（光學專業(yè)論文）基于彩色及近紅外雙ccd的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng).pdf

摘要 摘要 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng)是一種彩色 c c d 和近紅外c c d 雙光路相結合的檢測系統(tǒng)。彩色c c d 光路用來實時監(jiān)視， 并可快速確定工件位置：近紅外光路采用紅外比色測溫方法精確測定工件表面 溫度。即用一種設備完成了對爐內狀況的觀察和工件表面溫度的測量。這對于 提高產(chǎn)品質量、優(yōu)化燃燒過程、節(jié)約能源、保護環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)安全都有重 要意義。本文對系統(tǒng)進行了設計和完整的理論分析，并對測試及計算中的一些 問題進行了深入的研究。 緒論：對國內外輻射測溫方法和技術進行了較為系統(tǒng)的論述，對其存在的 問題進行了分析，指出了本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處。 第一章：簡單介紹了高溫測量的常用方法；闡述了輻射測溫系統(tǒng)的理論基 礎黑體輻射定律，并在此理論基礎上介紹了比色測溫原理以及比色測溫的優(yōu)點； 最后還給出了系統(tǒng)的工作流程。 第二章：詳細討論了系統(tǒng)構成的硬件系統(tǒng)，對構成系統(tǒng)的主要硬件部分的 原理做了簡單介紹。 第三章：按照軟件工程的思想，對系統(tǒng)進行了需求分析，并在需求分析的 基礎上給出了軟件系統(tǒng)的整體框架以及系統(tǒng)軟件的流程圖。 第四章：分析了系統(tǒng)中由于硬件、噪聲、軟件引起誤差的原因，提出了相 應減小誤差的方法，并給出了實驗結果。 關鍵詞：比色測溫、圖像處理、n i c c d 、窄帶濾波片 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) a b s t r a c t f u l lv i e wf u r n a c ew o r k p i e c es u r f a c et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dd e t e c t i n g s y s t e mb a s e do nc o l o ra n dn e a r - i n f r a r e dd o u b l ec c di st h ee x a m i n a t i o ns y s t e m w h i c hu n i f i e sd o u b l ep a t ho fl i g h t sf r o mc o l o rc c da n dn e a r - i n f r a r e dc c d c o l o r c c dc a nb eu s e dt or e a l t i m em o n i t o r i n ga n dr a p i d l yc o n f i r mt h el o c a t i o no ft h e w o r kp i e c e n e a r - i n f r a r e dc c dc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h e w o r kp i e c eb yc o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i no t h e rw o r d ，w eh a v e f i n i s h e dt h ew o r ko f o b s e r v i n g f u m a c es t a t ea n dm e a s u r i n gt h es u r f a c et e m p e r a t u r e o ft h ew o r kp i e c ew i t hj u s to n ep i e c eo fe q u i p m e n t i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y , o p t i m i z i n gb u r n i n gp r o c e s s ，s a v i n ge n e r g y , p r o t e c t i n g e n v i r o n m e n ta n de n s u r i n gi n d u s t r i a ls a f e t y i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h ew h o l e s y s t e ma n dd i de n t i r et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dw em a d ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o nf o rt h e p r o b l e m sa p p e a r e di nm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o n i n t r o d u c t i o n ：t h em e t h o d sa p p l i e dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r ea r es u m m a r i z e d ， t h ep r o b l e m s e x i s t i n gi n t h e