工业机器人红外视觉系统快门补偿效果的实验研究

陈淑玲 赵 鑫 林利芬

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉430205）

0 引言

通常，辐射率越高则补偿效果越好，所以现有的快门颜色大多为黑色，表面处理多采用氧黑、喷砂氧黑、喷塑、涂黑漆等工艺。从理论上分析，快门放置在光路中的位置不同，其补偿效果也不一样。

本文试图验证辐射率与快门补偿效果之间的关系，并寻找到一种辐射率高的材料或表面处理工艺，用这种材料或表面处理工艺来制作快门，从而全面提高工业机器人红外视觉系统的补偿效果，一定程度上提高成像质量。

1 辐射率的定义及计算、测量方法

同一物体的辐射率等于吸收率，通俗地讲就是“好的吸收体也是好的辐射体”，但根据其定义无法进行辐射率计算、测量的实际操作，因此本文提出了一种更具有操作性的近似的辐射率计算、测量方法。

先定义下列变量：

Wtot——探测器接受的总辐射能；

Wobj——目标的总辐射能；

Watm——大气的总辐射能；

Wamb——周围环境的总反射辐射能。

由式（1）整理得：

在室内条件下τ=1，可得：

由参考文献知，表面温度为T，光谱范围为[λ1，λ2]，当λ1=0，λ2=∞时：

其中，б=5.67×10-8W/（m2·K4）。

可先用传统的测温装置测得Tamb和Tobj，然后通过式（4）计算出Wamb和Wobj。Wtot可利用红外热像仪间接测得，方法是将热像仪的拍摄辐射率设置为1，即ξ′=1，则式（1）可写为：

2 辐射率的测量实验

本文测量辐射率的方法就是根据上述辐射率的推导原理制定的。工业机器人红外视觉系统有一可设置的参数ξ，ξ表示的是被测物体的辐射率，以黑体为参照物，近似认为黑体的辐射率为1，将快门片紧贴在黑体的正中心，等快门片温度稳定后，使用工业机器人红外视觉系统测量黑体和快门片的实际温度，假设为T1、T2，通过调节ξ，使得T1=T2时，近似地认为这时的ξ为快门的辐射率。

实验步骤：

（1）将一号快门片（本地氧黑处理，如图1所示）紧紧贴在黑体的正中间位置，黑体温度设定到60℃，等到黑体温度稳定后再保温0.5 h。

图1 本地氧黑处理快门

（2）把工业机器人红外视觉系统的参数ξ设置为1，测量黑体的温度，记为T1。

（3）用某热成像仪测量快门片温度的时候，通过改变ξ的值，使得T2=T1，记录此时ξ1的值，这个值就是一号快门的辐射率。

（4）更换快门片，重复以上步骤，分别测量不同材料和表面处理工艺的快门的辐射率。

实验数据：测得表面处理为本地氧黑、北京双面氧黑、表面贴青壳纸、表面贴砂纸的快门辐射率ξ分别0.92、0.94、0.945、0.86。

3 不同辐射率的快门补偿效果实验

通过这个实验想来验证辐射率与快门补偿效果之间的关系，验证是否辐射率越高的快门补偿效果就越好。那么怎样判断补偿效果的好坏呢？可以通过读取测试程序里的非均匀性数值NUC来衡量，先计算一片成像区域所有像元的平均AD值X（AD值能表示像元的亮度），然后再求得每个像元的AD值Xi与均值X之间的差的平方和。即如表1数据显示，各个像元之间AD值的差异越小，则N值也越小。

表1 不同辐射率的快门非均匀性计算

不同辐射率的快门补偿效果曲线如图2所示。

图2 不同辐射率的快门补偿效果曲线

4 结语

本文利用控制变量法，即在两次或多次对比实验中，保证只有快门的一个实验条件不同，其他实验条件保持一致，保证快门测试的准确性。由不同辐射率的快门补偿效果实验可知，贴青壳纸快门在不同非均匀区域的对比非均匀性数值最小，补偿效果最好，其次是北京氧黑快门。在不同非均匀区域的实验结果与事先的推论基本一致，这也就验证了快门辐射率越高，补偿效果越好。采用贴青壳纸快门对提高工业机器人红外视觉系统补偿效果、提升成像质量有一定的作用。