碳素钢热处理温度非接触式测量系统研究

摘要

我国作为一个制造业大国，高端热处理设备设计制造能力低下，基本依赖进口，外加传统生产模式中的粗枝大叶的操作，使得我国机械零部件力学性能以及寿命远远不及国外同类产品，同时能耗污染大、效益低，严重阻碍我国工业健康发展。
　　目前，我国热处理行业当中零件热处理主要使用热电偶来测量加热炉内温度，由于感温元件直接置于被测温度场或介质中，对于测量单点温度来说，其具有精度高、使用方便的优点，热电偶测温是典型的接触式测温的方法，其不足之处有以下五点:(1)由于要与被测物体或介质直接接触，这对测量仪器及感温元件在恶劣环境下的使用寿命及性能的稳定性提出了更高的要求，(2)接触本身也会对被测物体或介质的温度场分布产生一定影响，从而增加温度测量的误差，(3)相对于非接触式测温而言，其动态响应性能较差，测温惯性大，(4)接触式测温只是测定温度场或介质中某一点的温度，不能全面反映整个温度场分布，对感应加热、微波加热等无法得到加热工件的准确温度，(5)接触式测温安装维护不方便，不利于实现工业智能化控制。
　　虽然光学高温计和红外测温仪可用于测量该类热处理件的温度，但是此类仪器测温范围有限、价格较高，同时工业生产中相对恶劣的环境也会影响其测量精度。近年来，国内外诸多学者基于数字图像处理技术对高温非接触式测量进行了研究，但是系统比较复杂、抗干扰能力差，目前仍处于实验研究阶段。因此，当今热处理工业生产急需研发一种可实时测量、精度较高、动态响应好、热惯性低、自动化程度高、抗干扰能力强的测温设备，这对进一步提高加热效率、优化加热过程、提高生产质量、节能减排、保护环境、改善企业生产形式和工人作业条件等都有重要意义。
　　非接触式高温温度测量技术是基于CCD图像传感器，综合应用光电图像检测技术、数字图像处理技术和热辐射理论的一种新型测温方法。其中数字图像处理技术具有诸多优点:(1)再现性好，其能完整的保留图像信息，确保图像重现，(2)适用范围广泛，图像信号可以来自多种渠道，对于不同的图像信息源，只要采取相应的图像采集方法和传感器，那么数字图像处理技术可用于处理所有图像，(3)处理精度高，随着计算机信息技术和数学的发展，只要适当改变处理程序的相关参数或者算法，数字图像处理的精度是能够得到保证的，(4)灵活性高，数字图像处理涵盖了对图像的各种处理，能用数学公式或逻辑运算关系来表达的一切算法，数字图像处理技术都能实现。该方法具备非接触式测量的所有优点，即响应快、不破坏被测温度场、测温范围大等优点。
　　碳素钢的产量约占钢总产量的80％左右，是主要的金属材料，本文所研究的碳素钢热处理温度非接触式测量系统就是将该技术应用到热处理温度的测量上。本文主要包括以下内容:
　　(1)测温系统的整体设计
　　通过查阅国内外基于数字图像处理技术的温度测量技术的相关文献和技术资料，掌握其测温原理，对比分析其中各自的测温方法，发现现有相关研究所存在的问题，明确该领域技术发展方向，结合本文的研究对象，选择合适的测温方法，并设计了一套测温系统，包括数据采集与存储、数据处理和特征值提取、建立测温模型和设计温度测量软件平台。
　　(2)标定实验和温度计算算法设计
　　标定实验是在深刻理解热辐射测温原理的基础上，设计了一套能够准确获得与温度对应的目标参数图像的实验，根据所提取的目标图像特征值关于温度的分布关系，选择相应的特征值来对测温系统进行标定，该实验直接决定着测温系统的整体测量精度和准确度。
　　温度计算算法则是根据目前在非线性拟合方面应用较为广泛的方法，再结合本文的数据结构进行设计的。本文基于最小二乘法和BP神经网络算法来进行算法设计，其中最小二乘法采用自动搜索最佳阶数的方法获得最佳拟合结果，BP神经网络通过设置恰当的网络参数来确保网络的预测精度和运算速度，其计算结果和误差对比在文中以图表的形式进行详细说明。
　　由于本文所提取的目标物特征值中整体灰度值与温度的分布存在良好的单调关系，所以选择该关系来实现测温系统的标定，同时本文运用插值算法提高了测温系统的分辨度，使得该算法适用于温度的实时测量。
　　(3)基于MATLAB的温度测量软件平台设计及调试
　　本文基于MATLAB软件平台，运用GUI编程语言设计了一套温度软测量系统，该系统可实现对目标物的实时采集、实时处理以及温度测量，同时进行误差分析，并对所采集的图像自动按照所拍摄的时间保存到相应目录中，以便于后续进行验证，软件平台经测试完全达到了设计的要求。
　　整体而言，本文的创新之处可总结为以下三点:
　　(1)结合热辐射原理、光电成像原理、数字图像处理技术、科学计算方法等多方面知识，实现了对碳素钢热处理温度的非接触式测量，并且测量精度达到工业使用要求。这为我国热处理工业的自动化和精准控制提供了新的技术方案，为提高我国热处理工艺水平、节能减排、改善工作人员工作环境进行了实际有效的探索。
　　(2)基于辐射测温原理，结合比色法和三基色测温法，提出了新的测温系统标定方法，该方法不仅简单而且精度高，同时也简化了特征值的提取方法和图像处理的方法。
　　(3)运用GUI图形界面编程，设计了一套交互式温度测量平台，平台美观简洁、功能强大、操作方便，并且使用者可根据自身实际需要进行二次开发。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 碳素钢的介绍

