連鑄坯表面溫度場圖像測溫儀的研制與應(yīng)用.pdf

1、移動的鑄坯表面溫度場的在線測量是一個(gè)至今尚未解決的冶金檢測難題。究其原因主要有三個(gè):其一是鑄坯表面溫度場的測量結(jié)果易受松散分布的氧化鐵皮影響而產(chǎn)生高達(dá)70K左右的劇烈波動，這種影響無法通過單點(diǎn)測溫儀消除而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測量;其二是溫度梯度大。不同鑄坯表面溫度梯度可達(dá)400K，即使某種特定的鑄坯，其梯度也高達(dá)200K。CCD較窄的動態(tài)范圍致使商業(yè)影像相機(jī)無法對其各個(gè)溫度段實(shí)現(xiàn)等精度測量。其三是因?yàn)殍T坯表面發(fā)射率的不確定性而難以實(shí)現(xiàn)溫度的準(zhǔn)確測量

2、。
　　鑄坯表面溫度是連鑄過程中的一個(gè)重要參數(shù)。它是優(yōu)化拉坯速度、確定二次冷卻強(qiáng)度和判斷液相穴深度的關(guān)鍵判據(jù)，實(shí)現(xiàn)鑄坯表面溫度場的在線測量對優(yōu)化二冷制度和提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。
　　為解決鑄坯表面溫度場測量問題，本文研制了基于面陣CCD和DSP的嵌入式單光譜和差分多光譜圖像測溫儀。主要研究工作包括:圖像測溫機(jī)理模型和等精度補(bǔ)償模型的建立與分析、CCD動態(tài)測溫范圍的擴(kuò)展、分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及DSP模塊的8層PCB設(shè)計(jì)、6級流水線

3、架構(gòu)優(yōu)化與調(diào)度、視頻采集時(shí)序及驅(qū)動方案制定、測溫精度與實(shí)時(shí)性改善、溫度場信息的合理提取、儀器測試與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)。其研究內(nèi)容與創(chuàng)新工作如下：
　　(1)建立了面陣CCD多光譜圖像測溫模型
　　為了對圖像測溫儀的設(shè)計(jì)和性能分析提供理論指導(dǎo)，在對輻射測溫和CCD光電變換原理深入分析的基礎(chǔ)上，建立了基于窄帶濾光片的單色、雙色和三色圖像測溫模型。這為本文提出的基于動態(tài)自適應(yīng)光積分時(shí)間的測溫方法、濾光片波長選擇及儀器標(biāo)定提供了科學(xué)依據(jù)。通過

4、模型，定量分析了因目標(biāo)發(fā)射率偏離灰體模型或設(shè)定值而導(dǎo)致的測溫誤差。仿真結(jié)果表明當(dāng)濾光片工作波長分別為0.71μm、0.82μm和0.93μm時(shí)，三色法較雙色法具有更小的誤差和更高的靈敏度。此外，模型指出單色法測量精度與測溫距離和CCD像素的空間位置有關(guān)，而多色測溫法則具有與距離和像素空間位置的無關(guān)性。
　　(2)實(shí)現(xiàn)了圖像測溫儀的等精度測量
　　為了消除測距變動和像素差異對測溫精度的影響，建立了單光譜圖像測溫儀的距離誤差補(bǔ)償

5、模型和平面精度非一致性補(bǔ)償模型。前者定量描述了因目標(biāo)與系統(tǒng)的實(shí)際距離偏離標(biāo)定距離而導(dǎo)致的測溫誤差，后者則以CCD中心標(biāo)定像素作為參考基準(zhǔn)，量化了該像素與其它像素之間測溫精度（平面精度）的差異性。針對CCD測溫范圍窄及低溫段噪音較高的問題，提出了基于動態(tài)自適應(yīng)光積分時(shí)間的測溫方法。該方法根據(jù)不同鋼坯的表面溫度分布自動選擇一個(gè)最佳光積分時(shí)間，可將CCD的動態(tài)測溫范圍擴(kuò)展至400K以上，低溫段的線性度改善3.5倍，噪音敏感度降低4.5倍，致使

