缺陷，操作麻烦且覆盖范围有限。而焊接缺陷在线识别可以通过实时对采集到的数据分析处理，实现实时对焊接状态进行调整，对焊接缺陷及时补救，因此具有广阔的应用前景。
发明内容
针对上述技术的不足之处，提供一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置及监测方法，可以在无需知晓表面发射率信息条件下实现辐射温度场的快速反演；通过三波段辐射信息测量、三波段等比比色存储二分信息处理技术以及光谱响应幅值智能识别技术，能够实现焊接缺陷的识别。
为实现上述技术目的，本发明的温度场测量及焊接缺陷在线监测装置，包括顺序连接的辐射信息采集模块、三波段等比比色存储二分法信息处理模块、功能选择模块和显示模块；
其中辐射信息采集模块设置在焊接场景被测物附近，辐射信息采集模块包括CCD相机，CCD相机前端内设有镜头，镜头上通过遮光筒设有可拆卸的滤波片，CCD相机通过数据线连接有数据转化传输模块，数据转化传输模块对CCD相机采集到的图像进行读取，并将图像的三通道信号信息进行存储和传输，数据转化传输模块的输出端与三波段等比比色存储二分法信息处理模块的输入端连接；
功能选择模块包括分别与三波段等比比色存储二分法信息处理模块输出端连接的实际光谱响应定标模块和光谱响应幅值智能识别模块；
显示模块通过实际光谱响应定标模块发送的信息显示辐射温度场，通过光谱响应幅值智能识别模块发送信息显示焊缝可视图；
数据转化传输模块用以接收CCD相机拍摄的高温物体的图像进行数据读取，数据转化传输模块内置有OpenCV库的imread()函数用以提取图像数据中的三通道测量信号，能够将采集到的图像各像素点的信息并存储到数组中，还内置有Mat命令用以生成与CCD相机采集图像大小相同的两个数组分别作为灰度图和伪彩图的存储数组；
三波段等比比色存储二分法信息处理模块通过调用光谱响应定标数据中存储的实际光谱响应函数，从而对数据转化传输模块内的数据进行信号数据的三波段等比比色反演处理；
调用光谱响应定标数据模块用以存储实际光谱响应函数，以及发送显示辐射温度场；
光谱响应幅值智能识别模块为训练好的表征温度场算法，用以对光谱响应函数进行处理，利用处理后的光谱响应函数输出焊缝图像。
当进行辐射温场测量时无需在安装滤波片，当进行焊接缺陷识别时，必须安装滤波片。
CCD相机将拍摄到的图像数据传输到数据转化传输模块中，数据转化传输模块调用OpenCV库中的imread()函数提取图像数据中的三通道测量信号Vi，然后将提取到的三通道测量信号Vi作为辐射信号传入到三波段等比比色存储二分法信息处理模块，三波段等比比色存储二分法信息处理模块利用下式进行信号数据的三波段等比比色反演处理：
利用公式Ⅷ：f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2，进行线性存储二分求解；
式中，f(T)表示温度求解函数；Vi为三通道测量信号，i＝1,2,3；M1、M2和M3分别为三波段等比比色存储二分法中定义的积分。
在测温前预先估计被测物高温表面所处的温度区间，将温度区间根据二分次数平均分成N份，从而得到N+1个二分温度节点，再将公式：f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2中的向量(M1·M3，M2 2)在各个二分温度节点的值预先进行计算并建立存储数据库，从而在温度求解过程中直接调用，避免了大量复杂的积分计算，。
温度求解函数f(T)在较窄的温度区间内近似为线性；在二分法将根锁定在一个较小的温度区间(Tan，Tbn)后，通过(Tan,f(Tan))和(Tbn,f(Tbn))两点的割线方程Ⅸ确定温度，从而减少计算的迭代次数；
Figure GDA0003644468430000021
假设Tc为式Ⅸ的零点，即为所求温度点：
Figure GDA0003644468430000031
线性存储二分求解f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2的获取过程为：
