采用TCS230颜色传感器的测温方法及实验研究①

赵光艺， 赵光兴

(1.安徽机电职业技术学院，安徽芜湖 241002;2.安徽工业大学数理学院，安徽马鞍山 243002)

高温物体温度测量是冶金工业中一项重要工作，目前采用的接触式测量方法，因其自身的局限性使测温效率不高，已不能满足生产精度越来越高的要求.因此，研究一种可靠的非接触式的测温方式对冶金行业具有十分重要的实际意义.辐射测温中的颜色法测温是通过高温辐射体在其可见光波段内的辐射信息—颜色来反映温度，其具有接触式测量法所不具备的诸多优点.目前很多学者都在应用彩色图象处理技术来实现对高温体温度的远程测量并取得了诸多成效[1].

运用彩色图象处理技术来实现对辐射体温度的远程软测量方法[2]，其测量过程需要处理的数据量非常庞大，很大程度上限制了检测的实时速度和测量精度.因此，深入研究颜色测温方法，开发出一种既具备非接触测温法的优点，又具备极强的实用性和普及性的测温装置，将具有极高的科学和社会意义，由此本文提出基于颜色传感器和低功耗单片机相结合的非接触式颜色测温法.

1 测量原理

颜色测温法是辐射测温的范畴，该方法通过测量物体在可见光波段内的辐射信息(即颜色)来反演温度.辐射测温一般基于Planck辐射定律，当辐射波长小于1μm及温度小于3000k的范围内时，辐射的单色光强度满足:

式中:ελ为单色辐射率;T为绝对温度;λ为波长;c1和c2为物理常数.

辐射测温中，一般选用辐射测量传感器来采集物体在高温时发出的彩色光信息.本文选用的辐射测量传感器是颜色传感器TCS230[3].TCS230在单一芯片上集成了3种由光电二极管构成的红、绿、蓝滤波器，另外还提供了一组不带任何滤波器的光电二极管，可以透过全部的光信息[4].当入射光投射到TCS230上时，通过测量程序控制，可依次选通R，G，B三种滤波器，相应获得三种不同频率的方波，三个频率值分别与RGB三基色的三个色系数相对应.通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上光的颜色信息[9].

在一定的测试距离和光学系统中，若TCS230传感器接收到的辐射能谱为ET(λ)，则R，G，B三个通道是输出为:

该式表明，高温辐射体因自身辐射所表现出来的色彩特征，取决于其辐射光谱.通过TCS230测量辐射体的色系数，再根据上述算法，就可算出物体温度.这就是三基色测温原理[5].

由三基色测温原理得出的式(2)是一个非线性方程组，计算量较大，难以实现实时检测，影响温度的测量精度.对此，项目组对TCS230的光谱响应特性进行了深入分析，提出了一种简化算法，即对高温体进行灰体假设及TCS230作窄带宽假设，这样式(2)方程组求解过程就简化为式(3)，但由此会产生误差，需要进行修正[6].

式中，λR，λG，λB分别表示 R，G，B 三通道光谱响应曲线峰值所对应的波长，kR，kG，kB为比例系数(由R，G，B值和具体光路系统确定);如果取R，G，B中的任意两种色系数，就可以由式(3)求出物体温度，若以式(3)前两方程为例，有:

2 误差分析

TCS230测温的计算公式是在辐射体进行灰体假设和TCS230作窄带宽假设条件下推导的结果，显然温度计算值与实际温度会存在偏差，需要进行修正.

2.1 灰体假设引起的误差的修正

实际被测的高温辐射体通常并非灰体，特别是当两种基色光的波长差距明显时，测出温度的偏差就不可被忽略.从理论上来讲，针对同一温度:TRG，TRB，TGB三个值应是相等的，但实际测量结果并非完全一致.TRG，TRB，TGB虽然与真实温度值有一定偏差，但三者和温度真值之间是具有内在关联的[6].通过相关性分析，可以得到一个修正温度T.

式(5)是一个修正后的计算温度值.

2.2 TCS230光谱响应特性非理想所造成误差的校正

在TCS230测温公式的推导中，作了窄带宽假设，视TCS230的光谱响应特性为理想冲激响应.但实际上颜色传感器的光谱响应特性并不能满足这一假设，由此也会使测量结果产生误差.