s em e t h o d sa r ea n a l y z e d ，a n dp o i n to u tt h i s s y s t e m i n n o v a t i o np l a c e c h a p t e r1 ：t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so fh i g ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e ds i m p l y t h el a wo fb l a c kb o d yr a d i a t i o nw h i c hr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y d e p e n d so ni se l a b o r a t e d b a s e do nt h i st h e o r y , t h em e r i t so fc o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , r e t u r n e dt og i v eb a c kt ot h es y s t e mw o r kf l o w c h a p t e r2 ：t h eh a r d w a r es y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ep r i n c i p l e so f m a i n h a r d w a r ea r ei n t r o d u c e ds i m p l y c h a p t e r3 ：a c c o r d i n gt ot h e o r yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h eo v e r a l lf r a m ea n d t h ef l o wc h a to fs o f t w a r es y s t e mw h i c ha r eb a s e do nd e m a n da n a l y s i st ot h es y s t e m a r ei n t r o d u c e d c h a p t e r4 ：t h es y s t e me r r o r sb e c a u s eo fh a r d w a r e ，n o i s e ，s o f t w a r ea r ea n a l y z e d ， t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d st or e d u c ee r r o r sa r ep r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；i m a g ep r o c e s s i n g ；n i c c d 2 n a r r o wb a n df i l t e rs l i c e 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 緒論 1 課題背景 溫度是反映物質本身固有特征的重要參數(shù)之一，是物質中分子運動平均動 能的體現(xiàn)。溫度測量是一門應用極廣泛的技術，無論在現(xiàn)代工業(yè)賴以生存和發(fā) 展的能源動力工程中，還是在諸如大規(guī)模集成電路、生物技術、航天科技等新 興技術領域中，或者在與人們日常生活密切相關的石化、冶金、材料、食品等 行業(yè)中，都發(fā)揮著巨大的作用。它不僅為節(jié)約能源、提高設備熱效率和發(fā)掘新 材料等眾多領域帶來巨大的經(jīng)濟效益，而且對進一步保護環(huán)境、促進和保持一 個國家和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。 在石化、冶金等行業(yè)中，控制高溫加熱爐中加熱工件的表面溫度顯的尤為 重要。在冶煉過程中，加熱工件的表面溫度的高低以及是否均勻直接影響到產(chǎn) 品的質量，特別是由準確控制加熱溫度，進而優(yōu)化調整燃燒工藝所帶來的節(jié)能 降耗和效益提升更是意義重大。 2 國內外研究現(xiàn)狀 隨著計算機圖象處理技術的發(fā)展，基于工業(yè)電荷藕荷器件c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ) 與計算機圖象處理相結合的比色測溫技術是較為熱門的研究 方向之一，在國內外已經(jīng)有了一定的研究。 日本日立實驗室k u r i h a r a 等研制了火焰圖像識別系統(tǒng)( f i r e s ，f l a m ei m a g e r e c o g n i t i o ns y s t e m ) ，并在本公司1 9 8 5 年問世的h i a c 一3 0 0 0 系統(tǒng)中應用該技術 獲得了火焰溫度場的分布，同時進行了燃燒經(jīng)濟性和n o x 的估算等【1 1 。隨后， 該公司的m s h i o d a 提出了類似于比色法的圖像溫度測量方法，并提出了多燃燒 器未燃盡碳生成的預測模型，在日本仙臺電站1 7 5 m w 機組上得到實施【2 j 0 日本三菱公司的光學圖像火焰掃描系統(tǒng)( o p t i s ，o p t i c a li m a g ef l a m e s c a n n e r ) 采用光學圖像傳感器提高了系統(tǒng)對火焰的靈敏度和鑒別能力，據(jù)稱該 系統(tǒng)能夠較好地克服爐膛背景熱輻射和相鄰燃燒器的火焰信號的干擾，系統(tǒng)的 緒論 主要功能是火焰形狀識別和火焰穩(wěn)定性判斷等。