基于CCD的焊接温度场实时检测系统

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摘要电子束钎焊是宇航工业和原子能工业精密机械加工所采用关键技术之一现代航空技术的发展对焊接质量提出了进一步要求实现焊接过程的自动化与智能化显得十分必要真空电子束钎焊综合了电子束加工与真空钎焊的优点它利用散焦扫描电子束作为热源在真空中对零件表面待钎焊的局部进行加热电子束钎焊技术的关键一是提高加热表面温度场的均匀性二是控制钎焊过程中钎焊面的升温与冷却速度因此实现实时检测和控制焊接温度是焊接技术的主要内容近些年来国内外已经开展焊接温度检测方面的研究工作但研究成果与实际应用差距较大因而焊接温度场实时检测问题已成为焊接技术领域中急需解决的课题之一本文在简要描述了电子束钎焊的原理和温度场常用检测方法的基础上介绍了电子束钎焊温度场实时检测系统的测量原理系统的整体结构和软件的功能其中比较详细的介绍CCD摄像机在电子束钎焊温度场检测应用中的原理和功能测温方法的选取及其软件的编程工作另外还着重分析讨论了电子束钎焊过程中影响测温的几个重要因素以及减小误差的方法文中通过实验验证了该系统的功能并对数据进行了分析为进一步研究打下了坚实的基础根据电子束钎焊的特殊现场环境设计了一套全新的实时温度场测量系统这是本项目的一个特点该系统中将图像采集卡自带的函数库应用到软件编制中从而方便了采集系统的开发缩短了开发的周期增加了软件的灵活性和可靠性在测温方案的选取中摒弃了通常温度场检测中直接使用温度公式的方法采用的方法为通过数据采集处理得到数学模型来进行温度计算同样取得了较理想的结果关键词电子束钎焊电荷耦合器件温度场检测图像采集卡II AbstractThejointingofelectronbeamisoneofthekeytechnologyadoptedinthespaceindustryandtheprecisionmachiningindustry.Thedevelopmentofthemodernspacetechnologyrequiresthequalityofjointingbetter.Itisnecessarytorealizetheautomatizationandintelligenceintheprocessofjointing.Thejointingofelectronbeaminthevacuumcolligatethevirtueoftheelectronbeammachiningandjointinginthevacuum,itusesthescanningelectronbeamthatisdispersedastheheatfountain,andinthevacuumheatsupthepartofthehardwarethatistobesealed.Thekeytechnologyofthejointingofelectronbeamincludestwoaspects.thefirstistoimprovetheequalityofthetemperaturefieldthatisheating,thesecondistocontroltherisinganddroppingofthetemperatureofthejointingsurfaceintheprocessofthejointing.ThustheReal-timeexaminationandcontrolofthejointtemperatureisthemostelementarytaskintheprocessofthejointingtechnology.Thejointingworkersinandoutsideofourcountryhavedevelopedtheresearchintheexaminingofthejointingtemperature,butthereisafewdifferencebetweenthestudyandtheapplication,andsothereal-timeexaminingprobleminthejointingtemperaturefieldhasbeenoneoftheproblemthatismustbesolvedasearlyaspossibleinthefieldofthejointingtechnology.Thispaperdescribestheprincipleofthejointingofelectronbeamandsomeexaminingmethodsofthetemperaturefield,andonthebaseofthatintroducesmeasurementprincipleofthereal-timeexaminingsystemofthejointingtemperaturefieldwithelectronbeam,thewholestructureofthesystemandthefunctionofsoftware.ItputsemphasisontheprincipleandthefunctionoftheCCDvidiconintheapplicationofthejointingofelectronbeam,theselectingofthemethodofexaminingtemperatureandthecomposingofthesoftware,inadditionitanalyzesanddiscussesseveralimportantfactorsinfluencingthetemperatureexaminationandthewaytoinducetheerrors.Manyexperimentsaredonetoimprovethefunctionofthesystemanddataoftheexperimentsareanalyzedandsatisfyingresultsaregot.Thereisonecharacteristicthatwedesignanewmeasuringsystemaccordingtotheparticularityoftheweldingofelectronbeam.Itapplythefunctionwiththegatheringcardtotheprogrammingandsoitreducesthedevelopingperiod,improvestheflexibilityandreliabilityofthesoftwareto;thesystemdoesn’tusetheformulaoftemperatureinthetemperaturefieldexaminingasusualbutitcomputethetemperatureaftergettingthemodelthroughgatheringandprocessingofthedataandgetbetterresults.Keywords:jointingofelectronbeamCCDtemperaturefieldmeasuringimagegatheringcardIII 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果近我所知除文中已标明引用的内容外本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名樊志伟日期2005年5月11日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在______年解密后适用本授权书本论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名樊志伟指导教师签名张朴日期2005年5月11日日期2005年5月11日I 