（电路与系统专业论文）红外轴温光子探头信号自动测试与特性分析系统.pdf

摘要 摘要 近年来，随着科学技术的发展，各种工程项目对测试技术的要求越来越高， 传统的电子测量仪器已经很难满足实际工作的需求。计算机技术与电子测量仪器 的日益结合，使测试的智能化，数字化，精确化成为现实。自动测试系统a t s ( a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) 在现代系统设计中的地位变得越来越重要。 红外轴温探测系统是监测运行车辆轴温，探铡热轴，防止切轴的主要设备， 是确保行车安全的必须设备。智能型红外探头光子放大器是轴温检测探头的关键 部件，它的功能是在列车飞速掠过安放在路边的红外探头时，将探头中红外传感 器探测到的轴温信号进行高增益定量放大，并通过内部的微处理器非线性校正， 最终变成标准模拟信号或数字信号送至监测站，供监测站的计算机对各个车轴的 丹温情况进行采集、分析和处理。 本课题将红外轴温光子探头的性能测试和信号分析作为研究方向。目的是采 用基于虚拟仪器的自动测试手段，对红外探头放大器以及前级的红外光敏传感器 进行精密的性能测试，对输出信号进行分析，确定标准，提供数据，指导采集， 放大，以及a d 转换的硬件研究。 本课题的主要通过采集卡和仪器测量两种方式得到测试数据，同时将数据存 储在t x t 文件或数据库中，然后显示和分析数据，通过键盘输入的方式将劣质点 去掉，进行数据优化，然后通过插值，拟和方式建立热靶标定鼹线，最后还可将 数据以报表或曲线的形式打印出来。 关键词自动测试l a b v i e w 红外轴温探测 红外探头 a b s t r a c t a b s t r a c t h 1r e c e n ty e a r s ，w 岫m e d e v e l o p m e mo f s c i e n c ea n dt ec ：b 1 1 0 l o g y ，m e a 叫e m e n t t e c h n i q u eb e m em o r ei 巾0 n a n li ne n g 缸e 画n g ，打a d i t i o n a le l e c 胁n j cm e a s 咖e n t e q u i p m e n ti sn o1 0 n g e rs 1 1 i t e df o rc 0 衄o np u r p o s e 1 1 1 ec o 1 b i n a t i o no f c o m p u t 盯a n d e i e c n d m cm e a s u r c m e n te q u i p m e t l tm a k e sm e 鸹u r e r n e n ci i l s 咖e n t sd i 玺t i z e da i l d i m e l l i g e i n i z e d t h es t a t i l so f a t s ( a u t o m a t i ct e s ts y s t 锄) i ne i l 百n e 刨n gg e t sm o r e 姐dm o r ei i i l p o r t a n t ， h 矗a r e dm y - b a s e dd e t e c t o ni sm em a i nc q 伍p m e n tj i li n 印e c t i n gm et 锄p e r a t u r e o f 劬j 1 1a 盖d t h ei n s p e c t i o no fa ) 【e l st c i i l p e r a t u r ew i li n 劬r e dr a y ss y s t e mc a i l 矗n d h o ta x l eo f w h e e li n 缸e ，s oi tb e c o m e sa ni 寂礓o r t a n te q 耐p m e n t 证p r e y e 蕊n gw h 捌 丘o m b e i n gd i s c o 皿e c t e d i n t d l i g e n t 锄p l i f i e ri sm ck e yc o m p o n 饥to f i n 抒a r e d r a y - b 蠲e dp r o b e s 1 tc a n8 i t l p l i 母也es i 萨a l so ft c m p e r 柏j r eo f t r a i na 】【l e 恼k g hg a i n sw h 跖讹i n p a s sm e 协如r e dr a y 小a s e dp m b e s a l l dm a k en o n l i n e a rc o r r e c d o n 廿l r o u g hi n n c r m i c r o p r o c e s s o r n es i 船a l sw i l lb e 妇n s l a t c di 1 1 t on o 吼a la n a l o gs i 印a l so rd i 百t a l s i 弘a l s ，趾ds e n tt os 1 l e ys 谢o n 1 n h ec o m p u t e ro f s u r v e y s t a t i o n 惭ua c q l l i r c ， a n a l y z et l es i 弘a l s 1 h s 也e m em a i nd i s s st h em e 蚓l r 吼e n to f c h a r a c t e r i s t i co f i i l 盘茁e dr a y - b a s e d p r o b e s 试i n 丘c dr a y b a s e dd e t e c t i o n ，姐da i l a l y z e 廿l es i 萨a l s ns 砸c n ym e 吲l r e d c h a m c t c r i s t i co f i n 行a r e ds e n s o r 。