十一章THDS红外线轴温探测系统.docx
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十一章THDS红外线轴温探测系统
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-Ⅲ型红外热轴探测系统。
HBDS-Ⅲ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。
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5～360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：
5～360公里/小时；探测轴温范围：
-45℃～150℃；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1，2mA，碲镉汞器件的主要指标为：
波长λ：
3μm～5μm；中心波长λ0：
4，6μm；探测率D*：
≥5×109；响应时间τ：
<1μs；响应率R：
≥1×103 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，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α为45°，则探头扫描轴箱的时间为
t=D/（Vsinα）=250/（100×sin45°）=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=20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3，25kHz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3，25KHZ、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#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，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10-3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
0~1，2v
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。
三型机设计了两种温控板，一种为由采集板确定目标温度值，用模拟电路进行温度控制，型号为QWKB-III；另一种采用单片机，温控板自己确定目标温度值，用模糊控制算法进行温度控制，型号为KWBA。
①器件温控板QWKB-III
器件温控板QWKB-III根据采集板的指令或手动设置，控制碲镉汞器件的温度稳定在某一温度值。
根据工作温度范围及致冷能力，设定6个控温点。
6个控温点的对应关系如表10-5所示。
器件温度控制控温点 表10-5
器件温度
器件温度对应电压值
采集板控温指令
+9，5℃
-1，2v
000
-1，4℃
-2，1v
001
-12，4℃
-3，0v
010
-23，3℃
-3，9v
011
-34，3℃
-4，7v
100
-49，8℃
-6，0v
101
器件温度及致冷电流在控制箱前面板的显示板上有对应点可以测量。
器件温度参照上表的电压值，致冷电流为测量值1V对应1A电流。
正常情况下，控温点（目标温度值）由采集板采用试探法自动设置。
控温点也可由器件温控板上的四位拨码开关J3手动设置，如下表所示。
其中，J3-4为自动手动转换，ON为手动设置，OFF为自动设置。
一般在以下情况用手动设置控温点：
在做系统标定或探头标定时，若器件温差大于0，5℃，且致冷电流大于1000mA，则应采用手动设置。
将控温目标温度调高一档，然后关、开系统电源一次，令系统重新做热靶标定；热靶温度下降后，再做系统标定或探头标定。
结束后，切记将温控板改为自动设置（J3-4拨为OFF）。
器件温控板QWKB-III拨码开关设置表10-6
分级
J3-1
J3-2
J3-3
J3-4
对应电压
对应温度
1
OFF
OFF
OFF
ON
-1，2v
+9，5℃
2
ON
OFF
OFF
ON
-2，1v
-1，4℃
3
