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1、第十一章 红外线轴温探测系统 第一节 红外热轴探测系统红外线轴温探测系统经历了第一代、第二代及第三代，目前使用得较多的是第三代HBDS-型红外热轴探测系统。HBDS-型红外热轴探测系统(以下简称三型机)是为适应列车不断提速而开发的新型热轴探测系统，采用调制型致冷式光子探头和新型的自适应轴温计算技术，满足最高车速达360公里/小时运行列车轴温探测和热轴报警的需要。三型机的光子探头采用碲镉汞光导型(HgCdTe-Pc)器件，器件响应时间常数小于1微秒；探测器件采用半导体二级致冷，使探头的响应率及信噪比比常温工作状态下的探测器有很大提高。探头光路用调制盘调制，电路采用交流放大，实现高增益而没有漂移。
2、探测器件采用国内器件，降低成本。三型机的轴温计算采用新型的自适应轴温计算技术，定量测温，轴温计算准确。能满足5360公里/小时运行的列车轴温探测和热轴报警的需要。自适应轴温计算技术使系统具有一定的自适应能力，以往的轴温计算技术以探头的状态和性能保持不变为基础，对硬件提出较高要求，而且若探头性能发生变化即需人工调整或维修。而自适应轴温计算技术使轴温计算精度不受系统状态变化的影响，能够自动适应探头工作状态和性能的变化，适应探测器件响应率的变化，适应探头光学系统增益和电路增益的变化，弥补探头的不一致性，保证轴温计算准确。三型机软件对异常波形进行处理，克服了由于探测器件对异常光源比较敏感而对测温和热轴
3、预报的影响。三型机的采集板采用智能方式，以80C552作为CPU，一块采集板可以进行单方向轴箱温度波形的采集和车号信息的采集，便于系统扩展。三型机具有比较完善的自检，易于进行故障分析。三型机与红外线测报中心及复示站的通讯方式与现有设备兼容，可直接与现有网络组网运行。本章主要介绍探测站的内容，其它内容在车辆运用与管理中讲述。 一 系统探测站构成及技术指标图10-1 红外轴温探测系统探测站的组成1 系统探测站构成探测站设备由轨边设备和轨边机房内设备组成，如图10-1。轨边设备包括光子探头(红外轴箱扫描器)、卡轨器、车轮传感器；轨边机房内设备装置在机柜中，包括主机箱、控制箱、电源箱、防雷设备。轨边设
4、备和机房内设备之间由电缆连接。2 探测站系统技术指标适应车速：5360公里/小时；探测轴温范围：-45150；测温精度：2；探头输出信噪比：环温25，对象温差5条件下，噪声按峰-峰值计算信噪比大于12dB；噪声按有效值计算信噪比大于25dB。；工作温度范围：室外：45+60，室内：0+40；适应环境相对湿度：室外：95%，室内：85%；适应电源条件：AC220V+15%-20%, 50Hz二 探测站轨边设备1 光子探头三型机采用HD-I型光子探头，该探头采用碲镉汞光导型器件为探测器。碲镉汞是高速红外敏感器件，其探测原理是入射的红外波段的光能量激发器件内部产生电子空穴对，导致器件的导电性增加(光
5、导型器件)或产生电压(光伏型器件)，器件电导或光致电压随入射红外辐射能量的变化迅速改变，响应时间常数小于1微秒。碲镉汞敏感器件常应用于高速红外测温和红外成像系统，其响应时间常数比热敏电阻小三个数量级，完全满足高速列车轴温探测的需要。光子探头包括碲镉汞器件及致冷器、调制盘及调制盘电机、同步信号传感器、探头信号处理电路板、同步信号电路板、电机控制电路板、器件温度和调制盘温度传感器、光学系统，以及探头外壳。（1）碲镉汞器件及致冷器HD-I型光子探头对碲镉汞探测器进行半导体二级致冷，致冷条件下的器件比室温条件下的器件信噪比高。器件致冷电流的大小影响器件致冷温度的深度。经过测试，选定二级致冷器件致冷电流
