单相机双波段熔池比色测温方法及系统与流程
本发明属于熔池温度在线监测技术领域，具体涉及一种单相机双波段熔池比色测温方法及系统。
背景技术：
增材制造(additivemanufacturing，am)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3d打印等多种称谓。
激光增材制造技术是以激光束作为热源，加热材料使之结合，直接制造零件的方法，是增材制造领域的重要分支，在工业领域最为常见。由于熔池温度是反映激光功率变化、扫描速度、熔池的过熔、欠熔等状态的综合评价，对零件的打印精度与成形质量至关重要。因此，在激光增材制造技术领域，关于熔池温度的监测一直是工业界和学术界关注的研究热点之一。
目前，对于激光增材制造过程中的熔池温度在线监测系统已有了较多的研究。如《基于ccd的激光再制造熔池温度场检测研究》(雷剑波，天津工业大学，博士学位论文，2007年)利用彩色ccd相机自身包含三个单色图像信息的特点，选择其中两个适当的单色图像，通过比色测温技术，实现了对激光制造过程中熔池温度的实时监测。但其比色测温中选用的两个波段只能在红、绿和蓝三原色中选取，可选波段少，并且近似认为在选出的两个波段时黑体系数相同，测温误差大。
《利用图像比色法进行激光熔池温度场实时检测的研究》(姜淑娟等，信息与控制，2008年)利用单通道比色测温法对激光熔池温度场进行实时监测，采用一个ccd相机，通过步进电机带动转盘，切换两个滤光片分时处在光路中，得到两个不同灰度的熔池灰度分布图像，最后获得熔池温度场。但其需要切换滤波片，系统响应速度比较慢，无法在超高速扫描速度下完成对熔池图像的采集。
《基于高速ccd的激光熔池温度检测软件开发》(郁玲玲苏州大学，硕士学位论文，2009)提供了一种激光熔覆过程中的熔池温度在线监测系统，通过在扫描头上直接挂载黑白高速ccd相机同步拍摄熔池图像，并根据辐射理论推导了灰度值与温度相对应的公式(单色测温法)，实现了温度的非接触测量。但是单色测温法容易受工作室中保护气体、烟尘等环境因素的影响，测温结果不准确。
《双ccd比色测温系统研究》(王维等，机械设计与制造，2009)提供了一种采用双ccd相机的测温系统，利用比色测温原理可以计算出被测目标温度。但是使用双ccd相机时光路复杂，双相机在高速测温时难以同步，同时也大大增加了成本。
而在激光选区熔化(selectivelasermelting，slm)过程中，利用振镜控制激光快速移动，扫描速度比lens快2个量级，但是无法在扫描头上直接挂载高速相机。
《designofanopticalsystemfortheinsituprocessmonitoringofselectivelasermelting(slm)》(philipplott等，physprocedia12,parta:683–690，2011年)指出：在slm技术中利用了一个半反半透镜，可实现高速ccd相机对熔池位置的同轴追踪与拍摄。《opticalsystemforon-linemonitoringandtemperaturecontrolinselectivelasermeltingtechnology》(doubenskaia等，keyengmater，437:458–461)指出：利用相似的同轴光路系统，并使用自制的双色高温计能够得到slm过程中熔池的温度信息。《insituqualitycontroloftheselectivelasermeltingprocessusingahigh-speed》(s.clijsters等,real-timemeltpoolmonitoringsystem[j].theinternationaljournalofadvancedmanufacturingtechnology,75(5-8):1089-1101，2014年)指出：在同轴光路系统增加光电高温计和高速相机，利用光电高温计得到熔池的温度，利用高速相机得到熔池的形状和面积。但是这些系统中，熔池的温度是利用光电测温仪获得的，只能得到熔池的整体温度，无法得到熔池表面温度分布，并且光路复杂且成本费用高。
因此，发展一种无需高速同步，且可以获得熔池表面温度分布；同时减少所需设备，研发快速、精确的测量激光工艺中熔池表面温度场的在线监测方法及系统，是本技术领域亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
为了解决背景技术中现有的熔池测温系统无法兼顾检测精度与系统成本的技术问题，本发明公开了一种相机双波段熔池比色测温方法及系统，只通过一个相机，能够在线、原位、快速精确的获得熔池表面温度分布信息，避免了比色测温技术中双相机时间不同步带来的误差，同时具有抗干扰能力强、成本低的优点。
为了解决上述技术问题，本发明有如下技术方案：单相机双波段熔池比色测温方法，包括：光处理步骤、图像获取步骤和比色法温度计算步骤；
