CN107560753A - 基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法，所述装置包括红外多光谱传感器、线阵可见光传感器和光谱测温仪；所述线阵可见光传感器用于扫描车辆轮轴表面待测温目标点所在的目标区域，获得目标区域的可见光图像；所述红外多光谱传感器基于目标区域的可见光图像定位待测温目标点，并采集目标点的红外多光谱辐射强度数据；所述光谱测温仪用于对红外多光谱辐射强度数据处理得到目标点的温度。采用红外多光谱测量与可见光成像测量相结合的测量方式；通过目标的红外多光谱辐射强度的测量，实现轮轴表面目标点温度的测量；通过主动光源照射下的可见光成像，实现轮轴测温目标点的实时定位。

Description

基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法

技术领域

本发明涉及车辆轴温测量技术领域，更具体地，涉及一种基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法。

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可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法，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，提供一种车辆轮轴单点测温装置，包括红外多光谱传感器、线阵可见光传感器和光谱测温仪；

所述线阵可见光传感器用于扫描车辆轮轴表面待测温目标点所在的目标区域，获得目标区域的可见光图像；

所述红外多光谱传感器基于目标区域的可见光图像定位待测温目标点，并采集目标点的红外多光谱辐射强度数据；

所述光谱测温仪用于对红外多光谱辐射强度数据处理得到目标点的温度。

作为优选的，还包括机箱，所述红外多光谱传感器、线阵可见光传感器、光谱测温仪设于所述机箱内，所述机箱安装于车轮轮轴旁侧的路基位置处。

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和目标区域的可见光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和所述线阵可见光传感器。

作为优选的，所述多芯光纤的输入端口为集成接口，输出端口为双接口，包括单芯光纤输出接口和多芯光纤输出接口；所述单芯光纤输出接口连接所述红外多光谱传感器，所述多芯光纤输出接口连接所述线阵可见光传感器。

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、棱镜和聚焦镜，所述准直镜接收并反射单芯光纤输出接口输入的红外辐射，所述棱镜设于所述准直镜的反射光路上，所述聚焦镜设于所述棱镜的折射光路上，所述光电传感器阵列设于所述聚焦镜的反射光路，通过将单芯光纤输出接口输入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，所述红外多光谱传感器的光谱范围为3～15μm。

一种车辆轮轴单点测温方法，包括：

获取车辆轮轴表面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目标点的温度。

作为优选的，获取车辆轮轴表面目标点的红外多光谱辐射数据具体包括：

获取车辆轮轴表面目标点的红外辐射信息，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，在获取车辆轮轴表面目标点的红外多光谱辐射数据前还包括：

基于目标区域的可见光成像信息，对车辆轮轴待测温目标点实时定位。

本发明提出一种基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法，通过主动光源照射下的可见光成像，实现轮轴测温点目标的实时定位，同时通过红外多光谱、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下的目标点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难以准确定位测量的局限性问题，同时采用非接触式测温，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，实现了点目标辐射测温与目标空间的可视化定位，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测量传感器结构示意图；

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轮轴单点测温装置，包括红外多光谱传感器6、线阵可见光传感器7和光谱测温仪；

所述线阵可见光传感器7用于扫描车辆轮轴1表面待测温目标点2所在的目标区域，获得目标区域的可见光图像；

所述红外多光谱传感器6基于目标区域的可见光图像定位待测温目标点2，并采集目标点2的红外多光谱辐射强度数据；

在本实施例中，还包括可见光照明光源4，所述可见光照明光源4用于通过可见光照射车辆轮轴1待测温目标点2所在的目标区域，使线阵可见光传感器7能对目标区域清晰成像测量。可见光照明光源4的光谱集中于可见光区间，对红外多光谱测量无干扰。

所述光谱测温仪用于对红外多光谱辐射强度数据处理得到目标点2的温度。采用红外多光谱测量与可见光成像测量相结合的测量方式；通过目标的红外多光谱辐射强度的测量，实现轮轴1表面目标点2温度的测量；通过主动光源照射下的可见光成像，实现轮轴1测温目标点2的实时定位。

