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Vigo紅外探測(cè)器在列車軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用
閱讀：2209 發(fā)布時(shí)間：2017-4-11近年來(lái)， 伴隨著列車的大幅提速， 在列車軸溫探測(cè)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(huì)向外輻射紅外線的原理， 通過(guò)對(duì)熱輻射的探測(cè)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(cè)器的發(fā)展經(jīng)過(guò)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(lái)的單點(diǎn)探測(cè)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(cè)面積， 更好反應(yīng)被測(cè)對(duì)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(cè)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(duì)列車紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)， 提出了vigo四點(diǎn)象限單元碲鎘汞紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)思想， 系統(tǒng)在增強(qiáng)軸溫探測(cè)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(duì)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(duì)陣列式軸溫探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到過(guò)車信號(hào)時(shí)， 探頭需要進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和自我矯正； 當(dāng)列車掠過(guò)軸溫探測(cè)器時(shí)， 探測(cè)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(duì)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(cè)
陣列式紅外傳感器紅外探測(cè)是應(yīng)用于非接觸式列車軸溫探測(cè)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(cè)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(cè)器具有噪聲低、 探測(cè)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(cè)器的主要研究對(duì)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(jí)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(cè)波長(zhǎng)在2-12μm范圍， 無(wú)須LN（ 液氮） 制冷； 快速響應(yīng)； 無(wú)閃動(dòng)噪聲； 使用方便； 動(dòng)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(cè)器模型將多個(gè)探測(cè)單元排成列封裝在一起， 通過(guò)放大處理和相應(yīng)的采集系統(tǒng)， 應(yīng)用在軸溫探測(cè)中， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)軸承覆蓋式掃描， 繪制出軸承的熱分布圖， 提高探測(cè)準(zhǔn)確度， 如圖3所示。
紅外信號(hào)前端放大器設(shè)計(jì)
紅外傳感器檢測(cè)的電信號(hào)是有干擾噪聲、 微安級(jí)的輸入。 要求設(shè)計(jì)的前端放大電路同探測(cè)器特性匹配， 并在調(diào)試過(guò)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(cè)出淹沒(méi)于背景噪聲的弱信號(hào)。根據(jù)多次試驗(yàn)研究， 為濾除大部分噪聲， 將微弱信號(hào)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(cè)器匹配了前置一級(jí)放大電路、 濾波電路和二級(jí)放大電路。 紅外探測(cè)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(lái)要求光子紅外探測(cè)器前端放大器的設(shè)計(jì)： 首先探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(wú)過(guò)車信號(hào)時(shí)， 探頭不斷監(jiān)測(cè)該標(biāo)準(zhǔn)熱源， 對(duì)自身零點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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(guò)高， 同時(shí)對(duì)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(cè)器就將處于無(wú)零點(diǎn)狀態(tài)。
因此我們通過(guò)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(hào)電壓vr 組成， 滿足：
vs = vz + vr （ 1）
vr ， 是與被測(cè)量物理量直接相關(guān)的電壓， 要通過(guò)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(guò)實(shí)際測(cè)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(guò)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(wú)車時(shí)溫度傳感器探測(cè)返回的零點(diǎn)漂移， 并通過(guò)12位高精度DAC芯片輸出補(bǔ)償模擬電壓vn 至前級(jí)儀表放大器， 消除零點(diǎn)。
在列車經(jīng)過(guò)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(cè)零點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行工作。 如圖6所示為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得漂移校正前后放大器一二級(jí)波形。
陣列信號(hào)在軸溫探測(cè)中需要處理的關(guān)鍵技術(shù)
陣列信號(hào)采集的同步性
探測(cè)過(guò)程中， 陣列傳感器需要對(duì)軸承溫度進(jìn)行掃描， 因此需要保持對(duì)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(hào)為軸箱側(cè)面上同一探測(cè)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(guò)大問(wèn)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(hào)不同， 也無(wú)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(hào)輸出的碲鎘汞陣列探測(cè)器， 4路分別獨(dú)立輸出連續(xù)模擬電壓信號(hào)， 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(hào)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。