莫蘇新,段 錦,2,呂 蒙,段絡(luò)天,祝 勇

(1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春 130022;2.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022;3.吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130022;4.長春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引言

目前，熱處理行業(yè)中使用最廣泛的溫度測(cè)量方法是熱電耦系統(tǒng)，但是，傳統(tǒng)的熱電耦接觸溫度測(cè)量法反映加熱工件的整體溫度分布。此外，熱電耦會(huì)在電磁感應(yīng)加熱中自我加熱并影響工件的溫度傳導(dǎo)[1-3]。CCD 與數(shù)字圖像處理相關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸和全場(chǎng)景分析，并提供更多傳統(tǒng)技術(shù)無法獲取的數(shù)據(jù)。因此，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于材料在高溫下的力學(xué)行為和性能研究。Herrera-Solaz 等人為了在奧氏體不銹鋼316L 的微觀尺度上比較局部應(yīng)變場(chǎng)，使用了CCD 與數(shù)字圖像處理技術(shù)跟蹤張力加載過程中的應(yīng)變圖[4]。Jung 等人使用數(shù)字圖像處理技術(shù)和紅外熱成像測(cè)量技術(shù)研究了開孔金屬、聚合物雜化泡沫的介觀形變行為[5]。紅外熱成像設(shè)備通常是由光學(xué)系統(tǒng)，光譜濾波，紅外探測(cè)器陣列，視頻圖像處理等組成[6]。由于紅外輻射范圍廣，紅外熱成像設(shè)備可以測(cè)量溫度范圍很廣[7]，但是紅外熱成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且昂貴。同紅外熱像儀比較而言，CCD 測(cè)溫具有測(cè)量溫度范圍較寬、成本低、暗電流小、分辨率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有的CCD 測(cè)溫法主要有基于灰度CCD 并結(jié)合窄帶帶通濾光片的單色測(cè)溫法和基于彩色CCD 的比色測(cè)溫法、三色測(cè)溫法。由于比色測(cè)溫法和三色測(cè)溫法中R 分量相較B、G 分量容易提前飽和，造成測(cè)溫范圍窄的問題，本文采用單色測(cè)溫法。

激光熱處理區(qū)別于普通的熱處理工藝，具有升溫速度快、溫度范圍寬的特點(diǎn)。在材料的激光熱處理中，材料表面的溫度在一定的范圍內(nèi)快速變化，升溫速度可達(dá)104℃。以T10 鋼為例，其表面溫度在0.4 s 內(nèi)可升溫至1400℃以上，對(duì)其溫度場(chǎng)的測(cè)量中，熱電耦無法對(duì)其周邊溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量且會(huì)破壞其溫度場(chǎng)，基于彩色CCD 的測(cè)溫系統(tǒng)難以跟隨材料表面的寬范圍溫度場(chǎng)的快速變化。

因此，本文針對(duì)溫度范圍寬提出了分段測(cè)量，針對(duì)升溫速度快提出了計(jì)算機(jī)控制的快速自適應(yīng)曝光時(shí)間算法，為提高測(cè)量精度對(duì)溫度-灰度曲線進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了快速寬溫度場(chǎng)及提高測(cè)量精度的目標(biāo)。

1 輻射測(cè)溫模型

凡是高于絕對(duì)零度的物體都具有向外輻射能量的能力，熱輻射是由物體內(nèi)部的帶電粒子在原子和分子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的。其光譜輻射力是波長和溫度的函數(shù)。溫度低的物體發(fā)射紅外光，溫度升高到500℃時(shí)開始發(fā)射一部分暗紅色光，當(dāng)升到1500℃時(shí)開始發(fā)白光[8-10]。輻射溫度測(cè)量方法是基于被測(cè)物體表面發(fā)出的熱輻射信息，通過普朗克定律進(jìn)行測(cè)量。普朗克定律指出能量M(λ,T)從單位時(shí)間內(nèi)的單位表面積向半球空間的各個(gè)方向輻射，可用下式表示:

式中:M(λ,T)為被測(cè)物體在溫度T(K)、波長為λ處的光譜輻射出射度;ε(λ,T)為被測(cè)物體表面發(fā)射率;C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.742X10-16W?m2;C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.4388X10-2m?K。由式(1)可以看出，普朗克定律描述了被測(cè)物體的輻射能按波長分布的定律。