所述光处理步骤，包括：
利用分光镜将所述待测熔池发出的一束辐射光分为波长和强度完全一致的第一光束和第二光束；
选择滤波片组，所述滤波片组，包括：第一滤波片和第二滤波片，其中，所述第一滤波片对所述第一光束进行过滤后获得第一过滤光束，所述第二滤波片对所述第二光束进行过滤后获得第二过滤光束；
利用长工作距离显微镜头对所述第一过滤光束和所述第二过滤光束进行等倍数放大，获得第一放大光束和第二放大光束，所述第一过滤光束对应所述第一放大光束，所述第二过滤光束对应所述第二放大光束；
所述图像获取步骤，包括：
调整所述分光镜、所述滤波片组及所述长工作距离显微镜头的相对位置，将所述第一放大光束和所述第二放大光束沿着相机光轴的方向对称分布在相机光轴的两侧，并显示在所述相机的同一视场范围内；
所述相机拍摄所述第一放大光束和所述第二放大光束，得到实时图像，所述实时图像包括灰度值不同但形状完全相同的第一熔池图像和第二熔池图像，所述第一熔池图像对应所述第一放大光束，所述第二熔池图像对应所述第二放大光束；
所述比色法温度计算步骤，包括：
对获取的所述实时图像进行采集，
对采集到的所述实时图像进行处理，根据所述实时图像中的所述第一熔池图像和所述第二熔池图像，得到所述待测熔池表面的各点的灰度比，根据所述待测熔池表面各点的灰度比，利用比色测温公式计算出所述待测熔池表面各点的实时温度；
将所述待测熔池表面各点的实时温度进行显示。
可选地，所述分光镜，进一步为：根据比色法测温所需的具体波段选择的具有特定波长的所述分光镜。
可选地，所述第一滤波片和所述第二滤波片为带宽相同且中心波长相差小于100nm的窄带滤光片，并根据所述待测熔池的加工激光的温度和扫描速度以及所述待测熔池的辐射强度选择具有特定带宽和特定中心波长的所述第一滤波片和所述第二滤波片。
可选地，还包括：对所述比色测温公式中的未知参数进行标定试验，获得所述未知参数的值。
可选地，所述的对所述实时图像进行处理，还包括：在所述实时图像上选择出所述第一熔池图像和所述第二熔池图像，并调整所述第一熔池图像和所述第二熔池图像的位置，将所述第一熔池图像和所述第二熔池图像呈上下对称或左右对称的方式分布在所述实时图像上。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种单相机双波段熔池比色测温系统，包括：光处理装置、相机、处理器和光学导轨，
所述光处理装置，包括：分光镜、滤波片组和长工作距离显微镜头，
所述分光镜，根据比色法测温所需的具体波段选择具有特定波长的所述分光镜，所述分光镜将所述待测熔池发出的一束辐射光分为波长和强度完全一致的第一光束和第二光束；
所述滤波片组，包括：第一滤波片和第二滤波片其中，所述第一滤波片对所述第一光束进行过滤后获得第一过滤光束，所述第二滤波片对所述第二光束进行过滤后获得第二过滤光束；
所述长工作距离显微镜头，对所述第一过滤光束和所述第二过滤光束进行等倍数放大，获得第一放大光束和第二放大光束；
所述相机采集所述第一放大光束和所述第二放大光束，得到实时图像，所述实时图像包括灰度值不同但形状完全相同的第一熔池图像和第二熔池图像，所述第一熔池图像对应所述第一放大光束，所述第二熔池图像对应所述第二放大光束；
所述处理器，包括：图像采集卡、数据处理单元和显示器，
所述图像采集卡与所述相机相连，用于采集所述相机拍摄的所述实时图像，
所述数据处理单元与宿舍图像采集卡相连，根据所述实时图像中的所述第一熔池图像和所述第二熔池图像，得到所述待测熔池表面的各点的灰度比，根据所述待测熔池表面各点的灰度比，利用比色测温公式计算出所述待测熔池表面各点的实时温度；
所述显示器与所述数据处理单元相连，用于显示所述待测熔池表面各点的实时温度；
所述光学导轨用于固定所述光处理装置和所述相机，进一步为：所述分光镜、所述滤波片组和所述相机按照远离所述待测熔池的方向依次按照在导轨上，其中，所述长工作距离显微镜头安装在所述相机镜头上，且所述相机的光轴与所述长工作距离显微镜头的光轴位于同一直线上。
可选地，所述分光镜，进一步为：根据比色法测温所需的具体波段选择的具有特定波长的所述分光镜。
可选地，所述第一滤波片和所述第二滤波片，距离所述相机的距离相同，且所述第一滤波片和所述第二滤波片对称安装在所述相机光轴的两侧。
可选地，还包括：相机触发控制装置，所述相机触发控制装置连接所述相机和所述处理器，所述相机触发控制装置用于触发所述相机进行图像的获取。
可选地，所述数据处理单元所述的对所述实时图像进行处理，还包括：在所述实时图像上选择出所述第一熔池图像和所述第二熔池图像，并调整所述第一熔池图像和所述第二熔池图像的位置，将所述第一熔池图像和所述第二熔池图像呈上下对称或左右对称的方式分布在所述实时图像上。
