基于雙金屬元件的物體內(nèi)部溫度X光測(cè)量研究

1、基于雙金屬元件的物體內(nèi)部溫度X光測(cè)量研究陳樹(shù)越，蔣星，朱雙雙（常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州213164）摘要：針對(duì)密封結(jié)構(gòu)體的溫度測(cè)量，提出一種基于對(duì)螺旋形雙金屬感溫元件X光成像的物體內(nèi)部溫度測(cè)量方法。首先，利用X射線成像設(shè)備獲取物體內(nèi)部雙金屬元件圖像，再對(duì)其采用區(qū)域生長(zhǎng)法進(jìn)行圖像分割以及邊緣檢測(cè)，得到雙金屬元件的圖像特征?；贖u不變矩在圖像旋轉(zhuǎn)平移的穩(wěn)定性，通過(guò)構(gòu)造溫度測(cè)量模型和實(shí)驗(yàn)研究，第一個(gè)Hu不變矩與溫度值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所給出的方法準(zhǔn)確可靠，為物體內(nèi)部溫度測(cè)量提供了一條新途徑。關(guān)鍵詞：X光成像；雙金屬元件；溫度測(cè)量；Hu不變矩；圖像識(shí)別中圖分類號(hào)：T

2、P212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ATemperature measurement inside object based on X-ray radiography with thermal bimetallic componentsChen Shuyue, Jiang Xing,Zhu Shuangshuang School of Information Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, ChinaAbstract: Aiming at the internal temperature measurement

3、 of the sealed objects, a technique based on X-ray radiography with the thermal spiral bimetallic component to obtain their interior temperature was presented. Firstly, the image of the bimetallic component that was put into the measured object was captured by X-ray radiographic equipment. Then the

4、region-growth method and the edge detection were employed to obtain the image feature of the bimetallic component. According to the shift-rotation invariability of Hu invariant moments, we found a good linear relationship between the first Hu invariant moments and temperature values through the esta

5、blished temperature models and experimental studies. Experimental results show that the given strategy is accurate and reliable. It provided a new approach for the interior temperature measurement. Keywords: X-ray radiography; bimetallic components; temperature measurement; Hu invariant moments; ima

6、ge recognition0引言作者簡(jiǎn)介：陳樹(shù)越(1963-)，男，漢族，河北定州人，教授，博士，主要從事檢測(cè)技術(shù)，數(shù)字圖像處理方向的研究蔣星(1990-)，男，漢族，湖南衡陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)，數(shù)字圖像處理方向的研究溫度檢測(cè)一直被廣泛地運(yùn)用在許多領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于溫度測(cè)量的主要手段包括紅外測(cè)溫、熱電偶、熱敏電阻測(cè)溫和激光測(cè)溫等?，F(xiàn)有的這些測(cè)溫方法只能測(cè)量物體或結(jié)構(gòu)表面的溫度，無(wú)法滿足某些場(chǎng)合中直接測(cè)量物體內(nèi)部溫度或?qū)ζ鋬?nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)控的要求1-2。如對(duì)密閉容器，例如管道、壓力容器、反應(yīng)釜等內(nèi)部溫度測(cè)量，在不允許容器表面鉆孔引出導(dǎo)線或因電磁屏蔽無(wú)法無(wú)線傳感等情況下，傳統(tǒng)的測(cè)

7、溫方法存在一定的局限性。本文測(cè)溫的基本方法是利用X射線成像系統(tǒng)，把平面螺旋型的雙金屬感溫元件置入構(gòu)件內(nèi)部需要測(cè)溫的區(qū)域，對(duì)采集到的X光圖進(jìn)行雙金屬片圖像提取分割，然后通過(guò)計(jì)算該圖像Hu不變矩，得出Hu不變矩與測(cè)量溫度之間的關(guān)系模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部實(shí)時(shí)溫度的測(cè)量，為密封結(jié)構(gòu)體內(nèi)部溫度測(cè)量提供了一種新方法。2 基于X射線視覺(jué)的溫度測(cè)量系統(tǒng)2.1內(nèi)部溫度測(cè)量構(gòu)建基于X射線的溫度測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，包括X射線源，像增強(qiáng)器和被測(cè)物體內(nèi)部的雙金屬元件。圖1 基于X射線視覺(jué)的內(nèi)部溫度測(cè)量系統(tǒng)為了實(shí)驗(yàn)研究所提出的溫度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了溫控系統(tǒng)，如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。該溫控系統(tǒng)主