在本实施例中，还包括机箱5，所述红外多光谱传感器6、线阵可见光传感器7、可见光光源4、光谱测温仪设于所述机箱5内，所述机箱5安装于车轮轮轴1旁侧的路基位置处。

图1所示，红外多光谱传感器6的光谱范围可以为2～15μm，在实施例中，所采用的红外多光谱传感器6的光谱范围为8～13μm。

在本实施例中，单成像镜头13、红外多光谱传感器6和线阵可见光传感器7组成测量传感器3，用于测量目标点2的红外多光谱辐射强度数据和可见光成像信息。

在本实施例中，具体的，在本实施例中，还包括单成像镜头13和多芯光纤；所述单成像镜头13用于对目标点2的辐射聚焦成像，所述多芯光纤的输入接口为集成输入接口，输出接口为双接口，所述双接口包括一路单芯光纤输出接口和一路多芯光纤输出接口；所述输入接口连接单成像镜头13，所述单成像镜头13的成像于所述多芯光纤的端面，所述单芯光纤输出接口连接所述红外多光谱传感器6，所述多芯光纤输出接口连接所述线阵可见光传感器7。单芯光纤输出接口与红外多光谱传感器6连接，实现点目标红外辐射的传输与测量；多芯光纤输出接口与线阵可见光传感器7连接，实现包含点目标在内的分布式区域可见光辐射的传输与测量。

采用红外多光谱测量与可见光成像测量相结合的测量方式；点目标的红外辐射以及区域的可见光辐射通过单成像镜头13，成像于多芯光纤端面，经由多芯光纤传输至红外多光谱传感器6、线阵可见光传感器7；利用红外多光谱传感器6，获得目标点2的多光谱辐射强度，通过辐射测温算法，实现轮轴表面点目标温度的测量；利用线阵可见光传感器7，获得包含目标点2在内区域的可见光辐射，实现轮轴测温目标点2的定位。

具体的，如图2所示，所述单成像镜头13上设有多路光纤接口12，所述红外多光谱传感器6上设有红外光纤接口8，所述线阵可见光传感器7上设有可见光光纤接口9；多芯光纤为多芯结构，每个光纤芯对应于单独的传输光路，具体包括单芯红外光纤10和多芯可见光光纤11，所述单成像镜头13通过单芯红外光纤10连接红外多光谱传感器6，通过多芯可见光光纤11连接线阵可将光传感器；单芯红外光纤10和多芯可见光光纤11的输入端集成为集成接口，作为输入接口，单芯红外光纤10的另一侧为单芯光纤输出接口；多芯可见光光纤11的另一侧为多芯光纤输出接口；单芯光纤输出接口连接红外光纤接口8，多芯光纤输出接口连接可见光光纤接口9。

采用单成像镜头、多芯光纤传输、红外多光谱传感器6与线阵可见光传感器7集成的系统结构，利用单镜头及柔性多芯光纤，实现了点目标辐射测温与目标空间的可视化定位，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。

具体的，如图3所示，所述红外多光谱传感器6包括光电传感器阵列17，红外多光谱传感器6采用具有高速采集的光电传感器阵列17，所述光电传感器阵列17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10个，实际应用中，光电传感器单元数量不限于10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，如图3所示，所述红外多光谱传感器6还包括准直镜14、棱镜15和聚焦镜16，车轮轮轴1上的被测目标点2的发射辐射入射到单成像镜头13，通过光纤10传输后经准直镜14，投射到棱镜15上的入射平面上，经棱镜15色散分光后，不同波长的红外辐射经由棱镜15的出射平面，投射到聚焦镜16上，经聚焦后，不同波长的红外辐射入射到光电传感器阵列17上的不同传感器单元，每个光电传感器对应于一个光谱测量通道，即形成了多光谱测量，本实施例中，光谱通道的数量为10个。红外多光谱传感器6测量获得目标点2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2的温度。

在本实施例中，采用线阵可见光传感器7实现可见光图像测量。在本实施例中，线阵可见光传感器7可选用线阵CCD传感器。线阵CCD传感器的光学视场覆盖车轮轮轴1上的被测目标点2的区域，即红外多光谱传感器6的视场区域落在线阵可见光传感器7的视场区域之内。在车轮运动过程中，由于车轮的行进与线阵传感器产生的相对运动，线阵CCD传感器可以获得扫描区域的可见光图像。

在本实施例中，线阵CCD传感器与红外多光谱传感器6同步工作，可以同时获得目标温度以及目标区域的可见光图像。线阵CCD传感器与可见光照明光源4同步工作，在本实施例中，可见光照明光源4选用LED光源，LED光源照射车轮轮轴1上的被测目标区域，使线阵CCD传感器能对目标区域清晰成像测量，且对红外多光谱辐射测量无干扰，进而在实现运动车轮轴1温的高精度辐射测量的同时，也能够对测量区域进行可见光成像定位。

