CCD比色测温中工作波长与带宽的选择

　　1　引　言

　　自CCD技术问世以来,就具有工作稳定可靠、图像清晰度高、灵敏度等优点,与计算机图像处理相结合之后在温度场测量方面得到广泛应用。CCD比色测温是非接触测温,它是根据同一时刻同一点的两个相邻波长辐射能的比值来确定温度值,较好的消除了环境和发射率的影响,在国外有用于测量化学合成过程中温度分布的CCD双色测温法[1],有用于轧板过程中监测的面阵CCD亮温测量方法[2];国内,CCD比色技术在炉膛火焰[3]、焊接领域[4]、水泥回转窑温度检测[5]等方面有着广泛的应用。在CCD比色测温中,波长与带宽的准确选择是限制其应用的一个重要因素[6]。波长与带宽的选择合理将提高测量精度,减少误差;如果波长与带宽选择不当不仅带来较大的测量误差,而且使测量设备的成本升高。本文通过分析计算,建立了在确定测量温度范围内选择理想波长的方法,对水泥篦冷机熟料温度场的测量实验结果证明该方法的有效性。

　　2　比色测温原理

　　系统测量框图如图1所示。被测对象经过光学系统后,由滤光片分离出两个不同波长的单色辐射图像,并成像于面阵CCD上,从CCD出来的视频信号被同时送入图像采集卡中,经A/D转换后送入计算机,通过计算机的图像处理系统进行灰度比色处理,形成灰度值的分布图,之后在显示器上输出温度分布的数字和图像信息。

　　比色图像的灰度(Nλi)比值R(T)为

　　式中Qλi(i =1,2)为比色电荷信号量;λi,Ii,δλi(i=1,2)分别为滤光片的峰值波长、峰值透过率和带宽;η(λi)(i =1,2)为CCD的光谱响应函数;C2为第二辐射常数。由(1)式可以得到R(T)和T的关系曲线。在实际测量中,获得被测对象的R(T)后,就可以得到温度场的分布。

　　3　比色波长及带宽的选择

　　3.1　波长的选择

　　决定比色波长的因素很多,主要有被测对象的辐射率,测温范围,CCD的光谱响应和动态范围,环境光的影响,系统的响应灵敏度,信噪比等。因为被测对象的发射率与其材质、波长、温度、表面状况及方向有关,很难精确补偿和修正,所以在两波长的选择上尽量使在λ1、λ2上的辐射率相等或接近,这样可以抵消辐射率变化的影响或是将其减少到最低限度。在测温范围T1~T2内,选择的波长应在CCD的光谱响应范围之内(0·4~1·1μm),并且应该避开环境光的影响。测量通路上介质如CO2、H2O、尘埃等的吸收会使CCD接受的能量减少,导致信号变小,选择的波长应避开这些介质的光谱吸收带,选择其透过率较高的波段。由此可以确定两波长的选择范围。在CCD比色测温过程中,除了考虑每一波长下的信号足够大以外,还要考虑到两路信号的比值必须随被测温度变化而变化,并保证其单调性。如果比值过高,就会在其中一个波长下CCD器件饱和,而另一波长下器件接受信号很弱,使测量误差增加;比值太小则影响比色的灵敏度。