Vigo红外探测器在列车轴温监测系统中的应用

近年来， 伴随着列车的大幅提速， 在列车轴温探测技术的发展中，原有的热敏电阻型传感器已经满足不了需要， 逐步采用红外光敏探头。 它是利用一切温度高于零度的物体都会向外辐射红外线的原理， 通过对热辐射的探测获知物体温度的一种常用技术， 具有更快的响应速度。 红外探测器的发展经过了早期中期近期三个阶段， 从结构规模上看， 由原来的单点探测器发展到了以混成技术和单片技术为基础的焦平面阵列传感器， 增加了红外探测面积， 更好反应被测对象信息， 使其在工业上很多领域得到更多应用。但是多点的高速面阵探测器价格昂贵， 一般仅用于军事领域。本文根据实际工程需求， 针对列车红外轴温探测系统， 提出了vigo四点象限单元碲镉汞红外探测器的设计思想， 系统在增强轴温探测的可视性，提高热轴兑现率方面， 比目前的单点单探头和双探头方案有所提高。 本文所涉及的高速阵列数字式红外探头，可对每个轴承进行4*32阵列式高速采集， 轴温数据采集数量和位置的增多， 使热轴判别的依据更为丰富可靠， 使热轴报警准确率的提高成为可能， 同时也对阵列式轴温探测系统提出了新的要求。

系统总体设计
本文设计的vigo多点红外轴温探测系统为适应提速后列车的运行速度和安全需求， 整体系统实施方案为在铁路两旁铺设两组各四点的红外传感器探头， 均有独立的探测处理器， 用于同一轴承的左右两端轴温判定。 当磁钢传感器未检测到过车信号时， 探头需要进行状态检测和自我矫正； 当列车掠过轴温探测器时， 探测器进入数据采集状态， 每个车轴信息均包括左右两个探头分别4点32次采集数据， 选用485通信方式对数据及时上传， 左右探头的系统设计框图如图1所示

阵列式红外探测
阵列式红外传感器红外探测是应用于非接触式列车轴温探测zui常用的方式， 红外传感器的性能好坏由响应率、 噪声等效功率、 探测率等指标衡量。 而材料学的研究表明， 碲镉汞材料的电子有效质量小， 本征载流子浓度低， 由其制成的MCT探测器具有噪声低、 探测率高、 响应时间短和响应频带宽等优点， 现阶段仍是红外探测器的主要研究对象[2]。 本设计选用了四点象限单元碲镉汞红外探头。 探头带有光侵入式BaF2视窗、 三级的TE制冷并采用改进的TO-8封装。 该探头的参数特点为： 探测波长在2-12μm范围， 无须LN（ 液氮） 制冷； 快速响应； 无闪动噪声； 使用方便； 动态范围宽； 小巧， 耐用可靠。 其外观如图2所示

线阵红外轴温探测器模型将多个探测单元排成列封装在一起， 通过放大处理和相应的采集系统， 应用在轴温探测中， 可以实现对整个轴承覆盖式扫描， 绘制出轴承的热分布图， 提高探测准确度， 如图3所示。

红外信号前端放大器设计
红外传感器检测的电信号是有干扰噪声、 微安级的输入。 要求设计的前端放大电路同探测器特性匹配， 并在调试过程中根据实际情况可以调整放大器参数， 达到*信噪比， 检测出淹没于背景噪声的弱信号。根据多次试验研究， 为滤除大部分噪声， 将微弱信号放大并增加带载能力， 达到主处理器所能够进行AD采集的电压幅度， 设计中为红外探测器匹配了前置一级放大电路、 滤波电路和二级放大电路。 红外探测器前端放大电路组成框图如图4所示。

在工程中， 通常从以下两个方面来要求光子红外探测器前端放大器的设计： 首先探测器前置放大器功率传输zui大，即放大器的输入电阻等于光子探测器的内阻， 工作于匹配状态，这时， 在一定的入射光功率情况下，从放大器输出端可得到zui大的输出电功率； 其次， 要求光子探测器前置放大器输出zui小的噪声， 即放大器要工作在*源电阻的情况下， 此时在放大器输出端可得到zui大的信噪比。

放大器零漂校正
在现有的红外轴温探测系统中，多数使用热靶法进行零点校正。 即在探头保护罩上安装标准热源， 在无过车信号时， 探头不断监测该标准热源， 对自身零点进行对比较正， 以达到稳定零点的目的。 但该方法导致系统功耗过高， 同时对标准热源的程度及稳定程度要求也比较高， 一旦该热源出现故障， 那么该探测器就将处于无零点状态。

因此我们通过人为控制输出偏置电压的方法， 去除传感器温度漂移。传感器输出电压 vs 由零点电压 vz 和信号电压vr 组成， 满足：
vs = vz + vr （ 1）
vr ， 是与被测量物理量直接相关的电压， 要通过控制器AD采集转换成数字量用于轴温判定。
vz 是零点电位 ， 通过实际测量， vz 是随环境温度和供电电压缓慢变化的， 如环境温度从15℃变化到25℃， zui大漂移可达几十毫伏， 如果经过放大器放大， 零点漂移甚至达到1伏左右。
为了只将vr 进行放大采集 ，我 们 提 供 一 个 补 偿 电 压 vn ， 使vn = vz ， 将 vs 和 vn 输入差模放大器的两输入端。 设放大器的增益为G， 则放大器输出为 (vz + vr - vn )G 。如果 vn = vz ， 则输出为 v G， 可得到我们需要的电压。 我们利用控制器捕捉无车时温度传感器探测返回的零点漂移， 并通过12位高精度DAC芯片输出补偿模拟电压vn 至前级仪表放大器， 消除零点。

在列车经过探头的时间内， 单片机则停止校正并锁存DAC调零输出，探头以此刻DAC调整的输出状态作为探测零点开始进行工作。 如图6所示为实验室测得漂移校正前后放大器一二级波形。

阵列信号在轴温探测中需要处理的关键技术
阵列信号采集的同步性
探测过程中， 阵列传感器需要对轴承温度进行扫描， 因此需要保持对阵列传感器数据的同步采集， 以保证4路传感器输出信号为轴箱侧面上同一探测纵线上的四点， 避免因为系统数据采集不同步造成采集点位差别过大问题， 影响zui终轴温数据的融合及判定。 如图6所示。 图b中采集的4点不在一个x轴上， 即使输出的信号不同， 也无法确认是因为系统采集误差造成还是采集点位置有别造成， 因此需要提高四点采集的同步性。本文采用4路并列信号输出的碲镉汞阵列探测器， 4路分别独立输出连续模拟电压信号， 因此制约数据同步性的因素为采集系统的ADC模块，在进行系统设计时明确了ADC的采集方式以及采集频率， 保证阵列信号的同步采集， 以提高采集的轴温数据的合理性，为热轴判定提供基础。该文转自电子产品世界杂志。