戴元豐 朱曉俊 顧亭林

（1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海市 200083 2. 太倉光電技術(shù)研究所 江蘇省蘇州市 215400）

1 引言

對于溫度的檢測在工業(yè)生產(chǎn)中是十分重要的，快速、精確地進(jìn)行溫度檢測不僅能保證生產(chǎn)作業(yè)的安全，而且也有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的熱電偶、熱電阻、光電高溫計(jì)等接觸式測量方法局限于單點(diǎn)或多點(diǎn)的溫度檢測，無法反應(yīng)溫度場的整體溫度分布，且惡劣的環(huán)境可能導(dǎo)致精度降低[1]。而非接觸式的輻射測溫具有響應(yīng)速度快、測量溫度高以及不影響溫度場等優(yōu)勢，逐漸得到了更多的應(yīng)用。

電荷耦合器件（CCD）問世于上世紀(jì)70年代[2]，CCD 攝像機(jī)具有高集成度、失真小、感受頻譜范圍寬等諸多優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。針對溫度測量方面，也有一些基于CCD 的非接觸測溫方法，能夠展現(xiàn)出高精度、速度快、成本可控等優(yōu)點(diǎn)，是目前研究的重要方向。本文針對基于CCD 的雙色比色測溫技術(shù)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一套測溫系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試證明其能夠以較高精度完成火焰溫度測量，并且成本可控。

2 CCD雙色比色測溫法

由維恩位移定律可以得知，物體的輻射出射度的最大值隨著溫度的減?。ɑ蛟黾樱瑫?huì)向著波長增加（或減?。┑姆较蛞苿?dòng)。因此，當(dāng)兩個(gè)波長下的亮度比值發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的溫度值也會(huì)發(fā)生變化，這就是比色測溫的基本原理[4]。

當(dāng)燃燒火焰輻射波長在400～750nm 和溫度3000K 以下時(shí)，普朗克定律可以用維恩定律代替[5]，此時(shí)輻射體的單色輻射亮度可以表示為：

式中：λ 代表波長，T 代表輻射體溫度，C1、C2分別代表第一、第二輻射常數(shù)，ε(λ,T)代表輻射體光譜發(fā)射率。

CCD 每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)輸出的三個(gè)顏色分量為：

圖1：CCD 測溫系統(tǒng)框圖

圖2：軟件設(shè)計(jì)框圖

式中：Kr、Kg、Kb為比例系數(shù)，380nm＜λξ、λξ、λη＜780nm，λr=700nm、λg=546.1nm、λb=435.8nm 為三基色R、G、B 對應(yīng)的波長。

從三基色中選取兩種基色進(jìn)行比色測溫稱為雙色法。根據(jù)資料顯示，在光圈快門組合保持不變的條件下，選取紅、綠雙色進(jìn)行比色測溫具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍[6]，此時(shí)測溫公式為：

K 為比色測溫的修正值，會(huì)受到光譜的發(fā)射率、相機(jī)的進(jìn)光量等因素的影響，可以通過實(shí)際測試前的標(biāo)定工作來得到其具體數(shù)值，引入校正系數(shù)K 可以減小溫度測量的誤差。

至此，便可以基于CCD 通過公式（9）采用雙色比色測溫法進(jìn)行溫度測量。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖1 所示，采用CCD 攝像機(jī)獲取溫度場的圖像，并將圖像上傳給PC 端，在PC 端通過自研的軟件系統(tǒng)對圖像進(jìn)行處理，并獲取火焰的溫度。

在CCD 攝像機(jī)模塊，選用了?？低旸S-2ZCN3007(C)型號(hào)200 萬像素一體化攝像機(jī)。該型號(hào)攝像機(jī)可30 倍光學(xué)變倍，焦距為4.5-135mm，最大分辨率達(dá)1920×1080，具有聚焦快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，完全符合整體設(shè)計(jì)的要求。

圖3：溫度檢測軟件測試界面

該系統(tǒng)硬件設(shè)備具備高效、簡便的特點(diǎn)，不僅可以較好地完成測溫任務(wù)，而且成本可控，非常適合在各種工業(yè)場景下的使用。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的主體功能是能夠?qū)囟葓龅恼w分布進(jìn)行展現(xiàn)，方便實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測，并且要在溫度出現(xiàn)異常的時(shí)候進(jìn)行報(bào)警，故需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)主要功能：

（1）能夠從相機(jī)模塊的SDK 卡中獲取所需要的圖像；

（2）對圖像進(jìn)行預(yù)處理，將RGB 像素分離；

（3）能夠根據(jù)雙色比色測溫公式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)溫度測量的功能；

（4）若檢測到溫度場中出現(xiàn)溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

根據(jù)以上功能，軟件設(shè)計(jì)的整體框圖如圖2 所示。

溫度檢測軟件主要包括三個(gè)模塊：基本管理模塊、功能模塊以及數(shù)據(jù)庫?；竟芾砟K中包括對用戶權(quán)限的管理，以及設(shè)置設(shè)備接口、IP 地址、流ID 等功能，此外還會(huì)記錄下裝置的工作日志以供日后查詢所需。功能模塊中使用catchPicture 方法從攝像機(jī)的SDK 卡中將圖像抓取，通過OpenCV 庫中的像素分離方法將目標(biāo)圖像的RGB 像素分離，最后通過雙色測溫公式對實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行測量，若出現(xiàn)溫度超過預(yù)期的情況，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。數(shù)據(jù)庫模塊將對各種樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便日后的處理以及分析。

4 實(shí)驗(yàn)測試

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試之前，對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。采用黑體爐標(biāo)定方法[7]，盡可能確保實(shí)驗(yàn)場地為暗室，將CCD 攝像機(jī)與黑體爐位置處于同一軸線，調(diào)整合適的相機(jī)參數(shù)，借助黑體爐和溫控系統(tǒng)采集到不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射圖像，建立R 與G 通道顏色比值與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到消除誤差的效果。

實(shí)驗(yàn)分析選用蠟燭火焰作為測量目標(biāo)，軟件測試界面如圖3 所示。

操作界面上會(huì)顯示用戶的基本信息，提供選取位置在1280×720分辨率下的坐標(biāo)位置以及其RGB 值，并且利用內(nèi)置的雙色比色測溫公式將選取位置的實(shí)時(shí)溫度顯示出來。

5 總結(jié)

在多種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，都需要對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測。本文簡要介紹了CCD 雙色比色測溫的基本原理，并設(shè)計(jì)了一套可以用于爐內(nèi)火焰溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測的CCD 測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠較為方便、準(zhǔn)確地完成溫度測量任務(wù)，并且成本可控，適合在多種工業(yè)環(huán)境下使用。