（光学工程专业论文）机车制动热抱弛缓在线监测系统.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 轮箍弛缓的发生将会引起机车脱轨甚至颠覆的重大安全事故，因此监测轮 箍的弛缓状况对保障铁路行车安全具有重大意义。目前在国内轮箍弛缓的检测 方法都是采用间接测量法，这些方法具有测量范围窄、误差较大的缺点，为此 本文提出了两种检测轮箍弛缓的方法应用霍尔传感器技术的直接法和应用 红外测温技术的间接法，并在此基础上完成了“机车轮箍弛缓在线监测系统” 的研制。 文章通过对轮箍弛缓的各种原因的分析和国内外各种检测轮箍弛缓方法的 对比，提出了测量轮箍弛缓的方案。在应用霍尔传感器测弛缓量的方法中，介 绍了霍尔传感器的工作原理。在讨论轮箍弛缓物理过程的基础上，分析了传感 器输出的各种情况。得到了处理相关数据的方法。在红外铡温法中，分析了红 外测温原理，对影响红外测温的因素进行了深入的研究，提出了解决测温误差 的各种措施。文中合理选择了霍尔传感器和红外温度传感器，利用单片机技术 设计了电路系统，利用汇编语言进行了软件设计。在程序中考虑了各种误差， 并进行了校正。该系统能完成数据采集处理、报警、显示和查询的功能，而且 还可以通过弛缓数据转存，在地面微机上进行相关的分析。文章末尾还对系统 的安装进行了讨论，并找到了合适的安装方法，在实验室迸行了霍尔传感器测 弛缓位移的模拟实验，并对实验情况进行了分析，实验结果表明，测量精度可 以达到o 5 m m ，能满足系统对精度提出的要求。 关键词： 机车；轮箍弛缓；在线监测；霍尔传感器：红外传感器 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 】页 a b s t r a c t t y r el o o s er e s u l t si ns e r i o u ss e c u r i t ya c c i d e n t so fl o c o m o t i v ed i g r e s s i o n ，s oi t i s s i g n i f i c a n tt o m o n i t o rt h ec o n d i t i o no ft y r el o o s ef o rs a f ed r i v i n go nr a i l w a y n o w a d a y s ，i no u rc o u n t r yt h em e t h o d so ft y r el o o s ed e t e c t i o na r ea l ld i r e c tw a y si n w h i c ht h e r ea r ed i s a d v a n t a g e so fa p p l i e dl i m i t a t i o na n dm o r ee r r o r t h i sp a p e r m a i n l yi n t r o d u c e sa r la u t o m a t i cm e a s u r e m e n to ft y r el o o s ei n t r a c k o n - l i n e s y s t e mo fm o n i t o r i n gl o c o m o t i v ew y r el o o s e ( s y s t e m f o rs h o r t ) t h eb a s i c t e c h n i q u e su s e di n s y s t e m a r ei n f r a r e dr a d i a t i o nm e a s u r e m e n ta n dh a l ls e n s o r m e a s u r e m e n t f i r s t l y , as c h e m eo fm e a s u r i n gt y r ol o o s ei sp r e s e n t e da r e rad e e ps t u d yo f v a r i o u sd e t e c t i o nt e c h n i q u e sa n dv a r i o u sc a u s e sf o rt y r ol o o s e s e c o n d l y , t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ep r i n c i p l eo fh a i ls e n s o r , t h ep h y s i c a l p r o c e s so fl o o s e ，t h e s e n s o r so u t p u ta n dt h em e t h o do fp r o c e s s i n gd a t a t h e p r i n c i p l eo fi n f r a r e dr a d i a t i o na n df a c t o r so fi n f l u e n c i n gm e a s u r i n gt e m p e r a t u r e w e r ea n a l y z e d ，a n dt h em e a s u r e st os o l v ep r o b l e