需要说明是，所述的相机包括但不限于高速黑白相机、普通黑白相机、彩色高速相机、普通彩色相机，比色测温选取的波段包括但不限于红外波段、紫外波段、可见光波段；长工作距离显微镜头包括但不仅限于长工作距离显微镜头,在不同的使用场合也可以使用普通镜头、远距镜头、缩小镜头、普通工作距离镜头、物方远心和双远心镜头等来替换。
与现有技术相比，本申请所述的单相机双波段熔池比色测温方法及系统，达到了如下效果：
(1)采用分光镜分出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的波长和强度完全一致，相较于现有技术中的双相机系统，本实施例不仅没有双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的在时间上分开的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性；
(2)选择出第一熔池图像和第二熔池图像，能够减少图像处理的面积，提高计算速度；将第一熔池图像和第二熔池图像以上下对称或左右对称的方式分布，则使第一熔池图像和第二熔池图像中对应点(待测熔池中的某一点在分别在第一熔池图像和第二熔池图像中成的像)具有相同的横坐标或纵坐标，简化运算过程；
(3)与单色测温方法及系统相比，本发明中提出的方法及系统可消除环境噪声影响，使获得的熔池温度更准确；
(4)与直接使用红外热像仪测温相比，本发明中提出的方法及系统的测温速率可提高3个量级以上；与直接使用超高速光电测温仪的单点测温系统相比，本发明中提出的方法及系统能够在线实时显示熔池表面的温度分布；
(5)该系统中采用相机装配长工作距离显微镜头，可将熔池中的微小区域放大观测，实现微小区域的精密测量。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的单相机双波段熔池比色测温方法的流程图；
图2为本发明的单相机双波段熔池比色测温方法的步骤s101的流程图；
图3为本发明的单相机双波段熔池比色测温方法的步骤s102的流程图；
图4为本发明的单相机双波段熔池比色测温方法的步骤s103的流程图；
图5为本发明的单相机双波段熔池比色测温系统的示意图；
图6为本发明的单相机双波段熔池比色测温系统的光路图；
图7为本发明的用于激光选区熔化工艺中的单相机双波段熔池比色测温系统；
图8为实施例4中的单相机双波段熔池比色测温系统的示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
实施例1
本实施例提供一种单相机双波段熔池比色测温方法，如图1所示，该方法包括：
步骤s101：光处理步骤，
步骤s102：图像获取步骤，
步骤s103：比色法温度计算步骤。
所述步骤s101：光处理步骤，如图2所示，进一步包括：
步骤s1011：利用分光镜将所述待测熔池发出的一束辐射光分为波长和强度完全一致的第一光束和第二光束；
步骤s1012：选择滤波片组，所述滤波片组，包括：第一滤波片和第二滤波片，其中，所述第一滤波片对所述第一光束进行过滤后获得第一过滤光束，所述第二滤波片对所述第二光束进行过滤后获得第二过滤光束；
步骤s1013：利用长工作距离显微镜头对所述第一过滤光束和所述第二过滤光束进行等倍数放大，获得第一放大光束和第二放大光束，所述第一过滤光束对应所述第一放大光束，所述第二过滤光束对应所述第二放大光束。
所述步骤s102：图像获取步骤，如图3所示，进一步包括：
步骤s1021：调整所述分光镜、所述滤波片组及所述长工作距离显微镜头的相对位置，将所述第一放大光束和所述第二放大光束沿着相机光轴的方向对称分布在相机光轴的两侧，并显示在所述相机的同一视场范围内；
步骤s1022：所述相机拍摄所述第一放大光束和所述第二放大光束，得到实时图像，所述实时图像包括灰度值不同但形状完全相同的第一熔池图像和第二熔池图像，所述第一熔池图像对应所述第一放大光束，所述第二熔池图像对应所述第二放大光束。
所述步骤s103：比色法温度计算步骤，如图4所示，进一步包括：
步骤s1031：对获取的所述实时图像进行采集；
步骤s1032：对采集到的所述实时图像进行处理，根据所述实时图像中的所述第一熔池图像和所述第二熔池图像，得到所述待测熔池表面的各点的灰度比，根据所述待测熔池表面各点的灰度比，利用比色测温公式计算出所述待测熔池表面各点的实时温度；
步骤s1033：将所述待测熔池表面各点的实时温度进行显示。
由于比色法测温利用两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值进行温度的测量，因此，采用分光镜分出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的波长和强度完全一致，相较于现有技术中的双相机系统，本实施例不仅没有双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性。
