李文龍，戈海龍，任 遠，成 巍

(齊魯工業(yè)大學(山東省科學院) 山東省科學院激光研究所，濟南 250103)

引 言

激光熔覆是一種在基體材料表面通過激光技術(shù)熔上一種特殊涂層的技術(shù)[1]。涂上涂層的基體能夠大大地改善基體材料的表面性能，提高設(shè)備的使用壽命[2]。為了提高熔覆材料與基體的結(jié)合力，需對激光熔池的溫度進行檢測。激光熔池的溫度檢測方法分為接觸式和非接觸式兩種[3]。接觸式測量一般采用熱電偶測量方法，該方法不能對熔池溫度進行直接測量，測量結(jié)果不能直接用于系統(tǒng)反饋[4]。非接觸式測量主要包括單色或雙色高溫計[5]和CCD工業(yè)相機測量方法[3]。利用CCD與圖像處理的方法應(yīng)用較廣，該方法具有成本低、操作簡單、檢測速度快等特點[6]，但利用CCD采集得到的圖像數(shù)據(jù)噪聲較多，容易產(chǎn)生較大的系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)處理也較為復(fù)雜?，F(xiàn)階段利用CCD與圖像處理結(jié)合測量熔池溫度的方法已經(jīng)進行了部分研究，但大都處于實驗室研究階段[3]。

本文中采用OpenCV和VS2013搭建了溫度檢測系統(tǒng)[7]，利用CCD與圖像處理相結(jié)合的方法檢測熔池溫度場的溫度，采用中值濾波方法去除圖像噪聲，結(jié)合黑體輻射公式計算激光熔池溫度。該檢測系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場實現(xiàn)了實際的應(yīng)用，對粉末材料、送粉速率等參量選擇有一定的反饋和指導作用。

1 測溫原理

黑體的光譜輻射強度與其波長和溫度有關(guān)[8]。物體的光譜輻射通量密度與溫度、波長的數(shù)學公式與黑體的類似[9]。由普朗克定律得知，黑體的熱輻射通量密度Db(λ,T)與輻射物體的溫度T、輻射波長λ的數(shù)學關(guān)系式如下：

(1)

式中,N1，N2為輻射常數(shù)，ε(λ,T)是輻射率。

由兩個不同波長黑體的熱輻射通量密度之比即可得到測量物體的溫度[9]：

(2)

被測對象為金屬高溫激光熔池，不同波長λ1和λ2對應(yīng)的輻射率ε(λ1,T)與ε(λ2,T)近似相等[8]，故公式可簡化為：

T=-

(3)

彩色CCD相機拍攝得到的真彩色圖像包含λR，λG，λB3個通道的波長值及對應(yīng)通道的像素值。由雙比色原理可知，選取兩個不同波長黑體的熱輻射通量密度之比即可得到測量物體的溫度，故選擇彩色圖像中兩個通道的數(shù)據(jù)信息進行比較，可推算得到激光熔池的溫度[8]。紅光R通道的波長為700nm，綠光G通道的波長為546nm，藍光B通道的波長為436nm[8]。

本文中采用DALSA-C2050彩色CCD工業(yè)相機拍攝數(shù)據(jù)，相機幀率為38，滿足數(shù)據(jù)采集的速度需求。相機波長與相對響應(yīng)系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。相機的采集波段為400nm～1000nm，滿足檢測436nm～700nm的實際需求，并且相機在要求波長的相對系數(shù)較高，得到的圖像質(zhì)量效果較好。此型號工業(yè)相機的重復(fù)精度很高，誤差可以忽略。

Fig.1 Camera parameters

在波長相近時，激光熔池的輻射率也大致相同，兩個波長對應(yīng)的方介質(zhì)折射率與光譜相應(yīng)系數(shù)比值近似為1[8]。由(3)式可知，選取波長相近的通道數(shù)據(jù)可減少計算量。由比較得知，|λR-λB|>|λR-λG|>|λG-λB|，故CCD彩色相機的G通道波長和B通道波長最相近，因此選擇這兩個波段相關(guān)數(shù)據(jù)代入(3)式計算熔池溫度。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 圖像預(yù)處理

由于現(xiàn)場環(huán)境、拍攝角度、周圍環(huán)境光等方面的影響，由彩色CCD相機拍攝得到的圖像含有較多的噪聲，對處理結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為了提高測量的精度，需要對原始采集圖像進行預(yù)處理操作[10-12]。