mw e r eg i v e n h a l ls e n s o ra n d i n f r a r e ds e n s o rw e r ec h o s e nr a t i o n a l l y t h ee l e c t r i c a l s y s t e mw a sd e s i g n e db y m i c r o c o n t r o l l e rt e c h n o l o g ya n dt h es o f t w a r ew a sd e s i g n e db ya s s e m b l yl a n g u a g e t h ee r r o rs o u r c e sw e r ea n a l y z e da n dt h ee r r o rw a sc o r r e c t e dw i t h i nt h ep r o g r a m t h e s y s t e me a r lc o l l e c ta n dp r o c e s st h ed a t a , a l s oc a nm a k ea l a r m 。i nt h em e a n t i m ei t c b ns a v el o o s ed a t ai n t oo t h e rm e m o r i z e ra n da n a l y z ea c c i d e n tr e a s o n s a tl a s t , t h ec o r r e c tm e t h o do fi n s t a l l i n g s y s t e m w a sg i v e na f t e ras t u d y t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nh a l ls e n s o rw a sm a d ea n dm e a s u r i n gd a t aw o r ea n a l y z e d i nd e t a i l t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tm e a s u r e m e n tp r e c i s i o no f0 5m m w a sg o ta n ds y s t e m sd e m a n dw a sm e t k e y w o r d s ：l o e o m o t i v e ；t y r ol o o s e ；m o n i t o r i n go n - l i n e ；h a l ls e n s o r ；i n f r a r e ds e n s o r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 机车轮对由一根车轴和两个车轮压装成一体。轮对不仅承受着机车的全部 重量和自身的重量，而且在轨道上高速运行时还承受着从车体、钢轨两方面传 来的其他各种作用力。轮对的质量直接影响列车运行安全，因此要求轮对必须 保持良好的技术状态，对它的制造、检修也均有严格规定。 车轮按结构可分为轮箍轮和整体轮两大类，国内铁路目前在机车上一般仍 用轮箍轮。轮箍轮是将轮箍用热套装法装在轮心上，镶入扣环而成。由于轮箍 和轮辋是过盈配合，故机车正常运行时轮箍和轮辋之间不会发生相对位移。如 果由于各种原因使得轮箍长时间发热膨胀，轮箍和轮辋的过盈量就会基本消失， 在牵引电机的转矩和轮对与钢轨的摩擦力( 或者牵引电机的转矩和闸瓦的制动 力矩) 作用下，轮箍和轮辋相对转动，产生相对位移，这就是轮箍弛缓。一旦 发生轮箍弛缓，轻则可能造成机车脱轨，重则造成列车颠覆以至人员伤亡和财产 的重大损失。特别是在列车运行速度越来越高的今天，高速行驶的机车一旦发 生轮箍弛缓事故，造成的后果将不堪设想。如1 9 9 9 年1 2 月1 6 日，郑州局某机 务段因机车轮箍弛缓造成列车脱轨险性事故；2 0 0 0 年6 月1 4 日，郑州局某机 务段s s 8 型0 0 0 8 号机车牵引5 6 8 次旅客列车，机车轮箍全部弛缓造成列车脱 轨的险性事故；2 0 0 1 年2 月1 日，郑州局某机务段s s 4 型机车发生了1 6 个轮 箍弛缓1 5 个的险性事故。 因此，机车轮箍弛缓一直困扰着铁路运输部门，成为制约机车提速的一大 隐患。为此铁道部和各应用部门采取了许多改进措施，如机车轮箍加装扣环， 采用整体轮，对乘务员操作订了许多规定以防止带闸运行等，但仍不能满足机 车提速的要求，机车轮箍仍经常发生弛缓。为有效地预防机车轮箍弛缓，有必 要加装机车轮箍弛缓监测装置，及时监视机车轮箍弛缓现象，然后再采取有效 措施，防止机车轮箍弛缓引发的重大事故。 目前国内监测轮箍弛缓的方法都是间接测量法。其特点是测量的结果并不 是轮箍和轮心之间的相对位移，而是通过测量制动缸的气压、闸瓦的压强以及轮 箍温度来监测轮箍的弛缓。这些测量方法具有两个缺点，一是每种方法都不能 检测所有的轮箍弛缓，另一是其中有些方法如测量制动缸的气压在某些型号的 机车应用时还可能引起误报警。所以，有必要设计套监测系统直接测量轮箍 的弛缓位移，并在将要发生轮箍弛缓时给予报警，以防止列车脱轨事故的出现。