三波段等比比色存储二分法信息处理模块利用的三波段辐射测温的信号强度公式：
Figure GDA0003644468430000032
式中，Vi为图像数据中的三通道的测量信号，
Figure GDA0003644468430000033
为第i通道的光谱响应函数；Π为与波长和温度无关的几何因子；ε(λ,T)为被测物体表面的发射率；(λa,λb)为CCD相机的光谱响应范围；Ib(λ,T)是理想黑体的光谱辐射强度，表述为，
Figure GDA0003644468430000034
其中，C1＝3.742×108W·μm4·m-2为第一辐射常量，C2＝1.439×104μm·K为第二辐射常量；
根据第二类积分中值定理将Ⅰ式简化得到的测温方程组：
Figure GDA0003644468430000035
其中，εi,i＝1,2,3为三个辐射测量通道的平均发射率；
记
Figure GDA0003644468430000036
i＝1,2,3，测温方程组Ⅲ变为，
Figure GDA0003644468430000037
若平均发射率εi在整个波段内具有单调性，则可假设：
ε1ε3＝(ε2+Δε)(ε2-Δε) Ⅴ
Δε为发射率增量，当满足
Figure GDA0003644468430000038
条件时，则近似有：
Figure GDA0003644468430000039
根据Ⅵ式表明，三个测量通道条件下平均发射率具有等比数值特征；
由Ⅵ式和Ⅳ式联立求解可得三波段比色测温方程：
V1·V3·M2 2-V2 2·M1·M3＝0 Ⅶ
三波段比色测温方程高度非线性，在进行温度场测量时，存在大量积分运算，难于直接稳定地快速求解，但鉴于Ⅶ中温度相关函数与测量信息具有分离特征，提出了线性存储二分求解技术；当对Ⅶ进行求解从而建立以下函数：
f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2 Ⅷ
式Ⅷ即为三波段等比比色反演方法，该方程可以方便进行线性存储二分求解。
一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置的监测方法，当进行高温窑炉的温度场测量时：
使用时将CCD相机对准窑炉高温表面，CCD相机前设置滤波片和镜头，在镜头与滤波片之间加装遮光筒减少环境光线的干扰；
按下快门实现窑炉图像的拍摄，将拍摄到的图像经过数据线传入数据转化传输模块，数据转化传输模块将接收到的图像进行数据读取，并将读取到的数据传递给三波段等比比色存储二分法信息处理模块；
对窑炉需要测量的为真实温度场，此时三波段等比比色存储二分法信息处理模块调用光谱响应定标数据中存储的实际光谱响应函数，通过将实际光谱响应函数进行三波段等比比色反演处理，则实现真实辐射温度场的快速计算，以及图像处理功能实现窑炉辐射温度场的输出。
若对CCD相机进行了光谱响应定标，在计算时调用光谱响应定标数据模块，将实际光谱响应函数进行三波段等比比色反演处理，则实现真实辐射温度场的快速计算；数据转化传输模块调用内置imread()函数读取CCD相机采集到的图像各像素点的信息并存储到数组中，同时使用Mat命令生成与CCD相机采集图像大小相同的两个数组分别作为灰度图和伪彩图的存储数组；三波段等比比色存储二分法信息处理模块在温度场计算时循环遍历读取各像素点三通道信号值，并采用三波段等比比色存储二分法计算温度值，从而得到各像素点处的温度数据；
将温度场进行伪彩色输出还需进一步建立温度值与RGB色度之间的关系：将伪彩图与灰度图均采用8位图像进行输出，则图像内像素点的每个通道共对应256个色阶，假定伪彩图所对应整体温度区间为[Tmin,Tmax]，则可以将温度计算结果按如下对应规则得到相应的灰度值r，温度越高则灰度值越大，将灰度值r写入灰度图对应像素点中，即可得到温度场灰度图；
Figure GDA0003644468430000041
