【技術領域】

本發(fā)明屬于測溫技術領域，具體涉及一種微尺度火工品燃燒溫度場測量裝置及其測溫方法。

背景技術：

在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要測量各種物體的溫度。溫度在許多技術領域都是一個非常重要的指標參數(shù)，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和生活等許多領域，都需要用到測溫裝置來監(jiān)測溫度。溫度的自動監(jiān)測已經(jīng)成為各行各業(yè)進行安全生產(chǎn)和減少損失采取的重要措施之一。特定場合下由于監(jiān)測點比較分散、偏遠，采用傳統(tǒng)的溫度測量方式周期長、成本高，而且測量員必須到現(xiàn)場進行測量，因此工作效率非常低。

測溫技術分接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。接觸式測溫需要將傳感器緊貼被測物體表面，同時測量電路和傳感器之間有線路相連接。常用的接觸式測溫技術有熱電耦測溫、熱敏電阻測溫、半導體測溫、光纖測溫等方法。非接觸式測溫目前主要采用紅外測溫技術，測量電路與被測物體表面相分離，適合于遠距離測量或者一些特殊場合。

有一些場合既不能采用常用的接觸式測溫技術，也不能采用非接觸測溫方式。例如火工品燃燒的溫度測量，由于火工品在燃燒過程中會產(chǎn)生破壞性的瞬間高溫，一般的接觸式測溫方法在溫度達到最高溫度之前傳感器就已經(jīng)被破壞，同時快速的響應時間也使得接觸式測溫無法有很高的時間分辨率，所以無法使用接觸式測溫方法。對于符合普朗克輻射定律的物體，當其自身的溫度超過600℃以上的高溫后，就會發(fā)出肉眼可見顏色的光線，隨著溫度的升高，色彩會由暗紅色向黃色，再向赤白色變化，根據(jù)物體自身因高溫發(fā)光所表現(xiàn)出來的顏色，有經(jīng)驗的工人可以估計物體的大致溫度。

現(xiàn)有對高溫溫度的測量，通常采用非接觸式的輻射測溫技術，其測溫技術的共同缺陷是物體輻射率模型會存在主觀選擇的誤差，或者需要提前測量物體的發(fā)射率，對專業(yè)測量人員而言也會產(chǎn)生較大誤差，對非專業(yè)人士將會更加的困難。微尺度溫度場的測量本身對測量的空間分辨率有著較高的要求，一般來說，微尺度火工品裝藥的直徑在0.5mm---5mm之間。為了測量火工品燃燒時的溫度場分布，需要在設計中考慮實際測量對象的空間分辨率。另外，微尺度火工品燃燒速度非?？欤跍y量其發(fā)射率的時候存在著非常大的困難。不同火工品發(fā)射率與溫度之間存在不確定的函數(shù)關系，加上燃燒溫度在短時間內劇烈變化，所以發(fā)射率也在極快的變化，且很難用現(xiàn)有的方法準確的測得不同溫度下的發(fā)射率。目前，準確的測量火工品燃燒過程的發(fā)射率還是業(yè)內尚未完全解決的問題。

公開號為cn1190185的中國專利提出了一種非接觸式的溫度測量方法，其在測量前用黑體爐對相機成像傳感器的參數(shù)進行標定，然后選擇了一種物體發(fā)射率模型，在測量中通過三基色強度的計算公式對發(fā)射率模型中的參數(shù)和溫度進行計算，從而得到物體的溫度。但是，這種溫度的測量有一定的局限性，首先物體的發(fā)射率模型要選擇準確，因為微尺度火工品的發(fā)射率與現(xiàn)有的發(fā)射率模型是否匹配未知；其次，因為三基色只有三個通道，所以物體的發(fā)射率最高只能選取有兩個位置參數(shù)的模型，否則無法解出物體的溫度；另外該方法在測量中使用了分布色系函數(shù)，在實際的響應中，傳感器強度隨光強變化并非理想的線性曲線，所以，這些都增加了傳感器的測量誤差。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有測溫方法所存在的技術缺陷，本發(fā)明提供了一種基于三基色原理的微尺度火工品高溫高速測量裝置及其測溫方法，能夠對于符合普朗克輻射定律的高溫火工品，根據(jù)它燃燒時的發(fā)光顏色，采用計算機自動計算微小尺度火工品快速燃燒的溫度場，并且無需借助火工品的發(fā)射率模型。

