多元線陣高速熱分布成像探測器的制造方法
【專利摘要】多元線陣高速熱分布成像探測器，屬于高速運行鐵路車輛安全檢測【技術領域】，本發明為解決采用線軌跡掃描方式探測高速運動物體發熱故障時，其掃描范圍小，而現有采用多個探測探頭的技術復雜、成本高的問題。本發明方案：高速運動的待測物體反射可見光和紅外光的混合光束；所述混合光束經光學濾光鏡片濾除可見光后，經光學透鏡聚焦至多元線陣光敏感元件的光敏面上；多元線陣光敏感元件的電信號由多路信號放大單元進行放大；通過多路信號輸出適配器輸出多路并行模擬信號；多路偏置恒流源為多元線陣光敏感元件提供工作電源；三級制冷控制單元控制多元線陣光敏感元件的工作溫度；信號漂移控制單元進行漂移抑制。
【專利說明】多元線陣高速熱分布成像探測器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種發熱故障探測裝置，屬于高速運行鐵路車輛安全檢測【技術領域】?！颈尘凹夹g】
[0002]目前國內外對高速運行的鐵路車輛運行部或高速運動的物體發熱故障探測還局限于線軌跡掃描方式，所能掃描的物體范圍為Im處寬40mm—條光帶，光帶以外的發熱點則無法探測，也有嘗試多個探測探頭同時使用，但其掃描帶無法在區域內連續成熱分布圖，并且大大增加設備的復雜度和可維護性。即使通用的熱成像設備可以把熱分布與光學照相結合，直觀顯示被測物體的熱分布情況，但它只能對靜態物體或速度很低的運動物體，進行準確探測，而且價格昂貴，不宜推廣。不適用于高速運行的鐵路車輛發熱故障的探測需求。
【發明內容】
[0003]本發明目的是為了解決現存設備使用單探頭探測部位受限，使用多探頭技術復雜價格昂貴等問題。
[0004]本發明所述多元線陣高速熱分布成像探測器，它包括濾光鏡片、光學透鏡、多元線陣光敏感元件、多路信號放大單元、多路信號輸出適配器、多路偏置恒流源、三級制冷控制單元和信號漂移控制單元；
[0005]高速運動的待測物體反射可見光和紅外光的混合光束；
[0006]所述可見光和紅外光的混合光束經濾光鏡片濾除可見光后，輸出紅外光束經光學透鏡入射至多元線陣光敏感元件的光敏面上；
[0007]多兀線陣光敏感兀件的電信號輸出端與多路信號放大單兀的輸入端相連；
[0008]多路信號放大單元的放大信號輸出端通過多路信號輸出適配器輸出多路并行模擬信號；
[0009]多路偏置恒流源為多元線陣光敏感元件提供工作電源；
[0010]三級制冷控制單元的工作溫度控制信號輸出端與多元線陣光敏感元件的工作溫度控制信號輸入端相連；
[0011]信號漂移控制單元的溫度信號漂移修正信號輸入輸出端與多路信號放大單元的溫度信號漂移修正信號輸入輸出端相連。
[0012]濾光鏡片為可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，光學透鏡為寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡，可見光和紅外光的混合光束入射至可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，可見光帶通濾波硫化鋅鏡片輸出紅外光束，并入射至寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡，寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡輸出待測高速運動物體的表面溫度圖像，并聚焦至多元線陣光敏感元件的光敏面上。
[0013]本發明的優點:采用可見光帶通濾波硫化鋅鏡片過濾大量的可見光，再加上該鏡片對紅外光的不敏感性，減少了紅外光的衰減，寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡具有視場寬，聚光效率高的優勢，空間對比度高，因此，可增加被探測物體的面積，提高被探測物體的準確性；三級制冷后的多元線陣排列光敏元件光敏性強，熱電效應時間常數小，可以適應高速(^ 380km/h)移動物體的探測，多元間信號串擾低；偏置電流采用恒流源方式，元件信號輸出穩定可調，減少噪音干擾，多路獨立信號放大，避免信號串擾與衰減，使采集系統設計簡單，放大電路中引用對數放大的特性，使整個探測器的特征曲線平滑，曲線方程控制在二次以內；本發明采用漂移控制器，減少系統漂移對輸出的影響；本探測器采用多路特性，對高速移動物體探測具有一定的冗余性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明所述多元線陣高速熱分布成像探測器的原理框圖；