本实施例中还提供了一种车辆轮轴单点测温方法，如图4所示，包括：

获取车辆轮轴表面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目标点的温度。

在本实施例中，获取车辆轮轴表面目标点的红外多光谱辐射数据具体包括：

获取车辆轮轴表面目标点的红外辐射信息，并分光处理形成多个光谱测量通道，得到目标点的红外多光谱辐射强度数据。

在本实施例中，基于辐射测温算法，得到车辆轮轴表面的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，获取车辆轮轴表面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。

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。

在本实施例中，车辆轴温测量方法还包括：

基于目标区域的可见光成像，对车辆轮轴测温目标点实时定位。

采用线阵可见光传感器实现可见光图像测量。在本实施例中，线阵可见光传感器可选用线阵CCD传感器。线阵CCD传感器的光学视场覆盖车轮轮轴上的被测目标点的区域，即红外多光谱传感器的视场区域落在线阵可见光传感器的视场区域之内。在车轮运动过程中，由于车轮的行进与线阵传感器产生的相对运动，线阵CCD传感器可以获得扫描区域的可见光图像。

线阵CCD传感器与红外多光谱传感器同步工作，可以同时获得目标温度以及目标区域的可见光图像。线阵CCD传感器与可见光照明光源同步工作，在本实施例中，可见光照明光源选用LED光源，LED光源照射车轮轮轴上的被测目标区域，使线阵CCD传感器能对目标区域清晰成像测量，且对红外多光谱辐射测量无干扰，进而在实现运动车轮轴温的高精度辐射测量的同时，也能够对测量区域进行可见光成像定位。

综上所述，本发明提出一种基于可见光和红外多光谱的车辆轮轴单点测温装置和方法，通过主动光源照射下的可见光成像，实现轮轴测温点目标的实时定位，同时通过红外多光谱、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下的目标点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难以准确定位测量的局限性问题，同时采用非接触式测温，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，实现了点目标辐射测温与目标空间的可视化定位，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)

1.一种车辆轮轴单点测温装置，其特征在于，包括红外多光谱传感器、线阵可见光传感器和光谱测温仪；

所述线阵可见光传感器用于扫描车辆轮轴表面待测温目标点所在的目标区域，获得目标区域的可见光图像；

所述红外多光谱传感器基于目标区域的可见光图像定位待测温目标点，并采集目标点的红外多光谱辐射强度数据；

所述光谱测温仪用于对红外多光谱辐射强度数据处理得到目标点的温度。

2.根据权利要求1所述的车辆轮轴单点测温装置，其特征在于，还包括机箱，所述红外多光谱传感器、线阵可见光传感器、光谱测温仪设于所述机箱内，所述机箱安装于车轮轮轴旁侧的路基位置处。

3.根据权利要求1所述的车辆轮轴单点测温装置，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和目标区域的可见光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和所述线阵可见光传感器。

4.根据权利要求3所述的车辆轮轴单点测温装置，其特征在于，所述多芯光纤的输入端口为集成接口，输出端口为双接口，包括单芯光纤输出接口和多芯光纤输出接口；所述单芯光纤输出接口连接所述红外多光谱传感器，所述多芯光纤输出接口连接所述线阵可见光传感器。

5.根据权利要求3所述的车辆轮轴单点测温装置，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。

6.根据权利要求5所述的车辆轮轴单点测温装置，其特征在于，所述红外多光谱传感器还包括准直镜、棱镜和聚焦镜，所述准直镜接收并反射单芯光纤输出接口输入的红外辐射，所述棱镜设于所述准直镜的反射光路上，所述聚焦镜设于所述棱镜的折射光路上，所述光电传感器阵列设于所述聚焦镜的反射光路，通过将单芯光纤输出接口输入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。

7.根据权利要求1所述的车辆轮轴单点测温装置，其特征在于，所述红外多光谱传感器的光谱范围为3～15μm。

8.一种车辆轮轴单点测温方法，其特征在于，包括：

获取车辆轮轴表面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目标点的温度。

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

获取车辆轮轴表面目标点的红外辐射信息，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所述的车辆轮轴单点测温方法，其特征在于，获取车辆轮轴表面目标点的红外多光谱辐射数据前还包括：

基于目标区域的可见光成像信息，对车辆轮轴待测温目标点实时定位。