专利名称：新颖热轴探测器探头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于铁路的其他辅助设备，涉及指示车轴轴承过热的探测器，特别是一种通过探测和指示过热车轴热辐射的新颖红外热轴探测器探头。
现有技术的热轴探测器根据其所采用的红外器件可分为光电型和热电型两类。光电型的红外器件用锑化铟、碲镉汞器件，而热电型的用热敏电阻、热释电器件。光电型器件的优点是响应时间较小，可采用高速调制，其输出信号不受车速影响。但其敏感辐射波段的截止波长较短且有选择性，有的还要在低温下使用。如锑化铟器件的截止波长为7微米，由于列车车辆轴箱热辐射主要在8－12微米区域内，因此使用这灯红外器件对轴箱热辐射能量利用率很低，而且随着气温及轴温的不同，这个利用还会有很大的起落。热电型器件的优点是它的响应波长没有选择性，能在室温下使用。但它们的响应时间在毫秒数量级。现有的这类技术中常采用开关式调制或不调制，由于这类红外器件的响应时间与列车轴箱通过探测点的时间同为毫秒数量级，因而器件给出的轴温信号受到车速的影响。当车速大于70公里／小时时探头不能获得轴温热辐射正确信号，也不能反映轴箱的热分布，也无法区分滚动或滑动轴箱。
本实用新型的目的在于提供一种具有适用车速范围广、能正确反映轴箱热分布、能方便判别热轴的高速调制热敏电阻型热轴探测器红外探头。
热敏电阻器件接收矩形脉冲辐射后，其输出信号V(t)有一个较为缓慢上升的过程，即V(t)＝RP(1－e－t／τ) (1)式中R是热敏电阻器件响应率，P是辐射量，τ是热敏器件的响应时间。现有技术的热电型热轴探测器探头，工作时对运行中列车的每个轴箱扫描一次，扫描时间t受车速影响。由于t与τ在同一数量级，显然V(t)与t相关。车速较慢时，t较大，当e－t／τ→0时，则V(t)→RP。但当车速较快时，t较小，V(t)达不到RP值，则V(t)－t与P(t)－t规律相比，失真严重，信号波形不能反映轴箱温度分布。
如果热敏器件使用正弦调制辐射源进行测量，其输出信号为V＝RP／(1＋4π2f2τ2)1／2(2)式中f是调制频率，显然随着调制频率增加，器件输出信号下降。对热敏器件进行高速调制，例如1000赫芝左右调制，器件仍能工作，但输出信号下降，在实际测量中可知，此时器件输出信号一般下降20db左右。因此只要解决信噪比问题，采用高速调制是可行的。
调制探头探测轴箱时，每一次调制周期探测时间都相同，例如0.5毫秒，可以得到V(t)＝V(0.5)＝RP(1－e－1／2τ) (3)这里P是轴箱被热敏器件所探测部位发射的热辐射投到热敏器件上的功率。因此每一次探测所输出的信号辐度仅与轴箱被探照部位的热辐射成正比，而与车速无关。在探测第二个探测面将有部分与第一个探测面重复，而一部分是新增的。一个轴箱将分成多次被探测，当列车速度较低时，轴箱被探测次数较多探测面重复部位较大；而当车速增加时，轴箱被探测次数减少探测面重复部位也较小。由于轴箱温度分布是连续的，因此热敏电阻器件输出信号也是连续的，并能与轴箱温度分布相对应。
本实用新型的目的是通过如下技术方案达到的经探头的通光筒将轴箱热辐射由会聚镜聚集于热敏电阻红外器件上，红外器件将调制的轴箱热辐射转换为电信号，经前置放大器、滤波器，与开关门信号同送至门电路、主放大器、检波器处理输出热轴探测器所需要的对应轴箱温度的信号。其结构上通光筒还带有滤光片，会聚镜安装在镜座及锁紧装置上，由偏置电路板提供红外器件需要的偏置电源，调制盘及同步电机组成1000－2000赫高速调制，电机由电机电源板供电，并设计了适用于铁路路基旁的小型紧凑整体，通过整体支架固定在路基旁。通过整体上的电源插座馈给电能。