CN113865717A - 一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，针对瞬态高温的测量环境复杂、瞬态温度状态难以测量、现有装置的测温量程小等问题，提出了一种量程可达到900～3000k的基于高速相机的瞬态高温比色测温装置。该装置的硬件部分由光学系统、图像采集系统和图像处理系统构成。在触发装置被触发时，被测物体发射出入射光，经过光学系统的中性滤光片的衰减和两个窄带滤光片后，在两个高速相机上形成两幅波长分别为和的图像。通过图像采集卡转换到电脑中，采用了图像去模糊、去烟雾处理后，计算温度图像、显示并存储温度图像。而且本发明采用了HT‑H2700Φ15超高温黑体炉作为标定系统，来标定本发明的测温准确性。

Description

一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置

技术领域

本发明属于测温技术领域，具体涉及一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置。

背景技术

近年来，在汽车发动机、火箭发射、工业炉炼钢等高温环境中通常充满了烟雾和灰尘的干扰，为了严格把控实验过程或者观察生产过程，需要观察环境温度的变化，特别是瞬态的温度变化，就需要发展一些测温的装置。而目前的测温装置主要分为两类：一类是接触式热电偶测温装置，另一类为非接触式测温装置。接触式热电偶测温装置的优点在于工作状态更稳定，对温度变化反响灵活；缺点在于热电偶能测量的温度上限只能达到1600k左右，而且量程和响应时间成反比，不适用于测量瞬态高温，并且难以测量等离子体、火焰等常见的高温源。非接触式测温装置的优势在于能够远离高温源，保障人身安全，且温度测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。因此，对于1600k以上的高温，主要采用非接触测温方法。

但是，目前的测温装置还存在以下两个问题：(1)测温量程小，目前市场上的测温装置的测温上限最高只有2000k左右，不能满足实际生产的需求。(2)高温环境通常伴随烟雾、灰尘、蒸汽等因素的影响，但是目前市场上的测温装置并没有考虑到这些影响因素，且没有考虑到测量瞬态温度变化。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是解决瞬态高温测量环境复杂、瞬态温度状态难以测量、现有装置的测温量程小等问题，提供一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，包括光学系统、图像采集系统和图像处理系统；所述光学系统固定于镜头中，包括中性滤光片和窄带滤光片；中性滤光片设于窄带滤光片之前；图像采集系统包括高速相机和镜头、图像采集卡和拍摄触发装置，镜头安装在高速相机上，图像采集卡连接到高速相机中，并使用触发装置将高速相机和被测目标连接起来；所述图像处理系统是指在计算机上通过图像采集卡将测温图像传递到计算机中，首先对高温图像进行去模糊、去烟雾处理，再进行高温图像计算、存储和显示。

进一步，所述光学系统接收被测物体发出的入射光，使用中性滤光片衰减进入到镜头的光线，防止过曝，然后光线通过窄带滤光片，将除了特定窄带波段外的光线全部滤除并在高速相机上成像；每帧图像的像素输出值采用如下公式计算：

其中，X是无量纲像素值，η是相对于全域增益的变焦系数，k是变焦系数，Φ是辐射衰减的公式(包括了观察距离、观察角度和透镜的参数)；Δt是曝光时间，F是光圈数,λ_i是窄带滤光片的波长，i＝1,2分别对应波长为λ1和λ2的窄带滤波片，S是光谱灵敏度，I(λ)是每个单位时间到达CCD的波长辐照度的光谱分布，n是高温计暗噪声。

进一步，所述相机成像通过图像采集卡将图像传递到计算机，在计算机上进行图像处理；图像处理时，先判断图像是否模糊，烟雾的浓度，然后选择是否对其进行去模糊去烟雾处理；烟雾的图像模型为：

I(x)＝J(x)t(x)+A(1-t(x))

其中，I(x)是现有的图像，J(x)是要恢复的原无雾图像，A是全球大气光成分，一般按照亮度大小前0.1％的像素，t(x)是大气折射率，大气折射率一般用暗通道来估计；

在去除烟雾干扰后，采用L1正则化约束条件降低图像的模糊度，如公式所示：

其中，x是模糊图像的灰度值，||x||₁代表了的元素的绝对值的和,A是模糊矩阵，λ是正则化参数；F(x)是修正后的图像的灰度值。

进一步，所述计算机使用比色测温法公式对图像温度进行计算，计算公式为：

公式中的λ1和λ2分别是不同波长的窄带滤波片，Δλ是窄带滤波片的半高宽，一般选择Δλ＝0.01～0.02μm；M(λ1,T)和M(λ2,T)分别是两个不同波长的窄带滤波片对应相机的测得的灰度值；