一種微尺度火工品燃燒溫度場測量方法，對攝像機進行標定，確定物體溫度與三基色值關系中的參數(shù)，采集火工品燃燒時的三基色值，根據(jù)該三基色值與物體溫度之間關系確定物體的溫度。

所述三基色值與物體溫度之間滿足關系：其中，t為絕對溫度，k和b為三基色值與物體溫度曲線的兩個參數(shù)，r、g、b為三基色的值。

對攝像機進行標定，確定物體溫度與三基色值關系中的參數(shù)按照以下方法：

在不同溫度下，采集火工品燃燒的圖像，從中提取rgb三基色的值，再求取溫度下的三基色值的平均值，最后根據(jù)計算參數(shù)k和b。

一種微尺度火工品燃燒溫度場測量裝置，包括成像鏡頭、與成像鏡頭連接的攝像機、與攝像機連接的計算機，所述攝像機放置在安裝平臺上，安裝平臺被支撐桿支撐，火工品被夾具夾持后，放置在成像鏡頭的前面，當火工品燃燒后，其燃燒的圖像或視頻被成像鏡頭捕捉，在火工品和成像鏡頭之間設置有隔離板。

所述隔離板上開設有貫穿孔，用于安裝窗口固定環(huán)，該窗口固定環(huán)上安裝有濾光片，對火工品產(chǎn)生的光強進行衰減。

所述窗口固定環(huán)由兩部分組成，一部分穿過貫穿孔安裝在隔離板上，有外螺紋，另一部分有內螺紋，將前一部分固定在隔離板上。

所述支撐桿包括套筒和光桿，其中，光桿安裝在套筒中，通過光桿調節(jié)安裝平臺的高度。

所述的支撐桿下部通過滑塊安裝在導軌上，用來調整成像鏡頭與火工品之間的距離。

所述的夾具被第二支撐桿支撐用以調節(jié)火工品的高度，該第二支撐桿的下端通過第二滑塊安裝在導軌上。

所述成像鏡頭的光學放大倍數(shù)為0.22，分辨率為64×64。

除計算機外的所有部件均密封在避光安裝箱內，所述隔離板安裝在該避光安裝箱內。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：本發(fā)明專利首先標定物體溫度與三基色灰度值之間的關系，這樣，采集到火工品燃燒的圖像后，提取其三基色的值，最后通過三基色值與溫度之間的關系確定待測溫度的數(shù)值。這種方法無需發(fā)射率模型，因此，本發(fā)明方法更加簡單高效，且由于不依賴發(fā)射率模型，測量準確度更高。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明微尺度火工品高溫高速測量裝置系統(tǒng)圖。

圖2為本發(fā)明微尺度火工品高溫高速測量裝置結構示意圖。

圖3為微尺度火工品燃燒的火焰尺寸示意圖。

1——火工品2——濾光片3——隔離板4——窗口固定環(huán)5——成像鏡頭

6——高速攝影機7——避光安裝箱8——數(shù)據(jù)傳輸線9——計算機10——攝影機安裝平臺

11——支撐桿1，12——滑塊1，13——導軌14——夾具15——第二滑塊，16——第二支撐桿。

【具體實施方式】

一種微尺度火工品高溫高速測量裝置，包括：

高速攝影機6，該高速攝影機6與成像鏡頭5同軸設置，所述的成像鏡頭5設置在高速攝影機6的一側，在高速攝影機的另一側設置計算機9；成像鏡頭用于對微尺度火工品燃燒發(fā)出的光成像于攝影機傳感器底片，計算機用于對采集到的圖像進行處理，所述計算機連接有觸發(fā)器，用于觸發(fā)火工品藥劑的燃燒。

所述高速攝影機選擇phantom品牌的攝影機，其有多個幀數(shù)和分辨率可供選擇，根據(jù)火工品燃燒的實際情況和測量的要求，選擇相機的幀數(shù)為58000幀，分辨率為64×64像素，像素尺寸為22μm，可以得到圖像傳感器上靶面為邊長為1.408mm的正方形。

