CN107560737A - 一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法，所述装置包括红外多光谱传感器组和光谱测温仪；所述红外多光谱传感器组包括多个分布排列的红外多光谱传感器，所述每个红外多光谱传感器用于采集车辆轮轴表面单个目标点的红外多光谱辐射强度数据；所述光谱测温仪用于根据每个目标点的多光谱辐射强度数据得到每个目标点的温度。通过红外多光谱、多目标点的高速测量，实现运动车轮轴温的高精度测量，适用于轮轴表面发射率未知或变表面发射率条件、多点区域温度的非接触在线测量，克服了现有轮轴辐射测温技术受限于未知的表面发射率以及温度分布测量的局限性问题。

Description

一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法

技术领域

本发明涉及车辆轴温测量技术领域，更具体地，涉及一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法。

背景技术

城市轨道交通是城市公共交通的主干线，是城市的生命线工程。我国城市轨道交通发展快速，截至2016年，全国共有30个城市开通轨道交通线路。城市轨道交通客流量大，人员集中，发生故障造成的后果及影响将十分严重。城市轨道交通的运营安全是城市公共安全的重要部分，轨道交通运营里程的大幅增长及客流增加，给轨道交通运营安全带来了极大压力，这也将对城市轨道交通运营设备及设施的本质安全提出了更高的标准要求。

轨道交通的车辆是运营的核心设备，车辆在运行过程中，轴承由于摩擦而产生热量，当轴承内部出现故障，会使摩擦加剧，轴承温度突升，形成热轴，严重时导致切轴，使运行中的车辆有颠覆的危险，将给运营行车带来潜在的重大危险。为防止车轴温度过高而导致重大安全事故，车辆轴温的在线测量将是非常必要的，动态监测车辆轴承温度，以实现热轴温度跟踪和预报。

目前普遍使用的测温传感器包括两类，一类是国内采用的半导体测温的测温传感器，另一类是在引进动车组中，国外所采用的温度熔断器。其中半导体测温器的温度传感器的优点是能获得温度数值，通过串行通信方式传输到主机，从而实现实时的温度数据采集，便于车辆管理人员观测，掌握车轮轴承在正常运行时的参考数据，还能够通过轴承温度变化曲线来判断车辆轴承的早期故障隐患；但缺点是由于测温器原理复杂，存在易发生故障、温度误报等风险；而温度熔断器是在车辆轴温到达设定温度后，通过热量使其溶体融化，从而使车辆的控制电路断开，其缺点则是不能显示正常运行时的轴承温度值，车辆管理人员不能够实时了解轴承的运行状态，并且温度熔断器一旦熔断，整个车辆将会停止运行，将导致巨大的经济损失。

另外，由于在车辆运行过程中，车轮轴承部位会受到很强的振动，不论是半导体测温的轴温传感器，还是温度熔断器，内部的电器元件都会因受到强烈的振动而导致使用寿命缩短，危及车辆的行车安全，也增加了机车的运行维护成本。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法，解决了现有技术中由于因受到强烈的振动而导致使用寿命缩短、易发生故障、温度误报的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种车辆轮轴多点测温装置，包括红外多光谱传感器组和光谱测温仪；

所述红外多光谱传感器组包括多个分布排列的红外多光谱传感器，所述每个红外多光谱传感器用于采集车辆轮轴表面单个目标点的红外多光谱辐射强度数据；

所述光谱测温仪用于根据每个目标点的多光谱辐射强度数据得到每个目标点的温度。

作为优选的，还包括单成像镜头和多芯光纤；所述单成像镜头采集目标点的红外辐射并成像于所述多芯光纤的端面，所述多芯光纤的输出端分别连接所述红外多光谱传感器。

作为优选的，所述多芯光纤包括多路单芯红外光纤，所述每路单芯红外光纤对应于单独的传输光路，所述每路单芯红外光纤连接一红外多光谱传感器。

作为优选的，所述红外多光谱传感器包括光电传感器阵列，所述光电传感器阵列为多个光电传感器单元组成的线阵传感器，所述每个光电传感器的采集频率不小于1MHz。

作为优选的，所述红外多光谱传感器还包括准直镜、光栅和聚焦镜，所述准直镜接收并反射所述单芯红外光纤传输的红外辐射，所述光栅设于所述准直镜的反射光路上，所述聚焦镜设于所述光栅的反射光路上，所述光电传感器阵列设于所述聚焦镜的反射光路，通过将所述单芯红外光纤传输的红外辐射分成多个光谱测量通道，使每个光电传感器单元对应一个光谱测量通道。

