焊接溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測量技術(shù)是焊接過(guò)程與質(zhì)量控制技術(shù)中的一個(gè)重要的研究方面，近幾年的研究結果表明圖像比色測溫方法的測量焊接溫度場(chǎng)方面有相當大的發(fā)展前途。

比色測溫法在光路結構上有兩種方案可供選擇[1，2]：

(1)單通道型。使用一個(gè)光檢測裝置分時(shí)接受熱輻射束;再采用兩種不同波長(cháng)濾光片來(lái)處理此熱輻射束;

(2)雙通道型。使用兩個(gè)光檢測裝置同時(shí)接受熱輻射束，再使其經(jīng)過(guò)各自濾光片后射入到各自檢測裝置上進(jìn)行處理。

單通道型的優(yōu)點(diǎn)在于使用一個(gè)攝像機，光路簡(jiǎn)單，便于調整。但采用單道型的測溫系統，往往要通過(guò)電機來(lái)分時(shí)切換兩種濾光片以取得不同波長(cháng)的兩幅熱輻射圖像，從而使系統響應速度慢，并使圖像采集裝置復雜。雙通道型的優(yōu)點(diǎn)是響應速度快，但光路復雜，不便調整。

為了綜合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，本文研制了一種新穎的比色測溫系統，這種系統的特點(diǎn)是采用一種雙波長(cháng)的紅外濾光片，這樣就可以用單鏡頭在一幅圖像中同時(shí)得到兩幅不同波長(cháng)的熱輻射圖像信息，再利用比色測溫原理對該圖像進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)測量出近熔化區的焊接溫度場(chǎng)。這種系統不必采用分時(shí)切換濾光片的機構，因而結構簡(jiǎn)單，實(shí)用性好，適用于焊接現場(chǎng)。

1.系統基本工作原理

本文研制的雙波長(cháng)紅外圖像處理系統主要由雙波長(cháng)波光片、CCD攝像機、數字圖像卡、計算機等組成。

其基本工作原理為：

(1)采用雙波長(cháng)紅外濾光片得到焊接熔池兩種不同波長(cháng)的圖像信息，進(jìn)行比色測溫計算;

(2)從焊縫正面攝取圖像。通過(guò)將CCD鏡頭置于焊炬的后邊，避開(kāi)弧光的干擾，最大程度地攝取熔池熱圖像。雙波長(cháng)濾光片的具體結構形式是，用左右兩個(gè)不同波長(cháng)的半圓濾光片拼接成一個(gè)整圓濾光片，其兩個(gè)半園的波長(cháng)值根據比色測溫的要求而設計。在系統中安裝雙波長(cháng)濾光片時(shí)，將其接縫對準焊接熔池中心，使熔池左邊輻射的一種波長(cháng)的光線(xiàn)通過(guò)左半園濾光片后的光軸的右邊成像，而熔池右邊輻射的另一波長(cháng)的光線(xiàn)通過(guò)右半園濾光片后在光軸的左邊成像。這樣，當用一臺CCD攝像機攝取焊接熔池圖像時(shí)，就可同時(shí)在一幅圖像的兩半邊取得兩種波長(cháng)的焊接溫度紅外(灰度)圖像，如圖1所示。由于焊接溫度場(chǎng)在正常情況下是對稱(chēng)的

（3）既沿熔池中心線(xiàn)左右對稱(chēng)，如果考慮雙波長(cháng)濾光片的中間接縫很窄可以忽略不計，則可以認為在接縫兩邊的溫度場(chǎng)是對稱(chēng)的。這樣就可以通過(guò)將狹縫兩邊對稱(chēng)點(diǎn)上的兩個(gè)波長(cháng)的信息視作同一溫度下的雙波長(cháng)信息進(jìn)行比色測溫計算，進(jìn)行在線(xiàn)定標，求出該點(diǎn)的溫度。

2.雙波長(cháng)紅外濾光片的研制

本文研制的雙波長(cháng)濾光片的兩個(gè)波長(cháng)分別為 λ1=0.8050μm, λ2=0.8950μm，選擇這兩個(gè)波長(cháng)主要考慮到以下幾個(gè)方面的情況。

