鑄坯表面溫度場測量傳感器及方法與流程

本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鑄坯表面溫度場測量傳感器及方法。

背景技術(shù)：

連鑄工藝中鑄坯表面溫度對優(yōu)化二冷制度和提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義，對其在線準(zhǔn)確測量是冶金行業(yè)至今尚未解決的技術(shù)難題。關(guān)鍵問題是：鑄坯表面發(fā)射率的不確定性和煙氣水霧等干擾因素難以實(shí)現(xiàn)真溫測量；表面隨機(jī)分布的氧化皮影響難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測量；高達(dá)400℃的溫度梯度難以實(shí)現(xiàn)對不同種類的鋼坯在各個(gè)溫度段進(jìn)行等精度測量。

目前，主要通過設(shè)于連鑄機(jī)二冷區(qū)的若干紅外測溫儀與計(jì)算機(jī)連接，在一個(gè)時(shí)間間隔中讀取各測溫儀的數(shù)據(jù)取其中最大值作為鑄坯表面真實(shí)溫度?；蛘咄ㄟ^包括一個(gè)紅外熱像儀和一個(gè)紅外測溫儀，將二者相結(jié)合并通過模型濾波方法克服鑄坯表面氧化皮的影響。以上兩種方法的不足是：其一，無論是紅外熱像儀還是紅外測溫儀均無法克服鑄坯表面發(fā)射率的非確定性影響，只能將其視為黑體或人為設(shè)定發(fā)射率，因而上述方法的測量結(jié)果難以反映鑄坯表面的真實(shí)溫度；其二，常規(guī)的熱像儀或測溫儀無法克服水汽和煙霧造成的測溫誤差；其三，模型濾波雖然可以克服氧化皮造成的測溫波動(dòng)，但因不同鋼種的組分區(qū)別較大，通過生產(chǎn)工藝建立的模型難以具有通用性，據(jù)此進(jìn)行測溫結(jié)果的修正難以保證測量精度。

有些文獻(xiàn)中采用影視彩色圖像傳感器(Charge-coupled Device，CCD)相機(jī)經(jīng)過標(biāo)定后利用比色法實(shí)現(xiàn)高溫測量，以克服發(fā)射率的非確定性影響。然而，普通的影視彩色相機(jī)中各個(gè)像素的R、G、B值是通過貝爾濾光片獲得的，其中只有一個(gè)值真正來自CCD，而其它兩個(gè)值都通過“色彩插值法”計(jì)算而得，因此都是估算值。這些估算值不能精確反應(yīng)被測目標(biāo)的輻射能量，因而難以測取目標(biāo)的真實(shí)溫度；其次，R、G、B像素的動(dòng)態(tài)測溫范圍差別很大，作比色測溫時(shí)只能有一個(gè)波長的動(dòng)態(tài)范圍得以充分利用，而其它兩個(gè)波長的測量范圍較窄，無法滿足不同鋼種大梯度溫度場測量的需要。

此外，經(jīng)過標(biāo)定的影像相機(jī)不能在線克服CCD暗電流噪聲，導(dǎo)致低溫段測量精度遠(yuǎn)低于高溫段，難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度段的等精度測量。

連鑄過程中鑄坯處于強(qiáng)氧化和強(qiáng)水冷環(huán)境，由于受鑄坯表面發(fā)射率非確定性、煙霧水汽干擾和隨機(jī)分布的氧化皮影響，現(xiàn)有技術(shù)的不足主要是利用常規(guī)的輻射測溫儀器難以準(zhǔn)確穩(wěn)定地測量鑄坯表面的真實(shí)溫度，其次是難以實(shí)現(xiàn)多鋼種大梯度溫度場的等精度測量。因此，研制一種能夠克服發(fā)射率非確定性、煙霧水汽和氧化皮影響且具有較大動(dòng)態(tài)范圍的鑄坯表面溫度場測量傳感器就成為該技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，提出了本發(fā)明以便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的鑄坯表面溫度場測量傳感器及方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明主要提供如下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供了一種鑄坯表面溫度場測量傳感器，該測量傳感器包括：