R(T)是一个温度呈平面分布的系数矩阵；T是图像中的温度。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明测量装置比色测温装置通过硬件和软件的结合，有效解决瞬态高温测量环境复杂、瞬态温度状态难以测量以及测温量程小等问题，测温的量程达到900k～3000k。

2、本发明测温装置能够测量目标瞬态的温度变化，具有精度高、测温范围广等特点。通过图像处理系统对模糊和有雾图像进行处理，通过设置了去噪、去烟雾等处理程序，对高温环境常常伴随着灰尘、烟雾、杂光和水蒸气等进行处理。因此具有较强的适用性。最后使用比色测温公式对温度进行计算，并对计算结果图进行显示和分析。

3、本发明利用高速相机、光学系统和图像采集系统能够更加准确的获取瞬态的温度，通过调整相机的积分时间和软件系统更容易获得更加清晰的被测目标的状态照片。采用本发明装置对瞬态温度进行测量时，可以极大限度的保障采集人员的安全，而且操作简单，测温范围广，能获取瞬态的温度信息，并分析瞬态的温度变化。

附图说明

图1为本发明的硬件示意图；

图2为本发明的工作原理流程示意图；

图3为本发明的黑体炉标定系统图；

图4为仿真情况下系数R(T)和温度T的关系图；

图5为电灯泡灯丝温度测量温度示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明涉及一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，包括光学系统、图像采集系统和图像处理系统；所述光学系统固定于镜头中，包括中性滤光片和窄带滤光片；中性滤光片设于窄带滤光片之前；图像采集系统包括高速相机和镜头、图像采集卡和拍摄触发装置，镜头安装在高速相机上，图像采集卡连接到高速相机中，并使用触发装置将高速相机和被测目标连接起来；所述图像处理系统是指在计算机上通过图像采集卡将测温图像传递到计算机中，首先对高温图像进行去模糊、去烟雾处理，再进行高温图像计算、存储和显示。

参见图2，本发明基于高速相机的瞬态高温比色测温装置的方法(工作原理)为：当需要采集瞬态高温温度时：

(1)根据测量目标设置相机的积分时间，高速相机的最小积分时间可达到1ms，因此足以应对任何瞬态的温度变化。

(2)利用触发装置设置目标和高速相机同时触发；当光线入射时，首先光学系统中接收被测物体发出的入射光，使用中性滤光片衰减进入到镜头的光线，防止过曝，然后光线通过窄带滤光片，将除了特定窄带波段外的光线全部滤除并在高速相机上成像。每帧图像的像素输出值的公式为：

其中，X_i是无量纲像素值，η是相对于全域增益的变焦系数，k_i是变焦系数，Φ是辐射衰减的公式(包括了观察距离、观察角度和透镜的参数)。Δt是曝光时间s，F是光圈数,λ_i是窄带滤光片的波长，S_i是光谱灵敏度，I(λ)是每个单位时间到达CCD的波长辐照度的光谱分布，n_i是高温计暗噪声。

(3)相机成像通过图像采集卡将图像传递到计算机，在计算机上进行图像处理。

(4)图像处理时，首先判断图像是否模糊，烟雾的浓度，然后选择是否对其进行去模糊去烟雾处理。主要采用以下公式，首先是有雾的图像模型：

I(x)＝J(x)t(x)+A(1-t(x))

其中，I(x)是现有的图像，J(x)是要恢复的原无雾图像，A是全球大气光成分，一般按照亮度大小前0.1％的像素，t(x)是大气折射率，大气折射率一般用暗通道来估计；

根据以上公式能够有效的去除图像中的烟雾。在去除烟雾干扰后，采用L1正则化约束条件降低图像的模糊度，如公式所示：

其中，x是模糊图像的灰度值，||x||₁代表了的元素的绝对值的和,A是模糊矩阵，λ是正则化参数；F(x)是修正后的图像的灰度值。

然后使用比色法测温公式对图像温度进行计算，计算公式为：

公式中的λ1和λ2分别是不同波长的窄带滤波片，Δλ是窄带滤波片的半高宽，一般选择Δλ＝0.01～0.02μm。M(λ1,T)和M(λ2,T)分别是两个不同波长的窄带滤波片对应相机的测得的灰度值。因此R(T)是一个呈平面分布的温度的系数矩阵。T是图像中的温度。根据普朗克定律，R(T)又可以表达如下：