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 本文作的工作 在“机车制动热抱弛缓在线监测系统”的研制开发过程中，我参与了整个 研发过程，承担的主要工作包括以下几个方面。 1 通过查阅大量文献和到机车段进行现场调研，总结了产生轮箍弛缓的各 种原因，并分析了各种原因引起弛缓的物理过程。了解了国内外各种轮箍检测 的方法。 2 比较了国内外各种轮箍检测方法的优缺点，在实验室进行了霍尔接近开 关测位移的模拟实验和其他相关器件实验，在此基础上提出了两种检测轮箍弛 缓的方法应用霍尔传感器技术的直接法和应用红外测温技术的间接法。这 两种方法具有很好的互补性。它们结合在一起能够减少报警的误报率。 3 通过对轮箍温度分布和红外测温原理的讨论，分析了温度法测弛缓的原 理，确定了测温对象和解决测温误差的方法。 4 通过对霍尔传感器原理和弛缓时轮箍、轮辋之间相对位移的物理过程的 讨论，得到了数据的处理方法，并分析了机车速度给测量带来的误差。 5 考虑到处理霍尔传感器输出波形和减少各车轮到司机室的数据线的要 求，采用了由分机和主机构成的系统结构，并设计了相应的电路和软件。 6 通过到机务段的现场调研和查阅机车的相关资料，讨论了系统的安装对 测量带来的误差，找到了传感器合适的安装位置和安装方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章系统总体方案设计 2 1 机车车轮的介绍 图2 2 轮箍轮 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 整体轮和轮箍轮的结构分别如图2 - 1 和图2 2 所示。车轮上与钢轨相接触 的部分，即车轮的外圈，在整体轮上称为轮辋，在轮箍轮上称轮箍。轮辋或轮 箍上与钢轨相接触的表面称为踏面，踏面一侧凸起的部分称为轮缘。车轮上与 车轴相结合的部分称为轮毂。轮毂与轮辋用轮辐连接。轮辐可以是连续的圆盘， 称为辐板；也可以是若干沿半径方向布置的柱体，称为辐条。 车轮在运行中，一方面与钢轨接触部分承受很大的压力和冲击力，另一方 面会在钢轨滑行，产生磨耗。这就要求车轮踏面部分的材质必须具有很高的强 度、硬度和良好的耐磨性。压装在车轴上的轮毂主要承受弹性力。辐板或辐条 只承受压力和弯曲力，这些部分要求有较高的韧性。如果轮箍轮的轮箍和轮心 采用不同材质，那么就能够较好地满足上述要求。整体轮在踏面耐磨性方面不 如轮箍轮，但其重量较轻，费用较省，更重要的是不会发生轮箍松弛和崩裂。 正因为此，国外有些国家已采用改进结构的整体轮。如苏联在6 0 年代初就 在内燃机机车上试用辗钢的整体轮，美国已在内燃机车上应用铸钢整体车轮。 在我国由于各种原因，在机车上大多还使用轮箍轮，在客、货车辆上已全部使 用整体辗钢轮。 2 2 轮箍弛缓的原因分析 轮箍弛缓的原因是多方面的，主要有以下几种： 1 意外制动 这是指驾驶员失误或者制动系统本身出了问题，使得制动系统不该制动时 却发生了制动或者该缓解时没有缓解。造成机车长时问带闸运行，轮箍和闸瓦 长时间摩擦发热，发生轮箍弛缓。 机车上的制动装置有两套，一是机车停车和减速时用到的基础制动装置， 另一是机车长时间停留在轨道上时用到的停车制动装置。这两种装置制动时气 缸的压力可能不同，这里分别讨论。 ( 1 ) 基础制动装置的意外充风制动。这种制动装置的原理是“充气制动放 气缓解”，故由它引起的弛缓的共同特点是意外制动时制动缸鞲鞴伸出制动缸 内压强增加。大多数的轮箍弛缓都是由这种情况引起的。 ( 2 ) 停车制动装置的意外制动 手制动装置的意外制动( 如s s 4 和d f 4 b 机车) 。手制动装置种机械 制动，它通过机械结构把手柄的作用力传递到闸瓦上而达到带动作用。所以其 特点是意外制动与气缸压力无关。 弹簧止轮器的意外制动( 如s s 7 和s s 8 机车) 。弹簧止轮器的工作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 是“放气制动，充气缓解”，所以这种意外制动的特点是意外制动时制动缸内压 强减少。当机车无压缩空气进行“充气缓解”时，就只能采用手动缓解。此时， 缓解气压也可能和制动气压一样。 2 轮对或闸瓦的质量问题 ( 1 ) 轮对组装时，轮箍与轮辋过盈量不足。在轮对组装过程中，由于轮箍 和轮辋的过盈量选配不当，过盈量小，机车运行中正常制动，在牵引力矩和制 动力矩的作用下，轮箍就会弛缓。 ( 2 ) 闸瓦间间隙调整不当。这种情况主要是指机车闸瓦间隙较小，闸瓦长 时间抱住车轮，两者摩擦发热引起轮箍弛缓。 ( 3 ) 闸瓦材质不良。由于轮箍材质不良，一方面是机车运行的频繁碾压造成 车轮塑性变形，另一方面是正常的制动也可能使轮箍产生热塑性变形，这两种情 况都会使轮箍周径变长使轮箍镶装过盈量降低而弛缓。 ( 4 ) 闸瓦散热效果差。在正常制动时都会使轮箍的温度超过某一临界温度， 此时轮箍和轮辋的过盈量基本消失，在牵引力矩和制动力矩的作用下，轮箍就 会弛缓。 3 轮对空转使得轮箍发热 这种情况一般发生在雨天或者长大上坡道上，此时车轮受到钢轨的摩擦力 减小，车轮就会在钢轨上打滑( 空转) ，车轮与钢轨之间的摩擦力由静摩擦力变 为滑动摩擦力。静摩擦力不会产生热量，滑动摩擦力会产生热量。空转时间过 长的话就会使轮箍长时间发热面发生轮箍弛缓。 2 3 国内外轮箍弛缓检测方法综述 根据轮箍弛缓产生的不同原因，目前国内已经采用的检测方法有以下几种。 这些方法都属于间接测量法。