本发明属于光电检测技术领域，涉及一种搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法。
背景技术：
摩擦焊接是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。搅拌摩擦焊接工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革，用搅拌摩擦焊接方法焊接铝合金取得了很好的效果。
搅拌摩擦焊接过程中，工件的瞬时温度、温度场分布是进行焊接力学分析的基础，搅拌摩擦焊传热过程直接决定了焊缝和热影响区焊后的微观组织、残余应力与变形。高温有助于减小焊缝材料粘度、增加流动性，避免焊缝前进边出现孔洞；但过高的温度也将产生再结晶组织长大、热影响区变宽等不利于焊缝性能的结果，这就要求在焊接过程中有效地控制温度范围；搅拌头轴肩与工件接触面的焊接温度是搅拌摩擦焊接过程的重要参数，也是影响焊接接头力学性能、焊缝微观组织结构的重要因素。获得搅拌头轴肩与工件接触面的温度，对于把握搅拌摩擦焊接过程温度变化规律，提高焊接接头强度和焊接产品质量具有重要意义。但是在测温过程中，由于红外热像仪自身为温度随时间变化而变化，红外热像仪的内部辐射对测量的温度值有影响，使测得的温度与实际温度存在差值。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法，针对测温过程中红外热像仪自身温度变化对测温结果产生的差值进行补偿，进而提高搅拌摩擦焊接过程中测量工件温度的精度。
本发明是这样实现的：
一种搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法，其包括以下步骤：
S1、采用标准黑体对红外热像仪进行标定，标定完成后红外热像仪采集标准黑体的红外图像，以i为横坐标，j为纵坐标；
S2、基于黑体辐射理论，建立红外热像仪输出电压与红外热像仪接收的辐射量的关系式：
其中，Vs为红外热像仪的输出电压，Pλ为工作波长入射到红外热像仪的辐射功率，Rλ为红外热像仪的响应度，AR为红外热像仪透镜的面积，Eλ为红外热像仪收到的物体辐射量，λ1、λ2分别为红外热像仪的工作波段，λ1＜λ＜λ2；
红外热像仪收到的辐射量Eλ包括被测物体辐射的能量、大气辐射的能量以及被测物体反射周围环境的辐射能量，表达式为
Eλ＝A0d-2[τaεLbλ(T0)+τa(1-a)Lbλ(TU)+εaLbλ(Ta)]
其中，A0为红外热像仪空间张角所对应的被测物体的有效面积，d为红外热像仪到被测物体的距离，τα为与波长相关的大气光谱透射率，T0为被测物体表面的绝对温度，ε为被测物体的发射率，Lbλ为，εLbλ(T0)为被测物体表面光谱辐射亮度，α为光谱表面吸收率，Tu为环境温度，(1-a)Lbλ(TU)为被测物体反射周围环境的辐射亮度，εα为大气发射率，εα＝1-τα，Ta为大气温度，εaLbλ(Ta)为大气辐射的亮度；
当红外热像仪的工作环境温度与红外热像仪标定时的环境温度不同时，红外热像仪的自身辐射对测量结果产生影响，红外热像仪的温度变化ΔTd引起的电压变化为V(ΔTd)，红外热像仪输出的电压
自然界中的物体看作灰体，ε＝a，设
红外热像仪输出的电压Vs＝{τα[εV(T0)+(1-ε)V(TU)]+(1-τα)V(Ta)}+V(ΔTd)；
S3、基于红外热像测温原理，红外热像仪通过A/D转换电路将电信号转换为红外图像的灰度值，建立红外图像的灰度值与红外热像仪输出电压的关系式：
G＝K1VS+K2
式中，G为红外图像的灰度值；K1是常数，为红外热像仪的系统增益；K2是常数，为红外热像仪的补偿增益；
物体热图像灰度值G(T)＝τa[εG(T0)+(1-ε)G(TU)]+(1-τa)G(Ta)+G(ΔTd)，
式中，G(T0)为被测物体表面绝对温度所对应的灰度值，G(ΔTd)为红外热像仪温度变化ΔTd所对应的灰度值，G(TU)为环境温度所对应的灰度值，G(Ta)为大气温度所对应的灰度值；
