連鑄坯表面溫度場(chǎng)視覺(jué)測(cè)量方法與應(yīng)用研究.pdf

1、連續(xù)鑄鋼的本質(zhì)是高溫液態(tài)鋼水凝固傳熱過(guò)程，鋼水的凝固速度是決定鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量的最重要因素，而鑄坯表面溫度則是凝固傳熱狀態(tài)的重要表征。鑄坯表面回溫過(guò)快會(huì)導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部應(yīng)力集中，誘發(fā)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題，矯直區(qū)域鑄坯表面溫度過(guò)高或過(guò)低也均會(huì)導(dǎo)致鑄坯矯直裂紋的產(chǎn)生。因此通過(guò)對(duì)鑄坯表面溫度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)合適的液態(tài)鋼水凝固速度是穩(wěn)定和提高鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。
　　然而，由于受鑄坯表面隨機(jī)分布氧化鐵皮的干擾、不同鋼種發(fā)射率不一致以及現(xiàn)場(chǎng)

2、水汽、灰塵等惡劣環(huán)境的干擾，鑄坯表面溫度場(chǎng)在線穩(wěn)定測(cè)量至今仍是冶金檢測(cè)領(lǐng)域未能得到解決的一項(xiàng)難題。本文針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于高分辨率面陣CCD的連鑄坯表面溫度場(chǎng)在線測(cè)量方法，主要研究工作包括:面陣CCD窄波段光譜輻射測(cè)溫模型的建立、鑄坯表面溫度場(chǎng)視覺(jué)測(cè)量的畸變校正研究、基于多信息融合的鑄坯表面溫度場(chǎng)測(cè)量穩(wěn)定性研究以及測(cè)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新工作如下：
　　(1)高溫場(chǎng)視覺(jué)測(cè)溫模型及溫度標(biāo)定誤差修正模型的建立

3、
　　高溫場(chǎng)視覺(jué)測(cè)溫模型的建立是基于CCD傳感器對(duì)鑄坯表面溫度場(chǎng)進(jìn)行在線測(cè)量的前提。本文在詳述CCD傳感器的基本工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合輻射測(cè)溫理論和幾何應(yīng)用光學(xué)理論，建立了基于CCD窄波段光譜輻射測(cè)溫?cái)?shù)學(xué)模型，系統(tǒng)分析了光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)溫度靈敏度及測(cè)溫范圍的影響，并最終據(jù)此確定了鑄坯表面CCD測(cè)溫系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)。此外，建立了溫度標(biāo)定誤差修正模型，降低了由測(cè)量距離與標(biāo)定距離不一致引起的測(cè)溫誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在大于標(biāo)定距離(2m)進(jìn)

4、行溫度測(cè)量時(shí)，經(jīng)該模型修正后可將溫度測(cè)量誤差從4℃降至為1℃以內(nèi)。
　　(2)基于CCD傳感器鑄坯表面溫度場(chǎng)視覺(jué)測(cè)量畸變校正研究
　　溫度場(chǎng)測(cè)量精度是鑄坯表面測(cè)溫系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，然而CCD傳感器光敏單元響應(yīng)的非一致性以及光學(xué)系統(tǒng)漸暈均會(huì)導(dǎo)致直接測(cè)量得到的溫度場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重畸變，溫度場(chǎng)測(cè)量誤差高達(dá)70℃。對(duì)于光敏單元響應(yīng)非一致性本文借助于傳統(tǒng)的多點(diǎn)分段非均勻性校正算法，校正后灰度非均勻性可降至為1.4‰;而對(duì)于漸暈引起的溫度場(chǎng)

