激光熱處理高速升溫過程的紅外CCD監測方法

莫蘇新,段 錦,2,呂 蒙,段絡天,祝 勇

(1.長春理工大學 電子信息工程學院，吉林 長春 130022;2.長春理工大學 空間光電技術國家地方聯合工程研究中心，吉林 長春 130022;3.吉林大學 物理學院，吉林 長春 130022;4.長春理工大學 計算機科學技術學院，吉林 長春 130022)

0 引言

目前，熱處理行業中使用最廣泛的溫度測量方法是熱電耦系統，但是，傳統的熱電耦接觸溫度測量法反映加熱工件的整體溫度分布。此外，熱電耦會在電磁感應加熱中自我加熱并影響工件的溫度傳導[1-3]。CCD 與數字圖像處理相關技術可以實現非接觸和全場景分析，并提供更多傳統技術無法獲取的數據。因此，該技術被廣泛應用于材料在高溫下的力學行為和性能研究。Herrera-Solaz 等人為了在奧氏體不銹鋼316L 的微觀尺度上比較局部應變場，使用了CCD 與數字圖像處理技術跟蹤張力加載過程中的應變圖[4]。Jung 等人使用數字圖像處理技術和紅外熱成像測量技術研究了開孔金屬、聚合物雜化泡沫的介觀形變行為[5]。紅外熱成像設備通常是由光學系統，光譜濾波，紅外探測器陣列，視頻圖像處理等組成[6]。由于紅外輻射范圍廣，紅外熱成像設備可以測量溫度范圍很廣[7]，但是紅外熱成像設備的結構非常復雜且昂貴。同紅外熱像儀比較而言，CCD 測溫具有測量溫度范圍較寬、成本低、暗電流小、分辨率高、響應速度快等優點。

現有的CCD 測溫法主要有基于灰度CCD 并結合窄帶帶通濾光片的單色測溫法和基于彩色CCD 的比色測溫法、三色測溫法。由于比色測溫法和三色測溫法中R 分量相較B、G 分量容易提前飽和，造成測溫范圍窄的問題，本文采用單色測溫法。

激光熱處理區別于普通的熱處理工藝，具有升溫速度快、溫度范圍寬的特點。在材料的激光熱處理中，材料表面的溫度在一定的范圍內快速變化，升溫速度可達104℃。以T10 鋼為例，其表面溫度在0.4 s 內可升溫至1400℃以上，對其溫度場的測量中，熱電耦無法對其周邊溫度場進行測量且會破壞其溫度場，基于彩色CCD 的測溫系統難以跟隨材料表面的寬范圍溫度場的快速變化。

因此，本文針對溫度范圍寬提出了分段測量，針對升溫速度快提出了計算機控制的快速自適應曝光時間算法，為提高測量精度對溫度-灰度曲線進行嚴格的標定，實現了快速寬溫度場及提高測量精度的目標。

1 輻射測溫模型

凡是高于絕對零度的物體都具有向外輻射能量的能力，熱輻射是由物體內部的帶電粒子在原子和分子內振動產生的。其光譜輻射力是波長和溫度的函數。溫度低的物體發射紅外光，溫度升高到500℃時開始發射一部分暗紅色光，當升到1500℃時開始發白光[8-10]。輻射溫度測量方法是基于被測物體表面發出的熱輻射信息，通過普朗克定律進行測量。普朗克定律指出能量M(λ,T)從單位時間內的單位表面積向半球空間的各個方向輻射，可用下式表示:

式中:M(λ,T)為被測物體在溫度T(K)、波長為λ處的光譜輻射出射度;ε(λ,T)為被測物體表面發射率;C1為第一輻射常數，C1=3.742X10-16W?m2;C2為第二輻射常數，C2=1.4388X10-2m?K。由式(1)可以看出，普朗克定律描述了被測物體的輻射能按波長分布的定律。

當被測物體溫度小于3000 K，我們可以用維恩公式代替普朗克公式，即:

工業可見光CCD 的波長上限已可達到1100 nm以上[11]，因此可以截取一段近紅外光通過熱成像的方式測量溫度及其梯度分布。近紅外波段光使用帶通濾光片截取，在選擇濾光片可通過波段時，考慮到激光熱處理中常用的CO2激光器中心波長為10.6 μm，為了避免CO2激光器對于成像的干擾以及紅外輻射在空氣介質中傳播時會受到氣體的選擇性吸收，從而選擇窄帶帶通濾光片，中心波長為λ=850 nm，半帶寬Δλ=10 nm。

目標單元的輻射亮度可以表示為:

