本發(fā)明涉及碳?xì)浠鹧鏈囟葴y量的方法，特別涉及一種基于彩色CCD相機(jī)碳?xì)浠鹧鏈囟葴y量方法，適用于碳?xì)淙剂匣鹧鏈囟鹊臏y量。

背景技術(shù)：

碳?xì)浠鹧鏈囟仁侨紵^程的一個重要參數(shù)。溫度定性、定量的測量對于觀察和了解碳煙生產(chǎn)、氧化過程，建立合適的燃燒模型，實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒都有著重要的指導(dǎo)作用。

測溫方法分為接觸式溫度測量方法和非接觸式溫度測量方法?；贑CD相機(jī)拍攝的數(shù)字圖像的雙色法測溫屬于非接觸式的測量方式，不會破壞目標(biāo)溫度場，不會損壞原溫度場的分布，且具有溫度上限高，響應(yīng)速度快，測溫精度較高等優(yōu)點(diǎn)，成為了溫度測量方面研究的熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)外提出了多種基于CCD相機(jī)的雙色法測溫方法，然而這些方法都存在著一定的不足。其中一些方法存在著理論上的缺陷，國內(nèi)浙江大學(xué)吉偉、衛(wèi)成業(yè)等人將相機(jī)相應(yīng)效率曲線視作沖激函數(shù)(吉偉.富氧燃燒高溫火焰測量及燃燒器開發(fā)研究[D].浙江大學(xué)，2015；衛(wèi)成業(yè),王飛,馬增益等.運(yùn)用彩色CCD測量火焰溫度場的校正算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2000(1))，姬瑞磊、曾志斌等人將通過CCD相機(jī)獲取的強(qiáng)度信息視為單色強(qiáng)度信息(姬瑞磊.基于RAW格式數(shù)據(jù)的熱氣機(jī)燃燒室火焰溫度檢測研究[D].華北電力大學(xué),2013；曾志斌.基于火焰圖像求取溫度場的雙色法測溫系統(tǒng)設(shè)計[D].華中科技大學(xué)，2013)，這些假定違背理論依據(jù)，使得他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都是通過近似得到的，存在較大的誤差。

有的測溫方法使用濾光片測量不同波長下的單色輻射強(qiáng)度(Guo H,Castillo J A,Sunderland P B.Digital camera measurements of soot temperature and soot volume fraction in axisymmetric flames[J].Applied optics,2013,52(33):8040-8047.)，需要進(jìn)行多次測量，然而多次拍攝得到的火焰圖像不可能完全相同，給后期的數(shù)據(jù)處理帶來很大的麻煩，并且若在測量過程中火焰發(fā)生了擾動，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差將會很大。

公告號為CN101403639A的中國專利文獻(xiàn)公開了一種碳?xì)浠鹧娴臏囟葓D像及黑度圖像檢測方法，通過黑體爐標(biāo)定并進(jìn)行擬合獲得了火焰溫度與基色強(qiáng)度比值之間關(guān)系，然而黑體爐能使用的溫度范圍較小，當(dāng)所求火焰溫度超過黑體爐的溫度范圍時，它的方法沒法證明擬合得到的結(jié)果依然適用，另外黑體爐的使用增加了測量成本并使操作復(fù)雜化。目前國內(nèi)外尚無一種克服了上述問題的基于CCD相機(jī)的測溫方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于彩色CCD相機(jī)碳?xì)浠鹧鏈囟葴y量方法，該方法誤差小，測溫范圍不受黑體爐標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的限制。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于彩色CCD相機(jī)的碳?xì)浠鹧鏈囟葴y量方法，包括以下步驟：

1)拍攝碳?xì)浠鹧妫涸O(shè)置好彩色CCD相機(jī)的參數(shù)，對被測火焰進(jìn)行拍攝；

具體方法為：在對被測火焰進(jìn)行拍攝前，將彩色CCD相機(jī)的對比度、顏色、飽和度設(shè)置為“normal”或“none”，將ISO數(shù)設(shè)置為最小值，將白平衡參數(shù)設(shè)置為“direct sunlight”，設(shè)置快門時間和曝光補(bǔ)償，使相機(jī)在記錄強(qiáng)度與曝光時間呈線性關(guān)系的情況下進(jìn)行拍攝。

2)獲得溫度與兩基色原始強(qiáng)度比值之間的關(guān)系曲線：通過相機(jī)響應(yīng)效率曲線獲得溫度與R、G、B通道所記錄的原始強(qiáng)度比值之間的關(guān)系曲線；

具體方法為：通過獲取包括所使用鏡頭在內(nèi)的可探測波長范圍下的相對透過率，從而得到相機(jī)響應(yīng)效率曲線，并將相機(jī)響應(yīng)效率曲線代入R、G、B通道所記錄的原始強(qiáng)度比值所對應(yīng)的公式中，從而獲取溫度與任意兩基色原始強(qiáng)度比值之間的關(guān)系曲線，公式如下所示：

式中R、G、B代表R、G、B通道所記錄的原始強(qiáng)度；λ為波長，單位m；T為碳煙的開爾文溫度，單位K；C₁、C₂分別為第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)，C₁＝3.742×10-16W·m2，C₂＝1.4388×10-2m·K；r(λ)、g(λ)、b(λ)分別為R、G、B通道下的相機(jī)響應(yīng)效率，ε_λ為碳煙顆粒的光譜輻射率，碳煙顆粒的光譜輻射率隨波長變化的公式如下式所示：

式中KL因子與燃燒火焰中的碳煙顆粒濃度成正比，參數(shù)α的值與火焰中碳煙顆粒的物理和光學(xué)特性有關(guān)，一般在可見光波長范圍內(nèi)可取1.38，對此公式進(jìn)行泰勒近似等數(shù)學(xué)操作，最終發(fā)現(xiàn)碳煙顆粒輻射率與λ^-α近似成正比關(guān)系，并以此結(jié)論代入原始強(qiáng)度比值對應(yīng)的公式中進(jìn)行比值的計算。