当TCS230传感器确定之后，其光谱响应特性也随之被确定下来.测温计算公式中的KRG与温度和TCS230传感特性皆相关，通过标定实验可以确定KRG值，由此可以减小因TCS230光谱响应特性非理想性带来的测量误差[7].

3 实验研究

3.1 测温系统的组成

在实验中，基于TCS230颜色传感器的测温系统的原理如图1所示，主要包括微处理器MSP430控制部分，颜色传感器TCS230，高精度光学高温计、电源模块及光源等部分.

图1 基于TCS230颜色传感器的测温系统的原理图

图2 KRG与ln(G/R)关系曲线

3.2 标定与测试

在1000℃ ～2000℃的温度区间内，我们发现颜色传感器TCS230输出的R，G，B值具有关系:R＞G＞B.测温时采用R－G组合的测温计算公式，针对这范围内的多温度点标定并利用Matlab工具绘出ln(G/R)和KRG的关系曲线，见图2所示.

借助 Matlab工具，运用最小二乘法对ln(G/R)及其对应的KRG数据进行拟合.取拟合次数为5，不但满足了拟合误差小[8]，计算量小，编程简单的要求，而且还易于实现实时检测.由此而获得拟合结果为:

KRG=－ 777.3353 X5－ 2956.7328X4－ 4458.1231X3－3331.0511 X2－1231.5226 X－181.0993(X代表ln(G/R)) (6)

表1 温度计算值与实际测量值比较

实际测温时，利用该关系式和测温公式(4)便可计算出温度.在试验中，我们用标定后的测温公式对[1000℃ ～2000℃]范围内的点进行了测试，测试部分结果如表1.

3.3 结果分析

在测量范围内，测量结果表明该测温方法具有测量曲线线性度较好的特点.颜色传感器TCS230与其他的传感器一样具有一个测量范围，在测量时R，G，B在RGB空间取值不能太大，以免进入饱合区，也不能太小，使测量精度下降.通常根据测量时TCS230输出的 R，G，B 值不超出[2000，62000]的范围来确定测温范围，这样来保证测量温度在该范围内变化时，系统具有足够的测量精度.

由表中数据可以看出，最大相差40.3K，最大相对误差为3.16%，二者吻合良好，优于一般工业精度5%的要求[9].测量系统比较准确地获得加热电炉温度信息，可见基于TCS230设计的测温系统具有较高测量精度.

4 结束语

本文所提出的采用数字式TCS230颜色传感器的测温新方法，通过对颜色传感器所测的R，G，B值用拟合方法获得测量曲线，建立温度测量公式，并运用该方法在实验室对温度可调的加热电炉进行实验研究.实验结果表明，此测温方法原理简单，测量精度较高，可获得满意的线性测量曲线，实现了温度与颜色的线性对应关系，是一种有效的非接触颜色测温方法.

[1]孙元，唐英，等.基于彩色CCD的比色测温校正方法[J].仪器仪表学报，2008，(29):49－54.

[2]袁野，仲崇权，等.基于神经网络的图像颜色测温方法[J].红外与激光工程，2003，32(5):527－530.

[3]张松灿，肖本贤.高分辩率颜色传感器TCS230的原理和应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，3:44－46.

[4]TAOS.TCS230 Programmable Color Light– Frequency Converter，Data Sheet.Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc，2003.

[5]程晓舫，周洲.彩色三基色温度测量原理的研究[J].中国科学[E 辑]，1997，(4):342－345.

[6]赵光艺，赵光兴，栾晓霄.基于颜色实现温度测量的方法及实验研究[J].仪器仪表用户，2010，3:2－4.

[7]刘征，彭小奇，等.彩色CCD比色测温的修正方法[J].工业仪表与自动化装置，2006，(3):22－25.

[8]陈奋策.Matlab在数据处理和数值模拟中的应用[J].福建教育学院学报，2007，1:107－110.

[9]赵光艺，汤代斌，赵光兴.基于TCS230的颜色法测温系统设计[J].赤峰学院学报，2013，2:48－49.