CN108051092A - 热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制与解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制解调系统，所述光学调制解调系统，包括：光学系统、红外线元件、调制电机、调制盘、槽型光耦和信号处理电路。通过所述调制电机驱动调制盘对经所述光学系统聚焦后的被探测物体发出的红外线热辐射进行调制，形成交流调幅波信号被热敏电阻型红外探测器接收，转换成交流调幅波电信号，经放大后，进行线性相敏检波、滤波等处理后输出直流信号供计算机采集处理，解决了高倍直流放大电路的直流漂移问题和传统二极管检波的非线性问题，能满足0～240Km/h高速列车轴温探测。

Description

热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制与解调系统

技术领域

本发明涉及一种轴温探测器，特别涉及一种热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制与解调系统。

背景技术

热敏电阻红外探测器是一种接收热辐射能，从而输出电信号的敏感器件。它的敏感元由锰、镍、鈷的氧化物按一定比例制成的。主要用于热辐射的探测和测量。如非接触测温、列车轴箱温度探测。响应波长：2～16um、时间常数：1.8～3.5ms。

热敏电阻红外探测器接收矩形脉冲辐射后，其输出信号V(t)有一个较为缓慢的上升过程：

V(t)=R×P×[1-e^(-t/τ)] （1）

由上述公式可以画出不同热辐射能下的响应曲线，参见图1，其中，热辐射能P₁>P₂>P₃热敏电阻响应率为R，热敏电阻时间常数为τ。

不经过光学调制的输出信号在经过比较长的时间t4(10ms)后，输出达到最大幅度，最高只能适应0～120Km/h列车轴温探测，不能满足0～240Km/h高速列车轴温探测。而经过1000Hz和1500Hz光学调制的输出信号，并没有达到最大幅度，显然它们是牺牲了放大倍数，而只是取了一个比例关系。这样做的后果就是信号衰减比较大，信噪比较低，但得到的确是输出信号幅度与车速无关的重要结果。调制频率为1000Hz时，每一次的采样时间都是0.5ms，其输出的信号幅度为V(0.5)=R×P×[1-e^(-1/2τ)]同样，调制频率为1500Hz时，每一次的采样时间都是0.33ms，其输出的信号幅度为V(0.33)=R×P×[1-e^(-1/3τ)]因为R、τ都是常数，所以信号的输出幅度仅与热辐射能P成正比，而与车速无关。

图2是一次性扫描探头接收矩形脉冲辐射后的输出信号：一般从t1到t2约需10ms左右。一次性扫描探头在工作时，对运行中列车的每个轴箱扫描1次，扫描时间t受车速影响，车速越快，扫描时间越短。由式(1)可知，由于t与τ在同一数量级，显然V(t)与t相关，车速较慢时，t较大(t>>τ)，当e^(-t/τ)->0时，则V(t)->V0，车速较快时，t较小(t≈τ)，则V(t)将达不到V0从图(2)可以看到，当车速较快时，V(t)-t曲线与P(t)-t曲线规律相比，失真较严重，这将导致一次性扫描探头输出信号与车速有关，在探测快速列车时，信号波形不能反映轴箱温度分布。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种能够提高轴温探测器满足0～240Km/h高速列车轴温探测的光学调制与解调系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制与解调系统，包括：

光学系统，用于聚焦被探测物体发出的红外线热辐射；

调制盘，安装在调制电机上，通过调制电机驱动电路驱动所述调制电机带动所述调制盘转动，对被探测物体发出的红外线热辐射进行调制，形成交流调幅波信号；

红外线元件，为热敏电阻型红外探测器，其探头设置于所述光学系统的聚焦焦点处，用于将所述交流调幅波信号转换为交流调幅波电信号；

槽型光耦，用于对所述调制盘的开孔进行检测，产生同步信号；

信号处理电路，用于处理并解调所述交流调幅波电信号和同步信号。

作为实施例优选，所述光学系统为直射式光学系统，其包括：锗镀金刚膜平面镜、第一级聚焦镜、第二级聚焦镜。

作为实施例优选，所述调制盘圆周上均匀分布10个开孔，其形状为弧底梯形；所述开孔与未开孔部分所占圆周等分。

作为实施例优选，所述调制电机驱动电路包括：数字分相器、A相场效应开关功率放大电路和B相场效应开关功率放大电路；所述数字分相器分别与A相场效应开关功率放大电路和B相场效应开关功率放大电路连接；

