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        基于彩色CCD的雙色與三色比色測(cè)溫法比較研究*

        2015-11-29 08:28:24彭小奇
        傳感技術(shù)學(xué)報(bào) 2015年8期

        孫 元,彭小奇

        (湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程系,長(zhǎng)沙410205)

        基于彩色CCD的雙色與三色比色測(cè)溫法比較研究*

        孫 元*,彭小奇

        (湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程系,長(zhǎng)沙410205)

        雙色與三色比色測(cè)溫是彩色CCD輻射測(cè)溫常用方法。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,分別從測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)溫精度兩方面對(duì)雙色法和三色法進(jìn)行了比較研究。研究發(fā)現(xiàn),在光圈快門組合保持不變的條件下,選取紅、綠雙色進(jìn)行比色測(cè)溫具有較寬的測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍;在對(duì)輻射體做灰體假設(shè)的情況下,三色測(cè)溫方法具有更高的測(cè)溫精度。提出了構(gòu)建一種可切換測(cè)溫方法的統(tǒng)一測(cè)溫硬件平臺(tái),統(tǒng)一測(cè)溫平臺(tái)綜合了雙色法和三色法兩者的優(yōu)點(diǎn),可同時(shí)滿足更寬的測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍和更高的測(cè)溫精度的要求,應(yīng)用靈活。

        輻射測(cè)溫;比色測(cè)溫方法;比較研究;彩色CCD

        基于彩色CCD(電荷耦合器件)的高溫場(chǎng)輻射測(cè)溫技術(shù)具有非接觸測(cè)溫、響應(yīng)快速、成本低、壽命長(zhǎng)、能夠連續(xù)在線測(cè)溫并獲得表面溫度場(chǎng)分布的優(yōu)點(diǎn),成為高溫檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。在輻射測(cè)溫中,顏色溫度最接近真實(shí)溫度,因此多數(shù)文獻(xiàn)采用比色測(cè)溫法來(lái)檢測(cè)高溫輻射圖像溫度。比色法的實(shí)現(xiàn)有兩種途徑:一是從CCD輸出的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色中選取兩種基色進(jìn)行比色測(cè)溫,可稱為雙色法;二是采用3種基色進(jìn)行比色測(cè)溫,可稱為三色法。張昆等[3]、彭小奇等[4]、張向宇等[5]選取R、G兩基色進(jìn)行比色測(cè)溫;黃潔等[6],龔恒等[7],F(xiàn)u Tai-ran等[8],孫亦鵬等[9]則采用R、G、B三基色進(jìn)行比色測(cè)溫,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,2種方法均取得了較為理想的測(cè)溫結(jié)果。

        本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,分別從測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)溫精度兩方面比較了雙色法與三色法的優(yōu)劣。結(jié)果表明,R、G雙色比色測(cè)溫法具有更寬的測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍,實(shí)用性較強(qiáng);而三色法測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍較窄,但具有更高的測(cè)溫精度。為綜合兩者的優(yōu)點(diǎn),提出構(gòu)建可切換測(cè)溫方法的統(tǒng)一的測(cè)溫硬件平臺(tái),根據(jù)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)溫范圍和測(cè)溫精度的不同要求優(yōu)選相應(yīng)的測(cè)溫方法,以最大限度地滿足測(cè)溫需求。

        1 彩色CCD比色測(cè)溫原理

        根據(jù)普朗克定理和維恩近似公式,當(dāng)輻射體溫度低于3 000 K且波長(zhǎng)λ<0.8 μm時(shí),輻射體的單色輻射亮度為

        式中:C1、C2分別為第一、第二輻射常數(shù),C1=3.7418×10-16W·m2,C2=1.433 8×10-2m·K;T為輻射體溫度,K;ε(λ,T)為輻射體光譜發(fā)射率,無(wú)量綱。

        彩色CCD傳感器利用光敏單元表面鑲嵌的三色濾光片進(jìn)行分色采集,各像素點(diǎn)輸出的R、G、B三色值為:

