第七章 红外线轴温探测系统

7.1.1 红外辐射的基本知识
红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们 是0.3~2.6mm、3~5mm和8~14mm，统称为“大气窗 口”。如图所示，为通过一海里长度的大气透过率曲线。
7.1.1 红外辐射的基本知识
这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探 测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 能全部吸收投射到它表面的红外辐射物体称为黑体； 能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透 明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。 严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明

基本原理图
车轮信号接口 处理模块 车轮传感器(磁钢) (接收车轮信号)
探测站主机
控制模块
轴温信号接口 处理模块
轴温传感器(探头) (接收轴承温度信号)
通讯接口 模块
上位机主机
系统构成

硬件构成图示
室外设备位置



HTK-499型红外轴温探测系统，1号磁钢距2号 磁钢距离大于50m，2号、3号磁钢间距为 270mm±2mm。 探头位于探头箱内，探头元件中心低于轨面 160～180mm，距钢轨内侧面415±5mm，与 钢轨内侧夹角为6°～8°，探头仰角为45°。 两探头元件中心连线与钢轨垂直，对应每个轴 头在钢轨上的采集距离为450mm。
7.1
红外技术概述
我们都知道，车辆在运行时，承重轴承 都会由于摩擦而产生热量，轴承正常运转时， 它所产生的热量会使其表面的温度趋于稳定 值。 当轴承内部出现故障时，便会使它的摩 擦加剧，温度突升，达到一定程度时，便形 成热轴，严重者导致切轴，使运行中的车辆 颠覆，给行车带来了重大财产损失。
红外轴温探测系统的诞生
主要技术指标




自动探测蒸汽、内燃和电力机车牵引区段内运行 的各种（含客、货）车辆的热轴故障，并按微热、 强热、激热分级预报 。 适应列车运行速度5～360KM/H。 存储120列车的探测数据。 利用传输线与上位机直接通话。 系统提供与其它检测设备的接口,如垂下品、热 轮等 可扩展车号识别进行热轴准确跟踪 可配套光子探头，适应高速探测列车区段
1.31 二代机的发展
目前，随着计算机技术的飞越发展，二代机红外轴温 探测系统也经历了多次更型，功能和探测数据上也逐 渐趋于准确完善。 我们哈科所研制的二代机经历了以下几个产品阶段： 一型机HTK187(87年产品定型) 二型机HTK289(89年产品定型) 三型机HTK391(91年产品定型) 四型机HTK499(99年产品定型)
4.2 红外辐射的基本定律
3.维恩位移定律
热辐射发射的电磁波中包含各种波长。
实验证明物体峰值辐射波长lm与物体自身的绝
对温度T成反比。即
lm=2897/T (mm)
4.2 红外辐射的基本定律
如图所示给出了不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表 示了由上式描述的峰值波长与温度的关系曲线。
由图可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温 度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。如人体温度为 36~37℃，所辐射的红外线波长为9~10mm。
1.22 红外轴温度的产生
为了积极避免车辆轴温现象给行车安全带 来的隐患，多年来，人们一直致力于轴 温探测系统的研究中。 红外轴温探测系统就是人们研究出来的 一种利用红外线进行非接触方式的轴温 探测方式之一。
1.3红外轴温度发展

红外轴温探测系统的发展大致经历了两 个阶段，一代机阶段，限于当时国内红 外元件质量和其它电子技术条件，当时 红外探头采用热敏电阻和交流放大器， 显示部分采用描笔直接记录每个轴温信 息，最后由人工判别轴温波形并进行热 轴预报。二代机阶段，是在一代机的基 础上，融入单板计算机技术为主要特点。

目前我们全面推广的是HTK499型红外轴温探测系统。
第二节 HTK-499型红外轴温探测系统
系统概述

HTK-499型红外热轴探测系统是为适应我国铁 路提速需求而研制的新一代探测设备。 HTK-499红外热轴探测系统可完成对高速通过 列车轴温数据的动态采集及定量测量，实现热 轴智能判别。