可选地，所述分光镜，进一步为：根据比色法测温所需的具体波段选择的具有特定波长的所述分光镜。
由于比色法测温的精度受到波长的影响，因此要根据比色发测温的具体情况，选择具有特定波长的分光镜，使得经过分光镜分出的第一光束和第二光束经过滤波片组及长工作距离显微镜头的处理后，能够被相机检测到。
可选地，所述第一滤波片和所述第二滤波片为带宽相同且中心波长相差小于100nm的窄带滤光片，并根据所述待测熔池的加工激光的温度、扫描速度以及所述待测熔池的辐射强度选择具有特定带宽和特定中心波长的所述第一滤波片和所述第二滤波片。
带宽是影响比色法测温精度的重要因素，带宽减小虽然会提高精度，但带宽过小会引起相机接收到的光信号变弱，由于较低温度的光信号本就较弱，如果再选择过小带宽，可能会造成相机无法检测到光信号，因此，在对温度较低的待测熔池进行测温时，应选择带宽较大的第一滤波片和第二滤波片；相反地，带宽增加，相机接收到的光信号增强，但太大的带宽可能引起相机感光因趋于饱和而无法正常工作。因此，带宽的选择满足相机的最小照明需求即可，而第一滤波片和第二滤波片选择相同的带宽，能够使第一过滤光束和第二过滤光束收到带宽的影响相同或相差不大，从而提高准确率。
选择中心波长相差小于100nm的窄带滤波片作为第一滤波片和第二滤波片，能够将辐射率变化的影响降低，从而提高比色法测温的准确性，为了提高比色法测温的准确性，应选择中心波长尽可能相近的窄带滤波片作为第一滤波片和第二滤波片。
可选地，对所述比色测温公式中的未知参数进行标定试验，获得所述未知参数的值。
具体地，根据普朗克黑体辐射定律和维恩公式得到比色测温公式为：
其中，t为绝对温度，c2为辐射光的辐射常数，λ1为第一光束的波长，λ2为第二光束的波长；h1为第一光束的灰度，h2为第二光束的灰度；a1为第一光束的相机光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数，a2为第二光束的相机光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数；μ1为第一光束的光电转换系数，μ2为第二光束的光电转换系数；k1为第一光束的光系统透过率，k2为第二光束的光系统透过率；t(λ1)为第一光束的光谱响应函数，t(λ2)为第二光束的光谱响应函数，ε1和ε2是材料、温度、形状、拍摄条件均相同，仅波长不同的情况下的第一光束和第二光束的黑体系统，在该条件下，
因此，通过标定获得m值后，只要确定两束光的波长以及第一熔池图像和第二熔池图像中某点的灰度，就能够计算出待测熔池该点的温度，计算方法简单，而且由于两束光所处环境相同，相对于单色测温方法及系统，可消除环境噪声影响，使获得的熔池温度更准确。
可选地，所述的对所述实时图像进行处理，还包括：在所述实时图像上选择出所述第一熔池图像和所述第二熔池图像，并调整所述第一熔池图像和所述第二熔池图像的位置，将所述第一熔池图像和所述第二熔池图像呈上下对称或左右对称的方式分布在所述实时图像上。
选择出第一熔池图像和第二熔池图像，能够减少图像处理的面积，提高计算速度；将第一熔池图像和第二熔池图像以上下对称或左右对称的方式分布，则使第一熔池图像和第二熔池图像中对应点(待测熔池中的某一点在分别在第一熔池图像和第二熔池图像中成的像)具有相同的横坐标或纵坐标，简化运算过程。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温方法，不仅解决了双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性；与直接使用红外热像仪测温相比，本实施例的测温速率可提高3个量级以上；与直接使用超高速光电测温仪的单点测温系统相比，本实施例中能够在线实时显示熔池表面的温度分布；该系统中采用相机装配长工作距离显微镜头，可将熔池中的微小区域放大观测，实现微小区域的精密测量。
实施例2
图5给出了一种单相机双波段熔池比色测温系统；图6给出了一种单相机双波段熔池比色测温系统的光路图。请参见图5和图6，本实施例提供的一种单相机双波段熔池比色测温系统，包括：光处理装置、相机4、处理器5和光学导轨6。
所述光处理装置，包括：分光镜1、滤波片组2、长工作距离显微镜头3。
所述分光镜1、所述滤波片组2和所述相机4，按照远离所述待测熔池7的方向依次安装在所述光学导轨6上，其中，
所述分光镜1，根据比色法测温所需的具体波段选择具有特定波长的所述分光镜1，所述分光镜1将所述待测熔池7发出的一束辐射光8分为波长和强度完全一致的第一光束81a和第二光束82b。
所述滤波片组2，包括：第一滤波片21和第二滤波片22，其中，所述第一滤波片21对所述第一光束81a进行过滤后获得第一过滤光束82a，所述第二滤波片22对所述第二光束81b进行过滤后获得第二过滤光束82b；