1绪论温度是热物理量测量中的一个重要参数它与物体内部分子运动的平均大小动能有关表示了物体的冷热程度在我国的工业生产过程中温度测量一直占有非常重要的地位准确地对温度进行测量能够提高工业生产的安全性对提高工业产品的质量品质保护生态环境改善工人工作条件也具有重大意义正是由于温度测量的重要性我国的科技工作者长期以来一直致力于温度测量方法的研究开发工作也取得了很多重要成果但是由于热传播的形式以及被测量对象的复杂性和多样性在很多场合温度的测量仍然很困难1.1课题研究意义焊接技术是精密机械加工所采用的关键技术之一现代航空技术的发展对焊接质量提出了进一步要求实现焊接过程的自动化与智能化显得十分必要而焊接过程信息的实时检测是实现自动化与智能化的基础提高焊接质量的关键一是提高加热面温度场的均匀性二是控制焊接过程中被焊接工件的升温与冷却速度因此实时检测和控制焊接温度是焊接技术发展中的最重要的课题近些年来国内外的一些焊接工作者已经开展焊接温度检测方面的研究工作但研究成果与实际应用差距较大因而焊接温度场实时检测技术是焊接技术领域中急需解决的国际前沿课题之一1.2常用温度场测量方法综述多年来研究者们基于物体的某些物理化学性质(例如物体的几何尺寸颜色电导率热电势和辐射强度等)与温度的关系开发了形式多样的温度测量方法及装置[1]综合温度测量的现状按测量方式可分为接触式和非接触式两大类接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场或者介质中不受黑度热物理性参数等性质的影响具有测温精度高使用方便等优点但是对于瞬态脉动特1 性的对象接触式测温方法难以作为真正的温度场测量手段主要是由于接触法得到的是某个局部位置的信号如果要得到整个温度场信号必须在温度空间内进行合理的布点才可以根据相应的方法(如插值法等)获得对温度场的近似另外大多数接触式测温装置的动态特性不够理想难以表现温度的快速变化和温度脉动因[2]此其应用场合仅限于关键部位的检测常用的接触式测温方法有1)电偶测温法热电偶测温法是最常用的接触式测温法热电偶是用两种不同导体(或者半导体)组成的闭合回路两端接点分别处于不同温度环境中与当地达成热平衡时会产生热电势标定后可用来测量温度热电偶测温有较高的准确度和重复性它能把温度信号转变成电信号便于信号的远传实现多点切换和接入自动控制系统热电偶测温装置简单易于操作及维护因此热电偶广泛应用于工业燃烧的生产和科研中2)黑体腔式热辐射高温计也称为接触式光纤高温计是近十几年来随着光纤技术发展起来的一种新型的接触式测温方法它是通过选择耐高温可达1900~2000度的蓝宝石单晶光纤作为基体材料在其端部涂覆铱等金属薄膜构成黑体腔将其伸入高温火焰中达成局部热平衡依据黑体腔内产生自发热辐射并经普通石英光纤将辐射能传送到监测系统利用双色测温法测量出当地温度这种方法结合接触测温和非接触测温法的优点具有不存在光学窗口被污染和不受背景杂光干扰易于操作的优点与热电偶测温方式相比具有测温上限高精度高动态响应快的优势它拓宽了接触式测温方式在高温领域的应用范围具有良好的应用前景非接触式测温方法分为两大类一类是通过测量介质的热力学性质参数求解温度(如声学法)另一类是利用高温介质的辐射特性通过光学法来测量温度场非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触不会破坏被测介质的温度场和流场同时感温元件传热惯性很小因此可用于测量不稳定热力过程的温度其测量上限不受材料性质的影响可在工业炉焊接火箭发动机等高温场合应用但其工作时必须要有可供热辐射光谱传播的通道(光路)即非接触测量方法通常需开设光学窗口窗口的透过率经常由于局部污染而造成不均匀性的减弱这增加了温度测量的困难下面介绍几种用于科研和工程中的非接触式测温法2 1)声学法该方法利用声波在气体介质中传播时其速度或频率与温度的关系来求解温度值原理如下对于理想气体声速V与气体温度T存在一下关系fV=KRTM(1.1)f式中K为气体的比热系数R为普适气体常数M为气体的平均摩尔质量因此只要测得声源发出的声波通过火焰的速度V便可由公式计算得到火焰的温度T但是这样获得的温度是声脉冲所穿过的路径上温度的平均值而不是空f间某点的温度值声学高温计是作为一种使用方便的炉内温度场实时监测工具在大型锅炉的断面温度测量和炉膛结渣等故障的诊断方面已有了一些实用实例2)激光光学测温法激光技术的出现开辟了火焰温度测量的新领域经过短短十几年先后已开发成功多