S4、结合红外热像仪输出电压与红外热像仪接收的辐射量的关系和红外图像的灰度值与红外热像仪输出电压的关系，以标准黑体作为基准物体，设标准黑体温度TBR恒定不变，大气透射率τa＝1，根据最小二乘法和平均值原理，建立基于电压补偿的搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测模型：
则得到被测物体表面的绝对温度
其中，c2(i,j)、c1(i,j)、c0(i,j)为物体图像灰度值与温度关系中的拟合系数，T0为被测物体表面的绝对温度，ε为被测物体的发射率，Gi,j(T)为被测物体热图像灰度值，Gi,j(TBR,ΔTd)为红外热像仪温度变化ΔTd所对应的灰度值，Gi,j(TBR,TU)为环境温度TU对应的灰度值。
优选地，所述红外热像仪输出电压的表达式为
优选地，当大气透射率τa＝1时，被测物体表面绝对温度对应的灰度值
优选地，步骤S4中根据最小二乘法和平均值原理建立基于电压补偿的搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测模型具体包括如下步骤：
S41、根据红外热图像确定物体的绝对温度：选标准黑体作为基准物体，设标准黑体温度TBR恒定不变，其辐射量不变，改变环境温度TU，灰度值Gi,j(TBR,TU)为环境温度TU的函数，
根据最小二乘法和平均值计算公式，采用3次拟合，
S42、确定红外热像仪的温度变化量与灰度值的关系：标准黑体的温度TBR恒定不变，输入到红外热像仪中的环境温度不变，改变红外热像仪的温度，并记录对应的红外热像仪温度改变量ΔTd，Gi,j(TBR,ΔTd)为不同红外热像仪温度下标准黑体红外图像灰度值之差，则Gi,j(TBR,ΔTd)为ΔTd的一次函数，设
Gi,j(TBR,ΔTd)＝bΔTd+k
式中，b为斜率；k为偏移量；
采集不同标准黑体温度下的多组图像数据，将斜率的平均值作为最终的斜率；
S43、当环境温度、红外热像仪温度一定时，改变标准黑体的温度TB，则标准黑体的灰度值Gi,j(TB)为标准黑体温度TB的函数，获得不同温度下的标准黑体红外图像数据后，根据最小二乘法和平均值计算公式，采用2次拟合，
Gi,j(TB)≈Fi,j2(TB)＝c2(i,j)TB2+c1(i,j)TB+c0(i,j)，
式中，c2(i,j)、c1(i,j)、c0(i,j)为物体图像灰度值与温度关系中的拟合系数；
S44、建立基于电压补偿的搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测模型：
则得到被测物体表面的绝对温度
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明针对测温过程中红外热像仪自身温度变化对测温结果的影响问题，即在利用红外热像仪对正在焊接的工件进行温度测量时，由于红外热像仪自身温度随着时间变化而变化，红外热像仪的内部辐射对测量的温度值有影响，所以测得的温度与实际温度有差值。本发明提供的方法可以对这一差值进行补偿，在对差值补偿之后，红外热像仪测温数据的相对误差降低，测温的准确性提高，进而提高搅拌摩擦焊接过程中测量工件温度的精度。
附图说明
图1为利用本发明的搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法测量工件温度的流程图。
图2为灰度值随黑体温度变化的拟合曲线；
图3为不同环境温度下灰度值与红外热像仪的温度关系；
图4为灰度值随环境温度变化的拟合曲线。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，一种搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测方法，其包括以下步骤：
S1、采用标准黑体对红外热像仪进行标定，标定完成后红外热像仪采集标准黑体的红外图像，以i为横坐标，j为纵坐标；
S2、基于黑体辐射理论，建立红外热像仪输出电压与红外热像仪接收的辐射量的关系式：
其中，Vs为红外热像仪的输出电压，Pλ为工作波长入射到红外热像仪的探测器上的辐射功率，Rλ为红外热像仪的探测器的响应度，AR为红外热像仪透镜的面积，Eλ为红外热像仪收到的物体辐射量，λ1、λ2分别为红外热像仪的工作波段，λ1＜λ＜λ2；
