基于ARM的火焰溫度圖像測(cè)量系統(tǒng)

孔 明， 楊 明， 郭天太， 趙 軍

(中國計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

0 引 言

溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于控制燃燒、減少因燃燒效率低造成的環(huán)境污染、保證發(fā)電站的鍋爐燃燒安全起著重要作用，與造紙、冶金等產(chǎn)業(yè)關(guān)系緊密[1-6]。溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)可以總結(jié)為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大方向。其中，接觸式測(cè)溫以在鍋爐中投放感溫元件為主要技術(shù)手段，這種測(cè)溫方式只能進(jìn)行短時(shí)間的溫度監(jiān)測(cè)，并且由于數(shù)量的限制，只能達(dá)到點(diǎn)和局部的溫度測(cè)量。非接觸式測(cè)溫方法主要是包括光學(xué)技術(shù)方式和聲學(xué)技術(shù)方式，聲學(xué)技術(shù)方式測(cè)溫在國外研究起步較早，已經(jīng)開發(fā)出了商業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品，但多限于發(fā)達(dá)國家；并且聲學(xué)測(cè)量溫度應(yīng)用產(chǎn)業(yè)范圍有限，采用聲學(xué)測(cè)量溫度在施工中需要安裝較多聲波發(fā)射和接收裝置，阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和大面積應(yīng)用[7-9]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CCD的飛速發(fā)展[10]，基于計(jì)算機(jī)的圖像處理技術(shù)[11]在火焰溫度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用日益廣泛，并且該項(xiàng)技術(shù)對(duì)燃燒不會(huì)產(chǎn)生影響，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的效果。利用工控機(jī)搭建溫度測(cè)量系統(tǒng)占用場(chǎng)地大并且不易安裝調(diào)試，ARM的出現(xiàn)可以完美解決該問題，其性能也足夠完成數(shù)據(jù)處理工作；并且利用ARM搭建系統(tǒng)成本和功耗更低，測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸?shù)斤@示界面。在此理論基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)一套基于ARM平臺(tái)的火焰溫度圖像測(cè)量系統(tǒng)。本文主要介紹了圖像溫度測(cè)量系統(tǒng)所涉及的溫度測(cè)量原理、雙光路圖像采集設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 測(cè)量原理及光路設(shè)計(jì)

1.1 雙色測(cè)溫法

本系統(tǒng)在雙色測(cè)溫技術(shù)[12-17]的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將原本的雙色測(cè)溫公式簡化為如下式所示：

從式(1)可以看出，溫度分布可以通過圖像中各點(diǎn)的單色輻射亮度能量的比率計(jì)算。

通常CCD采集到的蠟燭火焰圖像的藍(lán)色光分量信號(hào)較弱，信噪比低，因此系統(tǒng)測(cè)溫時(shí)采用了R和G兩個(gè)通道的光分量來計(jì)算蠟燭火焰的輻射溫度。由此原理推出最終蠟燭火焰溫度的計(jì)算公式為

式中：ET(λR)、ET(λG)——火焰單色輻射能，W/m2；

λR、λG——火焰R和G光分量的固定波長，nm；

T——蠟燭火焰溫度，K；

C2——第二輻射常數(shù)，值為14.388 mW·K。

由式(2)可以看出，在計(jì)算火焰溫度時(shí)，采用的λG和λR的值為固定值，但是實(shí)際這兩種波長都是在一定范圍內(nèi)有效，如果采用CCD相機(jī)直接進(jìn)行圖像采集，得到的圖像波長也是在一定范圍內(nèi)，最后的計(jì)算結(jié)果誤差會(huì)較大；因此，需要加入一套光路圖像采集系統(tǒng)，使λG和 λR的值盡量接近計(jì)算時(shí)采用的值，以減少系統(tǒng)誤差。

1.2 圖像采集光路設(shè)計(jì)