當Δλ很小時，可以認為，ε(λ′,T)=ε(λ,T)由積分中值定理，式(3)可以近似為:

由式(4)可得:

在CCD 響應波段，CCD 像元灰度值It與接收到的輻射亮度L(λ,T)間的關系如下[12]:

式中:k為系統等效響應度;b為響應截距。響應截距主要來源于紅外系統內部自身輻射和噪聲引起的偏置輸出等因素引起的像元灰度響應[12]。則紅外CCD的輻射測溫模型為:

2 溫度與圖像灰度映射標定

在窄帶光譜范圍內，CCD 產生的光生電荷數與被測物體輻射亮度呈線性關系，即紅外CCD 成像系統輸出紅外圖像的像素灰度值與拍攝目標發射的輻射亮度呈線性關系[13]。需要注意的是，當CCD 曝光時間改變時，像素灰度值與目標輻射亮度線性關系依然成立，但不是同一函數關系。因此，定標時曝光時間必須保證一致，否則定標后的數據無意義。

標定實驗采用美國Mikron 公司的M330 型高精度黑體爐(黑體腔工作范圍300℃～1700℃，有效發射率為0.99;精度為讀數±0.25%℃;每8 h 溫度漂移在1℃之內;1600℃以上的高溫時，可穩定在0.5℃之內)。CCD 傳感器采用12 bit 位深，相比8 bit 位深，12 bit 位深成像有更高的灰度級，因此精度也會更高。

保持實驗室溫濕度恒定，調整CCD 與黑體爐處于同一水平光軸，距離為1000 mm，調整焦距使黑體成像清晰，調整曝光時間使黑體圖像灰度值在2000～3000 之間，待溫度穩定后，采集灰度數據。調節黑體爐以50℃的間隔從800℃升高至1500℃，在每個測量點調整相機曝光時間(曝光時長)，首先記錄最小曝光時間0.04 ms 的圖像，然后在0.1～1 ms 內以0.1 ms的間隔采集記錄圖像。

為了滿足激光熱處理溫度場的測量需要，測溫系統應滿足兩個條件:

1)在任一曝光時間，測溫系統滿足200℃的測溫范圍。

2)曝光時間切換速度不超過10 ms。

經過不同參數組合下的多組標定，曝光時間t為0.9 ms、0.5 ms、0.04 ms 滿足激光熱處理需要，同時滿足自適應曝光時的快速計算，結果如圖1所示。

圖1 不同曝光時間下圖像灰度隨溫度變化關系Fig.1 The relationship between image gray scale and temperature under different exposure time

由圖1可知，3 種曝光時間可以覆蓋800℃～1450℃的溫度范圍，每個曝光時間可以對跨度200℃以上的溫度場進行成像。令ε(λ,T)=1，將定標數據代入公式(4)計算得到像元響應灰度值與黑體輻射亮度的響應曲線，定標結果如圖2所示。

利用最小二乘法將定標曲線進行擬合，得到的t1=0.9 ms、t2=0.5 ms 和t3=0.04 ms 時的CCD 定標函數為:

圖2 不同曝光時間下圖像灰度隨輻射亮度的變化關系Fig.2 Variation of image gray scale with radiance under different exposure time

R2可以表征該曲線擬合效果的好壞程度。當確定系數越接近1，表示擬合效果越好。t1=1 ms曲線的擬合確定系數為=0.999;t2=0.5 ms曲線的擬合確定系數為=0.9991;t3=0.04 ms 曲線的擬合確定系數為=0.9987。則擬合曲線接近CCD 實際的響應曲線。

通過將定標時的灰度根據各曝光時間下相應的函數關系計算出L(λ,T)，并將L(λ,T)代入式(5)可反演出溫度Tb，可得系統最大誤差為5.7℃。其評價標準采用絕對誤差P來衡量，其評價公式為:

式中:T0為實際溫度;Tb為反演出的黑體溫度。已知系統最大誤差為5.7℃，由式(11)可得其絕對誤差為0.456%，由此可知該測溫系統可滿足激光熱處理高溫溫度場的測量需求。經分析，定標時誤差來源以下兩個方面:

1)數據擬合中的非線性誤差。定標灰度與輻射亮度呈線性，但其擬合系數R2不為1，因此反演后溫度存在一定的誤差。

2)CCD 像元響應非均勻性誤差。由于CCD 傳感器制造工藝等問題，會造成各像元的強度響應存在一定的差異，這種強度相應的非均勻性會造成一定的誤差。

此外，在實際測量中還存在以下兩點會導致測量誤差:

