CN103863355B - 一种城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，该装置中箱体顶部由上盖密封；双轴步进电机的一个轴通过联轴器与绝对式编码器相连、另一个轴通过联轴器与扫描旋转轴一端相连，扫描旋转轴的另一端穿出箱体的侧壁并套入筒状的紧固件中，紧固件通过焊接固定于箱体外壁，扫描旋转轴与紧固件之间套有滚动轴承，轴承端盖将滚动轴承封闭于紧固件中；红外探头通过探测支架固定于扫描旋转轴上，在与红外探头扫描方向对应的箱体侧壁上开设有细长的扫描口；电动推杆的机身本体固定于箱体底部的U型架上，电动推杆的推杆末端设置开关门，该开关门与扫描口的尺寸配套。该装置适用于城市轨道交通隧道工作环境，具有结构简单、密封性好和探测角度智能调整等优点。

Description

一种城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置

技术领域

本发明涉及城轨交通列车的在途监测与预警技术领域，特别是一种城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置。

背景技术

随着轨道交通跨越式发展，红外线轴温探测系统的作用愈发重要，目前红外线轴温探测设备己成为我国轨道交通车辆轴温检测的主要手段，红外线轴温探测设备在轨道交通线路的覆盖率已达到50%以上，为车辆部门的安全监控和动态检测发挥了巨大作用。为了满足防水、防尘、防震和杂物影响，通常将红外探头安装在保护箱内：

中国专利CN2576558Y公开了一种红外线轴温探测器防护装置，其构成包括设有一个探测口的机箱，安装在机箱中的电机和由电机驱动的遮挡在探测口处的防护机构，防护机构由一罩设在机箱上的滑动式防护罩、设置在机箱和防护罩之间的滑轮滑道结构和设置在电机与防护罩之间的传动结构所构成，该防护罩的滑动方向端的端面形状与机箱的顶面形状相对应，且盖接在机箱顶面上，但是该装置针对特定的冰雪天气探测场合，不适用于城市轨道交通隧道工作环境，且防护罩整体移动势必要安装大功率电机，造成保护箱整体温度升高。

中国专利CN203391804U公开了一种列车热轮故障探测装置，该装置轮温左探测器及箱体和轮温右探测器及箱体对称固定在一对钢轨的两侧，轮温左探测器及箱体和轮温右探测器及箱体的轮温信号输出端均与热轮控制箱的轮温信号输入端相连接，可以实现非接触方式探测运动的高温物体，然而该装置探测角度固定在30°～40°之间，无法智能调整，不适合于同一条线路不同列车运行，以及同趟列车不同车厢由于车轮磨损导致的轴箱位置不一致等情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、适应性强的城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，能够进行高精度的轨旁轴温在线探测。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，包括箱体、红外传感器主机、红外探头、双轴步进电机、步进电机驱动器、绝对式编码器、单片机控制板、电动推杆和航插，所述箱体顶部由上盖密封；双轴步进电机的一个轴通过联轴器与绝对式编码器相连、另一个轴通过联轴器与扫描旋转轴一端相连，扫描旋转轴的另一端穿出箱体的侧壁并套入筒状的紧固件中，紧固件固定于箱体外壁，扫描旋转轴与紧固件之间套有滚动轴承，轴承端盖将滚动轴承封闭于紧固件中；红外探头通过探测支架固定于扫描旋转轴上，在与红外探头扫描方向对应的箱体侧壁上开设有细长的扫描口；电动推杆的机身本体固定于箱体底部的U型架上，电动推杆的推杆末端设置开关门，该开关门与扫描口的尺寸配套；

所述红外探头与红外传感器主机连接，双轴步进电机通过步进电机驱动器与单片机控制板连接，绝对式编码器的数据输出端接入单片机控制板，电动推杆的控制端与单片机控制板连接，单片机控制板通过航插与控制主机相连；单片机控制板接收控制主机传输的控制指令并处理：当接收到探测指令时，单片机控制板控制电动推杆打开开关门，红外探头发出的红外线通过扫描口探测目标列车的轴温，红外传感器主机实时输出温度值；当接收到角度读取指令时，单片机控制板通过绝对式编码器读取当前红外探头的探测角度值并发送给控制主机；接收到角度调整指令时，单片机控制板读取当前的红外探头探测角度值，并控制双轴步进电机旋转，使得红外探头探测角度达到目标角度值。

本发明与现有技术相比，其显著效果是：（1）无需安装大功率电机，结构简单、密封性好、能耗低，适合城市轨道交通隧道环境；（2）装置探测角度自动控制，使探测精确度高；（3）可智能调整探测角度，适应性强，适合于同一条线路不同列车运行，以及同趟列车不同车厢由于车轮磨损导致的轴箱位置不一致等情况。

