陳戈華， 張曉陽

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

AOD爐鐵合金冶煉是一個(gè)復(fù)雜多元、多相、高溫的物理化學(xué)反應(yīng)過程，溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測對(duì)AOD爐冶煉鐵合金的質(zhì)量和降低原料消耗至關(guān)重要?，F(xiàn)在普遍使用的測溫方式是雙色比值方法，此方法使用方便、反應(yīng)速度快、測溫范圍廣泛，可以在不接觸被測物體的情況下準(zhǔn)確測量出爐內(nèi)的溫度。由于測溫環(huán)境條件的限制,測溫儀安裝位置不固定而又要測量小目標(biāo)的原因，在實(shí)驗(yàn)過程中很容易忽略距離系數(shù)的影響，測量溫度值存在著一定誤差，所以要提高測溫儀光學(xué)分辨率，針對(duì)此問題，文中提出一種可以自動(dòng)調(diào)焦的光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，這樣即使目標(biāo)不能充滿整個(gè)測量視場，也能高精度、高重復(fù)性地接收目標(biāo)的熱輻射。

1 測溫原理

由于在實(shí)際測溫現(xiàn)場受粉塵、氣體等環(huán)境因素的干擾，常使用雙色比值測溫方式。該方式是根據(jù)兩個(gè)不同波長的紅外光輻射能量的比值得出物體色溫(Ts)。色溫是相對(duì)于黑體來說的，而且在實(shí)際測溫中也沒有絕對(duì)的黑體存在，但是根據(jù)色溫的定義可以得出真實(shí)的溫度(T)與色溫(Ts)之間存在著一定的關(guān)系。當(dāng)選取兩個(gè)波長相近的紅外光時(shí)，其發(fā)射率相差比較小，可以近似認(rèn)為兩者的發(fā)射率是相等的，這時(shí)被測物體的真實(shí)溫度就等于物體的色溫[1]。

根據(jù)輻射原理，當(dāng)物體溫度超過絕對(duì)零度時(shí),就會(huì)不斷以電磁波的形式向外輻射能量。隨著溫度的升高，物體光譜輻射強(qiáng)度就越大，相應(yīng)的波長峰值向著波長減小的方向移動(dòng)[2]。根據(jù)普朗克黑體輻射定律可知

(1)

在自然界中沒有絕對(duì)的黑體存在，實(shí)際上被測物體輻射能與黑體輻射能存在著線性關(guān)系

u(λ,T)=ε·u0(λ,T),

(2)

式中：ε——被測物體的發(fā)射率，其值只取決于物體表面特性，與外界條件無關(guān)。

選取λ1、λ2兩個(gè)合適的波長，可以得出兩個(gè)波長輻射能的比值

(3)

式中：λ1、λ2——選定的兩個(gè)波長；

Ts——待測物體的色溫。

由式(3)可知，當(dāng)ε1=ε2時(shí)，色溫Ts只與兩波長和兩個(gè)波長的輻射能比值有關(guān)。

根據(jù)色溫的定義可以得出色溫Ts與真實(shí)溫度T的關(guān)系

(4)

由式(4)可知，當(dāng)ε1=ε2時(shí)，即物體的光譜發(fā)射率不隨波長變化而變化，物體的真實(shí)溫度等于色溫。對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù),可以得出物體的真實(shí)溫度

(5)

為了保證兩個(gè)波長的發(fā)射率近似相等，應(yīng)該選擇比較接近的測量波長，文中采用的是800 nm和1 000 nm的濾光片[3]。

2 測溫儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的測溫儀由于目標(biāo)大小和距離系數(shù)的原因，一般安裝在特定的距離上。但是受實(shí)際測溫環(huán)境條件的限制，安裝位置不一定能夠滿足測溫儀對(duì)距離系數(shù)的要求,距離遠(yuǎn)而且測量的目標(biāo)較小，被測目標(biāo)小于測試視場，背景輻射會(huì)進(jìn)入測溫儀的視場干擾測溫，這就影響了儀器的測量精度[4-7]。文中提出一種自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)焦的光學(xué)系統(tǒng)，可以有效避免背景輻射的影響。即使安裝在遠(yuǎn)距離上，也能夠通過自動(dòng)對(duì)焦保證被測物體充滿測溫儀的視場，使得測溫儀不再受測溫區(qū)域以外的背景影響。測溫示意圖如圖1所示。