所述数字分相器，用于对调制电机驱动信号A相0度相移和B相90度相移；

所述A相场效应开关功率放大电路，用于输出相移后的调制电机驱动信号A；

所述B相场效应开关功率放大电路，用于输出相移后的调制电机驱动信号B。

作为实施例优选，所述信号处理电路还包括：前置放大电路；所述前置放大电路，包括阻抗匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和高通滤波器；通过所述阻抗匹配电路连接至所述红外线元件，用于放大所述交流调幅波电信号；

所述阻抗匹配电路，用于实现高阻到低阻的阻抗变换；

所述第一级放大电路和所述第二级放大电路，用于放大所述交流调幅波电信号；所述高通滤波器，用于低频信号滤波。

作为实施例优选，所述信号处理电路，还包括盘温信号检测电路和同步信号处理电路；

所述盘温信号处理电路的输入端连接有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述调制盘的环境温度，并通过所述盘温信号处理电路输出温度信号；

所述同步信号处理电路的输入端连接所述槽型光耦，用于处理所述同步信号，并将处理后的同步信号输出至信号解调电路。

作为实施例优选，所述温度信号为4～20mA的模拟量信号。

作为实施例优选，所述温度传感器为PT100热敏电阻。

作为实施例优选，所述槽型光偶，包括发送二极管和接收二极管；所述发送二极管用于发出光信号，所述接收二极管用于接收光信号。

作为实施例优选，所述信号处理电路，还包括信号解调电路；

所述信号解调电路，包括：4阶带通滤波器和同步信号光隔电路、以及依次连接的线性相敏检波器、4阶低通滤波器和4阶陷波器；所述4阶带通滤波器和同步信号光隔电路分别与所述线性相敏检波器连接；

所述4阶带通滤波器，用于对所述交流调幅波电信号进行带通选频，滤除低频、高频噪音信号；

所述同步信号光隔电路，用于对所述同步信号进行电气隔离和整形；

所述线性相敏检波器，用于对所述交流调幅波信号和同步信号进行相敏检波；

所述4阶低通滤波器和4阶陷波器，用于信号经过相敏检波后的包络还原，滤除高频噪音和调制频率的倍频噪音。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、通过使用本发明的光学调制与解调系统，解决了高倍直流放大电路的直流漂移问题和传统二极管检波的非线性问题，能满足0～240Km/h高速列车轴温探测；

2、通过本发明的调制电机驱动电路驱动调制电机，解决了驱动频率和相移稳定性问题以及效率问题；

3、本发明的光学调制与解调系统在前置放大电路中增加的模拟电感电路，其体积小、电感量调整方便，不易受外界电磁干扰，解决了传统线圈电感对外界电磁干扰的敏感问题，提高了抗外界电磁干扰能力，改善了信噪比；

4、本发明的光学调制与解调系统在信号解调电路中使用的线性相敏检波器，其采用运算放大器电路与电子模拟开关完成相敏检波，检波效率高，因此其非线性失真小，解决了普通的检波器利用二极管的单向导通检波，其检波效率低、非线性失真大的问题。