光學(xué)鏡頭、步進(jìn)電機(jī)、嵌有阻光片和衰減片的光調(diào)制轉(zhuǎn)盤、三光譜熱成像單元、信號采集處理器，

所述光學(xué)鏡頭，用于接收鑄坯表面發(fā)出的輻射光；

所述步進(jìn)電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤處于通光狀態(tài)或者處于阻光狀態(tài)；

所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤與所述光學(xué)鏡頭相耦合，在處于通光狀態(tài)時(shí)，通過衰減片對所述輻射光進(jìn)行調(diào)制，得到用于生成鑄坯表面熱圖像的調(diào)制光；在處于阻光狀態(tài)時(shí)，通過阻光片對所述輻射光完全遮擋，得到用于在線抑制CCD暗電流噪聲的暗圖像；

所述三光譜熱成像單元與所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤相耦合，所述三光譜熱成像單元包括：兩個(gè)分光鏡、三個(gè)透光率與中心波長不同的窄帶濾光片、三個(gè)單色面陣CCD；

所述分光鏡，用于對所述用于生成熱圖像的調(diào)制光進(jìn)行分光處理，并將分光處理得到的光投射給所述窄帶濾光片；

所述窄帶濾光片，用于對所述分光處理得到的光進(jìn)行濾波處理形成單色光，并將濾波處理得到的單色光分別投射給所述CCD；

所述CCD，用于根據(jù)所述濾波處理得到的單色光光，同時(shí)形成三個(gè)熱圖像和三個(gè)暗圖像，所述鑄坯表面熱圖像用于測量鑄坯表面溫度場，所述鑄坯表面暗圖像用于在線消除CCD的暗電流噪聲；

所述信號采集處理器與所述三光譜熱成像單元相連接，用于根據(jù)所述三個(gè)暗圖像分別對所述三個(gè)鑄坯表面熱圖像進(jìn)行去噪(CCD暗電流)處理，并根據(jù)三波長圖像測溫公式和去噪處理后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像對鑄坯表面溫度場進(jìn)行測量。

另一方面，本發(fā)明提供了一種鑄坯表面溫度場測量方法，該測量方法包括：

通過光學(xué)鏡頭接收鑄坯表面發(fā)出的輻射光；

通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得嵌有阻光片和衰減片的光調(diào)制轉(zhuǎn)盤分時(shí)處于通光狀態(tài)或者處于阻光狀態(tài)；

當(dāng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤在處于通光狀態(tài)時(shí)，通過衰減片對所述輻射光進(jìn)行調(diào)制，得到用于生成鑄坯表面熱圖像的調(diào)制光；當(dāng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤處于阻光狀態(tài)時(shí)，通過阻光片對所述輻射光完全遮擋，得到用于在線抑制CCD暗電流的暗圖像；

通過三光譜熱成像單元包括的兩個(gè)分光鏡對所述用于生成熱圖像的調(diào)制光進(jìn)行分光處理，并將分光處理得到的光投射給所述三光譜熱成像單元包含的三個(gè)透光率與中心波長不同的窄帶濾光片；

通過所述窄帶濾光片對所述分光處理得到的光進(jìn)行濾波處理獲得單色光，并將濾波處理得到的單色光投射給所述三光譜熱成像單元包含的三個(gè)單色面陣CCD；

通過所述CCD根據(jù)所述濾波處理得到的單色光，同時(shí)形成三個(gè)熱圖像和三個(gè)暗圖像，所述熱圖像用于測量鑄坯表面溫度場，所述暗圖像用于在線消除CCD的暗電流噪聲；

通過信號采集處理器根據(jù)所述三個(gè)暗圖像分別對所述三個(gè)鑄坯表面熱圖像進(jìn)行暗電流去噪處理，并根據(jù)三波長圖像測溫公式和去噪處理后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像對鑄坯表面溫度場進(jìn)行測量。

