專利名稱:鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器的制作方法
本實(shí)用新型是用于火車在行進(jìn)中車輛軸箱的熱軸故障探測器。它通過接收車輛軸箱表面的紅外線輻射而對車輛發(fā)熱情況進(jìn)行鑒別，以防止熱軸及切軸事故，保證行車安全。
在熱軸探測技術(shù)中，目前國內(nèi)外大都采用以熱敏電阻作為紅外敏感元件，例如美國專利NO345475公開了紅外線熱軸探測系統(tǒng)中以熱敏電阻型輻射熱量熱計(jì)作為紅外線敏感元件。這種探測器系統(tǒng)，由于熱敏電阻本身時(shí)間常數(shù)為ms級(jí)，響應(yīng)速度慢，因此輸出信號(hào)還將隨車速不同而異，且高速探測時(shí)，信號(hào)失真嚴(yán)重，影響探測精度；本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，不需致冷、探測靈敏度高、響應(yīng)速度快，既能探測強(qiáng)熱軸、又能探測微熱軸，適用于編組站或區(qū)間高速探測的光導(dǎo)型紅外線熱軸探測器。
高速車輛紅外線熱軸探測器主要由紅外光學(xué)濾光片，紅外透鏡，光導(dǎo)型紅外敏感元件，光學(xué)系統(tǒng)外殼，遮光筒，前置放大器及各種規(guī)格的橡膠墊和緊固件所組成。該系統(tǒng)能接收車輛軸箱被探測部位輻射的紅外線，經(jīng)紅外光學(xué)系統(tǒng)濾光后，匯聚在紅外元件上，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)前置放大器放大后輸出。本實(shí)用新型與現(xiàn)有公開的紅外線熱軸探測器不同之處是采用了能在大氣環(huán)境溫度下工作的帶浸沒透鏡的光導(dǎo)型碲鎘汞紅外元件；與此元件相配合使用的低噪聲前置放大器；由于光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)連接部分采用了耐低溫橡膠墊和緊固件，因而使得該系統(tǒng)具有一定的防震與防水性能。
本實(shí)用新型有以下的特點(diǎn)，根據(jù)我國鐵路熱軸探測技術(shù)規(guī)范，要求既能探測強(qiáng)熱軸，又能探測微熱軸，因此要求探測器具有高靈敏度。本產(chǎn)品采用帶浸沒透鏡的蹄鎘汞紅外元件，一定口徑的帶增透膜的紅外透鏡、透射性能優(yōu)良的紅外濾光片及低噪聲放大器，從而使得探測器具有高靈敏度。碲鎘汞紅外元件可在大氣環(huán)境的溫度下工作，無須致冷設(shè)備，現(xiàn)場使用、維修均很方便。此外，由于碲鎘汞紅外元件的時(shí)間常數(shù)在微秒級(jí)，響應(yīng)速度快，能適應(yīng)車速在3至300公里／小時(shí)時(shí)的車輛熱軸探測。并具有一定的防水和防震能力。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行說明。
圖1為紅外探測器光學(xué)系統(tǒng)圖2為低噪聲放大器回路圖3為響應(yīng)曲線比較圖圖中，1為緊固件，2為橡膠墊，3為緊固件，4為橡膠墊，5為濾光片，6為橡膠墊，7為遮光筒，8為緊固件，9為橡膠墊，10為外殼，11為橡膠墊，12為紅外透鏡，13為橡膠墊，14為緊固件，15為橡膠墊，16為緊固件，17為橡膠墊，18為碲鎘汞紅外元件，19為橡膠墊，20為緊固環(huán)，21為橡膠墊，22為緊固環(huán)，23為橡膠墊，24為密封蓋，25為橡膠墊，26為電阻，27為穩(wěn)壓管，28為電容，29為碲鎘汞，30為電容，31為電阻，32為晶體三極管，33為電阻，34為電阻，35為電容，36為電阻，37為電阻，38為電阻，39為集成電路運(yùn)算放大器，40為電容，41為可變電阻，42為穩(wěn)壓管，43為穩(wěn)壓管，44為電容，45為電阻，46為電容，47為電阻，48為電阻，49為曲線，50為曲線。