我國上海寶山鋼鐵公司自備電 廠的鍋爐機組采用了該系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品( o p t i s 1 ) ，檢測整個爐膛火焰狀況， 該系統(tǒng)圖像效果清晰。 c a s h d o l l a r l 3 4 1 于1 9 7 9 年研制成功了3 波長高溫計，在0 8 、0 9 、1 0 “m3 種 工作波長下測量火焰及爆炸粉塵的溫度，測量上限可至2 0 0 0 k ，同時可用換濾光 片方法形成4 波長及6 波長高溫計。 歐盟b a b e l o t 及美國o h s e 等人研究多波長高溫計【4 1 ，并制成6 波長高溫計， 采用光導纖維束分光，硅光電二極管作為探測器，用于材料熱物性的快速動態(tài) 測量，在5 0 0 0 k 時分辨率為5 k 。 芬蘭i v o 公司的燃燒監(jiān)測與數(shù)字分析系統(tǒng)( d i m a c ，d i g i t a lm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i so fc o m b u s t i o n ) 【6 j ，于1 9 8 8 年首先用于芬蘭r u a h a l a h t i 一臺8 0 m w 的 泥煤和煤混燒的電廠鍋爐，它采用光學系統(tǒng)將圖像傳送給爐外的圖像傳感器， 通過專門開發(fā)的圖像分析卡轉換成數(shù)字信號進行分析處理，據(jù)稱該系統(tǒng)具有降 低爐膛出口氧濃度，提高燃燒效率，減少輔助燃油量等功能。 在國內比色測溫領域中，清華大學吳占松1 6 j 進行了小型發(fā)光火焰溫度分布測 量的研究，他詳細推導了圖像亮度信號與火焰溫度之間的關系，經(jīng)黑體爐標定 獲得了多項式回歸模型，開創(chuàng)了國內火焰圖像處理的先河。隨后開展了非對稱 火焰三維溫度分布重建的研究，通過在計算中加入內部火焰分布平滑的先驗假 設，給出了給對稱火焰的三維溫度分布測量的重構算法。 上海交通大學的徐偉勇【7 】等采用傳像光纖和數(shù)字圖像處理技術開展了電站 鍋爐燃燒火焰檢測的研究，將火焰亮度及其變化歷史趨勢作為判斷燃燒穩(wěn)定性 的依據(jù)，并致力于通過火焰圖像處理實現(xiàn)燃燒過程閉環(huán)控制的研究。其研究成 果已應用到電站鍋爐的運行中，圖像監(jiān)測產(chǎn)生的“o n o f f ”信號并入到鍋爐燃 燒控制系統(tǒng)( f s s s ) 中。 原電力部門南京自動化研究所的許柯夫，提出在6 0 0 7 0 0 n m 波段內，避開 爐壁面輻射的影響，使用中心波長不同的干涉濾波片同時攝取圖像，利用比色 測溫的原理，消去中心介質吸收的影響，不需進行黑體標定，以進行輻射溫度 的測量。研究者在電廠中利用現(xiàn)有的內窺式光學系統(tǒng)采集火焰圖像進行了試驗， 之后根據(jù)試驗結果提出了專門使用于比色測溫法的比色攝像機，以及使用傳像 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 光纖裝置代替現(xiàn)有的潛望鏡式光學裝置等建議。 上海理工大學蔡小舒等【8 】利用以c c d 陣列作為光譜測量元件的微型光纖光 譜儀，研制了試驗用火焰檢測系統(tǒng)，通過測量火焰的發(fā)射光譜來進行火焰的檢 測和診斷技術的研究。該系統(tǒng)不但i i l 4 i 量火焰輻射的強度和閃爍頻率，而且能 測量火焰視場平均溫度及火焰在某一波段內的黑度、色度等。進一步研究火焰 發(fā)射光譜曲線形狀在不同燃燒狀態(tài)下的差異，還可以對燃燒的狀況進行診斷。 華中理工大學周懷春等 9 1 提出基于參考測溫的單色法圖像溫度檢測法。其基 本原理是，在爐膛火焰電視監(jiān)視裝置的攝像機前加裝一個濾色片，以獲取單波 長下的火焰輻射圖像，同時，利用熱電偶或雙色高溫計實測爐內一個攝像方向 的燃燒溫度作為參考溫度，進而計算出火焰二維溫度場，再根據(jù)所測得的溫度 場進行燃燒工況診斷。在此基礎上建立了二維輻射圖像和三維輻射能量分布的 數(shù)學關系，并以比色法為基礎確定輻射能和圖像灰度的定量關系，將才圖像轉 化為灰度圖像，由各象素灰度之間的比值等于各象素之間的溫度的4 次方之間 的比值關系，利用參考溫度計算出火焰溫度圖像。 東南大學王式民等【lo 】研制的全爐膛火焰監(jiān)測及圖像處理系統(tǒng)已應用到多家 電廠中。系統(tǒng)對火焰圖像數(shù)據(jù)進行動態(tài)處理，進而獲得火焰的亮度均值、面積 和形心坐標等參數(shù)，可預報爐內燃燒程度和發(fā)展趨勢，以便提前報警。 浙江大學熱能工程研究所【l l 】在對比色測溫原理進行理論研究和誤差分析的 基礎上，提出一種直接利用原始的火焰圖像中r 、g 、b 三色信息的測溫方法。 即由彩色c c d 獲取的火焰圖像包含的r 、g 、b 三色亮度值，通過試驗和理論 的分析，利用修正后的比色公式直接計算溫度場。該方法不需參考點，設備簡 單。在此基礎上，他們在工業(yè)鍋爐的不同位置設置多套c c d 檢測系統(tǒng)，在多家 電廠進行了現(xiàn)場試驗，并已有兩套系統(tǒng)用于工業(yè)現(xiàn)場。 武漢光學技術研究所于1 9 8 4 成功研制了3 波長h d w l 型紅外測溫儀， 北京聯(lián)大于1 9 8 8 年提出了多光譜溫度自動檢測法，1 9 8 9 年王瑞才研制成功了 4 波長高溫計并應用于電弧加熱下燒蝕材料的溫度測量【l4 1 。 哈爾濱工業(yè)大學的戴景民與羅馬大學r u f f i n o 教授合作研制成功棱鏡分光式 3 5 波長高溫計，并成功地用于燒蝕材料真溫及發(fā)射率地測量【1 5 】。1 9 9 9 年又研制 成功6 目標8 波長高溫計并成功用于固體火箭發(fā)動機羽焰溫度和發(fā)射率的測量。 