1．2 热处理的介绍

1．2．1 热处理的概念及实际意义

1．2．2 热处理方法及温度分布

1．2．3 我国热处理加热设备及热处理存在的问题

1．2．4 常用的热处理加热炉温度测量设备及性能分析

1．3 工业高温测量技术研究现状及发展趋势

1．3．1 接触式测温的介绍

1．3．2 非接触式测温的介绍

1．4 数字图像处理技术

1．4．1 数字图像处理的概念及发展历程

1．4．2 数字图像处理技术的主要研究方向

1．4．3 数字图像处理技术的优点及特点

1．5 基于数字图像处理技术的温度测量研究综述

第2章 绪论

2．1 研究目的和意义

2．2 研究内容

2．3 技术路线

第3章 基于数字图像处理技术的测温原理

3．1 基于CCD传感器的测温原理

3．1．1 热辐射的概念

3．1．2 绝对黑体辐射定律

3．2 基于彩色CCD的测温方法

3．2．1 CCD的工作原理

3．2．2 彩色CCD的光电转换特性

3．2．3 彩色CCD可用于测温的原理

3．2．4 基于CCD的测温方法

第4章 非接触式测温系统硬件设计

4．1 系统硬件结构设计

4．2 光学成像模块设计

4．3 光电转换与图像数字化模块设计

4．4 图像处理和温度测量模块设计

第5章 非接触式测温系统软件设计

5．1 软件系统设计说明

5．1．1 软件设计平台的选择

5．1．2 软件系统模块组成及其功能说明

5．2 实时图像监控模块设计

5．2．1 彩色CCD摄像机驱动以及参数设置

5．2．2 功能模块程序设计

5．3 实时数字图像采集与存储模块设计

5．3．1 数字图像实时采集程序设计

5．3．2 数字图像实时存储程序设计

5．4 实时图像处理

5．4．1 图像预处理

5．4．2 图像分割与特征值提取方法设计

5．4．3 特征值与温度的相关性分析

5．5 温度测量系统标定方法

5．5．1 标定设备

5．5．2 标定方案设计

5．6 实时温度与误差计算模块设计

5．6．1 温度计算方法的选择

5．6．2 BP神经网络算法温度计算

5．6．3 最小二乘法温度计算

5．6．4 智能搜索算法设计

5．7 测量软件平台测试

第6章 温度测量系统误差分析

6．1 温度测量系统硬件误差分析

6．2 温度测量系统软件误差分析

第7章 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参与研究课题