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Vigo紅外探測器在列車軸溫監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間： 2017-04-11　　點(diǎn)擊次數(shù)： 2877次

近年來，伴隨著列車的大幅提速，在列車軸溫探測技術(shù)的發(fā)展中，原有的熱敏電阻型傳感器已經(jīng)滿足不了需要，逐步采用紅外光敏探頭。它是利用一切溫度高于零度的物體都會向外輻射紅外線的原理，通過對熱輻射的探測獲知物體溫度的一種常用技術(shù)，具有更快的響應(yīng)速度。紅外探測器的發(fā)展經(jīng)過了早期中期近期三個(gè)階段，從結(jié)構(gòu)規(guī)模上看，由原來的單點(diǎn)探測器發(fā)展到了以混成技術(shù)和單片技術(shù)為基礎(chǔ)的焦平面陣列傳感器，增加了紅外探測面積，更好反應(yīng)被測對象信息，使其在工業(yè)上很多領(lǐng)域得到更多應(yīng)用。但是多點(diǎn)的高速面陣探測器價(jià)格昂貴，一般僅用于軍事領(lǐng)域。本文根據(jù)實(shí)際工程需求，針對列車紅外軸溫探測系統(tǒng)，提出了vigo四點(diǎn)象限單元碲鎘汞紅外探測器的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)在增強(qiáng)軸溫探測的可視性，提高熱軸兌現(xiàn)率方面，比目前的單點(diǎn)單探頭和雙探頭方案有所提高。本文所涉及的高速陣列數(shù)字式紅外探頭，可對每個(gè)軸承進(jìn)行4*32陣列式高速采集，軸溫?cái)?shù)據(jù)采集數(shù)量和位置的增多，使熱軸判別的依據(jù)更為豐富可靠，使熱軸報(bào)警準(zhǔn)確率的提高成為可能，同時(shí)也對陣列式軸溫探測系統(tǒng)提出了新的要求。
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的vigo多點(diǎn)紅外軸溫探測系統(tǒng)為適應(yīng)提速后列車的運(yùn)行速度和安全需求，整體系統(tǒng)實(shí)施方案為在鐵路兩旁鋪設(shè)兩組各四點(diǎn)的紅外傳感器探頭，均有獨(dú)立的探測處理器，用于同一軸承的左右兩端軸溫判定。當(dāng)磁鋼傳感器未檢測到過車信號時(shí)，探頭需要進(jìn)行狀態(tài)檢測和自我矯正；當(dāng)列車掠過軸溫探測器時(shí)，探測器進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，每個(gè)車軸信息均包括左右兩個(gè)探頭分別4點(diǎn)32次采集數(shù)據(jù)，選用485通信方式對數(shù)據(jù)及時(shí)上傳，左右探頭的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示
陣列式紅外探測
陣列式紅外傳感器紅外探測是應(yīng)用于非接觸式列車軸溫探測zui常用的方式，紅外傳感器的性能好壞由響應(yīng)率、噪聲等效功率、探測率等指標(biāo)衡量。而材料學(xué)的研究表明，碲鎘汞材料的電子有效質(zhì)量小，本征載流子濃度低，由其制成的MCT探測器具有噪聲低、探測率高、響應(yīng)時(shí)間短和響應(yīng)頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段仍是紅外探測器的主要研究對象[2]。本設(shè)計(jì)選用了四點(diǎn)象限單元碲鎘汞紅外探頭。探頭帶有光侵入式BaF2視窗、三級的TE制冷并采用改進(jìn)的TO-8封裝。該探頭的參數(shù)特點(diǎn)為：探測波長在2-12μm范圍，無須LN（液氮）制冷；快速響應(yīng)；無閃動噪聲；使用方便；動態(tài)范圍寬；小巧，耐用可靠。其外觀如圖2所示
線陣紅外軸溫探測器模型將多個(gè)探測單元排成列封裝在一起，通過放大處理和相應(yīng)的采集系統(tǒng)，應(yīng)用在軸溫探測中，可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)軸承覆蓋式掃描，繪制出軸承的熱分布圖，提高探測準(zhǔn)確度，如圖3所示。
紅外信號前端放大器設(shè)計(jì)
紅外傳感器檢測的電信號是有干擾噪聲、微安級的輸入。要求設(shè)計(jì)的前端放大電路同探測器特性匹配，并在調(diào)試過程中根據(jù)實(shí)際情況可以調(diào)整放大器參數(shù)，達(dá)到*信噪比，檢測出淹沒于背景噪聲的弱信號。根據(jù)多次試驗(yàn)研究，為濾除大部分噪聲，將微弱信號放大并增加帶載能力，達(dá)到主處理器所能夠進(jìn)行AD采集的電壓幅度，設(shè)計(jì)中為紅外探測器匹配了前置一級放大電路、濾波電路和二級放大電路。紅外探測器前端放大電路組成框圖如圖4所示。