种火焰温度测量方法其中以及光喇曼(Raman)散射测温法运用最广当一束频率为l的单色光入射到火焰介质上时除了产生频率不变的Rayleigh0散射或者Mie散射外有一小部分散射光还会发生频率变化变成频率为l+l的0R新光信号我们称之为喇曼效应每种气体组分的喇曼光谱可由入射光的频率和散射分子的组份唯一确定因此喇曼光谱在燃烧介质温度及气体组份浓度的测量中得到了广泛的应用3)辐射式测温法辐射式测温按传感原理可分为热电光电热敏探测三类热敏探测常以热电偶和热敏电阻作敏感元件可感受整个波段的热辐射具有温度测量准确结构简单的特点但动态响应较差光电探测器其光谱响应的范围主要有敏感器件的材料决定而热电探测仅用于动态温度测量辐射式点温测量技术已发展相当成熟采用点扫描技术可实现对温度分布的测量但辐射式测温[5][6]受传感器位置变化影响较大使得测量系统结构较复杂文章的后面将进行详细介绍3 1.3本课题研究内容本课题是在对以真空电子束钎焊为代表的焊接热过程大量研究的基础上基于普朗克辐射定理等热辐射理论提出依据辐射出射度与物体绝对温度的映射关系建立起钎焊温度场测量模型针对参变量(如材料组成表面性质距离等因素)在测量过程中的不确定性将导致原理上的测量误差系统提出并设计了实时温度场测量系统在真空电子束钎焊过程中进行了系统试验为下一步实现电子束钎焊温度实时测量奠定了基础4 2热辐射基本理论及色度学原理2.1热辐射的基本理论利用彩色图像测量焊接温度场的温度时主要测量依据就是热辐射理论其中主要有普朗克定律维恩公式以及斯蒂芬-波尔兹曼定律等此外灰体概念使根据上述辐射定律得到的测温方法得以应用于实际2.1.1热辐射的基本概念任何物质在绝对零度以上都能发出电磁辐射物体因为温度而辐射能量的现象叫热辐射热辐射是自然界中普遍存在的现象一切物体只要其温度高于绝对零度都会产生程度不同的辐射通常一个物体向周围发出辐射能的同时也吸收周围其他物体所发出的辐射能2.1.1.1绝对黑体热辐射体在我们日常生活中随处可见例如火红的太阳炙热的煤炉冰冻的山河以及其他气体液体等热辐射是波长为0.1~1000的电磁波当辐射能Q0入射到物体上时如图2.1所示一部分能量通过表面透入物体其余能量被反射透入表面的这部分能量一部分被吸收另一部分透过物体如[3]果用QQQ表示被反射被吸收和透过的能力则有ratQQQQ++=或者rat++=1(2.1)rato式中rat分别称为反射率吸收率和透过率每个量在0~1之间Q0QrQaQt图2.1入射辐射能量分布5 当r=1时则a=t=0说明入射到物体上的辐射能全部被反射若反射服从一定规律此物体叫做镜体否则称之为绝对白体当a=1时r=t=0说明入射到物体表面的辐射能全部被吸收具有这种性质的物体称为绝对黑体简称黑体当t=1时r=a=0即入射到物体表面的辐射能全部透射过去具有这种性质的物体称为绝对透明体自然界中并不存在绝对白体绝对黑体和绝对透明体物体的吸收率发射率和透过率的大小取决于物体本身的性质物体表面的状况入射波长和物体的温度等等2.1.1.2灰体及发射率(1)发射率自然界中并不存在真正的绝对黑体非黑体的热辐射性质与黑体不同因此以上黑体辐射理论并不能直接用于工程实际实际物体的热辐射性质非常复杂影响因素很多[4]描述物体发射本领的物性参数是发射率e又称为辐射率黑度应用光学中有时称为热辐射效率比辐射率等它是以黑体作为比较标准来描述的它等于物体的辐射力E与同温度黑体辐射力Eb之比无量纲表示物体的发射本领接近黑体[5]的程度其值小于等于1表示式为Ee=(2.2)Eb遗憾的是发射率并不是像密度一样的简单的物质特性它将取决于物体的尺寸形状表面粗糙度视角等这就导致发射率数值的不确定性而这也就是辐射测温法中的一个主要问题我们将与波长对应的发射率称为光谱发射率e在某l一温度T下发射率与光谱发射率的关系为:¥elEdò(,)llTb0e=(2.3)TEb6 其中e是在温度T下的物体发射率E是在波长为l处的同温度黑体辐射力Tbl实际物体表面的单色黑度和单色吸收率一般均随波长而变化并与温度有关因而使物体的辐射比较复杂在工程上为了简化辐射换热的分析和计算引出灰体的概念(2)灰体灰体也是一种理想的物体它的特点是灰体的辐射性质(黑度及吸收率)不随[6]波长而变化只和温度有关灰体的光谱发射率恒小于1且不随波长变化而变化对于吸收辐射来说其单色吸收率也和波长无关这意味着灰体吸收辐射能对投射辐射的波长没有选择性因而消除了投射辐射的光谱能量分布对吸收率的影响2.1.2热辐射方程(1)普朗克定律所有的物体都辐射出辐射能其辐射能量的多少取决于辐射体的绝对温度和辐[5][7]射体本身的性质从一个物体辐射出的能量包括各种不同波长的辐射能量普朗克证明了黑体的光谱辐射强度随波长及温度而变化这一变化规律称之为普朗克定律C1ETET(,ll)==(,)(2.4)b5llexp(CT/-1)22式中ET(,)l为黑体的全半球光谱辐射强度[W/(mm×m)]是在波长为时b由一辐射平面辐射到半球的单位波长的辐射量842C1为普朗克第一辐射常数C=´×3.74210/Wmmm14C2为普朗克第二辐射常数C=1.439´×10mmK2l为辐射的波长(mm)T为黑体的绝对温度(K)图2.2所示曲线族是由式(2.4)把温度T定在不同数值上再对不同波长绘出ET(,)l而得到的这些曲线在几个特定的波长上呈现峰值而且随温度降低峰值将b出现在较长的波长上每条曲线下的面积代表总的辐射功率它随温度升高而急速增加7 图2.2黑体在不同温度下的辐射情况然而在现实生活中并不存在绝对黑体为了描述实际物体的发射可方便的选择黑体作为标准作为物体的一个辐射性质发射率的定义是物体所发射的辐射能与同温度的黑体所发射的辐射能之比如图2.3所示一般来说由实际物体发射的光谱分布与普朗克分布并不相同承认这点很重要的于是作为实际物体发射的一个重要数学描述我们可以写出C1E(,lT)==e(,lTE)(,)(,)lTTel(2.5)5bllexp(CT/-1)2图2.3黑体和实际表面的发射比较[7](2)维恩公式CC22在普朗克公式中当lT的乘积较小时即eellTT-»1则普朗克公式由维恩公式代替在非黑体的情况下8 C1E(,lTT)=el(,)(2.6)5llexp(/)CT2根据式(2.6)针对不同的测量对象目前已开发了亮度法单色法双色法(比色法)和多色法等测温方法值得一提的是不论是亮度测温仪还是比色测温仪都有自己特定的工作波长工作波长可以在红外可见或紫外光谱内但是在1800K时黑体的辐射出射度的峰值仍在红外区所以为了提高仪器的灵敏度目前常用的辐射测温仪的工作波长均在红外区红外测温仪作为非接触测量的有效手段它有很多突出的优点然而事实上红外线检测器接受到的辐射不仅来自目标物体还来自背景物体大气和热像仪本身加之近年来图像处理技术的迅猛发展所以部分国内外学者把注意力转向基于可见光数字图像的温度检测这是一个高温物体温度场检测的新方向[7](3)全辐射定律(斯蒂芬-波尔兹曼定律)普朗克公式给出了绝对温度为T的黑体单色辐射能量随波长的分布如果从零到无穷大的波长范围内对普朗克公式积分就得到绝对温度文T的黑体单位面积向半球空间发射的全波长范围内的辐射通量它与黑体的绝对温度四次方成正比即4MT=s(2.7)r式中s斯蒂芬-波尔兹曼常数又称黑体辐射常数5432-824sp=2K/15hc=´5.670310/wmKg2.2色度学原理2.2.1颜色的特性颜色是目标体发射出的辐射能量中被眼睛接收到的那部分能量光谱分布的综合表现可分为彩色(chromaticcolors)和非彩色(achromaticcolors)彩色是指黑白系列以外的颜色具有三种特性明度(lightness)色调(hue)饱和度(saturation)对于不同非彩色的区分可以用以下的方法来加以分别将黑色置于底层中间部分从底层黑色经深灰中灰浅灰等一系列的灰度变化直至到顶层的白色它们之间的区分仅仅是依靠明度值得变化来进行的也就是说明度就是颜色的明亮程度[8]9 