王琰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及平順性直接影響到高速鐵路的運行安全［1］。無砟軌道板作為高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)，長時間暴露在大氣中，在大氣溫度、太陽輻射、降水及其他環(huán)境因素的綜合影響下會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力［2-3］，進而造成混凝土開裂及結(jié)構(gòu)變形，嚴(yán)重影響軌道的幾何平順性，甚至威脅列車安全。準(zhǔn)確快速掌握無砟軌道板溫度變化，使其在可控的安全范圍，是高速鐵路行車安全的重要保證。

目前國內(nèi)對無砟軌道溫度場分布做了廣泛研究。吳斌等［4］采用統(tǒng)計分析方法研究了高溫狀態(tài)下軌道板溫度的日變化規(guī)律，并建立軌道板溫度場的預(yù)估模型。歐祖敏等［5］建立了暴露于大氣環(huán)境中的高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度場方程，提出了一種分析無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場分布的簡化方法。郭超等［6］對嚴(yán)寒地區(qū)極端天氣條件下無砟軌道板溫度場做了數(shù)值模擬分析，闡明了嚴(yán)寒地區(qū)冬、夏兩季極端天氣條件下軌道板的溫度特性。尤明熙等［7］通過對北京地區(qū)CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)進行溫度監(jiān)測，得出無砟軌道溫度場分布和軌道結(jié)構(gòu)各層溫度梯度變化規(guī)律。劉偉斌等［8］針對某客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道試驗段開展了復(fù)合軌道板溫度場的長期監(jiān)測，統(tǒng)計分析了溫度梯度與太陽日輻射強度、日最高氣溫等環(huán)境因素的相關(guān)性，并給出了溫度梯度變化回歸方程。

以上研究都須事先在無砟軌道上布置熱電偶或分布式光纖溫度傳感器靜態(tài)測量某一段無砟軌道板的溫度，然后進行較長周期的測量工作，通過對所得數(shù)據(jù)進行建模分析，最終得到無砟軌道板溫度場的預(yù)估模型。受到鐵路天窗點作業(yè)時間、溫度傳感器布設(shè)位置、鐵路線路結(jié)構(gòu)等因素限制，無法將傳感器布滿整個軌道，測量周期較長，無法實時獲得軌道板橫向溫度分布。我國鐵路里程長、跨越地形復(fù)雜，無砟軌道板溫度靜態(tài)測量不便于及時全面對整條線路的軌道板溫度與軌道幾何不平順進行研究。

無砟軌道板溫度高速動態(tài)測量系統(tǒng)以高速綜合檢測列車［9］為載體，以350 km/h運行速度250 mm等間距動態(tài)高速實時檢測鐵路線路軌道板溫度，供高速綜合檢測列車內(nèi)部軌道幾何檢測系統(tǒng)［10］調(diào)用，以便及時全面分析整條線路的軌道板溫度與軌道幾何不平順的關(guān)系。

1 基本原理

無砟軌道板溫度高速動態(tài)測量系統(tǒng)基于輻射測溫原理。所有高于絕對零度（-273℃）的物體都會發(fā)出紅外輻射，紅外輻射通過光學(xué)成像物鏡反映到紅外探測器的光敏元件上，光電探測器檢測和測量輻射，從而獲得與物體表面的熱分布場相對應(yīng)的紅外熱像圖，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系，如圖1所示。無砟軌道板溫度高速動態(tài)測量通過光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡頭收集無砟軌道板光譜信息，聚焦至探測器，通過探測器轉(zhuǎn)換為電信號，然后進行數(shù)據(jù)處理獲取溫度，最終輸出電壓信號供采集器獲取。

圖1 輻射測溫原理

2 系統(tǒng)設(shè)計

無砟軌道板溫度高速動態(tài)測量系統(tǒng)由上位機和下位機組成，上位機安裝于綜合檢測列車內(nèi)部機柜，下位機安裝于車底外部。上位機和下位機之間通過10 m遠傳線纜連接，數(shù)據(jù)通信通過以太網(wǎng)完成。系統(tǒng)方案設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案設(shè)計

無砟軌道板的輻射能量經(jīng)過光學(xué)鏡頭后被聚焦到傳感器上，經(jīng)過紅外探測器中二級放大后轉(zhuǎn)換為輸出的電壓信號?？紤]到高速數(shù)據(jù)采集器的分辨率以及輸入量程，需要將紅外探測器的輸出信號進一步放大，其中紅外探測器須由半導(dǎo)體制冷器制冷到-40℃，保證其正常工作。高速數(shù)據(jù)采集器對放大后的信號進行獲取，通過以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線上傳到嵌入式計算機中進行處理。上位機和下位機安裝距離較遠，下位機輸出的電壓在傳輸過程中會產(chǎn)生衰減，最后反演計算的溫度偏差較大。為保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，嵌入式計算機會將處理好的數(shù)字信號經(jīng)過高速數(shù)據(jù)采集器中的轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，經(jīng)電壓電流模塊轉(zhuǎn)換，最終輸出4～20 mA的電流信號。在上位機接口端焊接一高精度電阻即可得到采集器所需的0～5 V的電壓信號。系統(tǒng)電源組件將220 V交流電分別轉(zhuǎn)換為12 V和15 V直流電，通過遠傳線纜給下位機的各個組件供電。

3 關(guān)鍵參數(shù)

3.1 測溫響應(yīng)速率

高速綜合檢測列車以350 km/h速度運行、250 mm等間距采樣測量無砟軌道板溫度，即4次/m采樣測量無砟軌道板溫度。理論計算紅外探測器響應(yīng)速率至多為2.57 ms/次。考慮到數(shù)據(jù)傳輸和存儲時間，紅外探測器響應(yīng)速率設(shè)計為1 ms/次。

