采用TCS230顏色傳感器的測(cè)溫方法及實(shí)驗(yàn)研究①

趙光藝， 趙光興

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241002;2.安徽工業(yè)大學(xué)數(shù)理學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

高溫物體溫度測(cè)量是冶金工業(yè)中一項(xiàng)重要工作，目前采用的接觸式測(cè)量方法，因其自身的局限性使測(cè)溫效率不高，已不能滿足生產(chǎn)精度越來(lái)越高的要求.因此，研究一種可靠的非接觸式的測(cè)溫方式對(duì)冶金行業(yè)具有十分重要的實(shí)際意義.輻射測(cè)溫中的顏色法測(cè)溫是通過(guò)高溫輻射體在其可見(jiàn)光波段內(nèi)的輻射信息—顏色來(lái)反映溫度，其具有接觸式測(cè)量法所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn).目前很多學(xué)者都在應(yīng)用彩色圖象處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫體溫度的遠(yuǎn)程測(cè)量并取得了諸多成效[1].

運(yùn)用彩色圖象處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射體溫度的遠(yuǎn)程軟測(cè)量方法[2]，其測(cè)量過(guò)程需要處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，很大程度上限制了檢測(cè)的實(shí)時(shí)速度和測(cè)量精度.因此，深入研究顏色測(cè)溫方法，開(kāi)發(fā)出一種既具備非接觸測(cè)溫法的優(yōu)點(diǎn)，又具備極強(qiáng)的實(shí)用性和普及性的測(cè)溫裝置，將具有極高的科學(xué)和社會(huì)意義，由此本文提出基于顏色傳感器和低功耗單片機(jī)相結(jié)合的非接觸式顏色測(cè)溫法.

1 測(cè)量原理

顏色測(cè)溫法是輻射測(cè)溫的范疇，該方法通過(guò)測(cè)量物體在可見(jiàn)光波段內(nèi)的輻射信息(即顏色)來(lái)反演溫度.輻射測(cè)溫一般基于Planck輻射定律，當(dāng)輻射波長(zhǎng)小于1μm及溫度小于3000k的范圍內(nèi)時(shí)，輻射的單色光強(qiáng)度滿足:

式中:ελ為單色輻射率;T為絕對(duì)溫度;λ為波長(zhǎng);c1和c2為物理常數(shù).

輻射測(cè)溫中，一般選用輻射測(cè)量傳感器來(lái)采集物體在高溫時(shí)發(fā)出的彩色光信息.本文選用的輻射測(cè)量傳感器是顏色傳感器TCS230[3].TCS230在單一芯片上集成了3種由光電二極管構(gòu)成的紅、綠、藍(lán)濾波器，另外還提供了一組不帶任何濾波器的光電二極管，可以透過(guò)全部的光信息[4].當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過(guò)測(cè)量程序控制，可依次選通R，G，B三種濾波器，相應(yīng)獲得三種不同頻率的方波，三個(gè)頻率值分別與RGB三基色的三個(gè)色系數(shù)相對(duì)應(yīng).通過(guò)這三個(gè)值，就可以分析投射到TCS230傳感器上光的顏色信息[9].

在一定的測(cè)試距離和光學(xué)系統(tǒng)中，若TCS230傳感器接收到的輻射能譜為ET(λ)，則R，G，B三個(gè)通道是輸出為:

該式表明，高溫輻射體因自身輻射所表現(xiàn)出來(lái)的色彩特征，取決于其輻射光譜.通過(guò)TCS230測(cè)量輻射體的色系數(shù)，再根據(jù)上述算法，就可算出物體溫度.這就是三基色測(cè)溫原理[5].

由三基色測(cè)溫原理得出的式(2)是一個(gè)非線性方程組，計(jì)算量較大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，影響溫度的測(cè)量精度.對(duì)此，項(xiàng)目組對(duì)TCS230的光譜響應(yīng)特性進(jìn)行了深入分析，提出了一種簡(jiǎn)化算法，即對(duì)高溫體進(jìn)行灰體假設(shè)及TCS230作窄帶寬假設(shè)，這樣式(2)方程組求解過(guò)程就簡(jiǎn)化為式(3)，但由此會(huì)產(chǎn)生誤差，需要進(jìn)行修正[6].

式中，λR，λG，λB分別表示 R，G，B 三通道光譜響應(yīng)曲線峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，kR，kG，kB為比例系數(shù)(由R，G，B值和具體光路系統(tǒng)確定);如果取R，G，B中的任意兩種色系數(shù)，就可以由式(3)求出物體溫度，若以式(3)前兩方程為例，有:

2 誤差分析

TCS230測(cè)溫的計(jì)算公式是在輻射體進(jìn)行灰體假設(shè)和TCS230作窄帶寬假設(shè)條件下推導(dǎo)的結(jié)果，顯然溫度計(jì)算值與實(shí)際溫度會(huì)存在偏差，需要進(jìn)行修正.