是否具备色调(hue)是界定彩色和非彩色的关键具有色调的是彩色而非彩色是不具有色调的那部分将所有的红色黄色绿色蓝色按照上述顺序排列在一起我们发现相邻不同的颜色之间变化是连续并且比较微弱但是这种差别确实存在而且正是靠色调来区分的2.2.2三基色原理人眼睛视网膜上的锥状细胞有三种类型红敏细胞绿敏细胞蓝敏细胞它[9]们分别对相应的色光有最大的感应度它们各自的相对光谱视敏函数如图2-4所示如果把图2.4中对应于每一波长的3条曲线上的数值相加就得到人眼视觉灵敏度曲线在图中用虚线表示当这些细胞被色光激励时可以产生色彩感觉人眼视网膜的这种构造使得人眼能够对不同色光有不同的感知从而产生色感不同波长的光波的能量不同所以人眼对不同色光的敏感性也就是对不同能量的光波的敏感性我们知道高温物体的能量越高它所发出的辐射光中的高能量光波的成分越大人眼的这种辨色特性实际上就使人具有了对不同高温辐射分量的感知能力从而也就能够据此对高温物体的温度进行估算这也就是所谓的辨色知温从这个意义上说人眼就是一个天然的测温仪图2.4三种锥状细胞的相对视敏函数曲线由图2.4可见三条曲线是交叉重叠的对某一单色光来讲其波长值可以处在一条两条或三条曲线下例如580毫微米的黄光的波长值就在R和G曲线下表明它既能刺激红敏细胞又能刺激绿敏细胞现在当我们用红光和绿光以适当10 的比例混合后同时作用于视网膜时红绿光敏细胞受到激励而产生的彩色感觉可以与由黄单色光引起的视觉效果完全相同这证明人眼的亮度感觉是红绿蓝三种彩色视觉合成的综合效果在一般情况下如果有两组光谱成分不同的光只要三种光敏细胞对它们的感觉相同则主管彩色感觉(包括色度和亮度)就相同根据人眼对彩色的视觉感受特性在彩色复现过程中并不要求恢复原景物辐射(自生辐射或反射辐射)光的光谱成分而重要的是应获得与原景物相同的彩色感觉根据人眼的上述视觉特性就可以选择三种基色将它们按照不同比例进行组合以引起各种不同的彩色感觉这就是三基色原理的主要内容2.2.3CIE(国际照明学会)1931-RGB系统CIE1931-RGB系统是建立在莱特(W.D.Wright)和吉尔德(J.Guild)两相颜色匹配试验的基础上的[10]配色试验配色试验就是依颜色相加混合的方法改变一个或两个颜色的亮度色度和[11]饱和度使两者调节到视觉上相同或相等普通的方法是利用颜色转盘进行颜色混合来实现颜色匹配如图2.5所示颜色转盘由几块不同颜色的圆盘组成通常用红(R)绿(G)蓝(B)三种颜色和一黑色同四块圆盘每一圆盘由中心至边缘剪开一直缝以便于四块圆盘交叉叠放成为四块扇形颜色表面为了单独地改变红绿和蓝色扇形面积的比例须有一块黑色扇形面这一黑色扇形面还可以用来调节亮度当转盘快速旋转时眼睛便看到一个混合色如果将另一被匹配的颜色圆盘(C)放在圆盘的中心部位就可以使外圈的混合色与中心的颜色看起来相同这时就实现了颜色的匹配图2.5进行配色试验的颜色转盘11 通过配色实验1931年国际照明委员会(CIE)推荐的标准白光的三个基色光通量[9]比例为|FR|:|FG|:|FB|=1:4.5907:0.0601(2.8)以光通量为一光瓦的红基色光为基准于是配出标准白光|F|为|F|=1+4.5907+0.0601=5.6508(光瓦)为简化计算国际上利用上述数据作出如下规定把波长700.0nm光通量为1光瓦的红光作为一个红基色单位并用[R]表示把波长546.1nm光通量为4.5907光瓦的绿光作为一个绿基色单位并用[G]表示把波长435.8nm光通量为0.0601光瓦的蓝光作为一个蓝基色单位并用[B]表示由此可以得到标准白光的配色方程F=1[R]+1[G]+1[B]对于任意给定的彩色光C其配色方程为C=R[R]+G[G]+B[B](2.9)其中RGB称为三色系数将它们按照不同比例组合可引起不同的彩色感觉显然RGB的比例关系决定了所配彩色光的色度而相应的数值则决定了所配彩色光的光通量在只考虑彩色光色度时起决定作用的是RGB的相对比例而不是其数值大小于是可以进一步规格化令m=R+G+B(2.10)ìr=R/mïíg=G/m(2.11)ïîb=B/m显然r+g+b=1(2.12)式中m称为色模它代表彩色光所含三基色单位的总量rgb称为RGB制的色度坐标或相对色系数它们分别表示当规定所用三基色单位总量为1时为配出某给定色度的彩色光所需要的[R][G][B]数值代入公式C=R[R]+G[G]+B[B]中得到12 