采用JET颜色映射规则将灰度值转换为相应的RGB值，再将RGB数值写入对应的伪彩图各像素点中，由此实现辐射温度场伪彩图的输出。
一种使用温度场测量及焊接缺陷在线监测装置的监测方法，当进行焊接缺陷实时监测时：
使用时将CCD相机对准焊接熔池表面，CCD相机前设置滤波片和镜头，在镜头与滤波片之间加装遮光筒减少环境光线的干扰；
设定合适的拍摄间隔从而在焊接过程中对焊接熔池进行连续拍摄，并将拍摄到的数据经过数据线传入数据转化传输模块，数据转化传输模块将接收到的数据传递给三波段等比比色存储二分法信息处理模块；
对熔池缺陷识别时需测量的为表征温度场，此时三波段等比比色存储二分法信息处理模块调用光谱响应幅值智能识别模块对光谱响应函数进行处理，内置的训练好的表征温度场算法自动更换不同的改变加权系数ci组合，利用加权后的光谱响应函数实现焊缝图像的输出。
在实际的焊接过程中存在大量的弧光和飞溅，会对CCD相机采集图像中各像素点三通道信息产生干扰，在进行真实温度场测量时会产生较大误差，但如果利用虚拟光谱响应计算虚拟温度建立表征温度场，则能够通过不同参数下的表征温度场灰度图实现焊缝图像提取；
如果在温度场计算过程中对CCD相机的实际光谱响应函数进行修正，赋予各通道光谱响应函数相应的加权系数ci，从而可以计算出不同的虚拟温度，建立不同的表征温度场；
Figure GDA0003644468430000051
改变加权系数ci的值可以改变各通道光谱响应函数的峰值高度，类比彩色图转化为灰度图的过程中对于R、G、B三通道数值加权平均算法，对各通道加权系数的改变也会影响R、G、B通道响应信号在温度场计算时的权重，ci的改变会使表征温度场灰度图中的不同温度区域的轮廓发生明显改变，不同的ci值组合可以突出部分区域轮廓，也可以削弱部分区域的信息，改变参数ci的效果一定程度上类似于图像增强算法；
特定的ci参数会增大或减小特定的温度区域与周围的对比度，如果参数的选取适当，就可以实现焊缝轮廓实时提取的效果；
对现有的表征温度场算法进行训练，从而建立光谱响应幅值智能识别模块；
将加权后的光谱响应代入测温公式Ⅷ进行被测物表征温度场的计算，通过焊缝可视图模块进行处理即可实现焊缝的可视图的输出，运用神经网络对焊缝可视图进行识别即可实现焊接缺陷的在线监测。
有益效果：
本发明在无需知晓表面发射率信息条件下实现辐射温度场的快速反演；只需要通过三波段辐射信息测量、三波段等比比色存储二分信息处理方法以及光谱响应幅值智能识别方法，就能够实现焊接缺陷的识别。其步骤简单，实现快捷，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明温度场测量及焊接缺陷在线监测装置的结构示意图。
图中：滤波片-1；遮光筒-2；镜头-3；CCD相机-4；数据线-5；数据转化传输模块-6；三波段等比比色存储二分法信息处理模块-7；光谱响应定标数据模块-8；光谱响应幅值智能识别模块-9；辐射温度场-10；焊缝可视图像模块-11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置，包括顺序连接的辐射信息采集模块、三波段等比比色存储二分法信息处理模块7、功能选择模块和显示模块；
其中辐射信息采集模块设置在焊接场景被测物附近，辐射信息采集模块包括CCD相机4，CCD相机4前端内设有镜头3，镜头3上通过遮光筒2设有可拆卸的滤波片1，CCD相机4通过数据线5连接有数据转化传输模块6，数据转化传输模块6对CCD相机4采集到的图像进行读取，并将图像的三通道信号信息进行存储和传输，数据转化传输模块6的输出端与三波段等比比色存储二分法信息处理模块7的输入端连接；
功能选择模块包括分别与三波段等比比色存储二分法信息处理模块7输出端连接的实际光谱响应定标模块8和光谱响应幅值智能识别模块9；
显示模块通过实际光谱响应定标模块8发送的信息显示辐射温度场10，通过光谱响应幅值智能识别模块9发送给并利用焊缝可视图像模块11显示。