w i mm e 吐1 0 d so f a u t o m a d ct e s t i n g i ta l s oa i l d l y z e d s i 弘a l s ，e s t a b l i s h e ds t a i l d a r d s ，o f f 矗c dd a t a st ot 1 1 ed e s i 印e ro f h a r d w a r e ，s oi tc 锄 g i l i d e 如ed e s i 印o f a c q u i r e ，a m p l 毋a 1 1 dn l e 打a n s l a t eo f a 仍 i nt h i st h 锄e ig e tt h et e s t i n gd a t 髂m m u 曲a c q u i s 城o nc a r d 趴de l e c 廿o m c m e 鹊u 吼e n t a tm es 锄et i m eis a v e dt h ed a t a si no 【t 丘i e so rd a t a b a s e ，a r i dd i s p l a y i i lg r a p h yi nt h ee i l d y b uc a i ld e l e t eb a dd a t am r o u g hk e y b o a r d ，o p t i m i z ed a t 衄，a i l da t l a s tp r i mi ta sr e p o r t f b h n so rw a v e 南衄s k e yw o r d sa u t o m a t i c t e s t 访g ， l a b v i e w ，a ) 【1 e st e m p e r a t i l r ed e t e c t i o n ， i n 姗dr a y b 鹤e dp r o b e s ， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的她方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丞塑日期：趔：笸 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趑 导师签名： 结论 _ 目目_ - | g 自_ _ 目l _ _ 目e _ _ _ - _ _ | 目_ i _ _ _ _ _ _ _ - l _ _ - _ 目l l l _ _ _ 目目_ _ _ 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 安全问题是铁路运输面i 临的头等大事，对于铁路车辆部门来说，防止燃轴、热切 轴则是确保安全的突出主题。红外线轴温探测技术是铁路行车安全保障体系中重要技 术之一。 红外轴温探测系统是监测运行车辆轴温，探测热轴，防止切轴的主要设备，是确 保行车安全的必须设备e 它能自动监测运行中客、货车的轴承故障，并将监测结果通 过红外轴温传输网络传至红外轴温监测中心。预防热轴、燃轴，及时处理故障车辆， 防止由切轴造成的列车颠覆事故的发生，对确保行车安全和运输畅通发挥了积极的作 用。 系统由探测站、复示站、监测中心和查询终端四部分构成，监测中心对各探测站、 复示站进行网络管理，对通过列车的熟轴进行跟踪，按微热、强热、激热三个等级来预 报，探测站部分是车辆轴温监测设备的主要组成部分之一。主要包括红外探头、车轮传 感器、信息处理计算机、直流电源、交流净化电源和设备的防护装置等。 1 2 课题研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外红外热轴探测设备主要由少数几个发达国家研制生产和应用，近几年来，发展 中国家也开始应用热轴探测设备以防止车辆燃轴。 1 9 5 6 年世界上第一台红外轴温探测系统问世它是由美国s e r v 0 公司制造的，至今 已有三十多年历史。在此期间，美国、法国、西德、苏联、日本等国家也先后研制和生 产了不同型号的红外轴温探测系统。 1 2 1 1 美国s e r v o 公司的燕轴探测设备，其红外探头采用高阻抗、固体衬底型红外热 敏电阻，偏置电压4 0 0 v 交流放大器，下探方式，以车底架为背景直接探测轴温的温升 值。优点是结构简单、可靠。缺点是时间常数大，需对器件进行补偿方可用到高速列车 探测。 