雙波長濾光片式紅外測量焊接溫度場系統(tǒng)分析

焊接溫度場的實時測量技術(shù)是焊接過程與質(zhì)量控制技術(shù)中的一個重要的研究方面，近幾年的研究結(jié)果表明圖像比色測溫方法的測量焊接溫度場方面有相當大的發(fā)展前途。

比色測溫法在光路結(jié)構(gòu)上有兩種方案可供選擇[1，2]：

(1)單通道型。使用一個光檢測裝置分時接受熱輻射束;再采用兩種不同波長濾光片來處理此熱輻射束;

(2)雙通道型。使用兩個光檢測裝置同時接受熱輻射束，再使其經(jīng)過各自濾光片后射入到各自檢測裝置上進行處理。

單通道型的優(yōu)點在于使用一個攝像機，光路簡單，便于調(diào)整。但采用單道型的測溫系統(tǒng)，往往要通過電機來分時切換兩種濾光片以取得不同波長的兩幅熱輻射圖像，從而使系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，并使圖像采集裝置復雜。雙通道型的優(yōu)點是響應(yīng)速度快，但光路復雜，不便調(diào)整。

為了綜合上述兩種方法的優(yōu)點，本文研制了一種新穎的比色測溫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的特點是采用一種雙波長的紅外濾光片，這樣就可以用單鏡頭在一幅圖像中同時得到兩幅不同波長的熱輻射圖像信息，再利用比色測溫原理對該圖像進行處理，實時測量出近熔化區(qū)的焊接溫度場。這種系統(tǒng)不必采用分時切換濾光片的機構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)簡單，實用性好，適用于焊接現(xiàn)場。

1.系統(tǒng)基本工作原理

本文研制的雙波長紅外圖像處理系統(tǒng)主要由雙波長波光片、CCD攝像機、數(shù)字圖像卡、計算機等組成。

其基本工作原理為：

(1)采用雙波長紅外濾光片得到焊接熔池兩種不同波長的圖像信息，進行比色測溫計算;

(2)從焊縫正面攝取圖像。通過將CCD鏡頭置于焊炬的后邊，避開弧光的干擾，最大程度地攝取熔池熱圖像。雙波長濾光片的具體結(jié)構(gòu)形式是，用左右兩個不同波長的半圓濾光片拼接成一個整圓濾光片，其兩個半園的波長值根據(jù)比色測溫的要求而設(shè)計。在系統(tǒng)中安裝雙波長濾光片時，將其接縫對準焊接熔池中心，使熔池左邊輻射的一種波長的光線通過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的光線通過右半園濾光片后在光軸的左邊成像。這樣，當用一臺CCD攝像機攝取焊接熔池圖像時，就可同時在一幅圖像的兩半邊取得兩種波長的焊接溫度紅外(灰度)圖像，如圖1所示。由于焊接溫度場在正常情況下是對稱的

（3）既沿熔池中心線左右對稱，如果考慮雙波長濾光片的中間接縫很窄可以忽略不計，則可以認為在接縫兩邊的溫度場是對稱的。這樣就可以通過將狹縫兩邊對稱點上的兩個波長的信息視作同一溫度下的雙波長信息進行比色測溫計算，進行在線定標，求出該點的溫度。

2.雙波長紅外濾光片的研制

本文研制的雙波長濾光片的兩個波長分別為 λ1=0.8050μm, λ2=0.8950μm，選擇這兩個波長主要考慮到以下幾個方面的情況。

(1)選用的波長必須是所測溫度范圍內(nèi)發(fā)射的譜線，鋼在1000~1600℃之間的發(fā)射的譜線范圍比較寬，從可見光到遠紅外都有，峰值波長在近紅外，約在 1.5-2.2μm范圍。另外選用的波長同時必須在CCD攝像機的光譜響應(yīng)范圍之內(nèi)(0.4~1.1μm)，又要避開可見光的影響，因此其范圍應(yīng)為 0.75~1.1μm，即近紅外波段。

(2) 比色測溫能排除中型介質(zhì)(如煙霧、灰塵等)對測量精度的影響，但不能消除選擇性吸收介質(zhì)對測量精度的影響，因此必須設(shè)法避開。攝像系統(tǒng)是在空氣中使用，空氣中對稱分子結(jié)構(gòu)的氣體，如N2，O2，H2，它們在相當寬的紅外波段對輻射無吸收作用，而空氣中的H2O,CO2,CO等卻對紅外輻射具有強烈的吸收作用。因此選擇工作波段必須避開這些吸收帶。

(3) 根據(jù)CCD攝像機的動態(tài)響應(yīng)范圍，要使得在兩個波長下的目標熱輻射功率之比保持在一定范圍內(nèi)。如此值過高，就會在其中一個波長下CCD器件飽和，而另一個波長下CCD器件接收信號很弱，使測量誤差大大增加。但此比值又太小，否則會影響比色的靈敏度[2]。