6、整個(gè)溫度段趨于等精度分布，有效解決了大梯度溫度場的測量難題。
　　(3)差分多光譜CCD圖像測溫儀的研制
　　為減小發(fā)射率的不確定性和CCD暗電流對測溫精度的影響，在本文開發(fā)的單光譜CCD圖像測溫儀的基礎(chǔ)上提出了一種新型的差分三光譜圖像測溫方法。深入分析了最佳波長的選擇原則及其對儀器性能的影響;設(shè)計(jì)了斬光式分光結(jié)構(gòu)和以高速DSP為內(nèi)核的嵌入式熱圖像采集及信號處理電路系統(tǒng);制定了基于RAW格式視頻采集控制時(shí)序及其驅(qū)動方案;采用

7、帶偏置量的PID調(diào)節(jié)算法實(shí)現(xiàn)了斬光碼盤的快速同步控制。最終完成了差分式多光譜圖像測溫儀原型機(jī)的制作。該原型機(jī)通過斬光器和DSP在同一CCD上順序采集一幀暗圖像和三幀單色熱圖像，其中熱圖像構(gòu)成了三光譜圖像測溫的物理基礎(chǔ)，通過與暗圖像在線差分可將CCD暗電壓降低4倍。
　　(4)提高測溫儀精度和實(shí)時(shí)性方法研究
　　精度和實(shí)時(shí)性是測溫儀的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。本文分析了影響圖像測溫儀精度的主要因素有CCD傳感器的暗電流、隨機(jī)噪聲以及復(fù)

8、位噪聲，并分別采取像素或圖像差分法、空間數(shù)字濾波法以及CDS電路對其進(jìn)行有效抑制。由于圖像測溫儀信息處理量大且算法復(fù)雜，系統(tǒng)由本地測溫儀和遠(yuǎn)程PC組成6級并行流水線結(jié)構(gòu)并配合改進(jìn)的以太網(wǎng)通訊機(jī)制和多線程技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)處理能力。測試結(jié)果表明圖像采集頻率可達(dá)18幀/秒，單光譜和三光譜測溫儀有效測量周期分別為0.3秒和0.8秒，滿足溫度場測量的實(shí)時(shí)性要求。
　　(5)鑄坯表面溫度場真實(shí)信息的提取
　　為了消除氧化鐵皮對鑄坯表面溫

9、度場測量結(jié)果的擾動，提出了空間數(shù)字濾波方法。該方法首先從圖像測溫儀的原始溫度場測量結(jié)果中提取各行像素傳感器陣列測得的溫度極值，經(jīng)列重組后得到沿鑄坯寬度方向含有噪聲的溫度梯度分布，然后將這個(gè)分布值抽象為單一像素傳感器的時(shí)域信息，再經(jīng)過離散傅里葉變換(DFT)和截止頻率為8Hz的低通濾波器進(jìn)行降噪處理，以抑制氧化皮和CCD隨機(jī)噪聲對測溫結(jié)果產(chǎn)生的波動，最終實(shí)現(xiàn)鑄坯表面溫度場真實(shí)信息的準(zhǔn)確提取。
　　基于以上研究工作，本文研制的CCD圖

10、像測溫儀借助于高溫黑體爐和光積分球裝置通過最小二乘法對儀表系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，并對儀器的性能指標(biāo)及機(jī)理模型進(jìn)行了測試與驗(yàn)證。結(jié)果表明:與傳統(tǒng)的定積分時(shí)間法相比，自適應(yīng)光積分時(shí)間方法將低溫段的噪音敏感度降低了4.5倍，在1073～1473K范圍內(nèi)，測溫結(jié)果趨于等精度分布;經(jīng)模型補(bǔ)償后，圖像測溫儀平面精度差異僅為2.7K，測距變化導(dǎo)致的測溫誤差為1.9K?，F(xiàn)場對GGr15鋼種的鑄坯進(jìn)行了測試并通過空間數(shù)字濾波算法有效消除了氧化皮的影響，獲得了其