本發(fā)明提供的一種鑄坯表面溫度場測量傳感器及方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用獨(dú)立的三CCD結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄坯表面溫度場測量傳感器，可以有效克服因鑄坯表面發(fā)射率的非確定性以及現(xiàn)場煙氣、水霧和塵埃產(chǎn)生的測量誤差；2、本發(fā)明采用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期在CCD上采集一次暗圖像和一次熱圖像，其中暗圖像可用于在線補(bǔ)償CCD的暗電流噪聲，從而大大減小了傳感器因環(huán)境因素變化而產(chǎn)生的附加誤差；3、本發(fā)明采用分光結(jié)構(gòu)(而非斬光結(jié)構(gòu))使移動(dòng)的鑄坯表面在三個(gè)CCD上同時(shí)熱成像，每個(gè)CCD像素電荷反應(yīng)的均是被測目標(biāo)單元發(fā)出的真實(shí)能量。而彩色相機(jī)中的R、G、B只有一個(gè)真正來自CCD，其它兩個(gè)是通過“色彩插值”的估算值。因此所述結(jié)構(gòu)從真正意義上實(shí)現(xiàn)了三光譜高溫場的測量，且針對移動(dòng)的鑄坯測量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生因三個(gè)CCD的像素彼此錯(cuò)位而造成的附加誤差；4、本發(fā)明通過合理選擇三個(gè)不同窄帶濾光片的透光率，測溫范圍可達(dá)800℃-1200℃，能夠滿足不同鋼坯測溫的需要。與此相比，商業(yè)彩色CCD的R、G、B無法分設(shè)濾光片，三個(gè)信號同處于非飽和區(qū)的溫度域較窄，導(dǎo)致測溫范圍很窄；5、本發(fā)明依據(jù)像素相關(guān)性濾波方法，采用圖像測溫技術(shù)有效抑制了CCD本身的隨機(jī)噪聲和鑄坯表面隨機(jī)分布的氧化皮噪聲，實(shí)現(xiàn)鑄坯表面溫度場的穩(wěn)定測量；6、本發(fā)明采用本地DSP與遠(yuǎn)程PC兩級數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，并通過以太網(wǎng)接口構(gòu)成分布式多節(jié)點(diǎn)傳感器，因此可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多流鑄坯進(jìn)行在線溫度場測量，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史回放。本發(fā)明采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，功耗低，可廣泛應(yīng)用于高溫場的非接觸式測量。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種鑄坯表面溫度場測量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種信號采集處理器的電路示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種鑄坯表面溫度場測量傳感器實(shí)體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種鑄坯表面溫度場測量方法流程圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的因光譜發(fā)射率非確定性對三色與雙色測溫模型引起的誤差比較；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的CCD原始灰度(含有隨機(jī)噪聲)與采用像素相關(guān)性原則濾波后(抑制隨機(jī)噪聲)的灰度比較。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施例。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施例，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施例所限制。相反，提供這些實(shí)施例是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

為使本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種鑄坯表面溫度場測量傳感器，如圖1所示，所述測量傳感器包括：光學(xué)鏡頭100、步進(jìn)電機(jī)200、嵌有阻光片3001和衰減片3002的光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300、三光譜熱成像單元400、信號采集處理器500。

所述光學(xué)鏡頭100，用于接收鑄坯表面發(fā)出的輻射光。溫度高于800℃的鑄坯表面發(fā)出的輻射光，所述輻射光可以為可見光或近紅外光。

所述步進(jìn)電機(jī)200，用于驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤處于通光狀態(tài)或者處于阻光狀態(tài)。所述步進(jìn)電機(jī)200可以為微型步進(jìn)電機(jī)。

所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300與所述光學(xué)鏡頭100相耦合，用于在處于通光狀態(tài)時(shí)，通過衰減片3002對所述輻射光進(jìn)行調(diào)制，得到用于生成鑄坯表面熱圖像的調(diào)制光；在處于阻光狀態(tài)時(shí)，通過阻光片3001對所述輻射光進(jìn)行遮擋，得到用于CCD暗電流在線抑制的暗圖像。所述衰減片為中性衰減片。

所述三光譜熱成像單元400與所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300相耦合，所述三光譜熱成像單元400包括：兩個(gè)分光鏡4001、三個(gè)透光率與中心波長不同的窄帶濾光片4002、三個(gè)單色面陣CCD 4003。

所述分光鏡4001，用于對所述用于生成熱圖像的調(diào)制光進(jìn)行分光處理，并將分光處理得到的光投射給所述窄帶濾光片4002。

所述窄帶濾光片4002，用于對所述分光處理得到的光進(jìn)行濾波處理獲得單色光，并將濾波處理得到的單色光投射給所述CCD 4003，其中窄帶濾光片的帶寬小于等于10nm。