6、最大值为1，2A。探测器的偏流大小影响器件的D*值、噪声及信号的输出幅值。根据经验数据及厂家提供的参考数据，选偏置电流为1，2 mA，碲镉汞器件的主要指标为：波长：3m5m；中心波长0：4，6m；探测率D*：5109 ；响应时间：1s；响应率R：1103 V/W。（2）探头信号的调制轴箱红外热辐射经光学系统聚焦后被调制盘调制，形成交流信号被探测器件接收，转换成电信号。调制器由调制盘、驱动电机、电机控制电路、同步信号传感器组成。调制盘位于碲镉汞器件和光学系统之间，为开有齿孔的圆盘，齿孔位于探头光路上。调制盘转动时，切割光路，将轴箱红外热辐射信号调制为交流信号再被探测器接收，转换成交流电信号。因此
7、，探测器输出的电压信号幅值对应对象温度和调制盘温度的温差。调制盘驱动电机的运转由电机控制电路控制。同步信号传感器为槽形光耦，为解调电路提供同步信号。探头信号的调制频率根据列车的最高速度确定。设列车最高速度为360公里/小时，即每秒100米，设轴箱直径为250mm，探头探测角度为45，则探头扫描轴箱的时间为t=D/(Vsin)=250/(100sin45)=3.5mS （10-1）根据经验，轴箱波形采样点至少为12点，因此要求调制频率为f=12/3，5ms=3，42kHz 取调制频率为3，25kHz。根据调制频率确定调制盘电机的转速。调制频率f=n/N，n为电机转速，N为调制盘齿孔数。设 N=2
8、0则n=f/N=3250/20=162，5转/秒9750转/分。 （10-2）（3）探头信号处理电路探头信号处理电路由前置放大器、选频放大器、低通滤波器、解调电路等组成。前置放大器由二级交流放大器组成，其中第一级采用超低噪声运算放大器。探头信号经前置放大器放大后，进入中心频率为3，25 kHz的选频放大器。选频放大器输出的信号经由模拟开关、倒相器、同相放大器、加法器组成的解调器解调，再经过有源低通滤波器和增益调整电路输出。信号处理电路输出电压范围为-10V+10V。（4）同步信号电路同步信号电路为解调器提供同步信号。槽形光耦经调制盘切割出的同步信号经整形电路、移相电路和电压比较器，成为频率为3
9、，25KHZ、幅值5V的同步信号，输出到解调器供探头信号的解调。（5）电机控制电路驱动电机内置位置传感器为电机控制电路提供电机转子位置信号，电机控制电路控制调制盘驱动电机的运转和速度控制。为避免电机控制电路散热使探头内部温度升高，电机控制电路装在探头外壳外面。（6）光学系统由于探测器的峰值波长为4，6um，从使用经验及光谱特性考虑，选择锗单晶材料透镜，透镜折射率为4。由于折射率高反射损失大，所以必须镀减反射膜，镀膜后透过率可达85%90%，可以满足要求。 2 卡轨器卡轨器中装置红外轴箱扫描器，光子探头装在扫描器中。扫描器上装有热靶大门。卡轨器中共3根电缆，探头电缆为19芯密封插头，调制盘电机电
10、缆为8芯密封插头，热靶大门电缆为10芯航空插头。探头上共有3个密封插座，分别为探头电缆插座、调制盘电机电缆插座和电机控制电路电缆插座。其中，19芯密封插座(银色)为探头电缆插座；调制盘电机电缆的插座为，面向探头物镜，调制盘电机驱动电路盒上左边的8芯密封插座(银色)；右边的8芯密封插座(金色)为探头顶部电机控制电路的电缆插座。探头出厂时，电机控制电路电缆插头座已联好，插头为黑色。3 车轮传感器非电气化区段的设备在每个行车方向安装3个车轮传感器(磁头)，分别为1#、2#、3#磁头，1#磁头在2#磁头前50米，3#磁头在2#磁头后250mm。电气化区段的设备在3#磁头后加装一个4#磁头，4#磁头距3
