本发明涉及一种测温系统，特别是一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统。
背景技术：
在高温生产过程中，温度是反映生产状况的最重要参数，是控制生产过程、确保产品质量的重要依据。对生产对象的温度进行高精度的实时测量，能够使生产操作人员随时了解实际生产情况，及时采取有效措施控制生产过程，保证产品的质量，降低能源和原材料消耗，提高设备热效率，延长设备使用寿命，确保生产安全。同时，高温测量也是实现高温生产过程决策优化和自动控制的必要条件，是实现节能生产过程的关键所在。目前温度传感器的使用数量在各种传感器中位居首位，这也在一定程度上反映了温度测量技术的重要性。
焊接制造过程中，熔池内存在着强烈的能量、动量和质量传输物理过程，从而产生传热、对流和传质等物理现象。熔池温度场的强度与温度分布强烈影响能量、动量和质量传输物理过程，它直接影响焊接制造的外在质量。因此从理论和实验上开展熔池温度场研究对激光焊接等再制造技术的发展具有直接指导意义。
在目前实际高温生产过程中，一般采用热电偶、热电阻等作为高温检测的传感器。这些接触式传感器通常只能测量高温对象中特定一点或多点的温度值，很难获取高温对象的温度场分布情况，而且其中某些传感器的热惰性较大，难以对高温对象进行高精度实时检测。因此，为使生产操作人员能及时准确地了解生产情况，采取有效措施改进生产条件和工艺，对生产过程进行优化决策与自动控制，从而实现高温生产过程的节能降耗，提高产品质量，有必要研究并开发出一种抗干扰高精度的非接触式全视场温度场检测技术。
与传统的接触式测温方法相比，辐射测温法具有不直接与被测物体相接触、测温响应时间短、便于进行实时动态测量等优点。近年来，辐射测温法得到了快速发展。根据日本铁钢协会调查，在日本钢铁工业使用的温度传感器中，辐射温度计占65％，热电偶、热电阻只占27％，其他类型的温度传感器占8％。而国内绝大部分企业目前仍主要使用接触式测温仪表，热电偶与热电阻的用量占98％之多。国外辐射测温技术的快速发展，引起了国内有关研究人员的重视。
随着ccd成像技术的日益成熟，ccd逐渐开始应用到高温温度场的检测当中，基于ccd图像传感器的非接触高温温度场检测技术是综合运用热辐射理论、现代光电检测技术和数字图像处理技术的一种新型辐射测温方法，其相关研究成果在焊接、冶金、化工等多个领域具有广阔的应用前景，其发展潜力巨大。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种非接触式、高精度的全视场熔池温度场检测系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，包括分光镜、两片滤光片、两个ccd相机、fpga和计算机；
所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；
所述滤光片用于选择特定波段的光通过；
所述ccd相机用于熔池在选择的特定波段下成像；
所述fpga用于发出触发信号给两个ccd相机；
所述计算机一方面用于控制fpga，另一方面用于对ccd相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。
与现有技术相比，本发明的显著效果为：
(1)本发明可以对cmt工艺下的熔池温度场实现非接触式测量；(2)本发明可以实现cmt工艺下的高精度的熔池温度场分布；(3)本发明适当调整滤光片的选择波段，就可以检测其他焊接工艺下的熔池温度场分布。
附图说明
图1为本发明的全视场熔池温度场检测系统原理框图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种基于比色测温法的全视场熔池温度场检测系统，包括分光镜、滤光片、ccd相机、fpga、计算机；
所述分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出；
所述滤光片用于使选择的特定波段的光通过；
所述ccd相机用于熔池在选择的特定波段下进行成像；
所述fpga用于发出触发信号给ccd相机；
所述计算机一方面用于控制fpga，一方面用于对ccd相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。
进一步的，所述滤光片为两片，滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段。
进一步的，所述ccd相机为两台相同的黑白ccd相机。
进一步的，在cmt工艺下，所述fpga在焊接电流处于基值时发出信号触发ccd相机，这样ccd相机采集的熔池图像几乎不受电弧光的干扰。
进一步的，所述全视场熔池温度场检测系统在测量之前需要使用标准高温黑体进行标定，这样才能测量得到高精度的熔池温度场。
进一步的，所述计算机基于比色测温法计算熔池的温度场。
进一步的，熔池的温度场计算公式通过以下公式推导得到：
比色测温公式为：
其中c2为第二辐射常数，c2＝1.4388*10-2m·k。
l(λ1,t)和l(λ2,t)为熔池在波长λ1,λ2下的辐射亮度，ξ(λ1,t)和ξ(λ2,t)为熔池在波长λ1,λ2下的光谱发射率，将两台ccd相机的曝光时间设置成相同，ccd相机在波长λ1,λ2下采集到的图像灰度值n(λ1,t)和n(λ2,t)的比值为：
其中η(λ)为ccd相机的光谱响应率，τ(λ)为透镜的光谱透过率，γ(λ)为滤光片的光谱透过率，δλ1,δλ2分别为两片滤光片的带宽。由以上两式可得：
令：
公式(3)就变为：
设熔池为灰体，有：ξ(λ1,t)＝ξ(λ2,t)，式(5)就变为：
式(6)就是熔池温度场的计算公式，式中k就是需要标定的参数。
进一步的，标定的具体过程为：
选定一个标准高温黑体，将其温度上升至1000℃，将分光镜输入面对准黑体炉的出口，计算出系统输出的两幅图像的灰度值比值，然后根据式(6)计算出对应的k值；后续将黑体炉逐步上升50℃，重复以上步骤10次，可以计算出10个k值，最后分析k值的变化趋势，选定后续趋于平稳的那个k值。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
本实施例的全视场熔池温度场检测系统由下述部分组成：
(1)分光镜
分光镜用于将入射光线分成两路相同的输出，分光镜的波长范围应该包括后续所选择的两片滤光片的波段范围。
(2)滤光片
滤光片为两片，滤光片的波段选择要避开焊接过程中焊丝成分和保护气发出的谱线波段，考虑到电弧光的影响，滤光片波段的选择还要尽量往长波方向移。考虑到ccd相机的光谱响应率，滤光片所选波段处对应的ccd相机响应率不能太低。因此滤光片波段的选择要综合考虑多种因素。
(3)ccd相机
全视场熔池温度场检测系统应选用两台相同的黑白ccd相机。
(4)fpga
fpga用于发出触发信号给ccd相机，在cmt工艺下，fpga在焊接电流处于基值时发出信号触发ccd相机，这样ccd相机采集的熔池图像几乎不受电弧光的干扰，ccd相机采集到的光几乎全是熔池自身辐射的光。
(5)计算机
计算机一方面用于控制fpga，一方面用于对ccd相机输出的图像进行处理，计算得到熔池的温度场。在ccd相机采集到两幅熔池图像后，因为两台ccd相机成的像是镜像关系，所以首先要将其中一幅图像进行对称处理，对称过后两幅图像仍然会存在一定的偏移，这时需要进行匹配处理，匹配之后才能进行熔池温度场的计算。
整体系统的工作原理是：在cmt工艺下，熔池由于自身温度高而发光，光线通过分光镜变成两路输出，两路输出分别再通过特定波段的滤光片，ccd相机输出两幅熔池在不同波段下的图像。为了在最大程度上减少焊接时电弧光对熔池温度场测量的影响，fpga在焊接电流处于基值时发出信号触发ccd相机。计算机对采集得到的两幅图像作对称、匹配处理后计算熔池的温度场。