緒論 3 論文的創(chuàng)新之處 從文獻查新的結果來看，國內文獻中有關高溫爐膛內的電視系統(tǒng)，多數(shù)為 工況監(jiān)視系統(tǒng)，也有一些涉及到測溫，但多數(shù)是單一彩色c c d 比色原理檢測爐 膛火焰分布的方法，而有關采用雙光路c c d 圖像的目標溫度監(jiān)測，并將高溫爐 膛內的工況實時監(jiān)視和近紅外比色測溫原理相結合，對工件表面溫度進行實時 全視場檢測的系統(tǒng)，在所查文獻中未見報道。 9 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 第一章比色測溫法 1 1 高溫測溫綜述 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。根據(jù)分子運動理論，溫度是分子平均 動能的量度，反映的是物體質點移動的速度。溫度作為一個狀態(tài)參數(shù)，它的變 化必然引起氣體壓力及容積等狀態(tài)變化。溫度測量是利用某些物質的物理性能 ( 如線膨脹率、體積膨脹率、電阻率、熱噪聲、熱輻射等) 與溫度的關系做成 各式各樣的感溫器件一溫度傳感器，并通過溫度傳感器物理特性的變化獲得溫 度值。高溫測量一般指銻凝固點( 9 0 3 8 9 k ) 以上的溫度測量，常用的高溫測量 方法如圖1 _ 1 所示，主要分為接觸式測溫和非接觸式測溫，以下分別加以簡單介 紹。 1 1 1 接觸式測溫方法 圖1 1 ：常用的高溫測量方法 第1 章比色測溫法 接觸式測溫方法的感溫元件直接置于被測溫度場或介質中，不受火焰的黑 度、熱物性參數(shù)等因數(shù)影響，具有測溫精度高，使用方便的優(yōu)點。但是當被測 物質具有腐蝕性時，高溫條件下測溫元件的測量準確性也相應降低。對于具有 瞬態(tài)脈動特性的測量對象，接觸式測溫法難以作為實用的溫度場測量手段，這 主要是由于接觸法得到的是某個局部位置的溫度信號。如果要得到整個物體的 表面溫度場，必須在測溫面上進行合理布點，并通過適當?shù)挠嬎惴椒ǐ@得被測 溫度場的近似分布。此外，大多數(shù)接觸式測溫裝置的動態(tài)特性不夠理想，難以 反映溫度的快速變化和脈動。熱電偶測溫法是最常見的接觸式測溫法【l “，用兩 種不同導體( 或半導體) 組成的回路，兩斷接點分別處于不同溫度環(huán)境中與當 地達成熱平衡時會產(chǎn)生熱電勢，標定后可用來測量溫度。黑體腔式熱輻射高溫 計，是近年來隨著光纖技術發(fā)展起來的一種新型的接觸測溫方式。它是以高耐 溫材料深入高溫火焰中和火焰達成局部熱平衡，依據(jù)黑體腔內產(chǎn)生自發(fā)熱輻射， 并經(jīng)普通石英光纖將輻射能傳送到檢測系統(tǒng)，利用雙色測溫法測量出當?shù)販囟取?它結合了接觸測溫和非接觸測溫的優(yōu)點，與熱電偶測溫方法相比，具有測溫上 限高、精度高、動態(tài)響應快的優(yōu)勢，具有良好的應用前景。 1 1 2 非接觸式測溫方法 非接觸式測溫方法分為兩大類：一類是通過測量燃燒介質的熱力學性質參 數(shù)來求解溫度：另一類是利用高溫火焰的輻射特性通過光學法來測量溫度場。 非接觸式測溫方法由于測溫元件不與被測介質接觸，不會破壞被測介質的溫度 場和流場，同時感受熱慣性很小，因此可用于測溫不穩(wěn)定熱力過程的溫度，其 測量上限不受材料性質的影響，可測諸如爐內工件等高溫對象。但對于現(xiàn)場高 溫工件溫度測量，非接觸式測量方法需開設光學窗口，窗口的透過率經(jīng)常由于 局部污染而造成不均勻的減弱，這增加了高溫工件溫度測量的困難。 1 2 輻射測溫原理 1 2 1 基礎理論 只要是溫度在絕對零度以上的物體都會或多或少的發(fā)射出電磁波，這就是 熱輻射。物體在向周圍放出輻射能的同時，也會吸收來自周圍的物體所放出的 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 輻射能【3 1 l 。熱輻射電磁波具有以光速傳播、反射、折射、散射、干涉和吸收等 的特性。它是由波長相差很遠的紅外線、可見光及紫外線所組成的，它們的波 長范圍從1 0 - 3 m 到1 0 4 m 不等而可見光只是其中的- d , 部分，約為o 3 8 o 7 8 p m ， 比0 3 8 “r n 更短的電磁波稱緯紫外線，比0 7 8 9 m 更長的稱為紅外線。在低溫時， 物體輻射能量8 t o l , ，主要發(fā)射的時紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增 加，輻射光譜也向短的方向移動，在5 0 0 ( 2 左右時，輻射光譜包括部分可見光； 在8 0 0 c 時可見光部分大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果溫度到了3 0 0 0 c 時，輻 射光譜則包含更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。有經(jīng)驗的人員從觀察灼 熱物體表面的“顏色”來大致判斷物體的溫度，這就是輻射測溫的基本原理。 但這種判斷時相當粗糙的，精確的判定物體的熱輻射及其溫度之間的定量關系 時輻射測溫的重要研究內容。 1 2 2 熱輻射的基本概念 1 輻射能q 【1 7 】u 8 1 【1 9 】 輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪? 主要指紫外、可見光和紅外輻射) 能量。輻射能一般用符號q 表示，其單位是焦耳( j ) 。 2 輻射通量m 輻射通量m 又稱為輻射功率，定義為單位時間內流過的輻射能量，即 o ：塑( 1 - 1 ) 擊 輻射通量的單位是瓦特( w ) 或焦耳秒( j s ) 。 3 輻射出射度m 輻射出射度m 是用來反映物體輻射能力的物理量。