圖1 測溫示意圖

測溫儀整個(gè)系統(tǒng)包括光路部分和測量電路。光路部分中的濾光片是鑲嵌在電機(jī)帶動(dòng)的調(diào)制盤上，通過電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)采集光信號(hào)，另外增加了自動(dòng)對(duì)焦功能，其圖像信息也在調(diào)制盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)下通過圖像傳感器采集，通過DSP對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析、比較，根據(jù)比較的結(jié)果，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步數(shù)來控制光學(xué)鏡頭，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。對(duì)焦完成以后,DSP給單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，開始采用雙色比值方法進(jìn)行測溫。

2.1 光路系統(tǒng)

光路有以下幾個(gè)單元：變焦透鏡組、對(duì)焦鏡頭組、成像器件、自動(dòng)對(duì)焦單元、鏡頭驅(qū)動(dòng)單元。成像器件是CCD數(shù)字式圖像傳感器，輸出圖像信息的信息量；自動(dòng)對(duì)焦單元有DSP芯片作為核心器件，圖像信息采集、計(jì)算、控制策略的選擇和控制信號(hào)的產(chǎn)生都在這個(gè)單元中進(jìn)行；鏡頭驅(qū)動(dòng)單元包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路，該單元接收DSP傳輸?shù)男盘?hào)控制變焦鏡頭和對(duì)焦鏡頭進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，最終是圖像傳感器輸出準(zhǔn)確對(duì)焦的圖像[8]。對(duì)焦完成后，開始采用雙色比值的方法測AOD爐內(nèi)鐵水的溫度。

2.2 測量系統(tǒng)硬件電路

測量系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)硬件電路

測量電路利用光電池對(duì)紅外光敏感的特性，當(dāng)光進(jìn)入光電池后，光電池會(huì)根據(jù)接收輻射能的多少在電路上產(chǎn)生不同的電流,并采用短路電流法完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。光電池與OP07雙極性運(yùn)算放大器組成一個(gè)跨阻放大器U1，其輸出電壓V0=IR1(I為光電池產(chǎn)生的電流)。經(jīng)過前置放大器后分成兩路,分別對(duì)800 nm和1 000 nm兩種波長的光進(jìn)行信號(hào)采集。由于光信號(hào)是在無刷電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)下采集的,而且只有一個(gè)光電池，所以兩個(gè)測量電路需要在采集兩種信號(hào)時(shí)來回進(jìn)行切換，本系統(tǒng)采用的是CD4502模擬開關(guān)。由于采集到的信號(hào)在不同程度上存在著諧波，采用二階RC電路進(jìn)行濾波處理，把處理后的信號(hào)再放大經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)使用具有高分辨率的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7705，該芯片是一個(gè)16位的串行AD,而且是兩路模擬信號(hào)輸入，適合于高精度測量[9]。將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)，經(jīng)計(jì)算后得出溫度值，通過無線傳輸發(fā)送到PC端和手持式終端。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)測溫儀一般安裝在特定位置，其距離系數(shù)對(duì)測溫精度具有一定的影響。實(shí)驗(yàn)是測溫儀距離底槍2 m處，用自動(dòng)調(diào)焦和未調(diào)焦兩種方式進(jìn)行測溫，得出的數(shù)據(jù)見表1。

當(dāng)爐內(nèi)溫度在1 500 ℃以下時(shí)，爐內(nèi)金屬還沒有完全熔化,物體的發(fā)射率在選取的兩個(gè)波長下幾乎相同。隨著溫度的上升，爐內(nèi)完全為液態(tài)，其發(fā)射率發(fā)生了變化，兩個(gè)波長的發(fā)射率相差變大，因此需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正[10]。由表1數(shù)據(jù)可知，未調(diào)焦時(shí)測溫溫度與實(shí)際溫度誤差較大，實(shí)際溫度從1 200 ℃升高到1 750 ℃，實(shí)測溫度只變換了290.36 ℃,溫度變化范圍小，其擬合效果不好。而自動(dòng)調(diào)焦后數(shù)據(jù)的跟隨效果比較好，相比于未調(diào)焦時(shí)優(yōu)勢明顯，由此可以得出,自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)可以減少背景輻射的影響，提高測量準(zhǔn)確度與精度。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

4 結(jié) 語

通過在光路末端增加傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦，只需要更短的調(diào)整時(shí)間就能瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)，對(duì)不同的測量位置用同一基礎(chǔ)儀器。自動(dòng)聚焦克服了傳統(tǒng)測溫儀被距離所約束帶來的不便。為提高測量精度,對(duì)測量電路做了進(jìn)一步優(yōu)化，有效避免了環(huán)境因素干擾測量電路，使其能夠滿足實(shí)際要求。同時(shí)帶瞄準(zhǔn)裝置的測溫儀是一個(gè)新發(fā)展方向，更具有實(shí)際意義。