作为优选的，还包括机箱，所述机箱安装于车轮轮轴旁侧的路基位置处，所述红外多光谱传感器组集成于所述机箱内，所述机箱内还设有温控与电源模块，所述温控与电源模块用于调整红外多光谱传感器组温度和机箱温度。

作为优选的，所述红外多光谱传感器采用热电制冷，温度控制范围为230K～250K，所述机箱采用风扇散热，温度控制范围为293K～323K。

一种车辆轮轴多点测温方法，包括：

获取车辆轮轴表面多个目标点的红外多光谱辐射数据；

基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的多个目标点的温度。

作为优选的，获取车辆轮轴表面多个目标点的红外多光谱辐射数据具体包括：

获取车辆轮轴表面多个目标点的红外辐射信息，对每个目标点的红外辐射分光处理形成多个光谱测量通道，并采集每个光谱测量通道中的光谱辐射强度数据得到目标点的红外多光谱辐射强度数据。

作为优选的，基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的多个目标点的温度具体包括：

基于每个光谱测量通道测量输出的有效光谱辐射强度、目标光谱发射率函数和对应波长的黑体光谱辐射强度分布函数，得到多个波长下的红外光谱辐射强度的测量信号方程组；

基于不同温度、波长下的目标光谱发射数据，得到光谱发射率函数；

基于光谱发射率函数，对多个波长下的红外光谱辐射强度测量信号方程组封闭求解，得到该目标点的温度。

本发明提出一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法，通过红外多光谱、多点目标的高速测量，实现运动车轮轴温的高精度测量，适用于轮轴表面发射率未知或变表面发射率条件、多点区域温度的非接触在线测量，克服了现有轮轴辐射测温技术受限于未知的表面发射率以及温度分布测量的局限性问题，同时非接触式测温解决了现有技术中由于因受到强烈的振动而导致使用寿命缩短、易发生故障、温度误报的问题；利用单镜头及柔性多芯光纤，避免了传统的多镜头与多传感器直接连接的设计方案，使系统设计更为简单、结构扩展性强，适用于现场狭小空间内的辐射测温技术实现。

附图说明

图1为根据本发明实施例的车辆轴温测量装置结构框图；

图2为根据本发明实施例的红外多光谱传感器组结构示意图；

图3为根据本发明实施例的红外多光谱传感器结构示意图；

图4为根据本发明实施例的车辆轴温测量方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图中示出了一种车辆轴温测量装置，包括红外多光谱传感器组3和光谱测温仪，如图2所示，所述红外多光谱传感器组3包括多个分布式排列的红外多光谱传感器7，在本实施例中，红外多光谱传感器7的数量设置为5个；所述每个红外多光谱传感器7用于采集车辆轮轴1表面单个目标点的红外多光谱辐射强度数据；所述光谱测温仪用于根据每个红外多光谱传感器7的多光谱辐射强度数据，通过辐射测温算法，得到每个目标点的温度。还包括显示器，用于显示测量的温度，在本实施例中，显示器与光谱测温仪组成计算与显示模块6。

在本实施例中，如图2所示，还包括单成像镜头11和多芯光纤；所述单成像镜头11采集目标点2的红外辐射并成像于所述多芯光纤的端面，所述多芯光纤的输出端分别连接所述红外多光谱传感器7。

具体的，所述红外多光谱传感器7包括光纤接口8，所述单成像镜头11包括多路光纤接口10，所述多芯光纤包括多路单芯红外光纤9，多芯光纤一端为集成接口形式，与单成像镜头11的多路光纤接口10连接；多芯光纤的另一端为多接口形式，分别与多个红外多光谱传感器7连接。所述每路单芯红外光纤9对应于单独的传输光路，所述每路单芯红外光纤9连接至红外多光谱传感器7的光纤接口8。

