多元线阵高速热分布成像探测器的制造方法
【专利摘要】多元线阵高速热分布成像探测器，属于高速运行铁路车辆安全检测【技术领域】，本实用新型为解决采用线轨迹扫描方式探测高速运动物体发热故障时，其扫描范围小，而现有采用多个探测探头的技术复杂、成本高的问题。本实用新型方案：高速运动的待测物体反射可见光和红外光的混合光束；所述混合光束经光学滤光镜片滤除可见光后，经光学透镜聚焦至多元线阵光敏感元件的光敏面上；多元线阵光敏感元件的电信号由多路信号放大单元进行放大；通过多路信号输出适配器输出多路并行模拟信号；多路偏置恒流源为多元线阵光敏感元件提供工作电源；三级制冷控制单元控制多元线阵光敏感元件的工作温度；信号漂移控制单元进行漂移抑制。
【专利说明】多元线阵高速热分布成像探测器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种发热故障探测装置，属于高速运行铁路车辆安全检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前国内外对高速运行的铁路车辆运行部或高速运动的物体发热故障探测还局限于线轨迹扫描方式，所能扫描的物体范围为Im处宽40mm—条光带，光带以外的发热点则无法探测，也有尝试多个探测探头同时使用，但其扫描带无法在区域内连续成热分布图，并且大大增加设备的复杂度和可维护性。即使通用的热成像设备可以把热分布与光学照相结合，直观显示被测物体的热分布情况，但它只能对静态物体或速度很低的运动物体，进行准确探测，而且价格昂贵，不宜推广。不适用于高速运行的铁路车辆发热故障的探测需求。
实用新型内容
[0003]本实用新型目的是为了解决现存设备使用单探头探测部位受限，使用多探头技术复杂价格昂贵等问题。
[0004]本实用新型所述多元线阵高速热分布成像探测器，它包括滤光镜片、光学透镜、多元线阵光敏感元件、多路信号放大单元、多路信号输出适配器、多路偏置恒流源、三级制冷控制单元和信号漂移控制单元；
[0005]高速运动的待测物体反射可见光和红外光的混合光束；
[0006]所述可见光和红外光的混合光束经滤光镜片滤除可见光后，输出红外光束经光学透镜入射至多元线阵光敏感元件的光敏面上；
[0007]多兀线阵光敏感兀件的电信号输出端与多路信号放大单兀的输入端相连；
[0008]多路信号放大单元的放大信号输出端通过多路信号输出适配器输出多路并行模拟信号；
[0009]多路偏置恒流源为多元线阵光敏感元件提供工作电源；
[0010]三级制冷控制单元的工作温度控制信号输出端与多元线阵光敏感元件的工作温度控制信号输入端相连；
[0011]信号漂移控制单元的温度信号漂移修正信号输入输出端与多路信号放大单元的温度信号漂移修正信号输入输出端相连。
[0012]滤光镜片为可见光带通滤波硫化锌镜片，光学透镜为宽视场双球面红外谐衍射透镜，可见光和红外光的混合光束入射至可见光带通滤波硫化锌镜片，可见光带通滤波硫化锌镜片输出红外光束，并入射至宽视场双球面红外谐衍射透镜，宽视场双球面红外谐衍射透镜输出待测高速运动物体的表面温度图像，并聚焦至多元线阵光敏感元件的光敏面上。
[0013]本实用新型的优点:采用可见光带通滤波硫化锌镜片过滤大量的可见光，再加上该镜片对红外光的不敏感性，减少了红外光的衰减，宽视场双球面红外谐衍射透镜具有视场宽，聚光效率高的优势，空间对比度高，因此，可增加被探测物体的面积，提高被探测物体的准确性；三级制冷后的多元线阵排列光敏元件光敏性强，热电效应时间常数小，可以适应高速(< 380km/h)移动物体的探测，多元间信号串扰低；偏置电流采用恒流源方式，元件信号输出稳定可调，减少噪音干扰，多路独立信号放大，避免信号串扰与衰减，使采集系统设计简单，放大电路中引用对数放大的特性，使整个探测器的特征曲线平滑，曲线方程控制在二次以内；本实用新型采用漂移控制器，减少系统漂移对输出的影响；本探测器采用多路特性，对高速移动物体探测具有一定的冗余性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型所述多元线阵高速热分布成像探测器的原理框图；
