基于CCD图像传感器的火焰温度场测量的研究

2014-04-04郭凯卢山鹰

物联网技术 2014年3期

郭凯+卢山鹰

摘要：研究了比色测温法的原理，推出了计算高温物体温度场的计算公式，并运用图像处理技术得到了高温物体表面的温度分布。同时以酒精灯火焰作为研究对象，通过彩色CCD工业相机和图像采集卡设置图像的各种参数，将火焰的数字图像采集到计算机，在对图像进行预处理后计算出火焰图像的温度场，最终生成了相应的等温线。

关键词：比色测温；图像处理；温度场；等温线

中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0033-03

0 引言

温度是工业生产过程中的重要参数，能够准确实时地检测温度是减少资源浪费以及提高产品质量的有效手段。基于CCD图像传感器的测温技术是综合利用图像检测技术、数字图像处理技术和辐射测温技术的新型测温技术，具有费用低廉、精度较高、操作简单的优点，并且能够测量出整个高温物体表面的温度场，稳定性也相当好，可广泛应用于热电站、金属焊接、水泥窑炉、玻璃窑炉及某些冶金炉等场合，其应用前景十分广阔[1]。本文在研究比色测温法的原理以及对高温物体表面温度计算公式推导的基础上，利用酒精灯火焰作为研究对象，构建了测温系统的模型，编写测温软件得到酒精灯火焰的温度场分布，并画出相应的等温线。

1 测温的基本原理和方法

1.1 热辐射测温原理

热辐射是由于物体具有温度而辐射电磁波的现象，这种电磁波是由物体内部微观粒子在运动状态改变时所激发出来的。一切温度高于绝对零度的物体都能发射出电磁波，从而产生热辐射[2]。根据普朗克定律和维恩位移定律，当物体的辐射波长很小时，非黑体的辐射亮度和波长之间的关系可以用维恩公式表示为：

（1）

式中，λ为物体的辐射波长，T为物体的温度，ε（λ，T）为非黑体的发射率，C1为第一辐射常数，C2为第二辐射常数。从维恩公式可以看出，辐射体的光谱辐射亮度是波长和温度的函数。

1.2 基于CCD传感器的比色测温法

比色测温法根据物体在两个波长的光谱辐射亮度的比值与被测温度之间的函数关系，通过公式变换和推导来计算出温度值。火焰的彩色图像在计算机内，以像素为单位逐点存储，每一像素点存储的信息量都包括了该像素点的亮度值RGB三基色分量[3]。而彩色CCD三基色的通道输出值与辐射体的单色辐射亮度在一定范围内成线性关系，若保持CCD传感器工作于线性区，对CCD光谱响应特性作理想化的单色响应假设，并运用积分中值定理，可得：

（2）

该公式中，R、G、B分别为彩色CCD的三通道输出值，A为CCD的器件响应特性参数，r（λ）、g（λ）、b（λ）分别为彩色CCD的三基色信号的光谱响应特性函数，Kr、Kg、Kb分别为CCD彩色相机的三基色通道响应系数。对公式（2）变形整理，可得到：

（3）

根据式（1）得到它们辐射亮度比值为：

（4）

那么根据式（3）、（4）的等号右边部分相等，取对数变换整理得：

（5）

由于绝大多数实际物体的光谱发射率在较窄的波段范围内变化不大，可以近似认为：

[4]

令为CCD器件响应系数，可得到比色测温的公式：

（6）

2 构建测温系统

该测温系统由彩色CCD相机、图像采集卡、计算机和相应计算软件组成，基于CCD图像传感器的测温系统的构建框图如图1所示。

图1 CCD测温系统框图

本系统测量温度的具体过程为：彩色CCD相机通过USB数据线连接到计算机上，完成对高温辐射体的光电转换过程，软件的图像采集部分通过计算机上的图像采集卡对模拟视频信号进行实时采集和A/D（模数）转换，使其转换为数字图像信号存储到计算机上。测温软件的预处理和测温部分对采集到的数字图像进行分析和处理，并完成对图像的每个像素点的温度的计算和温度场的处理，从温度场中得到温度的最大最小值、平均温度以及完成对等温线的绘制。