所述成像鏡頭選擇遠心成像鏡頭，根據(jù)被測對象的大小和需要的空間分辨率選擇鏡頭，確定實際的視野為6.4mm的正方形，可得到鏡頭的光學放大倍率為0.22，分辨率為64×64。選擇鏡頭為遠心成像鏡頭gco-230104。

與高速攝影機6相連的安裝平臺10，用于固定高速攝影機6，高速攝影機6安裝在安裝平臺10上；所述安裝平臺為鋁制的上下兩個部分，上部分通過云臺螺釘與攝影機連接，下部通過螺釘與支撐桿11連接，上下兩部分通過螺釘連接。

支撐桿11，設置在安裝平臺10下方并通過緊固件與安裝平臺10固定連接，包括套筒和光桿，光桿可動地安裝在套筒內，用于升降調節(jié)安裝平臺10的高度。

滑塊12，設置在支撐桿11的底部，并在導軌13上滑動，通過滑塊12在導軌13上的移動調節(jié)攝影機6與藥劑(或火工品)的距離；所述滑塊12通過螺釘與支撐桿連接，可以調節(jié)位置后固定在導軌13上。

導軌13，所述滑塊12在導軌13上滑動，導軌13用于保證光路在一條直線上；所述導軌標有刻度，可以在測量之前對測量距離進行調整。

避光安裝箱7，用于保護實驗儀器，防止外界光線干擾，除了計算機之外的所有零部件均密封在該避光安裝箱7內部。避光安裝箱由鋁板和型材組成，使整個測量裝置處于密閉環(huán)境中。所述的導軌13安裝在避光安裝箱7的底部；所述避光安裝箱7內部設置有隔離板3，隔離板3上開設有貫穿孔，用于安裝窗口固定環(huán)4，該窗口固定環(huán)4上安裝有濾光片，對火工品產(chǎn)生的光強進行衰減。所述窗口固定環(huán)4由兩部分組成，一部分穿過貫穿孔安裝在隔離板3上，有外螺紋，另一部分有內螺紋，將前一部分固定在隔離板3上。在所述窗口固定環(huán)4上安裝有中性密度濾光片，對火工品產(chǎn)生的較大的光強進行衰減。

火工品1被夾具14夾持而固定，火工品1與成像鏡頭5同軸設置，火工品1與成像鏡頭5之間設置有所述的隔離板。

夾具14一方面用于夾持火工品，另外一方面通過第二支撐桿16調節(jié)火工品的高度，該第二支撐桿16的結構與支撐桿的結構完全相同。夾具通過螺釘與第二支撐桿16連接，通過調整活動鉗口來固定需要測量的火工品。

第二支撐桿16的底部設置有第二滑塊15，該第二滑塊15安裝在導軌13內，通過滑塊在導軌內的滑動調節(jié)火工品1與成像鏡頭5之間的距離。

與計算機連接的觸發(fā)器通過計算機軟件控制，因為高速攝影機的內存有限，所以需要在所需時間內將圖像采集，所以使用軟件先打開高速攝影機，然后設置時間間隔將火工品觸發(fā)燃燒，這樣就可以保證測量得到溫度的圖像。

所述測溫處理軟件使用matlab開發(fā)，分為標定和測量兩個軟件，標定軟件用于對黑體爐進行測量，可以對光路的光學性能進行標定，處理后得到標定的參數(shù)曲線；測量軟件用于對火工品燃燒過程中，對燃燒的過程進行采集，利用標定得到的參數(shù)曲線，求解出溫度場的圖像。

微尺度選擇成像鏡頭的計算方法，包括如下：

如圖3所示，所測量的微尺度火工品燃燒的火焰尺寸不會超過6.4mm×6.4mm，在攝影機選擇的幀數(shù)和分辨率選擇過程中，分辨率選擇為64×64，在cmos圖像傳感器上的靶面長度為22×64＝1408μm＝1.408mm，可以得到鏡頭的光學放大倍數(shù)為1.408/6.4＝0.22，每個像素在空間中所代表的尺寸為22/0.22＝100μm＝0.1mm，滿足了測量所需要的空間分辨率，所以根據(jù)此光學放大倍數(shù)和測量距離的要求選擇遠心成像鏡頭gco-230104。