附图说明

图1为本发明城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置的整体结构示意图。

图2为本发明轴温探测装置中箱体内壁结构图。

图3为本发明轴温探测装置中箱体内部红外探头部分的局部示意图。

图4为本发明轴温探测装置中箱体外部紧固件部分的局部剖面图。

图5为本发明轴温探测装置中电动推杆的结构图。

图6为本发明轴温探测装置中单片机控制板的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～5，本发明城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，包括箱体1、红外传感器主机2、红外探头3、双轴步进电机4、步进电机驱动器5、绝对式编码器6、单片机控制板7、电动推杆8和航插9，所述箱体1内部通过一个隔板分为上、下两层，其中红外传感器主机2、步进电机驱动器5和单片机控制板7设置于上层，红外探头3、双轴步进电机4、绝对式编码器6和电动推杆8设置于下层，箱体1顶部由上盖密封；双轴步进电机4的一个轴通过联轴器与绝对式编码器6相连、另一个轴通过联轴器与扫描旋转轴14一端相连，扫描旋转轴14的另一端穿出箱体1的侧壁并套入筒状的紧固件12中，紧固件12固定于箱体1外壁，扫描旋转轴14与紧固件12之间套有滚动轴承16，轴承端盖13将滚动轴承封闭于紧固件12中；红外探头3通过探测支架11固定于扫描旋转轴14上，在与红外探头3扫描方向对应的箱体1侧壁上开设有细长的扫描口10；电动推杆8的机身本体固定于箱体1底部的U型架上，电动推杆8的推杆末端设置开关门15，该开关门15与扫描口10的尺寸配套；单片机控制板7通过航插9与控制主机相连，航插9端口包括双轴步进电机4的电源、红外传感器主机2和单片机控制板7的电源、红外探测4-20mA电流输出、单片机控制板485A和485B通讯口。

所述红外探头3与红外传感器主机2连接，双轴步进电机4通过步进电机驱动器5与单片机控制板7连接，绝对式编码器6的数据输出端接入单片机控制板7，电动推杆8的控制端与单片机控制板7连接，单片机控制板7通过航插9与控制主机相连；单片机控制板7接收控制主机传输的控制指令并处理：当接收到探测指令时，单片机控制板7控制电动推杆8打开开关门15，红外探头3发出的红外线通过扫描口10探测目标列车的轴温，红外传感器主机2实时输出温度值；当接收到角度读取指令时，单片机控制板7通过绝对式编码器6读取当前红外探头3的探测角度值并发送给控制主机；接收到角度调整指令时，单片机控制板7读取当前的红外探头3探测角度值，并控制双轴步进电机4旋转，使得红外探头3探测角度达到目标角度值。

结合图1～2，所述箱体1通过304钢弯折并焊接而成；红外传感器主机2和红外探头3共同构成了温度传感器，红外传感器主机2通过螺丝连接安装在箱体上层，红外探头3与红外传感器主机2相连；步进电机驱动器5固定在箱体上层，其输入端有脉冲、方向、脱机三个输入信号且由单片机控制板7控制、输出端接步进电机三相线；所述绝对式编码器6为按照霍尔原理制作的10位非接触式编码器，绝对式编码器6读取步进电机旋转的位置，即当前的红外探头3探测角度值。

结合图3，双轴步进电机4的一个轴通过联轴器与绝对式编码器6相连、另一个轴通过联轴器与扫描旋转轴14一端相连，扫描旋转轴14的另一端穿出箱体1的侧壁并套入筒状的紧固件12中，红外探头3通过探测支架11固定于扫描旋转轴14上。结合图4，紧固件12固定于箱体1外壁，扫描旋转轴14与紧固件12之间套有滚动轴承16，轴承端盖13将滚动轴承封闭于紧固件12中。扫描旋转轴14和外壁的紧固件12之间安装滚动轴承16，使得双轴步进电机4能驱动扫描旋转轴14进行旋转，从而改变红外探头3的探测角度，但外探头3的探测角度调整完成后，通过双轴步进电机4的线圈自锁使探测角度固定不变。

结合图5，电动推杆8的机身本体通过螺钉固定于箱体1底部的U型架上，U型架焊接在箱体1底板，电动推杆8的推杆末端设置开关门15，该开关门15与扫描口10的尺寸配套，单片机控制板7内通过继电器输出24V电压正反信号，从而控制推杆的来回运动以实现开关门15的开门和关门。