中值濾波能夠有效去除圖像的噪聲、提高采集圖像的質(zhì)量，方便后續(xù)的圖像處理。中值濾波的原理為將圖像中某一個像素點值用其鄰域各個點值經(jīng)過排序后的中值代替[13]。中值濾波的數(shù)學定義為：圖像數(shù)據(jù)點為x1,x2,x2,…,xm(m為自然數(shù))，將此部分數(shù)據(jù)從小到大排列，得到X1,X2,X2,…,Xm。設(shè)y為此鄰域點的中值，計算公式如下：

(4)

把圖像中某個像素點的固定形狀或長度作為窗口，窗口中的像素值用窗口內(nèi)鄰域點的中值代替。本文中以現(xiàn)場拍攝的熔池為例，熔池的溫度大約在2250℃，將圖像經(jīng)中值濾波后，原圖與濾波后的效果圖對比如圖2和圖3所示。

Fig.2 The original image

Fig.3 The image after median filtering

由圖2與圖3分析比較可知，圖像經(jīng)中值濾波可消除或者減弱在激光熔覆過程中由于粉末迸濺造成的影響，提高了圖像質(zhì)量，為后續(xù)圖像處理奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 標定

溫度檢測系統(tǒng)標定的原理為將黑體爐[14-15]輻射出的輻射能，利用彩色CCD工業(yè)相機、濾光片組成的硬件系統(tǒng)采集圖像數(shù)據(jù)，原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)濾波去噪后，通過雙比色原理比值測溫法得到不同數(shù)據(jù)圖像對應(yīng)的溫度值。

2.6.2 器官功能不全患者 器官功能不全患者，如心肺功能不全或肝腎功能不全等離子電切手術(shù)對心血管系統(tǒng)具有一定侵擾性。因此重要器官功能不全患者應(yīng)該與相關(guān)科室合作制定治療方案，待器官功能不全得以糾正后方可實施手術(shù)。

本文中利用高精度HG-2標準高溫黑體爐用于檢測系統(tǒng)的溫度標定，此型號的溫度范圍為0℃～3000℃。搭建的硬件系統(tǒng)如圖4所示。設(shè)定標準溫度值后黑體爐可達到設(shè)定溫度并一直保持，通過搭建的硬件測溫系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)圖像。通過黑體爐顯示器設(shè)定需達到的溫度及監(jiān)測黑體爐中實際的溫度、電流等數(shù)值，黑體爐顯示器如圖5所示。

Fig.4 Calibration of temperature detection system

Fig.5 Display screen of blackbody furnace

根據(jù)現(xiàn)場實際需求，熔池的溫度大約在1800℃～2300℃之間，根據(jù)此需求，標定的數(shù)據(jù)范圍在1600℃～2300℃。標定數(shù)據(jù)從1600℃開始，每隔100℃記錄一次數(shù)據(jù)，即用CCD相機拍攝圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過計算機存儲于硬盤指定位置。拍攝得到的圖像如圖6所示。

Fig.6 Data diagram of different temperatures in the blackbody furnace

由彩色CCD拍攝得到的標定圖片可知，圖像的亮度隨溫度的升高變亮，圖像的R通道、G通道、B通道的數(shù)值隨著溫度的升高變化明顯。圖像的R通道、G通道、B通道的數(shù)值分別為R,G,B。由前面測溫原理推導公式可知，只需提取圖像中某像素點的綠色和藍色通道的像素數(shù)進行比值溫度計算。提取1600℃～2300℃對應(yīng)圖像數(shù)據(jù)中的G和B值作為數(shù)據(jù)源。由于拍攝相同溫度區(qū)域，理論上得到的整幅溫度圖像中各個像素點對應(yīng)的像素數(shù)值完全相同，為消除系統(tǒng)誤差，任取圖像中的相同溫度區(qū)域的5個數(shù)據(jù)點，取平均值，得到的G,B數(shù)據(jù)見表1。為方便后續(xù)的公式擬合，G,B數(shù)據(jù)值后對應(yīng)公式所需計算值，數(shù)值取小數(shù)點后4位。

Table 1 The extracted image data and the corresponding calculation value

T=

(5)

表1中的G,B通道數(shù)據(jù)為標準溫度下對應(yīng)的像素值，為驗證公式的正確性，將表1中的G,B通道像素值通過(5)式計算得到黑體爐內(nèi)溫度，將此數(shù)據(jù)與黑體爐實際標準溫度對比，得到的結(jié)果如表2所示。

Table 2 The fitting formula calculation value and the fitting point temperature error