CCD相機(jī)采集到的彩色圖像是由RGB 3個(gè)顏色通道組成，每個(gè)通道接收的是一個(gè)波段的光能信號(hào)總和，而不是單波長光強(qiáng)信號(hào)。為了使測(cè)量方案更符合雙色測(cè)溫法測(cè)量原理，減少測(cè)量誤差，設(shè)計(jì)了如圖1所示的光路方案。此光路作為CCD相機(jī)前端的光能信號(hào)處理單元，通過濾光片和分光棱鏡的組合，使采集圖像的R和G分光量盡可能符合雙色測(cè)溫法的理論要求。

圖1 光路設(shè)計(jì)圖

圖像采集光路模塊由4個(gè)分光棱鏡和2個(gè)濾光片組成，中心波長分別為637 nm和541 nm，半寬分別為13 nm和12 nm。根據(jù)光學(xué)元件和機(jī)架的物理尺寸，分光棱鏡在水平軸和垂直軸上的最小距離分別設(shè)置為200 mm和100 mm。濾光片沿水平軸放置在兩個(gè)分光棱鏡的中間。火焰A的光通過1號(hào)分光棱鏡形成透射光B和反射光C。反射光C通過2號(hào)分光棱鏡和6號(hào)濾光片，從反射光D轉(zhuǎn)換為濾光F。同樣地，透射光B依次通過5號(hào)濾光片和3號(hào)分光棱鏡形成濾光E和反射光G。最后，將光F和G合并到4號(hào)分光棱鏡中，形成由CCD攝像機(jī)接收的光H，以形成濾波圖像。

1.3 相機(jī)分辨率及鏡頭選擇

圖像的分辨率會(huì)影響整幅圖像的顯示效果，分辨率的大小以水平分辨率與垂直分辨率的乘積表示。一般大的圖像分辨率表示更高的清晰度，但是高分辨率會(huì)降低圖像處理速度，所以根據(jù)實(shí)際需要本實(shí)驗(yàn)選用的相機(jī)分辨率為1 292×964。

在上述圖像采集的雙光路設(shè)計(jì)中，分光棱鏡的形狀大致是平行板。以Δl′代表圖像和物體之間的距離，Δl′的計(jì)算方程為

式中n、d分別為分光棱鏡的折射率與寬度，n=1.5，d=25 mm，將值帶入式(3)，得到圖像和物體之間的距離是8.33 mm。

為了確定攝像機(jī)鏡頭的焦距，1號(hào)分光棱鏡中的蠟燭圖像向鏡頭移動(dòng)8.33 mm，2號(hào)棱鏡中1號(hào)分光棱鏡的圖像朝著透鏡移動(dòng)8.33 mm。依此類推，經(jīng)過3個(gè)分光棱鏡后，圖像移向鏡頭的距離為25 mm。蠟燭和相機(jī)鏡頭之間的距離是645 mm，在光學(xué)系統(tǒng)之后，兩者之間的距離為620 mm，即相機(jī)鏡頭的實(shí)際工作距離為620 mm。CCD相機(jī)視場(chǎng)角為50 mm，傳感器高度為3.6 mm，攝像機(jī)鏡頭的焦距公式為

式中：f——焦距；

SCCD——CCD尺寸；

WD——工作距離；

FOV——視場(chǎng)角。

將上述SCCD、WD和FOV的值帶入式(4)得到f值為50 mm，因此系統(tǒng)選擇攝像頭焦距為50 mm的鏡頭。

2 ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由ARM處理機(jī)構(gòu)硬件部分和基于Linux-QT操作系統(tǒng)的軟件部分共同構(gòu)成，此外還包括可觸摸顯示屏幕、攝像頭和圖像采集光路系統(tǒng)等主要部件。系統(tǒng)的工作原理如下:由可觸摸顯示屏上的軟件來控制相機(jī)進(jìn)行拍照，相機(jī)鏡頭前的圖像采集光路系統(tǒng)負(fù)責(zé)濾除不必要的圖像部分，采集到的照片經(jīng)網(wǎng)線由以太網(wǎng)口傳輸?shù)紸RM開發(fā)板中，由ARM板中的集成雙色測(cè)溫軟件對(duì)圖片進(jìn)行圖像預(yù)處理、溫度計(jì)算等圖像處理操作，最后由可觸摸顯示屏顯示處理得到的蠟燭火焰溫度分布圖。