结合图6，所述单片机控制板7包括电源电路、单片机、电动推杆接口、电机驱动器接口、编码器读取接口和485通讯电路：所述电源电路分别接入单片机和双轴步进电机4的电源输入端；电动推杆接口由单片机的I/O接口控制继电器，获得正反接的直流电源，从而控制电动推杆8中电机来回旋转；电机驱动器接口包含三路I/O信号，分别为方向、脉冲和脱机，由单片机的I/O接口接入步进电机驱动器5；编码器读取接口为CS、CLK、DATA和PROG，分别与单片机的RA0～RA4相连，读取绝对式编码器6的SSI通讯数据；485通讯电路采用MAX485芯片且与航插9相连。

本发明轴温探测装置的具体工作流程为：红外传感器主机2实时上电即工作；单片机控制板7接收来自上位机通过485口传输的控制指令则执行相应的动作：当接收到探测指令，控制电动推杆8打开开关门，使得红外探头3发出的红外线能通过扫描口10探测目标列车的轴温，从而红外传感器主机2能通过4～20mA电流输出口实时输出温度值；当接收到角度读取指令，单片机控制板7读取当前的角度值并通过485发送给主机；接收到角度调整指令，单片机控制板7读取当前的角度值，判断并控制双轴步进电机4，使得探测角度达到目标角度值。

实施例1

本实施例中红外温度探测传感器选择德国欧普士生产的CTfastL1，它具有响应时间短，探测精度高、能适应各种应用环境的优点。红外温度探测可分为点式和面阵两种，面阵热像仪或热像分析系统设备成本很高，同时后续数据分析的技术难度也较大，一般用于离线探测和分析，难以应用于在线检测。车辆温度检测设备中采用的红外温度传感器均为点式。通用红外传感器的响应时间都较长（一般为几百毫秒），不适合高速运动车辆温度的在线检测，本系统要求红外温度探测器的响应时间越低越好。选用德国欧普士公司研发的在线式红外测温传感器CTfastL1，其响应时间为6ms，完全能够满足探测需求。红外温度探测传感器由红外探头3、红外传感器主机2和连接线组成，红外探头3扫描被测物的温度采集数据，红外传感器主机2对信号进行初步的滤波整形、调理放大，输出标准电流信号，电子盒具有信号调理器的作用。红外温度探测传感器性能参数为：

本实施例中双轴步进电机4选择75BF001三相双轴步进电机，步距角1.5度/3度，电压24V，电流3A，具有自锁功能。步进电机驱动器5选择SH30806N三相步进电机柔性驱动器，具有供电24V，最大输出驱动电流6A/相，最大30000步/转的十六种细分模式，适应共阳、共阴、单/双脉冲工作模式等特性。

本实施例中绝对式编码器6选择按照霍尔原理制作的10位非接触式编码器MAB25，采用SSI通讯方式，0-5V的标准模拟量信号输出。其特性如下：

结合图5，本实时例中电动推杆选择TG300B。电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。电动推杆中的驱动电机经齿轮减速后，带动一对丝杠螺母，利用电动机正反转完成推杆来回动作。电动推杆内部还有限位保护器，到达极限行程后自动断开。推杆的末端焊接开关门，当探测装置工作时，推杆收回，开关门开启，不探测时，推杆推出，开关门关闭。TG300B特性如下表：

结合图6，本实时例中单片机控制板7包括电源电路、单片机、电动推杆接口、电机驱动器接口、编码器读取接口和485通讯电路：

（1）电源电路包含给单片机供电的24V电源和电机电源两部分。给单片机供电的24V电源经集成稳压芯片LM7805稳压后得到5V电源，芯片的三个管脚分别接Vin、GND、Vout，Vout即为稳定直流电输出。

（2）单片机为PIC18F628A，使用内部晶振。该单片机具有精简指令集和哈佛总线，自带2048字节的闪存程序存储器、224字节的SRAM和128字节的EEPROM，除此之外还有16路I/O、RB口电平变化中断、3路定时器和可寻址的通用同步/异步收发器等资源，可完全满足列车模型控制系统中解码编码板的主控制器要求。

（3）电动推杆接口由单片机I/O控制继电器，获得正反接的24V直流电源，控制推杆电机来回旋转。电机驱动器接口包含三路I/O信号，分别为方向、脉冲和脱机，由单片机I/O实现。编码器读取接口为CS、CLK、DATA和PROG，分别与单片机的RA0～RA4相连，读取编码器的SSI通讯数据。

