CN110816585A - 红外热像轴温探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外辐射测量技术领域，提供了一种红外热像轴温探测装置，用以探测列车的轴承端盖的温度，包括与所述轴承端盖等高设置的红外探头，所述红外探头包括滤光组件、红外焦平面元件和数据采集组件，所述滤光组件设置于所述红外焦平面元件的红外光发射端，所述红外焦平面元件与所述数据采集组件连接。通过在红外焦平面元件的红外光发射端设置滤光组件有效将可见光滤除，保证红外波长的灵敏度；通过设置红外焦平面元件和数据采集组件，实现对轴承端盖的面多点测温，增加数据采集信息量，提高探测的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及红外辐射测量技术领域，特别是涉及一种红外热像轴温探测装置。
背景技术
中国铁路车辆运行的主要故障是由于列车的高速运行引起的轴承故障，进而引起热轴，随着热轴的发展，就可能在半个小时之内发生切轴，形成列车重大事故。如何在列车运行中及时准确的检测热轴故障提前预警防止切轴是铁路工程技术人员主要的研发方向，历史背景如下：
随着红外热轴检测技术的发展，铁路专家引进了红外技术研究红外车轴热轴探测技术和设备，发展到目前已经开发了一代到四代的红外热轴探测系统，为保证铁路安全行车起到了很大作用。
从60年代起，国内研究了第一代红外热轴检测设备，专家采用热敏电阻红外器件配合光学系统和放大器作为轨边检测设备。当列车通过后，轨边检测设备就通过线缆把检测结果传输到车站红外值班室，红外值班室经过描笔记录仪记录下每个轴温的大小，然后由值班员通过经验来判断热轴。由于不能识别滚动轴承和滑动轴承，所以预报识别率很低，只能在大站和列检所使用。
从85年起，专家们根据第一代设备的缺点，又参考国际上红外热轴探测系统的发展，开始研究国内第二代红外热轴探测系统，对比一代机已经有了质的飞跃，整个系统采用计算机处理，主要技术特点是：采用下探式角度；采用一个红外元件实现点测温，列车运动中可以采集32点波形；计算机系统自动计轴计辆、自动套滑判别、自动热轴判别；按照30公里一个探测站，实现计算机联网，全路热轴跟踪判别，在列检所、铁路公司设备管理中心管理整个网络。
国内第二代红外热轴探测系统采用点测温，热轴的信息不够全面，在推广中还存在一些问题，无法精准识别热轴，热轴识别率不高只达到了70％左右，专家们一直在改进提高，经过几年时间又发展了三代机，增加了下探式光子探头，采用双下探式探测轴温。接着又发展到四代机，增加车号识别设备，进行计算机联网。
虽然二代机经过两次改型，但是依然无法解决可见光对远红外波长的灵敏度的干扰，导致探测结果的准确率低，依然是70％左右。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种红外热像轴温探测装置，以解决现有技术中可见光对远红外波长的灵敏度的干扰，导致探测结果的准确率低的问题。
根据本发明实施例的一种红外热像轴温探测装置，用以探测列车的轴承端盖的温度，包括与所述轴承端盖等高设置的红外探头，所述红外探头包括滤光组件、红外焦平面元件和数据采集组件，所述滤光组件设置于所述红外焦平面元件的红外光发射端，所述红外焦平面元件与所述数据采集组件连接。
根据本发明实施例的一种红外热像轴温探测装置，通过在红外焦平面元件的红外光发射端设置滤光组件有效将可见光滤除，保证红外波长的灵敏度；通过设置红外焦平面元件和数据采集组件，实现对轴承端盖的面多点测温，增加数据采集信息量，提高探测的准确度。
根据本发明的一个实施例，还包括壳体和镜头，所述壳体上设有窗口，所述镜头安装在所述窗口上，所述红外焦平面元件和所述数据采集组件均设置在所述壳体内，所述红外焦平面元件与所述窗口安装适配，所述滤光组件设置在所述镜头内。
根据本发明的一个实施例，所述滤光组件包括滤光镜和锗透镜，所述锗透镜与所述滤光镜沿所述红外焦平面元件的红外光发射方向依次设置。
根据本发明的一个实施例，所述红外焦平面元件发射的红外光产生的圆形光斑直径为20～30cm。
根据本发明的一个实施例，所述数据采集组件包括放大器和暗电流探测器，所述放大器和所述暗电流探测器均与所述红外焦平面元件连接。
根据本发明的一个实施例，还包括计算机，所述计算机通过以太网与所述数据采集组件连接。
根据本发明的一个实施例，还包括分别与所述计算机连接的第一车轮传感器和第二车轮传感器，所述第一车轮传感器和所述第二车轮传感器沿列车的运行方向间隔设定距离设置在轨道上。
根据本发明的一个实施例，还包括与所述计算机连接的第三车轮传感器，所述第三车轮传感器用以感应列车的车轮标签。
根据本发明的一个实施例，所述壳体的上设有避雷针。
