陳戈華， 張曉陽

(長春工業(yè)大學 電氣與電子工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

AOD爐鐵合金冶煉是一個復雜多元、多相、高溫的物理化學反應過程，溫度的實時在線監(jiān)測對AOD爐冶煉鐵合金的質量和降低原料消耗至關重要。現(xiàn)在普遍使用的測溫方式是雙色比值方法，此方法使用方便、反應速度快、測溫范圍廣泛，可以在不接觸被測物體的情況下準確測量出爐內的溫度。由于測溫環(huán)境條件的限制,測溫儀安裝位置不固定而又要測量小目標的原因，在實驗過程中很容易忽略距離系數(shù)的影響，測量溫度值存在著一定誤差，所以要提高測溫儀光學分辨率，針對此問題，文中提出一種可以自動調焦的光學瞄準系統(tǒng)，這樣即使目標不能充滿整個測量視場，也能高精度、高重復性地接收目標的熱輻射。

1 測溫原理

由于在實際測溫現(xiàn)場受粉塵、氣體等環(huán)境因素的干擾，常使用雙色比值測溫方式。該方式是根據(jù)兩個不同波長的紅外光輻射能量的比值得出物體色溫(Ts)。色溫是相對于黑體來說的，而且在實際測溫中也沒有絕對的黑體存在，但是根據(jù)色溫的定義可以得出真實的溫度(T)與色溫(Ts)之間存在著一定的關系。當選取兩個波長相近的紅外光時，其發(fā)射率相差比較小，可以近似認為兩者的發(fā)射率是相等的，這時被測物體的真實溫度就等于物體的色溫[1]。

根據(jù)輻射原理，當物體溫度超過絕對零度時,就會不斷以電磁波的形式向外輻射能量。隨著溫度的升高，物體光譜輻射強度就越大，相應的波長峰值向著波長減小的方向移動[2]。根據(jù)普朗克黑體輻射定律可知

(1)

在自然界中沒有絕對的黑體存在，實際上被測物體輻射能與黑體輻射能存在著線性關系

u(λ,T)=ε·u0(λ,T),

(2)

式中：ε——被測物體的發(fā)射率，其值只取決于物體表面特性，與外界條件無關。

選取λ1、λ2兩個合適的波長，可以得出兩個波長輻射能的比值

(3)

式中：λ1、λ2——選定的兩個波長；

Ts——待測物體的色溫。

由式(3)可知，當ε1=ε2時，色溫Ts只與兩波長和兩個波長的輻射能比值有關。

根據(jù)色溫的定義可以得出色溫Ts與真實溫度T的關系

(4)

由式(4)可知，當ε1=ε2時，即物體的光譜發(fā)射率不隨波長變化而變化，物體的真實溫度等于色溫。對式(3)兩邊取對數(shù),可以得出物體的真實溫度

(5)

為了保證兩個波長的發(fā)射率近似相等，應該選擇比較接近的測量波長，文中采用的是800 nm和1 000 nm的濾光片[3]。

2 測溫儀系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)的測溫儀由于目標大小和距離系數(shù)的原因，一般安裝在特定的距離上。但是受實際測溫環(huán)境條件的限制，安裝位置不一定能夠滿足測溫儀對距離系數(shù)的要求,距離遠而且測量的目標較小，被測目標小于測試視場，背景輻射會進入測溫儀的視場干擾測溫，這就影響了儀器的測量精度[4-7]。文中提出一種自動實現(xiàn)對焦的光學系統(tǒng)，可以有效避免背景輻射的影響。即使安裝在遠距離上，也能夠通過自動對焦保證被測物體充滿測溫儀的視場，使得測溫儀不再受測溫區(qū)域以外的背景影響。測溫示意圖如圖1所示。

