焊接温度场的实时丈量技术是焊接过程与质量节造技术中的一个沉要的钻研方面，近几年的钻研了局批注图像比色测温步骤的丈量焊接温度场方面有相当大的发展前途。

比色测温法在光路结构上有两种规划可供选择[1，2]：

(1)单通路型。使用一个光检测装置分时接受热辐射束;再选取两种分歧波长滤光片来处置此热辐射束;

(2)双通路型。使用两个光检测装置同时接受热辐射束，再使其经过各自滤光片后射入到各自检测装置上进行处置。

单通路型的利益在于使用一个摄像机，光路单一，便于调整。但选取单路型的测温系统，往往要通过电机来分时切换两种滤光片以获得分歧波长的两幅热辐射图像，从而使系统响应速度慢，并使图像采集装置复杂。双通路型的利益是响应速度快，但光路复杂，不便调整。

为了综合上述两种步骤的利益，本文研造了一种新鲜的比色测温系统，这种系统的特点是选取一种双波长的红表滤光片，这样就能够用单镜头在一幅图像中同时得到两幅分歧波长的热辐射图像信息，再利用比色测温道理对该图像进行处置，实时丈量出近溶解区的焊接温度场。这种系统不用选取分时切换滤光片的机构，因而结构单一，实用性好，合用于焊接现场。

1.系统根基工作道理

本文研造的双波长红表图像处置系统重要由双波长波光片、CCD摄像机、数字图像卡、推算机等组成。

其根基工作道理为：

(1)选取双波长红表滤光片得到焊接熔池两种分歧波长的图像信息，进行比色测温推算;

(2)从焊缝正面摄取图像。通过将CCD镜头置于焊炬的后边，避开弧光的滋扰，最大水平地摄取熔池热图像。双波长滤光片的具体结构大局是，用左右两个分歧波长的半圆滤光片拼接成一个整圆滤光片，其两个半园的波长值凭据比色测温的要求而设计。在系统中装置双波长滤光片时，将其接缝对准焊接熔池中心，使熔池左边辐射的一种波长的光线通过左半园滤光片后的光轴的右边成像，而熔池右边辐射的另一波长的光线通过右半园滤光片后在光轴的左边成像。这样，当用一台CCD摄像机摄取焊接熔池图像时，就可同时在一幅图像的两半边获得两种波长的焊接温度红表(灰度)图像，如图1所示。由于焊接温度场在正常情况下是对称的

（3）既沿熔池中心线左右对称，若是思考双波长滤光片的中央接缝很窄能够忽略不计，则能够以为在接缝双方的温度场是对称的。这样就能够通过将狭缝双方对称点上的两个波长的信息视作统一温度下的双波长信息进行比色测温推算，进行在线定标，求出该点的温度。

2.双波长红表滤光片的研造

本文研造的双波长滤光片的两个波长别离为 λ1=0.8050μm, λ2=0.8950μm，选择这两个波长重要思考到以下几个方面的情况。

(1)选用的波长必须是所测温度领域内发射的谱线，钢在1000~1600℃之间的发射的谱线领域比力宽，从可见光到远红表都有，峰值波长在近红表，约在 1.5-2.2μm领域。另表选用的波长同时必须在CCD摄像机的光谱响应领域之内(0.4~1.1μm)，又要避开可见光的影响，因而其领域应为 0.75~1.1μm，即近红表波段。

(2) 比色测温能排除中型介质(如烟雾、尘埃等)对丈量精度的影响，但不能解除选择性吸收介质对丈量精度的影响，因而必须设法避开。摄像系统是在空气中使用，空气中对称分子结构的气体，如N2，O2，H2，它们在相当宽的红表波段对辐射无吸收作用，而空气中的H2O,CO2,CO等却对红表辐射拥有强烈的吸收作用。因而选择工作波段必须避开这些吸收带。

(3) 凭据CCD摄像机的动态响应领域，要使得在两个波长下的指标热辐射功率之比维持在肯定领域内。如此值过高，就会在其中一个波长下CCD器件鼓和，而另一个波长下CCD器件接管信号很弱，使丈量误差大大增长。但此比值又太幼，不然会影响比色的活络度[2]。

3 近溶解区焊接温度场的实时测定

本系统能够3 /s的速度实测近溶解的温度场，试验的前提为：Ar75%+CO225% 混合气体；ず，电弧电压为20V，电流为125A，焊接速度180mm/min，焊丝为ф1.2mm的Ho8mn2SiA。其测温过程为：当CCD摄像机摄取一幅图像后，经图像卡转换成图像灰度数据送入推算机，推算机先对图像数据进行滤波处置，而后推算近溶解区的温度散布。