自然界中黑体是不存在的，实际测量的物体一般为灰体，发射率小于1，即反射率不为零，红外热像仪接收到的辐射来自三部分，包括被测物体辐射的能量、大气辐射的能量以及被测物体反射周围环境的辐射能量，红外热像仪接收到的辐射量
Eλ＝A0d-2[τaεLbλ(T0)+τa(1-a)Lbλ(TU)+εaLbλ(Ta)] (式2)
其中，A0为红外热像仪空间张角所对应的被测物体的有效面积，d为红外热像仪到被测物体的距离，A0d-2为常值，τα为与波长相关的大气光谱透射率，T0为被测物体表面的绝对温度，ε为被测物体的发射率，Lbλ为，εLbλ(T0)为被测物体表面光谱辐射亮度，α为光谱表面吸收率，Tu为环境温度，(1-a)Lbλ(TU)为被测物体反射周围环境的辐射亮度，εα为大气发射率，εα＝1-τα，Ta为大气温度，εaLbλ(Ta)为大气辐射的亮度；
故，红外热像仪输出电压为
当红外热像仪的工作环境温度与红外热像仪标定时的环境温度不同时，红外热像仪的自身辐射对测量结果产生影响，红外热像仪的温度Td变化引起的电压变化为V(ΔTd)，红外热像仪输出的电压
自然界中的物体都能看作灰体，即ε＝α，设K＝ARA0d-2，
则红外热像仪输出的电压表示为
Vs＝{τα[εV(T0)+(1-ε)V(TU)]+(1-τα)V(Ta)}+V(ΔTd) (式5)
S3、基于红外热像测温原理，红外热像仪通过A/D转换电路将电信号转换为红外图像的灰度值，建立红外图像的灰度值与红外热像仪输出电压的关系式：
Gt＝K1Vs+K2 (式6)
式中，Gt为红外图像的灰度值；K1是常数，为红外热像仪的系统增益；K2是常数，为红外热像仪的补偿增益；
将式5带入式6得到：物体热图像灰度值
G(T)＝τα[εG(T0)+(1-ε)G(TU)]+(1-τα)G(Ta)+G(ΔTd) (式7)
式中，G(T0)为被测物体表面绝对温度所对应的灰度值，G(ΔTd)为红外热像仪温度变化ΔTd所对应的灰度值，G(TU)为环境温度所对应的灰度值，G(Ta)为大气温度所对应的灰度值。
当红外热像仪与被测物体之间的距离很小时，大气的影响可以忽略，即认为大气透射率τa＝1时，则被测物体表面绝对温度对应的灰度值式7变形为
S4、结合红外热像仪输出电压与红外热像仪接收的辐射量的关系和红外图像的灰度值与红外热像仪输出电压的关系，以标准黑体作为基准物体，设标准黑体温度TBR恒定不变，根据最小二乘法和平均值原理，建立基于电压补偿的搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测模型。
S41、由式8可知，已知环境温度、红外热像仪内部温度变化量与热图像灰度值的关系，可准确计算被测物体表面的绝对温度。利用红外热图像来得到物体的绝对温度，需要将被测物体的红外热图像与已知物体的红外图像比较来获得绝对温度值，将此已知物体选为标准黑体。设标准黑体温度TBR恒定不变，则其辐射量也不会变，改变环境温度TU，灰度值Gi,j(TU)为环境温度TU的函数，可用下列多项式表示：
an(i，j)……a0(i，j)的值可由标准黑体在n+1个不同环境温度下的红外图像数据经最小二乘法拟合得到。拟合次数可通过测量拟合精度来确定。每个灰度值的拟合函数误差的平均值(MSE)用下式表示：
式中H(H＝640)为红外图像的高度；W(W＝480)为红外图像的宽度；n为拟合函数的次数。
根据最小二乘原理和MSE计算公式，算出不同次数的最小二乘系数和平均MSE，均方误差随拟合次数的不同而不同，当n＝3时，平均MSE达到最小，所以采用3次拟合，即：
式中，T0为被测物体表面的绝对温度，ε为被测物体的发射率，Gi,j(T)为被测物体热图像灰度值，Gi,j(TBR,ΔTd)为红外热像仪温度变化ΔTd所对应的灰度值，Gi,j(TBR,TU)为环境温度TU对应的灰度值。
S42、确定红外热像仪的温度变化量与灰度值的关系：标准黑体的温度TBR恒定不变，输入到红外热像仪中的环境温度不变，改变红外热像仪的温度，并记录对应的红外热像仪温度改变量ΔTd，G(ΔTd)为不同红外热像仪温度下标准黑体红外图像灰度值之差，则Gi,j(ΔTd)为ΔTd的一次函数，设