OFF
ON
OFF
ON
-3，0v
-12，4℃
4
ON
ON
OFF
ON
-3，9v
-23，3℃
5
OFF
OFF
ON
ON
-4，7v
-34，3℃
6
ON
OFF
ON
ON
-6，0v
-49，8℃
②器件温控板KWBA
器件温控板KWBA有CPU及相应软件，自己确定目标温度值，用模糊控制算法进行温度控制，控温精度高，抗干扰能力强。
器件温控板KWBA的自动控温过程为，当采集板指示重新控温时，器件温控板KWBA给出700mA的致冷电流并维持30秒，然后以30秒末的器件温度为控温点（目标温度），在采集板再次指示重新控温之前，温控板维持该器件温度不变。
在自动控温方式下，器件温度与采集板的6个温度档及采集板的3个温控指示灯没有对应关系。
当满足重新控温条件时，采集板自动给器件温控板发命令，器件温控板按照上述过程重新控温。
器件温控板KWBA也可由温控板上的四位拨码开关J3手动设置控温点，共8档温度，如表10-7所示。
其中，J3-4为自动手动转换，ON为手动设置，OFF为自动设置。
器件温控板KWBA拨码开关设置 表10-7
分级
J3-1
J3-2
J3-3
J3-4
对应电压
对应温度
1
OFF
OFF
OFF
ON
-1，2v
+10℃
2
ON
OFF
OFF
ON
-2，0v
0℃
3
OFF
ON
OFF
ON
-2，8v
-10℃
4
ON
ON
OFF
ON
-3，6v
-20℃
5
OFF
OFF
ON
ON
-4，4v
-30℃
6
ON
OFF
ON
ON
-5，2v
-40℃
7
OFF
ON
ON
ON
-6，0
-50℃
8
ON
ON
ON
ON
-6，8
-60℃
（4）测温电路板
测温电路板处理温度传感器输出的信号，处理后送至主机箱。
温度传感器包括盘温传感器、靶温传感器、环温传感器。
其中，盘温传感器为系统提供参考温度，靶温传感器为系统提供热靶温度，环温传感器为系统提供环境温度值。
传感器均采用铂电阻Pt100。
传感器信号经电缆传至控制箱，经测温电路放大、调零、调增益再送主机箱。
测温电路的测温范围为-100℃~+150℃，对应电压值-10V~+10V，12，5℃/V。
电路电源用±15V，为了适应数据采集±12V的要求，电路有±11V的限幅。
电路板上的调零和调增益电位计出厂时已调好，不要随意调整。
（5）功放电路板
功放电路板的主要功能是接受主机发出的指令，控制功放板上电（+30V）、探头箱大门开关、调制盘起停、热靶加热等，各工作状态在前面板上都有相应LED显示。
探头箱大门打开时，电机电压为+30V，关闭时电机电压反向，平时电压值为零。
（6）磁头信号板
当列车车轴压过1#、2#、3#磁头时产生交流信号，其幅度与车速有关。
磁头信号经电缆送到控制箱，经过磁头信号板的处理送到主机箱，进行车速、轴距、车辆数等计算。
图10-4磁头信号电路框图
电路中采用DC-DC电源及光电隔离，可减少干扰。
若在电气化铁路上则加4#磁头以克服电气干扰。
为了使低于某一电压值的干扰信号不通过，可调节门槛电压。
在电路板上有3个测量点，可测量磁头阈值电压。
测量点在电路板元件面插座下方，由上至下依次为1#、2#和3#磁头阈值电压。
阈值电压的调整点为相应的3个电位计。
（7）电机控制电路电源板
电机控制电路电源板为DC-DC转换电路板，将功率电源+30V转换为+15V，为调制盘电机控制电路提供+15V电源。
2主机箱
探测站主机采用STD总线工业控制机，由CPU板、智能数据采集板、电源及探头信号滤波板、系统支持板、智能通讯板、无线传输通讯板和总线匹配板组成，用汇编语言及C语言编制系统采集及信息处理专用软件。
整个系统的软硬件均为模块化，可靠性高，易于扩充、维护。
主机箱由前面板、后面板、箱体、机笼和电子线路板组成。
主机箱的电源开关在电源箱内部。
（1）主机箱前面板
主机箱前面板有+5V、+12V、-12V电源指示灯和主机自检、探测、处理、通讯工作状态指示灯，以及主机复位按钮。
接通电源时，只有上、下行自检灯亮；接车时，上行或下行探测灯亮；列车通过后，上行或下行处理、通讯灯依次亮；通讯结束后，自检灯亮。
按复位按钮后，只有上、下行自检灯亮。
单向探测站只有一个方向的指示灯亮。
主机与PPC通讯时，通讯指示灯亮，命令处理结束后，通讯灯灭。
主机箱前面板指示灯意义 表10-8
工作状态
自检指示灯
探测指示灯
处理指示灯
通讯指示灯
接通电源
亮
灭