在本实施例中，多个目标点2的红外辐射通过单成像镜头11(可为红外成像镜头)，成像于多芯红外光纤端面，经由多芯红外光纤传输至多个红外多光谱传感器7，利用多个红外多光谱传感器7，分别获得多个目标点2的多光谱辐射强度，通过辐射测温算法，进而获得多个目标点2的温度。

采用单成像镜头11、多芯红外光纤传输、分布式红外多光谱传感器7集成的系统结构，利用单镜头及柔性多芯红外光纤，实现了分布式辐射测温，避免了传统的多镜头与多传感器直接连接的设计方案，使系统设计更为简单、结构扩展性强，适用于现场狭小空间内的辐射测温技术实现。

在本实施例中，还包括机箱4，所述机箱4安装于车轮轮轴1旁侧的路基位置处，所述红外多光谱传感器组3集成于所述机箱4内，所述机箱4内还设有温控与电源模块5，为红外多光谱传感器组3供电，所述温控与电源模块5还用于调整红外多光谱传感器组3温度和机箱4温度。

在本实施例中，所述红外多光谱传感器7采用热电制冷，温度控制范围为230K～250K，所述机箱4采用风扇散热，温度控制范围为293K～323K。

在本实施例中，所述机箱4安装于车轮轮轴1旁侧的路基位置，红外多光谱传感器组3瞄准车轮轮轴1上的被测目标点2。由于红外多光谱传感器组3内含有5个红外多光谱传感器7，因为可以实现车轮轮轴1上的5个被测目标点2的温度测量，即每个红外多光谱传感器7瞄准轮轴1表面上的单个目标点，实现单个目标点的温度测量。

在实际应用中，红外多光谱传感器7的数量可以不限于5个。红外多光谱传感器7的光谱范围为2～15μm，适用于中低温辐射测量，在实施例中，所采用的红外多光谱传感器7的光谱范围为3～5μm。红外多光谱传感器7通过单成像镜头11及单芯红外光纤9实现对测试目标点辐射聚焦成像测量，单成像镜头11与红外多光谱传感器7的光谱范围对应匹配。

在本实施例中，如图3所示，所述红外多光谱传感器包括光电传感器阵列15，红外多光谱传感器7采用具有高速采集的光电传感器阵列15，所述光电传感器阵列15为多个光电传感器单元组成的线阵传感器，在本实施例中，光电传感器单元的数量为8个，实际应用中，光电传感器单元数量不限于8个；光电传感器的最大采集频率不小于1MHz，满足车轮高速运动状态下的测量要求。

在本实施例中，所述红外多光谱传感器7还包括准直镜12、光栅13和聚焦镜14，所述准直镜12接收并反射通过单成像镜头11、单芯红外光纤9传输的红外辐射，所述光栅13设于所述准直镜12的反射光路上，所述聚焦镜14设于所述光栅13的反射光路上，所述光电传感器阵列15设于所述聚焦镜14的反射光路，通过将单芯红外光纤9传输的红外辐射分成多个光谱测量通道，使每个光电传感器单元对应一个光谱测量通道。

红外多光谱传感器7包括光电传感器阵列15，光电传感器阵列15由一系列光电传感器单元组成，阵列中的每个传感器单元测量一个红外光谱，光电传感器单元的数量与多光谱的数量一致。