8、要由溫控器、周波控制器、電磁繼電器、鉑電阻測(cè)溫傳感器和陶瓷加熱片構(gòu)成。溫控器輸出4-20mA電流經(jīng)過(guò)周波控制器，周波控制器控制電磁繼電器的通斷，進(jìn)而控制加熱片的工作狀態(tài)，鉑電阻將測(cè)量的溫度信號(hào)反饋給溫控器，這樣便能有效地控制溫度并顯示出來(lái)。小型溫控室由耐高溫隔熱合成石板在耐高溫膠水粘合下做成的。溫控室由耐高溫輕型非金屬材料構(gòu)成，實(shí)物如圖4所示。圖2溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖3溫控系統(tǒng)實(shí)物 圖4溫控室2. 2 雙金屬感溫原理 雙金屬感溫元件以熱膨脹原理測(cè)溫3,4，它是由兩種膨脹系數(shù)差別較大的金屬薄片通過(guò)疊焊后加工而成的。膨脹系數(shù)較大的被稱為主動(dòng)層，膨脹系數(shù)較小的被稱為被動(dòng)層。通常主動(dòng)層的材料有鎳，鎳鉻鐵合

9、金和鎳錳鐵合金等，被動(dòng)層的材料大多是鎳鐵合金，鎳的含量為34-50%。當(dāng)雙金屬片溫度發(fā)生變化時(shí)，由于兩種金屬片的線膨脹系數(shù)的不同，會(huì)產(chǎn)生不同程度上的膨脹和收縮，從而使雙金屬感溫元件彎曲變形。雙金屬片受熱原理圖如圖5所示，其中A和B分別為兩種不同的金屬片，B的膨脹系數(shù)比A的大。我們采用了螺旋形雙金屬感溫元件，其主動(dòng)層為錳鎳銅合金，被動(dòng)層為鎳合金，直徑約9.8mm，如圖6所示。隨著溫度增加，雙金屬感溫元件產(chǎn)生變形，其端點(diǎn)移動(dòng)軌跡如圖7所示中星號(hào)標(biāo)記。圖5雙金屬片熱膨脹原理圖 圖6 螺旋形雙金屬感溫元件實(shí)物 圖7 隨溫度變化端點(diǎn)移動(dòng)軌跡3.基于雙金屬成像的溫度模型和方法3.1雙金屬元件圖像的分割和提

10、取首先獲取雙金屬元件的X射線圖像，然后利用區(qū)域生長(zhǎng)法進(jìn)行圖像分割，最后經(jīng)Canny算子邊緣檢測(cè)得到其邊緣圖像，原始圖像、分割后圖像以及Canny邊緣檢測(cè)圖像分別如圖8(a) ,8(b)和8(c)所示。 (a)原始圖像 (b)分割后圖像 (c) Canny邊緣檢測(cè)圖像圖8 雙金屬元件X光圖像3.2基于Hu矩的溫度測(cè)量模型一般情況下，形狀的表示方法包含以下二類：第一類即基于邊界的方法，如Fourier描述子及變形模板的匹配5,6；第二類即基于區(qū)域的方法，如Hu不變矩7。與第一類不同，Hu不變矩使用的是整個(gè)圖像形狀信息，而不僅僅是形狀區(qū)域的外邊界。由于Hu不變矩在圖像經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)、尺度變換后仍具有不

11、變性。所以，利用Hu不變矩來(lái)描述雙金屬元件的形狀特征，這能更好的反應(yīng)雙金屬感溫元件隨溫度變化過(guò)程。把雙金屬X射線圖像f(x, y)的(p+q)階矩定義為9： (1)(p+q)階中心矩定義為： (2)式中，x=m10/m00，y=m01/m00 為雙金屬圖像重心位置的坐標(biāo)。mpq會(huì)隨著圖像的變化而改變，但pq只對(duì)旋轉(zhuǎn)敏感而對(duì)平移具有不變性8。(p+q)階中心矩進(jìn)行歸一化得到： (3)其中，r=(p+q+2)/2，則通過(guò)二階和三階中心矩可得到下面7個(gè)Hu不變矩，定義為9： (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)這種經(jīng)典算法的加法和乘法次數(shù)比較多，為了提高計(jì)算的速度，采用Hatam