附图说明：

图1为热敏电阻型探测器在不同热辐射能下的响应曲线图；

图2为一次性扫描探头接收矩形脉冲辐射后的输出信号图；

图3为本发明实施例的光学调制与解调系统的系统结构图；

图4为本发明实施例的光学调制与解调系统的光学系统结构图；

图5为本发明实施例的光学调制与解调系统的数字分频晶振电路；

图6为本发明实施例的光学调制与解调系统的U2单元电路；

图7为本发明实施例的光学调制与解调系统的A相场效应开关功率放大电路；

图8为本发明实施例的光学调制与解调系统的B相场效应开关功率放大电路；

图9为本发明实施例的光学调制与解调系统的调制盘示意图；

图10为本发明实施例的光学调制与解调系统的前置放大电路框图；

图11为本发明实施例的光学调制与解调系统的前置放大电路图；

图12为本发明实施例的光学调制与解调系统的盘温信号处理电路图；

图13为本发明实施例的光学调制与解调系统的同步信号处理电路图；

图14为本发明实施例的光学调制与解调系统的槽型光耦示意图；

图15为本发明实施例的光学调制与解调系统的信号解调电路框图；

图16为本发明实施例的光学调制与解调系统的4阶带通滤波器电路图；

图17为本发明实施例的光学调制与解调系统的同步信号光隔电路图；

图18为本发明实施例的光学调制与解调系统的线性相敏检波器；

图19为本发明实施例的光学调制与解调系统的4阶低通滤波器和4阶陷波器电路图；

图中标记：

100-光学系统，110-锗镀金刚膜平面镜，120-第一级聚焦镜，130-第二级聚焦镜；

200-红外线元件；

300-调制电机；

400-调制盘,410-开孔，420-未开孔；

500-槽型光耦，510-发送二极管，520-接收二极管；

600-信号处理电路；

610-前置放大电路，611-阻抗匹配电路，612-第一级放大电路，613-第二级放大电路，614-高通滤波器；

620-盘温信号处理电路，621-温度传感器；

630-同步信号处理电路；

640-信号解调电路，641-4阶带通滤波器，642-同步信号光隔电路，643-线性相敏检波器，644-4阶低通滤波器，645-4阶陷波器。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

参见图3，一种热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制解调系统，所述光学调制解调系统，包括：光学系统100、红外线元件200、调制电机300、调制盘400、槽型光耦500和信号处理电路600。

参见图4，所述光学系统100，为直射式光学系统，包括锗镀金刚膜平面镜110、第一级聚焦镜120、第二级聚焦镜130，所述光学系统100用于聚焦被探测物体发出的红外线热辐射，其能量集中度达90%以上，通过热辐射红外线波长8～12um，表面抗磨伤能力好、抗阳光干扰能力强。

所述调制盘400安装在所述调制电机300上，通过调制电机驱动电路310驱动所述调制电机300带动所述调制盘400转动，对被探测物体发出的红外线热辐射进行调制，形成交流调幅波信号；所述调制电机驱动电路310包括：数字分相器、A相场效应开关功率放大电路和B相场效应开关功率放大电路；所述数字分相器分别与A相场效应开关功率放大电路和B相场效应开关功率放大电路连接；所述数字分相器，用于对调制电机驱动信号A相0度相移和B相90度相移；所述A相场效应开关功率放大电路，用于输出相移后的调制电机驱动信号A；所述B相场效应开关功率放大电路，用于输出相移后的调制电机驱动信号B。具体地，参见图5～8，所述数字分相器，是由U1（CD4060）与晶振组成的数字分频晶振电路，再通过U1的端口1与U2（CD4013）单元电路的端口3和11连接组成；所述A相场效应开关功率放大电路，是由Q1、Q2、M1、M2单元电路组成，其输入端（200HZ1）连接至所述数字分相器中U2的端口1；所述B相场效应开关功率放大电路，是由Q3、Q4、M3、M4单元电路组成，其输入端（200HZ2）连接至所述数字分相器中U2的端口13；通过所述数字分相器完成A相0度相移和B相90度相移，再通过所述A相场效应开关功率放大电路输出调制电机驱动信号A，以及通过所述B相场效应开关功率放大电路输出调制电机驱动信号B；通过本实施例的调制电机驱动电路驱动调制电机，解决了驱动频率和相移稳定性问题以及效率问题。

参见图9，所述调制盘400圆周上均匀分布若干个开孔410，用于对经所述直射式光学系统聚焦后的热辐射红外线进行光学调制形成交流调幅波信号；所述开孔410的形状、大小和数量可以根据调制频率要求改变，但需要保证开孔410与未开孔部分420所占圆周等分；作为优选，本实施例的调制盘400圆周上均匀分布10个开孔410，其形状为弧底梯形。

所述红外线元件200，为热敏电阻型红外探测器，其探头设置于所述光学系统100的聚焦焦点处，用于将所述交流调幅波信号转换为交流调幅波电信号。

所述信号处理电路600，包括前置放大电路610；具体地，参见图10，所述前置放大电路610，包括阻抗匹配电路611、第一级放大电路612、第二级放大电路613和高通滤波器614；通过所述阻抗匹配电路611连接至所述红外线元件200；