红外多光谱传感器7测量获得目标点的红外多光谱辐射强度数据，通过多光谱辐射强度数据处理，可以获得目标点的温度。

在本实施例中，通过布置多个红外多光谱传感器7，每个红外多光谱传感器7瞄准轮轴1表面上的单个目标点，实现单个目标点的温度测量。

多个红外多光谱传感器7对应于轮轴1表面上的多个目标点，实现轮轴1表面的多个目标点的分布式温度测量；红外多光谱传感器7的布置数量≥2个，即目标点的测量个数≥2个。

本实施例中还提供了一种车辆轴温测量方法，如图4所示，包括：

获取车辆轮轴表面多个目标点的红外多光谱辐射数据；

基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的多个目标点的温度。

红外多光谱测量是指目标点的红外多光谱辐射强度的测量，在本实施例中，通过目标点的红外多光谱辐射强度数据，结合辐射测温算法，计算目标点的温度。

再通过多点测量，对车辆轮轴表面上的多个目标点进行温度测量，通过每个目标点的多光谱辐射强度数据，计算每个目标点的温度，从而获得车辆轮轴表面的多个目标点的温度。

作为优选的，获取车辆轮轴表面多个目标点的红外多光谱辐射数据具体包括：

获取车辆轮轴表面多个目标点的红外辐射信息，将每个目标点的红外辐射信息分成多个光谱测量通道，得到每个目标点的红外多光谱辐射强度数据；通过棱镜、光栅等分光方式，实现目标点的多光谱辐射强度测量，多光谱的数量≥2个。

在本实施例中，基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的多个目标点的温度具体包括：

基于单个目标点在多个波长下的红外光谱辐射强度测量信号及对应波长下光谱发射率表征函数，得到对应目标点的温度；

基于多个目标点的红外多光谱辐射数据，得到多个目标点的温度。

作为优选的，基于单个目标点在多个波长下的红外光谱辐射强度测量信号及对应波长下光谱发射率表征函数，得到对应目标点的温度具体包括：

基于每个光谱测量通道测量输出的有效光谱辐射强度、目标光谱发射率函数和对应波长的黑体光谱辐射强度分布函数，得到多个波长下的红外光谱辐射强度的测量信号方程组；

基于不同温度、波长下的目标光谱发射数据，得到光谱发射率函数；

基于光谱发射率函数，对多个波长下的红外光谱辐射强度测量信号方程组封闭求解，得到该目标点的温度。

具体的，辐射测温算法的基本原理如下。

在N个波长下的红外光谱辐射强度的测量信号表示为：

V_i＝ε_iI_b(λ_i,T),i＝1,..,N

其中，T是目标温度，为未知量；N是多光谱测量的光谱波长的数量，为已知量；λ_i是第i个光谱测量通道的测量波长，是已知量；V_i是在第i个光谱测量通道的测量输出的有效光谱辐射强度，为测量已知量；ε_i表示在第i个光谱测量通道(即波长为λ_i)的目标光谱发射率，为未知量；I_b(λ_i,T)表示在温度T、波长为λ_i时的黑体光谱辐射强度分布函数，是温度T、波长λ_i的函数，为非独立未知量，可视为由温度T所决定的物理量。由上式可知，在测量方程组中，共有N个测量已知的光谱辐射强度，对应着1个未知温度和N个未知发射率。

轮轴表面光谱发射率的未知性是辐射温度准确测量的关键影响因素，本专利采用光谱发射率函数表征，以及光谱发射率预先数据的方式，以实现高精度的温度测量。

光谱发射率可以用波长相关的简单数学函数描述，例如线性函数、指数函数、多项式函数等。其中，具有双参数的指数函数是常用的光谱发射率表征函数，例如：

ε＝exp(a+bλ)

其中(a,b)是上述光谱发射率函数中的两个待定参数。

发射率函数中的待定参数即为所求的未知量，发射率函数中的待定参数个数应不大于N-1。基于测量方程组和光谱发射率函数，多光谱辐射强度测量方程组满足数学封闭求解条件，通过最小二乘法等数学优化算法，可以实现温度的求解。

发射率函数是保证方程组温度求解的必要条件，为提高温度求解精度，采用发射率测量实验台，预先测量在不同温度、波长下的目标光谱发射率数据。发射率测量实验台，基于发射率定义，可以采用黑体比较法或基尔霍夫定律，测量发射率。尽管已知光谱发射率数据，但在轮轴长时间运行过程中，样品表面状态会发生改变，致使相同温度、波长条件下的目标发射率与预先测量的发射率数据可能存在一定的偏差，但该偏差幅度有限，且不影响光谱发射率的分布规律，因此将预先测量的发射率数据赋予一定的变化界限，例如±50％，作为上述多光谱辐射强度方程组求解的约束条件，以提高基于发射率函数的辐射测温精度。上述即为轮轴表面多光谱辐射测温算法的基本原理。