[0015]图2是多路信号放大单元的具体电路图；
[0016]图3是多路偏置恒流源的具体电路图；
[0017]图4是三级制冷控制单元的具体电路图；
[0018]图5是信号漂移控制单元与多路信号放大单元中的漂移抑制放大器和非线性对数放大器及的具体电路连接图。
【具体实施方式】
[0019]【具体实施方式】一:下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述多元线阵高速热分布成像探测器，它包括滤光镜片1、光学透镜2、多元线阵光敏感元件3、多路信号放大单元4、多路信号输出适配器5、多路偏置恒流源6、三级制冷控制单元7和信号漂移控制单元8 ；
[0020]高速运动的待测物体反射可见光和红外光的混合光束；
[0021]所述可见光和红外光的混合光束经滤光镜片I滤除可见光后，输出红外光束经光学透镜2入射至多元线阵光敏感元件3的光敏面上；
[0022]多元线阵光敏感元件3的电信号输出端与多路信号放大单元4的输入端相连；
[0023]多路信号放大单元4的放大信号输出端通过多路信号输出适配器5输出多路并行模拟信号；
[0024]多路偏置恒流源6为多元线阵光敏感元件3提供工作电源；
[0025]三级制冷控制单元7的工作温度控制信号输出端与多元线阵光敏感元件3的工作温度控制信号输入端相连；
[0026]信号漂移控制单元8的温度信号漂移修正信号输入输出端与多路信号放大单元4的温度信号漂移修正信号输入输出端相连。
[0027]多路偏置恒流源6的核心元件为ADR02精密带隙基准电压源、0P177运算放大器。多路偏置恒流源6的具体电路图如图3所示。多路偏置恒流源6的RYl表示多元线阵光敏感元件。输出端VINAl连接多路信号放大单元4。多路偏置恒流源6为多元线阵光敏感元件提供电源，以便输出目标温度电信号。
[0028]多元线阵光敏感元件3采用碲镉汞合成材料作为核心光敏元件材料，通过精密切害I]，使单个单元面为0.25X0.25mm，四元(或八元)成线型排列，单元间距0.20mm，封装后进行三级半导体制冷，制冷深度小于-60°C，光能响应时间小于2 μ S，光学透镜2聚焦成像后，把Im处聚能宽度240mm物体表面温度聚焦成像到多元线阵光敏感元件3上，物体被扫描后形成240mm宽的一个热分布图像带，根据实际需要，截取该热分布图像带的一部分作为处理对象，经过专用软件转换后，达到热分布成像目的，由相关热成像软件处理输出。
[0029]该探测器在实际使用时，连接多路采集系统及嵌入式处理计算机，多路信号输出适配器5并行输出多路模拟信号由多路采集系统实时采集，采集后的数据由嵌入式处理计算机分析处理，输出高速运动的待测物体的实际温度。
[0030]【具体实施方式】二:本实施方式对实施方式一作进一步说明，滤光镜片I为可见光带通滤波硫化锌镜片，光学透镜2为宽视场双球面红外谐衍射透镜，可见光和红外光的混合光束入射至可见光带通滤波硫化锌镜片，可见光带通滤波硫化锌镜片输出红外光束，并入射至宽视场双球面红外谐衍射透镜，宽视场双球面红外谐衍射透镜输出待测高速运动物体的表面温度图像，并聚焦至多元线阵光敏感元件3的光敏面上。
[0031]待测高速运动物体容易发热，待测高速运动物体的温度越高，其发出的红外光的光强越强，发热的待测高速运动物体即为图1中所示的红外光源，这些红外光混合着可见光，二者的混合光束被滤光镜片I过滤，通过光学透镜2聚焦至多元线阵光敏感元件3的光敏面上。