        式中:H為CCD光學(xué)轉(zhuǎn)換特性參數(shù),由CCD的光瞳直徑、鏡頭透過(guò)率、曝光時(shí)間等因素決定,對(duì)于三色通道完全相同;r(λ)、g(λ)、b(λ)為彩色CCD對(duì)R、G、B三色的光譜響應(yīng)特性函數(shù)。

        定義Kr、Kg和Kb分別為CCD的R、G、B三色通道的光譜響應(yīng)系數(shù),以表征CCD輸出的顏色值與對(duì)應(yīng)基色波長(zhǎng)下單色輻射亮度的光電轉(zhuǎn)換效率,則有

        式中:λr=700.0 nm、λg=546.1 nm、λb=435.8 nm分別為彩色CCD的R、G、B三色波長(zhǎng)。

        取式(3)中任意2個(gè)顏色,可得雙色比色測(cè)溫公式(以R、G為例)

        取式(3)中3個(gè)顏色,可得三色比色測(cè)溫公式

        式中:εrg=ln[ε(λr,T)/ε(λg,T)],εrgb=ln[ε(λr,T)ε(λb,T)/ε2(λg,T)]。εrg、εrgb是溫度T的非線性函數(shù),可以通過(guò)在測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高溫輻射體進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來(lái)辨識(shí)。Krg=lnKr/Kg,Krgb=ln(Kr·Kb/Kg2)。Krg、Krgb是溫度T的非線性函數(shù),由CCD光譜響應(yīng)特性決定,可以通過(guò)黑體爐標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定[10]。

        2 測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍比較分析

        CCD的光電轉(zhuǎn)換特性如圖1所示,當(dāng)CCD工作在光電轉(zhuǎn)換特性非飽和區(qū)時(shí),其輸出電壓正比于曝光量。只有在非飽和區(qū),才能利用CCD輸出的三色值計(jì)算輻射圖像溫度。在測(cè)量實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)基色值低于10時(shí),輸出電壓易受暗電流噪聲的干擾;當(dāng)基色值大于250時(shí),因個(gè)別CCD勢(shì)阱中的光生電荷可能飽和甚至溢出,以致影響相鄰勢(shì)阱的電荷量,導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果嚴(yán)重失真,因此測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)限制在基色值處于[10,250]區(qū)間內(nèi)。

        圖1 CCD光電轉(zhuǎn)換特性

        在高溫工業(yè)生產(chǎn)常用的1 000 K~1 900 K溫度范圍內(nèi),黑體在RGB三色波長(zhǎng)的單色輻射亮度與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示,可見(jiàn)RGB三色的單色輻射亮度相差懸殊,非黑體也有類似的特點(diǎn),這將導(dǎo)致CCD的紅、綠、藍(lán)三色同時(shí)處于非飽和區(qū)的溫度范圍非常窄[11]。

        圖2 黑體在紅、綠、藍(lán)三色波長(zhǎng)的單色輻射亮度

        在高溫黑體爐上進(jìn)行雙色法和三色法的測(cè)溫范圍比較實(shí)驗(yàn)。黑體爐從1 065.9 K逐漸升高到1 313.9 K,在同一光圈快門組合下利用CCD拍攝高溫輻射圖像,并計(jì)算輻射圖像的三色平均值,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

        由表1可見(jiàn),在同一光圈快門下,使用R、G雙色進(jìn)行比色測(cè)溫的動(dòng)態(tài)范圍為100.8K;使用R、B雙色的動(dòng)態(tài)范圍為9.2K;若使用G、B雙色測(cè)溫,則因R基色勢(shì)阱中的光生電荷已經(jīng)飽和并溢出,會(huì)導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果失真;采用三色測(cè)溫的動(dòng)態(tài)范圍為9.2K。雙色法和三色法的測(cè)溫范圍均不能覆蓋高溫生產(chǎn)常用溫度范圍,這是由輻射體三色輻射亮度相差懸殊導(dǎo)致,因此難以通過(guò)外加中性衰減濾光片、調(diào)節(jié)CCD增益等方法擴(kuò)大測(cè)溫范圍。通過(guò)改變光圈快門組合,可以擴(kuò)大測(cè)溫范圍,但三色法動(dòng)態(tài)范圍過(guò)窄,將導(dǎo)致光圈快門頻繁變換,增大測(cè)量實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

