莫蘇新,段 錦,2,呂 蒙,段絡(luò)天,祝 勇

(1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長春 130022;2.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，吉林 長春 130022;3.吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長春 130022;4.長春理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022)

0 引言

目前，熱處理行業(yè)中使用最廣泛的溫度測量方法是熱電耦系統(tǒng)，但是，傳統(tǒng)的熱電耦接觸溫度測量法反映加熱工件的整體溫度分布。此外，熱電耦會在電磁感應(yīng)加熱中自我加熱并影響工件的溫度傳導(dǎo)[1-3]。CCD 與數(shù)字圖像處理相關(guān)技術(shù)可以實現(xiàn)非接觸和全場景分析，并提供更多傳統(tǒng)技術(shù)無法獲取的數(shù)據(jù)。因此，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于材料在高溫下的力學(xué)行為和性能研究。Herrera-Solaz 等人為了在奧氏體不銹鋼316L 的微觀尺度上比較局部應(yīng)變場，使用了CCD 與數(shù)字圖像處理技術(shù)跟蹤張力加載過程中的應(yīng)變圖[4]。Jung 等人使用數(shù)字圖像處理技術(shù)和紅外熱成像測量技術(shù)研究了開孔金屬、聚合物雜化泡沫的介觀形變行為[5]。紅外熱成像設(shè)備通常是由光學(xué)系統(tǒng)，光譜濾波，紅外探測器陣列，視頻圖像處理等組成[6]。由于紅外輻射范圍廣，紅外熱成像設(shè)備可以測量溫度范圍很廣[7]，但是紅外熱成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜且昂貴。同紅外熱像儀比較而言，CCD 測溫具有測量溫度范圍較寬、成本低、暗電流小、分辨率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

現(xiàn)有的CCD 測溫法主要有基于灰度CCD 并結(jié)合窄帶帶通濾光片的單色測溫法和基于彩色CCD 的比色測溫法、三色測溫法。由于比色測溫法和三色測溫法中R 分量相較B、G 分量容易提前飽和，造成測溫范圍窄的問題，本文采用單色測溫法。

激光熱處理區(qū)別于普通的熱處理工藝，具有升溫速度快、溫度范圍寬的特點。在材料的激光熱處理中，材料表面的溫度在一定的范圍內(nèi)快速變化，升溫速度可達(dá)104℃。以T10 鋼為例，其表面溫度在0.4 s 內(nèi)可升溫至1400℃以上，對其溫度場的測量中，熱電耦無法對其周邊溫度場進(jìn)行測量且會破壞其溫度場，基于彩色CCD 的測溫系統(tǒng)難以跟隨材料表面的寬范圍溫度場的快速變化。

因此，本文針對溫度范圍寬提出了分段測量，針對升溫速度快提出了計算機(jī)控制的快速自適應(yīng)曝光時間算法，為提高測量精度對溫度-灰度曲線進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，實現(xiàn)了快速寬溫度場及提高測量精度的目標(biāo)。

1 輻射測溫模型

凡是高于絕對零度的物體都具有向外輻射能量的能力，熱輻射是由物體內(nèi)部的帶電粒子在原子和分子內(nèi)振動產(chǎn)生的。其光譜輻射力是波長和溫度的函數(shù)。溫度低的物體發(fā)射紅外光，溫度升高到500℃時開始發(fā)射一部分暗紅色光，當(dāng)升到1500℃時開始發(fā)白光[8-10]。輻射溫度測量方法是基于被測物體表面發(fā)出的熱輻射信息，通過普朗克定律進(jìn)行測量。普朗克定律指出能量M(λ,T)從單位時間內(nèi)的單位表面積向半球空間的各個方向輻射，可用下式表示:

式中:M(λ,T)為被測物體在溫度T(K)、波長為λ處的光譜輻射出射度;ε(λ,T)為被測物體表面發(fā)射率;C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.742X10-16W?m2;C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.4388X10-2m?K。由式(1)可以看出，普朗克定律描述了被測物體的輻射能按波長分布的定律。