（4）485通讯电路由MAX485芯片实现，MAX485是由美国美信（MAX）公司推出的低压RS485/RS422通讯芯片。每块芯片包含有一个接收器和一个发送器，接收器对应单片机串行通信的RXD引脚、发送器对应单片机串行通信的TXD引脚。该芯片还具有自关断功能，当其端口2和3为低电平时，芯片启动低功耗关闭模式，该模式下通过该芯片的电流仅有0.5uA。MAX485的RO和DI分别与单片机的引脚RB1/2相连，DE则与单片机RB0引脚相连，AB间接120Ω电阻。

（5）单片机控制板7的工作模式为，单片机一直读取绝对式编码器6的当前角度值，当接收到来自485通讯电路的上位机控制指令时，控制相应的执行机构。上位机控制指令包括角度读取、目标角度动作和开关门。单片机的485接口通过航插与外部上位机设备连接。

本实施例的航插选择9芯航插。接线端口定义：

综上所述，本发明城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，无需安装大功率电机，结构简单、密封性好、能耗低，可智能调整探测角度，适应性强，适合于同一条线路不同列车运行，以及同趟列车不同车厢由于车轮磨损导致的轴箱位置不一致等情况。

Claims (6)

1.一种城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，其特征在于，包括箱体(1)、红外传感器主机(2)、红外探头(3)、双轴步进电机(4)、步进电机驱动器(5)、绝对式编码器(6)、单片机控制板(7)、电动推杆(8)和航插(9)，所述箱体(1)顶部由上盖密封；双轴步进电机(4)的一个轴通过联轴器与绝对式编码器(6)相连、另一个轴通过联轴器与扫描旋转轴(14)一端相连，扫描旋转轴(14)的另一端穿出箱体(1)的侧壁并套入筒状的紧固件(12)中，紧固件(12)固定于箱体(1)外壁，扫描旋转轴(14)与紧固件(12)之间套有滚动轴承(16)，轴承端盖(13)将滚动轴承封闭于紧固件(12)中；红外探头(3)通过探测支架(11)固定于扫描旋转轴(14)上，在与红外探头(3)扫描方向对应的箱体(1)侧壁上开设有细长的扫描口(10)；电动推杆(8)的机身本体固定于箱体(1)底部的U型架上，电动推杆(8)的推杆末端设置开关门(15)，该开关门(15)与扫描口(10)的尺寸配套；

所述红外探头(3)与红外传感器主机(2)连接，双轴步进电机(4)通过步进电机驱动器(5)与单片机控制板(7)连接，绝对式编码器(6)的数据输出端接入单片机控制板(7)，电动推杆(8)的控制端与单片机控制板(7)连接，单片机控制板(7)通过航插(9)与控制主机相连；单片机控制板(7)接收控制主机传输的控制指令并处理：当接收到探测指令时，单片机控制板(7)控制电动推杆(8)打开开关门(15)，红外探头(3)发出的红外线通过扫描口(10)探测目标列车的轴温，红外传感器主机(2)实时输出温度值；当接收到角度读取指令时，单片机控制板(7)通过绝对式编码器(6)读取当前红外探头(3)的探测角度值并发送给控制主机；接收到角度调整指令时，单片机控制板(7)读取当前的红外探头(3)探测角度值，并控制双轴步进电机(4)旋转，使得红外探头(3)探测角度达到目标角度值。

2.根据权利要求1所述的城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，其特征在于，所述箱体(1)内部通过一个隔板分为上、下两层，其中红外传感器主机(2)、步进电机驱动器(5)和单片机控制板(7)设置于上层，红外探头(3)、双轴步进电机(4)、绝对式编码器(6)和电动推杆(8)设置于下层。

3.根据权利要求1所述的城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，其特征在于，所述单片机控制板(7)包括电源电路、单片机、电动推杆接口、电机驱动器接口、编码器读取接口和485通讯电路：所述电源电路分别接入单片机和双轴步进电机(4)的电源输入端；电动推杆接口由单片机的I/O接口控制继电器，获得正反接的直流电源，从而控制电动推杆(8)中电机来回旋转；电机驱动器接口包含三路I/O信号，分别为方向、脉冲和脱机，由单片机的I/O接口接入步进电机驱动器(5)；编码器读取接口为CS、CLK、DATA和PROG，分别与单片机的RA0～RA3相连，读取绝对式编码器(6)的SSI通讯数据；485通讯电路采用MAX485芯片且与航插(9)相连。

4.根据权利要求1所述的城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，其特征在于，所述绝对式编码器(6)为10位非接触式编码器。

5.根据权利要求1所述的城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，其特征在于，所述滚动轴承(16)为深沟球轴承。

6.根据权利要求1所述的城轨交通探头角度智能调整的轴温探测装置，其特征在于，所述双轴步进电机(4)采用75BF001三相双轴步进电机，步进电机驱动器(5)采用SH30806N三相步进电机柔性驱动器。