参见图11，所述阻抗匹配电路611采用场效应管BG1与电阻R3～R7、电容C7组成，用于实现高阻到低阻的阻抗变换；所述第一级放大电路612，采用比较器IC1与电阻R7～R9、电容C9组成；所述第二级放大电路613，采用比较器IC3、电阻R12、R17、可调电阻W1组成，W1用于调整幅度，放大所述交流调幅波电信号；所述高通滤波器614，采用精密电容C10、电阻R11和模拟电感电路组成，所述模拟电感电路，采用比较器IC2电阻R13～R16和电容C11组成，通过调整R13和R15很容易调整电感量，从而改变截止频率，实现低频信号滤波；所述模拟电感电路体积小、电感量调整方便，不易受外界电磁干扰，解决了传统线圈电感对外界电磁干扰的敏感问题，提高了抗外界电磁干扰能力，改善了信噪比。

所述信号处理电路600，还包括盘温信号检测电路620和同步信号处理电路630；参见图12，所述盘温信号处理电路620的输入端连接有温度传感器621，所述温度传感器621用于检测所述调制盘的环境温度，并通过所述盘温信号处理电路620输出温度信号；所述温度信号为4～20mA模拟量信号；

参见图13，所述同步信号处理电路630的输入端连接所述槽型光耦500，参见图14，所述槽型光耦500，包括发送二极管510和接收二极管520，用于对所述开孔410位置进行检测，并输出同步信号；具体地，当检测到开孔410时，所述发送二极管510发出的光信号通过所述开孔410到达所述接收二极管520，所述接收二极管520导通，并通过所述同步信号处理电路630输出低电平，当检测到所述未开孔部分420时，所述发送二极管510发出的光信号被所述未开孔部分420遮挡，而不能到达所述接收二极管520，接收二极管520截止，并通过所述同步信号处理电路630输出高电平，从而产生同步信号。

所述交流调幅波电信号经所述前置放大电路610放大后与同步信号一同送入所述信号解调电路640，进行解调后输出直流信号；通过检测调制盘400的温度，有利于定量测温。在被测物体的红外线热辐射温度高于调制盘温度时，同步信号是一个先正后负的正旋波信号，在被测物体的红外线热辐射温度低于调制盘温度时，同步信号是一个先负后正的正旋波信号，同步信号始终是一个与调制盘开孔或未开孔同步的信号，这样就能实现信号解调电路的同步线性解波，从而可以获得被测物体的实际温度=调制盘温度+信号解调电路输出对应的温升。

所述信号处理电路600，还包括信号解调电路640；参见图15，所述信号解调电路640，包括：4阶带通滤波器641和同步信号光隔电路642、以及依次连接的线性相敏检波器643、4阶低通滤波器644和4阶陷波器645；所述4阶带通滤波器641和同步信号光隔电路642分别于所述线性相敏检波器643连接；

具体地，参见图16，所述4阶带通滤波器641由集成电路U1A、U1B、U1C、U1D单元电路组成，用于对所述交流调幅波电信号进行带通选频，滤除低频、高频噪音信号；

参见图17，所述同步信号光隔电路642由U5、U6组成，用于对所述同步信号进行电气隔离和整形；

参见图18，所述线性相敏检波器643由U2A、U2B、U20、U7单元电路组成，用于对所述交流调幅波信号和同步信号进行相敏检波，普通的检波器利用的是二极管的单向导通检波，虽然其有电路简单和容易实现的优点，但检波效率低、非线性失真大。本线性相敏检波器是采用运算放大器电路与电子模拟开关完成相敏检波，检波效率高，因此其非线性失真小；

参见图19，所述4阶低通滤波器644由U15A、U15B单元电路组成；所述4阶陷波器645由U16A、U13单元电路组成；所述4阶低通滤波器和4阶陷波器，用于信号经过相敏检波后的包络还原，滤除高频噪音和调制频率的倍频噪音。由此输出的信号与被测物体表面温度变化的直流信号供计算机采集处理，所述计算机采集处理为本领域熟知的处理方式，这里不再赘述。