定義為輻射體單位面積 向半空間發(fā)射的輻射通量，即 m ：塑( 1 2 ) 刪 4 輻射強度i 輻射強度i 定義為：點輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內的輻射通 量，用i 表示，即 第1 章比色測溫法 ，：塑( 1 - 3 ) ，= 一 d r 2 輻射強度的單位是瓦特球面度。1 ( w s r 。1 ) 。 由輻射強度的定義可知，如果一個置于各向同性、均勻介質中的點輻射體 向所有方向發(fā)射的總輻射通量是m ，則該點輻射體在各個方向的輻射強度i 是常 量，有 ，：里( 1 - 4 ) 4 萬 5 輻射亮度l 輻射亮度l 定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量，如圖1 2 所示。 三：坐：垡：竺( 1 - 5 ) d s c o s 口以獅c o s o 式中0 是給定方向和輻射源面元法線間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特球面 度米2 ( w s r m 2 ) 。 圖1 - 2 ：輻射亮度示意圖 顯然一般輻射體的輻射強度與空間方向有關。但是有些輻射體的輻射強度 在空間方向上的分布滿足 d l = 刃oc o s o ( 1 - 6 ) 式中1 0 是面元d s 沿其法線方向的輻射強度。符合上式規(guī)律的輻射體稱為余弦輻 射體或朗伯體。將( 1 - 6 ) 式代入( 1 5 ) 式，得到余弦輻射體的輻射亮度為 三= 等吐 ( 1 - 7 ) 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 可見余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角0 無關。將( 1 - 7 ) 式代入( 1 5 ) 式，得到余弦輻射體的面元d s 向半空間的輻射通量為 拋= l o d s l c o s 國n = l o z z s ( 1 - 8 ) 計算上式積分時應用了立體角的定義地=粵=_(rsinod6p)(rdo)=sinodod妒。余 弦輻射體的輻射出射度為 m = 等咆石 ( 1 9 ) 6 輻射照度e 在輻射接收面上的輻射照度e 定義為照射在面元上的輻射通量d m 與該面元 的面積d a 之比。即 e ：塑( 1 - l o ) 洲 單位是w m 2 。 由輻射通量和輻射強度之間的關系式( 1 4 ) 我們知道，一個輻射強度為 1 w s r 1 的點光源，總輻射通量等于4 n w ?，F(xiàn)在假如有一個以這個點光源為球 心，半徑為1 m 的球面包圍這個點光源，則該球面上的輻射照度恰好等于1 w m 2 。 用這樣的假想球面不難求得輻射強度為i 在距離r 處的輻射照度為e = - 2 1 7 。這 k 。 r 一結果表明，一個均勻點光源在空間一點的輻射照度與該光源的輻射強度成正 比，與距離平方成反比。 7 單色輻射量度 對于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過均定義為單位波 長間隔內對應的輻射度量，其名稱及單位見表1 1 。并且對所有輻射量x 來說單 色輻射度量與輻射度量之間均滿足 x = l x 。樅 ( 1 1 1 ) 第1 章比色測溫法 表i - 1 ：單色光輻射的名稱、符號及單位 量度名稱 符號定義式單位名稱單位符號 單色輻射通量m l d m d 九 瓦特微米w p m 單色輻射出射度m x d m d 九 瓦特( 米2 微米) w ( m 2 “m ) 單色輻射強度i i d i d 九 瓦特( 球面度微米)w ( s r r t m ) 單色輻射亮度h d l d 九 瓦特( 米2 球面度微米)w ( m 2 s r p m ) 單色輻射照度b d e d l 瓦特( 米2 微米)w ( m 2 岬) 1 2 3 熱輻射的基本定律 1 絕對黑體 任何溫度下，能全部吸收入射到其表面上的任意波長的輻射能的物體稱為絕 對黑體。在相同溫度下，黑體的輻射出射度最大，實際物體的輻射出射度總是 低于黑體。 2 實際物體的全發(fā)射率( t ) 設m ( t ) 表示實際物體在某一溫度t 下全波長范圍的積分輻射出射度，m o ( t ) 表示黑體在某一溫度t 下全波長范圍的積分輻射出射度，則定義兩者之比為實 際物體的全發(fā)射率，記為( t ) ；定義熱輻射體的光譜輻射出射度m ( l ，t ) 與黑體 在相同溫度及波長下的光譜輻射出射度m o ( l , t ) 之比為光譜( 單色) 發(fā)射率： 砸，丁) = 器 ( 1 _ 1 2 ) e ( z ，t ) 與物體的物理特性及輻射波長有關。光譜發(fā)射率小于1 且不隨波長而改變 的物體稱為灰體。各種物體的發(fā)射率隨波長的變化如圖1 3 所示。 基于彩色及近紅外雙c c 3 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 圖1 3 ：特定輻射中的不同輻射率 3 普朗克公式 黑體處于溫度t 時，在波長x 處的單色輻射出射度由普朗克公式給出 w 塒) = 熹 ( 1 - 1 3 ) 式中h 為普朗克常數(shù)，c 為真空中的光速，k 為波爾茲曼常數(shù)。令，c = 2 砌c2 ， c ，= h c k ，則( 1 1 3 ) 式可改寫為 州 ) = 志( w c m 忡) ( 1 - 1 4 ) 式中，c l = 3 7 4 1 8 3 2 x 1 0 “2 w c m2 稱為第一輻射常數(shù)；c 2 = 1 4 3 8 7 8 6 x 1 0 4 a n k 稱為第二輻射常數(shù)。由于黑體是余弦漫射體，應用( 1 - 9 ) 式可求得黑體的單色 輻射亮度為 州妒) = 磊考巧w c m 2 v m ( 1 - 1 5 ) 圖1 - 4 給出了不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度( 輻射亮度) 隨波長的 變化曲線。