数据转化传输模块6用以接收CCD相机4拍摄的高温物体的图像进行数据读取，数据转化传输模块6内置有OpenCV库的imread函数用以提取图像数据中的三通道测量信号，能够将采集到的图像各像素点的信息并存储到数组中，还内置有Mat命令用以生成与CCD相机4采集图像大小相同的两个数组分别作为灰度图和伪彩图的存储数组；
三波段等比比色存储二分法信息处理模块7通过调用光谱响应定标数据8中存储的实际光谱响应函数，从而对数据转化传输模块6内的数据进行信号数据的三波段等比比色反演处理；
调用光谱响应定标数据模块8用以存储实际光谱响应函数，以及发送显示辐射温度场10；
光谱响应幅值智能识别模块9为训练好的现有表征温度场算法，用以对光谱响应函数进行处理，利用处理后的光谱响应函数输出并利用焊缝可视图像模块11显示。
当进行辐射温场测量时无需在安装滤波片1，当进行焊接缺陷识别时，必须安装滤波片1。
CCD相机4将拍摄到的图像数据传输到数据转化传输模块6中，数据转化传输模块6调用OpenCV库中的imread函数提取图像数据中的三通道测量信号Vi，然后将提取到的三通道测量信号Vi作为辐射信号传入到三波段等比比色存储二分法信息处理模块7，三波段等比比色存储二分法信息处理模块7利用的三波段辐射测温的信号强度公式：
Figure GDA0003644468430000071
式中，Vi为图像数据中的三通道的测量信号，
Figure GDA0003644468430000072
为第i通道的光谱响应函数；Π为与波长和温度无关的几何因子；ε(λ,T)为被测物体表面的发射率；(λa,λb)为CCD相机的光谱响应范围；Ib(λ,T)是理想黑体的光谱辐射强度，表述为，
Figure GDA0003644468430000073
其中，C1＝3.742×108W·μm4·m-2为第一辐射常量，C2＝1.439×104μm·K为第二辐射常量；
根据第二类积分中值定理将Ⅰ式简化得到的测温方程组：
Figure GDA0003644468430000074
其中，εi,i＝1,2,3为三个辐射测量通道的平均发射率；
记
Figure GDA0003644468430000075
i＝1,2,3，测温方程组Ⅲ变为，
Figure GDA0003644468430000076
若平均发射率εi在整个波段内具有单调性，则可假设：
ε1ε3＝(ε2+Δε)(ε2-Δε) Ⅴ
Δε为发射率增量，当满足
Figure GDA0003644468430000077
条件时，则近似有：
Figure GDA0003644468430000078
根据Ⅵ式表明，三个测量通道条件下平均发射率具有等比数值特征；
由Ⅵ式和Ⅳ式联立求解可得三波段比色测温方程：
V1·V3·M2 2-V2 2·M1·M3＝0 Ⅶ
三波段比色测温方程高度非线性，在进行温度场测量时，存在大量积分运算，难于直接稳定地快速求解，但鉴于Ⅶ中温度相关函数与测量信息具有分离特征，提出了线性存储二分求解技术；当对Ⅶ进行求解从而建立以下函数：
f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2 Ⅷ
式Ⅷ即为三波段等比比色反演方法，该方程可以方便进行线性存储二分求解。
三波段等比比色存储二分法信息处理模块7利用下式进行信号数据的三波段等比比色反演处理：
利用公式Ⅷ：f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2，进行线性存储二分求解；
式中，f(T)表示温度求解函数；Vi为三通道测量信号，i＝1,2,3；M1、M2和M3分别为三波段等比比色存储二分法中定义的积分；
在测温前预先估计被测物高温表面所处的温度区间，将温度区间根据二分次数平均分成N份，从而得到N+1个二分温度节点，再将公式：f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2中的向量(M1·M3，M2 2)在各个二分温度节点的值预先进行计算并建立存储数据库，从而在温度求解过程中直接调用，避免了大量复杂的积分计算。
