CN105607679A - 一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置及方法，属于列车轴温探测技术领域。所述装置包括热靶和光子探头，所述的光子探头包括光学系统、光子器件、偏置电源、控制板和前放板。所述方法包括采集探头信号；热靶标定，判断探头信号的有效性；将响应组数据参数进行比较并确定增益调整量发送给增益调整电路，实现探头信号的增益调整。本发明提供的增益控制装置，兼容性强，控制精度高；所述的增益控制方法，能通过采集的信号智能分析并存储当前探头的响应率相关参数，结合环境温度和器件温度等因素进行综合的智能分析和判断，能有效的保证光子探头增益的稳定控制；本发明能有效的改善光子器件响应变化的条件，保证列车轴温探测的精度。

Description

一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置及方法

技术领域

本发明属于列车轴温探测技术领域，具体涉及一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法及装置。

背景技术

列车轴温探测系统中，光子探头是用来敏感轴温的一个部件。碲镉汞光子器件是光子探头的核心部件。在光子探头的实际应用中，光子器件的稳定性决定光子探头能否正常有效的应用。一般情况下，光子器件会随着使用年限的增加，以及使用环境的恶劣程度，其自身特性会有一定程度的变化。该变化目前在国际和国内很难从器件本身角度改善。

光子探头的响应变化到一定程度之后，会严重影响轴温探测；另外，由于光子器件的特性，探头的响应在环境温度迅速变化的情况下会有少量的变化。这些由于光子器件特性改变引起的探头响应变化都会给列车轴温探测系统的轴温计算带来不同程度的影响。

发明内容

本发明的主要目的是为了解决上述问题，达到探头更稳定使用和更精准的测温，提出了一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置及控制方法。

一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置，包括热靶和光子探头，所述的光子探头包括光学系统、光子器件、偏置电源、控制板和前放板。

当光子探头进行热靶标定时，热靶进行持续的加热，光子器件对热靶辐射的热量进行转换，得到一个微弱的电压信号，光子探头采集电压信号并处理后输出一个探头信号。探头信号经过AD转换和判断后，得到一组在一定时间之内的响应变化V-T曲线，并存储。经过单片机对V-T曲线的智能分析，判断出光子探头的响应率，并和当前的壳体温度、光子器件温度和标定时间进行对应，得到一个有效的响应组A，初次使用时，该响应组A作为基准响应。

当下一次热靶标定时，单片机重复执行上述的任务，得到响应组B，并用模糊算法和专家系统，判断出响应组B与响应组A的关系，如果该关系满足(b-a)×e＞W时，则认为此时的探头响应率已经发生了较大的变化，需要进行增益控制。单片机随后发出增益增大或者减小的命令，增大量和减小量为(b-a)×e。通过调整增益，使探头信号的放大倍数得到调整，令光子探头的输出响应恢复到初始状态。

本发明还提供一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法，具体步骤如下：

步骤一、单片机初始化，采集探头信号；

步骤二、探头做热靶标定，判断探头信号的有效性；

具体步骤为：

步骤201、单片机通过A/D电路模块实时的对探头信号进行采集；

步骤202、探头开始做热靶标定，绘制热靶标定曲线；

步骤203、单片机分析判断探头信号有效性，如果有效执行步骤204，否则执行步骤201；

步骤204、将热靶标定曲线、挡板温度、壳体温度和器件温度一起打包存储为响应组A；

步骤三、重复步骤二，得到响应组B，将响应组B和响应组A进行比较，确定需要进行增益调整。

具体步骤为：

步骤301、单片机采集到新的热靶标定曲线与挡板温度、壳体温度和器件温度一起打包存储为响应组B；

步骤302、响应组B与响应组A做比较，计算(b-a)×e与W的关系；

步骤303、如果(b-a)×e>W，单片机的增益调整命令生效，执行步骤四；

步骤304、如果(b-a)×e≤W，单片机不做任何操作，执行步骤二。

步骤四、单片机给AGC模块发送增益调整命令，AGC模块设定好调节的增益大小(b-a)×e，发送给前放板上的增益调整电路，通过改变后级放大电路的放大倍数而实现探头信号的增益调整；

步骤五、探头信号的放大倍数调整完毕，探头的响应率恢复正常。

本发明优点在于：

1)本发明提供的增益控制装置，通过内置单片机和AGC模块进行控制，兼容性强，控制精度高。

2)本发明提供的增益控制方法，能通过采集的信号智能分析并存储当前探头的响应率相关参数，结合环境温度和器件温度等因素进行综合的智能分析和判断，能有效的保证光子探头增益的稳定控制。

3)本发明提供的增益控制装置和方法，能有效的改善光子器件响应变化的条件，保证列车轴温探测的精度。

附图说明

图1为本发明一种光子探头智能增益控制装置结构示意图；

图2为本发明一种光子探头智能增益控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于轴温探测的光子探头智能增益控制装置及方法，涉及列车轴温探测所用的光子探头。

本发明采用单片机采集探头信号，通过智能分析和判断来控制探头增益，和普通的自动增益控制不同，本发明基于轴温探测系统，能利用轴温探测过程中的热靶标定、过车信号等参数来智能判断增益控制的参数，并达到稳定控制的效果。

