第七章-红外线轴温探测系统讲解

第七章红外线轴温探测系统红外技术概述红外辐射基本知识红外测温基本原理红外线轴温探测系统7.1红外技术概述红外技术是在最近几十年发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。红外技术应用可分为以下几方面：①红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；②搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；③热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；④红外测距和通信系统；⑤混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。7.1.1红外辐射的基本知识红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76~1000mm，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外线的本质与可见光或电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二象性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。7.1.1红外辐射的基本知识红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是0.3~2.6mm、3~5mm和8~14mm，统称为“大气窗口”。如图所示，为通过一海里长度的大气透过率曲线。7.1.1红外辐射的基本知识这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。能全部吸收投射到它表面的红外辐射物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。7.1.1红外辐射的基本知识1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是基尔霍夫定律，可由下式表示式中，Er为物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；a为物体的吸收系数；E0为常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能，它是常数。0rEE4.2红外辐射的基本定律2.斯忒藩-玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为4TE式中，T为物体的绝对温度，单位为K；=5.67×10-8W/(m2·K4)为斯忒藩-玻尔兹曼常数；为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的=1。4.2红外辐射的基本定律3.维恩位移定律热辐射发射的电磁波中包含各种波长。实验证明物体峰值辐射波长lm与物体自身的绝对温度T成反比。即lm=2897/T(mm)4.2红外辐射的基本定律如图所示给出了不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表示了由上式描述的峰值波长与温度的关系曲线。由图可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。如人体温度为36~37℃，所辐射的红外线波长为9~10mm。4.2红外辐射的基本定律7.1红外技术概述我们都知道，车辆在运行时，承重轴承都会由于摩擦而产生热量，轴承正常运转时，它所产生的热量会使其表面的温度趋于稳定值。当轴承内部出现故障时，便会使它的摩擦加剧，温度突升，达到一定程度时，便形成热轴，严重者导致切轴，使运行中的车辆颠覆，给行车带来了重大财产损失。红外轴温探测系统的诞生热轴现象的产生，无疑给铁路行车安全带来很大安全隐患。为了积极避免这一现象给行车安全带来的隐患，多年来，人们一直致力于轴温探测系统的研究中。红外轴温探测系统就是人们研究出来的一种利用红外线进行非接触式的轴温探测方式之一。什么是红外线？红外线：就是在可见光的红色光谱外端还有一种看不见的辐射线存在，而且具有热效应，人们习惯称之为红外线。它不象紫外线，X射线那样，它是一种很常见辐射线，在自然界当中，只要不是低于绝对零点温度(-273℃)以下的物体，就具有红外线。在日常生活中，人们利用红外线的特性，研制了好多有利于人们生活的产品，比如：红外防盗报警器、红外测温仪等等。红外轴温探测系统的发展红外轴温探测系统的发展大致经历了两个阶段，一代机阶段，限于当时国内红外元件质量和其它电子技术条件，当时红外探头采用热敏电阻和交流放大器，显示部分采用描笔直接记录每个轴温信息，最后由人工判别轴温波形并进行热轴预报。二代机阶段，是在一代机的基础上，融入单板计算机技术为主要特点。二代机的发展目前，随着计算机技术的飞越发展，二代机红外轴温探测系统也经历了多次更型，功能和探测数据上也逐渐趋于准确完善。我们哈科所研制的二代机经历了以下几个产品阶段：一型机HTK187(87年产品定型)二型机HTK289(89年产品定型)三型机HTK391(91年产品定型)四型机HTK499(99年产品定型)目前我们全面推广的是HTK499型红外轴温探测系统。第一节：红外轴温度简介1.1红外线就是在可见光的红色光谱外端还有一种看不见的辐射线存在，而且具有热效应。1.2红外轴温系统的诞生1.21车辆轴温现象车辆在运行时，承重轴承都会由于摩擦而产生热量，轴承正常运转时，它所产生的热量会使其表面的温度趋于稳定值。当轴承内部出现故障时，便会使它的摩擦加剧，温度突升，达到一定程度时，便形成热轴，严重者导致切轴，使运行中的车辆颠覆，给行车带来了重大财产损失。