铸坯表面温度场测量传感器及方法技术

本发明专利技术公开了一种铸坯表面温度场测量传感器及方法，涉及传感器技术领域，主要目的在于克服铸坯表面发射率非确定性、烟雾水汽及氧化皮干扰造成温度场测量不准确的缺陷，以实现铸坯表面温度场的准确、稳定和连续测量。所述铸坯表面温度场测量传感器包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器。所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD。

Sensor and method for measuring surface temperature field of casting billet

The invention discloses a billet surface temperature measurement sensor and method, relates to the technical field of the sensor, the main purpose is to overcome the slab surface emissivity uncertainty, smoke vapor and oxide interference caused by temperature field defect measurement is not accurate, in order to achieve the billet surface temperature field is accurate, stable and continuous measurement. The casting blank surface temperature field measuring sensor includes: optical lens, stepper motor, embedded with light sheet and sheet resistance attenuation optical modulation turntable, trispectral thermal imaging unit, a signal acquisition processor. The trispectral thermal imaging unit includes: two three transmittance spectroscope, narrow-band filters, and wavelength of three different monochrome CCD camera.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种铸坯表面温度场测量传感器及方法。
技术介绍
连铸工艺中铸坯表面温度对优化二冷制度和提高铸坯质量具有重要意义，对其在线准确测量是冶金行业至今尚未解决的技术难题。关键问题是：铸坯表面发射率的不确定性和烟气水雾等干扰因素难以实现真温测量；表面随机分布的氧化皮影响难以实现稳定测量；高达400℃的温度梯度难以实现对不同种类的钢坯在各个温度段进行等精度测量。目前，主要通过设于连铸机二冷区的若干红外测温仪与计算机连接，在一个时间间隔中读取各测温仪的数据取其中最大值作为铸坯表面真实温度。或者通过包括一个红外热像仪和一个红外测温仪，将二者相结合并通过模型滤波方法克服铸坯表面氧化皮的影响。以上两种方法的不足是：其一，无论是红外热像仪还是红外测温仪均无法克服铸坯表面发射率的非确定性影响，只能将其视为黑体或人为设定发射率，因而上述方法的测量结果难以反映铸坯表面的真实温度；其二，常规的热像仪或测温仪无法克服水汽和烟雾造成的测温误差；其三，模型滤波虽然可以克服氧化皮造成的测温波动，但因不同钢种的组分区别较大，通过生产工艺建立的模型难以具有通用性，据此进行测温结果的修正难以保证测量精度。有些文献中采用影视彩色图像传感器(Charge-coupledDevice，CCD)相机经过标定后利用比色法实现高温测量，以克服发射率的非确定性影响。然而，普通的影视彩色相机中各个像素的R、G、B值是通过贝尔滤光片获得的，其中只有一个值真正来自CCD，而其它两个值都通过“色彩插值法”计算而得，因此都是估算值。这些估算值不能精确反应被测目标的辐射能量，因而难以测取目标的真实温度；其次，R、G、B像素的动态测温范围差别很大，作比色测温时只能有一个波长的动态范围得以充分利用，而其它两个波长的测量范围较窄，无法满足不同钢种大梯度温度场测量的需要。此外，经过标定的影像相机不能在线克服CCD暗电流噪声，导致低温段测量精度远低于高温段，难以实现整个温度段的等精度测量。连铸过程中铸坯处于强氧化和强水冷环境，由于受铸坯表面发射率非确定性、烟雾水汽干扰和随机分布的氧化皮影响，现有技术的不足主要是利用常规的辐射测温仪器难以准确稳定地测量铸坯表面的真实温度，其次是难以实现多钢种大梯度温度场的等精度测量。因此，研制一种能够克服发射率非确定性、烟雾水汽和氧化皮影响且具有较大动态范围的铸坯表面温度场测量传感器就成为该
亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于上述问题，提出了本专利技术以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的铸坯表面温度场测量传感器及方法。为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种铸坯表面温度场测量传感器，该测量传感器包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器，所述光学镜头，用于接收铸坯表面发出的辐射光；所述步进电机，用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态；所述光调制转盘与所述光学镜头相耦合，在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光完全遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流噪声的暗图像；所述三光谱热成像单元与所述光调制转盘相耦合，所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD；所述分光镜，用于对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述窄带滤光片；所述窄带滤光片，用于对所述分光处理得到的光进行滤波处理形成单色光，并将滤波处理得到的单色光分别投射给所述CCD；所述CCD，用于根据所述滤波处理得到的单色光光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述铸坯表面暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；所述信号采集处理器与所述三光谱热成像单元相连接，用于根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪(CCD暗电流)处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量。另一方面，本专利技术提供了一种铸坯表面温度场测量方法，该测量方法包括：通过光学镜头接收铸坯表面发出的辐射光；通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转，使得嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘分时处于通光状态或者处于阻光状态；当所述光调制转盘在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；当所述光调制转盘处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光完全遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像；通过三光谱热成像单元包括的两个分光镜对所述用于生成热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片；通过所述窄带滤光片对所述分光处理得到的光进行滤波处理获得单色光，并将滤波处理得到的单色光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个单色面阵CCD；通过所述CCD根据所述滤波处理得到的单色光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；通过信号采集处理器根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行暗电流去噪处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量。本专利技术提供的一种铸坯表面温度场测量传感器及方法，具有以下优点：1、本专利技术采用独立的三CCD结构进行铸坯表面温度场测量传感器，可以有效克服因铸坯表面发射率的非确定性以及现场烟气、水雾和尘埃产生的测量误差；2、本专利技术采用光调制转盘结构，每个周期在CCD上采集一次暗图像和一次热图像，其中暗图像可用于在线补偿CCD的暗电流噪声，从而大大减小了传感器因环境因素变化而产生的附加误差；3、本专利技术采用分光结构(而非斩光结构)使移动的铸坯表面在三个CCD上同时热成像，每个CCD像素电荷反应的均是被测目标单元发出的真实能量。而彩色相机中的R、G、B只有一个真正来自CCD，其它两个是通过“色彩插值”的估算值。因此所述结构从真正意义上实现了三光谱高温场的测量，且针对移动的铸坯测量时不会产生因三个CCD的像素彼此错位而造成的附加误差；4、本专利技术通过合理选择三个不同窄带滤光片的透光率，测温范围可达800℃-1200℃，能够满足不同钢坯测温的需要。与此相比，商业彩色CCD的R、G、B无法分设滤光片，三个信号同处于非饱和区的温度域较窄，导致测温范围很窄；5、本专利技术依据像素相关性滤波方法，采用图像测温技术有效抑制了CCD本身的随机噪声和铸坯表面随机分布的氧化皮噪声，实现铸坯表面温度场的稳定测量；6、本专利技术采用本地DSP与远程PC两级数据处理架构，并通过以太网接口构成分布式多节点传感器，因此可以实现同时对多流铸坯进行在线温度场测量，并可进行数据存储和历史回放。本专利技术采用全数字化设计，功耗低，可广泛应用于高温场的非接触式测量。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于，包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器，所述光学镜头，用于接收铸坯表面发出的辐射光；所述步进电机，用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态；所述光调制转盘与所述光学镜头相耦合，用于在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光进行遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像；所述三光谱热成像单元与所述光调制转盘相耦合，所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD；所述分光镜，用于对所述用于生成铸坯表面热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述窄带滤光片；所述窄带滤光片，用于对所述分光处理得到的光进行滤波从而形成单色光，并将滤波得到的单色光投射给所述CCD；所述CCD，用于根据所述滤波处理得到的三个中心波长不同的单色光光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；所述信号采集处理器与所述三光谱热成像单元相连接，用于根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量，并将测量结果通过以太网接口发送给远程PC。...

