基于CCD的双色比色测温系统设计

戴元丰 朱晓俊 顾亭林

（1.中国科学院上海技术物理研究所 上海市 200083 2. 太仓光电技术研究所 江苏省苏州市 215400）

1 引言

对于温度的检测在工业生产中是十分重要的，快速、精确地进行温度检测不仅能保证生产作业的安全，而且也有助于提高产品质量以及生产效率。传统的热电偶、热电阻、光电高温计等接触式测量方法局限于单点或多点的温度检测，无法反应温度场的整体温度分布，且恶劣的环境可能导致精度降低[1]。而非接触式的辐射测温具有响应速度快、测量温度高以及不影响温度场等优势，逐渐得到了更多的应用。

电荷耦合器件（CCD）问世于上世纪70年代[2]，CCD 摄像机具有高集成度、失真小、感受频谱范围宽等诸多优势，在各行各业得到了广泛的应用[3]。针对温度测量方面，也有一些基于CCD 的非接触测温方法，能够展现出高精度、速度快、成本可控等优点，是目前研究的重要方向。本文针对基于CCD 的双色比色测温技术进行了研究，并设计了一套测温系统，经过实验测试证明其能够以较高精度完成火焰温度测量，并且成本可控。

2 CCD双色比色测温法

由维恩位移定律可以得知，物体的辐射出射度的最大值随着温度的减小（或增加），会向着波长增加（或减小）的方向移动。因此，当两个波长下的亮度比值发生变化时，相应的温度值也会发生变化，这就是比色测温的基本原理[4]。

当燃烧火焰辐射波长在400～750nm 和温度3000K 以下时，普朗克定律可以用维恩定律代替[5]，此时辐射体的单色辐射亮度可以表示为：

式中：λ 代表波长，T 代表辐射体温度，C1、C2分别代表第一、第二辐射常数，ε(λ,T)代表辐射体光谱发射率。

CCD 每个像素点对应输出的三个颜色分量为：

图1：CCD 测温系统框图

图2：软件设计框图

式中：Kr、Kg、Kb为比例系数，380nm＜λξ、λξ、λη＜780nm，λr=700nm、λg=546.1nm、λb=435.8nm 为三基色R、G、B 对应的波长。

从三基色中选取两种基色进行比色测温称为双色法。根据资料显示，在光圈快门组合保持不变的条件下，选取红、绿双色进行比色测温具有较宽的动态范围[6]，此时测温公式为：

K 为比色测温的修正值，会受到光谱的发射率、相机的进光量等因素的影响，可以通过实际测试前的标定工作来得到其具体数值，引入校正系数K 可以减小温度测量的误差。

至此，便可以基于CCD 通过公式（9）采用双色比色测温法进行温度测量。

3 系统设计

3.1 硬件设计

系统的整体硬件框图如图1 所示，采用CCD 摄像机获取温度场的图像，并将图像上传给PC 端，在PC 端通过自研的软件系统对图像进行处理，并获取火焰的温度。

在CCD 摄像机模块，选用了海康威视DS-2ZCN3007(C)型号200 万像素一体化摄像机。该型号摄像机可30 倍光学变倍，焦距为4.5-135mm，最大分辨率达1920×1080，具有聚焦快速、准确的特点，完全符合整体设计的要求。

图3：温度检测软件测试界面

该系统硬件设备具备高效、简便的特点，不仅可以较好地完成测温任务，而且成本可控，非常适合在各种工业场景下的使用。

3.2 软件设计

软件设计的主体功能是能够将温度场的整体分布进行展现，方便实时的温度监测，并且要在温度出现异常的时候进行报警，故需要实现以下几个主要功能：

（1）能够从相机模块的SDK 卡中获取所需要的图像；

（2）对图像进行预处理，将RGB 像素分离；

（3）能够根据双色比色测温公式，实现实时温度测量的功能；

（4）若检测到温度场中出现温度超标的现象，及时发出报警信号。

根据以上功能，软件设计的整体框图如图2 所示。

温度检测软件主要包括三个模块：基本管理模块、功能模块以及数据库。基本管理模块中包括对用户权限的管理，以及设置设备接口、IP 地址、流ID 等功能，此外还会记录下装置的工作日志以供日后查询所需。功能模块中使用catchPicture 方法从摄像机的SDK 卡中将图像抓取，通过OpenCV 库中的像素分离方法将目标图像的RGB 像素分离，最后通过双色测温公式对实时温度进行测量，若出现温度超过预期的情况，及时发出报警信号。数据库模块将对各种样本数据进行存储，以便日后的处理以及分析。

4 实验测试

在进行实验测试之前，对系统进行标定。采用黑体炉标定方法[7]，尽可能确保实验场地为暗室，将CCD 摄像机与黑体炉位置处于同一轴线，调整合适的相机参数，借助黑体炉和温控系统采集到不同温度下的标准热辐射图像，建立R 与G 通道颜色比值与温度之间的函数关系，从而达到消除误差的效果。

实验分析选用蜡烛火焰作为测量目标，软件测试界面如图3 所示。

操作界面上会显示用户的基本信息，提供选取位置在1280×720分辨率下的坐标位置以及其RGB 值，并且利用内置的双色比色测温公式将选取位置的实时温度显示出来。

5 总结

在多种工业生产环境下，都需要对温度进行实时、准确的监测。本文简要介绍了CCD 双色比色测温的基本原理，并设计了一套可以用于炉内火焰温度实时监测的CCD 测温系统，该系统能够较为方便、准确地完成温度测量任务，并且成本可控，适合在多种工业环境下使用。