由圖1 4 可見： ( 1 ) 對應任一溫度，單色輻射出射度隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值；對應 不同溫度的曲線不相交。因而溫度能惟一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻 射出射度( 即曲線下的面積) 。 第1 章比色測溫法 圖1 - 4 ：黑體的輻射曲線 ( 2 ) 單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。 ( 3 ) 單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動。 4 瑞利一瓊斯公式 由( 1 - 1 4 ) 式可以看出，當九t 很大時，p 。2 “7z 1 + 導，則可得到適合于長 a i 波長區(qū)的瑞利一瓊斯公式 m b ( 五，r ) = c 導t 2 - 4 ( 1 1 6 ) 在2 t 7 7 1 05 刪k 時，瑞利一瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1 。 4 維恩公式 當u 很小時，ec 2 ，”一1ze 。“7 ，則可得到適合于短波長區(qū)的維恩公式 a ，6 ( 五，r ) = c 1 2 - 5 e g “7 ( 1 - 1 7 ) 在2 t 五時，占( a 1 ，t ) s ( 兄2 ，t ) 那么式( 1 - 2 1 ) 中l(wèi) n e ( a 。，r ) s ( 五，丁) 】 0 ，這 類物體的比色溫度大于真實溫度，即t c t 。 若實際物體的光譜發(fā)射率隨波長的增加而增大( 大多數(shù)非金屬材料均如 此) ，即當a 2 時，s ( 五l ，t ) 占( a 2 ，t ) 那么式( 1 - 2 1 ) 中l(wèi) n e ( 2 , ，丁) s ( 五2 ，丁) 孤而盎蒜 其中r 為c c d 攝像機的最小照度。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度金視場監(jiān)視系統(tǒng) 2 3c c d 工作原理 電荷耦合器件【2 3 i ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的突出特點是以電荷作為信號， 而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。c c d 的基本功能是電荷的存 儲和電荷的轉移。因此，其工作過程中的主要問題是信號電荷產(chǎn)生存儲傳輸和 檢測。c c d 有兩種基本類型：一是電荷包存儲在半導體與絕緣層之間的界面， 并沿界面?zhèn)鬏敚@類器件稱為表面溝道c c d ( 簡稱s c c d ) ；二是電荷包存儲在 離半導體表面一定深度的體內，并在半導體體內沿一定方向傳輸，這類器件稱 為體溝道或埋溝道器件( 簡稱b c c d ) 。下面我們以s c c d 為例來說明c c d 工 作原理。 2 3 1 電荷的存儲與耦合 l 電荷存儲 c c d 的基本構成單元是m o s ( 金屬一氧化物一半導體) 結構。如圖2 8 ( a ) 所示，在柵極施加正偏壓u g 之前，p 型半導體中空穴多數(shù)載流子的分布是均勻 的。當柵極施加正偏壓u g ( 此時u g 小于p 型半導體的閾值電壓u t l l ) 后，空穴 被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖2 - 8 ( b ) 所示。偏壓u g 繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進一步向 半導體內延伸。當u g u l h 時，半導體與絕緣體界面上的電勢( 常稱為表面勢， 用巾s 表示) 變得如此之高，以至于將半導體內的電子( 少數(shù)載流子) 吸引到表 面形成一層極薄的( 約1 0 - 2 m m ) 但電荷濃度很高的反型層，如圖2 8 ( c ) 所示。 反型層電荷的存在表明了m o s 結構存儲電荷的功能。但是，當柵極電壓由零突 變到高于閩值電壓u 。h 時，輕摻雜半導體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建立反 型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進一步向體內延伸，而且柵極和襯 底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上，如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么 耗盡區(qū)將收縮，表面勢下降，氧化層上的電壓增加。 表面勢巾s 隨著反型層電荷濃度q i n v 和柵極電壓u o 的變化而變化，如果表 面勢m s 與反型電荷濃度q 惝的對應曲線直線性好，說明這兩者之間有著良好的 反比例線性關系。這種線性關系很容易用半導體物理中的“勢阱”概念來描述。 電子所以被加有柵極電壓u g 的m o s 結構吸引到氧化層與半導體的交界面處， 是因為那里的勢能最低。在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓u 。 第2 章系統(tǒng)硬件 的關系恰如中s 與u o 的線性關系，如圖2 - 9 ( a ) 空勢阱的情況。圖2 - 9 ( b ) 為反型層 電荷填充1 3 勢阱時，表面勢收縮。當反型層電荷足夠多，使勢阱被填滿時，m s 降到2 0 r 。此時表面勢不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象這樣表面 勢可作為勢阱深度的量度，而表面勢又與柵極電壓u g 、氧化層的厚度d o x 有關。 勢阱的橫截面積取決于柵極電極的面積a 。m o s 電容存儲信號電荷的容量 q = u g 爿 ( 2 9 ) 氧碣酋翥 t y o = s vl 一一一一j c = = = 7 - j u o = l o v ib l l b j ( a ) 空勢阱( b ) 填充1 3 的勢阱( c ) 全滿勢阱 圖2 - 9 ：勢阱 2 電荷耦合 下面以圖2 1 0 為例，講解c c d 中勢阱及電荷如何從一個位置移到另一個位 置。如圖2 1 0 所示，圖中為c c d 中四個彼此靠得很近得電極。假定開始時有一 些電荷存儲在偏壓為1 0 v 的第一個電極下面的深勢阱里，其他電極上均加有大 于閾值的較低電壓( 例如2 v ) 。設圖2 - 1 0 ( a ) 為零時刻( 初始時刻) 。經(jīng)過t 1 時刻 后各電極上的電壓變?yōu)閳D2 - 1 0 ( b ) 所示，第一個電極仍保持為1 0 v ，第二個電極 基 0 4 8 2 6 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 上的電壓由2 v 變?yōu)? 0 v ，因為這兩個電極靠得很緊( 間隔只有幾微米) ，它們 各自的對應勢阱將合并在一起，原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下 勢阱所共有，如圖2 1 0 ( b ) 和( c ) 所示。若此后電極上的電壓變?yōu)閳D2 - 1 0 ( d ) 所示， 第一個電極電壓由1 0 v 變?yōu)? v ，第二個電極電壓仍為1 0 v ，則共有的電荷轉移 到第二個電極下面的勢阱中，如圖2 - 1 0 ( e ) 所示。由此可見，深勢阱及電荷包向 右移動了一個位置。 o0oo o ooo 二名勰二力杰必曼甥扔 杰k = 丁一 ：= = r 作肯電崎 0 皇毋辨 ( ) oq ) oo ( d )：c ) ( f ) ( a ) 初始狀態(tài)( b ) 電荷由電極向電極轉移( c ) 電荷在、電極下均勻分布 ( d ) l h 荷繼續(xù)由電極向。電極轉移( e ) 電荷完全轉移到電極( d 三相交疊脈沖 圖2 1 0 ：三相c c d 中電荷的轉移過程 通過將一定規(guī)則變化的電壓加到c c d 各電極上，電極下的電荷包就能沿半 導體表面按一定方向移動。通常把c c d 電極分為幾組，每一組稱為一相，并施 加同樣的時鐘脈沖。c c d 的內部結構決定了使其正常工作所需要的相數(shù)。圖2 1 0 所示的結構需要三相時鐘脈沖，其波形圖如圖2 1 0 ( f ) 所示，這樣的c c d 稱為三 相c c d 。三相c c d 的電荷耦合( 傳輸) 方式必須在三相交疊脈沖的作用下，才 能以一定的方向逐單元地轉移。另外必須強調指出，c c d 電極間隙必須很小， 電荷才能不受阻礙地從一個電極下轉移到相鄰電極下。這對圖2 1 0 所示的電極 結構是一個關鍵問題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極問的勢阱將被勢壘隔 開，不能合并，電荷也不能從一個電極向另一個電極完全轉移，c c d 便不能在 外部脈沖作用下正常工作。 能夠產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結構、表面態(tài)密度等因 第2 章系統(tǒng)硬件 素決定。理論計算和實驗證實為了不使電極間隙下方界面處出現(xiàn)阻礙電荷轉移 的勢壘，間隙的長度應小于3 k t m 。這大致是同樣條件下半導體表面深耗盡區(qū)寬 度的尺寸。當然如果氧化層厚度、表面態(tài)密度不同結果也會不同。但對絕大多 數(shù)c c d ，1k t m 的間隙長度是足夠小的。 以電子為信號的c c d 稱為n 型溝道c c d ，簡稱為n 型c c d ；而以空穴為 信號電荷的c c d 稱為p 型溝道c c d ，簡稱為p 型c c d 。由于電子的遷移率單 位場強下的運動速度遠大于空穴的遷移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作 頻率高得多。 2 1 3 2 電荷的注入和檢測 1 電荷的注入( 輸入方式) c c d 的電荷注入方式可歸納為光注入和電注入兩種。在爐內板帶糾偏電視 檢測系統(tǒng)中，我們所使用的d m k 3 0 0 2 i r 面陣n i c c d 是光注入方式。 當光( 包括紅外光) 照射到c c d 硅片上時，在柵極附近的半導體體內產(chǎn)生 電子一空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中 形成信號電荷。光注入方式又分為正面照射式和背面照射式兩種。光注入電荷 鰳= r q a n 。a 疋 ( 2 - 1 0 ) 式中，”為材料的量子效率；q 為電子電荷量；a n 。為入射光的光子流速率；4 為光敏單元的受光面積；為光注入時間。 由上式可以看出，當c c d 確定以后，叩、g 以及a 均為常數(shù)，注入到勢阱中 的信號電荷qz p 與入射光子流速率抽。及注入時間t c 成正比。注入時間t c 由 c c d 驅動器的轉移脈沖的周期t s h 決定。當所設計的驅動器能夠保證其注入時 間穩(wěn)定不變時，注入到c c d 勢阱中的信號電荷只與入射輻射光子流速率血。成 正比。在單色入射輻射時，入射光的光子流速率與入射光譜輻通量的關系為 a n 。：挈，其中h 、v 為常數(shù)。因此在這種情況下，光注入的電荷量與入射的 仃v 光譜輻量度巾，成線性關系。 2 電荷的檢測( 輸出方式) 在c c d 中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。