本实施例采用所述调制电机300驱动所述调制盘400对经所述光学系统100聚焦后的被探测物体发出的红外线热辐射进行调制，形成交流调幅波信号被热敏电阻型红外探测器接收，转换成交流调幅波电信号，经放大后，进行线性相敏检波、滤波等处理后输出直流信号供计算机采集处理，解决了高倍直流放大电路的直流漂移问题和传统二极管检波的非线性问题，能满足0～240Km/h高速列车轴温探测。

以上所述，仅为本发明实施例的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热敏电阻型高速轴温探测器的光学调制与解调系统，其特征在于，包括：

光学系统，用于聚焦被探测物体发出的红外线热辐射；

调制盘，安装在调制电机上，通过调制电机驱动电路驱动所述调制电机带动所述调制盘转动，对被探测物体发出的红外线热辐射进行调制，形成交流调幅波信号；

红外线元件，为热敏电阻型红外探测器，其探头设置于所述光学系统的聚焦焦点处，用于将所述交流调幅波信号转换为交流调幅波电信号；

槽型光耦，用于对所述调制盘的开孔进行检测，产生同步信号；

信号处理电路，用于处理并解调所述交流调幅波电信号和同步信号。

2.根据权利要求1所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述光学系统为直射式光学系统，其包括：锗镀金刚膜平面镜、第一级聚焦镜、第二级聚焦镜。

3.根据权利要求1所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述调制盘圆周上均匀分布10个开孔，其形状为弧底梯形；所述开孔与未开孔部分所占圆周等分。

4.根据权利要求1所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述调制电机驱动电路包括：数字分相器、A相场效应开关功率放大电路和B相场效应开关功率放大电路；所述数字分相器分别与A相场效应开关功率放大电路和B相场效应开关功率放大电路连接；

所述数字分相器，用于对调制电机驱动信号A相0度相移和B相90度相移；

所述A相场效应开关功率放大电路，用于输出相移后的调制电机驱动信号A；

所述B相场效应开关功率放大电路，用于输出相移后的调制电机驱动信号B。

5.根据权利要求1所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述信号处理电路还包括：前置放大电路；所述前置放大电路，包括阻抗匹配电路、第一级放大电路、第二级放大电路和高通滤波器，所述阻抗匹配电路连接至所述红外线元件；

所述阻抗匹配电路，用于实现高阻到低阻的阻抗变换；

所述第一级放大电路和所述第二级放大电路，用于放大所述交流调幅波电信号；所述高通滤波器，用于低频信号滤波。

6.根据权利要求1所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述信号处理电路，还包括盘温信号检测电路和同步信号处理电路；

所述盘温信号处理电路的输入端连接有温度传感器，所述温度传感器用于检测所述调制盘的环境温度，并通过所述盘温信号处理电路输出温度信号；

所述同步信号处理电路的输入端连接所述槽型光耦，用于处理所述同步信号，并将处理后的同步信号输出至信号解调电路。

7.根据权利要求6所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述温度信号为4～20mA模拟量信号。

8.根据权利要求6所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述温度传感器为PT100热敏电阻。

9.根据权利要求1或6所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述槽型光偶，包括发送二极管和接收二极管；所述发送二极管用于发出光信号，所述接收二极管用于接收光信号。

10.根据权利要求1或6所述的光学调制与解调系统，其特征在于，所述信号处理电路，还包括信号解调电路；

所述信号解调电路，包括：4阶带通滤波器和同步信号光隔电路、以及依次连接的线性相敏检波器、4阶低通滤波器和4阶陷波器；所述4阶带通滤波器和同步信号光隔电路分别与所述线性相敏检波器连接；

所述4阶带通滤波器，用于对所述交流调幅波电信号进行带通选频，滤除低频、高频噪音信号；

所述同步信号光隔电路，用于对所述同步信号进行电气隔离和整形；

所述线性相敏检波器，用于对所述交流调幅波信号和同步信号进行相敏检波；

所述4阶低通滤波器和4阶陷波器，用于信号经过相敏检波后的包络还原，滤除高频噪音和调制频率的倍频噪音。