[0015]圖2是多路信號放大單元的具體電路圖；
[0016]圖3是多路偏置恒流源的具體電路圖；
[0017]圖4是三級制冷控制單元的具體電路圖；
[0018]圖5是信號漂移控制單元與多路信號放大單元中的漂移抑制放大器和非線性對數放大器及的具體電路連接圖。
【具體實施方式】
[0019]【具體實施方式】一:下面結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述多元線陣高速熱分布成像探測器，它包括濾光鏡片1、光學透鏡2、多元線陣光敏感元件3、多路信號放大單元4、多路信號輸出適配器5、多路偏置恒流源6、三級制冷控制單元7和信號漂移控制單元8 ；`
[0020]高速運動的待測物體反射可見光和紅外光的混合光束；
[0021]所述可見光和紅外光的混合光束經濾光鏡片I濾除可見光后，輸出紅外光束經光學透鏡2入射至多元線陣光敏感元件3的光敏面上；
[0022]多元線陣光敏感元件3的電信號輸出端與多路信號放大單元4的輸入端相連；
[0023]多路信號放大單元4的放大信號輸出端通過多路信號輸出適配器5輸出多路并行模擬信號；
[0024]多路偏置恒流源6提多元線陣光敏感元件3提供工作電源；
[0025]三級制冷控制單元7的工作溫度控制信號輸出端與多元線陣光敏感元件3的工作溫度控制信號輸入端相連；
[0026]信號漂移控制單元8的溫度信號漂移修正信號輸入輸出端與多路信號放大單元4的溫度信號漂移修正信號輸入輸出端相連。
[0027]多路偏置恒流源6的核心元件為ADR02精密帶隙基準電壓源、0P177運算放大器。多路偏置恒流源6的具體電路圖如圖3所示。多路偏置恒流源6的RYl表示多元線陣光敏感元件。輸出端VINAl連接多路信號放大單元4。多路偏置恒流源6為多元線陣光敏感元件提供電源，以便輸出目標溫度電信號。
[0028]多元線陣光敏感元件3采用碲鎘汞合成材料作為核心光敏元件材料，通過精密切害I]，使單個單元面為0.25X0.25mm，四元(或八元)成線型排列，單元間距0.20mm，封裝后進行三級半導體制冷，制冷深度小于-60°C，光能響應時間小于2 μ S，光學透鏡2聚焦成像后，把Im處聚能寬度240mm物體表面溫度聚焦成像到多元線陣光敏感元件3上，物體被掃描后形成240_寬的一個熱分布圖像帶，根據實際需要，截取該熱分布圖像帶的一部分作為處理對象，經過專用軟件轉換后，達到熱分布成像目的，由相關熱成像軟件處理輸出。
[0029]該探測器在實際使用時，連接多路采集系統及嵌入式處理計算機，多路信號輸出適配器5并行輸出多路模擬信號由多路采集系統實時采集，采集后的數據由嵌入式處理計算機分析處理，輸出高速運動的待測物體的實際溫度。
[0030]【具體實施方式】二:本實施方式對實施方式一作進一步說明，濾光鏡片I為可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，光學透鏡2為寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡，可見光和紅外光的混合光束入射至可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，可見光帶通濾波硫化鋅鏡片輸出紅外光束，并入射至寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡，寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡輸出待測高速運動物體的表面溫度圖像，并聚焦至多元線陣光敏感元件3的光敏面上。
[0031]待測高速運動物體容易發熱，待測高速運動物體的溫度越高，其發出的紅外光的光強越強，發熱的待測高速運動物體即為圖1中所示的紅外光源，這些紅外光混合著可見光，二者的混合光束被濾光鏡片I過濾，通過光學透鏡2聚焦至多元線陣光敏感元件3的光敏面上。
