铸坯表面温度场测量传感器及方法

本发明公开了一种铸坯表面温度场测量传感器及方法，涉及传感器技术领域，主要目的在于克服铸坯表面发射率非确定性、烟雾水汽及氧化皮干扰造成温度场测量不准确的缺陷，以实现铸坯表面温度场的准确、稳定和连续测量。所述铸坯表面温度场测量传感器包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器。所述三光谱热成像单元包括：两个分光镜、三个透光率与波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD。

1.一种铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于，包括：光学镜头、步进电机、嵌有阻光
片和衰减片的光调制转盘、三光谱热成像单元、信号采集处理器；
所述光学镜头，用于接收铸坯表面发出的辐射光；
所述步进电机，用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通光状
态或者处于阻光状态；
所述光调制转盘与所述光学镜头相耦合，用于在处于通光状态时，通过衰减片对所述
辐射光进行调制，得到用于生成铸坯表面热图像的调制光；在处于阻光状态时，通过阻光片
对所述辐射光进行遮挡，得到用于在线抑制CCD暗电流的暗图像；
所述三光谱热成像单元与所述光调制转盘相耦合，所述三光谱热成像单元包括：两个
分光镜、三个透光率与中心波长不同的窄带滤光片、三个单色面阵CCD；
所述分光镜，用于对所述用于生成铸坯表面热图像的调制光进行分光处理，并将分光
处理得到的光投射给所述窄带滤光片；
所述窄带滤光片，用于对所述分光处理得到的光进行滤波从而形成单色光，并将滤波
得到的单色光投射给所述CCD；
所述CCD，用于根据所述滤波处理得到的三个中心波长不同的单色光光，同时形成三个
热图像和三个暗图像，所述铸坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述暗图像用于在
线消除CCD的暗电流噪声；
所述信号采集处理器与所述三光谱热成像单元相连接，用于根据所述三个暗图像分别
对所述三个铸坯表面热图像进行去噪处理，根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个
铸坯表面热图像对铸坯表面温度场进行测量，并将测量结果通过以太网接口发送给远程
PC；
所述信号采集处理器，具体用于对所述三个热图像与所述三个暗图像进行相减处理，
得到去噪后的三个铸坯表面热图像，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯
表面热图像对铸坯表面的成像单元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：


其中，C₂＝1.4388×104μm.K，λ₁、λ₂、λ₃分别为三个窄带滤光的中心波长；K为常数，V_λ1、
V_λ2和V_λ3分别为铸坯表面在三个单色CCD上所成的热图像经去噪处理后的灰度值；
将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。
2.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于，所述测量传感器还包括：光发射管
和光接收管，所述光调制转盘还带有定位索引孔，
所述光发射管和所述光接收管分别安放在所述光调制转盘的两侧，所述光发射管，用
于发射光脉冲，所述光接收管用于在信息采集处理器控制下，通过所述定位索引孔接收所
述光发射管发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘在一个测量周期的起始转动位置；
所述步进电机，具体用于驱动所述光调制转盘进行旋转，使得所述光调制转盘处于通
光状态或者处于阻光状态。
3.根据权利要求1所述的测量传感器，其特征在于，所述信号采集处理器，还用于产生
所述步进电机旋转所需的控制信号，并通过驱动电路放大所述控制信号后驱动所述步进电
机旋转；
所述步进电机，具体用于通过自身进行旋转驱动所述光调制转盘进行旋转。
4.根据权利要求1-3任一项所述的测量传感器，其特征在于，所述两个分光镜平行安
装，且所述两个分光镜的入射光与光学镜头主光轴平行，反射光与光学镜头主光轴垂直。
5.一种铸坯表面温度场测量方法，应用于铸坯表面温度场测量传感器，其特征在于，包
括：
通过光学镜头接收铸坯表面发出的辐射光；
通过步进电机驱动光调制转盘进行旋转，使得嵌有阻光片和衰减片的光调制转盘处于
通光状态或者处于阻光状态；
当所述光调制转盘在处于通光状态时，通过衰减片对所述辐射光进行调制，得到用于
生成铸坯表面热图像的调制光；当所述光调制转盘处于阻光状态时，通过阻光片对所述辐
射光进行遮挡，得到用于在线补偿CCD暗电流的暗图像；
通过三光谱热成像单元包括的两个分光镜对所述用于生成热图像的调制光进行分光
处理，并将分光处理得到的光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个透光率与中心波长
不同的窄带滤光片；
通过所述窄带滤光片对所述分光处理得到的光进行滤波处理形成单色光，并将滤波处
理得到的单色光投射给所述三光谱热成像单元包含的三个单色面阵CCD；
通过所述CCD根据所述滤波处理得到的光，同时形成三个热图像和三个暗图像，所述铸
坯表面热图像用于测量铸坯表面温度场，所述铸坯表面暗图像用于在线消除CCD的暗电流
噪声；
通过信号采集处理器根据所述三个铸坯表面暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像
进行去噪处理，并根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表
面温度场进行测量；
所述通过信号采集处理器根据所述三个暗图像分别对所述三个铸坯表面热图像进行
去噪处理，包括：
通过信号采集处理器对所述三个热图像与所述三个暗图像进行对应像素灰度值相减
处理，得到在线去除CCD暗电流噪声的三个铸坯表面热图像；
所述根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面温度
场进行测量，包括：
根据三波长图像测温公式和去噪处理后的三个铸坯表面热图像对铸坯表面的成像单
元的温度进行测量，所述三波长图像测温公式为：


其中，C₂＝1.4388×104μm.K，λ₁、λ₂、λ₃分别为三个窄带滤光片的中心波长；K为常数，
V_λ1、V_λ2和V_λ3分别为铸坯表面的成像单元在三个铸坯表面热图像经暗电流去噪处理后的灰
度值；
将铸坯表面各个成像单元的温度进行行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将铸坯表面各个成像单元的温度进行
行、列矩阵排列处理，得到铸坯表面温度场，包括：
提取铸坯表面温度场行像素测取的温度极值，并对所述温度极值进行列重组；
通过信号采集处理器中的数字信号处理器对列重组结果进行数字滤波，并根据数字滤
波结果，得到去除随机噪声的铸坯表面温度场。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，光发射管和光接收管分别安放在所述光调
制转盘的两侧，所述通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转的同时，所述方法还包括：
通过所述光发射管发射光脉冲；
通过所述光接收管在信号采集处理器控制下，通过所述光调制转盘带有的定位索引孔
接收所述光发射管发射的光脉冲，以定位所述光调制转盘的起始转动位置；
所述通过步进电机驱动所述光调制转盘进行旋转，包括：
通过步进电机根据所述起始转动位置驱动所述光调制转盘进行旋转。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过步进电机驱动所述光调制转盘进
行旋转，所述方法还包括：
通过所述信号采集处理器产生所述步进电机旋转所需的控制信号，并通过驱动电路对
所述控制信号进行功率放大后驱动所述步进电机旋转。