C=m{r[R]+g[G]+b[B]}(2.13)相对色系数可以通过配色实验测得但实际上作为RGB计色制中的基准数据是分布色系数分布色系数是指配出辐射功率为1瓦波长为的单色光所需要的三个基色光---的单位数分别用r()lg()lb()l表示图2.6为以等能白光作为参考光源时谱色光的三色分布曲线它表示以等能白光为标准光源时每一谱光色的三色系数---也就是说对应于波长的光的rg和b值既是波长为的色光的RGB值[12]图2.6定量地表示出可见光谱中每一单色光的三色系数它与(2.8)式是色度学中最重要最基本的关系是建立其他数学关系和坐标系统的基础图2.6RGB制混色曲线需要说明图2.6中负值的物理意义发光强度或者光功率与交变的电信号不同是没有负值的但在色光配色实验中对于有的彩色光必须把3个基色光源中的某个移到待比较光一侧两边的彩色才能匹配这时被移动位置的基色光的光功率就相当于负值于是三色系数中与该基色光源相对应的一个也便是负值RGB三色表示法已广泛用于各种色彩的存储和分析系统中当前的大多数数字彩色图像的存储实际都是转化为RGB三色分量的存储数字图像的色彩描述也多用RGB三基色来实现对这类图像利用三基色对其进行分析是十分便利的除了RGB三色表示法外还有其他的彩色表示法在此就不一一介绍了13 3温度场的辐射测量技术3.1辐射及其测量技术3.1.1辐射与温度的关系由于测量方法不同辐射体的真实温度T与物体的辐射温度Tr亮度温度Ts[1]及颜色温度Tc是有区别的1.辐射温度Tr物体的辐射率与温度为Tr的黑体辐射率相等时此黑体的温度称为该物体的辐射温度Tr由全辐射定律44essTT=(3.1)r得物体的真实温度T为1TT=(3.2)r4e由于实际物体的e<1故T>Tr因此采用全辐射温度及测量非黑体的温度时所测得的是物体的辐射温度Tr它较实际温度偏低必须了解物体的辐射率e才能计算出真实温度事实上被测物体本身会向外辐射和反射热量所反射的能量又会被温度计接受当测温目标与背景温度接近时必须充分估计由此引起的测温误差2.亮度温度Ts被测物体亮度是在有效波长=0.65与标准灯丝亮度平衡时所测定的温度当物体的光谱辐射率e与温度为Tb的黑体光谱辐射率相同时黑体的温度Tb称为l该物体的亮度温度Ts由CC11e=(3.3)55llexp(C/lT--1)llexp(CT/1)22b可得14 CT2sT=(3.4)leTCln+bl2上式表明采用单色辐射高温计测量温度时也必须正确估计物体的光谱辐射率e才能算出真实温度e<1并随波长不同而变化故物体的亮度温度总是小于ll实际温度其差值还与波长有关3.颜色温度Tc物体辐射线的波长1与2处的单色辐射率分别为e与e与温度为Tc的黑体l1l2的相应辐射率相等时此黑体的温度Tc称为该物体的颜色温度或比色温度也有简称色温的由CC-2-2eCll--55el1T=Cel1Tc(3.5)l11111CC2-2-eCll--55el2T=Cel2Tc(3.6)l21212简化上式并取对数得TcT=(3.7)el1111+-TCln()/()c2elll212只有e=e时物体的颜色温度Tc就等于实际物体的温度T理论上灰体的辐l1l2射率不随波长而变实际上灰体并不存在只在有限光谱范围内近似灰体采用比色高温计测量物体温度当两个波长选的相当接近可近似认为ee则TTcl1l2大多数金属材料e随波长增加而减小即e2)则TcP>英克鲁佩勒戴维>P>戴维特传热的基本原理葛新石王义方郭宽量安徽安徽教育出版社1985.34~52[13]王以铭电荷耦合器件原理与应用北京:科学普及出版社,1987.133145[14]高稚允,高岳光电检测技术北京国防工业出版社,1995.102~112[15]王庆有,孙学珠CCD应用技术天津天津大学出版社,1993.15~50[16][英]T.J.奎恩.温度测量.凌善康.北京中国计量出版社,1986.12~56[17]陈向东CCD用于非接触式温度测量的研究华北水利水电学报,1996,17(3):6972[18]周怀春炉膛火焰分布图象处理实验研究中国电机工程学报199515(5)295300[19]常建新发动机缸内燃烧过程瞬态图像的采集与处理技术[硕士学位论文].北京北京理工大学图书馆,1998.51 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