當(dāng)被測物體溫度小于3000 K，我們可以用維恩公式代替普朗克公式，即:

工業(yè)可見光CCD 的波長上限已可達(dá)到1100 nm以上[11]，因此可以截取一段近紅外光通過熱成像的方式測量溫度及其梯度分布。近紅外波段光使用帶通濾光片截取，在選擇濾光片可通過波段時，考慮到激光熱處理中常用的CO2激光器中心波長為10.6 μm，為了避免CO2激光器對于成像的干擾以及紅外輻射在空氣介質(zhì)中傳播時會受到氣體的選擇性吸收，從而選擇窄帶帶通濾光片，中心波長為λ=850 nm，半帶寬Δλ=10 nm。

目標(biāo)單元的輻射亮度可以表示為:

當(dāng)Δλ很小時，可以認(rèn)為，ε(λ′,T)=ε(λ,T)由積分中值定理，式(3)可以近似為:

由式(4)可得:

在CCD 響應(yīng)波段，CCD 像元灰度值It與接收到的輻射亮度L(λ,T)間的關(guān)系如下[12]:

式中:k為系統(tǒng)等效響應(yīng)度;b為響應(yīng)截距。響應(yīng)截距主要來源于紅外系統(tǒng)內(nèi)部自身輻射和噪聲引起的偏置輸出等因素引起的像元灰度響應(yīng)[12]。則紅外CCD的輻射測溫模型為:

2 溫度與圖像灰度映射標(biāo)定

在窄帶光譜范圍內(nèi)，CCD 產(chǎn)生的光生電荷數(shù)與被測物體輻射亮度呈線性關(guān)系，即紅外CCD 成像系統(tǒng)輸出紅外圖像的像素灰度值與拍攝目標(biāo)發(fā)射的輻射亮度呈線性關(guān)系[13]。需要注意的是，當(dāng)CCD 曝光時間改變時，像素灰度值與目標(biāo)輻射亮度線性關(guān)系依然成立，但不是同一函數(shù)關(guān)系。因此，定標(biāo)時曝光時間必須保證一致，否則定標(biāo)后的數(shù)據(jù)無意義。

標(biāo)定實驗采用美國Mikron 公司的M330 型高精度黑體爐(黑體腔工作范圍300℃～1700℃，有效發(fā)射率為0.99;精度為讀數(shù)±0.25%℃;每8 h 溫度漂移在1℃之內(nèi);1600℃以上的高溫時，可穩(wěn)定在0.5℃之內(nèi))。CCD 傳感器采用12 bit 位深，相比8 bit 位深，12 bit 位深成像有更高的灰度級，因此精度也會更高。

保持實驗室溫濕度恒定，調(diào)整CCD 與黑體爐處于同一水平光軸，距離為1000 mm，調(diào)整焦距使黑體成像清晰，調(diào)整曝光時間使黑體圖像灰度值在2000～3000 之間，待溫度穩(wěn)定后，采集灰度數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)黑體爐以50℃的間隔從800℃升高至1500℃，在每個測量點調(diào)整相機(jī)曝光時間(曝光時長)，首先記錄最小曝光時間0.04 ms 的圖像，然后在0.1～1 ms 內(nèi)以0.1 ms的間隔采集記錄圖像。

為了滿足激光熱處理溫度場的測量需要，測溫系統(tǒng)應(yīng)滿足兩個條件:

1)在任一曝光時間，測溫系統(tǒng)滿足200℃的測溫范圍。

2)曝光時間切換速度不超過10 ms。

經(jīng)過不同參數(shù)組合下的多組標(biāo)定，曝光時間t為0.9 ms、0.5 ms、0.04 ms 滿足激光熱處理需要，同時滿足自適應(yīng)曝光時的快速計算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同曝光時間下圖像灰度隨溫度變化關(guān)系Fig.1 The relationship between image gray scale and temperature under different exposure time