灭
灭
静态
亮
灭
灭
灭
上行/下行列车通过时
上行/下行灭
上行/下行亮
灭
灭
上行/下行列车通过后
上行/下行灭
灭
上行/下行亮
灭
上传数据时
上行/下行灭
灭
灭
上行/下行亮
上传数据后
亮
灭
灭
灭
热靶标定
亮
灭
标定结束时亮
上传数据时亮
探头标定
亮
灭
标定结束时亮
上传数据时亮
系统标定
亮
灭
标定结束时亮
上传数据时亮
PPC调上行/下行自检或热靶标定数据
亮
灭
灭
上行/下行亮一下
PPC下传时间
亮
灭
灭
上行亮一下
PPC下传模拟车命令
亮
灭
灭
上行亮一下
复位
亮
灭
灭
灭
（2）主机箱后面板
主机箱后面板装有与上行、下行控制箱连接的采集数字、采集模拟D型电缆插座，与电源箱连接的直流电源插座、风扇电源插座，与上位机通讯的PPC机RS232插座，以及主站通讯、复示站通讯、无线通讯电缆插座。
主机箱后面板插座意义 表10-9
插座名称
电缆去向
插座类型
上行采集数字电缆插座
上行控制箱后面板
15芯D型插座
上行采集模拟电缆插座
上行控制箱后面板
25芯D型插座
下行采集数字电缆插座
下行控制箱后面板
15芯D型插座
下行采集模拟电缆插座
下行控制箱后面板
25芯D型插座
PPC机电缆插座
PPC机串口
25芯RS232插座
主站通讯电缆插座
探测站接线盒
4芯插座
复示站通讯电缆插座
探测站接线盒
4芯插座
无线通讯电缆插座
无线数传机
7芯插座
直流电源电缆插座
电源箱后面板
10芯航空插座
风扇电源电缆插座
电源箱后面板
3芯插座
（3）智能采集板
智能采集板是为适应列车提速和高速列车而设计的智能化采集板，以适应光子探头为主，兼顾热敏电阻探头。
一块采集板对应上行的上探左、右探头和下探左、右探头；另一块采集板对应下行的上探左、右探头和下探左、右探头。
对探头信号采样以及对其它模拟信号的采样，采用12位AD转换器。
①采集板的特点:
采集板采用智能方式，CPU采用单片机80C552。
利用80C552的T2捕捉定时器中断功能，通过磁头信号处理板，响应1#磁头、2＃磁头、3＃磁头信号，并进行车速测量和轴距测量，以及启动对轴箱温度的采样。
利用80C552的T0定时器控制AD转换器对轴箱温度波形进行采样的启动时刻和采样速度。
为了适应列车提速和高速，以及用一块采集板进行四路轴箱温度波形采集（上探左、右探头和下探左、右探头）的要求，采集板工作速度矛盾的瓶颈发生在AD采样上。
为此采用两块AD转换器同时进行采样的方法，以重叠AD通道切换时间和AD转换时间，对于AD1674转换器来说，前者更占主要部分。
环境温度、调制盘温度、热靶温度、光子器件温度的测量，采用直接测温的方式，通过测温板和其它测温电路，由AD转换器对温度传感器的输出电压进行采样。
根据探头内部温度和致冷能力确定光子探头致冷器的致冷设置温度，用三位开关量的形式传送给光子探头的致冷控制电路。
根据致冷能力确定器件致冷温度能够消除器件致冷部件不一致性的影响。
系统接通电源后，1~1，5分钟完成器件致冷，器件温度达到设置状态。
对上下电、开关大门、启停调制盘驱动电机和热靶加热或停止加热，用输出开关量方式，通过功放板进行控制。
与PC机进行的串行通讯，采用MAX202芯片进行SIO口的匹配，主要用于对采集板的调试和校准。
采集板上的RAM采用128K字节的RAM芯片HM628128，用IO口输出信号控制0页和1页的切换；EPROM采用64K字节的27C512芯片。
采集板采用8255与主板进行数据交换，8255是主板CPU的IO设备，经过接口电路，接在STD总线上。
由主板CPU对它进行初始化和控制。
采集板作为主板CPU的外设，通过80C522的数据线和握手线借助8255与主板CPU进行数据交换，其IO口地址用拨码开关设定。
上行采集板口地址为60，下行采集板为64，拨码开关OFF为1，ON为0。
智能采集板有两种型号，STD-CJ-III和STD-CJ-IIIC，其中，采集板STD-CJ-IIIC还可以采集车号数据。
两种采集板的软件相同。
②采集板的复位
采集板上有一个微动开关按钮，用于复位采集板的CPU，从而复位采集板软件和硬件。
③采集板的工作状态指示
采集板采用11个LED对采集板的工作状态进行显示自上至下为L1~L11。
各LED意义如表10-10。
采集板指示灯意义 表10-10
指示灯
发光颜色
状态
意义
L1
绿
亮
1#磁头信号出现
L2
绿
亮
正在按
升级会员 