论文摘要
移动的铸坯表面温度场的在线测量是一个至今尚未解决的冶金检测难题。究其原因主要有三个：其一是铸坯表面温度场的测量结果易受松散分布的氧化铁皮影响而产生高达70K左右的剧烈波动,这种影响无法通过单点测温仪消除而实现稳定测量；其二是温度梯度大。不同铸坯表面温度梯度可达400K,即使某种特定的铸坯,其梯度也高达200K。CCD较窄的动态范围致使商业影像相机无法对其各个温度段实现等精度测量。其三是因为铸坯表面发射率的不确定性而难以实现温度的准确测量。铸坯表面温度是连铸过程中的一个重要参数。它是优化拉坯速度、确定二次冷却强度和判断液相穴深度的关键判据,实现铸坯表面温度场的在线测量对优化二冷制度和提高铸坯质量具有重要意义。为解决铸坯表面温度场测量问题,本文研制了基于面阵CCD和DSP的嵌入式单光谱和差分多光谱图像测温仪。主要研究工作包括：图像测温机理模型和等精度补偿模型的建立与分析、CCD动态测温范围的扩展、分光系统结构及DSP模块的8层PCB设计、6级流水线架构优化与调度、视频采集时序及驱动方案制定、测温精度与实时性改善、温度场信息的合理提取、仪器测试与现场实验。其研究内容与创新工作如下：(1)建立了面阵CCD多光谱图像测温模型为了对图像测温仪的设计和性能分析提供理论指导,在对辐射测温和CCD光电变换原理深入分析的基础上,建立了基于窄带滤光片的单色、双色和三色图像测温模型。这为本文提出的基于动态自适应光积分时间的测温方法、滤光片波长选择及仪器标定提供了科学依据。通过模型,定量分析了因目标发射率偏离灰体模型或设定值而导致的测温误差。仿真结果表明当滤光片工作波长分别为0.71μm、0.82μm和0.93μm时,三色法较双色法具有更小的误差和更高的灵敏度。此外,模型指出单色法测量精度与测温距离和CCD像素的空间位置有关,而多色测温法则具有与距离和像素空间位置的无关性。(2)实现了图像测温仪的等精度测量为了消除测距变动和像素差异对测温精度的影响,建立了单光谱图像测温仪的距离误差补偿模型和平面精度非一致性补偿模型。前者定量描述了因目标与系统的实际距离偏离标定距离而导致的测温误差,后者则以CCD中心标定像素作为参考基准,量化了该像素与其它像素之间测温精度(平面精度)的差异性。针对CCD测温范围窄及低温段噪音较高的问题,提出了基于动态自适应光积分时间的测温方法。该方法根据不同钢坯的表面温度分布自动选择一个最佳光积分时间,可将CCD的动态测温范围扩展至400K以上,低温段的线性度改善3.5倍,噪音敏感度降低4.5倍,致使整个温度段趋于等精度分布,有效解决了大梯度温度场的测量难题。(3)差分多光谱CCD图像测温仪的研制为减小发射率的不确定性和CCD暗电流对测温精度的影响,在本文开发的单光谱CCD图像测温仪的基础上提出了一种新型的差分三光谱图像测温方法。深入分析了最佳波长的选择原则及其对仪器性能的影响；设计了斩光式分光结构和以高速DSP为内核的嵌入式热图像采集及信号处理电路系统；制定了基于RAW格式视频采集控制时序及其驱动方案；采用带偏置量的PID调节算法实现了斩光码盘的快速同步控制。最终完成了差分式多光谱图像测温仪原型机的制作。该原型机通过斩光器和DSP在同一CCD上顺序采集一帧暗图像和三帧单色热图像,其中热图像构成了三光谱图像测温的物理基础,通过与暗图像在线差分可将CCD暗电压降低4倍。(4)提高测温仪精度和实时性方法研究精度和实时性是测温仪的两个重要性能指标。本文分析了影响图像测温仪精度的主要因素有CCD传感器的暗电流、随机噪声以及复位噪声,并分别采取像素或图像差分法、空间数字滤波法以及CDS电路对其进行有效抑制。由于图像测温仪信息处理量大且算法复杂,系统由本地测温仪和远程PC组成6级并行流水线结构并配合改进的以太网通讯机制和多线程技术,以提高数据处理能力。测试结果表明图像采集频率可达18帧／秒,单光谱和三光谱测温仪有效测量周期分别为0.3秒和0.8秒,满足温度场测量的实时性要求。(5)铸坯表面温度场真实信息的提取为了消除氧化铁皮对铸坯表面温度场测量结果的扰动,提出了空间数字滤波方法。该方法首先从图像测温仪的原始温度场测量结果中提取各行像素传感器阵列测得的温度极值,经列重组后得到沿铸坯宽度方向含有噪声的温度梯度分布,然后将这个分布值抽象为单一像素传感器的时域信息,再经过离散傅里叶变换(DFT)和截止频率为8Hz的低通滤波器进行降噪处理,以抑制氧化皮和CCD随机噪声对测温结果产生的波动,最终实现铸坯表面温度场真实信息的准确提取。基于以上研究工作,本文研制的CCD图像测温仪借助于高温黑体炉和光积分球装置通过最小二乘法对仪表系数进行了标定,并对仪器的性能指标及机理模型进行了测试与验证。结果表明：与传统的定积分时间法相比,自适应光积分时间方法将低温段的噪音敏感度降低了4.5倍,在1073～1473K范围内,测温结果趋于等精度分布；经模型补偿后,图像测温仪平面精度差异仅为2.7K,测距变化导致的测温误差为1.9K。现场对GGr15钢种的铸坯进行了测试并通过空间数字滤波算法有效消除了氧化皮的影响,获得了其表面温度场的梯度分布。研究结果表明,原型机不仅能够满足铸坯表面大梯度温度场等精度测量的需要,还可推广到其它高温场测量领域,具有很好的应用前景。
论文目录
相关论文文献
标签：多光谱图像测温仪论文; 铸坯表面温度论文; 等精度测量论文; 空间数字滤波论文;