5、測(cè)量畸變這一問(wèn)題，本文詳述了產(chǎn)生這一畸變的原因并建立了溫度畸變數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)地分析了光學(xué)參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)畸變的影響，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的基于場(chǎng)景的漸暈系數(shù)估計(jì)方法，該方法引入多項(xiàng)式模型來(lái)表征漸暈分布函數(shù)，并通過(guò)最大化圖像鄰域灰度梯度的稀疏特性來(lái)獲取模型參數(shù)。與標(biāo)準(zhǔn)的積分球標(biāo)定方法相比，該方法漸暈系數(shù)估計(jì)最大絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別為0.052和10％，對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量誤差小于1℃。
　　(3)基于多信息融合的鑄坯表面溫度場(chǎng)測(cè)量穩(wěn)定性研

6、究
　　鑄坯表面溫度測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性是決定測(cè)量系統(tǒng)是否長(zhǎng)期可靠在線運(yùn)行的關(guān)鍵，而鑄坯表面隨機(jī)分布的氧化鐵皮會(huì)引起溫度測(cè)量結(jié)果波動(dòng)達(dá)±50℃及以上，給溫度測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，本文基于鑄坯凝固傳熱模型對(duì)鑄坯表面溫度場(chǎng)分布的固有特征進(jìn)行分析和提取，并將該分布特征信息與高分辨率CCD探測(cè)器直接測(cè)得的溫度信息相融合，提出了一種溫度場(chǎng)在線重構(gòu)算法?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明該算法可成功重構(gòu)出受氧化鐵皮污染的鑄坯表面真實(shí)亮度溫

7、度信息，可將溫度波動(dòng)降至±5℃以內(nèi)。同時(shí)為解決單一灰度CCD傳感器無(wú)法對(duì)鑄坯表面發(fā)射率進(jìn)行在線補(bǔ)償以及測(cè)量易受工業(yè)灰塵、水汽干擾等問(wèn)題，本文基于窄帶光譜輻射測(cè)溫原理及異尺度數(shù)據(jù)配準(zhǔn)提出了單點(diǎn)比色及面陣耦合測(cè)溫方法，該方法可有效降低由于不同鋼種絕對(duì)發(fā)射率不確定所引起的溫度測(cè)量誤差，且延長(zhǎng)了系統(tǒng)的維護(hù)周期，可使維護(hù)周期≥3個(gè)月。
　　(4)鑄坯表面測(cè)溫精度影響因素分析及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究
　　本文最后對(duì)影響該套系統(tǒng)測(cè)溫精度的CCD

8、暗電流和鑄坯表面發(fā)射率這兩大因素進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在低溫段暗電流會(huì)引起較大溫度測(cè)量誤差，且誤差會(huì)隨CCD傳感器環(huán)境溫度的升高而增大。對(duì)于本套系統(tǒng)在冷干機(jī)和半導(dǎo)體制冷芯片兩級(jí)制冷的保障下，暗電流引起的最大絕對(duì)溫度測(cè)量誤差為2℃，最大相對(duì)溫度測(cè)量誤差為2.7‰，全量程內(nèi)(800～1200℃)其平均溫度測(cè)量誤差和相對(duì)誤差分別僅為0.6℃和0.7‰;而發(fā)射率引起的溫度測(cè)量誤差，本文以GGr15鋼種為例，基于TohruI

9、uchi發(fā)射率計(jì)算模型和在實(shí)驗(yàn)室條件下利用熱電偶對(duì)鑄坯表面溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明在目標(biāo)溫度為1200℃下，用于校正該套系統(tǒng)的比色溫度與熱電偶直接測(cè)得的溫度相比，最大溫度測(cè)量偏差為9℃。最后，本文利用該套系統(tǒng)在連鑄二冷末端針對(duì)小方坯及板坯進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，通過(guò)具體實(shí)例論證了本套測(cè)溫系統(tǒng)溫度測(cè)量的穩(wěn)定性。
　　截止目前，以本文工作為基礎(chǔ)的鑄坯表面測(cè)溫裝置已在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行了近一年，運(yùn)行結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)鑄坯表面溫度的在線穩(wěn)定測(cè)量，為二冷配