s e r v 0 公司对热轴规律进行了大量研究，积累了丰富的经验，该公司生产的9 9 0 9 s e r v 0 公司对热轴规律进行了大量研究，积累了丰富的经验，该公司生产的9 9 0 9 北京工业大学工学硕士学位论文 轴温探测系统利用计算机进行处理，其功能齐全，性能指标达到世界一流水平，具有计 轴、计量，自动识别滚动、滑动轴承，消除环境、车速对热轴判别的影响。美国h a r m o n 公司生产的热轴设备，其探头技术为采用热释电器件，利用前放对元件进行速度补偿， 使得探头能适用于高速列车探测，轴温波形明显要比热敏电阻输出波形好。前置放大器 为交流高频补偿放大器，下探方式。系统采用8 0 8 8 c p u 有自动测速、自动计轴、自动热 轴判别和语言报警功能。 近年来美国又研制了音声热轴探测器，据报导其准确率达9 0 以上。 1 2 1 2 法国是较早摆脱s e r v o 公司技术，成功地走有自己发展特色的国家，其生产的 红外探测器敏感元件为锑化锢光子元件，其时间常数很小( 微秒级) ，响应速度快，非常 适于高速列车轴温探铡。法国探头对列车的适应速度是目前最高的，可达3 0 0 i ( i i i h ，探头 采用制冷方式，并用高速调制盘调制，使轴温探测有同一背景，绝对测温。c s e e 热轴探测 系统利用8 0 8 0 c p u 进行数据处理，可以实现自动预报热轴，全线路全列轴温自动跟踪，系 统纳入调度集中功能。 法匡i 在高速线路上构成集中控制红外线探测网。如t g v 高速线巴黎到里昂段共3 0 多公里。设有十个区间无入值守探测点。中央机在巴黎的运输调度中心。在调度中心的 红外系统、信号系统、电调系统等构成一个运输指挥系统，红外热轴预报结果显示在调 度的显示屏上无需专职的红外值班人员。调度员发现热轴预报后，马上通过引导信号系 统命令列车停车，同时通过无线列调，通知司机下车确认，由司机决定是否就近扣车检修 还是继续行驶到终点后再扣车入厂修。 1 2 1 3 德国铁路依靠过硬的机械技术实力，对新技术的采用相对保守，红外线技术发展 也相对较慢。九十年代德国研制了第三代红外线系统。即h o a 9 0 s ，特点是在第二代红 外线系统上加入了盘型制动失效探测，主要是解决低磨合成闸片高温( 3 7 5 ) 失效的问 题，以适应高速情况。h o a 9 0 s 的热轴探测设备采用光子碲镉汞制冷探头，6 0 0 0 h z 高 速调制盘统一背景，绝对测温。在2 8 0 l 血儿时，探头最快能在o 0 0 3 s 内采集“7 次轴温信 号，可见其性能参数是很高的。主机微处理器为：8 0 3 8 6 c p u 。这些产品均具有微电脑 化、功能齐全、技术先进的优点，其主要技术指标为：适应列车速度5 3 0 0 k m h ，环境 温度4 0 斗6 0 ，传输速度11 0 9 6 0 0 b i t 。 】2 2 国内研究现状 我国的红外线热轴探测技术起步于七十年代初。 第一代红外检测设备由磁传感器、探头、轴温信息传输和描笔记录仪组成。磁传感 器功能是控制开机、打开光栅。探头采用上探方式探钡8 轴箱上部温度。轴温信息传输功 能是接收探头采集信号并通过描笔记录仪显示结果。 其工作过程是：利用上探方式，红外探头探测列车轴箱表面的温度信息，热敏元件 绪论 将轴箱辐射能量变换成轴温电信号，轴温电信号从探头输入到发送端机，由接收机对载 波信号进行检波还原成轴温信号。接收机将轴温电信号送到描笔式记录仪记录，并在记 录纸带上划出轴温脉冲与时间的关系曲线。轴温脉冲高低说明轴线热辐射大小，反映它 的温度高低。 由于传感器敏感元件为热敏电阻，并在光学系统前加光栅，因而响应速度很慢，只 能定性探测，不适合高速列车轴温探测。在硬件电路设计上采用了较多的分立元件精度 低，实时性和可靠性差，且是单点应用，不能跟踪，区间探测困难，投入人力多。 随着计算机应用的发展我国开始了第二代热轴探测仪的研究，引入计算机和计算机 网，其中硬件开始采用功能较强的微机芯片和集成功能较强的单片微机芯片，并选用可 用于实时工业控制的s t d 总线结构专用机，具有阏络布点、组网跟踪、区间无人探测功 能。 国内二代机以哈尔滨铁路科研所的h t k 4 9 9 型、航天部5 0 2 所的h b s d 一2 型、广汉通 信信号工厂的h z t 一2 型等为代表。厂家根据自己的特点形成了独自系列产品。国内二代 机是在一代机基础上发展起来的，经过不断发展完善，己遍布各运输干线全路，形成了 完整的红外线轴温探测网。二代机区别于一代机的主要标志是在红外线领域引进了计算 机技术和网络通信技术，其构成在硬件、软件上的设计思想和方式都做了根本性的改革， 脱离了一代机的概念，克服了一代机单点应用的缺点，具有网络布点、组网跟踪、区间 无人探测等功能。因此在行车安全上第二代红外线轴温探测网能发挥巨大的作用。 1 3 本论文的主要任务 红外轴温探测技术是集红外光学、电子技术、自动控制技术及计算机技术为一体的 高科技无损检测技术。其基本原理都是通过以红外传感器为核心的红外光学系统及其后 继处理电路所接收轴箱表面的热辐射能量的大小来判别轴箱的发热情况。 目前，我国铁路使用的红外检测设备就是第一代的红外检测设备和第二代热轴探测 仪。与国外同类产品相比，我国的红外线热轴探测技术基本上还是处于定性的探测水平 上，主要差距在红外探头的敏感元件时间常数大，无法适应列车提速的要求。