3 测温系统的软件设计

本系统的软件部分主要由图像采集、图像预处理和温度场计算3部分组成，测温软件的系统结构如图2所示。图像采集部分完成对高温物体的单帧采集、序列帧采集、录像功能，并能够通过数据流回调在界面中实时地显示对视频图像的采集和处理。图像预处理包括图像滤波和图像分割，图像滤波用来排除噪声的干扰，图像分割则把图像中的背景和目标体分离出来[5]。温度场计算需要先把目标图像区域的温度值计算出来形成对应的温度矩阵，然后对温度矩阵进行处理，并画出等温线。

图2 测温软件的系统结构

本文研究的是根据CCD相机拍摄的热辐射图像来计算温度场的分布，因此在对高温目标的数字图像进行处理时，应避免采用或者尽量减小可能会引起图像的色彩信号失真的数字图像处理过程。首先完成对图像采集的设置，设置视频流参数和图像的大小，以避免可能导致图像色彩信号失真的数字图像处理过程，接着设置初始化标定数据，以便带入测温公式进行计算。为排除CCD相机的各种噪声干扰，需要对图像进行噪声处理，然后需要完成目标的区分而使用图像分割技术，将高温被测物体与背景分离，将识别出来的高温物体表面的图像的每一点的像素值提取出来带入测温公式计算，这样得到了整个高温目标区域的温度矩阵。对该温度矩阵处理可以得到温度场中的温度的最大值、最小值、平均值，并且使用三角形网格自动生成等值线的算法完成等温线的追踪和绘制[6-8]。该测温软件的程序流程图如图3所示。

图3 测温系统的程序流程图

4 实验结果

实验中采用酒精灯火焰作为研究对象，对酒精灯火焰的温度场分布作了计算和处理来验证该测温系统。通过彩色CCD相机连续拍摄酒精灯火焰图像，测温软件的采集部分结合图像采集卡将模拟的视频信号转化为数字图像信息存储到计算机上，然后进行图像预处理，完成对温度场的计算，最后根据等值线的追踪和绘制算法绘制出等温线。根据测温软件得到的酒精灯火焰的测温结果如图4所示。

图4 测温软件对火焰图像的处理结果

从图4中可以看到，图像中画出了等温线，不同的温度用不同颜色的等温线来表现，同时在等温线线上对温度值进行了标注，并且可以得到酒精灯火焰图像的平均温度、最高温度和最低温度。鼠标点击图像上的某一个点，将该点的坐标提取出来并转换为相对于图像的坐标，在温度矩阵中取出对应点的温度值并显示出来。

5 结语

实验结果表明，通过比色测温法建立的CCD比色测温系统能够简单快速地计算出酒精灯火焰的温度场分布，使用该测温软件计算出近似温度值，显示出等温线，能直观地显示不同亮度下火焰的温度场。对在温度场的测量过程中产生的误差，需要对测温软件进行进一步的标定和校正，以提高精度。

参考文献

[1]戴景民. 辐射测温的发展现状与展望[J]. 自动化技术与应用，2004，23（3）：1-7.

[2]由富恩. 辐射测温仪原理及其检定[M]. 北京：中国计量出版社，1990.

[3]李玉晓，；李晟. 基于彩色CCD的高温温度场软测量系统的设计[J]. 江西理工大学报，2012，33（1）：48-55.

[4]周海叶，彭小奇，宋海鹰. 插值标定的CCD比色测温方法[J]. 能源技术，2004，25（3）：93-95.

[5]孙燮华. 数字图像处理—Visual C#.NET编程与实验[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[6]成建梅，陈崇希，孙红林. 三角网格等值线自动生成方法及程序实现[J]. 水利学报，1998，43（10）：23-26.

[7]余明辉，万远扬，余飞. 一种绘制等值线图的新方法[J]. 武汉大学学报，2006，39（3）：52-54.

[8]郭新奇，严建钢，杨士峰. 基于VC++的等值线追踪与填充算法[J]. 兵工自动化，2011，30（4）：81-84.

Research on flame temperature field measurement based on CCD image sensor

GUO Kai， LU Shan-ying

（School of Electronic Information Engineering ， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： The principle of colorimetric thermometry is studied， the formula for the temperature field of the high temperature object is deduced， and the temperature distribution of high temperature object is obtained with image processing technology. Taking the flame of alcohol burner as the research object， the parameters are set through color CCD camera and image acquisition card， and the digital images of flames are captured to computer， after the image preprocessing， the temperature field of the flame images are calculated， and the relevant isotherms are generated.

Keywords： colorimetric thermometry； image processing； temperature field； isotherm