它由通光筒、会聚镜和红外器件的浸没透镜组成反射式光学系统。红外器件采用0.15毫米×0.15毫米的热敏电阻浸没型器件。电子线路部分的前置放大器将红外器件送来的由器件本身热惯性决定的缓慢上升的脉冲波(τ波)、由高速调制造成的调制波(k波)和由轴箱热辐射决定的信号波(s波)三者的合成波放大，经滤波器首先滤去τ波，得到包含轴箱信号的k、s波，再经过主放大器的放大、带通、检波、低通电路消除k波，输出对应轴箱温度信号s波；显然，本实用新型具有如下有益效果1.通光孔径大，φ50毫米的反射式光学系统集光能力强，光能利用率高，极有益于增大信噪比。会聚镜以玻璃为材料，有利于降低成本。
2.光学系统焦距短，整体结构紧凑，机械设计中确保探头的抗震性和密封性，延长了器件的使用寿命，有利于安装在路基旁，不存在“超界”现象。本探头可以由下向上探测轴箱，也可以由上向下探测轴箱。
3.对热敏电阻器件进行高速调制应用，有统一的探测背景，提高了抗外界热干扰的能力。其光谱响应范围广，能在较宽的环境温度区域(±50℃)内工作。
4.热敏电阻器件输出转换成的电信号后，由滤波器首先立即滤去τ波，而把对应轴温度信息的包含在调制波中的信号波完整地保存下来并进行解调输出。
5.本实用新型适应车速范围大，能探测静止轴箱至通过时间仅5毫秒的轴箱，相当于列车车速为0－240公里／小时范围。其输出轴箱信号幅度与列车车速无关。
6.从轴温信号波形能反映轴箱温度分布，并从滚珠轴箱(其温度分布接近矩形波)和滑动轴箱(其温度分布接近三角波)的不同温度分布特征而区分轴箱类型。
7.与现有技术的一次扫描探头相比较，本实用新型具有高的灵敏度，当轴箱温度高出环境5℃时，信噪比就大于5。对正确判断热轴，提高轴温探测器整机性能提供了良好基础。对保障铁路安全运行，防止热轴、切轴事故具有特别功效。
本实用新型
如下图1是本实用新型原理框图。
图2至图6是轴箱辐射功率或经相应处理后的信号波形图。其中图2为一种轴箱辐射功率波形图。图3为径高频调制后的轴箱辐射功率波形图。图4为由热敏电阻器件输出的并由其本身热惯性决定的缓慢上升的脉冲波(τ波)、由高速调制造成的调制波(k波)和由轴箱热辐射决定的信号波(s波)三者的合成波形图。图5为经滤波器滤掉τ波后所保留的轴温信息包含在调制波中的k、s波波形图。图6为再经主放、带通、检波、低通处理后输出的对应轴箱温度信号的s波波形图。
图7为本实用新型光路图。
图8为本实用新型结构剖示图。
图9为本实用新型的前置放大滤波电路板电原理图。
图10为本实用新型的主放检波电路板电原理图。
本实用新型设计人推荐如下实施例本实施例首先采用了对热敏电阻器件高速调制技术，用微型同步电机13和调制盘12对轴箱热辐射进行频率为1000赫芝的调制，电机由电机电源板9供电。经过对能量和信噪比的详细计算和实测，当被探测轴箱比环境温度高于5℃时，信噪比可大于5。
红外器件4为热敏电阻器件，具有宽广的光谱响应和可靠性好、室温使用的优点，本探头中采用浸没式，其浸没透镜用锗制作，其球面曲率半径为4毫米，厚度为4.8毫米，灵敏为0.15毫米×0.15毫米，灵敏面材料为锰、钴、镍氧化物半导体多晶体。浸没透镜的通光孔径为φ7毫米。经测试，热敏电阻器件的噪声优于0.15微伏／赫芝1／2，响应时间为1.8－3.5毫米，响应率优于700伏／瓦。由偏置电路板8提供器件的偏置电压。
光学系统是把轴箱某一部分热辐射聚集到红外器件上的构件，它所接收到的热辐射与光学系统口径成正比。现有技术中的通光口径一般为22－25毫米。为确保有足够大的信噪比，将通光筒1的通光孔径增大至50毫米并带有滤光片2。会聚镜5设计成短焦距反射式，镜面为抛物面，镜面方程为y2＝2R0X，其中R0＝180毫米，用玻璃材料做成并镜面镀铝。其视场角为13毫弧度的小视场角。焦距100为毫米。