c c d 的重要特性之一 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) 是信號電荷在轉移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避 免。因此，通過選擇適當?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能地減小時鐘脈沖容性地饋入輸 出電路的程度。目前c c d 的輸出主要方式有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和 浮置柵放大器輸出。本系統(tǒng)采用的d m k 3 0 0 2 一i r 面陣n i c c d 其電荷檢測為電流 輸出方式。 r dt r 幽2 - 1 1 ：電荷輸出電路 如圖2 - 1 1 所示，當信號電荷在轉移脈沖的驅動下向右轉移到末極電極( 圖 中m 2 電極) 下的勢阱后，巾2 電極上的電壓由高變低時，由于勢阱提高，信號電 荷將通過輸出柵( 加有恒定的電壓) 下的勢阱進入反向偏置的二極管( 圖中n + 區(qū)) 。由u d 、電阻r 、襯底p 、和n + 區(qū)構成的反向偏置二極管相當于無限深的勢 阱。進入到反向偏置的二極管中的電荷將產(chǎn)生輸出電流i d ，且i d 的大小與注入 n - 極管中的信號電荷量成正比，而與電阻r 成反比。電阻r 是制作在c c d 內 的電阻，阻值是常數(shù)。所以輸出電流i d 與注入n - 極管中的電荷量成線性關系， 且 q = ，d d t ( 2 1 1 ) 由于i d 的存在，使得a 點的電位發(fā)生變化，i o 增大，a 點電位降低。所以 可以用a 點的電位來檢測二極管的輸出電流i d ，用隔直電容將a 點的電位變化， 取出后再通過放大器輸出。圖2 - 1 1 中的場效應管t r 為復位管。它的主要作用是 將一個讀出周期內輸出二極管沒有來得及輸出的信號電荷通過復位場效應輸 出。因為在復位場效應管復位柵為正脈沖時復位場效應管導通，它的動態(tài)電阻 遠遠小于偏置電阻r ，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使a 點的電位恢復 到起始的高電平。 2 3 3c c d 的特性參數(shù) 第2 章系統(tǒng)硬件 1 轉移效率”和轉移損失率 電荷轉移效率是表征c c d 性能好壞的重要參數(shù)。轉移效率定義為：一次轉 移后到達下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比。如在t = o 時，注入到某 電極下的電荷為q ( 0 ) ；在時間t 時，大多數(shù)電荷在電場作用下向下一個電極轉移， 但總有- 4 , 部分電荷由于某種原因留在該電極下。若被留下來的電荷為q ( t ) ，則 轉移效率為 ，7 ：q ( o ) - q ( t ) ：1 一盟( 2 1 2 ) 。 q ( o )q ( o ) 如果轉移損失率定義為 s ：皇盟( 2 1 3 ) q ( o ) 則轉移效率與損失率的關系為 ，7 = 1 一占 ( 2 1 4 ) 理想情況下”應等于l ，但實際上電荷在轉移中有所損失，所以_ 總是小于1 的。 所以，提高轉移效率”是電荷耦合器件能否使用的關鍵。 2 工作頻率f ( 1 ) 工作頻率的下限 為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對注入信號的干擾，注入電荷從一個電 極轉移到另一個電極所用的時間t 必須小于少數(shù)載流子的平均壽命t ，即f j f ( 2 1 5 ) 可見，工作頻率的下限與載流子的壽命有關。 ( 2 ) 工作頻率的上限 當工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉移到另一個電極所需要的時 個 間t 大于驅動脈沖使其轉移的時間，那么，信號電荷跟不上驅動脈沖的變化， j 甲 將會使轉移效率大大下降。為此，要求f ：1 ，即 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內工件表面溫度全視場監(jiān)視系統(tǒng) ，五1 ( 2 - 1 6 ) 這就是電荷自身的轉移時間對驅動脈沖頻率上限的限制。 2 3 4 面陣c c d 攝像器件的特性 1 分辨率 c c d 攝像器件的每個光敏單元都是分開的。它屬于空間上分立的光敏單元 對光學圖像進行抽樣。假設要攝取的光學圖像沿著水平方向的亮度分布為正弦 條狀圖案，經(jīng)c c d 的光敏單元進行轉換后，得到以時間軸方向的正弦信號。根 據(jù)奈奎斯抽樣定理，c c d 的極限分辨率是空間抽樣頻率的一半。因此，c c d 的 分辨率主要取決于c c d 芯片的像素數(shù)，其次還受到轉移傳輸效率的影響。分辨 率通常用電視線( t v l ) 來表示。高集成度的光敏單元可獲得高的分辨率，但光 敏單元尺寸的減少導致靈敏度的降低。所以必須采用一些新的工藝結構，例如 雙層結構，將光電轉換層和電荷轉移層分開，從而提高靈敏度和飽和信號的電 荷量。 從頻譜分析角度看，c c d 攝像器件在垂直和水平兩個方向都是離散取樣方 式。根據(jù)奈奎斯抽樣定理，c c d 輸出信號的頻譜如圖2 一1 2 所示。取樣后的信號 頻譜幅度如下： s i n 即萬等) 砌丌等- 8 i n ( ”礬t ) 砌礬t ( 2 - 1 7 ) 式中：f 。為取樣脈沖寬度，即一個感光單元的寬度，瓦為取樣周期，即一個像 素的寬度( 含兩側的不感光部分) 。 夕 一。 弋型土2 i 琥( 乃 圖2 1 2 ：取樣脈沖寬度對取樣信號頻譜的影響 第2 章系統(tǒng)硬件 當月= f r 。時，譜線包絡達到第一零點，這也是孔徑光闌限制了高頻信號， 使之幅度下降的結果。適當選擇r o ，使近f j 2 處的頻譜幅度下降不多，但又使頻 譜混疊( 見圖2 1 2 中的陰影部分) 部分減小?？梢?，在c c d 中感光單元的寬度