[0032]采用可见光带通滤波硫化锌镜片过滤大量的可见光，再加上该镜片对红外光的不敏感性，减少了红外光的衰减，宽视场双球面红外谐衍射透镜具有视场宽，聚光效率高的优势，空间对比度高，因此，增加被探测物体的面积，提高被探测物体的准确性。
[0033]【具体实施方式】三:下面结合图2和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，多路信号放大单元4包括小信号初级放大器4-1、漂移抑制放大器4-2和非线性对数放大器4-3，小信号初级放大器4-1的输出端与漂移抑制放大器4-2的输入端相连，漂移抑制放大器4-2的输出端与非线性对数放大器4-3的输入端相连。
[0034]小信号初级放大器4-1采用AD620运算放大器为核心芯片。
[0035]非线性对数放大器4-3的输出端0UTA3作为本探测器的信号输出，连接上位机进行信号采集。
[0036]多路信号放大单元4对多元线阵光敏感元件3的输出信号进行40倍的放大。信号放大单元4的具体电路图如图2所示。
[0037]漂移抑制放大器4-2对经小信号初级放大器4-1放大后多元线阵排列光敏元件3的单路输出信号进行4倍的放大并与反馈平衡电路8相结合修正测温基准点与抑制放大电路的静态漂移。
[0038]漂移抑制放大器4-2是以U2B-0P07为主体的信号放大电路。
[0039]非线性对数放大器4-3对经双级放大后的多元线阵排列光敏元件3单路输出信号进行非线性放大输出，平衡各温度段信号输出灵敏度。
[0040]非线性对数放大器4-3是以U4-0P07为主体的信号非线性放大电路。
[0041]小信号初级放大器4-1的输入端VINAl连接多路偏置恒流源6的输出端VINAl，小信号初放大器4-1的输出端OUTAl连接漂移抑制放大器4-2的输入端VINA2。
[0042]漂移抑制放大器4-2的输入端VINA2连接小信号初级放大器4-1的输出端OUTAl，漂移抑制放大器4-2的输出端0UTA2连接非线性对数放大器4-3的输入端VINA3。漂移抑制放大器4-2的输出端子OUTB连接反馈平衡电路8的输出端子OUTB ；
[0043]非线性对数放大器4-3的输入端VINA3连接漂移抑制放大器4_2的输出端0UTA2，非线性对数放大器4-3的输出端0UTA3连接输出适配器5 ;非线性对数放大器4-3的输出端作为本探测器的信号输出，连接上位机进行信号采集；
[0044]【具体实施方式】四:下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，三级制冷控制单元7包括参考信号源7-1、元温调制放大器7-2、后级信号放大器7-3、电阻R20和电阻R4 ；
[0045]参考信号源7-1的参考温度信号输出端通过电阻R20与元温调制放大器7-2的参考温度信号输入端相连；
[0046]元温调制放大器7-2采集多元线阵光敏感元件3的工作温度；
[0047]元温调制放大器7-2的放大信号输出端与后级信号放大器7-3的输入端相连；
[0048]后级信号放大器7-3通过电阻R4输出调制后元件温度值Vrt。
[0049]三级制冷后的多元线阵排列光敏元件光敏性强，热电效应时间常数小，可以适应高速((380km/h)移动物体的探测，多元间信号串扰低。
[0050]元温调制放大器7-2中设置有电阻Rt，电阻Rt即多元线阵光敏感元件3内的热敏电阻的测量阻值信号，采集该信号，即多元线阵光敏感元件3的工作温度信号，该信号经三级制冷控制单元7调制后输出调制后元件温度值Vrt，是调制后的元温电压信号。