本实施例的电子线路处理部分由前置放大滤波电路板3、门电路、主放大检波电路板10组成。前置放大器将红外器件送来的由于器件本身热惯性决定的缓慢上升的脉冲波(τ波)、由高速调制造成的调制波(k波)和由轴箱热辐射决定的信号波(s波)三者的合成波放大。经滤波器滤去τ波得到包含轴箱信号的k、s波。k、s波与开关门信号一起送到门电路然后送至主放大检波电路板10。请参阅图10，主放大检波电路板中，A1级为放大，A2为跟随，A3为带通，A4为跟随，B1为输入控制，B2为检波，B3为跟随，B4、C1、C2、C3为二级低通，消除k波；C4为跟随，输出轴箱温度信号s波。
本实施例的机械设计将会聚镜5置于镜座6中后安于锁紧装置7上，便于调节。并一起与红外器件4、前置放大滤波电路板3、偏置电路8、电机电源板9、门电路、主放大检波电路板10、调制盘12、同步电机13紧凑地安装在外形为190毫米×180毫米×100毫米的壳体内。在壳体表面置有通光筒1、滤光片2及电缆插座14。通过电缆插座14馈给探头工作电能。另外在壳体侧部还有供整个探头固定于路基旁的整体支架11。探头的构件安装中还考虑了防震和密封措施。
权利要求1.一种热轴探测器探头，经通光筒(1)将轴箱热辐射由光学系统聚集于红外器件(4)上，红外器件(4)将调制的轴箱热辐射转换为电信号，经前置放大器、滤波器，再送至门电路、主放大器、检波器处理输出热轴探测器所需要的对应轴箱温度的信号，其结构上还包括滤光片(2)、镜座(6)、锁紧装置(7)、偏置电路板(8)、电机电源板(9)、整体支架(11)、调制盘(12)、同步电机(13)及电源插座(14)，其特征在于a)由通光筒(1)、会聚镜(5)和红外器件(4)的浸没透镜组成的光学系统，通光口径为50毫米，焦距100毫米，视场角13毫弧度，会聚镜(5)采用反射式，用玻璃材料镀铝做成，镜面为抛物面；b)红外器件采用浸没型热敏电阻，用锗为浸没透镜材料，浸没透镜球面的曲率半径为4毫米，厚度4.8毫米，其灵敏面为0.15毫米×0.15毫米，灵敏面材料为锰、钴、镍氧化物半导体多晶体；c)由微型同步电机(13)和调制盘(12)组成高速调制装置，调制频率为1000-2000赫芝；d)电子线路部分由前置放大滤波电路板(3)、门电路、主放大器检波电路板(10)组成，前置放大器将红外器件送来的由于器件本身热惯性决定的缓慢上升的脉冲波(τ波)、由高速调制造成的调制波(k波)和由轴箱热辐射决定的信号波(s波)三者的合成波放大，经滤波器滤去τ波得到包含轴箱信号的k、s波，再经过主放大器的放大、带通、检波、低通电路消除k波，输出轴箱温度信号s波；e)具有适用于铁路路基旁的小而紧凑的整体设计，其外形尺寸为190毫米×180毫米×100毫米。
专利摘要本实用新型提供了一种新颖的热轴探测器探头，采用大口径反射式短焦距的光学系统、特殊的电路及紧凑的整体设计，以浸没型热敏电阻为器件并进行高速调制，来获取真实的轴箱温度信号。该信号幅度与车速无关，能适用于0—240公里/小时车速范围，便于区分滚动、滑动轴箱，且具有统一背景而提高了抗干扰能力。对正确判断热轴、提高轴温探测器整机性能提供了良好基础。对保障铁路安全运行，防止热轴、切轴事故具有特别功效。
文档编号B61K9/04GK2197272SQ94227849
公开日1995年5月17日 申请日期1994年3月16日 优先权日1994年3月16日
发明者李乔龙, 张忆烈, 俞国弟, 蔡愚, 吴裳轩, 张砚华, 许敏勇, 费来建, 吴云初, 王铁民 申请人:上海德福光电技术公司