一种基于轴温探测的光子探头智能增益控制装置，如图1所示，所述的增益控制装置包括热靶和光子探头，所述的光子探头包括光学系统、光子器件、偏置电源、前放板和控制板。所述光学系统主要起透过中波波段的红外光和汇聚能量的作用；光子器件是对中波波段的红外光敏感的元器件；偏置电源给光子器件提供偏置电流，使光子器件正常工作；热靶发出的信号通过光学系统后进入光子器件得到电压信号，前放板接收光子器件输出的电压信号并进行放大、滤波处理后输出探头信号；控制板通过采集前方板输出的探头信号，结合器件温度和壳体温度，对增益进行调整。所述控制板包括：单片机、外部晶振、时间模块、A/D模块、AGC模块、存储模块以及壳温和器件温度模块；所述的单片机采集时间模块、外部晶振、存储模块和A/D模块的信息，并将增益调整信息通过AGC模块发送给增益调整电路。所述前放板包括前置放大电路、滤波电路、校零电路、增益调整电路和后级放大电路，光子器件输出的电压信号首先经过前放板内的前置放大电路，然后依次经过滤波电路进行滤波、校零电路进行校零，到达后级放大电路，在后级放大电路中结合增益调整电路输出得到探头信号，控制板实时采集探头信号。

所述光子器件为碲镉汞光子器件，是一种需要制冷的光导器件。随着光子器件使用的年限和环境因素，外界的水汽和其他气体分子会慢慢的进入光子器件内部，对光子器件产生影响，导致光子器件的探测特性发生改变。当该探测特性改变过大时，会影响轴温探测系统对轴温的准确探测。本发明在光子探头(后面简称为探头)内部设置有前置放大电路和后级放大电路，可以通过改变前置放大电路和后级放大电路的增益，保证探头输出的稳定性。

当光子探头开始做热靶标定时，探头信号会出现有规律的变化，控制板上的单片机会根据该变化，结合当前的光子探头参数进行智能判断，以确定是否能反映光子探头的响应率。当确定能获取当前光子探头的响应率之后，单片机会将该探头信号所生产的曲线进行换算，并配以器件温度、壳体温度，存储一组响应组数据，和之前获得的同样条件的响应组数据进行对比，最终判断出是否需要进行增益的调整以及调整的大小。单片机把增益调整命令通过AGC模块发送给前放板上的增益调整电路，通过AGC模块的调节，使得前放板中的增益调整电路执行调整动作，结合后级放大电路的输出使得探头信号的增益发生变化。

一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法，如图2所示，具体步骤如下：

步骤一、单片机初始化，采集探头信号；

开机后，控制板中的单片机初始化完成，单片机从存储模块中读取光子探头之前的响应组信息，默认当前响应组只有一个，包含热靶曲线斜率参数、器件温度、器件所处的环境温度(也就是壳体温度)、应用时间等信息。该响应组在出厂前就已经做好默认的一组数据。同时，单片机开始读取壳温和器件温度模块中的各个温度信号、读取时间模块中的时间日期，并开始不间断的通过A/D模块采集探头信号。采集探头信号的频率为0.5秒一次。

步骤二、探头做热靶标定，探头信号同步传输到单片机内，由单片机采集并判断探头信号的有效性；

具体步骤为：

步骤201、单片机通过A/D模块实时的对探头信号进行采集；

不同状态下的探头信号大小不一样，主要分为待机、自检、热靶标定和过车等几个状态，不同的状态有一定的规律，但最能反映响应率大小的是热靶标定状态下的探头信号。

步骤202、系统开始做热靶标定，此时探头信号会逐渐增大，单片机绘制热靶标定曲线；

热靶标定是列车轴温探测系统最重要的自我校正方法，能够保证轴温探测系统测温的准确性。

步骤203、单片机对热靶标定的曲线进行分析判断；

单片机结合当前的壳温和器件温度、以及热靶标定状态的探头参数，或者之前的响应组数据，采用模糊识别的算法及专家系统进行判断，所述的热靶标定曲线如果为近似递增的一条直线，则判断V-T曲线有效，能够表征响应率，执行步骤204；否则不做任何处理，返回步骤201。

步骤204、单片机判断热靶标定曲线有效后，将所述热靶标定曲线的数据存储在存储模块中，并把当时对应的挡板温度、壳体温度和器件温度一起打包存储为响应组A；

单片机的智能判别完成之后，会存储当前的热靶标定曲线，并根据该曲线的斜率，得到一个影响增益调整的参数a。所述的参数a为热靶标定曲线经过平滑处理后，取中间部分的斜率做加权平均后得到的参数，也可以理解为是曲线的平均斜率。

上述开始热靶标定时，探头信号会同步传输到单片机内，但不会马上绘制或者对该曲线进行计算，需要通过判断该信号是否是热靶标定曲线、且是否是有效的热靶标定曲线。如果有效，则该热靶标定时的探头信号才会进行存储和计算，用于后面的响应组比较计算。该热靶标定过程，探头内的单片机只通过辨认探头信号来识别热靶标定，事先并不知道是在做热靶标定。摆脱了上位机的控制，探头内部就可以实现自动增益调整，兼容性强，抗干扰能力强。

步骤三、当轴温探测系统的工作状态发生变化时，单片机重复执行步骤二中的热靶标定，得到响应组B，将响应组B和响应组A进行比较，确定是否需要进行增益调整。所述的工作状态发生变化是指过车状态前后的变化。

具体步骤为：

步骤301、单片机采集到新的热靶标定曲线数据得到响应组B；

步骤302、响应组B与响应组A中的参数做比较，计算(b-a)×e与W的关系；其中，b为响应组B的参数，e为不同机型的计算因子，为固定值；W为设备经过收集得到响应率变化参数。

步骤303、如果(b-a)×e>W，单片机的增益调整命令生效，执行步骤四；

步骤304、如果(b-a)×e≤W，单片机不做任何操作，存储响应组B，执行步骤二。

步骤四、如果步骤303满足条件，单片机给AGC模块发送增益调整命令，同时存储新的响应组B。AGC模块根据增益调整命令，设定好调节的增益大小，发送给前放板上的增益调整电路，通过改变后级放大电路的放大倍数而实现探头信号的增益调整；

调整过程需要0.5秒左右的时间，不会对轴温探测系统的正常工作产生影响。

步骤五、探头信号的放大倍数调整完毕，探头的响应率恢复正常。

本发明采用单片机作为控制的主要部件，通过采集探头热靶标定信号和多种探头内温度信号，获取当前探头的响应率信息，结合专家系统和模糊识别做出调整的动作，使探头增益控制更加智能化、更符合列车轴温探测的实际应用，对提高轴温探测系统的测温精度和稳定性有重要意义。

Claims (6)

1.一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置，其特征在于：包括热靶和光子探头，所述的光子探头包括光学系统、光子器件、偏置电源、前放板和控制板；所述前放板包括前置放大电路、滤波电路、校零电路、增益调整电路和后级放大电路；所述控制板包括单片机、外部晶振、时间模块、A/D模块、AGC模块、存储模块以及壳温和器件温度模块；所述的单片机采集时间模块、外部晶振、存储模块、A/D模块、壳温和器件温度模块的信息，并实时采集探头信号，生成增益调整信息通过AGC模块发送给增益调整电路；

所述偏置电源给光子器件提供偏置电流，热靶发出的信号通过光学系统后进入光子器件得到电压信号，光子器件输出的电压信号首先经过前放板内的前置放大电路，然后依次经过滤波电路、校零电路，到达后级放大电路，在后级放大电路中结合增益调整电路输出得到探头信号，前放板接收光子器件输出的电压信号并进行放大、滤波处理后输出探头信号；控制板通过采集前方板输出的探头信号，结合器件温度和壳体温度，对增益进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制装置，其特征在于：所述光子器件为碲镉汞光子器件。

3.一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、单片机初始化，采集探头信号；

步骤二、探头做热靶标定，探头信号同步传输到单片机内，由单片机采集并判断探头信号的有效性；

步骤三、当轴温探测系统的工作状态发生变化时，单片机重复执行步骤二中的热靶标定，得到响应组B，将响应组B和响应组A进行比较，确定是否需要进行增益调整，并给出增益调整量；

步骤四、如果单片机的增益调整命令生效，单片机给AGC模块发送增益调整命令，同时存储新的响应组B；AGC模块根据增益调整命令，设定好调节的增益大小，发送给前放板上的增益调整电路，通过改变后级放大电路的放大倍数而实现探头信号的增益调整；

步骤五、探头信号的放大倍数调整完毕，探头的响应率恢复正常。

4.根据权利要求3所述的一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法，其特征在于：步骤一中采集探头信号的频率为0.5秒一次。

5.根据权利要求3所述的一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法，其特征在于：步骤二具体步骤为，

步骤201、单片机通过A/D模块实时的对探头信号进行采集；

步骤202、开始做热靶标定，此时探头信号会逐渐增大，单片机绘制热靶标定曲线；

步骤203、单片机对热靶标定曲线进行分析判断；

所述的热靶标定曲线如果为近似递增的一条直线，则判断V-T曲线有效，能够表征响应率，执行步骤204；否则不做任何处理，返回步骤201；

步骤204、单片机判断热靶标定曲线有效后，将所述热靶标定曲线的数据存储在存储模块中，并把当时对应的挡板温度、壳体温度和器件温度一起打包存储为响应组A。

6.根据权利要求3所述的一种基于列车轴温探测的光子探头智能增益控制方法，其特征在于：步骤三具体步骤为，

步骤301、单片机采集到新的热靶标定曲线数据得到响应组B；

步骤302、响应组B与响应组A中的参数做比较，计算(b-a)×e与W的关系；其中，b为响应组B的参数，e为不同机型的计算因子，为固定值；W为设备经过收集得到响应率变化参数；

步骤303、如果(b-a)×e>W，单片机的增益调整命令生效，执行步骤四；

步骤304、如果(b-a)×e≤W，单片机不做任何操作，存储响应组B，执行步骤二。