[0032]采用可見光帶通濾波硫化鋅鏡片過濾大量的可見光，再加上該鏡片對紅外光的不敏感性，減少了紅外光的衰減，寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡具有視場寬，聚光效率高的優勢，空間對比度高，因此，增加被探測物體的面積，提高被探測物體的準確性。
[0033]【具體實施方式】三:下面結合圖2和圖5說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，多路信號放大單元4包括小信號初級放大器4-1、漂移抑制放大器4-2和非線性對數放大器4-3，小信號初級放大器4-1的輸出端與漂移抑制放大器4-2的輸入端相連，漂移抑制放大器4-2的輸出端與非線性對數放大器4-3的輸入端相連。
[0034]小信號初級放大器4-1采用AD620運算放大器為核心芯片。
[0035]非線性對數放大器4-3的輸出端0UTA3作為本探測器的信號輸出，連接上位機進行信號采集。
[0036]多路信號放大單元4對多元線陣光敏感元件3的輸出信號進行40倍的放大。信號放大單元4的具體電路圖如圖2所示。
[0037]漂移抑制放大器4-2對經小信號初級放大器4-1放大后多元線陣排列光敏元件3的單路輸出信號進行4倍的放大并與反饋平衡電路8相結合修正測溫基準點與抑制放大電路的靜態漂移。
[0038]漂移抑制放大器4-2是以U2B-0P07為主體的信號放大電路。
[0039]非線性對數放大器4-3對經雙級放大后的多元線陣排列光敏元件3單路輸出信號進行非線性放大輸出，平衡各溫度段信號輸出靈敏度。
[0040]非線性對數放大器4-3是以U4-0P07為主體的信號非線性放大電路。
[0041]小信號初級放大器4-1的輸入端VINAl連接多路偏置恒流源6的輸出端VINAl，小信號初放大器4-1的輸出端OUTAl連接漂移抑制放大器4-2的輸入端VINA2。
[0042]漂移抑制放大器4-2的輸入端VINA2連接小信號初級放大器4-1的輸出端OUTAl，漂移抑制放大器4-2的輸出端0UTA2連接非線性對數放大器4-3的輸入端VINA3。漂移抑制放大器4-2的輸出端子OUTB連接反饋平衡電路8的輸出端子OUTB ；
[0043]非線性對數放大器4-3的輸入端VINA3連接漂移抑制放大器4_2的輸出端0UTA2，非線性對數放大器4-3的輸出端0UTA3連接輸出適配器5 ;非線性對數放大器4-3的輸出端作為本探測器的信號輸出，連接上位機進行信號采集；
[0044]【具體實施方式】四:下面結合圖4說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，三級制冷控制單元7包括參考信號源7-1、元溫調制放大器7-2、后級信號放大器7-3、電阻R20和電阻R4 ；
[0045]參考信號源7-1的參考溫度信號輸出端通過電阻R20與元溫調制放大器7-2的參考溫度信號輸入端相連；
[0046]元溫調制放大器7-2采集多元線陣光敏感元件3的工作溫度；
[0047]元溫調制放大器7-2的放大信號輸出端與后級信號放大器7-3的輸入端相連；
[0048]后級信號放大器7-3通過電阻R4輸出調制后元件溫度值Vrt。
[0049]三級制冷后的多元線陣排列光敏元件光敏性強，熱電效應時間常數小，可以適應高速((380km/h)移動物體的探測，多元間信號串擾低。
[0050]元溫調制放大器7-2中設置有電阻Rt，電阻Rt即多元線陣光敏感元件3內的熱敏電阻的測量阻值信號，采集該信號，即多元線陣光敏感元件3的工作溫度信號，該信號經三級制冷控制單元7調制后輸出調制后元件溫度值Vrt，是調制后的元溫電壓信號。
[0051]【具體實施方式】五:下面結合圖5說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，信號漂移控制單元8為反饋平衡電路；
[0052]信號漂移控制單元8的平衡修正信號輸入、輸出端與多路信號放大單元4的漂移抑制放大器4-2的輸入、輸出端相連。
