CCD相机高温环境感知机器人设计(3)

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1.2 本研究的目的及意义

钢铁行业的测量有悠久的历史，一般的工业传感器和过程计算机系统已被确定为现有的产品和技术。另一方面恶劣的测量环境是传感器安装的很大阻碍，可以通过对现有技术的改进组合来实现所需的测量目的。因此本研究应用热辐射测量，高性能化的摄像器件，信号处理能力有很大提高并且成本较低的计算机等近年来飞速发展的电子领域技术，试图开发一种方法来测量传统的“点测量”和“二维测量”所测量不到的信息。

本研究的测量对象是超过1000℃ 的高温熔融金属和耐火物。在这个温度范围内的对象应用黑体辐射理论检测可见光到红外波长区域的辐射来检测。一般的工业领域，往往是采用红外摄像机作为手段观察热辐射分布，对于高温物体，根据短波长的光放射亮度变化很大的特点进行观测温度。因此本研究采用有固体摄像元件的CCD摄像机根据近红外区域的光谱灵敏度来尝试测量可视区域。通过CCD摄像头系统化的进行表面辐射温度的测量。CCD摄像机的高速感光等曝光技术可以控制在更大温度空间分布的高速运动的高温物体的辐射测温。另外CCD摄像机在计算机上的热成像捕捉，图像处理技术，以及大小和形状的测定能够探索特定物体的识别方法。

早期制造的大型的工业炉使用焦炭作为高炉燃料。经济快速增长期，集中投资建设国内老化的焦炭炉，因此炉内诊断的设备是必不可少的。开发线性CCD摄像机搭载水冷机构的炉内插入设备，在1000℃高温而且宽度较窄的焦炭炉内对大面积的炉壁进行观察。照相机斜向线状视野的激光投射的设计方式，一次炉壁摄像可以同时得到热成像和炉壁损伤形状的测量手法的确定。这些研究内容，不只在钢铁业的高温过程，也在其他工业领域有很大的意义和贡献。

焦炭炉炭化室的高温炉壁的诊断技术，针对高温炉内残酷的条件，设计搭载耐热探头的独立的光测量方法装置。这些被确立的测量技术，今后有望在各种各样的高温环境测量中应用。本测量获得的焦炭炉炭化室内壁的诊断数据是非常有用的。例如，对炉壁砖瓦产生的损伤的形态，老化的焦炭炉中焦炭排放不良经常发生的堵塞进行查明。此次研究可以提高焦炭炉测量技术的发展，延长设备使用寿命。

1.3 本论文的构成

绪论之后的第2章，在对热辐射的基本理论和黑体放射理论相关的物理法则进行叙述之后，对放射测温法的原理和在工业上的应用进行了简要描述。

第3章中介绍了热图像测量装置，并简要介绍了CCD摄像机的图像特性。

第4章中，对如何应用热成像测量技术进行焦炭炉的炉壁诊断作了描述。大容积的焦炭炉通常被加热到超过1000℃的高温，而且内部测量幅度狭小。设计了一种在进行炉壁热图像拍摄的同时采用激光束切割的3D测量手法，制作了搭载水冷结构的耐热性探测器的光学系统。对从炉壁表面得到的数据进行处理也是研究的一部分。长期运行使得焦炭炉炉壁劣化，对炉壁诊断得到的数据进行研究，可以将炉壁表面的损害控制在一定范围内。

第5章是本研究的结论部分，总结了本研究的成果，并对未来发展方向做出展望。

2 热辐射基本理论及测量应用

2.1 黑体辐射

所有对象的温度都有其相对应的电磁波谱和强度。这叫做热辐射或者简称为辐射。

基尔霍夫（Kirchhoff）在1860年发现了热线吸收体和辐射体法则，引入了完全吸收、辐射效率最高的黑体的概念。黑体（blackbody）也被称为完全辐射体（full radiator）。光的波长，与入射方向、偏振无关，它指的是入射光被完全吸收的理想放射体。辐射体在热平衡状态下具有在给定温度下的最大光谱辐射率。由于黑体完全吸收入射光，所以不存在透射情况。