基于CCD的测温技术由于其具有一系列优点而引起了国内外许多学者的关注,已成为高温检测领域中的研究热点之一。
目前,国外很多国家开展了基于CCD的测温技术研究,获得很多成果。日立公司1985年问世的HAICS-3000系统中采用了炉膛火焰图像识别技术,可以得出火焰温度场的分布[14]随后该公司的M.Shimoda提出了类似于比色法的图像温度测量方法,在日本仙台电站175MW机组上得到了实施[15]。M.Shimoda利用CCD进行测温的原理是在CCD光学系统中加波长分别为600nm和650nm的单色带通滤光片获取两幅单色图像,根据比色法的原理求得燃烧火焰的温度分布。7999
日本京滨制铁所扇岛工厂采用高速工业电视系统观察回旋区工况。G.zauner等采用标准视频摄像机测量工件热处理过程中的表面温度变化。J.Chen等研究了近红外CCD测温原理及在钢铁企业中焦炉、烧结和冷轧表面温度测量的工业应用。E. Renier等采用CCD传感器对焊接过程进行实时监控。
三菱的光学图像扫描(OPTIS, Optical Image Flame Scanner)系统采用光学图像传感器大大提高系统对火焰的灵敏度和鉴别能力,能较好地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器火焰对被检测火焰信号的干扰,不仅能判断火焰的稳定性,还能识别火焰的形状。
芬兰IVO公司的燃烧监测与分析系统(DIMAC, Digital Monitoring andAnalysis of Combustion)于1989年投入使用。该系统通过改进锅炉效率和可靠性来改善运行的安全性和减少NO、排放。DIMAC系统自动存储单喷嘴或整个炉膛卸负荷时最后两分钟内的测量和计算结果,这样可以帮助运行人员发现事故的原因。同时,运行人员也可以随时存入当前工况的有关数据到数据库中,这些信息有助于比较不同煤种燃烧性质的差别。
由于CCD传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息,因此,将CCD和计算机图象处理技术与传统的二文表面非接触光学测量方法相结合,可实时测量物体形变、振动和外形。
1.4.2 国内研究现状
目前,国内基与CCD的温度检测技术研究也蓬勃开展起来。
清华大学土补宣教授首先进行了小型发光火焰温度分布测量的研究,开创了利用CCD图像传感器进行温度测量的先河。随后开展了非对称火焰二文温度场分布重建的研究,给出了非对称火焰二文温度场分布测量的重建算法[16]。
哈尔滨工业大学戴景民教授、孙晓刚教授、原杜彬副教授等人利用CCD进行高温目标的无损检测研究和背景辐射等方面的研究。
上海交通大学徐伟勇、孙江等采用传像光纤和数字图像处理技术开展了检测电站锅炉燃烧火焰的研究,将火焰亮度及其变化的历史记录作为判断燃烧稳定性的依据,并致力十通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研究[17]。
华中理工大学周怀春教授等人对利用CCD的测温技术做了许多研究工作。他通过在CCD前面加装单色滤色片获取火焰单色图像的方法,借助于辐射定律开发了基于参考点的单色图像温度场的测量方法,通过单色图像的辐射能与其中某一参考点的辐射能进行比较来得温度场分布,参考点利用双色高温计或热电偶测温获得。其最大的突破在于给出了一种能在工业现场实施的二文温度场测量方法,该方法比较简单,但是参考点的具体位置难以确定,从而给测量带来了困难 。
东南大学许柯夫提出在600nm-700nm波段,避开炉壁辐射的影响,利用比色测温的原理,消去中间介质吸收的影响,使用中心波长不同的单色滤光片和CCD同时摄取图像测量温度场。此外,还有许多学者对基于CCD的非接触式测温技术进行了研究。
以上各种利用CCD测温的方法大多是利用辐射测温原理中的单色测温方法或比色测温方法,其区别主要在于测温所使用的装置和利用的波段有所不同。但综述这些研究成果,在建立测温模型时,大多假设被测对象为假想灰体或被测对象的辐射率与波长存在某种函数关系。实际物体的辐射率受光学系统、现场环境(如水蒸气、烟尘)、表面特性(如氧化物、粗糙度)和材料特性等影响[18],而且还受被测温度的高低、CCD光谱响应、积分时间和光圈大小影响,因而基于这种假设基础上进行辐射测量,其结果通常有较大的误差
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