温度求解函数fT在较窄的温度区间内近似为线性；在二分法将根锁定在一个较小的温度区间(Tan，Tbn)后，通过(Tan,f(Tan))和(Tbn,f(Tbn))两点的割线方程Ⅸ确定温度，从而减少计算的迭代次数；
Figure GDA0003644468430000081
假设Tc为式Ⅸ的零点，即为所求温度点：
Figure GDA0003644468430000082
一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置的监测方法，当进行高温窑炉的温度场测量时：
使用时将CCD相机4对准窑炉高温表面，CCD相机4前设置滤波片1和镜头3，在镜头3与滤波片1之间加装遮光筒2减少环境光线的干扰；
按下快门实现窑炉图像的拍摄，将拍摄到的图像经过数据线5传入数据转化传输模块6，数据转化传输模块6将接收到的图像进行数据读取，并将读取到的数据传递给三波段等比比色存储二分法信息处理模块7；
对窑炉需要测量的为真实温度场，此时三波段等比比色存储二分法信息处理模块7调用光谱响应定标数据8中存储的实际光谱响应函数，通过将实际光谱响应函数进行三波段等比比色反演处理，则实现真实辐射温度场的快速计算，以及图像处理功能实现窑炉辐射温度场10的输出。
若对CCD相机4进行了光谱响应定标，在计算时调用光谱响应定标数据模块8，将实际光谱响应函数进行三波段等比比色反演处理，则实现真实辐射温度场的快速计算；数据转化传输模块6调用内置imread函数读取CCD相机采集到的图像各像素点的信息并存储到数组中，同时使用Mat命令生成与CCD相机采集图像大小相同的两个数组分别作为灰度图和伪彩图的存储数组；三波段等比比色存储二分法信息处理模块7在温度场计算时循环遍历读取各像素点三通道信号值，并采用三波段等比比色存储二分法计算温度值，从而得到各像素点处的温度数据；
将温度场进行伪彩色输出还需进一步建立温度值与RGB色度之间的关系：将伪彩图与灰度图均采用8位图像进行输出，则图像内像素点的每个通道共对应256个色阶，假定伪彩图所对应整体温度区间为[Tmin,Tmax]，则可以将温度计算结果按如下对应规则得到相应的灰度值r，温度越高则灰度值越大，将灰度值r写入灰度图对应像素点中，即可得到温度场灰度图；
Figure GDA0003644468430000091
采用JET颜色映射规则将灰度值转换为相应的RGB值，再将RGB数值写入对应的伪彩图各像素点中，由此实现辐射温度场伪彩图的输出。
一种温度场测量及焊接缺陷在线监测方法，当进行焊接缺陷实时监测时：
使用时将CCD相机4对准焊接熔池表面，CCD相机4前设置滤波片1和镜头3，在镜头3与滤波片1之间加装遮光筒2减少环境光线的干扰；
设定合适的拍摄间隔从而在焊接过程中对焊接熔池进行连续拍摄，并将拍摄到的数据经过数据线5传入数据转化传输模块6，数据转化传输模块6将接收到的数据传递给三波段等比比色存储二分法信息处理模块7；
对熔池缺陷识别时需测量的为表征温度场，此时三波段等比比色存储二分法信息处理模块7调用光谱响应幅值智能识别模块9对光谱响应函数进行处理，内置的训练好的表征温度场算法自动更换不同的改变加权系数ci组合，利用加权后的光谱响应函数实现焊缝图像的输出。
在实际的焊接过程中存在大量的弧光和飞溅，会对CCD相机4采集图像中各像素点三通道信息产生干扰，在进行真实温度场测量时会产生较大误差，但如果利用虚拟光谱响应计算虚拟温度建立表征温度场，则能够通过不同参数下的表征温度场灰度图实现焊缝图像提取；
如果在温度场计算过程中对CCD相机4的实际光谱响应函数进行修正，赋予各通道光谱响应函数相应的加权系数ci，从而可以计算出不同的虚拟温度，建立不同的表征温度场；
Figure GDA0003644468430000101