所述CCD 4003，用于根據(jù)所述濾波處理得到的光，同時(shí)形成三個(gè)熱圖像和三個(gè)暗圖像，所述鑄坯表面熱圖像用于測量鑄坯表面溫度場，所述暗圖像用于在線消除CCD的暗電流噪聲。

所述信號采集處理器500與所述三光譜熱成像單元400相連接，用于根據(jù)所述三個(gè)暗圖像分別對所述三個(gè)鑄坯表面熱圖像進(jìn)行去噪處理，并根據(jù)三波長圖像測溫公式和去噪處理后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像對鑄坯表面溫度場進(jìn)行測量。

所述信號采集處理器500包括數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、微控制器(Micro Controller Unit，MCU)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM)、閃存FLASH、以太網(wǎng)收發(fā)器(Physical Layer，PHY)和網(wǎng)絡(luò)端口(RJ45)；所述DSP與所述CCD驅(qū)動(dòng)板、MCU、SDRAM、FLASH和PHY連接；所述MCU除與所述DSP連接，還與所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光發(fā)射接收管及三個(gè)CCD驅(qū)動(dòng)板連接；所述驅(qū)動(dòng)器與所述MCU和步進(jìn)電機(jī)連接；所述信號采集處理器通過網(wǎng)絡(luò)端口與遠(yuǎn)程電腦連接。

如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了信號采集處理器的電路示意圖，主要由DSP芯片TMS320DM642、微控制器(MCU)、SDRAM、FLASH、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、以太網(wǎng)收發(fā)器和以太網(wǎng)端口構(gòu)成。其中，TMS320DM642具有3個(gè)RAW格式視頻采集端口，分別負(fù)責(zé)采集來自3個(gè)面陣CCD的熱圖像和暗圖像，并將采集到的圖像信息通過DMA(Direct Memory Access)方式存入到SDRAM，內(nèi)置DSP進(jìn)行像素相關(guān)性濾波處理后通過以太網(wǎng)收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)端口輸出至遠(yuǎn)程PC。

進(jìn)一步地，所述信號采集處理器500，具體用于對所述三個(gè)熱圖像與所述三個(gè)暗圖像進(jìn)行相減處理，得到去噪后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像，并根據(jù)三波長圖像測溫公式和暗電流去噪后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像對鑄坯表面成像單元的溫度進(jìn)行測量，所述三波長圖像測溫公式為：

其中，C₂＝1.4388×104μm.K，λ1、λ2、λ3分別為三個(gè)窄帶濾光的中心波長；K為常數(shù)，V_λ1、V_λ2和V_λ3分別為鑄坯表面在三個(gè)單色CCD上所成熱圖像經(jīng)暗電流去噪后的灰度值；

將鑄坯表面各個(gè)成像單元的溫度進(jìn)行行、列矩陣排列處理，得到鑄坯表面溫度場。

進(jìn)一步地，所述測量傳感器還包括：光發(fā)射管600和光接收管700，所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300還帶有定位索引孔3003。

所述光發(fā)射管600和所述光接收管700分別安放在所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300的兩側(cè)，所述光發(fā)射管600，用于發(fā)射光脈沖，所述光接收管700用于在信號采集處理器控制下，通過所述定位索引孔3003接收所述光發(fā)射管600發(fā)射的光脈沖，以定位所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300在每個(gè)測量周期的起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置。

所述步進(jìn)電機(jī)200，具體用于根據(jù)所述起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300恰好處于通光狀態(tài)或者處于阻光狀態(tài)。

定位索引孔3003與光收發(fā)管一起用于定位光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300在一個(gè)測量周期的起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置。光調(diào)制過程如下：在光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300的每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期，光接收管700通過定位索引孔接收一次光發(fā)射管600發(fā)出的光脈沖，該時(shí)刻恰好保證調(diào)制轉(zhuǎn)盤位于通光狀態(tài)，CCD采集熱圖像，從該時(shí)刻起步進(jìn)電機(jī)再轉(zhuǎn)動(dòng)180°角，轉(zhuǎn)盤則位于阻光狀態(tài)，CCD采集暗圖像。通過定位索引孔在每個(gè)測量周期對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行一次起始位置定位，可以消除光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300的累積轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。