3)獲取R、G、B真彩色圖像：從彩色CCD相機(jī)中輸出RAW格式圖像，并將RAW格式圖像最終轉(zhuǎn)化為R、G、B真彩色圖像；

將RAW格式圖像最終轉(zhuǎn)化為R、G、B真彩色圖像的方法為：采用Dcraw軟件將Raw文件轉(zhuǎn)化為Tiff數(shù)據(jù)文件，根據(jù)相機(jī)拜耳濾鏡排列模式在MATLAB上執(zhí)行demosaic函數(shù)，將Tiff數(shù)據(jù)文件通過插值最終轉(zhuǎn)換為R、G、B真彩色圖像。

4)獲取兩基色比值：從R、G、B真彩色圖像中得到R、G、B三通道原始強(qiáng)度，并任意選取兩基色計算原始強(qiáng)度比值；

5)溫度獲?。焊鶕?jù)步驟2得到的溫度與兩基色原始強(qiáng)度比值之間的關(guān)系曲線，獲得碳?xì)浠鹧鏈囟取?/p>

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明是一種非接觸式測溫方法，對測量對象的環(huán)境沒有干擾；本發(fā)明的測溫范圍不受黑體爐標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的限制，因而可測的溫度范圍廣；由于不需要用到黑體爐，本方法經(jīng)濟(jì)性良好；本方法在獲取了相機(jī)響應(yīng)效率曲線后，只需進(jìn)行對被測對象的拍攝以及后續(xù)的計算機(jī)處理過程即可，實(shí)驗(yàn)步驟簡便；同時，本方法嚴(yán)格按照理論公示進(jìn)行計算，不存在理論方面的缺陷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中相機(jī)響應(yīng)效率曲線；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中溫度與原始強(qiáng)度比值的關(guān)系曲線圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中R、G、B三通道原始強(qiáng)度，其中圖(R)代表R通道強(qiáng)度分布，圖(G)代表G通道強(qiáng)度分布，圖(B)代表B通道強(qiáng)度分布；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中乙烯/空氣擴(kuò)散火焰溫度的二維分布圖。

圖中附圖標(biāo)記：1火焰；2彩色CCD相機(jī)；3計算機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明一種基于彩色CCD相機(jī)碳?xì)浠鹧鏈囟葴y量方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明的測溫裝置包括由火焰1、彩色CCD相機(jī)2和計算機(jī)3組成的碳?xì)浠鹧媾臄z部分。通過計算機(jī)3控制彩色CCD相機(jī)2對火焰1進(jìn)行遠(yuǎn)距離拍攝。

以下提供一種測量進(jìn)行乙烯/空氣擴(kuò)散火焰的二維溫度場的具體實(shí)施方式：

通過燃燒器產(chǎn)生穩(wěn)定的乙烯/空氣擴(kuò)散火焰，將乙烯、空氣流量分別設(shè)定為0.231L/min、42.78L/min。燃燒器選用Santoro燃燒器，燃?xì)馔ǖ赖膬?nèi)徑為11.1mm，外部空氣通道的內(nèi)徑為101.6mm。得到的火焰可視高度為88mm左右。

測溫使用的彩色CCD相機(jī)2為Nikon D700單反相機(jī)。將彩色CCD相機(jī)2的白平衡設(shè)置為Direct sunlight，所有的相片處理選項如對比度、顏色、飽和度設(shè)置為“normal”或“none”，ISO值設(shè)置為最小值200。在Spotlight軟件中查看拍攝得到的相片R、G、B通道強(qiáng)度是否飽和并根據(jù)其飽和情況合理設(shè)置相機(jī)的快門時間和曝光補(bǔ)償。通過計算機(jī)3中的軟件Camera Control Pro控制彩色CCD相機(jī)2進(jìn)行遠(yuǎn)程拍攝。

針對測溫使用的Nikon D700單反相機(jī)，獲取包括使用鏡頭在內(nèi)的可探測波長范圍下的相對透過率，得到相機(jī)響應(yīng)效率曲線，如圖2所示。將相應(yīng)效率曲線帶入原始強(qiáng)度比值公式，繪制出溫度與原始強(qiáng)度比值的關(guān)系曲線，如圖3所示。

在計算機(jī)3中運(yùn)用Dcraw軟件將Raw文件轉(zhuǎn)化為Tiff數(shù)據(jù)文件，在MATLAB上對Tiff格式的火焰圖像減去背景噪音，為了進(jìn)一步降噪，采用高斯低通濾波對Tiff圖像進(jìn)行處理，濾波截止頻率設(shè)置為0.05。Nikon D700的拜耳濾鏡排列模式為“rggb”，據(jù)此在MATLAB軟件上執(zhí)行demosaic函數(shù)，將去噪后的Tiff圖像通過插值轉(zhuǎn)換為R、G、B真彩色圖像，從R、G、B真彩色圖像中得到R、G、B三通道原始強(qiáng)度，如圖4所示。

通過R、G、B三通道強(qiáng)度分布求得強(qiáng)度比值分布，代入關(guān)系曲線中即可獲得乙烯/空氣擴(kuò)散火焰溫度的二維分布，如圖5所示。對前人文獻(xiàn)(Guo H,Castillo J A,Sunderland P B.Digital camera measurements of soot temperature and soot volume fraction in axisymmetric flames[J].Applied optics,2013,52(33):8040-8047)中針對相同工況獲得的二維溫度測量結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，兩者基本一致，證明了該方法的可行性和測量的準(zhǔn)確性。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施舉例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。