[0053]反饋平衡電路8結合漂移抑制放大器4-2修正測溫基準點與抑制放大電路的靜態漂移。
[0054]反饋平衡電路8是以U4B-0PA129及Q1B、Q2B為主體的反饋電路。
【權利要求】
1.多元線陣高速熱分布成像探測器，其特征在于，它包括濾光鏡片(I)、光學透鏡(2)、多元線陣光敏感元件(3)、多路信號放大單元(4)、多路信號輸出適配器(5)、多路偏置恒流源(6)、三級制冷控制單元(7)和信號漂移控制單元(8)； 高速運動的待測物體反射可見光和紅外光的混合光束； 所述可見光和紅外光的混合光束經濾光鏡片(I)濾除可見光后，輸出紅外光束經光學透鏡(2)入射至多元線陣光敏感元件(3)的光敏面上； 多元線陣光敏感元件(3)的電信號輸出端與多路信號放大單元(4)的輸入端相連；多路信號放大單元(4)的放大信號輸出端通過多路信號輸出適配器(5)輸出多路并行模擬信號； 多路偏置恒流源(6)為多元線陣光敏感元件(3)提供工作電源； 三級制冷控制單元(7)的工作溫度控制信號輸出端與多元線陣光敏感元件(3)的工作溫度控制信號輸入端相連； 信號漂移控制單元(8)的溫度信號漂移修正信號輸入輸出端與多路信號放大單元(4)的溫度信號漂移修正信號輸入輸出端相連。
2.根據權利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測器，其特征在于，濾光鏡片(I)為可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，光學透鏡(2)為寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡，可見光和紅外光的混合光束入射至可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，可見光帶通濾波硫化鋅鏡片輸出紅外光束，并入射至寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡，寬視場雙球面紅外諧衍射透鏡輸出待測高速運動物體的表面溫度圖像，并聚焦至多元線陣光敏感元件(3)的光敏面上。
3.根據權利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測器，其特征在于，多元線陣光敏感元件(3)采用碲鎘汞合成材料作為核心光敏元件材料。
4.根據權利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測器，其特征在于，多路信號放大單元(4)包括小信號初級放大器(4-1)、漂移抑制放大器(4-2)和非線性對數放大器(4-3)，小信號初級放大器(4-1)的輸出端與漂移抑制放大器(4-2)的輸入端相連，漂移抑制放大器(4-2)的輸出端與非線性對數放大器(4-3)的輸入端相連。
5.根據權利要求4所述多元線陣高速熱分布成像探測器，其特征在于，小信號初級放大器(4-1)采用AD620運算放大器為核心芯片。
6.根據權利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測器，其特征在于，三級制冷控制單元(7)包括參考信號源(7-1)、元溫調制放大器(7-2)、后級信號放大器(7-3)、電阻R20和電阻R4 ； 參考信號源(7-1)的參考溫度信號輸出端通過電阻R20與元溫調制放大器(7-2)的參考溫度信號輸入端相連； 元溫調制放大器(7-2)采集多元線陣光敏感元件(3)的工作溫度； 元溫調制放大器(7-2)的放大信號輸出端與后級信號放大器(7-3)的輸入端相連； 后級信號放大器(7-3)通過電阻R4輸出調制后元件溫度值Vrt。
【文檔編號】G01J5/02GK103630245SQ201310673792
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月7日 優先權日:2013年12月7日
【發明者】周振林, 安曉波, 賴冰凌, 唐戍, 張瑜峰, 張智, 李清峰, 孟祥濱, 李春雷 申請人:哈爾濱威克科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