1.22红外轴温度的产生为了积极避免车辆轴温现象给行车安全带来的隐患，多年来，人们一直致力于轴温探测系统的研究中。红外轴温探测系统就是人们研究出来的一种利用红外线进行非接触方式的轴温探测方式之一。1.3红外轴温度发展红外轴温探测系统的发展大致经历了两个阶段，一代机阶段，限于当时国内红外元件质量和其它电子技术条件，当时红外探头采用热敏电阻和交流放大器，显示部分采用描笔直接记录每个轴温信息，最后由人工判别轴温波形并进行热轴预报。二代机阶段，是在一代机的基础上，融入单板计算机技术为主要特点。1.31二代机的发展目前，随着计算机技术的飞越发展，二代机红外轴温探测系统也经历了多次更型，功能和探测数据上也逐渐趋于准确完善。我们哈科所研制的二代机经历了以下几个产品阶段：一型机HTK187(87年产品定型)二型机HTK289(89年产品定型)三型机HTK391(91年产品定型)四型机HTK499(99年产品定型)目前我们全面推广的是HTK499型红外轴温探测系统。系统概述HTK-499型红外热轴探测系统是为适应我国铁路提速需求而研制的新一代探测设备。HTK-499红外热轴探测系统可完成对高速通过列车轴温数据的动态采集及定量测量，实现热轴智能判别。第二节HTK-499型红外轴温探测系统主要技术指标系统是完全自动的无人操作自动定量测量轴箱的温度自动判别列车（上、下行）运行方向自动识别和排除机车自动测速自动识别客、货车辆自动计轴、计辆系统内置故障自检系统,监测提示系统故障系统不受通过列车或机车的电磁干扰(EMI)的影响自动识别滚动轴承和滑动轴承主要技术指标自动探测蒸汽、内燃和电力机车牵引区段内运行的各种（含客、货）车辆的热轴故障，并按微热、强热、激热分级预报。适应列车运行速度5～360KM/H。存储120列车的探测数据。利用传输线与上位机直接通话。系统提供与其它检测设备的接口,如垂下品、热轮等可扩展车号识别进行热轴准确跟踪可配套光子探头，适应高速探测列车区段主要技术指标具有防震,防潮,防腐蚀措施适应温湿度条件室外设备室内设备环境温度-40--70度0--60度相对湿度0-100%0-85%防振性能,当有振动或冲击时,系统应能正常工作并不受损坏振动5-10HZ2mmp-p10-50Hz2mmp-p50-100Hz2.8gp100-200Hz2.8gp冲击移动的10gp固定的10gp11ms基本原理图探测站主机轴温传感器(探头)(接收轴承温度信号)车轮传感器(磁钢)(接收车轮信号)车轮信号接口处理模块轴温信号接口处理模块通讯接口模块上位机主机控制模块系统构成硬件构成图示室外设备位置HTK-499型红外轴温探测系统，1号磁钢距2号磁钢距离大于50m，2号、3号磁钢间距为270mm±2mm。探头位于探头箱内，探头元件中心低于轨面160～180mm，距钢轨内侧面415±5mm，与钢轨内侧夹角为6°～8°，探头仰角为45°。两探头元件中心连线与钢轨垂直，对应每个轴头在钢轨上的采集距离为450mm。室外设备位置室外设备图扫描位置示意滑动轴箱滚动轴承415位置扫描后的轨迹客车轴承260位置扫描后的轨迹滚动轴承端盖新型定标器使用方法温度控制误差±0.5%温度控制范围0~100℃工作电源：交流220±10%50Hz工作环境：0~50℃相对温度≤85%的无腐蚀及无强电磁场辐射的环境输出功率≤600W新型定标架角度校正方法若是新卡具，置标准架于离3#磁钢中心470mm处。(此为60公斤轨如果为75公斤轨则放至490mm处;50公斤轨则放至450mm处)，打开校正器开关，激光打在标准架前标靶圆里中心位置（320、378）半径8mm，后靶圆心（420，368），半径10mm为扫描点，若不在靶范围，则调整探头位置。老卡具，2#磁钢中心对准卡具后螺栓中心此外，如果是老夹具（2#磁钢中心对准探头箱夹具后螺栓中心的安装方式），则标准架的位置应相对于新卡具尺寸提前45mm。即60公斤轨应放至于425mm处。50轨则应放至于距3#磁钢中心405mm处。新型定标架角度校正方法实验车Z字板Z字板原理是透过隔热板的缝隙采集黑体，从而形成尖峰波形，并通过尖峰的相对位置来评测探头角度。Z字板415260隔热板黑体实验车Z字板波形一般的说，一峰可以通过调整探头45度仰角及延时点来控制其位置，峰峰则可以通过调整415尺寸及6度夹角来控制。只要按照新型定标架认真调整探头角度，基本上都可以使角度满足优秀。Z字板波形优秀的条件是：一峰距起点位置6~10点，峰峰间隔为12~16点。Z字板注意事项1.建议过实验车时尽量不要使用391磁钢板上三路，因为上三路抗干扰性好，但波形滞后与速度成正比，会导致Z字板一峰位置偏小，如果确实干扰太大，可以通过调整整形电路电阻参数，入口匹配电阻由3.6K调整为1.8K，放大倍数电阻R？由82K调整为27K，门限电阻由10K调整为15K~21K。2.使用499磁钢板则可考虑使用脉宽检测电路，6个跨接套均跨在1、2脚，并调整电位器阻值，其阻值与抗干扰性成正比，经验值：60K以下，否则容易滤掉实验车假轴。光子探头光子探头主要技术指标适用车速：0-360km/h；探头输出信噪比：有效值大于25db（目标温差为5℃时）；静态输出电压：+1.000±0.010V；静噪声：≤10mV（有效值）；测温范围：-40℃-150℃视场:Φ40mm（距离为800mm时）；漂移：150mV/5min；响应速度：1μS；供电电源：±17V-±18V；致冷电流：810mA校零电压：5V；工作温度：-40℃-60℃；主机箱主机箱内由多块功能模板组成信息处理计算机主体，各模板以其主要功能分别为主机板、磁钢板、探头板、控制扳、串口板、数传板、无线扩展板。负责完成信号的采集和处理。主机板主机板是HIK-499红外轴温探测系统的核心，完成对磁钢板，采集板，通讯板，控制板等的控制和管理。根据这几块电路板送来的信号，统计出当前通过列车的车辆数、列车速度、列车行驶方向、列车各轴的温度等数据，及时给出热轴告警。主要技术指标主机板的总线接口符合STD-BUS标准。采用486-66（586-133）嵌入式主机板，具有2个