        表1 R、G、B三色值與溫度的關(guān)系

        3 測(cè)溫精度比較分析

        對(duì)于黑體或灰體,有εrg=0和εrgb=0,此時(shí)雙色比色測(cè)溫公式為

        三色比色測(cè)溫公式為

        式中,T0表示黑體或灰體溫度。

        絕大部分輻射體并非黑體或灰體,需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來(lái)辨識(shí)εrg和εrgb與溫度的函數(shù)關(guān)系。但輻射測(cè)溫大都應(yīng)用于傳統(tǒng)測(cè)溫方法難以適用的場(chǎng)合,因此很難利用其它測(cè)溫儀表獲取準(zhǔn)確的標(biāo)定數(shù)據(jù)。如假設(shè)被測(cè)輻射體為灰體,以T0代替實(shí)際顏色溫度T,由此引入的誤差為

        假設(shè)光譜發(fā)射率ε(λ,T)在[380 nm,780 nm]上n階連續(xù)可導(dǎo),在(380 nm,780 nm)上n+1階可導(dǎo),將ε(λ,T)在波長(zhǎng)λg處做泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),有

        由于λ-λg非常小,可以忽略上式中n≥2的高階項(xiàng)及余項(xiàng),則光譜發(fā)射率可用如下的線性模型近似表示

        分別將λr和λb帶入上式,有

        考慮到在窄波段[380 nm,780 nm]內(nèi),光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化非常小[12],且λr-λg≈λg-λb,設(shè)微量Δ=ε’(λg,T)(λr-λg)=ε’(λg,T)(λg-λb),則

        由于Δ為一微量,顯然有Δ2>Δ。因此,εrgb= ln[ε(λr,T)ε(λb,T)/ε2(λg,T)]較之εrg=ln[ε(λr,T)/ε(λg,T)]更接近于0。可見(jiàn)三色法因灰體假設(shè)而引入的誤差小于雙色法,從而獲得更高的測(cè)溫精度。

        對(duì)某銅冶廠閃速爐放銅口處的銅锍熔體進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。使用測(cè)量不確定度為±5 K的熱電偶的測(cè)溫結(jié)果為比較參考溫度,測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 銅锍熔體測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位:℃

        雙色法測(cè)溫的平均相對(duì)誤差為1.6%;三色法測(cè)溫的平均相對(duì)誤差為1.0%,其測(cè)溫精度高于雙色法。表2中的輻射測(cè)溫值均低于熱電偶測(cè)量值,這是由于現(xiàn)場(chǎng)彌漫著煙霧和粉塵,對(duì)輻射光選擇性吸收衰減導(dǎo)致比色測(cè)溫結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差,可用煙霧干擾校正算法進(jìn)行校正[13]。

        4 彩色CCD統(tǒng)一測(cè)溫平臺(tái)的構(gòu)建

        雙色法和三色法測(cè)溫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同,因此可構(gòu)建通用測(cè)溫平臺(tái),根據(jù)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)溫范圍和測(cè)溫精度的不同要求在兩種比色測(cè)溫方法中進(jìn)行切換:當(dāng)測(cè)溫對(duì)象溫度變化范圍較大時(shí),可選擇雙色法;如溫度變化不大,且要求測(cè)溫精度高時(shí),可選擇三色法。

        彩色CCD統(tǒng)一測(cè)溫平臺(tái)由彩色CCD、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)及測(cè)溫軟件構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。彩色CCD采集高溫輻射模擬視頻信號(hào);圖像采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào);計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行圖像處理、溫度場(chǎng)計(jì)算顯示。系統(tǒng)選用RGB三色分離輸出工業(yè)攝像頭CV-M77,該攝像頭具有良好的色彩分離能力,曝光范圍大,分辨率高(1028 h×770 v),具備可編程控制的電子快門。