11、#磁头350-550mm。三 探测站轨边机房内设备轨边机房内设备装置在机柜中，包括主机箱、控制箱、电源箱、防雷设备。机柜前面右上端的按键开关为机柜内设备的电源总开关。1 控制箱控制箱输出轨边控制信号，控制探头箱大门开闭、调制盘电机运转、碲镉汞器件致冷、热靶加热。控制箱还接收轨边信号，包括探头信号、磁头信号和各种温度信号，这些信号或直接传输给主机箱，或在控制箱内处理后传输给主机箱。控制箱由前面板、后面板、箱体、机笼和电子线路板组成。电子线路板包括器件温控板、测温电路板、功放电路板、磁头信号板、调制盘电机驱动电路电源板，以及控制箱前面板上的显示板。控制箱内部右侧有两个电源开关，上面是探头电源的开关
12、，下面是控制箱电源的开关。开关向上为闭合。机柜内的各个开关 表10-1开关位置类型开启位置机柜电源总开关机柜前面右上端按键开关按进为开，按键红色灯亮主机箱开关电源箱内右侧船形开关开关红色灯亮时为闭合探头电源开关控制箱内右侧上面拨动开关开关向上为闭合，旁边指示灯亮控制箱开关控制箱内右侧下面拨动开关开关向上为闭合，旁边指示灯亮风扇开关电源箱后面板船形开关上面按进为开（1）控制箱前面板控制箱前面板有显示大门、热靶、同步信号、上电、磁头信号状态的指示灯，指示灯意义如表10-2。控制箱前面板指示灯意义 表10-2工作状态热靶指示灯调制盘指示灯大门指示灯同步指示灯上电指示灯静 态 灭灭灭灭灭热靶标定亮亮结
13、束前亮一下亮亮接 车灭亮亮亮亮探头标定灭敲2#磁头后亮，敲3#磁头后灭敲2#磁头后亮，敲3#磁头后灭敲2#磁头后亮，敲3#磁头后灭亮系统标定灭敲2#磁头后亮，敲3#磁头后灭敲2#磁头后亮，敲3#磁头后灭敲2#磁头后亮，敲3#磁头后灭亮控制箱前面板的模拟接车按键用于探头标定、系统标定和检测大门开关情况。按一下模拟接车键后，上电指示灯亮，到轨边敲2#磁头，探头箱大门打开，探头调制盘运转，探头开始探测；敲3#磁头，大门关上，调制盘停转，模拟接车过程结束。控制箱前面板背后的显示板提供了探头输出信号(轴温信号)、同步信号、器件温度、致冷电流和磁头信号的检测点，各检测点在电路板上均有汉字标注，可参照表10
14、-3检查各检测点电压是否正常。控制箱显示板检测点电压参考值 表10-3检测点静态电压参考值动态电压参考值轴温信号约-5v最小值约-5v，最大值随轴温变化同步信号约0v大约为-5v，频率为3，25kHz器件温度参见器件温度控制控温点列表(第11页)与静态相同致冷电流01，2v与静态相同磁头信号轨边磁头信号，可用示波器看波形（2）控制箱后面板控制箱后面板装有与轨边设备连接的电缆插座，以及与主机箱连接的电缆插座和与电源箱连接的电缆插座，各插座意义如表10-4。下探控制箱后面板插座意义 表10-4插座名称电缆去向插座类型左探头电缆插座轨边左探头19芯航空插座右探头电缆插座轨边右探头19芯航空插座调制盘电缆插座轨边左、右探头10芯航空插座左热靶大门电缆插座轨边左热靶大门10芯航空插座右热靶大门电缆插座轨边右热靶大门10芯航空插座磁头电缆插座轨边磁头10芯航空插座环温电缆插座环温箱5芯插座电源电缆插座电源箱后面板14芯航空插座采集数字电缆插座主机箱后面板15芯D型插座采集模拟电缆插座主机箱后面板25芯D型插座（3） 器件温控板器件温控板是控制碲镉汞器件温度的电路板,未致冷时，器件的温度决定于当时探头内的温度。选择某致冷温度后，由于器件温度与设定温度不同，则经过比较、放大校正，由功率放大器改变供给致冷系统的电流Io，从而使器件体温达到设定温度值。致冷电流限制在1，2A以下，致冷深度在50左右
