基于matlab热处理温度非接触式测量系统设计研究①

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1、第３７卷第４期西南大学学报(自然科学版)２０１５年４月Vol?３７No?４JournalofSouthwestUniversity(NaturalScienceEdition)Apr?２０１５DOI:１０?１３７１８/j?cnki?xdzk?２０１５?０４?０２７基于MATLAB热处理温度非接触式测量系统设计研究①龚恒,张建军,陈睿西南大学工程技术学院,重庆４００７１５摘要:在数字图像处理技术应用于温度非接触式测量原理研究的基础上,建立目标物辐射图像灰度值有关物体温度和辐射波长的函数关系式．基于MATLAB软件平台和热辐射原理和光学成像原理,运用GUI编程设计了一套碳钢热处理温度非接触式测量系

2、统,实现对加热工件温度的非接触测量,该系统可实时完成对目标物图像采集存储和处理,并同时完成温度和误差计算,实验表明,该系统可实时测量高温工件温度,动态响应好,热惯性低,抗干扰性和精度较高．关键词:非接触式;温度测量;MATLAB;实时中图分类号:TP２７４＋?２文献标志码:A文章编号:１６７３９８６８(２０１５)０４０１６４０６[１]目前金属热处理主要使用热电偶系统来测量加热炉内温度,虽然热电偶价格便宜,并且测量精度高,但也有诸多缺点:①对测量仪器及感温元件在恶劣环境下的使用寿命及性能的稳定性提出了更高的要求;②被测物体或介质的温度场分布不均匀,增加了温度测量的误差;③动态响应性能较差,测温惯

3、性大;④只能实现对加热介质某点温度测定,无法得到感应加热、微波加热等加热工件的准确温度．目前常[２]见的非接触式测温仪器有光学高温计和红外热像仪等,但是测温范围有限、价格高,同时相对恶劣的工业生产环境也会影响其测量精度．因此,热处理行业生产需研发一种可实时测定物体表面温度并且精度高的测温设备,这对进一步提高加热效率、优化加热过程等具有重要意义．[５]近年来,国内外诸多专家学者基于数字图像处理方法,应用单色法、比色法对高温炉、高温熔体、流[３－４]体、水泥回转窑等弥散介质的高温检测展开了研究．基于数字图像处理技术的非接触式测温技术是基于CCD图像传感器,综合应用光电图像检测技术、数字图像处理技术

4、和热辐射理论的一种新型测温方法．该方法具备非接触式测量的所有优点,即响应快、不破坏被测温度场、测温范围大等优点．本文在数字图像处理技术应用于温度非接触式测量原理研究的基础上,基于MATLAB软件平台,运用GUI编程语言设计了一套测温系统,该系统可实现对目标物图像的实时采集及存储、实时处理及温度测量,同时进行误差分析．１非接触式测温原理温度是物体内分子热运动强弱程度的宏观体现,分子热运动均随温度升高而加剧．温度高于绝对零①收稿日期:２０１４０５０７基金项目:重庆市科技攻关计划项目(CSTC,２０１１AC１０１６);重庆市应用开发计划重点项目(CSTC,２０１３yykfB７０００２);国家自然科学

5、基金(５１２０１１４０)．作者简介:龚恒(１９８９),男,湖北天门人,硕士研究生,主要从事机电控制和数字信号处理方面的研究．通信作者:张建军,副教授,硕士研究生导师．２西南大学学报(自然科学版)http://xbbjb?swu?cn第３７卷度的任何物体,其内部分子或原子都有自动向低能级跃迁的趋势,在此跃迁的过程中都会以电磁波的形[６－７]式不断地向外辐射出多种频率的热量,辐射通量按辐射光波波长呈稳态分布,大小只与加热物体自身温度有关．２２πchE(λ０,T０)＝hc/λ０kT０５(e－１)λ０式中:E(λ,T)表示当加热物体绝对温度为T,辐射出波长为λ时光谱的出射强度,单位为W/m?m２;００

6、００８λ０表示辐射光谱波长,单位为m;T０表示温度,单位是K;c＝３?０×１０m/s,表示光在真空中的速度;－３４－２３h＝６?６２６１×１０J?s,为普朗克常数;k＝１?３８０７×１０J/K,为波尔兹曼常数．若在CCD摄像机镜头前加装一个工作波长为λs滤光片,即可得到在该波长下CCD摄像机输出图像的[８]灰度值:２１æ２aöY(λs)K(λs)ε(λs,T)c１Hs＝ημt?ç÷?４èøc２/λsT５f′(e－１)λs式中:η由加热物体炉标定得到,μ为CCD感光元件光电转换特性值,ε(λs,T)为光谱发射率,根据假设条件,此处为一定值,Y(λs)由CCD摄像机对波长为λs光谱辐射响应特性值,

7、K(λs)则为镜头的透光率,２at、则由摄像机设定．f′令２１æ２aöτλs＝ημt?ç÷?Y(λs)?K(λs)４èf′ø对于某一测温系统而言,τ是恒定的．λs则ε(λs,T)c１Hs＝τ?λsc２/λsT５(e－１)λs由此得到了目标物辐射图像灰度值关于物体温度和辐射波长的函数关系式．通过在镜头前安装不同波段的滤光片,从而获得相同温度下,不同波长的辐射图像的灰度值,由于ε(λR,T)?ε(λB