根据本发明的一个实施例，还包括电源，所述电源分别与所述滤光组件、所述红外焦平面元件和所述数据采集组件连接。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例红外热像轴温探测装置与轴承端盖的装配图；
图2为本发明实施例红外热像轴温探测装置的红外探头的结构示意图；
图3为本发明实施例红外热像轴温探测装置面阵红外焦平面元件的信号采集示意图；
图4为本发明实施例红外热像轴温探测装置线阵红外焦平面元件的信号采集示意图；
图5为本发明实施例红外热像轴温探测装置测温后四色法显示温升值原理示意图；
图6为本发明实施例红外热像轴温探测装置测温后四色法显示温升值示意图；
图7为为本发明实施例红外热像轴温探测装置应用于探测站的整体信号传输示意图。
附图标记：
1：车轮；2：轴承端盖；3：轨道；4：壳体；5：镜头；6：窗口；7：红外焦平面元件；8：锗透镜；9：滤光镜；10：光斑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1至图7所示，本发明实施例提供一种红外热像轴温探测装置，用以探测列车的轴承端盖2的温度，包括与轴承端盖2等高设置的红外探头，红外探头包括滤光组件、红外焦平面元件7和数据采集组件，滤光组件设置于红外焦平面元件7的红外光发射端，红外焦平面元件7与数据采集组件连接。
根据本发明实施例的一种红外热像轴温探测装置，通过在红外焦平面元件7的红外光发射端设置滤光组件有效将可见光滤除，保证红外波长的灵敏度；通过设置红外焦平面元件7和数据采集组件，实现对轴承端盖2的面多点测温，增加数据采集信息量，提高探测的准确度。
可以理解的是，红外探头的探测角度为平探式，车轮1的轴承端盖2与红外探头位于同一轴线上，保证红外探头正对轴承端盖2，保证对这偶成端盖2的全面信息采集。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，还包括壳体4和镜头5，壳体4上设有窗口6，镜头5安装在窗口6上，红外焦平面元件7和数据采集组件均设置在壳体4内，红外焦平面元件7与窗口6安装适配，滤光组件设置在镜头5内。可以理解的，红外焦平面元件7和数据采集组件均设置在壳体4内，实现对红外焦平面元件7和数据采集组件的安全防护，防雨防尘，提高使用寿命。红外焦平面元件7的红外光发射端与窗口6对应，镜头5安装在壳体4的外侧，并且红外焦平面元件7、窗口6和镜头5的中心位于同一直线上，使红外光穿过窗口6进入镜头5，并照射在轴承端盖2上。
根据本发明的一个实施例，滤光组件包括滤光镜9和锗透镜8，锗透镜8与滤光镜9沿红外焦平面元件7的红外光发射方向依次设置。可以理解的，红外光依次穿射锗透镜8和滤光镜9，锗透镜8提高红外光的透射率，滤光镜9用以过滤可见光，降低可见光对红外光波长的干扰，提高了红外光的稳定性和灵敏度。
根据本发明的一个实施例，红外焦平面元件7发射的红外光产生的圆形光斑10直径为20～30cm，实现对轴承端盖2的完全覆盖，光斑10的尺寸略大于轴承端盖2的尺寸，保证图像中有5～10cm轨向架边框，作为温升参考点(环境温度)，以转向架为基础测温点测量整个轴承端盖2。
在一个例子中，如图3和图4所示，红外焦平面元件7采用TACHYON1024FPA，实现线阵与面阵高速测温。应用32﹡32面阵红外焦平面元件，对高速运动的轴承端盖2进行高速热像图像采集，采集速度万分之一秒，分辨率为32﹡32，1024分辨率，帧率为10KHz，原始数据10bit。32﹡32面阵红外焦平面元件可以直接对高速运动的车轴端盖进行高速摄像，摄像快门速度100us，保证雷车移动的距离小于1mm，保证图像的清晰；同时采用64﹡1或128﹡1线阵红外焦平面元件对高速运行的轴承端盖进行高速扫描，两线间隔扫描快门可以设定在万分之一秒，同时根据列车的运行的速度扫描速度也就是点采集的速度可以调节，保证每次扫描64列或者128列，也就是列车正好经过一个端盖的距离，保证每个端盖的采集数据与图像清晰。线阵红外焦平面元件响应时间2us，依靠高速列车的移动，连续采集64个点或者128个点，然后重新拟合后形成端盖直径方向的线性热像曲线。为了拍摄一个完整的热像图，我们需要知道每个车轴的运行速度，根据运行的速度调整每两行间扫描的间隔，保证每64点或者128正好覆盖一个车轴经过的距离。
根据本发明的一个实施例，数据采集组件包括放大器和暗电流探测器，放大器和暗电流探测器均与红外焦平面元件7连接。
根据本发明的一个实施例，还包括计算机，计算机通过以太网与数据采集组件连接。
根据本发明的一个实施例，如图7所示，还包括分别与计算机连接的第一车轮传感器和第二车轮传感器，第一车轮传感器和第二车轮传感器沿列车的运行方向间隔设定距离设置在轨道3上。可以理解的，当第一个车轮1经过第一车轮传感器的时候，计算机开始计时，当第一个车轮1接近第二车轮传感器时，计算机结束记时。车轮两侧的红外探头开始扫描轴承端盖2，形成的热像系统采用32*32面阵器件，由于第一车轮传感器和第二车轮传感器间距离已知，这时已知的车速信号送到采集分配器，并且控制每行扫描时间，使得扫描图像完整度与车速相匹配。完整的图像通过以太网传输到计算机做后期处理。
根据本发明的一个实施例，还包括与计算机连接的第三车轮传感器，第三车轮传感器用以感应列车的车轮标签。可以理解的，计算机循环探测RF模块的射频信号，寻求车轮标签应答，当车轮1上的标签收到射频信号以后，立即把车号反射给地面天线模块，地面天线模块又把车号传输给RD卡，计算机读取RD卡信息得到车号后，立即与红外探测装置的计轴相匹配，为本次热轴端盖探测赋予车号。
根据本发明的一个实施例，壳体4的上设有避雷针，保护探测装置的安全性。
根据本发明的一个实施例，还包括电源，电源分别与滤光组件、红外焦平面元件7和数据采集组件连接。
左箱温控器与右箱温控器均为用以红外热像轴温探测装置正常工作的温度调节装置，对应轨道的左右对应设置，该左箱温控器与右箱温控器的设置工作温度为0摄氏度以上，当温度接近0摄氏度时，左箱温控器与右箱温控器控制加热网工作给红外热像轴温探测装置加温，保证设备正常工作。环温探头是环境温度感应探头，探头贴在壳体4上，为左箱温控器和右箱温控器提供环境温度参考。
计算机接收红外探头采集的热像后，通过四色法显示轴承端盖的温升值，如图5和图6所示，红外探头拍摄每个轴承端盖的热像后，为了清晰显示每个像素点的温度大小，便于直观分析热轴，感性的显示每个端盖轴承的升温值。四色法，初始为每个热轴的端盖绘制蓝色的基准温度，也就是环境温度，随着车辆的运行端盖温度上升，根据探测的温度不同显示蓝、红、黄、白四种颜色，表示温度升的大小。每种相邻的两种颜色根据温度的大小进行无级混合，如图5中的A点，当轴承的端盖某点温升为7.5℃时，这点显示为蓝色95％和红色5％的调和颜色。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (10)
1.一种红外热像轴温探测装置，用以探测列车的轴承端盖的温度，其特征在于，包括与所述轴承端盖等高设置的红外探头，所述红外探头包括滤光组件、红外焦平面元件和数据采集组件，所述滤光组件设置于所述红外焦平面元件的红外光发射端，所述红外焦平面元件与所述数据采集组件连接。
2.根据权利要求1所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，还包括壳体和镜头，所述壳体上设有窗口，所述镜头安装在所述窗口上，所述红外焦平面元件和所述数据采集组件均设置在所述壳体内，所述红外焦平面元件与所述窗口安装适配，所述滤光组件设置在所述镜头内。
3.根据权利要求2所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，所述滤光组件包括滤光镜和锗透镜，所述锗透镜与所述滤光镜沿所述红外焦平面元件的红外光发射方向依次设置。
4.根据权利要求2所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，所述红外焦平面元件发射的红外光产生的圆形光斑直径为20～30cm。
5.根据权利要求1所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，所述数据采集组件包括放大器和暗电流探测器，所述放大器和所述暗电流探测器均与所述红外焦平面元件连接。
6.根据权利要求1所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，还包括计算机，所述计算机通过以太网与所述数据采集组件连接。
7.根据权利要求6所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，还包括分别与所述计算机连接的第一车轮传感器和第二车轮传感器，所述第一车轮传感器和所述第二车轮传感器沿列车的运行方向间隔设定距离设置在轨道上。
8.根据权利要求7所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，还包括与所述计算机连接的第三车轮传感器，所述第三车轮传感器用以感应列车的车轮标签。
9.根据权利要求2所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，所述壳体的上设有避雷针。
10.根据权利要求1-9任一项所述的红外热像轴温探测装置，其特征在于，还包括电源，所述电源分别与所述滤光组件、所述红外焦平面元件和所述数据采集组件连接。
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