基于彩色CCD的摩擦焊接温度场测量系统

　　0　引言

　　摩擦焊接是一种通过工件间的相互加热和加压作用,在摩擦端面产生塑性变形、表面激活和再结晶冶金反应而实现连接的固态焊接方法,具有焊接质量高、稳定可靠、焊件尺寸精度高、耗能低、生产效率高等特点[1]。焊接界面的温度分布对于焊接质量有重要的影响,而CCD图像传感器,可以有效地将物体表面发出的辐射能转化成像元阵列的信号强度,根据信号强度和辐射能的关系,获得物体表面的温度信息,并结合图像处理技术来进行温度测量[2]。由于图像数据量大,而摩擦焊接过程时间短,温度变化迅速,文中以TMS320DM647作为硬件处理平台,可以实现温度场的高速测量和实时处理。

　　1　CCD三色法测量原理

　　焊接工件辐射的波长范围在380~780 nm内,温度范围在3 000 K以下时,普朗克辐射定律可由维恩辐射定律取代,因此有

度;T为绝对温度;ελ为光谱发射率;λ为波长。

　　如果能同时测量到焊接工件同一点发出的不同波长下单色辐射能,则根据它们的比值即可计算出该点的绝对温度。彩色CCD可以把入射光分解为波长分别为700 nm、546·1 nm、435·8 nm的红、绿、蓝三色图像,光强值L与工件的辐射成正比,并且与CCD的光谱响应灵敏度有关[3-5]:

　　这就是焊接界面温度的计算公式。其中r、g、b可以直接从采集到的图像中获得,K需要通过实验来标定。

　　2　测量系统设计

　　TMS320DM647是针对网络和多媒体处理的32位DSP,具有很高的CPU频率,最高可达900 MHz. 5个16位可编程视频口,能够与通用视频编、解码芯片无缝连接,支持多种视频分辨率和视频标准, 1个64位外部存储器接口(EMIF)可以和外部存储器无缝连接,外部存储器最大可寻址空间为1 024MB[4]。

　　图1为系统的总体框图,视频解码芯片TVP5150把NTSC制式的模拟视频信号转化为8位BT. 656格式的视频数据,通过TMS320DM647的视频口VP0存入FIFO,然后通过强化的直接存储器寻址控制器(EDMA)搬入片外存储器,调用程序进行处理。处理后的数据经视频编码芯片SAA7105编码后显示输出。SDRAM用于数据存储, FLASH芯片由于掉电后数据不丢失和重复使用,用于程序存储。

　　3　K值标定和插值修正

　　利用式(8)进行温度计算必须先对K进行标定,这里采用的是黑体炉。先由黑体炉给定一个温度值T,测量系统对CCD图像传感器输出的r、g、b信号进行实时采集,输入计算机存储,然后按式(8)计算出K值。表1为标定实验的部分数据。

　　由于CCD中r、g、b信号通道的波长响应频带较宽,加上镜头、CCD响应特性、噪声、暗电流等因素的影响, CCD实际输出的r、g、b信号并不与其对应的光谱辐射亮度成线性关系,从而使得K值随温度T的变化而变化,故利用一次性标定得到的K值计算温度时不可避免会产生误差,必须对其予以修正[5]。文中利用标定实验数据对K值进行分段插值修正。令x=rb/g2,步长为h,CCD测温范围内,按等距节点进行标定,计算出n+1个节点上的数组值(xj,Kj)(j=0,1,2…n),供插值计算调用,取步长h=xj+1-xj,用数值插值法拟合出关系式。则插值函数为: