双波长滤光片式红外测量焊接温度场系统

HEATS

序 言

　　焊接温度场的实时测量技术是焊接过程与质量控制技术中的一个重要的研究方面，近几年的研究结果表明图像比色测温方法的测量焊接温度场方面有相当大的发展前途。
比色测温法在光路结构上有两种方案可供选择_[1，2]：（1）单通道型。使用一个光检测装置分时接受热辐射束；再采用两种不同波长滤光片来处理此热辐射束；（2）双通道型。使用两个光检测装置同时接受热辐射束，再使其经过各自滤光片后射入到各自检测装置上进行处理。单通道型的优点在于使用一个摄像机，光路简单，便于调整。但采用单道型的测温系统，往往要通过电机来分时切换两种滤光片以取得不同波长的两幅热辐射图像，从而使系统响应速度慢，并使图像采集装置复杂。双通道型的优点是响应速度快，但光路复杂，不便调整。
为了综合上述两种方法的优点，本文研制了一种新颖的比色测温系统，这种系统的特点是采用一种双波长的红外滤光片，这样就可以用单镜头在一幅图像中同时得到两幅不同波长的热辐射图像信息，再利用比色测温原理对该图像进行处理，实时测量出近熔化区的焊接温度场。这种系统不必采用分时切换滤光片的机构，因而结构简单，实用性好，适用于焊接现场。

1.系统基本工作原理

本文研制的双波长红外图像处理系统主要由双波长波光片、CCD摄像机、数字图像卡、计算机等组成。
其基本工作原理为：（1）采用双波长红外滤光片得到焊接熔池两种不同波长的图像信息，进行比色测温计算；（2）从焊缝正面摄取图像。通过将CCD镜头置于焊炬的后边，避开弧光的干扰，最大程度地摄取熔池热图像。双波长滤光片的具体结构形式是，用左右两个不同波长的半圆滤光片拼接成一个整圆滤光片，其两个半园的波长值根据比色测温的要求而设计。在系统中安装双波长滤光片时，将其接缝对准焊接熔池中心，使熔池左边辐射的一种波长的光线通过左半园滤光片后的光轴的右边成像，而熔池右边辐射的另一波长的光线通过右半园滤光片后在光轴的左边成像。这样，当用一台CCD摄像机摄取焊接熔池图像时，就可同时在一幅图像的两半边取得两种波长的焊接温度红外（灰度）图像，如图1所示。由于焊接温度场在正常情况下是对称的_[3]，既沿熔池中心线左右对称，如果考虑双波长滤光片的中间接缝很窄可以忽略不计，则可以认为在接缝两边的温度场是对称的。这样就可以通过将狭缝两边对称点上的两个波长的信息视作同一温度下的双波长信息进行比色测温计算，进行在线定标，求出该点的温度。

2.双波长红外滤光片的研制

　　本文研制的双波长滤光片的两个波长分别为 λ ₁=0.8050μm, λ ₂=0.8950μm，选择这两个波长主要考虑到以下几个方面的情况。

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（1） 选用的波长必须是所测温度范围内发射的谱线，钢在1000~1600℃之间的发射的谱线范围比较宽，从可见光到远红外都有，峰值波长在近红外，约在1.5-2.2μm范围。另外选用的波长同时必须在CCD摄像机的光谱响应范围之内（0.4~1.1μm），又要避开可见光的影响，因此其范围应为0.75~1.1μm，即近红外波段。

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（2） 比色测温能排除中型介质（如烟雾、灰尘等）对测量精度的影响，但不能消除选择性吸收介质对测量精度的影响，因此必须设法避开。摄像系统是在空气中使用，空气中对称分子结构的气体，如N₂，O₂，H₂，它们在相当宽的红外波段对辐射无吸收作用，而空气中的H₂O,CO₂,CO等却对红外辐射具有强烈的吸收作用。因此选择工作波段必须避开这些吸收带。

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（3） 根据CCD摄像机的动态响应范围，要使得在两个波长下的目标热辐射功率之比保持在一定范围内。如此值过高，就会在其中一个波长下CCD器件饱和，而另一个波长下CCD器件接收信号很弱，使测量误差大大增加。但此比值又太小，否则会影响比色的灵敏度^[2]。

3 近熔化区焊接温度场的实时测定

本系统可以3 /s的速度实测近熔化的温度场，试验的条件为：Ar75%+CO₂25%混合气体保护焊，电弧电压为20V，电流为125A，焊接速度180mm/min，焊丝为ф1.2mm的Ho8mn2SiA。其测温过程为：当CCD摄像机摄取一幅图像后，经图像卡转换成图像灰度数据送入计算机，计算机先对图像数据进行滤波处理，然后计算近熔化区的温度分布。