當(dāng)被測(cè)物體溫度小于3000 K，我們可以用維恩公式代替普朗克公式，即:

工業(yè)可見光CCD 的波長上限已可達(dá)到1100 nm以上[11]，因此可以截取一段近紅外光通過熱成像的方式測(cè)量溫度及其梯度分布。近紅外波段光使用帶通濾光片截取，在選擇濾光片可通過波段時(shí)，考慮到激光熱處理中常用的CO2激光器中心波長為10.6 μm，為了避免CO2激光器對(duì)于成像的干擾以及紅外輻射在空氣介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)受到氣體的選擇性吸收，從而選擇窄帶帶通濾光片，中心波長為λ=850 nm，半帶寬Δλ=10 nm。

目標(biāo)單元的輻射亮度可以表示為:

當(dāng)Δλ很小時(shí)，可以認(rèn)為，ε(λ′,T)=ε(λ,T)由積分中值定理，式(3)可以近似為:

由式(4)可得:

在CCD 響應(yīng)波段，CCD 像元灰度值It與接收到的輻射亮度L(λ,T)間的關(guān)系如下[12]:

式中:k為系統(tǒng)等效響應(yīng)度;b為響應(yīng)截距。響應(yīng)截距主要來源于紅外系統(tǒng)內(nèi)部自身輻射和噪聲引起的偏置輸出等因素引起的像元灰度響應(yīng)[12]。則紅外CCD的輻射測(cè)溫模型為:

2 溫度與圖像灰度映射標(biāo)定

在窄帶光譜范圍內(nèi)，CCD 產(chǎn)生的光生電荷數(shù)與被測(cè)物體輻射亮度呈線性關(guān)系，即紅外CCD 成像系統(tǒng)輸出紅外圖像的像素灰度值與拍攝目標(biāo)發(fā)射的輻射亮度呈線性關(guān)系[13]。需要注意的是，當(dāng)CCD 曝光時(shí)間改變時(shí)，像素灰度值與目標(biāo)輻射亮度線性關(guān)系依然成立，但不是同一函數(shù)關(guān)系。因此，定標(biāo)時(shí)曝光時(shí)間必須保證一致，否則定標(biāo)后的數(shù)據(jù)無意義。

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用美國Mikron 公司的M330 型高精度黑體爐(黑體腔工作范圍300℃～1700℃，有效發(fā)射率為0.99;精度為讀數(shù)±0.25%℃;每8 h 溫度漂移在1℃之內(nèi);1600℃以上的高溫時(shí)，可穩(wěn)定在0.5℃之內(nèi))。CCD 傳感器采用12 bit 位深，相比8 bit 位深，12 bit 位深成像有更高的灰度級(jí)，因此精度也會(huì)更高。

保持實(shí)驗(yàn)室溫濕度恒定，調(diào)整CCD 與黑體爐處于同一水平光軸，距離為1000 mm，調(diào)整焦距使黑體成像清晰，調(diào)整曝光時(shí)間使黑體圖像灰度值在2000～3000 之間，待溫度穩(wěn)定后，采集灰度數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)黑體爐以50℃的間隔從800℃升高至1500℃，在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)調(diào)整相機(jī)曝光時(shí)間(曝光時(shí)長)，首先記錄最小曝光時(shí)間0.04 ms 的圖像，然后在0.1～1 ms 內(nèi)以0.1 ms的間隔采集記錄圖像。

為了滿足激光熱處理溫度場(chǎng)的測(cè)量需要，測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)滿足兩個(gè)條件:

1)在任一曝光時(shí)間，測(cè)溫系統(tǒng)滿足200℃的測(cè)溫范圍。

2)曝光時(shí)間切換速度不超過10 ms。

經(jīng)過不同參數(shù)組合下的多組標(biāo)定，曝光時(shí)間t為0.9 ms、0.5 ms、0.04 ms 滿足激光熱處理需要，同時(shí)滿足自適應(yīng)曝光時(shí)的快速計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同曝光時(shí)間下圖像灰度隨溫度變化關(guān)系Fig.1 The relationship between image gray scale and temperature under different exposure time

