多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器的制造方法
【專利摘要】多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，屬于高速運(yùn)行鐵路車輛安全檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明為解決采用線軌跡掃描方式探測(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體發(fā)熱故障時(shí)，其掃描范圍小，而現(xiàn)有采用多個(gè)探測(cè)探頭的技術(shù)復(fù)雜、成本高的問題。本發(fā)明方案：高速運(yùn)動(dòng)的待測(cè)物體反射可見光和紅外光的混合光束；所述混合光束經(jīng)光學(xué)濾光鏡片濾除可見光后，經(jīng)光學(xué)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(hào)由多路信號(hào)放大單元進(jìn)行放大；通過多路信號(hào)輸出適配器輸出多路并行模擬信號(hào)；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(jí)制冷控制單元控制多元線陣光敏感元件的工作溫度；信號(hào)漂移控制單元進(jìn)行漂移抑制。
【專利說明】多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)熱故障探測(cè)裝置，屬于高速運(yùn)行鐵路車輛安全檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速運(yùn)行的鐵路車輛運(yùn)行部或高速運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)熱故障探測(cè)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(fā)熱點(diǎn)則無法探測(cè)，也有嘗試多個(gè)探測(cè)探頭同時(shí)使用，但其掃描帶無法在區(qū)域內(nèi)連續(xù)成熱分布圖，并且大大增加設(shè)備的復(fù)雜度和可維護(hù)性。即使通用的熱成像設(shè)備可以把熱分布與光學(xué)照相結(jié)合，直觀顯示被測(cè)物體的熱分布情況，但它只能對(duì)靜態(tài)物體或速度很低的運(yùn)動(dòng)物體，進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)，而且價(jià)格昂貴，不宜推廣。不適用于高速運(yùn)行的鐵路車輛發(fā)熱故障的探測(cè)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)存設(shè)備使用單探頭探測(cè)部位受限，使用多探頭技術(shù)復(fù)雜價(jià)格昂貴等問題。
[0004]本發(fā)明所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，它包括濾光鏡片、光學(xué)透鏡、多元線陣光敏感元件、多路信號(hào)放大單元、多路信號(hào)輸出適配器、多路偏置恒流源、三級(jí)制冷控制單元和信號(hào)漂移控制單元；
[0005]高速運(yùn)動(dòng)的待測(cè)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(jīng)濾光鏡片濾除可見光后，輸出紅外光束經(jīng)光學(xué)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(hào)輸出端與多路信號(hào)放大單兀的輸入端相連；
[0008]多路信號(hào)放大單元的放大信號(hào)輸出端通過多路信號(hào)輸出適配器輸出多路并行模擬信號(hào)；
[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(jí)制冷控制單元的工作溫度控制信號(hào)輸出端與多元線陣光敏感元件的工作溫度控制信號(hào)輸入端相連；
[0011]信號(hào)漂移控制單元的溫度信號(hào)漂移修正信號(hào)輸入輸出端與多路信號(hào)放大單元的溫度信號(hào)漂移修正信號(hào)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(xué)透鏡為寬視場(chǎng)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(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡，寬視場(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡輸出待測(cè)高速運(yùn)動(dòng)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(fā)明的優(yōu)點(diǎn):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(duì)紅外光的不敏感性，減少了紅外光的衰減，寬視場(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡具有視場(chǎng)寬，聚光效率高的優(yōu)勢(shì)，空間對(duì)比度高，因此，可增加被探測(cè)物體的面積，提高被探測(cè)物體的準(zhǔn)確性；三級(jí)制冷后的多元線陣排列光敏元件光敏性強(qiáng)，熱電效應(yīng)時(shí)間常數(shù)小，可以適應(yīng)高速(^ 380km/h)移動(dòng)物體的探測(cè)，多元間信號(hào)串?dāng)_低；偏置電流采用恒流源方式，元件信號(hào)輸出穩(wěn)定可調(diào)，減少噪音干擾，多路獨(dú)立信號(hào)放大，避免信號(hào)串?dāng)_與衰減，使采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，放大電路中引用對(duì)數(shù)放大的特性，使整個(gè)探測(cè)器的特征曲線平滑，曲線方程控制在二次以內(nèi)；本發(fā)明采用漂移控制器，減少系統(tǒng)漂移對(duì)輸出的影響；本探測(cè)器采用多路特性，對(duì)高速移動(dòng)物體探測(cè)具有一定的冗余性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器的原理框圖；
[0015]圖2是多路信號(hào)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(jí)制冷控制單元的具體電路圖；
[0018]圖5是信號(hào)漂移控制單元與多路信號(hào)放大單元中的漂移抑制放大器和非線性對(duì)數(shù)放大器及的具體電路連接圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]【具體實(shí)施方式】一:下面結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，它包括濾光鏡片1、光學(xué)透鏡2、多元線陣光敏感元件3、多路信號(hào)放大單元4、多路信號(hào)輸出適配器5、多路偏置恒流源6、三級(jí)制冷控制單元7和信號(hào)漂移控制單元8 ；`