所述步進(jìn)電機(jī)200可以為180°轉(zhuǎn)角電機(jī)，由微控制器產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)200所需的控制信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路功率放大后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)測量周期中包括兩個(gè)節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍光調(diào)制轉(zhuǎn)盤300轉(zhuǎn)動(dòng)半周，分別位于阻光狀態(tài)和通光狀態(tài)，在三個(gè)CCD上同時(shí)交替獲取一幀鑄坯表面暗圖像和一幀鑄坯表面熱圖像，二者對應(yīng)之差即為消除CCD暗電流噪音噪后的熱圖像。

進(jìn)一步地，所述信息采集處理器500，還用于產(chǎn)生所述步進(jìn)電機(jī)200旋轉(zhuǎn)所需的控制信號，并通過驅(qū)動(dòng)電路功率放大所述控制信號后驅(qū)動(dòng)所述步進(jìn)電機(jī)200旋轉(zhuǎn)；所述步進(jìn)電機(jī)200，具體用于驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。

進(jìn)一步地，所述兩個(gè)分光鏡4001平行安裝，且所述兩個(gè)分光鏡的入射光與透鏡主光軸平行，反射光與透鏡主光軸垂直。

如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例還提供了鑄坯表面溫度場測量傳感器實(shí)體結(jié)構(gòu)圖，以下為圖3中元件的說明：

1：光學(xué)鏡頭；2.光調(diào)制轉(zhuǎn)盤；3.阻光片；4.定位索引孔；5.衰減片；6.步進(jìn)電機(jī) 7.分光鏡1；8.分光鏡2；9.窄帶濾光片1；10.窄帶濾光片2；11.窄帶濾光片3；12.單色CCD1及驅(qū)動(dòng)電路；13.單色CCD2及驅(qū)動(dòng)電路；14.單色CCD3及驅(qū)動(dòng)電路；15.光發(fā)射管；16.光接收管；17.信號采集處理器；18.網(wǎng)絡(luò)接口。

在圖3中，分光鏡7的反射與透射比為1:2，分光鏡8的反射與透射比為1:1，為了保證熱成像不失真，兩個(gè)分光鏡的法線方向與主光軸均成45°安裝。分光鏡7的反射光經(jīng)窄帶濾光片11投射在單色面陣CCD 14的像敏單元，分光鏡8的反射光和透射光分別經(jīng)窄帶濾光片8和窄帶濾光片9投射在單色面陣CCD 13和CCD 12的像敏單元。為了保證最佳測量效果，三個(gè)窄帶濾光片分別粘貼在相應(yīng)的CCD表面，其中心波長分別選擇為0.71μm、0.82μm、0.93μm，帶寬均為10nm。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種鑄坯表面溫度場測量傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用獨(dú)立的三CCD結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄坯表面溫度場測量，可以有效克服因鑄坯表面發(fā)射率的非確定性以及現(xiàn)場煙氣、水霧和塵埃產(chǎn)生的測量誤差；2、本發(fā)明采用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期在CCD上采集一次暗圖像和一次熱圖像，其中暗圖像可用于實(shí)時(shí)補(bǔ)償CCD的暗電流噪聲，從而大大減小了傳感器因環(huán)境因素變化而產(chǎn)生的附加誤差；3、本發(fā)明采用分光結(jié)構(gòu)(而非斬光結(jié)構(gòu))使移動(dòng)的鑄坯表面在三個(gè)CCD上同時(shí)熱成像，每個(gè)CCD像素電荷反應(yīng)的是被測目標(biāo)單元發(fā)出的真實(shí)能量，而彩色相機(jī)中的R、G、B只有一個(gè)真正來自CCD，其它兩個(gè)是通過“色彩插值”的估算值，因此所述結(jié)構(gòu)從真正意義上實(shí)現(xiàn)了三光譜高溫場的測量，且針對移動(dòng)的鑄坯進(jìn)行測溫時(shí)不會(huì)因像素對之間的錯(cuò)位而產(chǎn)生附加誤差；4、本發(fā)明通過合理選擇三個(gè)不同窄帶濾光片的透光率，測溫范圍可達(dá)800℃-1200℃，能夠滿足不同鋼坯測溫的需要。與此相比，商業(yè)彩色CCD的R、G、B無法分設(shè)濾光片，三個(gè)信號同處于非飽和區(qū)的溫度域較窄，導(dǎo)致測溫范圍很窄；5、本發(fā)明依據(jù)像素相關(guān)性濾波方法，采用圖像測溫技術(shù)有效抑制了CCD本身的隨機(jī)噪聲和鑄坯表面隨機(jī)分布的氧化皮噪聲，實(shí)現(xiàn)鑄坯表面溫度場的穩(wěn)定測量；6、本發(fā)明采用本地DSP與遠(yuǎn)程PC兩級數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，并通過以太網(wǎng)接口構(gòu)成分布式多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳感器，因此可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多流鑄坯進(jìn)行在線溫度場測量，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史回放。本發(fā)明采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，功耗低，可廣泛應(yīng)用于高溫場的非接觸式測量。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種鑄坯表面溫度場測量方法，如圖4所示，所述方法包括：