(1)選用的波長(cháng)必須是所測溫度范圍內發(fā)射的譜線(xiàn)，鋼在1000~1600℃之間的發(fā)射的譜線(xiàn)范圍比較寬，從可見(jiàn)光到遠紅外都有，峰值波長(cháng)在近紅外，約在 1.5-2.2μm范圍。另外選用的波長(cháng)同時(shí)必須在CCD攝像機的光譜響應范圍之內(0.4~1.1μm)，又要避開(kāi)可見(jiàn)光的影響，因此其范圍應為 0.75~1.1μm，即近紅外波段。

(2) 比色測溫能排除中型介質(zhì)(如煙霧、灰塵等)對測量精度的影響，但不能消除選擇性吸收介質(zhì)對測量精度的影響，因此必須設法避開(kāi)。攝像系統是在空氣中使用，空氣中對稱(chēng)分子結構的氣體，如N2，O2，H2，它們在相當寬的紅外波段對輻射無(wú)吸收作用，而空氣中的H2O,CO2,CO等卻對紅外輻射具有強烈的吸收作用。因此選擇工作波段必須避開(kāi)這些吸收帶。

(3) 根據CCD攝像機的動(dòng)態(tài)響應范圍，要使得在兩個(gè)波長(cháng)下的目標熱輻射功率之比保持在一定范圍內。如此值過(guò)高，就會(huì )在其中一個(gè)波長(cháng)下CCD器件飽和，而另一個(gè)波長(cháng)下CCD器件接收信號很弱，使測量誤差大大增加。但此比值又太小，否則會(huì )影響比色的靈敏度[2]。

3 近熔化區焊接溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測定

本系統可以3 /s的速度實(shí)測近熔化的溫度場(chǎng)，試驗的條件為：Ar75%+CO225% 混合氣體保護焊，電弧電壓為20V，電流為125A，焊接速度180mm/min，焊絲為ф1.2mm的Ho8mn2SiA。其測溫過(guò)程為：當CCD攝像機攝取一幅圖像后，經(jīng)圖像卡轉換成圖像灰度數據送入計算機，計算機先對圖像數據進(jìn)行濾波處理，然后計算近熔化區的溫度分布。

3.1 原始圖像數字濾波處理圖1是原始圖像灰度數據的偽著(zhù)色顯示，從圖中可以看出，除了圖像中間外，在兩個(gè)波長(cháng)的圖像內數據局部不均勻的現象，需要進(jìn)行數字濾波處理。

本文采用在圖像中每2行6點(diǎn)取中值的數字濾波算法。具體算法為

式中：H''''''''''''''''(i,j)為第i行第j列濾波后的灰度值;H(i,j)為第i行第j列的原始灰度值。

3.2 近熔化區溫度場(chǎng)計算

由雙波長(cháng)濾波圖像，分以下兩步計算出近熔化區的溫度場(chǎng)。

3.2.1用比色法計算出單色灰度值與溫度的比值

鑒于焊接溫度場(chǎng)在正常情況下是沿熔池中心線(xiàn)左右對稱(chēng)的，并且雙波長(cháng)濾光片的中間接縫很窄，可以認為在此接縫的兩邊溫度場(chǎng)是對稱(chēng)的。這樣就可以通過(guò)將接縫兩邊對稱(chēng)點(diǎn)上的兩個(gè)波長(cháng)的信息視作同一溫度下的雙波長(cháng)信息進(jìn)行比色測溫計算，從而求出該點(diǎn)的溫度。其具體方法如下。

(1) 首先確定溫度對稱(chēng)中心線(xiàn)的圖像中的位置，然后確定圖像灰度最大值所在的行，在該行中找到與中心線(xiàn)對稱(chēng)的距離各5個(gè)像素(由于濾光片中間狹縫的關(guān)系，需要離中心下稍遠點(diǎn))的兩個(gè)灰度值H1和H1''''''''''''''''。

(2) 找到此灰度最大值所在行上一行對應點(diǎn)的灰度H2，H2'''''''''''''''',和下一行對應點(diǎn)的灰度H3,H3''''''''''''''''，并計算其算術(shù)平均值HP1、HP2,即