GBcalculated temperature/℃actual temperature/℃error/℃resolution/%24191594.616005.40.3431221711.5170011.50.6843271800.518000.5062341886.01900140.7489442004.320004.30.22119562105.621005.60.27 173782237.6220037.61.712411082261.1230038.91.70

數(shù)據(jù)標定的準確性是利用比色測溫方法測量熔池溫度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由表2中的計算結(jié)果可知,擬合公式數(shù)據(jù)點的最大誤差為1.71%，擬合公式滿足精度需求。

2.3 實驗結(jié)果及分析

將計算所得數(shù)據(jù)用MATLAB表示，效果圖如圖7所示。其中橫坐標為圖像G通道與B通道像素值比值，縱坐標為黑體爐內(nèi)溫度，○點為擬合數(shù)據(jù)點，黑色線為擬合公式曲線，★點為實驗數(shù)據(jù)點。

分析表3及圖7得知，實驗數(shù)據(jù)★點與其對應(yīng)計算溫度在擬合曲線附近，兩通道比值及對應(yīng)溫度呈擬合公式規(guī)律變化。實驗圖像數(shù)據(jù)通過擬合公式計算得出的溫度值與實際值最大誤差為1.23%，滿足現(xiàn)場測溫要求。

Table 3 The error between the fitting formula calculation value and the actual temperature

GBcalculated temperature/℃actual temperature/℃error/℃resolution/%27201670.3165020.31.2330221680.516800.5037251751.617501.60.9144281792.3178012.30.6952301850.818500.8063351876.218803.80.2075391935.5195014.50.7490451986.419806.40.32103502036.9205013.10.64123592061.2208018.80.90142672135.8215014.20.66192882180.821800.802089422292250210.93

Fig.7 Contrast of the fitting data and the experimental data

2.4 獲取圖像偽彩色圖

為形象描述熔池各個部分的溫度，直觀了解熔池各個區(qū)域的溫度分布規(guī)律及變化趨勢，需將濾波后的圖像變換為偽彩色圖像。偽彩色圖像的定義為將熔池不同溫度區(qū)域?qū)?yīng)顏色變化差異明顯圖像[16-20]。通過彩色相機獲取熔池數(shù)據(jù)后，將計算得到的溫度轉(zhuǎn)化為偽彩色圖像。熔池彩色圖像及對應(yīng)計算得到的偽彩色圖像效果如圖8和圖9所示。

Fig.8 Color diagram of laser pool

Fig.9 Pseudo color map of laser pool

圖9中右側(cè)為標準顏色對準圖，不同的溫度對應(yīng)著已定義的顏色。提取濾波后的圖像中每一個像素點的R,G,B值，由(5)式計算得到圖像每點對應(yīng)的熔池點溫度，由熔池溫度推算得到圖像偽彩色圖。圖9中橫縱坐標值能夠反映出熔池的面積。由圖8與圖9對比可知，圖9能將溫度明顯區(qū)分，溫度對比更加明顯。

為驗證系統(tǒng)的重復(fù)性及穩(wěn)定性，通過多次實驗進行數(shù)據(jù)分析，實驗結(jié)果如圖10～圖13所示。

通過實驗結(jié)果得知，該系統(tǒng)能夠較準確地測量激光熔池的溫度，系統(tǒng)的重復(fù)性及穩(wěn)定性較好，實現(xiàn)了系統(tǒng)對熔池的溫度檢測。

Fig.10 Color diagram of laser pool at 1700℃

Fig.11 Pseudo color map of laser pool at 1700℃

Fig.12 Color diagram of laser pool at 2150℃

Fig.13 Pseudo color map of laser pool at 2150℃

3 結(jié) 論

本文中采用彩色CCD工業(yè)相機采集熔池數(shù)據(jù)圖片，由于現(xiàn)場環(huán)境因素的影響，采用中值濾波的方法去除圖像噪聲，有效地提高了計算溫度的精度。標定得到的圖像數(shù)據(jù)采用MATLAB最小二乘法擬合得到溫度計算公式。實驗結(jié)果表明：通過擬合公式計算得到的黑體爐溫度與黑體爐內(nèi)實際溫度變化規(guī)律類似；經(jīng)實驗數(shù)據(jù)分析比較，擬合公式滿足現(xiàn)場測溫的精度要求；將采集得到的圖像經(jīng)變換后得到偽彩色圖像，偽彩色圖像能夠反映出各個區(qū)域的溫度分布規(guī)律及變化趨勢，增強了圖像顯示效果。通過圖像處理技術(shù)實現(xiàn)了對激光熔池溫度的檢測。