０ 引 言
在冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题，实时检测并控制目标物体的温度场分布成为提高生产质量和生产率的关键，为此设计满足实时检测要求且有较宽温度范围的温度场传感器具有很重要意义。红外热成像系统广泛应用于温度场检测中，这种检测方法都是基于辐射测量方法，不可避免存在对目标发射率、目标距离、背景、标定等依赖性的问题，精度难以保证。利用ICCD获取双色热图象，然后通过计算机图象系统进行比值等处理，可得到目标局部区域的温度场分布，这种方法具有普通双色测温方法的优点，但由于传感器仅使用单个曝光时间，受ICCD的动态范围限制，测温范围小，同时传感器设计实时性差。本文首先介绍ICCD双色热图象进行温度场检测的原理，提出对温度场分区使用不同的曝光时间扩大温度场检测温度范围的方法，阐述满足温度场实时检测要求的传感器设计，最后对传感器进行标定。
1 双色热图象测温原理
对于目标物理的温度场分布T(()/(r))，经过如图1所示的红外辐射成像系统之后，在ICCD
光敏面上的辐照度为：
 (1)
式中 ——物体的光谱辐射度分布；
λ——辐射波长；
 ——光谱辐射率；
F——透镜的光阑系数；
τ(λ)——透镜的透过率；
γ(λ)——滤光片透过率；
l′——象距；
l——物距；
ξ——透镜的杂光系数；
H——渐晕系数；
r——目标面上坐标；
r′——ICCD光敏面上位置坐标。光谱辐照度经ICCD光电转换后成电荷量信号，由驱动电路输出视频信号，再经过图象系统8位A/D转换之后，在显示屏上得到热辐射图象灰度分布：
i＝1，2。
 (2)
式中 A——光敏面面积；
t——曝光时间；
k——量子效率；
k０——图象A/D转换系数； λ1、λ２和δλ1、δλ２——两个滤光片的中心波长及其带宽。
双色热图象测温就是利用双波长λ1、λ２两幅热图象灰度比值与温度之间的一一对应关系实现的：
 (3)
对于大多数金属，在λ１和λ２接近时，其光谱辐射率近似相等，因此式(3)的比值受目标物体光谱辐射率影响很小，这是双色热图象测量的主要优点。
ICCD接收电荷量受噪声限制存在最小接受电荷量以及受饱和曝光量限制的最大电荷量，它们决定了ICCD动态范围，在宽温度范围测量中，动态范围将会导致ICCD要么信号过强而饱和，要么信号过小而无法使用，为了实现宽温度范围测量(如1150～1650K)，对温度分区：
高温区T１～T2。中温区T2～T3、低温区T3～T4，分别使用不同的曝光时间τ１、τ２、τ3使各个温区的热辐射均在ICCD的动态范围之内。定义双色热图象每个区域温度高端、低端的灰度之比为：
k＝1，2，3
 (4)
若两波长λ１、λ２热图象低温区的低端分别为N１、N２，则其余温区的高端、低端温度相应的灰度值如表1所示，ICCD三个曝光时间分别选用2、0.5、0.1ms，结合测量距离等因素，可使宽温度范围分区后各个温区的两波长热辐射均在ICCD的动态范围之内，从而可以实现宽温度范围的测量。
表1 各个温区双色热图象高端、低端灰度
温区 | λ１热图象
| λ２热图象 | | 低端 | 高端 | 低端 | 高端 | 低温区 | N1 | C1(λ１)N1 | N２ |
C１(λ２)N2 | 中温区 | | | | | 高温区 | | | | |
2 双色热图象传感器设计
双色热图象传感器设计决定着双色热图象的质量、实时动态检测能力。从光学、机械、电路及图象处理等方面考虑设计，可使传感器满足实时检测要求。
采用图1折射式成像系统，双色热图象是由镶有中心波长分别为λ１、λ２的两个滤光片的双色盘高速旋转交替获得，双色盘结构如图2所示，中心小圆为旋转轴所在位置，两个半圆分别为两个滤光片。另一偏心小圆为透过滤光片的成像截面，圆盘上有两个小孔作为分别获取两个滤光片来到的光电定位信号，设成像光束截面半径为r，中心离双色盘圆心及外边缘分别为d１、d２，则中心与圆心连线同通过圆心向成像截面圆切线的夹角θ＝Sm－1(r/d１)，双色盘的外径为R＝d１＋d２。通过设计d１决定θ的大小，若d1＝2r，则θ＝30°，因此各个滤光片有效工作角度可接近于180°－2×30°＝120°。ICCD一场时间为20ms，为了保证能够采集到
一场，总的一周时间为2*(20＋2*20)＝120ms，故双色盘的速度为N＝1000/120＝18.3周/s，对一般的检测，如焊接温度场，这种采集速度可以满足实时性要求。
图1 热辐射成像系统
图2 双色盘
图3 双色热图像采集时序
双色热图象采集时序控制由双色盘上双小孔的光电开关信号实现，时序如图3，每个曝光时间双色盘旋转一周采集到双色热图像各一幅，用于确定相应温度区域的温度分布。
3 实 验 标 定
使用热模拟装置Gleeble－1500，10×10×350mm３不锈钢作试样进行标定，加热温度可以达到低于不锈钢及测量热电偶镍铬—镍硅熔点的任何温度，这里仅对每50K温度采集双色热图象，从1050K开始到1650K，曝光时间分别采用2、0.
5、0.1ms，保证热辐射在ICCD产生的电荷量在其动态范围之内。采集双色热图象之后，计算机进行双色热图象灰度比值处理，得到温度与比值的标定曲线。每个温度区域，相应曝光时间的数据点连线成为三条响应曲线如图4，计算机存贮这三个区域的k(T)～T标定数据用于实际检测。
为了验证这种测量方法的可行性和可靠性，使用多种材料、不同表面状况材料进行了实验，详细过程将另行讨论，其结果表明材料性质及表面状况在每个测试点的误差不超过15°，这对于高温测量如焊接温度场是可以接受的。
(λ１＝0.78μm、λ2＝0.92μm、δλ１＝δλ２＝0.01μm)
图4 双色比值k(T)～T曲线
4 结 论
对温度场分区使用不同的ICCD曝光时间可以扩大测温范围。
双色热图象传感器设计满足温度场实时检测要求。 |