101、通過光學(xué)鏡頭接收鑄坯表面發(fā)出的輻射光。

102、通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得嵌有阻光片和衰減片的光調(diào)制轉(zhuǎn)盤處于通光狀態(tài)或者處于阻光狀態(tài)。

對于本發(fā)明實(shí)施例，光發(fā)射管和光接收管分別安放在所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)，步驟102之前具體可以包括：通過所述光發(fā)射管發(fā)射光脈沖；通過所述光接收管在信號采集處理器控制下，通過所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤帶有的定位索引孔接收所述光發(fā)射管發(fā)射的光脈沖，以定位所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤在一個(gè)測量周期的起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置。此時(shí)，所述步驟102具體可以包括：通過步進(jìn)電機(jī)根據(jù)所述起始轉(zhuǎn)動(dòng)位置驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

對于本發(fā)明實(shí)施例，步驟102之前具體還可以包括：通過所述信號采集處理器產(chǎn)生所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的控制信號，并通過驅(qū)動(dòng)電路功率放大所述控制信號后驅(qū)動(dòng)所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，所述步驟102具體可以包括：通過步進(jìn)電機(jī)自身旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

103、當(dāng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤在處于通光狀態(tài)時(shí)，通過衰減片對所述輻射光進(jìn)行調(diào)制，得到用于生成鑄坯表面熱圖像的調(diào)制光；當(dāng)所述光調(diào)制轉(zhuǎn)盤處于阻光狀態(tài)時(shí)，得到用于在線抑制CCD暗電流的暗圖像。

104、通過三光譜熱成像單元包括的兩個(gè)分光鏡對所述用于生成熱圖像的調(diào)制光進(jìn)行分光處理，并將分光處理得到的光投射給所述三光譜熱成像單元包含的三個(gè)透光率與中心波長不同的窄帶濾光片。

105、通過所述窄帶濾光片對所述分光處理得到的光進(jìn)行濾波處理獲取單色光，并將濾波處理得到的單色光投射給所述三光譜熱成像單元包含的三個(gè)單色面陣CCD。

106、通過所述CCD根據(jù)所述濾波處理得到的單色光，同時(shí)形成三個(gè)熱圖像和三個(gè)暗圖像，所述鑄坯表面熱圖像用于測量鑄坯表面溫度場，所述暗圖像用于在線消除CCD的暗電流噪聲。

107、通過信號采集處理器根據(jù)所述三個(gè)鑄坯表面暗圖像分別對所述三個(gè)鑄坯表面熱圖像進(jìn)行去噪處理，并根據(jù)三波長圖像測溫公式和去噪處理后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像對鑄坯表面溫度場進(jìn)行測量。

對于本發(fā)明實(shí)施例，步驟107具體可以包括：通過信號采集處理器對所述三個(gè)熱圖像與所述三個(gè)暗圖像進(jìn)行相減處理，得到暗電流去噪后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像；根據(jù)三波長圖像測溫公式和去噪后的三個(gè)鑄坯表面熱圖像對鑄坯表面成像單元的溫度進(jìn)行測量，所述三波長圖像測溫公式為：

其中，C₂＝1.4388×104μm.K，λ₁、λ₂、λ₃分別為三個(gè)窄帶濾光的中心波長；K為常數(shù)，V_λ1、V_λ2和V_λ3分別為鑄坯表面在三個(gè)單色CCD上所成的熱圖像經(jīng)暗電流去噪后的灰度值；將鑄坯表面各個(gè)成像單元的溫度進(jìn)行行、列矩陣排列處理，得到鑄坯表面溫度場。