[0020]高速運(yùn)動(dòng)的待測(cè)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(jīng)濾光鏡片I濾除可見光后，輸出紅外光束經(jīng)光學(xué)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(hào)輸出端與多路信號(hào)放大單元4的輸入端相連；
[0023]多路信號(hào)放大單元4的放大信號(hào)輸出端通過多路信號(hào)輸出適配器5輸出多路并行模擬信號(hào)；
[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(jí)制冷控制單元7的工作溫度控制信號(hào)輸出端與多元線陣光敏感元件3的工作溫度控制信號(hào)輸入端相連；
[0026]信號(hào)漂移控制單元8的溫度信號(hào)漂移修正信號(hào)輸入輸出端與多路信號(hào)放大單元4的溫度信號(hào)漂移修正信號(hào)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(zhǔn)電壓源、0P177運(yùn)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(hào)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(biāo)溫度電信號(hào)。
[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(gè)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(jìn)行三級(jí)半導(dǎo)體制冷，制冷深度小于-60°C，光能響應(yīng)時(shí)間小于2 μ S，光學(xué)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(gè)熱分布圖像帶，根據(jù)實(shí)際需要，截取該熱分布圖像帶的一部分作為處理對(duì)象，經(jīng)過專用軟件轉(zhuǎn)換后，達(dá)到熱分布成像目的，由相關(guān)熱成像軟件處理輸出。
[0029]該探測(cè)器在實(shí)際使用時(shí)，連接多路采集系統(tǒng)及嵌入式處理計(jì)算機(jī)，多路信號(hào)輸出適配器5并行輸出多路模擬信號(hào)由多路采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集，采集后的數(shù)據(jù)由嵌入式處理計(jì)算機(jī)分析處理，輸出高速運(yùn)動(dòng)的待測(cè)物體的實(shí)際溫度。
[0030]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，濾光鏡片I為可見光帶通濾波硫化鋅鏡片，光學(xué)透鏡2為寬視場(chǎng)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(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡，寬視場(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡輸出待測(cè)高速運(yùn)動(dòng)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(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體容易發(fā)熱，待測(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體的溫度越高，其發(fā)出的紅外光的光強(qiáng)越強(qiáng)，發(fā)熱的待測(cè)高速運(yùn)動(dòng)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(xué)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(duì)紅外光的不敏感性，減少了紅外光的衰減，寬視場(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡具有視場(chǎng)寬，聚光效率高的優(yōu)勢(shì)，空間對(duì)比度高，因此，增加被探測(cè)物體的面積，提高被探測(cè)物體的準(zhǔn)確性。
[0033]【具體實(shí)施方式】三:下面結(jié)合圖2和圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，多路信號(hào)放大單元4包括小信號(hào)初級(jí)放大器4-1、漂移抑制放大器4-2和非線性對(duì)數(shù)放大器4-3，小信號(hào)初級(jí)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(duì)數(shù)放大器4-3的輸入端相連。
[0034]小信號(hào)初級(jí)放大器4-1采用AD620運(yùn)算放大器為核心芯片。
[0035]非線性對(duì)數(shù)放大器4-3的輸出端0UTA3作為本探測(cè)器的信號(hào)輸出，連接上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集。
[0036]多路信號(hào)放大單元4對(duì)多元線陣光敏感元件3的輸出信號(hào)進(jìn)行40倍的放大。信號(hào)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(duì)經(jīng)小信號(hào)初級(jí)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(hào)進(jìn)行4倍的放大并與反饋平衡電路8相結(jié)合修正測(cè)溫基準(zhǔn)點(diǎn)與抑制放大電路的靜態(tài)漂移。
[0038]漂移抑制放大器4-2是以U2B-0P07為主體的信號(hào)放大電路。
[0039]非線性對(duì)數(shù)放大器4-3對(duì)經(jīng)雙級(jí)放大后的多元線陣排列光敏元件3單路輸出信號(hào)進(jìn)行非線性放大輸出，平衡各溫度段信號(hào)輸出靈敏度。
[0040]非線性對(duì)數(shù)放大器4-3是以U4-0P07為主體的信號(hào)非線性放大電路。
[0041]小信號(hào)初級(jí)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(hào)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(hào)初級(jí)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(duì)數(shù)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(duì)數(shù)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(duì)數(shù)放大器4-3的輸出端0UTA3連接輸出適配器5 ;非線性對(duì)數(shù)放大器4-3的輸出端作為本探測(cè)器的信號(hào)輸出，連接上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集；