        圖3 彩色CCD統(tǒng)一測(cè)溫平臺(tái)結(jié)構(gòu)

        基于雙色法在高溫生產(chǎn)常用溫度范圍內(nèi)對(duì)測(cè)溫儀進(jìn)行標(biāo)定,所用光圈快門組合及對(duì)應(yīng)測(cè)溫范圍如表3所示。

        表3 光圈快門組合和對(duì)應(yīng)的測(cè)溫范圍

        由于電子快門較之光圈更易調(diào)節(jié)且精度更準(zhǔn)確,因此采用先調(diào)節(jié)快門時(shí)間,當(dāng)快門時(shí)間不可調(diào)時(shí)再調(diào)節(jié)光圈的測(cè)溫方法。通過(guò)動(dòng)態(tài)改變光圈快門組合,CCD測(cè)溫儀測(cè)溫范圍達(dá)到800℃~1 600℃,且上限仍可增加。在測(cè)溫范圍內(nèi)只需調(diào)節(jié)光圈快門9次,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,測(cè)溫響應(yīng)快速。

        如果測(cè)溫對(duì)象溫度變化范圍不大,可在窄測(cè)溫范圍內(nèi)采用三色法進(jìn)行測(cè)溫,以獲得更高的測(cè)溫精度。

        5 結(jié)論

        ①利用彩色CCD進(jìn)行輻射測(cè)溫時(shí),在CCD傳感器的光圈快門組合保持不變的條件下,選取R、G雙色進(jìn)行比色測(cè)溫具有最寬的測(cè)溫動(dòng)態(tài)范圍,而三色法的動(dòng)態(tài)范圍較窄;②由于被測(cè)對(duì)象光譜發(fā)射率難以預(yù)知,因此往往采用灰性假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化測(cè)溫公式,這將導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)溫誤差,但三色法的誤差小于雙色法;③提出構(gòu)建統(tǒng)一的測(cè)溫平臺(tái),根據(jù)測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)溫范圍和測(cè)溫精度的不同要求在兩種比色測(cè)溫方法中進(jìn)行切換,所提出的測(cè)溫平臺(tái)綜合了雙色法和三色法的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用靈活。

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        孫 元(1980-),男,博士,湖南第一師范學(xué)院講師,主要從事復(fù)雜工業(yè)過(guò)程參數(shù)軟測(cè)量技術(shù)研究,may5th@163.com;

        彭小奇(1962-),男,博士,湖南第一師范學(xué)院教授,中南大學(xué)博士生導(dǎo)師,主要從事冶金熱工過(guò)程智能檢測(cè)技術(shù)研究,pengxq@mail.csu.edu.cn。

        Comparative Study on Two-Color and Three-Color Colorimetric Temperature Measurement Based on Colored CCD*

        SUN Yuan*,PENG Xiaoqi
        (Department of Information Science and Engineering,Hunan First Normal University,Changsha 410205,China)

        The two-color and three-color colorimetric temperature measurements are major methods of the colored CCD-based radiation thermometry.The dynamic range and temperature measurement accuracy of the two-color and three-color thermometry are analyzed and compared respectively.The theory analysis and experimental results show that the two-color thermometry using red-green colors has much wider dynamic range than the three-color thermometry in the combination of an aperture and shutter.In the other hand,the three-color thermometry has higher accuracy than the two-color method when the radiator is assumed as a gray-body.Finally,the general temperature measurement platform flexibly switching the two-color and the three-color thermometry is proposed.The measurement platform combines the advantages of the two-color and three-color thermometry,which meets the requirements of wide dynamic range and high measurement accuracy.

        radiation thermometry;colorimetric temperature measurement;comparative study;colored CCD

        TP216

        A

        1004-1699(2015)08-1184-04

        ??7320R

        10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.014

        項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(61321003);國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61273169);湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(13JJ6085);湖南省教育廳高等學(xué)??蒲许?xiàng)目(13A016);湖南第一師范學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(XYS12N11)

        2015-04-13 修改日期:2015-05-28

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