Gi,j(TBR,ΔTd)＝bΔTd+k (式12)
式中，b为斜率；k为偏移量；
采集不同标准黑体温度下的多组图像数据，将斜率的平均值作为最终的斜率；
S43、当环境温度、红外热像仪温度一定时，改变标准黑体的温度TB，则标准黑体的灰度值Gi,j(TB)为标准温度TB的函数，获得不同温度下的标准黑体红外图像数据后，根据最小二乘法和平均值计算公式，采用2次拟合，即：
Gi,j(TB)≈Fi,j2(TB)＝c2(i,j)TB2+c1(i,j)TB+c0(i,j)，
(式13)
式中，c2(i,j)、c1(i,j)、c0(i,j)为物体图像灰度值与温度关系中的拟合系数，该系数也适用于不同温度下被测物体红外图像的温度与灰度值的关系；
S44、建立基于电压补偿的搅拌摩擦焊接瞬态温度在线检测模型，联立式8、11、13得到公式
则得到被测物体表面的绝对温度
在本实施例中，采用德国InfraTec公司生产的VarioCAM hr research 680红外热像仪。该红外热像仪属于非制冷型红外热像仪，参数如下：
红外探测器规格：640×480像素；
光谱响应范围：7.5～14μm；
温度测量范围：-40～+2000℃；
红外成像速率：50/60Hz；
测量精度：±1.5℃(0～100℃)；±2％(<0或>100℃)；
采用黑体作为被测物体，黑体为仪途BR70中的低温黑体炉，温度变化范围为：-30～+70℃。使用红外热像仪前使用标准黑体对其进行标定，本实施例的进行标定的黑体为腔源黑体，标准腔源黑体发射率为0.995-0.998，标定时，若发射率在0.995-0.998之间，则为标准黑体。如图1所示，将红外热像仪与热图像显示器连接好，调整红外热像仪与黑体的位置，使红外热像仪的镜头对准黑体。
(1)保持环境温度和红外热像仪温度不变，调节黑体温度，得到不同温度黑体的红外图像，拟合系数由最小二乘法求得，由实验数据得，c2(i,j)＝1，c1＝(i,j)6.9，c0(i,j)＝2903.5，如图2所示，为黑体的灰度值与黑体温度的关系，表达式为：
Gi,j(TB)≈Fi,j2(TB)＝c2(i,j)TB2+c1(i,j)TB+c0(i,j)
(式16)
(2)保持黑体温度不变，将环境温度设为20℃，用温箱改变红外热像仪的温度，每次改变0.5℃，记录不同红外热像仪的温度，热图像的灰度值与红外热像仪的温度成一次函数。将环境温度分别设为22℃、24℃、27℃、28℃，将记录的红外热像仪的温度与灰度值连接成线，如图3所示，即使在不同的环境温度下，灰度值仍然是红外热像仪温度的一次函数。由图3，求得黑体红外图像灰度值差值G(ΔTd)与红外热像仪温度改变量ΔTd的函数关系了，经计算得k＝0，所以式(12)为：
Gi,j(TBR,ΔTd)＝42ΔTd (式17)。
(3)保持黑体温度不变，将红外热像仪温度固定在40℃，改变输入到红外热像仪中的环境温度，得到多组不同环境温度下黑体的红外图像。利用最小二乘法对实验数据进行曲线拟合，如图4，得到拟合系数a3(i,j)＝0.5，a2(i,j)＝-35.7，a1(i,j)＝854.1，a0(i,j)＝-2081.9，所以式(11)变为：
Gi,j(TBR,TU)≈Fi,j3(TU)＝0.5TU3-35.7TU2+854.1TU-2081.9
(式18)
通过式18消除红外热像仪内部辐射对测温的影响。设黑体的温度为T1，红外热像仪测得的温度为T2，采用本发明的检测方法计算的被测物体的绝对温度为T0，传统方法的相对误差本发明的检测方法的相对误差得到的数据如表1所示
表1 黑体的测量值与测量误差
通过以上数据可知，采用传统的方法，红外热像仪测温的最大误差为1.1℃，平均误差为0.605℃，最大相对误差为4.0％。
采用本发明的检测方法，最大误差为0.4℃，平均误差为0.265℃，最大相对误差为2.0％。通过本发明提出的在线检测方法，大大降低了相对误差，提高测温的准确性，适宜广泛推广。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。