当波长λ1和λ2不重叠时，选择λ1和λ2分别为700nm和850nm，温度T的量程为900～3000K,则T和R(T)有一一对应的关系，如图4所示。

仿真结果如图4所示来标定系数R(T)和温度T之间的线性关系。而实际的温度标定则采用如图3所示的黑体炉来确保标定的温度和系数R(T)之间的线性关系。

如图4所示，为了验证测温系统的性能，本发明采用了选择了HT-H2700Φ15超高温黑体炉作为标定系统，该黑体炉的量程为900-3000k，温度精度为±2％，标定过程如图3所示，系统标定实验步骤为：1)搭建好标定系统，调整高速摄像机与黑体炉位置使其在同一轴线；2)连接摄像机与上位机，调整高速摄像机镜头光圈大小，设置曝光时间初始值；3)依据黑体炉操作用户手册开启黑体炉并设置为900K，待黑体炉温度稳定后启动摄像机及上位机图像采集软件。4)拍摄结束后将图像导入上位机，查看图像是否处于过饱和状态，如果出现过饱和，将相机的曝光时间进行降低；5)重复步骤4)直至图像像素点都处于未饱和状态；6)将黑体炉的温度以100K间隔梯度增加至3000K，用高速摄像机进行每个梯度的数据采集，然后将数据读入上位机的数据处理系统进行处理，得到测试灰度值；7)已知实际温度与测试灰度值，根据测温公式进行数据拟合，得到通道灰度值与辐射能量的关系。

如图5所示，为了验证本发明测温的准确性，测量了电灯泡工作时的过程，在随机六个样点处，将本发明的装置和温度传感器(HB-TS4-GF)的测量结果进行了比较，比较结果如表1所示：

表1：温度传感器和测温装置的温度比较

温度传感器/℃	测温装置/℃	绝对误差/℃	相对误差/％
				1459.32	1495.95	36.63	2.5
1089.24	1130.37	41.13	3.7
				2141.78	2191.25	49.47	2.3
2315.64	2384.34	68.7	2.97
				1899.35	1943.11	43.76	2.30
2534.69	2615.94	81.25	3.20

从表格中可以看出，测温装置测得的温度和温度传感器的误差不大，基本可以满足测量较高物体时，允许的5％的误差。通过对比本发明与传统方式测量的结果相比，本发明专利的测试结果差异不大。证明该标定方法完全能满足需求。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，其特征在于，包括光学系统、图像采集系统和图像处理系统；所述光学系统固定于镜头中，包括中性滤光片和窄带滤光片；中性滤光片设于窄带滤光片之前；图像采集系统包括高速相机和镜头、图像采集卡和拍摄触发装置，镜头安装在高速相机上，图像采集卡连接到高速相机中，并使用触发装置将高速相机和被测目标连接起来；所述图像处理系统是指在计算机上通过图像采集卡将测温图像传递到计算机中，首先对高温图像进行去模糊、去烟雾处理，再进行高温图像计算、存储和显示。

2.根据权利要求1所述基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，其特征在于，所述光学系统接收被测物体发出的入射光，使用中性滤光片衰减进入到镜头的光线，防止过曝，然后光线通过窄带滤光片，将除了特定窄带波段外的光线全部滤除并在高速相机上成像；每帧图像的像素输出值采用如下公式计算：

其中，X是无量纲像素值，η是相对于全域增益的变焦系数，k是变焦系数，Φ是辐射衰减的公式(包括了观察距离、观察角度和透镜的参数)；Δt是曝光时间，F是光圈数,λ_i是窄带滤光片的波长，i＝1,2分别对应波长为λ1和λ2的窄带滤波片，S是光谱灵敏度，I(λ)是每个单位时间到达CCD的波长辐照度的光谱分布，n是高温计暗噪声。

3.根据权利要求1所述基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，其特征在于，所述相机成像通过图像采集卡将图像传递到计算机，在计算机上进行图像处理；

图像处理时，先判断图像是否模糊，烟雾的浓度，然后选择是否对其进行去模糊去烟雾处理；烟雾的图像模型为：

I(x)＝J(x)t(x)+A(1-t(x))

其中，I(x)是现有的图像，J(x)是要恢复的原无雾图像，A是全球大气光成分，一般按照亮度大小前0.1％的像素，t(x)是大气折射率，大气折射率一般用暗通道来估计；

在去除烟雾干扰后，采用L1正则化约束条件降低图像的模糊度，如公式所示：

其中，x是模糊图像的灰度值，||x||₁代表了的元素的绝对值的和,A是模糊矩阵，λ是正则化参数；F(x)是修正后的图像的灰度值。

4.根据权利要求1所述基于高速相机的瞬态高温比色测温装置，其特征在于，所述计算机使用比色测温法公式对图像温度进行计算，计算公式为：

公式中的λ1和λ2分别是不同波长的窄带滤波片，Δλ是窄带滤波片的半高宽，一般选择Δλ＝0.01～0.02μm；M(λ1,T)和M(λ2,T)分别是两个不同波长的窄带滤波片对应相机的测得的灰度值；

R(T)是一个温度呈平面分布的系数矩阵；T是图像中的温度。

Images