因此对先 进红外探头技术的研究和开发，以及提高计算机的处理技术、提高信息传输速度一直是 红外轴温探测技术领域探讨的热点。 智能型红外探头光子放大器是轴温检测探头的关键部件，它的功能是在列车飞速掠 过安放在路边的红外探头时，将探头中光子传感器探测到的轴温信号进行高增益定量放 大，并通过内部的微处理器非线性校正，最终变成标准模拟信号或数字信号送至监测站， 供监测站的计算机对各个车轴的升温情况进行采集、分析和处理。 2 0 0 4 年4 月1 8 日零时，中国铁路开始第5 次大面积提速。提速后，提速网络总里程 北京工业大学工学硕士学位论文 将达到1 6 5 0 0 多公里，旅客列车平均旅行速度达到6 5 7km h ，比2 0 0 1 年运行速度提高 了4 3km h ，原有的热敏电阻型传感器已经满足不了需要，而逐步采用响应速度更快 的锑镉汞材料的红外光敏传感器。但是该传感器输出的是微弱的直流温度信号，幅度小、 线性度不好，加上探头的工作环境十分恶劣，这些对后级的直流放大器都提出了更高的 要求。因此，研制出性能稳定、工作可靠的红外探头光子放大器，取代目前主要靠进口 的产品具有重要意义。 综合国内外在这一领域的前沿概况，本文作者把红外轴温光子探头的性能测试和信 号分析作为研究方向。本论文的目的是采用基于虚拟仪器的自动测试手段，对红外探头 放大器以及前级的红外光敏传感器进行精密的性能测试，对输出信号进行分析，确定标 准，提供数据，指导采集，放大，以及a d 转换的硬件研究。 本课题将完成数据采集，参数测试，数据显示、存储、处理和分析，最后得出结论， 以支持硬件功能的实现，最后还可以监测硬件的性能。 红外探头放大器 第2 章红外探头放大器 2 1 红外轴温探测系统 轴箱温度标志着车辆轮对轴箱的技术状态和工作状态，研究运行中轴箱的热形成过 程和热传播过程，对于红外线自动探测过热，轴箱温度具有很重要的意义。 轴承工作时产生的总热量为d q 总，一部分由轴箱相邻部件吸收为d ，而另一部分 由各表面散发到周围环境为d q 散，非稳定工况的热平衡方程式： 蛾= 蛾+ 蛾 ( 2 一1 ) 坦叫厂- 爱咄 ( 2 2 ) 其中：严嘞箱载荷( 加，卜换算摩擦系数，f 一列车速度( 皿居) ， d 卜轴承工作时间( s ) ，d 自轴承直径( 腰) ( 滑动轴承为轴颈直径，滚 动轴承为滚柱中心直径) 。n 。车轮直径( 届) 轴箱吸收的热量： 蝈= g 榴 ( 2 3 ) 其中：q f 热容量卵暂- 缈】，a 单位重量( 堙) ，d p - 温度变化量( 肋 经轴箱散发出的热量： d q 散= 艺q e ( 1 一写) 西 ( 2 4 ) 其中：吒散热系数 ( m 2 芷) ，点外表面积( m 2 ) ，霉外表面温度( 旃轴承工作时间( s ) ，瓦一空气环境温度( 简称环温) ( 价 将( 2 2 ) ，( 2 3 ) ，( 2 4 ) 式代入热平衡方程( 2 一1 ) ，经整理得轴箱表面温度变化： 式可得 垡王：! ：乏：刍：! 西 d 艳窆c j 毋 t 2 i 龟：型尘譬坐 d 辘粥 i - 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 北京工业大学工学硕士学位论文 在有规律d 轴加热或冷却时，对微分方程( 2 5 ) 求解，得轴箱表面温度值： 嚷升= ( 1 一e “) ( 2 7 ) 其中： 嚷降= 。p ( 2 8 ) 一端 。， 由上可知，轴箱表面的升温过程呈指数曲线，初始阶段温升快，随之减慢，最终达 到平衡，轴箱表面稳定的温升最大值同车轴车轮直径比( d 轴d 轮) 、轴箱载荷( 尸) 、列 车速度( d 和摩擦系数( d 成正比，同散热力( 罗a i 只) 成反比。 在摩擦情况一致时的正常运转，轴温温升值的大小也会因速度、载重、车型不同而 不同，以同一辆车为研究单元时，车型一致，车轴轮直径比和散热能力相同，载重、速 度也相同，那么各轴箱表面温升的差异反映了轴箱内部的摩擦情况的不同。如果研究单 元扩大为列车甚至不同列车时，不同的温升值并不单一反映轴箱内部的摩擦，还受上述 诸因素的影响。但轴箱内部严重故障时，摩擦成为轴箱表面温升的决定因素，载重、速 度、车型、散热诸因素的差异成为次要因素，因而热轴时的轴箱温升在很大程度上反映 了轴承故障程度。 理论和经验都说明，正常运转时的轴箱温度规律和故障轴箱温度规律各不相同。运 转热从开始到稳定的变化过程如下图2 1 所示。 图2 1 正常轴温升级过程 热轴的变化过程比较复杂，随机性较大，可归为两类：一类是在车辆运行开始即出 现故障，轴温迅速升高，如图2 2 中的曲线a ，另一类是在车辆运行一段时间后出现故 障，在轴箱温升稳定后又突然升温，如图2 2 中的曲线b ”。 红外探头放大器 图2 2 热轴轴温升级过程 2 2 红外探头放大器的构成和工作原理 红外轴温探测系统中的红外探头由红外器件、光学系统和放大器构成。红外探头性 能的优劣，关系着整个探测系统的精度与可靠性。因此，对探头的不失真度，响应能力、 稳定性、灵敏度及使用维修方便方面均有很高的要求。只有在这些基本性能满足的前提 下，先进计算机技术才能发挥出它的最大优越性。因此红外光子探头的选择尤为重要。 红外探头光予放大器的研制要以前级红外光敏传感器的输出为基础。所以，红外光 敏传感器特性的测试就非常重要。 自然界中存在的各种物体，如人体、木材、石头、火焰、冰等都会发出不同波长的 红外线，利用红外传感器可对其进行检测。