所述长工作距离显微镜头3，对所述第一过滤光束82a和所述第二过滤光束82b进行等倍数放大，获得第一放大光束83a和第二放大光束83b；
所述相机4采集所述第一放大光束83a和所述第二放大光束83b，得到实时图像84，所述实时图像84包括灰度值不同但形状完全相同的第一熔池图像84a和第二熔池图像84b，所述第一熔池图像84a对应所述第一放大光束83a，所述第二熔池图像84b对应所述第二放大光束83b；
所述处理器5，包括：图像采集卡、数据处理单元和显示器，
所述图像采集卡与所述相机4相连，用于采集所述相机4拍摄的所述实时图像84，
所述数据处理单元与宿舍图像采集卡相连，根据所述实时图像84中的所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b，得到所述待测熔池7表面的各点的灰度比，根据所述待测熔池7表面各点的灰度比，利用比色测温公式计算出所述待测熔池7表面各点的实时温度；
所述显示器与所述数据处理单元相连，用于显示所述待测熔池7表面各点的实时温度；
所述光学导轨6用于固定所述光处理装置和所述相机4，进一步为：所述分光镜1、所述滤波片组2和所述相机4按照远离所述待测熔池7的方向依次按照在导轨6上，其中，所述相机4包括相机主体41，所述相机主体41与所述待测熔池7相对，所述长工作距离显微镜头3安装在所述相机主体41上，且所述相机4的光轴与所述显微镜头3的光轴位于同一直线上。
由于比色法测温利用两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值进行温度的测量，因此，采用分光镜分出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的波长和强度完全一致，相较于现有技术中的双相机系统，本实施例不仅没有双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性。
可选地，所述分光镜1，进一步为：根据比色法测温所需的具体波段选择的具有特定波长的所述分光镜1。
由于比色法测温的精度受到波长的影响，因此要根据比色发测温的具体情况，选择具有特定波长的分光镜，使得经过分光镜分出的第一光束和第二光束经过滤波片组及长工作距离显微镜头的处理后，能够被相机检测到。
可选地，所述第一滤波片21和所述第二滤波片22为带宽相同且中心波长相差小于100nm的窄带滤光片，并根据所述待测熔池7的加工激光的温度、扫描速度以及所述待测熔池7的辐射强度选择具有特定带宽和特定中心波长的所述第一滤波片21和所述第二滤波片22。
带宽是影响比色法测温精度的重要因素，带宽减小虽然会提高精度，但带宽过小会引起相机接收到的光信号变弱，由于较低温度的光信号本就较弱，如果再选择过小带宽，可能会造成相机无法检测到光信号，因此，在对温度较低的待测熔池进行测温时，应选择带宽较大的第一滤波片和第二滤波片；相反地，带宽增加，相机接收到的光信号增强，但太大的带宽可能引起相机感光因趋于饱和而无法正常工作。因此，带宽的选择满足相机的最小照明需求即可，而第一滤波片和第二滤波片选择相同的带宽，能够使第一过滤光束和第二过滤光束收到带宽的影响相同或相差不大，从而提高准确率。
选择中心波长相差小于100nm的窄带滤波片作为第一滤波片和第二滤波片，能够将辐射率变化的影响降低，从而提高比色法测温的准确性。
可选地，所述数据处理单元对所述实时图像84进行处理，还包括：在所述实时图像84上选择出所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b，并调整所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b的位置，将所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b呈上下对称或左右对称的方式分布在所述实时图像84上。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温系统，选择出第一熔池图像和第二熔池图像，能够减少图像处理的面积，提高计算速度；将第一熔池图像和第二熔池图像以上下对称或左右对称的方式分布，则使第一熔池图像和第二熔池图像中对应点(待测熔池中的某一点在分别在第一熔池图像和第二熔池图像中成的像)具有相同的横坐标或纵坐标，简化运算过程。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温系统，不仅解决了双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性；与直接使用红外热像仪测温相比，本实施例的测温速率可提高3个量级以上；与直接使用超高速光电测温仪的单点测温系统相比，本实施例中能够在线实时显示熔池表面的温度分布；该系统中采用相机装配长工作距离显微镜头，可将熔池中的微小区域放大观测，实现微小区域的精密测量。