改变加权系数ci的值可以改变各通道光谱响应函数的峰值高度，类比彩色图转化为灰度图的过程中对于R、G、B三通道数值加权平均算法，对各通道加权系数的改变也会影响R、G、B通道响应信号在温度场计算时的权重，ci的改变会使表征温度场灰度图中的不同温度区域的轮廓发生明显改变，不同的ci值组合可以突出部分区域轮廓，也可以削弱部分区域的信息，改变参数ci的效果一定程度上类似于图像增强算法；
特定的ci参数会增大或减小特定的温度区域与周围的对比度，如果参数的选取适当，就可以实现焊缝轮廓实时提取的效果；
对现有的表征温度场算法进行训练，从而建立光谱响应幅值智能识别模块9；
将加权后的光谱响应代入测温公式Ⅷ进行被测物表征温度场的计算，通过焊缝可视图模块11进行处理即可实现焊缝的可视图的输出，运用神经网络对焊缝可视图进行识别即可实现焊接缺陷的在线监测。

Claims (7)

1.一种温度场测量及焊接缺陷在线监测装置，其特征在于：它包括顺序连接的辐射信息采集模块、三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)、功能选择模块和显示模块；
其中辐射信息采集模块设置在焊接场景被测物附近，辐射信息采集模块包括CCD相机(4)，CCD相机(4)前端内设有镜头(3)，镜头(3)上通过遮光筒(2)设有可拆卸的滤波片(1)，CCD相机(4)通过数据线(5)连接有数据转化传输模块(6)，数据转化传输模块(6)对CCD相机(4)采集到的图像进行读取，并将图像的三通道信号信息进行存储和传输，数据转化传输模块(6)的输出端与三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)的输入端连接；
功能选择模块包括分别与三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)输出端连接的实际光谱响应定标模块(8)和光谱响应幅值智能识别模块(9)；
数据转化传输模块(6)用以接收CCD相机(4)拍摄的高温物体的图像进行数据读取，数据转化传输模块(6)内置有OpenCV库的imread()函数用以提取图像数据中的三通道测量信号，能够将采集到的图像各像素点的信息存储到数组中，还内置有Mat命令用以生成与CCD相机(4)采集图像大小相同的两个数组分别作为灰度图和伪彩图的存储数组；
三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)通过调用实际光谱响应定标模块(8)中存储的实际光谱响应函数，从而对数据转化传输模块(6)内的数据进行信号数据的三波段等比比色反演处理；
调用实际光谱响应定标模块(8)用以存储实际光谱响应函数，以及发送显示辐射温度场(10)；
光谱响应幅值智能识别模块(9)为训练好的表征温度场算法，用以对光谱响应函数进行处理，利用处理后的光谱响应函数输出焊缝可视图；
CCD相机(4)将拍摄到的图像数据传输到数据转化传输模块(6)中，数据转化传输模块(6)调用OpenCV库中的imread()函数提取图像数据中的三通道测量信号Vi，然后将提取到的三通道测量信号Vi作为辐射信号传入到三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)，三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)利用下式进行信号数据的三波段等比比色反演处理：
利用公式Ⅷ：f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2，进行线性存储二分求解；
式中，f(T)表示温度求解函数；Vi为三通道测量信号，i＝1,2,3；M1、M2和M3分别为三波段等比比色存储二分法中定义的积分；
在测温前预先估计被测物高温表面所处的温度区间，将温度区间根据二分次数平均分成N份，从而得到N+1个二分温度节点，再将公式：f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2中的向量(M1·M3，M2 2)在各个二分温度节点的值预先进行计算并建立存储数据库，从而在温度求解过程中直接调用，避免了大量复杂的积分计算；