根据工作原理，红外传感器分为热型和量子 型两类，热型红外传感器也称为热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比， 其频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宣，并可在常温 下工作，量子型与热释型的特点相反，而且要求冷却条件。 2 2 1 红外传感器构成 热型红外传感器也称为热释电红外传感器或被动红外传感器。与量子型相比，其频 响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外线波长范围较宽，价格便宜，并可在常温下工 作。 热型器件的工作原理是基于物体受红外线辐射使其温度改变后产生物理特性的变 化。 例如热敏电阻红外器件的工作原理就是利用红外线照射受热后元件本身电阻值的 变化。如图2 3 所示，敏感元件由两片既薄又小、性能一致的热敏电阻片尼，尼串联而 成，电阻尼接收辐射。电阻尼被黑体屏蔽起来，防止接收热辐射。 北京工业大学工学硕士学位论文 + 、r + 、r i i r l 图2 3 热敏传感器结构图 在敏感元件上加一定的偏压矿，从两个热敏电阻中央引出输出信号。尺，起温度 补偿作用。在无红外辐射时，热敏电阻无变化，r ，= 局= 月，在用黑体将r 屏蔽，飓接 受红外辐射时，羁阻值变化尺，则输出信号近似为：= r 臼r + r j ，从而实现了红 外辐射到电压信号的转交。室温下，器件的电阻值为2 5 御，属于低阻类，具有负的温度 系数，它的时间常数为2 3 m s 。热敏电阻是一种广谱器件，波长在o 一范围时具有相同的 探测率，其值2 1 0 8 ( ，上七1 2 ，矽。) 。 另一类光子探头采用的红外敏感器件为光导型碲镉汞，响应波段为3 5 口坍。其工作 原理是由入射的红外辐射光子和电子的能态起作用进行红外探测。当人射的红外光子超 过探测器禁带阈值后，器件中半导体价带顶部附近的一些电子将激发跃迂到导带底部附 近的一些电子态上去，从而产生非平衡的电子一空穴对，由此得到信号输出。根据基本 激发过程光电导相应地又分为本征、菲本征和自由载流子等类探铡器。由于各光子器件 禁带阈值不同，会有一个各自较明显的响应截止波长，因此光子探测器不象热探测器有 极宽的红外波长响应带。为保证有较高的信噪比，减少热激发，光子器件往往需在稳定 的低温条件下工作，所以光子探测器对入射光子干扰较为敏感。但相对来说，本征型器 件的工作温度比非本征的要高。 2 2 2 红外光子探测器 红外光子探头放大器的性能参数有响应率功、探测率( 脚、光谱响应和时间常数 ( f ) 。 响应率( 厅功是单位辐射功率投射到探测器上，探测器输出信号电压的均方根值。单 位为伏瓦。 r ，：堕：竺一( 2 一l o ) pe x a d 妇：信号电压的均方根值，岳探测器上辐照度的均方根值，月吐探测器面积， 红外探头放大器 凸爿d 投射到探测器上的辐射功率 探测器中存在着噪声，要想在噪声电压勋中把信号略取出来，理论上必须使信号 电压临) 砌。若妇 胁是发现目标的必要条件。噪声等效功率( 砰i 的定义是：当产 生的均方根信号电压等于探测器的均方根噪声电压时，投射至探测器的辐射功率均方根 值，单位为瓦。 一劈2 笔，n ( 2 1 1 ) 式中为探测器的均方根值噪声电压。噪声等效功率就是探测器所能探测的最小功 率，所以脚越小的探测器，其探测本领就越大。 2 2 3 热敏电阻探头探测器 图2 4 为红外热敏电阻探头探测波形，由于探头响应时间常数大，对应于轴箱处的 波形有“爬坡”现象。 o 探穗_ l 筻置 图2 - 4 热敏电阻探头探测波形 热型元器件由于接受辐射到温度改变需要一定时间，因而有较大的时间常数，一般 在毫秒级，如热敏电阻为2 3 毫秒。光子探测器的响应时间很短，时间常数一般处在微 秒级。 本课题是在实验室环境下进行实验和硬件设计，所以选用的是热敏电阻探测器。提 高探头信号处理电路的增益可使用交流放大电路。交流放大电路的增益高且没有漂移， 但要求输入信号为交流信号，因此需要对信号进行调制。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 测试系统设计基础 红外轴温探测系统就是要将火车轴温准确，实时地反映给监测站，以便能有效地防 止事故的发生。本课题的主要目的是为硬件的设计提供可靠的数据，对产品的稳定性， 准确度进行检验。 硬件的设计是以红外传感器的输出作为输入信号，经过放大，调理，模数转换，并 对数字信号进行处理，然后进行数模转换，最后输出相对应的电压信号。课题的主要任 务是分析红外探头信号，为硬件设计提供可靠数据。 探头信号处理电路要实现高增益放大，可采用交流放大电路，以避免直流放大电路 的漂移问题。为应用交流放大电路，探测器件输出信号应为交流信号。 测试系统的设计以自适应轴温计算技术为基础。 以往的轴温计算技术以探头的状态和性能保持不变为基础，对硬件的要求较高，而 且若探头性能发生变化还需人工调整或维修。而自适应轴温计算技术是运用红外热轴振 测系统中主c p u 板和智能采集板对系统状态的采集、监测，以及对系统状态的判断和控 制，再加上动态标定机构，使轴温计算精度不受系统状态变化的影响，因而系统具有一 定的自适应能力，自动适应探头工作状态和性能的变化，适应探头光学系统增益和电路 增益的变化，弥补探头的不一致性，保证轴温计算准确。 