由圖1可知，3 種曝光時(shí)間可以覆蓋800℃～1450℃的溫度范圍，每個(gè)曝光時(shí)間可以對(duì)跨度200℃以上的溫度場(chǎng)進(jìn)行成像。令ε(λ,T)=1，將定標(biāo)數(shù)據(jù)代入公式(4)計(jì)算得到像元響應(yīng)灰度值與黑體輻射亮度的響應(yīng)曲線，定標(biāo)結(jié)果如圖2所示。

利用最小二乘法將定標(biāo)曲線進(jìn)行擬合，得到的t1=0.9 ms、t2=0.5 ms 和t3=0.04 ms 時(shí)的CCD 定標(biāo)函數(shù)為:

圖2 不同曝光時(shí)間下圖像灰度隨輻射亮度的變化關(guān)系Fig.2 Variation of image gray scale with radiance under different exposure time

R2可以表征該曲線擬合效果的好壞程度。當(dāng)確定系數(shù)越接近1，表示擬合效果越好。t1=1 ms曲線的擬合確定系數(shù)為=0.999;t2=0.5 ms曲線的擬合確定系數(shù)為=0.9991;t3=0.04 ms 曲線的擬合確定系數(shù)為=0.9987。則擬合曲線接近CCD 實(shí)際的響應(yīng)曲線。

通過將定標(biāo)時(shí)的灰度根據(jù)各曝光時(shí)間下相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出L(λ,T)，并將L(λ,T)代入式(5)可反演出溫度Tb，可得系統(tǒng)最大誤差為5.7℃。其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用絕對(duì)誤差P來衡量，其評(píng)價(jià)公式為:

式中:T0為實(shí)際溫度;Tb為反演出的黑體溫度。已知系統(tǒng)最大誤差為5.7℃，由式(11)可得其絕對(duì)誤差為0.456%，由此可知該測(cè)溫系統(tǒng)可滿足激光熱處理高溫溫度場(chǎng)的測(cè)量需求。經(jīng)分析，定標(biāo)時(shí)誤差來源以下兩個(gè)方面:

1)數(shù)據(jù)擬合中的非線性誤差。定標(biāo)灰度與輻射亮度呈線性，但其擬合系數(shù)R2不為1，因此反演后溫度存在一定的誤差。

2)CCD 像元響應(yīng)非均勻性誤差。由于CCD 傳感器制造工藝等問題，會(huì)造成各像元的強(qiáng)度響應(yīng)存在一定的差異，這種強(qiáng)度相應(yīng)的非均勻性會(huì)造成一定的誤差。

此外，在實(shí)際測(cè)量中還存在以下兩點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差:

1)溫度漂移誤差。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度可能會(huì)發(fā)生較大變化，由此可引起溫度漂移誤差。

2)測(cè)量距離誤差。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)與儀器的距離與標(biāo)定距離不一致時(shí)會(huì)導(dǎo)致CCD 上同一像元接收的能量發(fā)生變化，從而引起測(cè)量誤差。

對(duì)于以上4 方面的誤差可以建立相應(yīng)的校正模型，通過校正模型減小測(cè)量中的誤差，從而提高測(cè)量精度。在此本文僅對(duì)誤差進(jìn)行了初步分析，并未對(duì)誤差建立相應(yīng)的校正模型。

3 基于溫度分段的快速自適應(yīng)曝光控制算法

由圖2可知，在800℃～1500℃之間，3 種曝光時(shí)間對(duì)應(yīng)了3 個(gè)溫度段，為了滿足在溫度快速升高時(shí)的測(cè)量，本文提出快速自適應(yīng)曝光時(shí)間方法，通過灰度判定閾值I來選擇合適的曝光時(shí)間，來確保CCD在不同溫度段之間切換的成像。具體步驟如圖3所示。

對(duì)于12 bit 的CCD 傳感器，為了避免暗電流噪聲對(duì)測(cè)溫精度的影響，當(dāng)像素灰度值小于100 時(shí)，將其置為0，則I0=100。為了避免灰度值飽和，本文將上限閾值Imax設(shè)置為4000。由式(8)可以算出，當(dāng)曝光時(shí)間t1=0.9 ms 時(shí)，Imax對(duì)應(yīng)的輻射亮度為0.031418 W?cm-2?sr-2，將該輻射亮度值代入式(9)可以得到t2=0.5 ms 時(shí)成像的灰度值為1943，同理，t2=0.5 ms時(shí)Imax對(duì)應(yīng)的輻射亮度在t3=0.04 ms 成像的灰度值為1427。因此，下限閾值Imin設(shè)置為1400。