它们的特点都是测量豹结果并不是轮箍和轮心之 间的相对位移( 弛缓位移) ，而是通过测量一些间接的物理量( 如制动缸气压、 阐瓦压强、轮箍温度) 来监控轮箍的弛缓。 ( 1 ) 测制动缸的压强 适用对象：基础制动装置的意外充风制动。 这是因为这类意外铝动的共同特点是意外铝4 动时制动缸鞲鞴伸出，制动缸 内压强增加。反过来测量制动缸的气压，如果汽缸气压长时间大于某临界值， 就可以断定发生了意外充风制动。 目前应用情况： 一种是在d f 4 、d f 4 b 、b j 型机车上使用的l k j 9 3 型监测装置。它是在 制动缸管上适当位置钻孔加焊接接头，压力传感器再通过焊接接头检测气压。 另一种是在s s 4 型机车应用的n c b 1 型和h j l 型动轮弛缓报警器。s s 4 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 型机车本身带有风压表，所以这两种方法是直接对风压表的数据处理。其中 n c b 一1 型存在两个缺陷：一是在风压大于1 0 0 k p a 时装置也不再报警，第二是 不能监测手动制动装置引起的轮箍弛缓。h j l 型在n c b 1 型上作了改进，克服 了上面的两个缺陷。 优缺点：优点是设备简单，成本低( 如购买和安装l 一9 3 型监测装置 的所有费用也才1 0 0 0 多元) ，它能检测出的意外充风制动占了轮箍弛缓的大多 数情况。 缺点是适用范围窄。因为手制动装置制动是机械传动，与制动缸气压没有 任何关系，而弹簧止轮器意外制动时反而是制动缸气压降低，与上面的检测原 理相反，所以这种方法不适用于停车制动装置引起的意外制动。对于其他原因 造成的轮箍弛缓，与制动缸气压一点关系也没有，故它也不适用其它各种情况。 ( 2 ) 测闸瓦的压力。 适用对象：机车意夕 制动和闸瓦问间隙调整不当引起的轮箍弛缓。 这是因为这两种情况都会使闸瓦压力增加，所以通过检测闸瓦压力就可以 检测是否发生轮箍弛缓。 优缺点：优点是比起测制动缸的压强来，测量范围大大增加。缺点是仍 然不能测量轮对空转使得轮箍发热、闸瓦散热效果差、闸瓦材质不良和轮对组 装时轮箍与轮辋过盈量不足等造成的轮箍弛缓。 ( 3 ) 测轮箍和环境的温度差 适用对象：除了轮箍与轮辋过盈量不足和闸瓦材质不良造成的轮箍弛缓 不能测量外，其他都可以测量。 这是因为这些轮箍弛缓都会引起轮箍发热，当轮箍温度和环境温度差值达 到一定值。就会发生轮箍弛缓。 目前应用情况：测闸瓦的压力和测轮箍和环境的温度差已经在s s 4 和 d f 4 机车进行了装车实验，结果发现利用测轮箍和环境的温度差来测量轮箍弛 缓的效果要好一些。 优缺点；能够检测出绝大部分的轮箍弛缓来，但是对于那些与轮箍发热 无关的弛缓却不能检测。 以上介绍的三种方法都是间接检测轮箍弛缓法，它们具有两个明显的缺点， 一是不能检测所有轮箍弛缓；二是检测量不是弛缓位移，而是一些与弛缓位移 相关的物理量，这些量与弛缓位移并不存在单值关系，且最终得到的结果也不 是弛缓位移，所以有可能出现误报警或不报警的情况。于是有必要寻求一种直 接测量轮箍弛缓位移的方法，为此最初我们提出了以下几种方法： ( 1 ) 在轮箍和轮辋上涂( 或粘贴) 信号发射材料，在轴箱上安装传感器。 如果轮箍发生弛缓，则信号发射材料发出的信号相应改变，该信号经传感器接 收和微机处理后就可以得到弛缓位移。 比如，可以在轮箍和轮辋上安装磁铁，在轴箱上安装霍尔接近开关，通过 比较传感器得到磁场信号就可以得到弛缓量。还可以在轮箍和轮辋上涂( 或粘 贴) 与车轮颜色对比鲜明的细线状弛缓标记，在轴箱上安装c c d 摄像头，通 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 过比较弛缓标汜图片的中心线，就可以得到弛缓位移。 ( 2 ) 在轮箍和轮辋上直接粘贴由应变片、数据处理电路和发射电路组成的 无线数据采集模块，位移数据经处理后再由发射电路以无线电波的形式发射出 来。在司机室安装数据接收处理箱，接收和处理各无线数据采集模块发送的无 线数据。 这几种直接测量方法在国内还未见报道，它的优点是可以检测所有的轮箍 的弛缓。对于c c d 测量法，它具有非接触测量、精度高等优点，但是它也具 有成本较高，弛缓标记和c c d 易被污损以至影响检测结果的缺点。应变式传 感器的方法具有测量精度高，抗干扰能力强的优点。但是该方法需要在车轮上 粘体积较大的无线传输模块，这给安装带来了很大的麻烦，而且车轮的高速旋 转会影响发射电路和处理电路的工作。 而对于霍尔传感器测位移法，它具有非接触测性、精度高、成本低、抗干 扰能力强、能测量所有的轮箍弛缓等一系列优点。但是当机车速度很高时。轮 对的振动大，该法的测量误差也较大。红外测温法不如霍尔传感器测位移法测 温范围广，但它也是间接法中测温范围最广的。红外测温法不受机车振动的影 响，但是它易受外部环境如大气状况的影响，而且传感器镜头也易被污染。可 见，这两种方法具有很好的互补性，它们结合在一起能够减少报警的误报率。 于是。在本系统中我们采用了两种检测轮箍弛缓的方法应用霍尔传感器技 术的直接法和应用红外测温技术的间接法。 2 4 系统设计 2 4 1 性能指标 性能指标包括完成的功能和系统的精度两部分内容。 1 完成的功能 检测轮箍和轮辋的相对位移、轮箍和环境温度的差值； 对测量结果进行判断，如发生轮箍弛缓则报警： 测量结果用l e d 显示，弛缓数据及日期保存在e 2 p r o m 芯片中： 提供对弛缓数据的查询及转存功能。 