实施例3
本实施例提供了一种用于激光选区熔化工艺中的单相机双波段熔池比色测温系统，该系统的示意图如图7所示，单相机双波段熔池比色测温系统的光路图如图6所示。
激光选取融化工艺系统，包括：工作台13、安装在工作台13上的待测熔池7，振镜10、半反半透镜12和激光发射器11，激光发射器11发出的加工激光(波长λ＝1064nm)经由半反半透镜12反射后，通过振镜10的旋转实现激光点在工作台13上的移动，在工件上形成待测熔池7，待测熔池7发生辐射，漫反射发出不同波长的辐射光，由于光路可逆，辐射光束(λ＝780～950)经由振镜10发射到半反半透镜12，此波段辐射光透过半反半透镜12，其中的一束辐射光被本发明提供的单相机双波段熔池比色测温系统检测。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温系统，包括：光处理装置、相机4、处理器5、光学导轨6和相机触发控制装置9。
所述光处理装置，包括：分光镜1、滤波片组2、长工作距离显微镜头3。
所述分光镜1、所述滤波片组2和所述相机4，按照远离所述待测熔池7的方向依次安装在所述光学导轨6(为了简化图像，图中未示出)上，其中，
所述分光镜1，根据比色法测温所需的具体波段选择具有特定波长的所述分光镜1，所述分光镜1将所述待测熔池7发出的一束辐射光8分为波长和强度完全一致的第一光束81a和第二光束82b。
所述滤波片组2，包括：第一滤波片21和第二滤波片22，其中，所述第一滤波片21对所述第一光束81a进行过滤后获得第一过滤光束82a，所述第二滤波片22对所述第二光束81b进行过滤后获得第二过滤光束82b；
所述长工作距离显微镜头3，对所述第一过滤光束82a和所述第二过滤光束82b进行等倍数放大，获得第一放大光束83a和第二放大光束83b；
所述相机4采集所述第一放大光束83a和所述第二放大光束83b，得到实时图像84，所述实时图像84包括灰度值不同但形状完全相同的第一熔池图像84a和第二熔池图像84b，所述第一熔池图像84a对应所述第一放大光束83a，所述第二熔池图像84b对应所述第二放大光束83b；
所述相机触控控制装置9连接所述相机4和所述处理器5，所述相机触发控制装9置用于触发所述相机4进行图像的获取。
所述处理器5，包括：图像采集卡、数据处理单元和显示器，
所述图像采集卡与所述相机4相连，用于采集所述相机4拍摄的所述实时图像84，
所述数据处理单元与宿舍图像采集卡相连，根据所述实时图像84中的所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b，得到所述待测熔池7表面的各点的灰度比，根据所述待测熔池7表面各点的灰度比，利用比色测温公式计算出所述待测熔池7表面各点的实时温度；
所述显示器与所述数据处理单元相连，用于显示所述待测熔池7表面各点的实时温度；
所述光学导轨6用于固定所述光处理装置和所述相机4，进一步为：所述分光镜1、所述滤波片组2和所述相机4按照远离所述待测熔池7的方向依次按照在导轨6上，其中，所述相机4包括相机镜头41，所述相机镜头41与所述待测熔池7相对，所述长工作距离显微镜头3安装在所述相机镜头41上，且所述相机4的光轴与所述长工作距离显微镜头3的光轴位于同一直线上。
由于比色法测温利用两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值进行温度的测量，因此，采用分光镜分出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的波长和强度完全一致，相较于现有技术中的双相机系统，本实施例不仅没有双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性。
可选地，所述分光镜1，进一步为：根据比色法测温所需的具体波段选择的具有特定波长的所述分光镜1。
由于比色法测温的精度受到波长的影响，因此要根据比色发测温的具体情况，选择具有特定波长的分光镜，使得经过分光镜分出的第一光束和第二光束经过滤波片组及长工作距离显微镜头的处理后，能够被相机检测到。
可选地，所述第一滤波片21和所述第二滤波片22为带宽相同且中心波长相差小于100nm的窄带滤光片，并根据所述待测熔池7的加工激光的温度、扫描速度以及所述待测熔池7的辐射强度选择具有特定带宽和特定中心波长的所述第一滤波片21和所述第二滤波片22。
带宽是影响比色法测温精度的重要因素，带宽减小虽然会提高精度，但带宽过小会引起相机接收到的光信号变弱，由于较低温度的光信号本就较弱，如果再选择过小带宽，可能会造成相机无法检测到光信号，因此，在对温度较低的待测熔池进行测温时，应选择带宽较大的第一滤波片和第二滤波片；相反地，带宽增加，相机接收到的光信号增强，但太大的带宽可能引起相机感光因趋于饱和而无法正常工作。因此，带宽的选择满足相机的最小照明需求即可，而第一滤波片和第二滤波片选择相同的带宽，能够使第一过滤光束和第二过滤光束收到带宽的影响相同或相差不大，从而提高准确率。