上述微尺度火工品高溫高速測量裝置的使用方法，包括如下：

(1)利用計算機控制攝影機觸發(fā)程序，輸出ttl控制高速攝影機開始拍攝，間隔一段時間之后，觸發(fā)程序觸發(fā)火工品開始燃燒。

(2)火工品燃燒發(fā)出的光是在可見光波段連續(xù)的熱輻射，需要根據(jù)非黑體輻射定律、光路傳播的能量吸收特性、圖像傳感器的感光特性、電流轉化三基色值的關系等計算出彩色視頻的三基色值與物體溫度之間的關系根據(jù)非黑體的普朗克公式：

式中：m(λ,t)——單色輻射出射度；

ε(λ,t)——單色發(fā)射率；

c1——普朗克第一常數(shù)；

c2——普朗克第二常數(shù)；

t——絕對溫度；

λ——波長；

當溫度低于3000k且波長λ<0.8μm，可近似用維恩定律代替普朗克公式：

式中各參數(shù)與普朗克公式中各參數(shù)相同；

由于微尺度火工品的面積很小，可以近似為點光源，火工品燃燒的輻射亮度為：

燃燒發(fā)出的光經(jīng)過中性密度濾光片，成像鏡頭傳到圖像傳感器處的照度：

式中：a——入瞳半徑；

f’——像方焦距；

λ1、λ2——光學系統(tǒng)可以透過的熱輻射的波長上下限；

kt(λ)——光學系統(tǒng)的透過率

l0(λ,t)——輻射亮度

圖像傳感器rgb三基色值理論公式分別為：

式中：η——電流與三基色值轉換系數(shù)；

μr、μg、μb——光電轉換系數(shù)；

t——曝光時間；

(3)在圖像傳感器rgb三基色值理論公式中，亮度始終受該被測物的發(fā)射率的影響，所以做如下假設，近似認為物體的發(fā)射率在光學系統(tǒng)可以透過的熱輻射的波長上下限λ1、λ2內成線性變化，即

ε(λr,t)+δε(λr,t)＝ε(λg,t)＝ε(λb,t)-δε(λb,t)

可得到如下關系：

ε²(λg,t)＝ε(λr,t)ε(λb,t)-ε(λr,t)δε(λb,t)-δε(λr,t)ε(λb,t)-δε(λr,t)δε(λb,t)

圖像傳感器的光譜響應為理想沖擊響應，則對上述公式使用拉格朗日中值定理化簡為r＝krl0(λr,t)；g＝kgl0(λg,t)；b＝kbl0(λb,t)

式中：kr、kg、kb——常數(shù)

對圖像傳感器的三基色做如下處理：

因為發(fā)射率相差較小，所以略去一階和二階微量的影響，將式子化簡可得

在標定與測量時，將溫度與三基色值的關系簡化為在標定時將溫度的圖像與對應的溫度輸入可以標定得到k和b的參數(shù)曲線，在測量過程中，將拍攝得到的圖像的值求出即可得到對應的k和b，即可求出對應像素點的溫度值。

本發(fā)明的有益技術效果在于：

(1)本發(fā)明測溫裝置通過高速攝影機進行圖像采集，所以測溫的時間響應取決于攝影機拍攝的幀數(shù)，在測量過程中，因為攝影機的成像質量在曝光時間越短的情況下越差，所以在燃燒速度較低的情況下需要選擇長的曝光時間，可以提高測量的精度，對不同的測量對象應選擇不同的測量幀數(shù)。

(2)本發(fā)明測溫裝置通過高速攝影機進行采集圖像，在測量之前需要已知或者實測光路的傳光性能以及圖像傳感器的感光性能，不同的高速攝影機和光路會有不同的性能，所以在測量不滿足要求的情況下，可以選擇不同的高速攝影機和光路，只需要對測量儀器的性能進行調整即可。

(3)本發(fā)明是基于圖像傳感器感光原理的測溫方法，無需像其他非接觸測量方法需要物體的發(fā)射率，只需要直接測量物體的溫度圖像，對測量的對象要求較少，可以測量未知發(fā)射率的物體。