【技术特征摘要】
1.一种铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于，包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器，所述光学镜头，用于接收铸坯表面发出的辐射光；所述步进电机，用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态；所述光调制转盘与所述光学镜头相耦合，用于在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐射光进行遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像；所述三光谱热成像单元与所述光调制转盘相耦合，所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD；所述分光镜，用于对所述用于生成铸坯表面热图像的调制光进行分光处理，并将分光处理得到的光投射给所述窄带滤光片；所述窄带滤光片，用于对所述分光处理得到的光进行滤波从而形成单色光，并将滤波得到的单色光投射给所述CCD；所述CCD，用于根据所述滤波处理得到的三个中心波长不同的单色光光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在线消除CCD的暗电流噪声；所述信号采集处理器与所述三光谱热成像单元相连接，用于根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量，并将测量结果通过以太网接口发送给远程PC。2.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于：所述信号采集处理器，具体用于对所述三个热图像与所述三个暗图像进行相减处理，得到去噪后的三个铸坯表面热图像，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面的成像单元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：T=C2(2/λ2-1/λ1-1/λ3)lnR-lnK-4ln(λ22/λ1λ3)]]>R=Vλ1Vλ3/Vλ22]]>其中，C2＝1.4388×104μm.K，λ1、λ2、λ3分别为三个窄带滤光的中心波长；K为常数，Vλ1、Vλ2和Vλ3分别为铸坯表面在三个单色CCD上所成的热图像经去噪处理后的灰度值；将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。3.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于，所述测量传感器还包括：光发射管和光接收管，所述光调制转盘还带有定位索引孔，所述光发射管和所述光接收管分别安放在所述光调制转盘的两侧，所述光发射管，用于发射光脉冲，所述光接收管用于在信息采集处理器控制下，通过所述定位索引孔接收所述光发射管发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘在一个测量周期的起始转动位置；所述步进电机，具体用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状态或者处于阻光状态。4.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于，所述信号采集处理器，还用于产生所述步进电机旋转所需的控制信号，并通过驱动电路放大所述控制信号后驱动所述步进电机旋转；所述步进电机，具体用于通过自身进行旋转驱动所述光调制转盘进行旋转。5.根据权利要求1-4任一项所述的测量传感器，其特征在于，所述两个分光镜平行安装，且所述两个分光镜的入射光与光学镜头主光轴平行，反射光与光学镜头主光轴垂直。6.一种铸坯表面温度场测量方法，应用于铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：白海城，
申请(专利权)人：辽宁石油化工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21