自適應(yīng)曝光控制流程如下:

第一步，獲取圖像并遍歷圖像像素，統(tǒng)計(jì)灰度值大于Imax和Imin的像素個(gè)數(shù)。

第二步，設(shè)當(dāng)前曝光時(shí)間為t2=0.5 ms，首先判斷灰度值大于Imin的像素個(gè)數(shù)是否超過Nmin。如果超過Nmin，則進(jìn)行下一步，否則增大曝光時(shí)間為t1=0.9 ms并重新采集圖像。為了避免圖像中噪聲的影響，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出經(jīng)驗(yàn)值，Nmin為圖像像素總數(shù)的0.01%。

第三步，判斷灰度值大于Imax的像素個(gè)數(shù)是否超過Nmax，Nmax為圖像像素總數(shù)的0.01%。如果超過Nmax，則減小曝光時(shí)間為t3=0.04 ms 并重新采集圖像，否則輸出圖像。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)樣品為T10 鋼，激光輸出功率為1000 W，掃描速度為20 mm/s。為了安全性原則和測(cè)溫系統(tǒng)視場(chǎng)較小的綜合考慮，測(cè)溫系統(tǒng)放置在實(shí)驗(yàn)樣品的側(cè)上方處，物距D=1000 mm，調(diào)整系統(tǒng)保持成像清晰度與實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)的一致性。

圖3 快速自適應(yīng)曝光控制算法流程圖Fig.3 Flow chart of fast adaptive exposure control algorithm

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)溫度為26.5℃，相對(duì)濕度為35.2%。在測(cè)試過程中設(shè)置材料表面發(fā)射率ε(λ,T)=0.747[14]，CCD曝光時(shí)間與定標(biāo)時(shí)保持一致。

圖4為激光熱處理升溫0.2s時(shí)刻材料表面溫度圖，所用曝光時(shí)間為0.9ms，測(cè)量溫度最高點(diǎn)為1232.2℃，測(cè)量溫度最低點(diǎn)為829℃，溫度場(chǎng)有效測(cè)溫范圍403℃。圖4(a)為原圖。圖4(b)為偽彩圖，黑色十字線代表為溫度最高點(diǎn)。圖4(c)、(d)為最高溫度點(diǎn)所在列和行的剖面溫度曲線，可以看出溫度在材料表面的分布情況。

實(shí)驗(yàn)中，激光器掃描速度為20mm/s，CCD曝光間隔為10ms，因此設(shè)置每秒曝光次數(shù)M=100，測(cè)量時(shí)間為1s，從而可得到100組溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。選取部分最高溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1和圖5所示。

圖4 升溫0.2 s時(shí)刻材料表面溫度圖Fig.4 Temperature graph of thesurface of the material at a temperature rise of 0.2s

圖5 升溫過程曲線Fig.5 Heatingprocesscurve

表1 曝光時(shí)間與溫度對(duì)應(yīng)表Table 1 Correspondence table of exposure timeand temperature

由表1和圖5可知，工件表面最高溫度在前0.4 s迅速升高，在0.4 s 之后最高溫度穩(wěn)定在1352.2℃～1424.3℃之間，即激光掃描加熱溫度場(chǎng)相對(duì)于移動(dòng)激光束已處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

5 結(jié)論

本文以激光熱處理中材料表面溫度為研究目標(biāo)，建立了紅外CCD 測(cè)溫模型，借助于高溫黑體爐的嚴(yán)格分段輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算機(jī)控制的快速自適應(yīng)曝光時(shí)間算法對(duì)T10 鋼溫度進(jìn)行測(cè)量，獲得材料表面最高溫度隨時(shí)間變化曲線。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法是一種高穩(wěn)定性、簡單有效的測(cè)溫方法，可為高溫溫度測(cè)試提供切實(shí)可行的解決方案，為激光熱處理對(duì)材料表面變化的研究提供參考。