温度求解函数f(T)在较窄的温度区间内近似为线性；在二分法将根锁定在一个较小的温度区间(Tan，Tbn)后，通过(Tan,f(Tan))和(Tbn,f(Tbn))两点的割线方程Ⅸ确定温度，从而减少计算的迭代次数；
Figure FDA0003644468420000021
假设Tc为式Ⅸ的零点，即为所求温度点：
Figure FDA0003644468420000022
2.根据权利要求1所述的温度场测量及焊接缺陷在线监测装置，其特征在于：当进行辐射温场测量时无需在安装滤波片(1)，当进行焊接缺陷识别时，必须安装滤波片(1)。
3.根据权利要求1所述的温度场测量及焊接缺陷在线监测装置，其特征在于，线性存储
二分求解f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2的获取过程为：
三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)利用的三波段辐射测温的信号强度公式：
Figure FDA0003644468420000023
式中，Vi为图像数据中的三通道的测量信号，
Figure FDA0003644468420000024
为第i通道的光谱响应函数；Π为与波长和温度无关的几何因子；ε(λ,T)为被测物体表面的发射率；(λa,λb)为CCD相机的光谱响应范围；Ib(λ,T)是理想黑体的光谱辐射强度，表述为，
Figure FDA0003644468420000025
其中，C1＝3.742×108W·μm4·m-2为第一辐射常量，C2＝1.439×104μm·K为第二辐射常量；
根据第二类积分中值定理将Ⅰ式简化得到的测温方程组：
Figure FDA0003644468420000026
其中，εi,i＝1,2,3为三个辐射测量通道的平均发射率；
记
Figure FDA0003644468420000031
测温方程组Ⅲ变为，
Figure FDA0003644468420000032
若平均发射率εi在整个波段内具有单调性，则假设：
ε1ε3＝(ε2+Δε)(ε2-Δε) Ⅴ
Δε为发射率增量，当满足
Figure FDA0003644468420000033
条件时，则近似有：
Figure FDA0003644468420000034
根据Ⅵ式表明，三个测量通道条件下平均发射率具有等比数值特征；
由Ⅵ式和Ⅳ式联立求解得到三波段比色测温方程：
V1·V3·M2 2-V2 2·M1·M3＝0 Ⅶ
三波段比色测温方程高度非线性，在进行温度场测量时，存在大量积分运算，难于直接稳定地快速求解，但鉴于Ⅶ中温度相关函数与测量信息具有分离特征，提出了线性存储二分求解技术；当对Ⅶ进行求解从而建立以下函数：
f(T)＝V2 2·M1·M3-V1·V3·M2 2 Ⅷ
式Ⅷ即为三波段等比比色反演方法，该方程方便进行线性存储二分求解。
4.一种使用上述权利要求1-3任一权利要求所述温度场测量及焊接缺陷在线监测装置的监测方法，其特征在于，当进行高温窑炉的温度场测量时：
使用时将CCD相机(4)对准窑炉高温表面，CCD相机(4)前设置滤波片(1)和镜头(3)，在镜头(3)与滤波片(1)之间加装遮光筒(2)减少环境光线的干扰；
利用CCD相机(4)拍摄工作中的窑炉图像，将拍摄到的图像经过数据线(5)传入数据转化传输模块(6)，数据转化传输模块(6)将接收到的图像进行数据读取，并将读取到的数据传递给三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)；