3.1 原始图像数字滤波处置图1是原始图像灰度数据的伪着色显示，从图中能够看出，除了图像中央表，在两个波长的图像内数据部门不均匀的景象，必要进行数字滤波处置。

本文选取在图像中每2行6点取中值的数字滤波算法。具体算法为

式中：H''''''''''''''''(i,j)为第i行第j列滤波后的灰度值;H(i,j)为第i行第j列的原始灰度值。

3.2 近溶解区温度场推算

由双波长滤波图像，分以下两步推算出近溶解区的温度场。

3.2.1用比色法推算出单色灰度值与温度的比值

鉴于焊接温度场在正常情况下是沿熔池中心线左右对称的，并且双波长滤光片的中央接缝很窄，能够以为在此接缝的双方温度场是对称的。这样就能够通过将接缝双方对称点上的两个波长的信息视作统一温度下的双波长信息进行比色测温推算，从而求出该点的温度。其具体步骤如下。

(1) 首先确定温度对称中心线的图像中的地位，而后确定图像灰度最大值地点的行，在该行中找到与中心线对称的距离各5个像素(由于滤光片中央狭缝的关系，必要离中心下稍远点)的两个灰度值H1和H1''''''''''''''''。

(2) 找到此灰度最大值地点行上一行对应点的灰度H2，H2'''''''''''''''',和下一行对应点的灰度H3,H3''''''''''''''''，并推算其算术均匀值HP1、HP2,即

(3) 以均匀灰度HP1和HP2为基础，求出其比色值r为

再凭据比色值与温度之间的关系，就可确定双波长红表图像中各单色灰度值与温度的关系。即图像中对应λ1下灰度值为HP1的点，温度为T;对应波长λ2下灰度值为HP2的点，温度也为T。

3.2.2 普郎克定律求出近溶解区的焊缝温度场。

凭据普朗克定律，灰体的热辐射通量密度M与温度T、波长L有如下关系

式中M(λ，T)为单元波长领域内的辐射通量密度ε(λ，T)为灰体的辐射率或吸收率;C1、C2为辐射常数;T为热辐射体的温度，单元为K; λ为波长。由上式可知，若已知红表图像中一个灰度下的温度，就可求出其它灰度下的温度，从而算出所测红表图像中遍地的温度。即：已知灰度M(λ，T)下的温度T1，就可求出灰度M(λ，T2)下温度T2

对图1的近熔池区图像的灰度数据按上述步骤进行推算，得到如图2所示的温度场图像。

4 含溶解区的焊接温度场推算

当以为焊接电弧为陆续移动的点热源时，工件为半无限大体且处于极限鼓和的状态时，能够按点热源来描述焊接温度场[4]，这种焊接温度场的数字模型为

为距离点热源为R处某点的温度;λ为导热系数;a 为导温系数;q为电弧加热热功率;v为焊接速度。

当焊缝表表(Z=0)A点相对热源中心O点的坐标关系为X≥Y时，能够以为两点距离R近似蹬宗A点的横坐标，即R≌-X。在焊接速度v很幼时，可将温度简化为与速度无关的一个函数，既

T=K/R,

式中：K为常数，与资料的导热系数、导温系数、电弧热功率等成分有关;R为到热源中心的距?lt;sub>[2-4]。这样在已知近溶解区的温度场前提下，能够依照此近似推算公式对数据进行回归，得到常数K，即可向熔池方向推算温度，一向到热源中心为止，上述近似推算会产生肯定的误差。但鉴于实测得的近溶解区的温度在1300℃左右，已很靠近溶解区温度，因而推算的误差是有限的。

如上所述，本系统对MIG焊时的焊接温度场进行了实时检测与推算，由图像比色测温算法直接求得的近溶解区温度场散布后，以伪着色的方式暗示，如图3所示，在此基础上推算出蕴含溶解区的焊接温度场，如图4所示。在图2中由中心逐层向表、在

图3、4中由上向下顺次伪着色后各层色彩所代表的温度(℃)别离为：白>1490，黄1420-1490，橙350~1420，红1280~1350，青1210-1280，绿1140~1210，兰1070~1140，深灰<1070。

5　系统比色测温算法的验证

为了验证图像比色测温系统的精度，作者做了温度标定试验。试验步骤是，试样在热处置炉内加热，当试件加热至950℃后，每隔50℃用推算机纪录一幅图像，图像数据处置后推算所得的温度了局如表1所示(表中*处为图像数据部门鼓和，应删除)。由表1可见，在950~1150℃领域内，标定了局与现实温度吻合较好，最大误差为37.4℃，最大相对误差为3.94%。

6 结论

研造了结构新鲜的双波长滤光片，并以此为基础，成立了焊接温度场图像比色测温系统，实现了用单镜头进行图像比色测温的步骤，简化了整个测温系统，使图像比色实时检测焊接温度场步骤进一步实用化。