选择中心波长相差小于100nm的窄带滤波片作为第一滤波片和第二滤波片，能够将辐射率变化的影响降低，从而提高比色法测温的准确性。
可选地，所述数据处理单元对所述实时图像84进行处理，还包括：在所述实时图像84上选择出所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b，并调整所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b的位置，将所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b呈上下对称或左右对称的方式分布在所述实时图像84上。
通过选择出第一熔池图像和第二熔池图像，能够减少图像处理的面积，提高计算速度；将第一熔池图像和第二熔池图像以上下对称或左右对称的方式分布，则使第一熔池图像和第二熔池图像中对应点(待测熔池中的某一点在分别在第一熔池图像和第二熔池图像中成的像)具有相同的横坐标或纵坐标，简化运算过程。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温系统，适用于激光选区熔化工艺，不仅解决了双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性；与直接使用红外热像仪测温相比，本实施例的测温速率可提高3个量级以上；与直接使用超高速光电测温仪的单点测温系统相比，本实施例中能够在线实时显示熔池表面的温度分布；该系统中采用相机装配长工作距离显微镜头，可将熔池中的微小区域放大观测，实现微小区域的精密测量。
实施例4
本实施例提供了一种用于激光熔覆工艺中的单相机双波段比色测温系统，本实施例的系统示意图如图8所示，单相机双波段熔池比色测温系统的光路图如图6所示。
激光熔覆工艺系统，包括：工作台13，位于工作台13上的工件，在工件表面形成待测熔池7，连接件14、送粉器15、扫描头16和激光发射器17。所述扫描头16将所述激光发射器17发出的加工激光照射在工件表面形成待测熔池7，相机4通过连接件14固定在所述扫描头16侧，且所述相机4与所述扫描头同步运动。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温系统，包括：光处理装置、相机4、处理器5、光学导轨6和相机触发控制装置9。
所述光处理装置，包括：分光镜1、滤波片组2、长工作距离显微镜头3。
所述分光镜1、所述滤波片组2和所述相机4，按照远离所述待测熔池7的方向依次安装在所述光学导轨(为了简化图像，图中未示出)上，其中，
所述分光镜1，根据比色法测温所需的具体波段选择具有特定波长的所述分光镜1，所述分光镜1将所述待测熔池7发出的一束辐射光8分为波长和强度完全一致的第一光束81a和第二光束82b。
所述滤波片组2，包括：第一滤波片21和第二滤波片22，其中，所述第一滤波片21对所述第一光束81a进行过滤后获得第一过滤光束82a，所述第二滤波片22对所述第二光束81b进行过滤后获得第二过滤光束82b；
所述长工作距离显微镜头3，对所述第一过滤光束82a和所述第二过滤光束82b进行等倍数放大，获得第一放大光束83a和第二放大光束83b；
所述相机4采集所述第一放大光束83a和所述第二放大光束83b，得到实时图像84，所述实时图像84包括灰度值不同但形状完全相同的第一熔池图像84a和第二熔池图像84b，所述第一熔池图像84a对应所述第一放大光束83a，所述第二熔池图像84b对应所述第二放大光束83b；
所述处理器5，包括：图像采集卡、数据处理单元和显示器，
所述图像采集卡与所述相机4相连，用于采集所述相机4拍摄的所述实时图像84，
所述数据处理单元与宿舍图像采集卡相连，根据所述实时图像84中的所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b，得到所述待测熔池7表面的各点的灰度比，根据所述待测熔池7表面各点的灰度比，利用比色测温公式计算出所述待测熔池7表面各点的实时温度；
所述显示器与所述数据处理单元相连，用于显示所述待测熔池7表面各点的实时温度；
所述光学导轨用于固定所述光处理装置和所述相机4，进一步为：所述分光镜1、所述滤波片组2和所述相机4按照远离所述待测熔池7的方向依次按照在导轨6上，其中，所述相机4包括相机镜头41，所述相机镜头41与所述待测熔池7相对，所述长工作距离显微镜头3安装在所述相机镜头41上，且所述相机4的光轴与所述长工作距离显微镜头3的光轴位于同一直线上。