1)溫度漂移誤差。測量現場環境溫度可能會發生較大變化，由此可引起溫度漂移誤差。

2)測量距離誤差。測量現場目標與儀器的距離與標定距離不一致時會導致CCD 上同一像元接收的能量發生變化，從而引起測量誤差。

對于以上4 方面的誤差可以建立相應的校正模型，通過校正模型減小測量中的誤差，從而提高測量精度。在此本文僅對誤差進行了初步分析，并未對誤差建立相應的校正模型。

3 基于溫度分段的快速自適應曝光控制算法

由圖2可知，在800℃～1500℃之間，3 種曝光時間對應了3 個溫度段，為了滿足在溫度快速升高時的測量，本文提出快速自適應曝光時間方法，通過灰度判定閾值I來選擇合適的曝光時間，來確保CCD在不同溫度段之間切換的成像。具體步驟如圖3所示。

對于12 bit 的CCD 傳感器，為了避免暗電流噪聲對測溫精度的影響，當像素灰度值小于100 時，將其置為0，則I0=100。為了避免灰度值飽和，本文將上限閾值Imax設置為4000。由式(8)可以算出，當曝光時間t1=0.9 ms 時，Imax對應的輻射亮度為0.031418 W?cm-2?sr-2，將該輻射亮度值代入式(9)可以得到t2=0.5 ms 時成像的灰度值為1943，同理，t2=0.5 ms時Imax對應的輻射亮度在t3=0.04 ms 成像的灰度值為1427。因此，下限閾值Imin設置為1400。

自適應曝光控制流程如下:

第一步，獲取圖像并遍歷圖像像素，統計灰度值大于Imax和Imin的像素個數。

第二步，設當前曝光時間為t2=0.5 ms，首先判斷灰度值大于Imin的像素個數是否超過Nmin。如果超過Nmin，則進行下一步，否則增大曝光時間為t1=0.9 ms并重新采集圖像。為了避免圖像中噪聲的影響，經過多次實驗得出經驗值，Nmin為圖像像素總數的0.01%。

第三步，判斷灰度值大于Imax的像素個數是否超過Nmax，Nmax為圖像像素總數的0.01%。如果超過Nmax，則減小曝光時間為t3=0.04 ms 并重新采集圖像，否則輸出圖像。

4 實驗與結果分析

實驗樣品為T10 鋼，激光輸出功率為1000 W，掃描速度為20 mm/s。為了安全性原則和測溫系統視場較小的綜合考慮，測溫系統放置在實驗樣品的側上方處，物距D=1000 mm，調整系統保持成像清晰度與實驗室定標的一致性。

圖3 快速自適應曝光控制算法流程圖Fig.3 Flow chart of fast adaptive exposure control algorithm

測試現場溫度為26.5℃，相對濕度為35.2%。在測試過程中設置材料表面發射率ε(λ,T)=0.747[14]，CCD曝光時間與定標時保持一致。

圖4為激光熱處理升溫0.2s時刻材料表面溫度圖，所用曝光時間為0.9ms，測量溫度最高點為1232.2℃，測量溫度最低點為829℃，溫度場有效測溫范圍403℃。圖4(a)為原圖。圖4(b)為偽彩圖，黑色十字線代表為溫度最高點。圖4(c)、(d)為最高溫度點所在列和行的剖面溫度曲線，可以看出溫度在材料表面的分布情況。

實驗中，激光器掃描速度為20mm/s，CCD曝光間隔為10ms，因此設置每秒曝光次數M=100，測量時間為1s，從而可得到100組溫度場數據。選取部分最高溫度數據，結果如表1和圖5所示。

圖4 升溫0.2 s時刻材料表面溫度圖Fig.4 Temperature graph of thesurface of the material at a temperature rise of 0.2s

圖5 升溫過程曲線Fig.5 Heatingprocesscurve

表1 曝光時間與溫度對應表Table 1 Correspondence table of exposure timeand temperature

由表1和圖5可知，工件表面最高溫度在前0.4 s迅速升高，在0.4 s 之后最高溫度穩定在1352.2℃～1424.3℃之間，即激光掃描加熱溫度場相對于移動激光束已處于準穩態。

5 結論

本文以激光熱處理中材料表面溫度為研究目標，建立了紅外CCD 測溫模型，借助于高溫黑體爐的嚴格分段輻射定標實驗，通過計算機控制的快速自適應曝光時間算法對T10 鋼溫度進行測量，獲得材料表面最高溫度隨時間變化曲線。多次實驗結果表明:該方法是一種高穩定性、簡單有效的測溫方法，可為高溫溫度測試提供切實可行的解決方案，為激光熱處理對材料表面變化的研究提供參考。