圖1 測溫示意圖

測溫儀整個系統(tǒng)包括光路部分和測量電路。光路部分中的濾光片是鑲嵌在電機帶動的調制盤上，通過電機的高速旋轉采集光信號，另外增加了自動對焦功能，其圖像信息也在調制盤高速轉動下通過圖像傳感器采集，通過DSP對采集到的圖像進行分析、比較，根據(jù)比較的結果，通過步進電機的轉動方向和步數(shù)來控制光學鏡頭，從而實現(xiàn)自動對焦。對焦完成以后,DSP給單片機發(fā)出信號，開始采用雙色比值方法進行測溫。

2.1 光路系統(tǒng)

光路有以下幾個單元：變焦透鏡組、對焦鏡頭組、成像器件、自動對焦單元、鏡頭驅動單元。成像器件是CCD數(shù)字式圖像傳感器，輸出圖像信息的信息量；自動對焦單元有DSP芯片作為核心器件，圖像信息采集、計算、控制策略的選擇和控制信號的產生都在這個單元中進行；鏡頭驅動單元包括步進電機及其驅動電路，該單元接收DSP傳輸?shù)男盘柨刂谱兘圭R頭和對焦鏡頭進行位置調節(jié)，最終是圖像傳感器輸出準確對焦的圖像[8]。對焦完成后，開始采用雙色比值的方法測AOD爐內鐵水的溫度。

2.2 測量系統(tǒng)硬件電路

測量系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)硬件電路

測量電路利用光電池對紅外光敏感的特性，當光進入光電池后，光電池會根據(jù)接收輻射能的多少在電路上產生不同的電流,并采用短路電流法完成光信號到電信號的轉換。光電池與OP07雙極性運算放大器組成一個跨阻放大器U1，其輸出電壓V0=IR1(I為光電池產生的電流)。經(jīng)過前置放大器后分成兩路,分別對800 nm和1 000 nm兩種波長的光進行信號采集。由于光信號是在無刷電機高速旋轉下采集的,而且只有一個光電池，所以兩個測量電路需要在采集兩種信號時來回進行切換，本系統(tǒng)采用的是CD4502模擬開關。由于采集到的信號在不同程度上存在著諧波，采用二階RC電路進行濾波處理，把處理后的信號再放大經(jīng)過AD轉換成數(shù)字信號。本系統(tǒng)使用具有高分辨率的AD轉換芯片AD7705，該芯片是一個16位的串行AD,而且是兩路模擬信號輸入，適合于高精度測量[9]。將AD轉換后的數(shù)字信號送到單片機，經(jīng)計算后得出溫度值，通過無線傳輸發(fā)送到PC端和手持式終端。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)測溫儀一般安裝在特定位置，其距離系數(shù)對測溫精度具有一定的影響。實驗是測溫儀距離底槍2 m處，用自動調焦和未調焦兩種方式進行測溫，得出的數(shù)據(jù)見表1。

當爐內溫度在1 500 ℃以下時，爐內金屬還沒有完全熔化,物體的發(fā)射率在選取的兩個波長下幾乎相同。隨著溫度的上升，爐內完全為液態(tài)，其發(fā)射率發(fā)生了變化，兩個波長的發(fā)射率相差變大，因此需要對系統(tǒng)進行修正[10]。由表1數(shù)據(jù)可知，未調焦時測溫溫度與實際溫度誤差較大，實際溫度從1 200 ℃升高到1 750 ℃，實測溫度只變換了290.36 ℃,溫度變化范圍小，其擬合效果不好。而自動調焦后數(shù)據(jù)的跟隨效果比較好，相比于未調焦時優(yōu)勢明顯，由此可以得出,自動對焦系統(tǒng)可以減少背景輻射的影響，提高測量準確度與精度。

表1 實驗數(shù)據(jù) ℃

4 結 語

通過在光路末端增加傳感器實現(xiàn)自動聚焦，只需要更短的調整時間就能瞄準被測目標，對不同的測量位置用同一基礎儀器。自動聚焦克服了傳統(tǒng)測溫儀被距離所約束帶來的不便。為提高測量精度,對測量電路做了進一步優(yōu)化，有效避免了環(huán)境因素干擾測量電路，使其能夠滿足實際要求。同時帶瞄準裝置的測溫儀是一個新發(fā)展方向，更具有實際意義。