2 检测精度 轮箍温度 2 c 弛缓位移 o 5 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文旦垦 2 4 2 检测原理 在本系统中，我们采用了两种方法来监测轮箍的弛缓，即测轮箍温度的方 法和霍尔传感器测位移的方法，下面分别介绍它们的工作原理。 1 检测轮箍温度法 踏面 奉t ( ) 靡三i 轮箍 图2 3 制动时车轮的温度分布 由轮箍发热引起的轮箍弛缓包括两种情况，一是由闸瓦与轮箍间摩擦发热 引起，另一是由钢轨与轮箍间摩擦发热引起。不管是哪种情况，车轮的温度分 布都如图2 3 所示。车轮踏面是摩擦丽，其温度t 4 在图中取最大值。踏面摩擦 产生的热能，一部分传给大气和闸瓦( 或钢轨) ；另一部分就沿轮箍向轮辋传导。 在热量传递过程中，一部分热能通过轮箍进入大气中，轮箍的温度也越来越低 ( 如t 4 t 2 这一段 ：剩下的热能就传给轮辋，由于轮箍和轮辋的装配面间存在 着传热阻力，故轮箍和轮辋在接触面存在温度差a t - - t 2 t i 。传给轮辋的热量一 部分继续向内传播，而同时轮辋的温度继续降低，最终接近于环境温度t o ( 1 l t o 这一段) 。 正是由于轮箍和轮辋在接触面存在温度差t ，使得轮箍和轮辋在接触面的 线膨胀不一样，而是存在一个差值l ，其大小为 a i = 如，( 2 - 1 ) 式中q 哇膨胀系数。 当1 等于过盈量丫时，则轮箍过盈量消失。于是可得发生弛缓的临界温 度为 ：坐 a 钢的线膨胀系数为铲1 2 5 x 1 0 5 ( i c ) ， ( 2 - 2 ) 我国机车过盈量一般取轮心直径的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 2 。1 5 ，于是f 1 2 1 0 。1 5 1 0 4 。将n 和钾的值代入( 2 - 2 ) 式。可得 a t = 9 6 1 2 0 ，其中临界温度具体取什么值是与轮箍过盈量大小有关的。 可见，轮箍和轮辋在接触面的温差升到9 6 1 2 0 。c 时，就可以使过盈量消失， 轮箍发生弛缓。所以，我们只要测出轮箍和轮辋接触面的温度差来，再与临界 温度值相比较，就可以判断轮箍是否发生了弛缓。 机车运行中，轮箍一直在高速旋转，对轮箍温度的测量最好是采用非接触 式测温( 红外测温) 。红外测温具有操作便捷、非接触性、快速测温等优点。 实际中要检测接触面轮箍和轮辋的温度值是很困难的，于是我们用轮箍中 间位置b 的温度t 3 代替接触面轮箍温度t 2 ，用环境温度t o 代替接触面轮辋温度 t i 。由图2 3 知，这样算出来的温度差值t = ( t 3 - t o ) a t ，此时应将报警所用 的温差临界值设得更大一些。 以轮箍中间位置b 作为测量对象，除了具有上面所提到的方便检测的优点 外，还具有以下两个优点。一是容易红外传感器对视场的要求，另一个是便于 对该位置进行处理，比如对轮箍表面进行处理。以提高各轮箍的发射率，并让 各发射率值相等。 2 霍尔传感器测位移法 图2 - 4 磁铁的安装图 图2 - 5 霍尔传感器测位移的原理 如图2 4 ，在每一个机车车轮的轮箍和轮芯上贴两个磁铁a t 和b ，然后在 轴箱上安装两个霍尔接近开关a 和b ，分别对准两磁铁。这样，每当磁铁经过 传感器所指方向时( 即轮子转一圈) ，传感器a 、b 就输出一个负脉冲，如图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l o 页 和f b ) 所示。当轮箍和轮辋沿圆周方向发生相对位移a s 时，两磁铁也存在同样 的相对位移s ，那么a 、b 传感器输出的脉冲下降沿就不在同一时刻，而是相 差t ，如图2 5 ( a ) 和( c ) 所示。设车轮转一圈所需时间为t ，轮子周长为s ，那 么可以得到相对位移为 a s = s a t t ( 2 - 3 ) 将此位移与发生弛缓的i l 蠡屏位移相比较，就可以判断是否发生了轮箍弛缓。 临界位移一般取5 哪。 2 4 3 系统的结构 图2 6 系统的总体结构 系统的总体结构如图2 - 6 所示，由1 2 个分机系统和两个主机系统构成。整 个系统的电源取自于机车上的l l o v 直流电压，经开关电源为系统的各部分提 供稳定的电源 分机系统是每个车轮安装一套，霍尔传感器安装在各车轮的轴箱上，其他 部分安装在转向架的构架上。每个分机系统的结构完全一样，包括1 个霍尔传 感器、1 个温度传感器和单片机处理电路。它完成的功能是对轮箍温度信号和 霍尔接近开关输出波形的采集、处理及判断。其中a d 芯片完成温度数据的采 集设计的数字电路完成波形数据的采集，对它们的处理是通过同一单片机分 时迸行的。处理后的数据经判断后再通过r s 4 8 5 总线传送给主机系统l 和主机 系统2 。 主机系统l 和2 分别位于司机室1 和2 。主机l 和主机2 都能完成检测数 据的显示、发生弛缓时进行报警的功能。它们都由单片机和键盘显示等芯片构 成。另外，在车体下面安装1 个温度传感器，测量环境温度，该数据先由主机 1 处理后再由r s 4 8 5 总线送回各分机计算。对于主机2 ，它还具有弛缓数据的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l 页 存储和查询面琵_ _ 而主机1 没有该项功能。