[0051]【具体实施方式】五:下面结合图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，信号漂移控制单元8为反馈平衡电路；
[0052]信号漂移控制单元8的平衡修正信号输入、输出端与多路信号放大单元4的漂移抑制放大器4-2的输入、输出端相连。
[0053]反馈平衡电路8结合漂移抑制放大器4-2修正测温基准点与抑制放大电路的静态漂移。
[0054]反馈平衡电路8是以U4B-0PA129及Q1B、Q2B为主体的反馈电路。
【权利要求】
1.多元线阵高速热分布成像探测器，其特征在于，它包括滤光镜片(I)、光学透镜(2)、多元线阵光敏感元件(3)、多路信号放大单元(4)、多路信号输出适配器(5)、多路偏置恒流源(6)、三级制冷控制单元(7)和信号漂移控制单元(8)； 高速运动的待测物体反射可见光和红外光的混合光束； 所述可见光和红外光的混合光束经滤光镜片(I)滤除可见光后，输出红外光束经光学透镜(2)入射至多元线阵光敏感元件(3)的光敏面上； 多元线阵光敏感元件(3)的电信号输出端与多路信号放大单元(4)的输入端相连；多路信号放大单元(4)的放大信号输出端通过多路信号输出适配器(5)输出多路并行模拟信号； 多路偏置恒流源(6)为多元线阵光敏感元件(3)提供工作电源； 三级制冷控制单元(7)的工作温度控制信号输出端与多元线阵光敏感元件(3)的工作温度控制信号输入端相连； 信号漂移控制单元(8)的温度信号漂移修正信号输入输出端与多路信号放大单元(4)的温度信号漂移修正信号输入输出端相连。
2.根据权利要求1所述多元线阵高速热分布成像探测器，其特征在于，滤光镜片(I)为可见光带通滤波硫化锌镜片，光学透镜(2)为宽视场双球面红外谐衍射透镜，可见光和红外光的混合光束入射至可见光带通滤波硫化锌镜片，可见光带通滤波硫化锌镜片输出红外光束，并入射至宽视场双球面红外谐衍射透镜，宽视场双球面红外谐衍射透镜输出待测高速运动物体的表面温度图像，并聚焦至多元线阵光敏感元件(3)的光敏面上。
3.根据权利要求1所述多元线阵高速热分布成像探测器，其特征在于，多元线阵光敏感元件(3)采用碲镉汞合成材料作为核心光敏元件材料。
4.根据权利要求1所述多元线阵高速热分布成像探测器，其特征在于，多路信号放大单元(4)包括小信号初级放大器(4-1)、漂移抑制放大器(4-2)和非线性对数放大器(4-3)，小信号初级放大器(4-1)的输出端与漂移抑制放大器(4-2)的输入端相连，漂移抑制放大器(4-2)的输出端与非线性对数放大器(4-3)的输入端相连。
5.根据权利要求4所述多元线阵高速热分布成像探测器，其特征在于，小信号初级放大器(4-1)采用AD620运算放大器为核心芯片。
6.根据权利要求1所述多元线阵高速热分布成像探测器，其特征在于，三级制冷控制单元(7)包括参考信号源(7-1)、元温调制放大器(7-2)、后级信号放大器(7-3)、电阻R20和电阻R4 ； 参考信号源(7-1)的参考温度信号输出端通过电阻R20与元温调制放大器(7-2)的参考温度信号输入端相连； 元温调制放大器(7-2)采集多元线阵光敏感元件(3)的工作温度； 元温调制放大器(7-2)的放大信号输出端与后级信号放大器(7-3)的输入端相连； 后级信号放大器(7-3)通过电阻R4输出调制后元件温度值Vrt。
【文档编号】G01J5/08GK203587228SQ201320815466
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月7日 优先权日:2013年12月7日
【发明者】周振林, 安晓波, 赖冰凌, 唐戍, 张瑜峰, 张智, 李清峰, 孟祥滨, 李春雷 申请人:哈尔滨威克科技有限公司