2.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)的總體框圖如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)總體框圖

溫度測(cè)量系統(tǒng)的ARM平臺(tái)硬件部分是由ARM核心板與電源模塊、HDMI接口、以太網(wǎng)口和串口接口等主要外圍電路模塊共同構(gòu)成。其中，ARM核心板為ARM平臺(tái)的最小系統(tǒng)，電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)ARM板提供最高為5 V的電源，HDMI接口模塊負(fù)責(zé)ARM板與觸摸屏幕的連接，以太網(wǎng)口控制相機(jī)開啟、關(guān)閉并進(jìn)行圖像的傳輸，可以通過以太網(wǎng)口將相機(jī)采集到的圖像傳遞到ARM板中，串口則是負(fù)責(zé)與PC機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)的傳遞，可以通過串口模塊將采集到的圖像和處理之后的圖像傳遞至電腦[9-10]。整個(gè)ARM板搭建起軟件運(yùn)行的硬件環(huán)境，硬件部分完成照片的拍攝以及為照片處理軟件起到平臺(tái)支撐作用。

2.2 圖像處理軟件流程

圖像處理軟件流程圖如圖3所示，經(jīng)CCD相機(jī)拍攝的圖片傳送至ARM板，程序運(yùn)行開始，首先將指定位置的圖片讀入，根據(jù)OpenCV庫中提供的API接口函數(shù)將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，然后對(duì)圖像中RGB 3個(gè)通道的灰度值進(jìn)行分離提取。雖然加入圖像采集光路設(shè)計(jì)，但是經(jīng)由相機(jī)A/D轉(zhuǎn)換后仍會(huì)出現(xiàn)一些不符合蠟燭火焰溫度分布規(guī)律的點(diǎn)，需將其濾除，本文定義為圖像的失真校正過程。提取R通道和G通道光分量的值，并根據(jù)雙色測(cè)溫公式計(jì)算對(duì)應(yīng)的火焰溫度分布的值，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將顏色映射到灰度圖中，得到火焰溫度分布圖。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受外界光照和氣流影響，搭建如圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外部由一個(gè)黑箱體及實(shí)驗(yàn)底座構(gòu)成。將被測(cè)蠟燭放入黑箱中點(diǎn)燃，采用MER-132-30 GC相機(jī)搭配120萬像素鏡頭采集火焰圖像，相機(jī)最高的采樣頻率為30 張/s，由于采用接觸式傳感器的數(shù)據(jù)作為對(duì)比參考，接觸式傳感器溫度測(cè)量反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長，因此將系統(tǒng)相機(jī)設(shè)定為每30 s拍攝一張蠟燭火焰圖像。采集到的火焰圖片通過ARM處理單元處理后獲得火焰溫度二維分布信息，信息可以在與ARM板相連的顯示器上顯示，也可以通過USB串口傳送到電腦，由電腦顯示器將最終準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果顯示出來。

圖3 火焰溫度分布計(jì)算流程圖

圖4 ARM視覺測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1 火焰溫度計(jì)算

從一系列圖片中選取一張測(cè)量圖像為例，圖像經(jīng)過灰度、去噪、矯正、灰度圖映射等處理后獲得蠟燭火焰的溫度分布，如圖5所示。由火焰溫度分布圖可以看出蠟燭火焰的外焰區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)，最高溫度達(dá)到691℃；內(nèi)焰區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)，最低溫度為598℃，整個(gè)火焰的平均溫度為638.4℃。由一系列火焰圖片可以畫出蠟燭火焰在實(shí)驗(yàn)測(cè)量前5 min時(shí)間內(nèi)的最高溫度曲線和平均溫度曲線，如圖6所示。其中，曲線1為最高溫度隨時(shí)間的變化，曲線2為平均溫度隨時(shí)間的變化。由圖可以看出，蠟燭火焰的最高溫度與平均溫度在這5 min之內(nèi)均穩(wěn)定在600～700℃之間，蠟燭火焰的溫度跳動(dòng)在可以接受的范圍內(nèi)，因此，火焰溫度分布的測(cè)量結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

3.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)果的正確性，在目標(biāo)火焰的外焰和內(nèi)焰分別選取均勻分布的10個(gè)測(cè)溫采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的選取是根據(jù)火焰內(nèi)焰和外焰的各個(gè)區(qū)域均要覆蓋的原則，用經(jīng)過標(biāo)定的SA-K06熱電偶測(cè)量采樣點(diǎn)的溫度，最后將本視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的溫度與SA-K06熱電偶測(cè)量得到的溫度值進(jìn)行對(duì)比。SA-K06熱電偶的測(cè)溫范圍為0～1 400℃，精密度為0.3%，熱電偶的長度為310 mm，直徑約3 mm。

圖5 蠟燭火焰溫度分布圖

圖6 最高溫度曲線和平均溫度曲線

接觸式熱電偶在火焰的內(nèi)、外焰溫度測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果如表1、表2所示，其中每兩個(gè)時(shí)刻之間的間隔為0.5 s，每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行3次溫度采集。

由雙色測(cè)溫法得到的最高、最低和平均溫度的對(duì)比如表3所示。雙色測(cè)溫法是采用遍歷像素的方式找到的最高溫度與最低溫度，而接觸式測(cè)溫法是將熱電偶的10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的外焰與內(nèi)焰溫度采用求平均值的方法得出最高溫度、最低溫度與平均溫度。從得到的兩種測(cè)溫方法的結(jié)果來看，采用接觸式測(cè)溫方法測(cè)出的內(nèi)焰溫度高于雙色測(cè)溫法，測(cè)出的外焰溫度低于雙色測(cè)溫法，其原因是由于接觸法的物理測(cè)頭具有一定的尺寸，其測(cè)量結(jié)果是在物理探頭周圍一定區(qū)域的火焰的平均溫度，故其溫度會(huì)有些偏差；同時(shí)接觸式測(cè)溫法測(cè)量的溫度點(diǎn)有限，不能對(duì)全部空間的火焰溫度同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，也會(huì)對(duì)火焰場(chǎng)帶來影響，而本系統(tǒng)為二維平面式測(cè)量，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)火焰像素點(diǎn)溫度。通過對(duì)比可見本系統(tǒng)通過雙色測(cè)溫法測(cè)量蠟燭火焰溫度具有較好的實(shí)用性，測(cè)量范圍更廣。兩者的差距在可以接受的范圍內(nèi)，因此本系統(tǒng)的測(cè)溫方式可行。

表1 內(nèi)焰溫度測(cè)量數(shù)據(jù)℃

表2 外焰溫度測(cè)量數(shù)據(jù)℃

表3 接觸測(cè)溫與非接觸測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比℃

4 結(jié)束語

溫度監(jiān)測(cè)直接關(guān)系到整個(gè)燃燒過程的判斷，對(duì)燃燒的安全、燃燒效率的提高和減少污染物的排放有著重要的指導(dǎo)作用。通過對(duì)國內(nèi)外溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)研研究，本文提出并設(shè)計(jì)了一套基于ARM的火焰溫度圖像測(cè)量系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了本系統(tǒng)中加入的雙光路圖像采集模塊，能夠有效減少圖像采集的系統(tǒng)誤差。以蠟燭火焰為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過與接觸式熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證其測(cè)量準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、冶金制造和造紙等行業(yè)，并且具有良好的通用性，造價(jià)低，對(duì)燃燒過程沒有干擾。但是此系統(tǒng)的處理效率依賴于圖像采集光路的設(shè)計(jì)、相機(jī)的成像素質(zhì)、傳輸效率和相機(jī)鏡頭分辨率等因素。由于精力有限，本系統(tǒng)中更強(qiáng)調(diào)于系統(tǒng)的搭建和功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)于光路中元件之間的距離設(shè)計(jì)、相機(jī)鏡頭的選擇有待于進(jìn)一步提高，從而達(dá)到更好的效果和更低的誤差。