为了对弛缓数据进行分析，把弛缓 数据和时间数据存储在e 2 p r o m 芯片，主机l 还设置了转存功能，在一定时候 把这些数据转存在其它的存储器中。 堕塑奎望查兰塑主堕塞生兰垡堡窒 茎! ! 墨 第3 章红外测温原理及设计 1 8 0 0 年，英国物理学家f w 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现 了红外线。红外线的波长在0 7 6 1 0 0g ti n 之间，按波长的范围可分为近红外、 中红岁 、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电 波与可见光之问的区域。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐 射，只要物体的温度高于绝对零度，它就会不停地向周围空问发出红外辐射能 量。 3 1 红外辐射 为了弄清和获得红外辐射分布规律，人们提出了黑体的概念。黑体是一种 理想化的辐射体，自然界中并不存在。黑体吸收所有波长的辐射能量，没有能 量的反射和透过，其表面的发射率为1 。 3 j 1 黑体辐射 1 黑体辐射定律 在黑体概念的基础上。普朗克提出了体腔辐射的量子化振子模型。并由此 导出了以波长表示的黑体光谱辐射出射度m ，的表达式( 酱朗克公式) m ：导 ( 3 1 ) “e x p 二王一1 一 y 这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。 2 。全波长上的黑体辐射计算( 斯蒂芬一波尔兹曼辐射定律) 黑体辐射出射度m 的计算式为 m = 陬j 烈= a t 4 ( 3 2 ) 由 这就是斯蒂芬一波尔兹曼辐射定律。 式中a 一斯蒂芬一波尔兹曼常数，o = 5 6 7 x 1 0 8w ( m 2 k 4 ) 。 从此式可以看出，只要测出黑体的辐射能量，就可以得到黑体的温度。 3 某一波长内( ：) 的辐射功率的计算 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 令f ( 7 ) ；上些二三二竺：攀，它表示在o 间隔内的辐射功率占全 b 拟( 7 ) 以 c r t 2 辐射功率的百分比，f ( a r ) 的函数值可以通过查表得到。 于是。某一波长内( 厶) 的辐射功率为 m m 2 ( 7 ) = 如一 2 ( r ) 一 如m ( 7 ) = i f ( 五2 r ) 一f ( 7 ) 】a t 2 ( 3 3 ) 反过来，如果测得某一波段内的辐射功率，那么也可以求出温度t 来。红 外测温仪就是根据该原理工作的。 3 1 2 发射率 以上得到的普朗克公式和斯蒂芬一波尔兹曼辐射定律都是描述黑体辐射特 性的基本定律。但是黑体只是一个理想化的概念。为了把黑体辐射的基本定律 推广到一般的辐射体中去，引入了发射率的概念。 1 发射率的定义 在同一个温度下。任何物体的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比，即 ：坐( 旦 ( 3 _ 4 ) m 6 ( r ) 个物体的发射率除了依赖于物体的温度外还与波长有关。这可以用光 谱发射率来描述，它的定义是物体的光谱辐射出射度与同温度的黑体光谱辐射 出射度之比，即 s j ：些罢( 3 - - 5 ) 肘船( r ) 2 影响发射率的因素 一个物体的发射率与红外线的波长、辐射方向、物体的温度、材料以及表面 状态都有关。 ( 1 ) 光洁金属的光谱发射率随波长的增加而减少：非金属的发射率却大部 分是随波长的增加而增大。其它情况则无规律可循。 ( 2 ) 非金属的发射率随温度的增加而减少，金属的发射率却是随温度的增 加而增大。 ( 3 ) 如图3 - 1 ( a ) ，测试角0 是测试方向与目标表面法向的夹角。图( b ) 给 出了发射率与测试角的关系。可以看出。当。在0 。到3 0 4 0 。的范围内时， e 基本不变。所以，设备的测试方位时应力求测试角在3 0 。之内。最大不自2 超 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 爵万面丽丽弱再函蔼面蕊丽丽西疆一。 一 1 0 鐾。 划0 0 01 5 3 0 4 56 07 5 9 0 测试角e ( 。) ( a )【b ) 图3 一l发射率与测试角的关系 ( 4 ) 大部分非金属的发射率都在0 8 5 0 9 5 之间，与表面状态关系不大。 金属的发射率与表面状态有着密切的关系，高度磨光表面的发射率很低，粗糙 表面和受氧化表面的发射率为磨光表面发射率的几倍。 根据测量的红外线波段、测试方向的不同，可将发射率分为全波法向发射 率、半球向全波发射率、定向发射率和单色法向发射率。在红外诊断技术中采 用的是全波法向发射率，多数资料给出的也是全波法向值。 3 确定发射率的方法 确定发射率的方法有很多羊中，这里只介绍现场红外测温所用的方法。 ( 1 ) 查阅相关资料。许多文献著作中都有物理常数表，但由于e 是随测量 条件不同而变化的，因而在使用这些数据前必须检查测量条件，包括材料的材 质，材料的温度，表面的状况等。 ( 2 ) 涂料法：先在被测物体局部涂上发射率已知的涂料( 为了简易可贴附 黑胶布代替) ，进行准确的温度测定。