本發(fā)明在進行軟件處理時采用在matlab中對整個彩色圖像的色彩矩陣進行處理的方式，避免了像素點逐個求解的效率低下，可以直接求出溫度場。

本發(fā)明專利按照以下步驟進行安裝和測量：

(1)標定：

a)將成像鏡頭5安裝在高速攝影機6上，通過云臺螺釘將高速攝影機固定在攝影機安裝平臺上，攝影機安裝平臺與支撐桿11之間通過螺釘固定，將支撐桿11底部的螺柱擰到滑塊12上的螺紋孔上，將滑塊12安裝到導軌上。

b)把裝有中性密度濾光片的窗口固定環(huán)安裝在隔離板上，將隔離板安裝到避光安裝箱的最左端，移動第二滑塊15將其移動至與隔離板的距離和測量時的距離相同的位置，將數(shù)據(jù)連接線的一段連接至高速攝影機上，另一端連接在計算機上。

c)將隔離板3上安裝在窗口固定環(huán)上的中性密度濾光片對準黑體爐，使得遠心成像鏡頭與黑體爐之間的距離為鏡頭的工作距離，打開高速攝影機，將高速攝像機的參數(shù)進行設置，調整為與測量時相同的幀數(shù)，分辨率，光圈和曝光時間。

d)將黑體爐的溫度進行調節(jié)，將溫度調節(jié)為500℃，待溫度穩(wěn)定后，對黑體爐的圖像采集同一溫度下的5張圖像。

e)將溫度從500℃到3000℃，溫度間隔為100℃的每一個溫度點按照b中的方法進行采集。

f)將采集到的圖像導入到標定程序，生成參數(shù)曲線。

參數(shù)曲線按照以下的過程生成：

a.將采集到的黑體爐彩色圖像導入matlab中，生成rgb三基色灰度值矩陣，并按照順序定義各個變量。

b.對同一溫度的5張圖像的r、g、b三基色值進行求平均，由于黑體爐是溫度均勻分布的溫度圖像，所以對圖像中目標進行圖像識別之后對光斑內部的強度進行求平均，得到標定時所需的變量。

c.按公式對所標定的溫度值和三基色值進行標定，生成離散的k和b的值。

d.對k和b的值進行擬合，得到參數(shù)曲線。

(2)測量：

a.把裝有中性密度濾光片的窗口固定環(huán)安裝在隔離板上，將隔離板安裝到避光安裝箱的中部。

b.將成像鏡頭安裝在高速攝影機上，通過云臺螺釘將高速攝影機固定在攝影機安裝平臺上，攝影機安裝平臺與支撐桿11之間通過螺釘固定，將支撐桿11底部的螺柱擰到滑塊12上的螺紋孔上，將滑塊12安裝到導軌13上。

c.用夾具14將火工品夾持，夾具14與第二支撐桿16之間通過螺釘固定，將第二支撐桿16底部的螺柱擰到第二滑塊15上的螺紋孔上，將第二滑塊15安裝到導軌13上。

d.移動滑塊12與第二滑塊15，使火工品與遠心成像鏡頭之間的距離為鏡頭的工作距離，將數(shù)據(jù)連接線的一段連接至高速攝影機上，另一端連接在計算機上。

e.將觸發(fā)器與計算機連接好，打開高速攝影機，將高速攝像機的參數(shù)進行設置，調整為與測量時相同的幀數(shù)，分辨率，光圈和曝光時間。

f.打開觸發(fā)程序，使用觸發(fā)程序觸發(fā)高速攝影機開始拍攝，然后觸發(fā)火工品燃燒，對火工品燃燒的圖像進行采集。

g.將采集到的視頻導入測溫處理軟件，并將標定的參數(shù)曲線帶入測溫處理軟件中就可以得到火工品燃燒的溫度場分布。

測溫處理軟件得到溫度場分布的過程如下：

a.將標定得到的參數(shù)曲線和采集到的火工品燃燒視頻導入測溫處理軟件，將視頻按每一幀分解為彩色圖像，并依次定義各幀的圖像變量。

b.在彩色圖像中讀取對應位置的rgb三基色的值，計算出的值即可得到k和b的值，對每個像素點處的溫度值進行計算，就可以得到溫度場分布的圖像。