AOD炉测温中自动聚焦

陈戈华， 张晓阳

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

AOD炉铁合金冶炼是一个复杂多元、多相、高温的物理化学反应过程，温度的实时在线监测对AOD炉冶炼铁合金的质量和降低原料消耗至关重要。现在普遍使用的测温方式是双色比值方法，此方法使用方便、反应速度快、测温范围广泛，可以在不接触被测物体的情况下准确测量出炉内的温度。由于测温环境条件的限制,测温仪安装位置不固定而又要测量小目标的原因，在实验过程中很容易忽略距离系数的影响，测量温度值存在着一定误差，所以要提高测温仪光学分辨率，针对此问题，文中提出一种可以自动调焦的光学瞄准系统，这样即使目标不能充满整个测量视场，也能高精度、高重复性地接收目标的热辐射。

1 测温原理

由于在实际测温现场受粉尘、气体等环境因素的干扰，常使用双色比值测温方式。该方式是根据两个不同波长的红外光辐射能量的比值得出物体色温(Ts)。色温是相对于黑体来说的，而且在实际测温中也没有绝对的黑体存在，但是根据色温的定义可以得出真实的温度(T)与色温(Ts)之间存在着一定的关系。当选取两个波长相近的红外光时，其发射率相差比较小，可以近似认为两者的发射率是相等的，这时被测物体的真实温度就等于物体的色温[1]。

根据辐射原理，当物体温度超过绝对零度时,就会不断以电磁波的形式向外辐射能量。随着温度的升高，物体光谱辐射强度就越大，相应的波长峰值向着波长减小的方向移动[2]。根据普朗克黑体辐射定律可知

(1)

在自然界中没有绝对的黑体存在，实际上被测物体辐射能与黑体辐射能存在着线性关系

u(λ,T)=ε·u0(λ,T),

(2)

式中：ε——被测物体的发射率，其值只取决于物体表面特性，与外界条件无关。

选取λ1、λ2两个合适的波长，可以得出两个波长辐射能的比值

(3)

式中：λ1、λ2——选定的两个波长；

Ts——待测物体的色温。

由式(3)可知，当ε1=ε2时，色温Ts只与两波长和两个波长的辐射能比值有关。

根据色温的定义可以得出色温Ts与真实温度T的关系

(4)

由式(4)可知，当ε1=ε2时，即物体的光谱发射率不随波长变化而变化，物体的真实温度等于色温。对式(3)两边取对数,可以得出物体的真实温度

(5)

为了保证两个波长的发射率近似相等，应该选择比较接近的测量波长，文中采用的是800 nm和1 000 nm的滤光片[3]。

2 测温仪系统设计

传统的测温仪由于目标大小和距离系数的原因，一般安装在特定的距离上。但是受实际测温环境条件的限制，安装位置不一定能够满足测温仪对距离系数的要求,距离远而且测量的目标较小，被测目标小于测试视场，背景辐射会进入测温仪的视场干扰测温，这就影响了仪器的测量精度[4-7]。文中提出一种自动实现对焦的光学系统，可以有效避免背景辐射的影响。即使安装在远距离上，也能够通过自动对焦保证被测物体充满测温仪的视场，使得测温仪不再受测温区域以外的背景影响。测温示意图如图1所示。

图1 测温示意图

测温仪整个系统包括光路部分和测量电路。光路部分中的滤光片是镶嵌在电机带动的调制盘上，通过电机的高速旋转采集光信号，另外增加了自动对焦功能，其图像信息也在调制盘高速转动下通过图像传感器采集，通过DSP对采集到的图像进行分析、比较，根据比较的结果，通过步进电机的转动方向和步数来控制光学镜头，从而实现自动对焦。对焦完成以后,DSP给单片机发出信号，开始采用双色比值方法进行测温。

2.1 光路系统

光路有以下几个单元：变焦透镜组、对焦镜头组、成像器件、自动对焦单元、镜头驱动单元。成像器件是CCD数字式图像传感器，输出图像信息的信息量；自动对焦单元有DSP芯片作为核心器件，图像信息采集、计算、控制策略的选择和控制信号的产生都在这个单元中进行；镜头驱动单元包括步进电机及其驱动电路，该单元接收DSP传输的信号控制变焦镜头和对焦镜头进行位置调节，最终是图像传感器输出准确对焦的图像[8]。对焦完成后，开始采用双色比值的方法测AOD炉内铁水的温度。

2.2 测量系统硬件电路

测量系统硬件电路如图2所示。

图2 测量系统硬件电路

测量电路利用光电池对红外光敏感的特性，当光进入光电池后，光电池会根据接收辐射能的多少在电路上产生不同的电流,并采用短路电流法完成光信号到电信号的转换。光电池与OP07双极性运算放大器组成一个跨阻放大器U1，其输出电压V0=IR1(I为光电池产生的电流)。经过前置放大器后分成两路,分别对800 nm和1 000 nm两种波长的光进行信号采集。由于光信号是在无刷电机高速旋转下采集的,而且只有一个光电池，所以两个测量电路需要在采集两种信号时来回进行切换，本系统采用的是CD4502模拟开关。由于采集到的信号在不同程度上存在着谐波，采用二阶RC电路进行滤波处理，把处理后的信号再放大经过AD转换成数字信号。本系统使用具有高分辨率的AD转换芯片AD7705，该芯片是一个16位的串行AD,而且是两路模拟信号输入，适合于高精度测量[9]。将AD转换后的数字信号送到单片机，经计算后得出温度值，通过无线传输发送到PC端和手持式终端。

3 实验数据分析

传统测温仪一般安装在特定位置，其距离系数对测温精度具有一定的影响。实验是测温仪距离底枪2 m处，用自动调焦和未调焦两种方式进行测温，得出的数据见表1。

当炉内温度在1 500 ℃以下时，炉内金属还没有完全熔化,物体的发射率在选取的两个波长下几乎相同。随着温度的上升，炉内完全为液态，其发射率发生了变化，两个波长的发射率相差变大，因此需要对系统进行修正[10]。由表1数据可知，未调焦时测温温度与实际温度误差较大，实际温度从1 200 ℃升高到1 750 ℃，实测温度只变换了290.36 ℃,温度变化范围小，其拟合效果不好。而自动调焦后数据的跟随效果比较好，相比于未调焦时优势明显，由此可以得出,自动对焦系统可以减少背景辐射的影响，提高测量准确度与精度。

表1 实验数据 ℃

4 结 语

通过在光路末端增加传感器实现自动聚焦，只需要更短的调整时间就能瞄准被测目标，对不同的测量位置用同一基础仪器。自动聚焦克服了传统测温仪被距离所约束带来的不便。为提高测量精度,对测量电路做了进一步优化，有效避免了环境因素干扰测量电路，使其能够满足实际要求。同时带瞄准装置的测温仪是一个新发展方向，更具有实际意义。