再对没有涂料的相同温度区域进行测温， 方法是通过调整发射率的设定数值，使测温仪的温度指示值与前面准确测温值 楣一致，此时的发射率设定值就是被测物体的发射率。 4 发射率对测瀛仪的校正 对全谱辐射，应用斯蒂芬波尔兹曼定律可得 拿：( 旦) i i ( 3 - - 6 ) 1 l占， 式中t 2 - 实际温度；f ：一待测物体温度；五一仪表读数 旬一仪表出厂时校正所用物体的发射率，常见值为0 9 5 或1 0 。 从上式可见，实际温度与仪表读数之比与发射率之比的四次裉成正比。只 要知道了待铡物体温度发射率和仪表读数，就可得到物体的实际温度。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 3 2 红外辐射的传输 在红外辐射的传输过程中，存在许多的不利环境条件，它们对测量精度造 成很大的影响。不利的环境条件包括背景噪声，风力的大小，大气的状况。 1 背景噪声 太阳光的辐射，待测物体周围的物体的反射和辐射都可能成为背景噪声。 当被测物体在太阳光的直接照射下时，方面阳光将使被测物体的温度上 升：另一方面是被测物体会反射和漫反射太阳光。给测量带来很大误差。这是 因为太阳的反射和漫反射波长在3 1 4 t i m 范围内，且其能量主要集中在 3 4 3 6 , t w 波段内，正好与红外测温仪器的工作波段相近。 为了减小背景噪声的干扰，可采用以下措施： ( 1 ) 被测目标尺寸必须不小于视场，最好是超过视场大小的5 0 。这样就 可避免待测物体周围的物体的反射和辐射成为背景噪声。 ( 2 ) 在待测物体附近设置屏避物，以排除太阳光干扰。 ( 3 ) 室外测量时，选择有云天气或晚上以排除目光的影响 ( 4 ) 物体发射率低，光反射的影响越大，因而应采用发射率高的涂料或制 小孔等方法来提高发射率。 2 风力的影响 户外设备进行红外检测时，在风力的作用下，待测物体产生的热量会被加 速流动散发，测出的温度必定偏低。在条件允许的情况下，户外红外检测宜在 无风或风力很小时进行：否则应该对测温结果进行修正。 3 大气的影晌 来自待测目标的红外辐射在到达测温仪以前，受到大气中某些气体的的 选择性吸收和大气中悬浮粒子的散射而减弱。在红外波段，吸收比散射更严重。 ( 1 ) 大气的吸收 大气中吸收红外线的主要成分有臭氧、二氧化碳、水蒸气。臭氧主要集中 在高空，在这里我们不考虑它。在接近地面的大气中，主要考虑水蒸气和二氧 化碳的吸收作用。 水蒸气对红外辐射传输的影响最大，在1 3 8 、1 8 7 、2 7 0 和6 2 7 “m 处有 强吸收带，在0 9 4 、1 1 和5 2 1 m 处也有吸收带。水蒸气含量越高，传输距离 越远，其吸收作用越强。 c 0 2 对红外辐射的吸收作用仅次于水蒸气，它在2 7 、4 3 和1 5 f m 处有强 烈的吸收带。c 0 2 的吸收作用与其传输距离和压强有关。传输距离越远，吸收 作用越强。当路径长度为0 1 k 时，c 0 2 对4 6 1 4 9 m 红夕 线的吸收小于i 。 ( 2 ) 大气的散射 大气中含有许多悬浮的微粒，通常称为气溶胶如烟、尘云、雾和雨滴。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 根据散射理论，散射粒子半径r 和电磁辐射波长差不多时，其散射最严重。 大气中云、雾等不少悬浮粒子的大小和红外辐射波长差不多，因此云和较浓的 雾对红外线的散射是很严重的。 对红外辐射来说，雨滴的半径比波长大得多，因此雨的散射比云、雾弱得 多。不过在雨天，大气中水蒸气含量高，对红外线的辐射严重。 总之，大气对红外测量的影响是很复杂的，它随大气的温度、压强、湿度、 悬浮粒子浓度以及测量所处地理位置和海拔高度等都有关系。于是在实践中常 通过一些经验数据和现场测试来得到大气的透射比。 适用于恶劣环境下的测温仪有比色测温仪，其温度是由两个独立的波长带 内辐射能量的比值来确定的。当被测目标很小，没有充满现场，测量通路上存 在烟雾、尘埃对辐射能量有衰减时，都不会对测量结果产生影响。甚至在能量 衰减了9 5 的情况下，仍能保证要求的测温精度。但是，由于其工作范围为高 温区( 一般为5 0 0 以上) ，成本又高而没有在本系统使用 3 3 红外辐射的探测 红外辐射的测量是通过红外温度传感器来进行的红外温度传感器由光学 系统和红外探测嚣两部分组成。光学系统把辐射的红外线能量会聚在光敏元件 上，红外探测器再把光能转化成电能。 k ，叫，二套、 托* 争二 i 。8。、j 1 光学系统 ( 1 ) 视场 根据光学系统的不同可把红外温度测温仪分为可调焦式和不可调焦式测温 仪。本系统中采用的是固定焦点( 不可调焦式) 测温仪，其光敏面到透镜的距 离不变。如图3 2 ，透镜c c 的焦点为f 。a a 是光敏面，其所成的像为b b ， 反过来，如果物体为8 b t ，那么所成的像就为a a 。连接b c 、b ，c ，以及作c b 、 c b 的反向延长线b d 、b d ，得到区域d b i c 。d b c ，这个区域就是红外传感器 的视场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 如果被测物体在l 和2 的位置，那么物体所成的像肯定不在a a 的位黄。 对1 和2 位置运用几何光学的知识，很容易得到以下结论。 d d 、e f e 外的点发出的光线经透镜折射后，肯定不会射到光敏面a a 上。这样视场外的物体发出的光线不会对测量造成干扰。 