在工程中，通常從以下兩個(gè)方面來要求光子紅外探測器前端放大器的設(shè)計(jì)：首先探測器前置放大器功率傳輸zui大，即放大器的輸入電阻等于光子探測器的內(nèi)阻，工作于匹配狀態(tài)，這時(shí)，在一定的入射光功率情況下，從放大器輸出端可得到zui大的輸出電功率；其次，要求光子探測器前置放大器輸出zui小的噪聲，即放大器要工作在*源電阻的情況下，此時(shí)在放大器輸出端可得到zui大的信噪比。
放大器零漂校正
在現(xiàn)有的紅外軸溫探測系統(tǒng)中，多數(shù)使用熱靶法進(jìn)行零點(diǎn)校正。即在探頭保護(hù)罩上安裝標(biāo)準(zhǔn)熱源，在無過車信號時(shí)，探頭不斷監(jiān)測該標(biāo)準(zhǔn)熱源，對自身零點(diǎn)進(jìn)行對比較正，以達(dá)到穩(wěn)定零點(diǎn)的目的。但該方法導(dǎo)致系統(tǒng)功耗過高，同時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)熱源的程度及穩(wěn)定程度要求也比較高，一旦該熱源出現(xiàn)故障，那么該探測器就將處于無零點(diǎn)狀態(tài)。
因此我們通過人為控制輸出偏置電壓的方法，去除傳感器溫度漂移。傳感器輸出電壓 vs 由零點(diǎn)電壓 vz 和信號電壓vr 組成，滿足：
vs = vz + vr （ 1）
vr ，是與被測量物理量直接相關(guān)的電壓，要通過控制器AD采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量用于軸溫判定。
vz 是零點(diǎn)電位，通過實(shí)際測量， vz 是隨環(huán)境溫度和供電電壓緩慢變化的，如環(huán)境溫度從15℃變化到25℃， zui大漂移可達(dá)幾十毫伏，如果經(jīng)過放大器放大，零點(diǎn)漂移甚至達(dá)到1伏左右。
為了只將vr 進(jìn)行放大采集，我們提供一個(gè) 補(bǔ) 償電壓 vn ，使vn = vz ，將 vs 和 vn 輸入差模放大器的兩輸入端。設(shè)放大器的增益為G，則放大器輸出為 (vz + vr - vn )G 。如果 vn = vz ，則輸出為 v G，可得到我們需要的電壓。我們利用控制器捕捉無車時(shí)溫度傳感器探測返回的零點(diǎn)漂移，并通過12位高精度DAC芯片輸出補(bǔ)償模擬電壓vn 至前級儀表放大器，消除零點(diǎn)。
在列車經(jīng)過探頭的時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)則停止校正并鎖存DAC調(diào)零輸出，探頭以此刻DAC調(diào)整的輸出狀態(tài)作為探測零點(diǎn)開始進(jìn)行工作。如圖6所示為實(shí)驗(yàn)室測得漂移校正前后放大器一二級波形。
陣列信號在軸溫探測中需要處理的關(guān)鍵技術(shù)
陣列信號采集的同步性
探測過程中，陣列傳感器需要對軸承溫度進(jìn)行掃描，因此需要保持對陣列傳感器數(shù)據(jù)的同步采集，以保證4路傳感器輸出信號為軸箱側(cè)面上同一探測縱線上的四點(diǎn)，避免因?yàn)橄到y(tǒng)數(shù)據(jù)采集不同步造成采集點(diǎn)位差別過大問題，影響zui終軸溫?cái)?shù)據(jù)的融合及判定。如圖6所示。圖b中采集的4點(diǎn)不在一個(gè)x軸上，即使輸出的信號不同，也無法確認(rèn)是因?yàn)橄到y(tǒng)采集誤差造成還是采集點(diǎn)位置有別造成，因此需要提高四點(diǎn)采集的同步性。本文采用4路并列信號輸出的碲鎘汞陣列探測器， 4路分別獨(dú)立輸出連續(xù)模擬電壓信號，因此制約數(shù)據(jù)同步性的因素為采集系統(tǒng)的ADC模塊，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)明確了ADC的采集方式以及采集頻率，保證陣列信號的同步采集，以提高采集的軸溫?cái)?shù)據(jù)的合理性，為熱軸判定提供基礎(chǔ)。該文轉(zhuǎn)自電子產(chǎn)品世界雜志。

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