由圖1可知，3 種曝光時間可以覆蓋800℃～1450℃的溫度范圍，每個曝光時間可以對跨度200℃以上的溫度場進(jìn)行成像。令ε(λ,T)=1，將定標(biāo)數(shù)據(jù)代入公式(4)計算得到像元響應(yīng)灰度值與黑體輻射亮度的響應(yīng)曲線，定標(biāo)結(jié)果如圖2所示。

利用最小二乘法將定標(biāo)曲線進(jìn)行擬合，得到的t1=0.9 ms、t2=0.5 ms 和t3=0.04 ms 時的CCD 定標(biāo)函數(shù)為:

圖2 不同曝光時間下圖像灰度隨輻射亮度的變化關(guān)系Fig.2 Variation of image gray scale with radiance under different exposure time

R2可以表征該曲線擬合效果的好壞程度。當(dāng)確定系數(shù)越接近1，表示擬合效果越好。t1=1 ms曲線的擬合確定系數(shù)為=0.999;t2=0.5 ms曲線的擬合確定系數(shù)為=0.9991;t3=0.04 ms 曲線的擬合確定系數(shù)為=0.9987。則擬合曲線接近CCD 實際的響應(yīng)曲線。

通過將定標(biāo)時的灰度根據(jù)各曝光時間下相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系計算出L(λ,T)，并將L(λ,T)代入式(5)可反演出溫度Tb，可得系統(tǒng)最大誤差為5.7℃。其評價標(biāo)準(zhǔn)采用絕對誤差P來衡量，其評價公式為:

式中:T0為實際溫度;Tb為反演出的黑體溫度。已知系統(tǒng)最大誤差為5.7℃，由式(11)可得其絕對誤差為0.456%，由此可知該測溫系統(tǒng)可滿足激光熱處理高溫溫度場的測量需求。經(jīng)分析，定標(biāo)時誤差來源以下兩個方面:

1)數(shù)據(jù)擬合中的非線性誤差。定標(biāo)灰度與輻射亮度呈線性，但其擬合系數(shù)R2不為1，因此反演后溫度存在一定的誤差。

2)CCD 像元響應(yīng)非均勻性誤差。由于CCD 傳感器制造工藝等問題，會造成各像元的強(qiáng)度響應(yīng)存在一定的差異，這種強(qiáng)度相應(yīng)的非均勻性會造成一定的誤差。

此外，在實際測量中還存在以下兩點會導(dǎo)致測量誤差:

1)溫度漂移誤差。測量現(xiàn)場環(huán)境溫度可能會發(fā)生較大變化，由此可引起溫度漂移誤差。

2)測量距離誤差。測量現(xiàn)場目標(biāo)與儀器的距離與標(biāo)定距離不一致時會導(dǎo)致CCD 上同一像元接收的能量發(fā)生變化，從而引起測量誤差。

對于以上4 方面的誤差可以建立相應(yīng)的校正模型，通過校正模型減小測量中的誤差，從而提高測量精度。在此本文僅對誤差進(jìn)行了初步分析，并未對誤差建立相應(yīng)的校正模型。

3 基于溫度分段的快速自適應(yīng)曝光控制算法

由圖2可知，在800℃～1500℃之間，3 種曝光時間對應(yīng)了3 個溫度段，為了滿足在溫度快速升高時的測量，本文提出快速自適應(yīng)曝光時間方法，通過灰度判定閾值I來選擇合適的曝光時間，來確保CCD在不同溫度段之間切換的成像。具體步驟如圖3所示。

對于12 bit 的CCD 傳感器，為了避免暗電流噪聲對測溫精度的影響，當(dāng)像素灰度值小于100 時，將其置為0，則I0=100。為了避免灰度值飽和，本文將上限閾值Imax設(shè)置為4000。由式(8)可以算出，當(dāng)曝光時間t1=0.9 ms 時，Imax對應(yīng)的輻射亮度為0.031418 W?cm-2?sr-2，將該輻射亮度值代入式(9)可以得到t2=0.5 ms 時成像的灰度值為1943，同理，t2=0.5 ms時Imax對應(yīng)的輻射亮度在t3=0.04 ms 成像的灰度值為1427。因此，下限閾值Imin設(shè)置為1400。

自適應(yīng)曝光控制流程如下:

第一步，獲取圖像并遍歷圖像像素，統(tǒng)計灰度值大于Imax和Imin的像素個數(shù)。

第二步，設(shè)當(dāng)前曝光時間為t2=0.5 ms，首先判斷灰度值大于Imin的像素個數(shù)是否超過Nmin。如果超過Nmin，則進(jìn)行下一步，否則增大曝光時間為t1=0.9 ms并重新采集圖像。為了避免圖像中噪聲的影響，經(jīng)過多次實驗得出經(jīng)驗值，Nmin為圖像像素總數(shù)的0.01%。

第三步，判斷灰度值大于Imax的像素個數(shù)是否超過Nmax，Nmax為圖像像素總數(shù)的0.01%。如果超過Nmax，則減小曝光時間為t3=0.04 ms 并重新采集圖像，否則輸出圖像。

4 實驗與結(jié)果分析

實驗樣品為T10 鋼，激光輸出功率為1000 W，掃描速度為20 mm/s。為了安全性原則和測溫系統(tǒng)視場較小的綜合考慮，測溫系統(tǒng)放置在實驗樣品的側(cè)上方處，物距D=1000 mm，調(diào)整系統(tǒng)保持成像清晰度與實驗室定標(biāo)的一致性。

圖3 快速自適應(yīng)曝光控制算法流程圖Fig.3 Flow chart of fast adaptive exposure control algorithm

測試現(xiàn)場溫度為26.5℃，相對濕度為35.2%。在測試過程中設(shè)置材料表面發(fā)射率ε(λ,T)=0.747[14]，CCD曝光時間與定標(biāo)時保持一致。

圖4為激光熱處理升溫0.2s時刻材料表面溫度圖，所用曝光時間為0.9ms，測量溫度最高點為1232.2℃，測量溫度最低點為829℃，溫度場有效測溫范圍403℃。圖4(a)為原圖。圖4(b)為偽彩圖，黑色十字線代表為溫度最高點。圖4(c)、(d)為最高溫度點所在列和行的剖面溫度曲線，可以看出溫度在材料表面的分布情況。

實驗中，激光器掃描速度為20mm/s，CCD曝光間隔為10ms，因此設(shè)置每秒曝光次數(shù)M=100，測量時間為1s，從而可得到100組溫度場數(shù)據(jù)。選取部分最高溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1和圖5所示。

圖4 升溫0.2 s時刻材料表面溫度圖Fig.4 Temperature graph of thesurface of the material at a temperature rise of 0.2s

圖5 升溫過程曲線Fig.5 Heatingprocesscurve

表1 曝光時間與溫度對應(yīng)表Table 1 Correspondence table of exposure timeand temperature

由表1和圖5可知，工件表面最高溫度在前0.4 s迅速升高，在0.4 s 之后最高溫度穩(wěn)定在1352.2℃～1424.3℃之間，即激光掃描加熱溫度場相對于移動激光束已處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

5 結(jié)論

本文以激光熱處理中材料表面溫度為研究目標(biāo)，建立了紅外CCD 測溫模型，借助于高溫黑體爐的嚴(yán)格分段輻射定標(biāo)實驗，通過計算機(jī)控制的快速自適應(yīng)曝光時間算法對T10 鋼溫度進(jìn)行測量，獲得材料表面最高溫度隨時間變化曲線。多次實驗結(jié)果表明:該方法是一種高穩(wěn)定性、簡單有效的測溫方法，可為高溫溫度測試提供切實可行的解決方案，為激光熱處理對材料表面變化的研究提供參考。