在一個(gè)測溫周期內(nèi)DSP采集一幀熱圖像和一幀暗圖像，暗圖像用于在線消除CCD的暗電流噪聲，熱圖像用于高溫場測量。設(shè)鑄坯表面某一面元分別成像在三個(gè)CCD上的某一像素上獲得的灰度值為和在忽略暗電流噪聲的情況下，像素灰度值與面元溫度T的關(guān)系可以表示為：

式中ε₁、ε₂和ε₃分別為鑄坯表面面元對應(yīng)波長為λ₁、λ₂和λ₃單色光的光譜發(fā)射率，C₂＝1.4388×104為μm·K，為普朗克第二常數(shù)；K為儀表常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)獲得?？梢?，所選的三個(gè)波長確定后，當(dāng)光譜發(fā)射率ε₁、ε₂和ε₃滿足等比關(guān)系或相等時(shí)，發(fā)射率項(xiàng)可以消掉，因而實(shí)現(xiàn)了發(fā)射率無關(guān)性測量。與雙光譜比色測溫相比，三光譜測溫精度更高，因?yàn)樗鼘Πl(fā)射率的要求進(jìn)行了松綁，只要發(fā)射率滿足等比關(guān)系即可，而非必須滿足彼此相等的條件。為了進(jìn)一步闡明三光譜測溫的優(yōu)點(diǎn)，圖3定量給出了當(dāng)被測目標(biāo)偏離理想離灰體時(shí)三光譜和雙光譜測溫產(chǎn)生的相對誤差仿真結(jié)果(目標(biāo)溫度1154℃，光譜發(fā)射率為0.7)，可見當(dāng)實(shí)際發(fā)射率產(chǎn)生微小偏移時(shí)，三光譜測溫產(chǎn)生的誤差要明顯小于雙光譜。

此外，從上述公式中不難看出，目標(biāo)溫度T與三個(gè)CCD對應(yīng)像素的灰度比相關(guān)，同單光譜測溫方式相比，這種比例關(guān)系可以有效消除傳感器測溫過程中的水霧、煙氣或灰塵干擾，大大提高了傳感器的抗干擾性。

需要說明的是，所述CCD的行分辨率大于650-700，列分辨率介于490-550。理論上行列分辨率越高對隨機(jī)噪聲的抑制效果越好，但行列分辨率過高會(huì)降低單個(gè)像素的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍。

對于本發(fā)明實(shí)施例，為了在測溫過程中消除CCD本身的隨機(jī)噪聲和鑄坯表面的氧化皮噪聲，本發(fā)明采用基于CCD相鄰像素的相關(guān)性原則對測溫結(jié)果進(jìn)行濾波。因此，所述將鑄坯表面各個(gè)成像單元的溫度進(jìn)行行、列矩陣排列處理，得到鑄坯表面溫度場具體可以包括：提取鑄坯表面各個(gè)成像單元的行像素溫度極值，并對所述溫度極值進(jìn)行列重組；通過信號采集處理器中的數(shù)字信號處理器對列重組結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，并根據(jù)數(shù)字濾波結(jié)果，得到鑄坯表面溫度場。

