Vigo紅外探測器在列車軸溫監測系統中的應用

近年來， 伴隨著列車的大幅提速， 在列車軸溫探測技術的發展中，原有的熱敏電阻型傳感器已經滿足不了需要， 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， 具有更快的響應速度。 紅外探測器的發展經過了早期中期近期三個階段， 從結構規模上看， 由原來的單點探測器發展到了以混成技術和單片技術為基礎的焦平面陣列傳感器， 增加了紅外探測面積， 更好反應被測對象信息， 使其在工業上很多領域得到更多應用。但是多點的高速面陣探測器價格昂貴， 一般僅用于軍事領域。本文根據實際工程需求， 針對列車紅外軸溫探測系統， 提出了vigo四點象限單元碲鎘汞紅外探測器的設計思想， 系統在增強軸溫探測的可視性，提高熱軸兌現率方面， 比目前的單點單探頭和雙探頭方案有所提高。 本文所涉及的高速陣列數字式紅外探頭，可對每個軸承進行4*32陣列式高速采集， 軸溫數據采集數量和位置的增多， 使熱軸判別的依據更為豐富可靠， 使熱軸報警準確率的提高成為可能， 同時也對陣列式軸溫探測系統提出了新的要求。

系統總體設計
本文設計的vigo多點紅外軸溫探測系統為適應提速后列車的運行速度和安全需求， 整體系統實施方案為在鐵路兩旁鋪設兩組各四點的紅外傳感器探頭， 均有獨立的探測處理器， 用于同一軸承的左右兩端軸溫判定。 當磁鋼傳感器未檢測到過車信號時， 探頭需要進行狀態檢測和自我矯正； 當列車掠過軸溫探測器時， 探測器進入數據采集狀態， 每個車軸信息均包括左右兩個探頭分別4點32次采集數據， 選用485通信方式對數據及時上傳， 左右探頭的系統設計框圖如圖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率、 噪聲等效功率、 探測率等指標衡量。 而材料學的研究表明， 碲鎘汞材料的電子有效質量小， 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、 響應時間短和響應頻帶寬等優點， 現階段仍是紅外探測器的主要研究對象[2]。 本設計選用了四點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制冷并采用改進的TO-8封裝。 該探頭的參數特點為： 探測波長在2-12μm范圍， 無須LN（ 液氮） 制冷； 快速響應； 無閃動噪聲； 使用方便； 動態范圍寬； 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探測單元排成列封裝在一起， 通過放大處理和相應的采集系統， 應用在軸溫探測中， 可以實現對整個軸承覆蓋式掃描， 繪制出軸承的熱分布圖， 提高探測準確度， 如圖3所示。

紅外信號前端放大器設計
紅外傳感器檢測的電信號是有干擾噪聲、 微安級的輸入。 要求設計的前端放大電路同探測器特性匹配， 并在調試過程中根據實際情況可以調整放大器參數， 達到*信噪比， 檢測出淹沒于背景噪聲的弱信號。根據多次試驗研究， 為濾除大部分噪聲， 將微弱信號放大并增加帶載能力， 達到主處理器所能夠進行AD采集的電壓幅度， 設計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， 通常從以下兩個方面來要求光子紅外探測器前端放大器的設計： 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阻， 工作于匹配狀態，這時， 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
在現有的紅外軸溫探測系統中，多數使用熱靶法進行零點校正。 即在探頭保護罩上安裝標準熱源， 在無過車信號時， 探頭不斷監測該標準熱源， 對自身零點進行對比較正， 以達到穩定零點的目的。 但該方法導致系統功耗過高， 同時對標準熱源的程度及穩定程度要求也比較高， 一旦該熱源出現故障， 那么該探測器就將處于無零點狀態。

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的電壓， 要通過控制器AD采集轉換成數字量用于軸溫判定。
vz 是零點電位 ， 通過實際測量， vz 是隨環境溫度和供電電壓緩慢變化的， 如環境溫度從15℃變化到25℃， zui大漂移可達幾十毫伏， 如果經過放大器放大， 零點漂移甚至達到1伏左右。
為了只將vr 進行放大采集 ，我 們 提 供 一 個 補 償 電 壓 vn ， 使vn = vz ， 將 vs 和 vn 輸入差模放大器的兩輸入端。 設放大器的增益為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溫度傳感器探測返回的零點漂移， 并通過12位高精度DAC芯片輸出補償模擬電壓vn 至前級儀表放大器， 消除零點。

在列車經過探頭的時間內， 單片機則停止校正并鎖存DAC調零輸出，探頭以此刻DAC調整的輸出狀態作為探測零點開始進行工作。 如圖6所示為實驗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鍵技術
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行掃描， 因此需要保持對陣列傳感器數據的同步采集， 以保證4路傳感器輸出信號為軸箱側面上同一探測縱線上的四點， 避免因為系統數據采集不同步造成采集點位差別過大問題， 影響zui終軸溫數據的融合及判定。 如圖6所示。 圖b中采集的4點不在一個x軸上， 即使輸出的信號不同， 也無法確認是因為系統采集誤差造成還是采集點位置有別造成， 因此需要提高四點采集的同步性。本文采用4路并列信號輸出的碲鎘汞陣列探測器， 4路分別獨立輸出連續模擬電壓信號， 因此制約數據同步性的因素為采集系統的ADC模塊，在進行系統設計時明確了ADC的采集方式以及采集頻率， 保證陣列信號的同步采集， 以提高采集的軸溫數據的合理性，為熱軸判定提供基礎。該文轉自電子產品世界雜志。