1 引 言
红外测温技术被广泛应用于科研试验、工业生产、国防等诸多领域。金属直接成形作为一种新型的先进制造技术,加工过程复杂而且易受环境参数的影响。成形过程中的熔池温度场的表征现象直接反应加工的稳定性,直接影响成形零件的精度和性能。对其进行在线式实时检测,成为保证成形零件性能不可缺少的环节。鉴于成形过程温度场具有柔性大、区域面积小(熔池直径仅有3~8mm)、温度随加工材料变化范围大、高温度场、加工环境恶劣等特点,一般的工业红外热像仪都无法完成检测要求。本文介绍了一套在线式小视场大量程高精度红外热像系统,并对其测温原理、结构特点和滤光片的选择算法给予了详细的阐述。
2 在线式小视场大量程高精度红外热像系统
2.1 比色测温原理
辐射测量具有非接触测量的一切优点,其依据的是黑体辐射定律[1]。而所谓的比色测温原理就是:被测对象辐射出的辐射能,通过事先设计好的双色滤光片,在CCD光学成像仪器的芯片上成像,计算机通过图像采集卡采集温度场图像,并对其进行必要的滤波等图像处理,生成温度场的灰度分布图像后,根据图像的灰度值N(λ,T)约正比于CCD电荷输入量Q(λ,T)的原理,我们可以通过计算对应点的灰度比值来确定此点的温度值。
比色图像的灰度比色值R(T):
式中:ε(λ,T)为波长λ下的光谱辐射率,C2为第二辐射常数,λ、τ(λ)、δλ和η(λ)为双色滤光片的峰值波长、峰值透过率、带宽和CCD光谱响应函数,可假设ε(λ1,T)=ε(λ2,T),从而式(1)可以转换为:
进而,根据温度T和比色值R(T)之间的关系,我们可以确定被测对象的温度场。
2.2 红外热像系统结构
比色测温时传感器在光路结构上有两种方案可供选择,即单通道型和双通道型。所谓双通道型是指热辐射体的辐射光束被分光后分别通过两组不同的滤光片入射到两个CCD摄像机上。而单通道型是指采用一个CCD,在同一个光路上切换两组不同的滤光片来实现的。经比较,选用单通道型较为理想。因为其结构小巧,系统稳定性较高,且光路结构简单便于调整。 缺点是要在光路上切换滤光片,所以图像将有所滞后。但是考虑到温度场的热惯性,采用高频电机将不会对测量精度造成较大影响。为使两种滤光片交替地置于光路中,需要使用步进电机来带动转盘运动实现。整个测量系统结构原理简图如图1所示。转盘上交替安装着两种滤光片,采用步进电机作为动力源,来实现转盘的高速度、准确定位的要求。为了使滤光片快速完 成切换,在步进电机的驱动程序中采用低速启动加速运行的控制方式。滤光片的准确定位是通过反射型的光电开关与在转盘边缘的缺口相对应而实现的。熔池的红外辐射经过交替出现的双色滤光片在CCD芯片上成像,计算机通过图像采集卡采集图像,经由测温软件处理后,实时显示熔池的温度场图像。本系统采用的CCD的有效象素达到640*480,帧速率可达100帧/秒,从而保证了系统测量的精度
2.3 红外滤光片中心波长选择算法
系统比色滤光片中心波长的选择主要由测温范围、CCD的动态范围、环境光的影响、系统响应灵敏度、CCD的光谱响应、目标物体的辐射度等因素来决定[2-3]。 考虑本系统激光加工所用金属材料的熔点,Al为930K,NI为1728K,Cr为2128K,Ni60为1300K,确定测温范围为800~2300K,根据维恩位移定律,λmT=2.898×103μm·K,其峰值所对应的波长为1.26~3. 26μm,显然这样的波长已经超过了CCD的有效测量范围,而环境光又使得CCD在0.5μm区域附近也无法使用,因此CCD所能使用的区域就局限于CCD的近红外区域0.75~1.1μm。再考虑选择测量通路上CO2和H2O通过率较大的波段,确定大气窗口为0.6~0.95μm,最后确定波长选择范围为0.75~0.95μm。红外CCD比色测温系统,线性度好和灵敏度高,是确保温度测量精确的前提条件,而波长的选择对测量系统的线性度、灵敏度等都影响很大,如果保证所选择的两个波长下的灵敏度S(T1)和S(T2)都较高,且S(T1)=S(T2),则系统的响应R(T)将具有良好的线性且较陡,测温分度均匀,从而确定的比色波长值将满足CCD测温系统的要求。在ε(λ1,T)=ε(λ2,T)的情况下,式(1)对T求导,得到系统的灵敏度S(T)(假定λ1<λ2):
在已测温范围,T1=800K和T2=2300K的条件下,计算式(4)得:
根据式(5),建立波长1和波长2的关系曲线如图2所示,选择多种波长组合(λ1,λ2):(0.75,0.867)、(0.76,0.88)、(0.77,0.894)、(0.78,0.907)、(0.79,0.921)、(0.80,0.935)、(0.81,0.948)。通过仿真程序根据响应值和灵敏度的公式,可以得到R(T)与T的关系曲线, S(T)与T的关系曲线,如图3、图4所示。通过仿真图3、图4可以看出,本系统的响应值R(T)线性度非常好,而且陡度较大,测温分度均匀;测温系统的灵敏度S(T)较高,在1000~1800K测温范围内,灵敏度较好,特别适合对Ni60激光加工,在1300k时,系统灵敏度将接近峰值。由图可见,波长越大,R(T)越大,相应的S(T)也会提高,考虑CCD的信噪比,在长波区,响应值低,所以过长的波长不易作为最佳的选择,折中考虑选择合适的波长组合为(0.79μm,0.92λm)。
3 结 论
随着激光加工技术和其他高温热加工领域对红外检测技术的需求,面对复杂的加工环境和特殊的检测要求,设计了一种在线式小视场大量程高精度红外热像系统。。本文设计的结构和性能新颖的红外检测系统及测温系统的仿真分析证明,对小视场范围测量精度高及采用廉价红外热像系统的可行性。
参考文献
[1] 张 华,潘际銮,廖宝剑.图像比色法温度场实时检测研究[J].机械工程学报,1998, (1): 127.
[2] 李海滨,王晓霞,刘 彬. CCD比色测温中工作波长与带宽的选择[J].光学技术,2005, (1): 21223.
[3] 邢冀川,刘广荣,金伟其,等.双波段比色测温方法及其分析[J].红外技术, 2002, (11): 73275.