由于比色法测温利用两个相邻狭窄波段内辐射强度的比值进行温度的测量，因此，采用分光镜分出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的波长和强度完全一致，相较于现有技术中的双相机系统，本实施例不仅没有双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性。
可选地，所述分光镜1，进一步为：根据比色法测温所需的具体波段选择的具有特定波长的所述分光镜1。
由于比色法测温的精度受到波长的影响，因此要根据比色发测温的具体情况，选择具有特定波长的分光镜，使得经过分光镜分出的第一光束和第二光束经过滤波片组及长工作距离显微镜头的处理后，能够被相机检测到。
可选地，所述第一滤波片21和所述第二滤波片22为带宽相同且中心波长相差小于100nm的窄带滤光片，并根据所述待测熔池7的加工激光的温度、扫描速度以及所述待测熔池7的辐射强度选择具有特定带宽和特定中心波长的所述第一滤波片21和所述第二滤波片22。
带宽是影响比色法测温精度的重要因素，带宽减小虽然会提高精度，但带宽过小会引起相机接收到的光信号变弱，由于较低温度的光信号本就较弱，如果再选择过小带宽，可能会造成相机无法检测到光信号，因此，在对温度较低的待测熔池进行测温时，应选择带宽较大的第一滤波片和第二滤波片；相反地，带宽增加，相机接收到的光信号增强，但太大的带宽可能引起相机感光因趋于饱和而无法正常工作。因此，带宽的选择满足相机的最小照明需求即可，而第一滤波片和第二滤波片选择相同的带宽，能够使第一过滤光束和第二过滤光束收到带宽的影响相同或相差不大，从而提高准确率。
选择中心波长相差小于100nm的窄带滤波片作为第一滤波片和第二滤波片，能够将辐射率变化的影响降低，从而提高比色法测温的准确性。
可选地，所述数据处理单元对所述实时图像84进行处理，还包括：在所述实时图像84上选择出所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b，并调整所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b的位置，将所述第一熔池图像84a和所述第二熔池图像84b呈上下对称或左右对称的方式分布在所述实时图像84上。
通过选择出第一熔池图像和第二熔池图像，能够减少图像处理的面积，提高计算速度；将第一熔池图像和第二熔池图像以上下对称或左右对称的方式分布，则使第一熔池图像和第二熔池图像中对应点(待测熔池中的某一点在分别在第一熔池图像和第二熔池图像中成的像)具有相同的横坐标或纵坐标，简化运算过程。
本实施例提供的单相机双波段熔池比色测温系统，适用于激光熔覆工艺，不仅解决了双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性；与直接使用红外热像仪测温相比，本实施例的测温速率可提高3个量级以上；与直接使用超高速光电测温仪的单点测温系统相比，本实施例中能够在线实时显示熔池表面的温度分布；该系统中采用相机装配长工作距离显微镜头，可将熔池中的微小区域放大观测，实现微小区域的精密测量。
与现有技术相比，本申请所述的单相机双波段熔池比色测温方法及系统，达到了如下效果：
(1)采用分光镜分出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束的波长和强度完全一致，相较于现有技术中的双相机系统，本实施例不仅没有双相机在高速测温时难以同步的问题，而且光路简单，成本低；相较于现有技术中采用单相机采集的先后两束光的在时间上分开的方式，本实施例无需在测温过程中更换滤波片，操作更为简单，而且能够满足高速测温的要求，同时由于是将同一辐射光分为两束，因此具有高度的真实性和实时性；
(2)选择出第一熔池图像和第二熔池图像，能够减少图像处理的面积，提高计算速度；将第一熔池图像和第二熔池图像以上下对称或左右对称的方式分布，则使第一熔池图像和第二熔池图像中对应点(待测熔池中的某一点在分别在第一熔池图像和第二熔池图像中成的像)具有相同的横坐标或纵坐标，简化运算过程；
(3)与单色测温方法及系统相比，本发明中提出的方法及系统可消除环境噪声影响，使获得的熔池温度更准确；
(4)与直接使用红外热像仪测温相比，本发明中提出的方法及系统的测温速率可提高3个量级以上；与直接使用超高速光电测温仪的单点测温系统相比，本发明中提出的方法及系统能够在线实时显示熔池表面的温度分布；
(5)该系统中采用相机装配长工作距离显微镜头，可将熔池中的微小区域放大观测，实现微小区域的精密测量。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
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