該車輛紅外熱軸探測器的光學(xué)系統(tǒng)與低噪聲放大器是兩個(gè)獨(dú)立的部分，其間由一條二芯金屬屏蔽線構(gòu)成電氣通路。這種結(jié)構(gòu)便于更換、維修。圖1為本實(shí)用新型的紅外探測器的光學(xué)系統(tǒng)。它的機(jī)械外形結(jié)構(gòu)是一個(gè)可調(diào)節(jié)焦距的直筒，采用透射光學(xué)系統(tǒng)。由兼作保護(hù)窗口的光學(xué)濾光片(5)、紅外透鏡(12)、遮光筒(7)、光學(xué)系統(tǒng)外殼(10)、帶浸沒透鏡的碲鎘汞紅外元件(18)、密封蓋(25)及各種規(guī)格的耐低溫密封橡膠墊圈和鎖緊環(huán)組成。橡膠墊(2)、(4)、(6)與緊固件(1)、(3)用以緊固光學(xué)濾光片，橡膠墊(11)、(13)、(15)與緊固件(14)、(16)用以緊固紅外透鏡(12)、橡膠墊(19)、(21)、(23)與緊固環(huán)(20)、(22)用以緊固帶浸沒透鏡的碲鎘汞紅外元件(18)，橡膠墊(23)、(25)與密封蓋(24)及橡膠墊(9)與緊固環(huán)(8)用以緊固與密封光學(xué)系統(tǒng)外殼。采用這種結(jié)構(gòu)、整體的氣密性好，使得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)具有較好的防震與防水能力，能夠在鐵路軌道旁邊震動(dòng)較大的條件下正常工作，即使在洪水期被大水淹沒時(shí)，亦能可靠保證昂貴的紅外透鏡(12)和碲鎘汞紅外元件(18)不受損壞。光學(xué)系統(tǒng)所有機(jī)械部件均采用無光發(fā)黑處理，以有效防止外來非探測目標(biāo)的紅外輻射的影響。
圖2為低噪聲交流放大電路方案之一。該電路從功能上分，是由三部分組成，第一部分為電阻(26)與紅外元件(18)組成的紅外輻射光電信號(hào)轉(zhuǎn)換回路。反映紅外輻射能量變化大小的電信號(hào)可由電容(28)傳至晶體管(32)的基極。電路的第二部分是由晶體管(32)、電阻(31)、(48)、(33)組成的放大電路及由電阻(34)、電容(30)、穩(wěn)壓管(27)組成的穩(wěn)壓濾波回路。晶體管(32)的基極與集電極間連接電阻(31)、使得放大器具有電壓并聯(lián)負(fù)反饋特性，能減少放大回路的輸入阻抗，使回路與紅外阻抗近似匹配，減少電壓波紋，減少放大器各級(jí)的影響，其等效輸入阻抗為rsr＝rbe／／( (R2)/(1+|K′0|) )，其中rbe為晶體管的輸入電阻，K′0為放大器的開環(huán)增益。采用并聯(lián)負(fù)反饋回路可以與碲鎘汞紅外元件(18)的阻抗近似匹配。電阻(34)、電容 (30)、穩(wěn)壓管(27)形成的穩(wěn)壓濾波回路可以壓低電源的波紋，減少放大器各級(jí)間的影響。電路的第三部分包括由電阻(36)、(37)、(38)、可變電阻(41)、電容(40)和集成電路運(yùn)算放大器(39)組成的放大回路，由穩(wěn)壓管(42)、電容(46)、電阻(47)組成的正電源穩(wěn)壓濾波回路，由電阻(45)、穩(wěn)壓管(43)、電容(44)組成的負(fù)電源穩(wěn)壓濾波回路及構(gòu)成前級(jí)信號(hào)反相(或同相)輸入的耦合電容(35)。該級(jí)放大電路中的電容(40)用來壓縮通頻帶，減少噪聲。放大倍數(shù)可由負(fù)反饋回路中的可變電阻(41)加以調(diào)整。兩組穩(wěn)壓、濾波回路分別用來減小正、負(fù)電源的波紋與吸收回路的擾動(dòng)。由于在回路中采用了壓縮頻帶、多級(jí)穩(wěn)壓濾波回路，并選用低噪聲元器件，從而使放大器具有低噪聲。放大器放在圖1所示的密閉盒內(nèi)。
實(shí)施例之一的主要參數(shù)指標(biāo)為探測器系統(tǒng)噪聲≤4mv；溫差7℃時(shí)的信噪比≥5；適用車速3－300Km／h(信號(hào)衰減≤3dB)；適用溫度－45℃－50℃；最大不失真輸出 5V峰－峰；放大器增益≥70dB；放大器通頻帶0.5Hz－1000Hz。
圖3為本實(shí)用新型的紅外線探測器的響應(yīng)特性曲線(50)與以熱敏電阻型紅外線探測器的響應(yīng)特性曲線(49)的比較，可見前者性能遠(yuǎn)為優(yōu)異，在車速為3－300Km／h時(shí)，＊輸出信號(hào)變化不到3dB。
＊注根據(jù)模擬條件，車速300Km／h相當(dāng)頻率在175Hz左右。
權(quán)利要求
1.一種用于探測行進(jìn)中火車車輛熱軸故障的鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器，由紅外濾光片、紅外透鏡、光學(xué)系統(tǒng)、前置放大器組成的探測器及記錄部分所構(gòu)成，其特征在于其探測器是由光導(dǎo)型紅外線敏感元件，兼作保護(hù)窗口的光學(xué)濾光片，透射式紅外透鏡，光學(xué)系統(tǒng)，遮光筒所組成，此外還采用各種規(guī)格的橡膠墊圈、鎖緊環(huán)及低噪聲放大電路，為一個(gè)全密封結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器，其特征在于光導(dǎo)型紅外線敏感元件是帶有浸沒透鏡的碲鎘汞紅外元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1和權(quán)利要求
2的鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器，其特征在于光導(dǎo)型紅外敏感元件它不需要致冷，可在－45℃至50℃的環(huán)境溫度下工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1的鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器，其特征在于探測器的光學(xué)系統(tǒng)是由兼作保護(hù)窗口的光學(xué)濾光片(5)、紅外透鏡(12)、光學(xué)系統(tǒng)外殼(10)、遮光筒(7)、碲鎘汞紅外元件(18)及各種規(guī)格的耐低溫密封橡膠墊圈和鎖緊環(huán)組成，為全密封結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器，其特征在于低噪聲放大器由三部分組成，其第一部分為一電阻(26)與紅外元件組成的紅外輻射光電信號(hào)轉(zhuǎn)換回路，產(chǎn)生的電信號(hào)由一電容(28)耦合至第一放大級(jí)晶體管(32)的基極，電路的第二部分是由晶體管(32)、電阻(31)、(48)、(33)組成的放大電路及由電阻(34)、電容(30)、穩(wěn)壓管(27)組成的穩(wěn)壓濾波回路。電路的第三部分包括由電阻(36)、(37)、(38)、可變電阻(41)、電容(40)和運(yùn)算放大器(39)組成的放大回路，由穩(wěn)壓管(42)、電容(46)、電阻(47)組成的正電源穩(wěn)壓濾波回路，由電阻(45)、穩(wěn)壓管(43)、電容(44)組成的負(fù)電源穩(wěn)壓濾波回路，該級(jí)放大電路中的電容(40)用來壓縮通頻帶、減少噪聲、可變電阻(41)用以調(diào)整放大倍數(shù)，電容(44)構(gòu)成兩個(gè)放大級(jí)間的交流信號(hào)的耦合，可以是反相輸入，亦可接成同相輸入。在整個(gè)放大器中采用了壓縮頻帶、多級(jí)穩(wěn)壓濾波及選用低噪聲元器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1與權(quán)利要求
5的鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器，其特征在于低噪聲放大器放在一個(gè)密閉盒內(nèi)，與探測器的光學(xué)系統(tǒng)在機(jī)械上成為兩個(gè)獨(dú)立的密閉環(huán)節(jié)，由一根金屬屏蔽電纜構(gòu)成電氣通道。
專利摘要
鐵路高速車輛紅外線熱軸探測器是一種探測行進(jìn)中火車車輛熱軸故障的裝置。它由兼作保護(hù)窗口的光學(xué)濾光片，透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)，光導(dǎo)型室溫碲鎘汞紅外線敏感元件和低噪聲電子線路組成。探測器對于強(qiáng)熱軸箱、微熱軸箱均能探測。無須致冷，給使用帶來方便。該探測器有良好的頻率響應(yīng)，車速在3～300Km/h變化時(shí)，輸出信號(hào)變化小于3dB，能夠適用于-45℃至50℃環(huán)溫下的熱軸探測。
文檔編號(hào)G01N21/35GK87207636SQ87207636
公開日1987年12月31日 申請日期1987年5月5日
發(fā)明者梁壩齊 申請人:鐵道部科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan