工業機器人紅外視覺系統快門補償效果的實驗研究

陳淑玲 趙 鑫 林利芬

（武漢軟件工程職業學院，湖北武漢430205）

0 引言

通常，輻射率越高則補償效果越好，所以現有的快門顏色大多為黑色，表面處理多采用氧黑、噴砂氧黑、噴塑、涂黑漆等工藝。從理論上分析，快門放置在光路中的位置不同，其補償效果也不一樣。

本文試圖驗證輻射率與快門補償效果之間的關系，并尋找到一種輻射率高的材料或表面處理工藝，用這種材料或表面處理工藝來制作快門，從而全面提高工業機器人紅外視覺系統的補償效果，一定程度上提高成像質量。

1 輻射率的定義及計算、測量方法

同一物體的輻射率等于吸收率，通俗地講就是“好的吸收體也是好的輻射體”，但根據其定義無法進行輻射率計算、測量的實際操作，因此本文提出了一種更具有操作性的近似的輻射率計算、測量方法。

先定義下列變量：

Wtot——探測器接受的總輻射能；

Wobj——目標的總輻射能；

Watm——大氣的總輻射能；

Wamb——周圍環境的總反射輻射能。

由式（1）整理得：

在室內條件下τ=1，可得：

由參考文獻知，表面溫度為T，光譜范圍為[λ1，λ2]，當λ1=0，λ2=∞時：

其中，б=5.67×10-8W/（m2·K4）。

可先用傳統的測溫裝置測得Tamb和Tobj，然后通過式（4）計算出Wamb和Wobj。Wtot可利用紅外熱像儀間接測得，方法是將熱像儀的拍攝輻射率設置為1，即ξ′=1，則式（1）可寫為：

2 輻射率的測量實驗

本文測量輻射率的方法就是根據上述輻射率的推導原理制定的。工業機器人紅外視覺系統有一可設置的參數ξ，ξ表示的是被測物體的輻射率，以黑體為參照物，近似認為黑體的輻射率為1，將快門片緊貼在黑體的正中心，等快門片溫度穩定后，使用工業機器人紅外視覺系統測量黑體和快門片的實際溫度，假設為T1、T2，通過調節ξ，使得T1=T2時，近似地認為這時的ξ為快門的輻射率。

實驗步驟：

（1）將一號快門片（本地氧黑處理，如圖1所示）緊緊貼在黑體的正中間位置，黑體溫度設定到60℃，等到黑體溫度穩定后再保溫0.5 h。

圖1 本地氧黑處理快門

（2）把工業機器人紅外視覺系統的參數ξ設置為1，測量黑體的溫度，記為T1。

（3）用某熱成像儀測量快門片溫度的時候，通過改變ξ的值，使得T2=T1，記錄此時ξ1的值，這個值就是一號快門的輻射率。

（4）更換快門片，重復以上步驟，分別測量不同材料和表面處理工藝的快門的輻射率。

實驗數據：測得表面處理為本地氧黑、北京雙面氧黑、表面貼青殼紙、表面貼砂紙的快門輻射率ξ分別0.92、0.94、0.945、0.86。

3 不同輻射率的快門補償效果實驗

通過這個實驗想來驗證輻射率與快門補償效果之間的關系，驗證是否輻射率越高的快門補償效果就越好。那么怎樣判斷補償效果的好壞呢？可以通過讀取測試程序里的非均勻性數值NUC來衡量，先計算一片成像區域所有像元的平均AD值X（AD值能表示像元的亮度），然后再求得每個像元的AD值Xi與均值X之間的差的平方和。即如表1數據顯示，各個像元之間AD值的差異越小，則N值也越小。

表1 不同輻射率的快門非均勻性計算

不同輻射率的快門補償效果曲線如圖2所示。

圖2 不同輻射率的快門補償效果曲線

4 結語

本文利用控制變量法，即在兩次或多次對比實驗中，保證只有快門的一個實驗條件不同，其他實驗條件保持一致，保證快門測試的準確性。由不同輻射率的快門補償效果實驗可知，貼青殼紙快門在不同非均勻區域的對比非均勻性數值最小，補償效果最好，其次是北京氧黑快門。在不同非均勻區域的實驗結果與事先的推論基本一致，這也就驗證了快門輻射率越高，補償效果越好。采用貼青殼紙快門對提高工業機器人紅外視覺系統補償效果、提升成像質量有一定的作用。