3.2 測量波長

根據(jù)維恩位移定律，黑體的輻射最大值對應(yīng)的峰值波長λm與絕對溫度T的乘積為一固定常數(shù)，即

峰值波長與絕對溫度具有反比例關(guān)系。當(dāng)溫度為333 K（60℃）時，λm大約為8.7 μm；當(dāng)溫度為233 K（-40℃）時，λm值大約為12.4 μm。

由維恩位移定律計算得出的理論測量波長在8.7～12.4 μm。此測量波長范圍是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的理論指導(dǎo)，而實測波長范圍因受輻射測溫光學(xué)機械結(jié)構(gòu)、探測器響應(yīng)速率等因素的影響略有不同。物體輻射能隨著波長的變化連續(xù)變換，所以測量波長及其對應(yīng)的峰值波長略有不同不會影響輻射測溫的靈敏度。

3.3 信號放大倍率

由普朗克定律可知黑體的輻射能量隨溫度的降低而減少。在-40～60℃的溫度范圍內(nèi)，探測器能夠獲取目標(biāo)的輻射能量非常低，因此得到的探測器輸出電壓值很小。經(jīng)理論計算，在-20℃以下電壓每變化0.3 mV溫度就變化1℃。經(jīng)過計算16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換精度為0.15 mV，因此不能直接將探測器輸出的電壓用于反演計算。須將探測器輸出電壓放大40倍。經(jīng)理論計算，在-20℃以下電壓每變化11.5 mV溫度變化1℃，可用于反演計算。信號放大電路如圖3所示。其中：R1～R6為匹配電阻；Ui和Uo分別為放大電路輸入電壓和輸出電壓；V為放大器的供電電壓；U1，U2分別為一級和二級放大器的輸出電壓。

圖3 信號放大電路

4 系統(tǒng)溫控邏輯

系統(tǒng)下位機關(guān)鍵器件適宜的工作環(huán)境溫度為20～40℃。系統(tǒng)溫控邏輯如圖4所示。其中，TEC（Thermo Electric Cooler）為熱電制冷模塊。下位機內(nèi)部環(huán)境溫度低于15℃時，啟動恒溫加熱片工作。當(dāng)箱內(nèi)溫度在15～30℃時，制冷器和加熱器都不工作。溫度高于30℃時制冷器開始工作，其額定電壓為直流12 V，制冷功率可達60 W。

圖4 系統(tǒng)溫控邏輯

5 試驗及分析

5.1 測溫精度試驗及分析

基于無砟軌道板材料制作無砟軌道板靶標(biāo)［11］，無砟軌道板靶標(biāo)與無砟軌道板溫度輻射特性一致，搭建無砟軌道板靶標(biāo)動態(tài)試驗臺（圖5），調(diào)整軌道板靶標(biāo)、輪速盤與測溫系統(tǒng)的相對位置，使測溫系統(tǒng)通過輪速盤通光孔瞄準(zhǔn)軌道板靶標(biāo)中心。設(shè)置輪速盤以350 km/h的線速度轉(zhuǎn)動，調(diào)整無砟軌道板靶標(biāo)溫度，使之穩(wěn)定在-40℃，打開測溫系統(tǒng)采集無砟軌道板靶標(biāo)溫度。升高靶標(biāo)溫度，每隔一定溫度記錄1次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括靶標(biāo)自身溫度和測溫系統(tǒng)測量的靶標(biāo)溫度。

圖5 無砟軌道板靶標(biāo)動態(tài)試驗臺

測量精度試驗結(jié)果見表1。可以看出任意溫度點處的測溫誤差均小于2℃。

表1 測量精度試驗結(jié)果 ℃

5.2 環(huán)境溫度試驗及分析

將測溫系統(tǒng)移至高低溫試驗箱內(nèi)，電源通過試驗箱預(yù)留的接線孔（直徑5 cm）接出。調(diào)整高低溫試驗箱溫度，使之穩(wěn)定在-30℃。打開測溫系統(tǒng)，持續(xù)工作8 h，并記錄測溫系統(tǒng)的輸出電壓，判斷測溫系統(tǒng)是否正常工作。調(diào)整高低溫試驗箱溫度，使之穩(wěn)定在30℃。打開測溫系統(tǒng)，持續(xù)工作8 h，并記錄測溫系統(tǒng)的輸出電壓，判斷測溫系統(tǒng)是否正常工作。

按照所述流程，在±30℃兩個溫度點下分別進行2次試驗，共記錄4組數(shù)據(jù)，見表2?？梢钥闯觯簻y溫系統(tǒng)工作穩(wěn)定，采集電壓符合軌道板靶標(biāo)輻射特征，測溫系統(tǒng)可在±30℃的極限環(huán)境下正常工作。

表2 環(huán)境溫度試驗結(jié)果

6 結(jié)論

無砟軌道板溫度高速動態(tài)測量系統(tǒng)基于輻射測溫原理，通過設(shè)計測溫響應(yīng)速率、測量波長、信號放大倍率等關(guān)鍵參數(shù)和系統(tǒng)溫控邏輯，高速有效采集軌道板微輻射能量。經(jīng)無砟軌道板靶標(biāo)動態(tài)試驗臺測試及驗證，無砟軌道板靶標(biāo)溫度在-40～60℃時，測溫系統(tǒng)可在350 km/h速度條件下250 mm等間距準(zhǔn)確測量無砟軌道板靶標(biāo)溫度，且測量誤差小于2℃。