2.1 灰體假設(shè)引起的誤差的修正

實(shí)際被測(cè)的高溫輻射體通常并非灰體，特別是當(dāng)兩種基色光的波長(zhǎng)差距明顯時(shí)，測(cè)出溫度的偏差就不可被忽略.從理論上來(lái)講，針對(duì)同一溫度:TRG，TRB，TGB三個(gè)值應(yīng)是相等的，但實(shí)際測(cè)量結(jié)果并非完全一致.TRG，TRB，TGB雖然與真實(shí)溫度值有一定偏差，但三者和溫度真值之間是具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)的[6].通過(guò)相關(guān)性分析，可以得到一個(gè)修正溫度T.

式(5)是一個(gè)修正后的計(jì)算溫度值.

2.2 TCS230光譜響應(yīng)特性非理想所造成誤差的校正

在TCS230測(cè)溫公式的推導(dǎo)中，作了窄帶寬假設(shè)，視TCS230的光譜響應(yīng)特性為理想沖激響應(yīng).但實(shí)際上顏色傳感器的光譜響應(yīng)特性并不能滿足這一假設(shè)，由此也會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差.

當(dāng)TCS230傳感器確定之后，其光譜響應(yīng)特性也隨之被確定下來(lái).測(cè)溫計(jì)算公式中的KRG與溫度和TCS230傳感特性皆相關(guān)，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以確定KRG值，由此可以減小因TCS230光譜響應(yīng)特性非理想性帶來(lái)的測(cè)量誤差[7].

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 測(cè)溫系統(tǒng)的組成

在實(shí)驗(yàn)中，基于TCS230顏色傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)的原理如圖1所示，主要包括微處理器MSP430控制部分，顏色傳感器TCS230，高精度光學(xué)高溫計(jì)、電源模塊及光源等部分.

圖1 基于TCS230顏色傳感器的測(cè)溫系統(tǒng)的原理圖

圖2 KRG與ln(G/R)關(guān)系曲線

3.2 標(biāo)定與測(cè)試

在1000℃ ～2000℃的溫度區(qū)間內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)顏色傳感器TCS230輸出的R，G，B值具有關(guān)系:R＞G＞B.測(cè)溫時(shí)采用R－G組合的測(cè)溫計(jì)算公式，針對(duì)這范圍內(nèi)的多溫度點(diǎn)標(biāo)定并利用Matlab工具繪出ln(G/R)和KRG的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖2所示.

借助 Matlab工具，運(yùn)用最小二乘法對(duì)ln(G/R)及其對(duì)應(yīng)的KRG數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合.取擬合次數(shù)為5，不但滿足了擬合誤差小[8]，計(jì)算量小，編程簡(jiǎn)單的要求，而且還易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè).由此而獲得擬合結(jié)果為:

KRG=－ 777.3353 X5－ 2956.7328X4－ 4458.1231X3－3331.0511 X2－1231.5226 X－181.0993(X代表ln(G/R)) (6)

表1 溫度計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值比較

實(shí)際測(cè)溫時(shí)，利用該關(guān)系式和測(cè)溫公式(4)便可計(jì)算出溫度.在試驗(yàn)中，我們用標(biāo)定后的測(cè)溫公式對(duì)[1000℃ ～2000℃]范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試部分結(jié)果如表1.

3.3 結(jié)果分析

在測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果表明該測(cè)溫方法具有測(cè)量曲線線性度較好的特點(diǎn).顏色傳感器TCS230與其他的傳感器一樣具有一個(gè)測(cè)量范圍，在測(cè)量時(shí)R，G，B在RGB空間取值不能太大，以免進(jìn)入飽合區(qū)，也不能太小，使測(cè)量精度下降.通常根據(jù)測(cè)量時(shí)TCS230輸出的 R，G，B 值不超出[2000，62000]的范圍來(lái)確定測(cè)溫范圍，這樣來(lái)保證測(cè)量溫度在該范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)具有足夠的測(cè)量精度.

由表中數(shù)據(jù)可以看出，最大相差40.3K，最大相對(duì)誤差為3.16%，二者吻合良好，優(yōu)于一般工業(yè)精度5%的要求[9].測(cè)量系統(tǒng)比較準(zhǔn)確地獲得加熱電爐溫度信息，可見(jiàn)基于TCS230設(shè)計(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)具有較高測(cè)量精度.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的采用數(shù)字式TCS230顏色傳感器的測(cè)溫新方法，通過(guò)對(duì)顏色傳感器所測(cè)的R，G，B值用擬合方法獲得測(cè)量曲線，建立溫度測(cè)量公式，并運(yùn)用該方法在實(shí)驗(yàn)室對(duì)溫度可調(diào)的加熱電爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此測(cè)溫方法原理簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高，可獲得滿意的線性測(cè)量曲線，實(shí)現(xiàn)了溫度與顏色的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，是一種有效的非接觸顏色測(cè)溫方法.

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