3 近熔化區(qū)焊接溫度場的實時測定

本系統(tǒng)可以3 /s的速度實測近熔化的溫度場，試驗的條件為：Ar75%+CO225% 混合氣體保護焊，電弧電壓為20V，電流為125A，焊接速度180mm/min，焊絲為ф1.2mm的Ho8mn2SiA。其測溫過程為：當CCD攝像機攝取一幅圖像后，經(jīng)圖像卡轉(zhuǎn)換成圖像灰度數(shù)據(jù)送入計算機，計算機先對圖像數(shù)據(jù)進行濾波處理，然后計算近熔化區(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，在兩個波長的圖像內(nèi)數(shù)據(jù)局部不均勻的現(xiàn)象，需要進行數(shù)字濾波處理。

本文采用在圖像中每2行6點取中值的數(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)溫度場計算

由雙波長濾波圖像，分以下兩步計算出近熔化區(qū)的溫度場。

3.2.1用比色法計算出單色灰度值與溫度的比值

鑒于焊接溫度場在正常情況下是沿熔池中心線左右對稱的，并且雙波長濾光片的中間接縫很窄，可以認為在此接縫的兩邊溫度場是對稱的。這樣就可以通過將接縫兩邊對稱點上的兩個波長的信息視作同一溫度下的雙波長信息進行比色測溫計算，從而求出該點的溫度。其具體方法如下。

(1) 首先確定溫度對稱中心線的圖像中的位置，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對稱的距離各5個像素(由于濾光片中間狹縫的關(guān)系，需要離中心下稍遠點)的兩個灰度值H1和H1''''''''''''''''。

(2) 找到此灰度最大值所在行上一行對應(yīng)點的灰度H2，H2'''''''''''''''',和下一行對應(yīng)點的灰度H3,H3''''''''''''''''，并計算其算術(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，就可確定雙波長紅外圖像中各單色灰度值與溫度的關(guān)系。即圖像中對應(yīng)λ1下灰度值為HP1的點，溫度為T;對應(yīng)波長λ2下灰度值為HP2的點，溫度也為T。

3.2.2 普郎克定律求出近熔化區(qū)的焊縫溫度場。

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L有如下關(guān)系

式中M(λ，T)為單位波長范圍內(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。由上式可知，若已知紅外圖像中一個灰度下的溫度，就可求出其它灰度下的溫度，從而算出所測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

對圖1的近熔池區(qū)圖像的灰度數(shù)據(jù)按上述方法進行計算，得到如圖2所示的溫度場圖像。

4 含熔化區(qū)的焊接溫度場推算

當認為焊接電弧為連續(xù)移動的點熱源時，工件為半無限大體且處于極限飽和的狀態(tài)時，可以按點熱源來描述焊接溫度場[4]，這種焊接溫度場的數(shù)字模型為

為距離點熱源為R處某點的溫度;λ為導熱系數(shù);a 為導溫系數(shù);q為電弧加熱熱功率;v為焊接速度。

當焊縫表面(Z=0)A點相對熱源中心O點的坐標關(guān)系為X≥Y時，可以認為兩點距離R近似等于A點的橫坐標，即R≌-X。在焊接速度v很小時，可將溫度簡化為與速度無關(guān)的一個函數(shù)，既

T=K/R,

式中：K為常數(shù)，與材料的導熱系數(shù)、導溫系數(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)的溫度場條件下，可以按照此近似推算公式對數(shù)據(jù)進行回歸，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，上述近似推算會產(chǎn)生一定的誤差。但鑒于實測得的近熔化區(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MIG焊時的焊接溫度場進行了實時檢測與推算，由圖像比色測溫算法直接求得的近熔化區(qū)溫度場分布后，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，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)比色測溫算法的驗證

為了驗證圖像比色測溫系統(tǒng)的精度，作者做了溫度標定試驗。試驗方法是，試樣在熱處理爐內(nèi)加熱，當試件加熱至950℃后，每隔50℃用計算機記錄一幅圖像，圖像數(shù)據(jù)處理后計算所得的溫度結(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，在950~1150℃范圍內(nèi)，標定結(jié)果與實際溫度吻合較好，最大誤差為37.4℃，最大相對誤差為3.94%。

6 結(jié)論

研制了結(jié)構(gòu)新穎的雙波長濾光片，并以此為基礎(chǔ)，建立了焊接溫度場圖像比色測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了用單鏡頭進行圖像比色測溫的方法，簡化了整個測溫系統(tǒng)，使圖像比色實時檢測焊接溫度場方法進一步實用化。