对窑炉需要测量的为真实温度场，此时三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)调用实际光谱响应定标模块(8)中存储的实际光谱响应函数，通过将实际光谱响应函数进行三波段等比比色反演处理，则实现真实辐射温度场的快速计算，以及图像处理功能实现窑炉辐射温度场(10)的输出。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于：对CCD相机(4)进行了光谱响应定标，在计算时调用实际光谱响应定标模块 (8)中存储的实际光谱响应函数，将实际光谱响应函数进行三波段等比比色反演处理，实现真实辐射温度场的快速计算；数据转化传输模块(6)调用内置imread()函数读取CCD相机采集到的图像各像素点的信息并存储到数组中，同时使用Mat命令生成与CCD相机采集图像大小相同的两个数组分别作为灰度图和伪彩图的存储数组；三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)在温度场计算时循环遍历读取各像素点三通道信号值，并采用三波段等比比色存储二分法计算温度值，从而得到各像素点处的温度数据；
将温度场进行伪彩色输出还需进一步建立温度值与RGB色度之间的关系：将伪彩图与灰度图均采用8位图像进行输出，则图像内像素点的每个通道共对应256个色阶，假定伪彩图所对应整体温度区间为[Tmin,Tmax]，则将温度计算结果按如下对应规则得到相应的灰度值r，温度越高则灰度值越大，将灰度值r写入灰度图对应像素点中，即得到温度场灰度图；
Figure FDA0003644468420000041
采用JET颜色映射规则将灰度值转换为相应的RGB值，再将RGB数值写入对应的伪彩图各像素点中，由此实现辐射温度场伪彩图的输出。
6.一种使用上述权利要求1-3任一权利要求所述温度场测量及焊接缺陷在线监测装置的监测方法，其特征在于，当进行焊接缺陷实时监测时：
使用时将CCD相机(4)对准焊接熔池表面，CCD相机(4)前设置滤波片(1)和镜头(3)，在镜头(3)与滤波片(1)之间加装遮光筒(2)减少环境光线的干扰；
设定合适的拍摄间隔从而在焊接过程中对焊接熔池进行连续拍摄，并将拍摄到的数据经过数据线(5)传入数据转化传输模块(6)，数据转化传输模块(6)将接收到的数据传递给三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)；
对熔池缺陷识别时需测量的为表征温度场，此时三波段等比比色存储二分法信息处理模块(7)调用光谱响应幅值智能识别模块(9)对光谱响应函数进行处理，内置的训练好的表征温度场算法自动更换不同的加权系数ci组合，利用加权后的光谱响应函数实现焊缝图像的输出。
7.根据权利要求6所述的监测方法，其特征在于：在实际的焊接过程中存在大量的弧光和飞溅，会对CCD相机(4)采集图像中各像素点三通道信息产生干扰，在进行真实温度场测量时会产生较大误差，但如果利用虚拟光谱响应计算虚拟温度建立表征温度场，则能够通过不同参数下的表征温度场灰度图实现焊缝图像提取；
在温度场计算过程中对CCD相机(4)的实际光谱响应函数进行修正，赋予各通道光谱响应函数相应的加权系数ci，从而计算出不同的虚拟温度，建立不同的表征温度场；
Figure FDA0003644468420000051
通过改变加权系数ci的值能够改变各通道光谱响应函数的峰值高度，类比彩色图转化为灰度图的过程中对于R、G、B三通道数值加权平均算法，对各通道加权系数的改变也会影响R、G、B通道响应信号在温度场计算时的权重，ci的改变会使表征温度场灰度图中的不同温度区域的轮廓发生明显改变，不同的ci值组合能够突出部分区域轮廓，或者削弱部分区域的信息，改变参数ci的效果等于图像增强算法；
特定的ci参数会增大或减小特定的温度区域与周围的对比度，如果参数的选取适当，就能够实现焊缝轮廓实时提取的效果；
对现有的表征温度场算法进行训练，从而建立光谱响应幅值智能识别模块(9)；
将加权后的光谱响应代入测温公式Ⅷ进行被测物表征温度场的计算，通过焊缝可视图模块(11)进行处理即实现焊缝的可视图的输出，运用神经网络对焊缝可视图进行识别即实现焊接缺陷的在线监测。
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