自适应轴温计算技术包括热靶标定、环温补偿和系统标定3 部分。热靶标定提供当 前状态下轴温计算的标准曲线，热靶标定时根据探头的工作状态自动确定。环温补偿是 计算轴温时按照一定方法补偿调制环温变化引起的误差。系统标定确定轴温计算校正参 数，并消除探头不一致的影响。 自适应轴温计算技术的实现过程为，在探头当前工作状态下，主机通过热靶标定得 到一条热靶温度与探头输出电压的对应关系曲线，并根据系统标定获得的参数和环温补 偿，对曲线进行2 次校正，在此基础上再根据探测列车时的探头输出电压计算轴温。当 探头工作状态或探头性能变化后，再自动重新迸行热靶标定。 热靶标定：系统通过热靶标定获得探头输出电压与温度的关系曲线。热靶是在探头 前面e 对探头的个加热源。当进行热靶标定时，热靶升温，同时探头对热靶进行探测， 主机记录对应的靶温值和探头输出电压值，形成温度电压关系曲线。当主机判断探 头工作状态变化后，控制系统进行熟靶标定。图2 5 探头热靶标定曲线，虽然两侧探头 响应率不同，但不影响测温精度。 红外探头放大器 蝎 譬 魏魔 图2 5 左右探头热靶标定曲线 探头工作状态主要指热敏电阻温度和调制环境温度。碲镉汞器件在不同器件温度下 的响应率不同，因此，若碲镉汞器件的工作温度发生变化，轴温计算所采用的温度 电压关系曲线也随之改变。另外，光子探头采用调制盘对光学信号进行调制，探头输出 的电压信号幅值对应轴箱红外辐射强度和环境温度之差，因此，环境温度也影响探测器 的输出。 以热靶标定为基础的自适应轴温计算方法，使主机软件实时获得当前状态下的轴温 计算标准，使系统能够自动适应探头工作状态和性能的变化，保证轴温计算准确。 系统校正：通过系统标定获得轴温计算时的校正参数。探头光学系统的设计使得在 车轴位置的被测对象的红外辐射聚焦于探测器件，而由于热靶距离探头很近，热靶的红 外辐射不能聚焦于探测器件，因此探头探测同样温度的轴箱和热靶所输出的电压值不 同。热靶标定得到的温度电压关系曲线不能直接反映列车轴温与探头输出的对应关 系，需要进行校正。 系统标定是确定热靶标定数据校正参数的过程。进行系统标定时，将加热到一定温 度的黑体放在相当于车轴的位置，探头对黑体进行探测，软件根据探头输出、黑体温度 和热靶标定数据计算出校正参数。通过系统标定确定现场安装各探头的校正参数，还能 够弥补探头性能的不一致性，降低了对探头硬件的一致性要求 4 】。 2 4 本章小结 本章对红外光子探头和红外传感器的构成以及基本特性做了详细介绍，并根据课题 的实际需要分析了测试原理。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章自动测试系统概述 3 1 自动测试系统概述 一个自动测试系统，一般由四部分组成：第一是微机或微处理器，它是整个系统的 核心：第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程控仪器：第三是接口；第四是软件。 3 1 1 计算机 这是整个系统的核心。自动测试系统在l a b v i e w 软件平台上，可以完成测试参数的 设置，测试数据的处理等任务。最后还要将测试结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或 电表、数码显示等方式输出。 3 1 2 可程控仪器或设备 在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测量功能、工作量程的选择，输出 电平和频率的调节等都是在计算机发出的测量控制指令下完成的。这种能接受程序控制 并据之改变内部电路工作状态，以及完成特定任务的测量仪器称为仪器的可程序控制。 显然程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。 在整个测试系统中，可程控仪器担负着实际测量的任务。可程控仪器的精度直接影 响测试的准确性。 3 1 3 数据接口 在自动测试系统中各仪器和设备之间的接口的总体称为该自动测试系统的数据接 口。显然，数据接口是使自动测试系统中的各种设备之间进行有效通信的重要环节。测 试指令的发送，测量数据的回传都是通过数掘接口来实现。 程控仪器的数据接口有r s 2 3 2 串行接口、网络接口和g p i b 并行接口标准配置。r s 2 3 2 串口使用比较方便但传输数据速率较低，而g p i b 接口传输数据的速率很高，但需要专 门的接口卡。 3 1 4 测试软件 软件是自动测试系统的重要组成部分， 软件是自动测试系统的重要组成部分， 测试系统的设备管理、信号传输、数据分析 测试系统的设备管理、信号传输、数据分析 自动测试系统概述 和实现各种人机对话，都需要有一个功能强大、操作方便的自动测试软件的支持。 图3 一l 所示为采用串口作为标准接口总线的自动测试系统结构图吲。 图3 一l 自动测试系统结拘图 3 2 建立自动测试系统的必要性 仪器功耗撰疑屡 仪器驱动 z ，o 接口 e 动 仪器硬律 现代化的科研工作不仅需要对多参数、相关参数、瞬间信息进行快速、实时、连续、 准确的捕捉和测量，且需完成浩繁的数据处理工作。