(3) 以平均灰度HP1和HP2為基礎，求出其比色值r為

再根據比色值與溫度之間的關(guān)系，就可確定雙波長(cháng)紅外圖像中各單色灰度值與溫度的關(guān)系。即圖像中對應λ1下灰度值為HP1的點(diǎn)，溫度為T(mén);對應波長(cháng)λ2下灰度值為HP2的點(diǎn)，溫度也為T(mén)。

3.2.2 普郎克定律求出近熔化區的焊縫溫度場(chǎng)。

根據普朗克定律，灰體的熱輻射通量密度M與溫度T、波長(cháng)L有如下關(guān)系

式中M(λ，T)為單位波長(cháng)范圍內的輻射通量密度ε(λ，T)為灰體的輻射率或吸收率;C1、C2為輻射常數;T為熱輻射體的溫度，單位為K; λ為波長(cháng)。由上式可知，若已知紅外圖像中一個(gè)灰度下的溫度，就可求出其它灰度下的溫度，從而算出所測紅外圖像中各處的溫度。即：已知灰度M(λ，T)下的溫度T1，就可求出灰度M(λ，T2)下溫度T2

對圖1的近熔池區圖像的灰度數據按上述方法進(jìn)行計算，得到如圖2所示的溫度場(chǎng)圖像。

4 含熔化區的焊接溫度場(chǎng)推算

當認為焊接電弧為連續移動(dòng)的點(diǎn)熱源時(shí)，工件為半無(wú)限大體且處于極限飽和的狀態(tài)時(shí)，可以按點(diǎn)熱源來(lái)描述焊接溫度場(chǎng)[4]，這種焊接溫度場(chǎng)的數字模型為

為距離點(diǎn)熱源為R處某點(diǎn)的溫度;λ為導熱系數;a 為導溫系數;q為電弧加熱熱功率;v為焊接速度。

當焊縫表面(Z=0)A點(diǎn)相對熱源中心O點(diǎn)的坐標關(guān)系為X≥Y時(shí)，可以認為兩點(diǎn)距離R近似等于A(yíng)點(diǎn)的橫坐標，即R≌-X。在焊接速度v很小時(shí)，可將溫度簡(jiǎn)化為與速度無(wú)關(guān)的一個(gè)函數，既

T=K/R,

式中：K為常數，與材料的導熱系數、導溫系數、電弧熱功率等因素有關(guān);R為到熱源中心的距?lt;sub>[2-4]。這樣在已知近熔化區的溫度場(chǎng)條件下，可以按照此近似推算公式對數據進(jìn)行回歸，得到常數K，即可向熔池方向推算溫度，一直到熱源中心為止，上述近似推算會(huì )產(chǎn)生一定的誤差。但鑒于實(shí)測得的近熔化區的溫度在1300℃左右，已很接近熔化區溫度，因而推算的誤差是有限的。

如上所述，本系統對MIG焊時(shí)的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測與推算，由圖像比色測溫算法直接求得的近熔化區溫度場(chǎng)分布后，以偽著(zhù)色的方式表示，如圖3所示，在此基礎上推算出包括熔化區的焊接溫度場(chǎng)，如圖4所示。在圖2中由中心逐層向外、在

圖3、4中由上向下依次偽著(zhù)色后各層顏色所代表的溫度(℃)分別為：白>1490，黃1420-1490，橙350~1420，紅1280~1350，青1210-1280，綠1140~1210，蘭1070~1140，深灰<1070。

5　系統比色測溫算法的驗證

為了驗證圖像比色測溫系統的精度，作者做了溫度標定試驗。試驗方法是，試樣在熱處理爐內加熱，當試件加熱至950℃后，每隔50℃用計算機記錄一幅圖像，圖像數據處理后計算所得的溫度結果如表1所示(表中*處為圖像數據局部飽和，應刪除)。由表1可見(jiàn)，在950~1150℃范圍內，標定結果與實(shí)際溫度吻合較好，最大誤差為37.4℃，最大相對誤差為3.94%。

6 結論

研制了結構新穎的雙波長(cháng)濾光片，并以此為基礎，建立了焊接溫度場(chǎng)圖像比色測溫系統，實(shí)現了用單鏡頭進(jìn)行圖像比色測溫的方法，簡(jiǎn)化了整個(gè)測溫系統，使圖像比色實(shí)時(shí)檢測焊接溫度場(chǎng)方法進(jìn)一步實(shí)用化。