其實(shí)現(xiàn)過程如下：根據(jù)鑄坯表面溫度場的分布特性，當(dāng)視場較小時(shí)，CCD同一行像素對應(yīng)的鑄坯表面的各個(gè)成像單元的真實(shí)溫度近似相等。為了盡可能消除氧化皮的干擾，首先獲取一幀去除CCD暗電流后的溫度場信息，從中篩選出每行的8個(gè)溫度極大值點(diǎn)并對其取均值，從而獲得均值矩陣，該均值矩陣的元素個(gè)數(shù)為面陣CCD的列數(shù)，其物理意義相當(dāng)于對CCD進(jìn)行了列重組，該均值矩陣反映了鑄坯表面沿寬度方向的含有隨機(jī)噪聲的溫度梯度曲線；然后對均值矩陣進(jìn)行DFT(Discrete Fourier Transformation)變換，將溫度梯度曲線從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域并提取出不同頻率分量。因?yàn)檎鎸?shí)溫度梯度曲線應(yīng)該是連續(xù)漸變的，其相鄰點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)跳變，所以主要包括低頻分量，而隨機(jī)噪聲則與之相反，主要包括高頻分量。據(jù)此原則剔除8次以上的諧波分量后，再經(jīng)IDFT(Inverse Discrete Fourier Transformation)變換將其余低頻分量由頻域轉(zhuǎn)換到時(shí)域，即可抑制隨機(jī)噪聲獲取穩(wěn)定的溫度梯度曲線。圖6給出了基于像素相關(guān)性原則的濾波去噪仿真曲線，從中可以看出經(jīng)濾波后原始測溫曲線的隨機(jī)噪聲得到了較好抑制，減小了測溫結(jié)果的波動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種鑄坯表面溫度場測量方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用獨(dú)立的三CCD結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑄坯表面溫度場測量傳感器，可以有效克服因鑄坯表面發(fā)射率的非確定性以及現(xiàn)場煙氣、水霧和塵埃產(chǎn)生的測量誤差；2、本發(fā)明采用光調(diào)制轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，每個(gè)周期在CCD上采集一次暗圖像和一次熱圖像，其中暗圖像可用于實(shí)時(shí)抑制CCD的暗電流噪聲，從而大大減小了傳感器因環(huán)境因素變化而產(chǎn)生的附加誤差；3、本發(fā)明采用分光結(jié)構(gòu)(而非斬光結(jié)構(gòu))使移動(dòng)的鑄坯表面在三個(gè)CCD上同時(shí)熱成像，每個(gè)CCD像素電荷反應(yīng)的是被測目標(biāo)單元發(fā)出的真實(shí)能量，而彩色相機(jī)中的R、G、B只有一個(gè)真正來自CCD，其它兩個(gè)是通過“色彩插值”的估算值，因此所述結(jié)構(gòu)從真正意義上實(shí)現(xiàn)了三光譜高溫場的測量；4、本發(fā)明通過合理選擇三個(gè)不同窄帶濾光片的透光率，測溫范圍可達(dá)800℃-1200℃，能夠滿足不同鋼坯測溫的需要。與此相比，商業(yè)彩色CCD的R、G、B無法分設(shè)濾光片，三個(gè)信號同處于非飽和區(qū)的溫度域較窄，導(dǎo)致測溫范圍很窄；5、本發(fā)明依據(jù)像素相關(guān)性濾波方法，采用圖像測溫技術(shù)有效抑制了CCD本身的隨機(jī)噪聲和鑄坯表面隨機(jī)分布的氧化皮噪聲，實(shí)現(xiàn)鑄坯表面溫度場的穩(wěn)定測量；6、本發(fā)明采用本地DSP與遠(yuǎn)程PC兩級數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，并通過以太網(wǎng)接口構(gòu)成分布式多節(jié)點(diǎn)傳感器，因此可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多流鑄坯進(jìn)行在線溫度場測量，并可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史回放。本發(fā)明采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)，功耗低，可廣泛應(yīng)用于高溫場的非接觸式測量。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本申請可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、CD-ROM、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本申請是參照根據(jù)本申請實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

在一個(gè)典型的配置中，計(jì)算設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)處理器(CPU)、輸入/輸出接口、網(wǎng)絡(luò)接口和內(nèi)存。

存儲(chǔ)器可能包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的非永久性存儲(chǔ)器，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和/或非易失性內(nèi)存等形式，如只讀存儲(chǔ)器(ROM)或閃存(flash RAM)。存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的示例。

計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括永久性和非永久性、可移動(dòng)和非可移動(dòng)媒體可以由任何方法或技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)。信息可以是計(jì)算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序的模塊或其他數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)的例子包括，但不限于相變內(nèi)存(PRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、其他類型的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、快閃記憶體或其他內(nèi)存技術(shù)、只讀光盤只讀存儲(chǔ)器(CD-ROM)、數(shù)字多功能光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲(chǔ)、磁盒式磁帶，磁帶磁磁盤存儲(chǔ)或其他磁性存儲(chǔ)設(shè)備或任何其他非傳輸介質(zhì)，可用于存儲(chǔ)可以被計(jì)算設(shè)備訪問的信息。按照本文中的界定，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)不包括暫存電腦可讀媒體(transitory media)，如調(diào)制的數(shù)據(jù)信號和載波。

以上僅為本申請的實(shí)施例而已，并不用于限制本申請。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。