这些测试任务均非手动或人工测试 所能完成的，这就必须采用自动测试手段。国际上发达国家早已在2 0 世纪8 0 年代末就 推出了跨世纪的总线测试系统及产品，它采用开放的总线标准，使用户在最短的时间利 用总线式仪器和软件，灵活组建自动测试系统，其系统的测试速度和测量准确性非常高， 大大节约了测试时间并降低了钡i 试费用。在美国、德国、日本等发达国家，已广泛应用 到国防、航空航天、机电、气象、环境等领域。与国外相比，我国自动测试技术的发展 缓慢，测试手段落后。 降低测试成本，缩短测试系统的开发时间以及把风险减少到最低限度，这是组建自 动测试系统的基本要求和主要目标。要达到国际上先进的、成熟的工业标准、保证功能 模块的兼容性，软件设计也应遵循易用与通用等的标准”。 在本课题中，非常有必要建立一套完备的自动测试系统来完成冗繁，高精度的测试 工作。 3 2 1 在本课题中的必要性 在红外传感器的非线性校正和温漂补偿中，需要做大量的特性测试和数据处理工 北京工业大学工学硕士学位论文 作。其中需要解决的问题是： ( 1 ) 持续时间长达几个小时的环境模拟温升测试，单调而重复。 ( 2 ) 温度过高或过低时，无法用手动接触完成操作。 ( 3 ) 批量生产时，由于传感器件的离散性，需要逐个测试、分类和统计制表，工 作量大。 3 2 2 自动测试的优势 在红外光子探头输出特性测试中，不仅要对输出信号进行测试，而且要跟输入信号 进行计算，做出结论，以评价硬件性能的优劣，最后要分析数据，得出有参考价值的参 数，来指导放大器的改进，数据众多，计算量庞大，还有许多算法，人工完成具有很大 的难度，准确率不高。 为了提高本课题测试工作效率，这里专门设计了一套计算机辅助测试系统，使用 可程控仪器在l a b y i 酣软件平台上实现了信号特性的自动测试和分析。 3 3 自动测试系统需求分析 3 3 1 功能需求 自动测试系统具有明显的模块化特征，一般包括系统配置、数据测量、数据分析与 处理、测试设备控制等功能模块，往往还具有数据存储、实时监控、异常处理等功能。 我们利用如图3 2 所示的u m l 用况图( u s ec a s ed i a g r 卸) 来清晰地表达自动测试系统的 功能需求。图中给出了自动测试系统的主要用况，同时表达了这些用况与参与者( 图中 指的是0 p e r a t r o 和i n s t r u m e n t ) 以及各用况之间的关系。图中关系构造c o 跚u n i c a t e 表示参与者与系统之间的通信路径，i n c l u d e 与e x t e n d 都表示一个用况重用另一 个用况的关系，不过前者表示强制包含关系，如“数据测量”用况的实现肯定包含了“仪 器驱动”用况的行为，而后者是可选的，如“分析处理”用况中可能包含“异常处理” 用况的行为。自动测试系统视具体情况的不同其需求也不尽相同，最简单的系统可能只 包括“仪器驱动”、“数据测量”、“分析处理”等用况，虽然复杂的系统还包括“数据存 储、“异常处理”等其他用况，但是都可以在图3 2 的基础上进行扩展和细化来描述它 们的功能需求。 自动测试系统概述 ，= = = 、“e x e n ，一- l 、 (分斩处理) 一 骨常赶理j 、 一一 龟嚣，奄 = 一山。、。 ，。 (幕统陀置一一哼 仪罂 艇动 捌3 2 自动测试系统的核心_ j 况蹭 典型的测试过程首先开始于系统的初始化和配置，包括仪器及其参数的配置、测试 任务的定义等，然后执行相应的一个或一组测试任务：通过控制相关仪器进行数据采集， 并对收集的数据进行必要的格式转换、校正计算等，然后对这些数据进行分析处理，并 根据结果做出相应的决策，可能包括系统对外部的反应动作。 3 。3 2 非功能需求 随着硬件接口技术的标准化及网络技术的发展，用户对自动测试系统的要求也越来 越高，不仅要求提供日益丰富的功能，而且还必须满足实时性、分布式以及并发等一些 非功能需求。分布式和并发是现代自动测试系统的一个重要特征，它们使测试系统变得 复杂化。这些非功能需求的实现与具体应用相关。 另外，由于自动测试系统的构建比较昂贵，硬件设备的变化、测试需求的改变等因 素常引起软件系统的更新，因此，自动测试系统对可复用性、可配置性、灵活性和可扩 展性方面的要求往往比一般的应用系统要求更高。1 。 3 4l a b v i e w 在自动测试系统中的应用 l a b v i e w 是美国n i 公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具，也是当今国际 上唯一的编译型图形化编程语言，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。 自1 9 8 6 年阀世以来，l 8 b v i e w 广泛地被工业界、学术界和实验室所接受，用于产品 开发的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了投放市场的时间，并提高了生产效率。 北京工业大学工学硕士学位论文 由于l a b v i e w 功能强大且灵活，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，成为测试，测 量和控制设计的专用工具，其范围可从温度监控到复杂的仿真和控制系统。 