 3.1 原始图像数字滤波处理图1是原始图像灰度数据的伪着色显示，从图中可以看出，除了图像中间外，在两个波长的图像内数据局部不均匀的现象，需要进行数字滤波处理。

本文采用在图像中每2行6点取中值的数字滤波算法。具体算法为

式中：H'(i,j)为第i行第j列滤波后的灰度值；H(i,j)为第i行第j列的原始灰度值。

 3.2 近熔化区温度场计算

由双波长滤波图像，分以下两步计算出近熔化区的温度场。

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 3.2.1用比色法计算出单色灰度值与温度的比值

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鉴于焊接温度场在正常情况下是沿熔池中心线左右对称的，并且双波长滤光片的中间接缝很窄，可以认为在此接缝的两边温度场是对称的。这样就可以通过将接缝两边对称点上的两个波长的信息视作同一温度下的双波长信息进行比色测温计算，从而求出该点的温度。其具体方法如下。

（1） 首先确定温度对称中心线的图像中的位置，然后确定图像灰度最大值所在的行，在该行中找到与中心线对称的距离各5个像素（由于滤光片中间狭缝的关系，需要离中心下稍远点）的两个灰度值H₁和H₁'。

（2） 找到此灰度最大值所在行上一行对应点的灰度H₂，H₂',和下一行对应点的灰度H₃,H₃'，并计算其算术平均值HP₁、HP₂,即

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（3） 以平均灰度HP₁和HP₂为基础，求出其比色值r为

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再根据比色值与温度之间的关系，就可确定双波长红外图像中各单色灰度值与温度的关系。即图像中对应λ₁下灰度值为HP₁的点，温度为T；对应波长λ₂下灰度值为HP₂的点，温度也为T。

3.2.2 普郎克定律求出近熔化区的焊缝温度场。
　　根据普朗克定律，灰体的热辐射通量密度M与温度T、波长L有如下关系

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式中M_（λ，T）为单位波长范围内的辐射通量密度；ε_（λ，T）为灰体的辐射率或吸收率；C₁、C₂为辐射常数；T为热辐射体的温度，单位为K; λ为波长。由上式可知，若已知红外图像中一个灰度下的温度，就可求出其它灰度下的温度，从而算出所测红外图像中各处的温度。即：已知灰度M_（λ，T）下的温度T₁，就可求出灰度M_{（λ，T2）}下温度T₂

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对图1的近熔池区图像的灰度数据按上述方法进行计算，得到如图2所示的温度场图像。

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4 含熔化区的焊接温度场推算

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 当认为焊接电弧为连续移动的点热源时，工件为半无限大体且处于极限饱和的状态时，可以按点热源来描述焊接温度场_[4]，这种焊接温度场的数字模型为

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为距离点热源为R处某点的温度；λ为导热系数；a 为导温系数；q为电弧加热热功率；v为焊接速度。

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当焊缝表面（Z=0）A点相对热源中心O点的坐标关系为X≥Y时，可以认为两点距离R近似等于A点的横坐标，即R≈-X。在焊接速度v很小时，可将温度简化为与速度无关的一个函数，既

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 T=K/R,

式中：K为常数，与材料的导热系数、导温系数、电弧热功率等因素有关；R为到热源中心的距?lt;sub>[2-4]。这样在已知近熔化区的温度场条件下，可以按照此近似推算公式对数据进行回归，得到常数K，即可向熔池方向推算温度，一直到热源中心为止，上述近似推算会产生一定的误差。但鉴于实测得的近熔化区的温度在1300℃左右，已很接近熔化区温度，因而推算的误差是有限的。

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如上所述，本系统对MIG焊时的焊接温度场进行了实时检测与推算，由图像比色测温算法直接求得的近熔化区温度场分布后，以伪着色的方式表示，如图3所示，在此基础上推算出包括熔化区的焊接温度场，如图4所示。在图2中由中心逐层向外、在

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图3、4中由上向下依次伪着色后各层颜色所代表的温度（℃）分别为：白＞1490，黄1420-1490，橙350~1420，红1280~1350，青1210-1280，绿1140~1210，兰1070~1140，深灰＜1070。

5　系统比色测温算法的验证

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为了验证图像比色测温系统的精度，作者做了温度标定试验。试验方法是，试样在热处理炉内加热，当试件加热至950℃后，每隔50℃用计算机记录一幅图像，图像数据处理后计算所得的温度结果如表1所示（表中*处为图像数据局部饱和，应删除）。由表1可见，在950~1150℃范围内，标定结果与实际温度吻合较好，最大误差为37.4℃，最大相对误差为3.94%。

6 结 论

　　研制了结构新颖的双波长滤光片，并以此为基础，建立了焊接温度场图像比色测温系统，实现了用单镜头进行图像比色测温的方法，简化了整个测温系统，使图像比色实时检测焊接温度场方法进一步实用化。