主要技术指标
④ 红外测距和通信系统；
⑤ 混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。
7.1.1 红外辐射的基本知识
红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光 中红色光以外的光线，故称红外线。 它的波长范围大致在0.76~1000mm，红外线在电磁波谱中的 位置如图所示。
工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红 外、远红外和极远红外。
红外轴温探测系统的发展

红外轴温探测系统的发展大致经历了两 个阶段，一代机阶段，限于当时国内红 外元件质量和其它电子技术条件，当时 红外探头采用热敏电阻和交流放大器， 显示部分采用描笔直接记录每个轴温信 息，最后由人工判别轴温波形并进行热 轴预报。二代机阶段，是在一代机的基 础上，融入单板计算机技术为主要特点。
第七章 红外线轴温探测系统
红外技术概述
红外辐射基本知识
红外测温基本原理


红外线轴温探测系统
7.1
红外技术概述
红外技术是在最近几十年发展起来的一门新兴技术。它 已在科技、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。红 外技术应用可分为以下几方面： ① 红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量； ② 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其 空间位置并对它的运动进行跟踪； ③ 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像， 如红外图像仪、 多光谱扫描仪等；
Z字板注意事项
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1.建议过实验车时尽量不要使用391磁钢板上三 路，因为上三路抗干扰性好，但波形滞后与速度 成正比，会导致Z字板一峰位置偏小，如果确实 干扰太大，可以通过调整整形电路电阻参数，入 口匹配电阻由3.6K调整为1.8K，放大倍数电阻R？ 由82K调整为27K，门限电阻由10K调整为 15K~21K。 2.使用499磁钢板则可考虑使用脉宽检测电路，6 个跨接套均跨在1、2脚，并调整电位器阻值，其 阻值与抗干扰性成正比，经验值：60K以下，否 则容易滤掉实验车假轴。
黑体
隔热板
Z字板
415
260
实验车Z字板波形


一般的说，一峰可以通过 调整探头45度仰角及延 时点来控制其位置，峰峰 则可以通过调整415尺寸 及6度夹角来控制。只要 按照新型定标架认真调整 探头角度，基本上都可以 使角度满足优秀。 Z字板波形优秀的条件是： 一峰距起点位置6~10点， 峰峰间隔为12~16点。
老卡具，2#磁 钢中心对准卡 具后螺栓中心
新型定标架角度校正方法


此外，如果是老夹具（2#磁钢中心对准 探头箱夹具后螺栓中心的安装方式）， 则标准架的位置应相对于新卡具尺寸提 前45mm。 即60公斤轨应放至于425mm处。50轨则 应放至于距3#磁钢中心405mm处。
实验车Z字板

Z字板原理是透过隔热板的缝隙采集黑体，从而形 成尖峰波形，并通过尖峰的相对位置来评测探头角 度。
热轴现象的产生，无疑给铁路行车安全 带来很大安全隐患。 为了积极避免这一现象给行车安全带来 的隐患，多年来，人们一直致力于轴温 探测系统的研究中。 红外轴温探测系统就是人们研究出来的 一种利用红外线进行非接触式的轴温探 测方式之一。
什么是红外线？


红外线：就是在可见光的红色光谱外端还有一 种看不见的辐射线存在，而且具有热效应，人 们习惯称之为红外线。它不象紫外线，X射线 那样，它是一种很常见辐射线，在自然界当中， 只要不是低于绝对零点温度(-273℃)以下的物 体，就具有红外线。 在日常生活中，人们利用红外线的特性，研制 了好多有利于人们生活的产品，比如：红外防 盗报警器、红外测温仪等等。
新型定标架角度校正方 法