综上所述，本发明提出一种基于红外多光谱的车辆轮轴多点测温装置和方法，通过红外多光谱、多点目标的高速测量，实现运动车轮轴温的高精度测量，适用于轮轴表面发射率未知或变表面发射率条件、多点区域温度的非接触在线测量，克服了现有轮轴辐射测温技术受限于未知的表面发射率以及温度分布测量的局限性问题，同时非接触式测温解决了现有技术中由于因受到强烈的振动而导致使用寿命缩短、易发生故障、温度误报的问题；利用单镜头及柔性多芯光纤，避免了传统的多镜头与多传感器直接连接的设计方案，使系统设计更为简单、结构扩展性强，适用于现场狭小空间内的辐射测温技术实现。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，包括红外多光谱传感器组和光谱测温仪；

所述红外多光谱传感器组包括多个分布排列的红外多光谱传感器，所述每个红外多光谱传感器用于采集车辆轮轴表面单个目标点的红外多光谱辐射强度数据；

所述光谱测温仪用于根据每个目标点的多光谱辐射强度数据得到每个目标点的温度。

2.根据权利要求1所述的车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，还包括单成像镜头和多芯光纤；所述单成像镜头采集目标点的红外辐射并成像于所述多芯光纤的端面，所述多芯光纤的输出端分别连接所述红外多光谱传感器。

3.根据权利要求2所述的车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，所述多芯光纤包括多路单芯红外光纤，所述每路单芯红外光纤对应于单独的传输光路，所述每路单芯红外光纤连接一红外多光谱传感器。

4.根据权利要求2所述的车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，所述红外多光谱传感器包括光电传感器阵列，所述光电传感器阵列为多个光电传感器单元组成的线阵传感器，所述每个光电传感器的采集频率不小于1MHz。

5.根据权利要求4所述的车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，所述红外多光谱传感器还包括准直镜、光栅和聚焦镜，所述准直镜接收并反射所述单芯红外光纤传输的红外辐射，所述光栅设于所述准直镜的反射光路上，所述聚焦镜设于所述光栅的反射光路上，所述光电传感器阵列设于所述聚焦镜的反射光路，通过将所述单芯红外光纤传输的红外辐射分成多个光谱测量通道，使每个光电传感器单元对应一个光谱测量通道。

6.根据权利要求1所述的车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，还包括机箱，所述机箱安装于车轮轮轴旁侧的路基位置处，所述红外多光谱传感器组集成于所述机箱内，所述机箱内还设有温控与电源模块，所述温控与电源模块用于调整红外多光谱传感器组温度和机箱温度。

7.根据权利要求6所述的车辆轮轴多点测温装置，其特征在于，所述红外多光谱传感器采用热电制冷，温度控制范围为230K～250K，所述机箱采用风扇散热，温度控制范围为293K～323K。

8.一种车辆轮轴多点测温方法，其特征在于，包括：

获取车辆轮轴表面多个目标点的红外多光谱辐射数据；

基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的多个目标点的温度。

9.根据权利要求8所述的车辆轮轴多点测温方法，其特征在于，获取车辆轮轴表面多个目标点的红外多光谱辐射数据具体包括：

获取车辆轮轴表面多个目标点的红外辐射信息，对每个目标点的红外辐射分光处理形成多个光谱测量通道，并采集每个光谱测量通道中的光谱辐射强度数据得到目标点的红外多光谱辐射强度数据。

10.根据权利要求8所述的车辆轮轴多点测温方法，其特征在于，基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的多个目标点的温度具体包括：

基于每个光谱测量通道测量输出的有效光谱辐射强度、目标光谱发射率函数和对应波长的黑体光谱辐射强度分布函数，得到多个波长下的红外光谱辐射强度的测量信号方程组；

基于不同温度、波长下的目标光谱发射数据，得到光谱发射率函数；

基于光谱发射率函数，对多个波长下的红外光谱辐射强度测量信号方程组封闭求解，得到该目标点的温度。