碳素鋼熱處理溫度非接觸式測量系統(tǒng)研究.pdf

1、我國作為一個制造業(yè)大國，高端熱處理設(shè)備設(shè)計制造能力低下，基本依賴進口，外加傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中的粗枝大葉的操作，使得我國機械零部件力學(xué)性能以及壽命遠遠不及國外同類產(chǎn)品，同時能耗污染大、效益低，嚴(yán)重阻礙我國工業(yè)健康發(fā)展。
　　目前，我國熱處理行業(yè)當(dāng)中零件熱處理主要使用熱電偶來測量加熱爐內(nèi)溫度，由于感溫元件直接置于被測溫度場或介質(zhì)中，對于測量單點溫度來說，其具有精度高、使用方便的優(yōu)點，熱電偶測溫是典型的接觸式測溫的方法，其不足之處有以下五點

2、:(1)由于要與被測物體或介質(zhì)直接接觸，這對測量儀器及感溫元件在惡劣環(huán)境下的使用壽命及性能的穩(wěn)定性提出了更高的要求，(2)接觸本身也會對被測物體或介質(zhì)的溫度場分布產(chǎn)生一定影響，從而增加溫度測量的誤差，(3)相對于非接觸式測溫而言，其動態(tài)響應(yīng)性能較差，測溫慣性大，(4)接觸式測溫只是測定溫度場或介質(zhì)中某一點的溫度，不能全面反映整個溫度場分布，對感應(yīng)加熱、微波加熱等無法得到加熱工件的準(zhǔn)確溫度，(5)接觸式測溫安裝維護不方便，不利于實現(xiàn)工業(yè)智

3、能化控制。
　　雖然光學(xué)高溫計和紅外測溫儀可用于測量該類熱處理件的溫度，但是此類儀器測溫范圍有限、價格較高，同時工業(yè)生產(chǎn)中相對惡劣的環(huán)境也會影響其測量精度。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對高溫非接觸式測量進行了研究，但是系統(tǒng)比較復(fù)雜、抗干擾能力差，目前仍處于實驗研究階段。因此，當(dāng)今熱處理工業(yè)生產(chǎn)急需研發(fā)一種可實時測量、精度較高、動態(tài)響應(yīng)好、熱慣性低、自動化程度高、抗干擾能力強的測溫設(shè)備，這對進一步提高加熱效率、優(yōu)化加熱

4、過程、提高生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)能減排、保護環(huán)境、改善企業(yè)生產(chǎn)形式和工人作業(yè)條件等都有重要意義。
　　非接觸式高溫溫度測量技術(shù)是基于CCD圖像傳感器，綜合應(yīng)用光電圖像檢測技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)和熱輻射理論的一種新型測溫方法。其中數(shù)字圖像處理技術(shù)具有諸多優(yōu)點:(1)再現(xiàn)性好，其能完整的保留圖像信息，確保圖像重現(xiàn)，(2)適用范圍廣泛，圖像信號可以來自多種渠道，對于不同的圖像信息源，只要采取相應(yīng)的圖像采集方法和傳感器，那么數(shù)字圖像處理技術(shù)可用于處

5、理所有圖像，(3)處理精度高，隨著計算機信息技術(shù)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，只要適當(dāng)改變處理程序的相關(guān)參數(shù)或者算法，數(shù)字圖像處理的精度是能夠得到保證的，(4)靈活性高，數(shù)字圖像處理涵蓋了對圖像的各種處理，能用數(shù)學(xué)公式或邏輯運算關(guān)系來表達的一切算法，數(shù)字圖像處理技術(shù)都能實現(xiàn)。該方法具備非接觸式測量的所有優(yōu)點，即響應(yīng)快、不破壞被測溫度場、測溫范圍大等優(yōu)點。
　　碳素鋼的產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的80％左右，是主要的金屬材料，本文所研究的碳素鋼熱處理溫度非接

6、觸式測量系統(tǒng)就是將該技術(shù)應(yīng)用到熱處理溫度的測量上。本文主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)測溫系統(tǒng)的整體設(shè)計
　　通過查閱國內(nèi)外基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的溫度測量技術(shù)的相關(guān)文獻和技術(shù)資料，掌握其測溫原理，對比分析其中各自的測溫方法，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有相關(guān)研究所存在的問題，明確該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展方向，結(jié)合本文的研究對象，選擇合適的測溫方法，并設(shè)計了一套測溫系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)據(jù)處理和特征值提取、建立測溫模型和設(shè)計溫度測量軟件平臺。
　　

7、(2)標(biāo)定實驗和溫度計算算法設(shè)計
　　標(biāo)定實驗是在深刻理解熱輻射測溫原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套能夠準(zhǔn)確獲得與溫度對應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)圖像的實驗，根據(jù)所提取的目標(biāo)圖像特征值關(guān)于溫度的分布關(guān)系，選擇相應(yīng)的特征值來對測溫系統(tǒng)進行標(biāo)定，該實驗直接決定著測溫系統(tǒng)的整體測量精度和準(zhǔn)確度。
　　溫度計算算法則是根據(jù)目前在非線性擬合方面應(yīng)用較為廣泛的方法，再結(jié)合本文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的。本文基于最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來進行算法設(shè)計，其中最小二

8、乘法采用自動搜索最佳階數(shù)的方法獲得最佳擬合結(jié)果，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)參數(shù)來確保網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度和運算速度，其計算結(jié)果和誤差對比在文中以圖表的形式進行詳細說明。
　　由于本文所提取的目標(biāo)物特征值中整體灰度值與溫度的分布存在良好的單調(diào)關(guān)系，所以選擇該關(guān)系來實現(xiàn)測溫系統(tǒng)的標(biāo)定，同時本文運用插值算法提高了測溫系統(tǒng)的分辨度，使得該算法適用于溫度的實時測量。
　　(3)基于MATLAB的溫度測量軟件平臺設(shè)計及調(diào)試
　　本文

9、基于MATLAB軟件平臺，運用GUI編程語言設(shè)計了一套溫度軟測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對目標(biāo)物的實時采集、實時處理以及溫度測量，同時進行誤差分析，并對所采集的圖像自動按照所拍攝的時間保存到相應(yīng)目錄中，以便于后續(xù)進行驗證，軟件平臺經(jīng)測試完全達到了設(shè)計的要求。
　　整體而言，本文的創(chuàng)新之處可總結(jié)為以下三點:
　　(1)結(jié)合熱輻射原理、光電成像原理、數(shù)字圖像處理技術(shù)、科學(xué)計算方法等多方面知識，實現(xiàn)了對碳素鋼熱處理溫度的非接觸式測量，并

10、且測量精度達到工業(yè)使用要求。這為我國熱處理工業(yè)的自動化和精準(zhǔn)控制提供了新的技術(shù)方案，為提高我國熱處理工藝水平、節(jié)能減排、改善工作人員工作環(huán)境進行了實際有效的探索。
　　(2)基于輻射測溫原理，結(jié)合比色法和三基色測溫法，提出了新的測溫系統(tǒng)標(biāo)定方法，該方法不僅簡單而且精度高，同時也簡化了特征值的提取方法和圖像處理的方法。
　　(3)運用GUI圖形界面編程，設(shè)計了一套交互式溫度測量平臺，平臺美觀簡潔、功能強大、操作方便，并且使用者