若是新卡具，置标准架于离 3#磁钢中心470mm处。 (此为60公斤轨如果为75公 斤轨则放至490mm处;50公 斤轨则放至450mm处)， 打开校正器开关，激光打在 标准架前标靶圆里中心位置 （320、378）半径8mm， 后靶圆心（420，368）， 半径10mm为扫描点，若不 在靶范围，则调整探头位置。
二代机的发展
目前，随着计算机技术的飞越发展，二代机红外轴 温探测系统也经历了多次更型，功能和探测数据上 也逐渐趋于准确完善。 我们哈科所研制的二代机经历了以下几个产品阶段： 一型机HTK187(87年产品定型) 二型机HTK289(89年产品定型) 三型机HTK391(91年产品定型) 四型机HTK499(99年产品定型)

目前我们全面推广的是HTK499型红外轴温探测系统。
第一节：红外轴温度简介 1.1红外线

就是在可见光的红色 光谱外端还有一种看 不见的辐射线存在， 而且具有热效应。
1.2红外轴温系统的诞生 1.21车辆轴温现象
车辆在运行时，承重轴承都会由于摩擦而产生热量， 轴承正常运转时，它所产生的热量会使其表面的 温度趋于稳定值。 当轴承内部出现故障时，便会使它的摩擦加剧， 温度突升，达到一定程度时，便形成热轴，严重 者导致切轴，使运行中的车辆颠覆，给行车带来 了重大财产损失。
室外设备位置
室外设备图
扫描位置示意
滚动轴承 端盖 415 位 置 扫描后的 轨迹
客车轴承 滚动轴承 滑动轴箱
260 位 置 扫描后的 轨迹
新型定标器使用方法


温度控制误差 ±0.5% 温度控制范围 0~100℃ 工作电源：交流220±10% 50Hz 工作环境：0~50℃ 相对温度≤85%的无 腐蚀及无强电磁场辐射的环境 输出功率≤600W
7.1.1 红外辐射的基本知识
红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向 外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。 物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射 的能量就越强。 红外线的本质与可见光或电磁波一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光 速传播，并具有明显的波粒二象性。红外辐射和所有 电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在 大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同 的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的， 空气中对称的双原子气体，如 N2 、 O2 、 H2 等不吸收 红外线。
E0为常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能，它 是常数。
4.2 红外辐射的基本定律
2.斯忒藩-玻尔兹曼定律
物体温度越高，发射的红外辐射能越多， 在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为
E T
4
式中，T为物体的绝对温度，单位为K； = 5.67×10-8W/(m2· K4)为斯忒藩-玻尔兹曼常数； 为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体 的 = 1 。
主要技术指标
具有防震,防潮,防腐蚀措施 适应温湿度条件 室外设备 室内设备 环境温度 -40--70度 0--60度 相对湿度 0-100% 0-85% 防振性能 , 当有振动或冲击时 , 系统应能正常工作并不 受损坏 振动 5-10HZ 2mm p-p 10-50Hz 2mm p-p 50-100Hz 2.8 gp 100-200Hz 2.8 gp 冲击 移动的 10 gp 固定的 10 gp 11ms
体。
4.2 红外辐射的基本定律
1.基尔霍夫定律 基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同 时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温 度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这 就是基尔霍夫定律，可由下式表示
Er E0
式中，Er为物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能； a为物体的吸收系数；


系统是完全自动的无人操作 自动定量测量轴箱的温度 自动判别列车（上、下行） 运行方向 自动识别和排除机车 自动测速 自动识别客、货车辆



自动计轴、计辆 系统内置故障自检系统,监 测提示系统故障 系统不受通过列车或机车 的电磁干扰(EMI)的影响 自动识别滚动轴承和滑动 轴承
光子探头
光子探头主要技术指标





适用车速： 0-360km /h； 探头输出信噪比： 有效值大于25db（目标温差为5℃时）； 静态输出电压： +1.000±0.010V； 静噪声： ≤10mV（有效值）； 测温范围： -40℃-150℃ 视场: Φ40mm（距离为800mm时）； 漂移： 150mV/5min； 响应速度： < 1μS； 供电电源： ±17V-±18V； 致冷电流： 810mA 校零电压： 5 V； 工作温度： -40℃-60℃；