雙波長(zhǎng)濾光片式紅外測(cè)量焊接溫度場(chǎng)系統(tǒng)分析
焊接溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)是焊接過(guò)程與質(zhì)量控制技術(shù)中的一個(gè)重要的研究方面，近幾年的研究結(jié)果表明圖像比色測(cè)溫方法的測(cè)量焊接溫度場(chǎng)方面有相當(dāng)大的發(fā)展前途。
比色測(cè)溫法在光路結(jié)構(gòu)上有兩種方案可供選擇[1，2]：
(1)單通道型。使用一個(gè)光檢測(cè)裝置分時(shí)接受熱輻射束;再采用兩種不同波長(zhǎng)濾光片來(lái)處理此熱輻射束;
(2)雙通道型。使用兩個(gè)光檢測(cè)裝置同時(shí)接受熱輻射束，再使其經(jīng)過(guò)各自濾光片后射入到各自檢測(cè)裝置上進(jìn)行處理。
單通道型的優(yōu)點(diǎn)在于使用一個(gè)攝像機(jī)，光路簡(jiǎn)單，便于調(diào)整。但采用單道型的測(cè)溫系統(tǒng)，往往要通過(guò)電機(jī)來(lái)分時(shí)切換兩種濾光片以取得不同波長(zhǎng)的兩幅熱輻射圖像，從而使系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，并使圖像采集裝置復(fù)雜。雙通道型的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，但光路復(fù)雜，不便調(diào)整。
為了綜合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，本文研制了一種新穎的比色測(cè)溫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用一種雙波長(zhǎng)的紅外濾光片，這樣就可以用單鏡頭在一幅圖像中同時(shí)得到兩幅不同波長(zhǎng)的熱輻射圖像信息，再利用比色測(cè)溫原理對(duì)該圖像進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)測(cè)量出近熔化區(qū)的焊接溫度場(chǎng)。這種系統(tǒng)不必采用分時(shí)切換濾光片的機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性好，適用于焊接現(xiàn)場(chǎng)。
1.系統(tǒng)基本工作原理
本文研制的雙波長(zhǎng)紅外圖像處理系統(tǒng)主要由雙波長(zhǎng)波光片、CCD攝像機(jī)、數(shù)字圖像卡、計(jì)算機(jī)等組成。
其基本工作原理為：
(1)采用雙波長(zhǎng)紅外濾光片得到焊接熔池兩種不同波長(zhǎng)的圖像信息，進(jìn)行比色測(cè)溫計(jì)算;
(2)從焊縫正面攝取圖像。通過(guò)將CCD鏡頭置于焊炬的后邊，避開(kāi)弧光的干擾，最大程度地?cái)z取熔池?zé)釄D像。雙波長(zhǎng)濾光片的具體結(jié)構(gòu)形式是，用左右兩個(gè)不同波長(zhǎng)的半圓濾光片拼接成一個(gè)整圓濾光片，其兩個(gè)半園的波長(zhǎng)值根據(jù)比色測(cè)溫的要求而設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中安裝雙波長(zhǎng)濾光片時(shí)，將其接縫對(duì)準(zhǔn)焊接熔池中心，使熔池左邊輻射的一種波長(zhǎng)的光線(xiàn)通過(guò)左半園濾光片后的光軸的右邊成像，而熔池右邊輻射的另一波長(zhǎng)的光線(xiàn)通過(guò)右半園濾光片后在光軸的左邊成像。這樣，當(dāng)用一臺(tái)CCD攝像機(jī)攝取焊接熔池圖像時(shí)，就可同時(shí)在一幅圖像的兩半邊取得兩種波長(zhǎng)的焊接溫度紅外(灰度)圖像，如圖1所示。由于焊接溫度場(chǎng)在正常情況下是對(duì)稱(chēng)的
（3）既沿熔池中心線(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)，如果考慮雙波長(zhǎng)濾光片的中間接縫很窄可以忽略不計(jì)，則可以認(rèn)為在接縫兩邊的溫度場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)的。這樣就可以通過(guò)將狹縫兩邊對(duì)稱(chēng)點(diǎn)上的兩個(gè)波長(zhǎng)的信息視作同一溫度下的雙波長(zhǎng)信息進(jìn)行比色測(cè)溫計(jì)算，進(jìn)行在線(xiàn)定標(biāo)，求出該點(diǎn)的溫度。
2.雙波長(zhǎng)紅外濾光片的研制
本文研制的雙波長(zhǎng)濾光片的兩個(gè)波長(zhǎng)分別為 λ1=0.8050μm, λ2=0.8950μm，選擇這兩個(gè)波長(zhǎng)主要考慮到以下幾個(gè)方面的情況。
(1)選用的波長(zhǎng)必須是所測(cè)溫度范圍內(nèi)發(fā)射的譜線(xiàn)，鋼在1000~1600℃之間的發(fā)射的譜線(xiàn)范圍比較寬，從可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外都有，峰值波長(zhǎng)在近紅外，約在 1.5-2.2μm范圍。另外選用的波長(zhǎng)同時(shí)必須在CCD攝像機(jī)的光譜響應(yīng)范圍之內(nèi)(0.4~1.1μm)，又要避開(kāi)可見(jiàn)光的影響，因此其范圍應(yīng)為 0.75~1.1μm，即近紅外波段。
(2) 比色測(cè)溫能排除中型介質(zhì)(如煙霧、灰塵等)對(duì)測(cè)量精度的影響，但不能消除選擇性吸收介質(zhì)對(duì)測(cè)量精度的影響，因此必須設(shè)法避開(kāi)。攝像系統(tǒng)是在空氣中使用，空氣中對(duì)稱(chēng)分子結(jié)構(gòu)的氣體，如N2，O2，H2，它們?cè)谙喈?dāng)寬的紅外波段對(duì)輻射無(wú)吸收作用，而空氣中的H2O,CO2,CO等卻對(duì)紅外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用。因此選擇工作波段必須避開(kāi)這些吸收帶。
(3) 根據(jù)CCD攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，要使得在兩個(gè)波長(zhǎng)下的目標(biāo)熱輻射功率之比保持在一定范圍內(nèi)。如此值過(guò)高，就會(huì)在其中一個(gè)波長(zhǎng)下CCD器件飽和，而另一個(gè)波長(zhǎng)下CCD器件接收信號(hào)很弱，使測(cè)量誤差大大增加。但此比值又太小，否則會(huì)影響比色的靈敏度[2]。
3 近熔化區(qū)焊接溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)定
本系統(tǒng)可以3 /s的速度實(shí)測(cè)近熔化的溫度場(chǎng)，試驗(yàn)的條件為：Ar75%+CO225% 混合氣體保護(hù)焊，電弧電壓為20V，電流為125A，焊接速度180mm/min，焊絲為ф1.2mm的Ho8mn2SiA。其測(cè)溫過(guò)程為：當(dāng)CCD攝像機(jī)攝取一幅圖像后，經(jīng)圖像卡轉(zhuǎn)換成圖像灰度數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)先對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，然后計(jì)算近熔化區(qū)的溫度分布。
3.1 原始圖像數(shù)字濾波處理圖1是原始圖像灰度數(shù)據(jù)的偽著色顯示，從圖中可以看出，除了圖像中間外，在兩個(gè)波長(zhǎng)的圖像內(nèi)數(shù)據(jù)局部不均勻的現(xiàn)象，需要進(jìn)行數(shù)字濾波處理。
本文采用在圖像中每2行6點(diǎn)取中值的數(shù)字濾波算法。具體算法為
式中：H''''''''''''''''(i,j)為第i行第j列濾波后的灰度值;H(i,j)為第i行第j列的原始灰度值。
3.2 近熔化區(qū)溫度場(chǎng)計(jì)算
由雙波長(zhǎng)濾波圖像，分以下兩步計(jì)算出近熔化區(qū)的溫度場(chǎng)。
3.2.1用比色法計(jì)算出單色灰度值與溫度的比值
鑒于焊接溫度場(chǎng)在正常情況下是沿熔池中心線(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)的，并且雙波長(zhǎng)濾光片的中間接縫很窄，可以認(rèn)為在此接縫的兩邊溫度場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)的。這樣就可以通過(guò)將接縫兩邊對(duì)稱(chēng)點(diǎn)上的兩個(gè)波長(zhǎng)的信息視作同一溫度下的雙波長(zhǎng)信息進(jìn)行比色測(cè)溫計(jì)算，從而求出該點(diǎn)的溫度。其具體方法如下。
(1) 首先確定溫度對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)的圖像中的位置，然后確定圖像灰度最大值所在的行，在該行中找到與中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的距離各5個(gè)像素(由于濾光片中間狹縫的關(guān)系，需要離中心下稍遠(yuǎn)點(diǎn))的兩個(gè)灰度值H1和H1''''''''''''''''。
(2) 找到此灰度最大值所在行上一行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度H2，H2'''''''''''''''',和下一行對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度H3,H3''''''''''''''''，并計(jì)算其算術(shù)平均值HP1、HP2,即
(3) 以平均灰度HP1和HP2為基礎(chǔ)，求出其比色值r為
再根據(jù)比色值與溫度之間的關(guān)系，就可確定雙波長(zhǎng)紅外圖像中各單色灰度值與溫度的關(guān)系。即圖像中對(duì)應(yīng)λ1下灰度值為HP1的點(diǎn)，溫度為T(mén);對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ2下灰度值為HP2的點(diǎn)，溫度也為T(mén)。
3.2.2 普郎克定律求出近熔化區(qū)的焊縫溫度場(chǎng)。
根據(jù)普朗克定律，灰體的熱輻射通量密度M與溫度T、波長(zhǎng)L有如下關(guān)系
式中M(λ，T)為單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射通量密度ε(λ，T)為灰體的輻射率或吸收率;C1、C2為輻射常數(shù);T為熱輻射體的溫度，單位為K; λ為波長(zhǎng)。由上式可知，若已知紅外圖像中一個(gè)灰度下的溫度，就可求出其它灰度下的溫度，從而算出所測(cè)紅外圖像中各處的溫度。即：已知灰度M(λ，T)下的溫度T1，就可求出灰度M(λ，T2)下溫度T2
對(duì)圖1的近熔池區(qū)圖像的灰度數(shù)據(jù)按上述方法進(jìn)行計(jì)算，得到如圖2所示的溫度場(chǎng)圖像。
4 含熔化區(qū)的焊接溫度場(chǎng)推算
當(dāng)認(rèn)為焊接電弧為連續(xù)移動(dòng)的點(diǎn)熱源時(shí)，工件為半無(wú)限大體且處于極限飽和的狀態(tài)時(shí)，可以按點(diǎn)熱源來(lái)描述焊接溫度場(chǎng)[4]，這種焊接溫度場(chǎng)的數(shù)字模型為
為距離點(diǎn)熱源為R處某點(diǎn)的溫度;λ為導(dǎo)熱系數(shù);a 為導(dǎo)溫系數(shù);q為電弧加熱熱功率;v為焊接速度。
當(dāng)焊縫表面(Z=0)A點(diǎn)相對(duì)熱源中心O點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系為X≥Y時(shí)，可以認(rèn)為兩點(diǎn)距離R近似等于A點(diǎn)的橫坐標(biāo)，即R≌-X。在焊接速度v很小時(shí)，可將溫度簡(jiǎn)化為與速度無(wú)關(guān)的一個(gè)函數(shù)，既
T=K/R,
式中：K為常數(shù)，與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、電弧熱功率等因素有關(guān);R為到熱源中心的距?lt;sub>[2-4]。這樣在已知近熔化區(qū)的溫度場(chǎng)條件下，可以按照此近似推算公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，得到常數(shù)K，即可向熔池方向推算溫度，一直到熱源中心為止，上述近似推算會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。但鑒于實(shí)測(cè)得的近熔化區(qū)的溫度在1300℃左右，已很接近熔化區(qū)溫度，因而推算的誤差是有限的。
如上所述，本系統(tǒng)對(duì)MIG焊時(shí)的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)與推算，由圖像比色測(cè)溫算法直接求得的近熔化區(qū)溫度場(chǎng)分布后，以偽著色的方式表示，如圖3所示，在此基礎(chǔ)上推算出包括熔化區(qū)的焊接溫度場(chǎng)，如圖4所示。在圖2中由中心逐層向外、在
圖3、4中由上向下依次偽著色后各層顏色所代表的溫度(℃)分別為：白>1490，黃1420-1490，橙350~1420，紅1280~1350，青1210-1280，綠1140~1210，蘭1070~1140，深灰<1070。
5 系統(tǒng)比色測(cè)溫算法的驗(yàn)證
為了驗(yàn)證圖像比色測(cè)溫系統(tǒng)的精度，作者做了溫度標(biāo)定試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是，試樣在熱處理爐內(nèi)加熱，當(dāng)試件加熱至950℃后，每隔50℃用計(jì)算機(jī)記錄一幅圖像，圖像數(shù)據(jù)處理后計(jì)算所得的溫度結(jié)果如表1所示(表中*處為圖像數(shù)據(jù)局部飽和，應(yīng)刪除)。由表1可見(jiàn)，在950~1150℃范圍內(nèi)，標(biāo)定結(jié)果與實(shí)際溫度吻合較好，最大誤差為37.4℃，最大相對(duì)誤差為3.94%。
6 結(jié)論
研制了結(jié)構(gòu)新穎的雙波長(zhǎng)濾光片，并以此為基礎(chǔ)，建立了焊接溫度場(chǎng)圖像比色測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用單鏡頭進(jìn)行圖像比色測(cè)溫的方法，簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，使圖像比色實(shí)時(shí)檢測(cè)焊接溫度場(chǎng)方法進(jìn)一步實(shí)用化。