12、ian提出的快速不變矩計(jì)算法10。基于Hu矩的溫度測(cè)量模型可以通過(guò)一個(gè)n次多項(xiàng)式表達(dá)，即 (11)其中，為Hu矩值，T為被測(cè)溫度，a1,a2,an為常數(shù)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可計(jì)算獲得這些常數(shù)。在實(shí)驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)不變矩1與溫度值之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。利用最小二乘法擬合出一條直線，通過(guò)下式計(jì)算得出該感溫元件的線性度。 (12)式中，A為量程，max為實(shí)際曲線與擬合直線的最大偏差。3.3 基于Hu矩的溫度測(cè)量方法首先將雙金屬感溫元件置于被測(cè)物體內(nèi)部，利用X射線成像系統(tǒng)采集被測(cè)溫度下雙金屬元件的X光圖像，然后對(duì)雙金屬元件進(jìn)行圖像分割提取，通過(guò)(4)式計(jì)算所分割圖像的Hu矩值1。最后基于溫度測(cè)量模型(1

13、1)式，計(jì)算所測(cè)的溫度值。測(cè)量方法流程如圖9所示。圖9 基于雙金屬元件測(cè)溫流程圖4 實(shí)驗(yàn)研究為了研究所提出的溫度測(cè)量方法的可行性，將雙金屬感溫元件放入溫控室內(nèi)，使用溫控器控制溫度。在不同溫度下拍攝一系列X光圖像，使用鉑電阻溫度傳感器測(cè)得的溫度作為實(shí)測(cè)值。再對(duì)所有圖像進(jìn)行處理進(jìn)而計(jì)算出其7個(gè)Hu不變矩。實(shí)驗(yàn)中雙金屬元件的測(cè)溫范圍為2068，采樣間隔為2。計(jì)算出1-7的值，分別分析各個(gè)不變矩與測(cè)量溫度的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)其中1與溫度T有良好的線性關(guān)系。根據(jù)雙金屬數(shù)學(xué)模型(11)式，我們采用3次多項(xiàng)式表達(dá)，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可獲得該感溫元件的模型如下： (13)采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行直線擬合，溫度

14、線性模型如下： (14) 根據(jù)(13)式和(14)式，可得到該感溫元件的線性度為3%。實(shí)測(cè)值與擬合直線之間的相對(duì)誤差，如表1所示。Hu不變矩值1與溫度之間的關(guān)系曲線如圖10所示，可見(jiàn)雙金屬的膨脹變形與溫度之間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。表1 實(shí)測(cè)值與擬合直線值比較測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)值()擬合直線值()相對(duì)誤差(%)測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)值()擬合直線值()相對(duì)誤差(%)12019.03211-4.839144646.000000.00022220.67816-6.008154848.021850.04632423.65252-1.448165050.498790.99842626.121050.466175251.6994

15、5-0.57852828.404791.445185453.36173-1.18263030.101560.339195655.39553-1.07973232.289010.903205857.33253-1.15183434.530791.561216059.75952-0.40193636.421041.170226261.18766-1.310103839.137482.993236463.37656-0.974114040.865602.164246666.263470.399124242.472241.124256868.502230.739134444.894332.033 圖1

16、0 Hu不變矩1與溫度關(guān)系曲線5 結(jié)論本文針對(duì)密閉構(gòu)件內(nèi)部溫度測(cè)量，提出一種利用Hu矩圖像旋轉(zhuǎn)和平移不變性，通過(guò)采集螺旋形雙金屬感溫元件的X射線圖像并提取以計(jì)算其變形，再利用溫控系統(tǒng)對(duì)該元件進(jìn)行的溫度控制。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中Hu不變矩1與溫度基本呈線性關(guān)系。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可行性。使用該方法測(cè)量構(gòu)件內(nèi)部溫度有著準(zhǔn)確度較高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。該方法不僅能測(cè)量?jī)?nèi)部溫度，同時(shí)還可用于物體的故障檢測(cè)，為更進(jìn)一步的溫度測(cè)量研究提供了一種思路。參考文獻(xiàn)1 Childs P R N, Greenwood J R, Long C A. Review of temperature measur

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