d d 、e e 上的点发射到透镜上的光线，只有与b b 发射到透镜上的光线 完全重合时，才会被折射到光敏面a a 上。即d 。d 、e e 射到a a 上的光线和 b b 射到a a 上的光线是一一对应的。如果被测物体的温度是均匀的，那么这三 种情况入射到光敏面的光能量是完全相等的。也就是说，只要温度均匀的被测 物体充满测温仪的视场，那么测温仪的测量结果就完全一样，而与测量距离无 关。 在测温过程中。一定要注意让被测物体充满视场而其它物体在视场外。精 度特别重要时，要确保被测物体至少2 倍于光斑尺寸。 ( 2 ) 光学分辨率 根据视场的概念，很容易就可以得到光学分辨率( 距离系数) 的概念。如 图3 3 ，设待测物体到q 点的距离为d ，光斑尺寸为s ，则d s 为恒值，于是定 义d s 为光学分辨率。d s 值越高，红外测温仪的分辨率越好，被测光斑尺寸 就越小，测量距离也就越大。通常人们定义d 为待测物体到红外测温仪的距离， 如果d s 仍取上面的值，那么算出来的被测物体尺寸略大于视场，这样能完全 满足测量对视场的要求。 图3 - 3红外传感器的光学分辨率 由图知，在b b 处视场最小( 光斑最小) ，在近于或远离该位置时光斑会增 大，因此距离系数有两个。前面我们只是介绍了b b 外的距离系数，另外一个 是bb t 内的距离系数，其中后一个要大些。 2 红外探测器 红外探测器能将红外辐射能转换成电能。常觅的红外探测器有两类：热探 则器和光予探测器。 光子探测器是利用光子效应制成。常用的光子效应有光电效应、光生伏特 效应、光电磁效应、光电导效应。热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件 的温度变化，进而使其有关物理参数发生相应的变化。通过测量有关物理参数 的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型、热释电 1 _ 一 口|。1 斟oji叫，b d 、 、， 一 翠ii 、 l ， f 、 ， c求_二_ f a 一 二c 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 8 页 型等。 光子探测器与热探测器与相比，虽然它具有响应时间快优点，但是光子探 测器响应波段窄，需要冷却设备的缺点。热释电探测器，响应速度在热探测器 中最快，且光谱响应范围宽，不需要致冷，但是它需要调制和解调设备，使系 统更复杂。本系统对测量精度要求不高，于是采用了由热电偶组成的热电堆探 测器。 r t a 图3 _ 4热电偶 将两种不同材料的导体或半导体a 和b 焊接起来，构成一个闭合回路，如 图3 4 所示。当导体a 和b 的两个接点l 和2 的温度分别为t 和t o 时，整个回 路便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流，这种现象称为热电效应。 实验证明回路的温差电势为 ，( r ，r o ) = u 日( r ) 一u b ( ) ( 3 7 ) 其中u 。( f ) ，u 。口( ) 是l 、2 接点处a 、b 的电势差，它们分别与t 和 t 0 有关。 在测量时，一般要求一端温度恒定不变，不妨令t o 为一常数，则这一端叫 做参考端。那么有 u 日( t ，r 0 ) = u 口( r ) 一c = f ( r )( 3 - - 8 ) 可见温差电势是温度t 的函数。反过来，只要知道温差电势，就可以测出 温度t ，于是我们把这一端叫做测量端。热电偶就是根据这一原理做出来的。 把若干个热电堆串联起来就构成了热电堆。使用热电堆的优点是，每对热 电偶接收的辐射的面积可以做得较小，但总的接收辐射的面积又比较大，这样 既便于接收入射的辐射能量，同时又可降低响应时间。 3 4 红外测温的设计及温度传感器的参数 红外测温仪按其原理和方法可分为亮度测温仪和比色测温仪。比色测温仪 在非常恶劣的条件下都能够保证测量的精度，但由于其工作范围为高温区( 5 0 0 以上) 和价格昂贵而未能在本系统中采用。亮度测温仪包括单色、部分辐射、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 全辐射丽疆币强里莱阳丽是部分辐射仪。选用的传感器是雷泰公司生产的 r a y c l 3 b ，该传感器的输出数据并没有考虑发射率和环境因素带来的误差，所以 有必要在这里讨论一下。 1 反射率的确定和对仪表的校正 轮箍的反射率受很多因素的影响，包括材料、表面状况( 粗糙度及涂层) 、 辐射波长和温度。随着温度和波长的变化。抛光的钢发射率变化较大，一般为 0 1 4 o 3 2 之间。氧化后的钢发射率其值变化很小，为0 8 左右。轮箍表面较 为 h 糙，在空气中又会被氧化，再加上轮箍表面有涂层，其值变化也很小，发 射率的大小只有通过3 1 的方法来测定它的准确值。在初期的设计中，不妨把 氧化钢的发射率0 8 作为轮箍的发射率。 在测试时，传感器的测试方位时应力求测试角在3 0 。之内，最大不能超过 4 5 。，以保证反射率取正确值。 设轮箍发射率为：，实际温度为r 2 。仪表的温度读数为五，r a y c l 3 b 传感 器出厂时是按照工业黑体晶= 0 9 5 来校正的。 对全谱辐射，应用斯蒂芬一波尔兹曼定律可得 墨；( 皇) i i 瓦 s 2 于是可得实际温度为= ( 卫) 4 五( 3 9