其显著特点是： ( 1 ) 采用简单、直观的图形编程方式，通过用线条把各种功能模块连接起来的方式编 写程序，使程序的编写类似于流程图的构建。 ( 2 ) 提供丰富的库函数，包括数据采集、分析及存储，涵盖了d a q ，g p i b ，p x i ，v x i ， r s 一2 3 2 4 8 5 在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使工程技术人员能够快速构 造自已的仪器系统。 ( 3 ) 除去传统的程序调试手段外，同时提供有独到的高亮执行工具，使程序动画式运行， 便于观察程序运行的细节，使整个程序的开发和调试更加便捷。 ( 4 ) 网络编程功能强大，支持常用的网络协议，便于远程测控仪器的开发。 此外，n i 公司对l a b v i e w 不断地进行完善。现在，最新版本的l a b v i e w 8 已经正式推 出，其功能更加强大，在以下几个方面更贴近测控工程师的要求。 ( 1 ) 开发大型应用程序变得轻松，其分布式智能平台可以轻松开发多处理器系统。 ( 2 ) 全新的用户界面对象和功能，能开发出可完全自定义的专业化的前面板。 ( 3 ) 对数学运算、信号处理和分析进行了重大的补充和完善。在l a b v i e w 最新发布的 版本中，信号处理和数学运算具有更为全面和强大的链接库，包括的各种函数达5 0 0 多 个。 ( 4 ) 引入了新的编码结构，以进一步增强l a b v i e w 的应用开发能力，并提高代码运行 的效率唧“。 3 。5 本章小结 本章内容对自动测试系统的概念以及如何构建自动测试系统做了详细介绍。如何根据 实际需求设计系统做了解释，最后简单介绍了自动测试系统的开发平台l a b v i e w 。 测试系统结构与硬件介绍 第4 章测试系统结构与硬件介绍 4 1 测试系统框图 图4 1 测试系统结构圈 测试主要完成传感器的非线性特性测试，光敏传感器的卜v 特性( 温度电压) 测 完后通过p c 机生成曲线修正参数表，自动下载到放大器中。然后又可对整个放大器模 块进行测试。 本系统可完成动态测试、定标测试、温度漂移测试、非线性和离散性测试。图4 1 显示了测试系统的结构框图。 4 2 系统的硬件介绍 h s 州，p 钾 c 8 d 5 lt 。qs r l f 0 口t d a c l l 吖士1 耵 一 二一 习 图4 2 硬件系统设计框图 硬件部分主要完成轴温信号的采集，放大，非线性校正等任务，图4 2 为整个硬 件系统的设计框图。 北京工业大学工学硕士学位论文 硬件部分首先对红外热敏电阻传感器的特性进行了研究，分析出它的温度漂移特和 电压输出特性，然后运用仪表放大器和新一代的微控制器组成目标系统，利用仪表放大 器输出偏置电位可调节和微控制器的数据采集和处理功能，数字化实时检测传感器零点 漂移并给出反馈调节电压，去除零点漂移对测量精度产生的影响，除此以外，对传感器 输出电压数字化，并进行一系列的数字化处理，最终计算出被铡轴箱的温度并输出。 用数字和模拟相结合的方式来抑制温度漂移在该领域内还是比较领先的，较以前纯 模拟方式控制精度得到了显著提高。由于高性能单片机的引入，无论是采集精度，速度 和频率，还是在系统稳定性上都有大幅提高，并且处理能力的提高可以使用更复杂的算 法，增强系统的智能性和数据处理的速度。 在整个硬件系统的研究中主要包括四个部分：红外探头的特性研究、前端采集电路 的设计、微控制器电路设计、电源的改进四个部分。 4 2 1 红外探头特性研究 红外探头的结构和原理已经在第二章中作了详细介绍，这里我们对红外传感器的零 点漂移做一下分析。 如图2 3 所示的红外传感器，我们将影响输出电压变化的因素分为两类，一类是轴 箱温度变化导致的输出变化，除此以外导致输出变化的因素为第二类。在第二类因素中。 传感器供电电压的不稳定性和热敏电阻随环境温度阻值产生变化是主要原因，以上为影 响输出变化的主要因素，为了便于研究，我们忽略其他因素。系统工作时，传感器输出 电压变化是上述三个因素的叠加。通过大量实验测量，这三个因素导致的输出变化可以 线性叠加。如果轴箱温度导致的输出v o 的变化为v 。供电电源导致的输出v o 的变化为 v 。，环境温度对热敏电阻影响导致输出v o 的变化为v 。则v o = v o ，+ u ：+ v 。 理想情况下，热敏电阻r 和r ：规格完全相同，也就是阻值及温度系数相同，当环境 温度变化时，由于处在同一环温下，两电阻阻值变化相等，输出电压不受影响，v 0 3 = o 。 r 。被黑体包裹，阻值完全不受外界红外辐射影响。r ：是红外热敏电阻，轴箱散发出的红 外辐射穿过透镜会聚在r ：上。当轴箱温度发生变化时，照射在r ：上的红外辐射强度产生 变化，r 2 的阻值变化，最终导致输出变化。由于r ，的阻值不受红外辐射的影响，r 1 与 r 2 的分压比仅随r ：阻值变化，v 。：输出随轴箱温度变化而变化。由v o = v 。，+ v 。：+ v 0 。，v 。= o ， 则v 0 5 v + v 。3 。 但是在实际应用中，r 2 、阻值及温度系数相同不可能完全相同，当环境温度变化 时，分压比也会产生变化，u - 并不等于0 ，我们实际要采集的信号是v 。v 。和k 对于 测试系统结构与硬件介绍 我们来说就是噪声。 我们将零点电压定义为被测物体温度为环境温度时测量红外