[0044]【具體實(shí)施方式】四:下面結(jié)合圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，三級(jí)制冷控制單元7包括參考信號(hào)源7-1、元溫調(diào)制放大器7-2、后級(jí)信號(hào)放大器7-3、電阻R20和電阻R4 ；
[0045]參考信號(hào)源7-1的參考溫度信號(hào)輸出端通過電阻R20與元溫調(diào)制放大器7-2的參考溫度信號(hào)輸入端相連；
[0046]元溫調(diào)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(diào)制放大器7-2的放大信號(hào)輸出端與后級(jí)信號(hào)放大器7-3的輸入端相連；
[0048]后級(jí)信號(hào)放大器7-3通過電阻R4輸出調(diào)制后元件溫度值Vrt。
[0049]三級(jí)制冷后的多元線陣排列光敏元件光敏性強(qiáng)，熱電效應(yīng)時(shí)間常數(shù)小，可以適應(yīng)高速((380km/h)移動(dòng)物體的探測(cè)，多元間信號(hào)串?dāng)_低。
[0050]元溫調(diào)制放大器7-2中設(shè)置有電阻Rt，電阻Rt即多元線陣光敏感元件3內(nèi)的熱敏電阻的測(cè)量阻值信號(hào)，采集該信號(hào)，即多元線陣光敏感元件3的工作溫度信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)三級(jí)制冷控制單元7調(diào)制后輸出調(diào)制后元件溫度值Vrt，是調(diào)制后的元溫電壓信號(hào)。
[0051]【具體實(shí)施方式】五:下面結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式對(duì)實(shí)施方式一作進(jìn)一步說明，信號(hào)漂移控制單元8為反饋平衡電路；
[0052]信號(hào)漂移控制單元8的平衡修正信號(hào)輸入、輸出端與多路信號(hào)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(jié)合漂移抑制放大器4-2修正測(cè)溫基準(zhǔn)點(diǎn)與抑制放大電路的靜態(tài)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(quán)利要求】
1.多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，其特征在于，它包括濾光鏡片(I)、光學(xué)透鏡(2)、多元線陣光敏感元件(3)、多路信號(hào)放大單元(4)、多路信號(hào)輸出適配器(5)、多路偏置恒流源(6)、三級(jí)制冷控制單元(7)和信號(hào)漂移控制單元(8)； 高速運(yùn)動(dòng)的待測(cè)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(jīng)濾光鏡片(I)濾除可見光后，輸出紅外光束經(jīng)光學(xué)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(hào)輸出端與多路信號(hào)放大單元(4)的輸入端相連；多路信號(hào)放大單元(4)的放大信號(hào)輸出端通過多路信號(hào)輸出適配器(5)輸出多路并行模擬信號(hào)； 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(jí)制冷控制單元(7)的工作溫度控制信號(hào)輸出端與多元線陣光敏感元件(3)的工作溫度控制信號(hào)輸入端相連； 信號(hào)漂移控制單元(8)的溫度信號(hào)漂移修正信號(hào)輸入輸出端與多路信號(hào)放大單元(4)的溫度信號(hào)漂移修正信號(hào)輸入輸出端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)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(xué)透鏡(2)為寬視場(chǎng)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(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡，寬視場(chǎng)雙球面紅外諧衍射透鏡輸出待測(cè)高速運(yùn)動(dòng)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(jù)權(quán)利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)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(jù)權(quán)利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，其特征在于，多路信號(hào)放大單元(4)包括小信號(hào)初級(jí)放大器(4-1)、漂移抑制放大器(4-2)和非線性對(duì)數(shù)放大器(4-3)，小信號(hào)初級(jí)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(duì)數(shù)放大器(4-3)的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，其特征在于，小信號(hào)初級(jí)放大器(4-1)采用AD620運(yùn)算放大器為核心芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述多元線陣高速熱分布成像探測(cè)器，其特征在于，三級(jí)制冷控制單元(7)包括參考信號(hào)源(7-1)、元溫調(diào)制放大器(7-2)、后級(jí)信號(hào)放大器(7-3)、電阻R20和電阻R4 ； 參考信號(hào)源(7-1)的參考溫度信號(hào)輸出端通過電阻R20與元溫調(diào)制放大器(7-2)的參考溫度信號(hào)輸入端相連； 元溫調(diào)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(diào)制放大器(7-2)的放大信號(hào)輸出端與后級(jí)信號(hào)放大器(7-3)的輸入端相連； 后級(jí)信號(hào)放大器(7-3)通過電阻R4輸出調(diào)制后元件溫度值Vrt。
【文檔編號(hào)】G01J5/02GK103630245SQ201310673792
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月7日
【發(fā)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(qǐng)人:哈爾濱威克科技有限公司