無砟軌道板溫度高速動態測量技術

王琰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081）

高速鐵路軌道結構的穩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構，長時間暴露在大氣中，在大氣溫度、太陽輻射、降水及其他環境因素的綜合影響下會產生較大的溫度應力［2-3］，進而造成混凝土開裂及結構變形，嚴重影響軌道的幾何平順性，甚至威脅列車安全。準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。

目前國內對無砟軌道溫度場分布做了廣泛研究。吳斌等［4］采用統計分析方法研究了高溫狀態下軌道板溫度的日變化規律，并建立軌道板溫度場的預估模型。歐祖敏等［5］建立了暴露于大氣環境中的高速鐵路無砟軌道結構的溫度場方程，提出了一種分析無砟軌道結構溫度場分布的簡化方法。郭超等［6］對嚴寒地區極端天氣條件下無砟軌道板溫度場做了數值模擬分析，闡明了嚴寒地區冬、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CRTSⅡ型板式無砟軌道結構進行溫度監測，得出無砟軌道溫度場分布和軌道結構各層溫度梯度變化規律。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合軌道板溫度場的長期監測，統計分析了溫度梯度與太陽日輻射強度、日最高氣溫等環境因素的相關性，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，通過對所得數據進行建模分析，最終得到無砟軌道板溫度場的預估模型。受到鐵路天窗點作業時間、溫度傳感器布設位置、鐵路線路結構等因素限制，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、跨越地形復雜，無砟軌道板溫度靜態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測量系統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部軌道幾何檢測系統［10］調用，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系。

1 基本原理

無砟軌道板溫度高速動態測量系統基于輻射測溫原理。所有高于絕對零度（-273℃）的物體都會發出紅外輻射，紅外輻射通過光學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的紅外熱像圖，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系，如圖1所示。無砟軌道板溫度高速動態測量通過光學瞄準鏡頭收集無砟軌道板光譜信息，聚焦至探測器，通過探測器轉換為電信號，然后進行數據處理獲取溫度，最終輸出電壓信號供采集器獲取。

圖1 輻射測溫原理

2 系統設計

無砟軌道板溫度高速動態測量系統由上位機和下位機組成，上位機安裝于綜合檢測列車內部機柜，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，數據通信通過以太網完成。系統方案設計如圖2所示。

圖2 系統方案設計

無砟軌道板的輻射能量經過光學鏡頭后被聚焦到傳感器上，經過紅外探測器中二級放大后轉換為輸出的電壓信號?？紤]到高速數據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體制冷器制冷到-40℃，保證其正常工作。高速數據采集器對放大后的信號進行獲取，通過以太網數據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生衰減，最后反演計算的溫度偏差較大。為保證原始數據的準確性，嵌入式計算機會將處理好的數字信號經過高速數據采集器中的轉換模塊轉化為模擬電壓信號，經電壓電流模塊轉換，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。系統電源組件將220 V交流電分別轉換為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 關鍵參數

3.1 測溫響應速率

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速率至多為2.57 ms/次。考慮到數據傳輸和存儲時間，紅外探測器響應速率設計為1 ms/次。

3.2 測量波長

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

峰值波長與絕對溫度具有反比例關系。當溫度為333 K（60℃）時，λm大約為8.7 μm；當溫度為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系統設計的理論指導，而實測波長范圍因受輻射測溫光學機械結構、探測器響應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變換，所以測量波長及其對應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，探測器能夠獲取目標的輻射能量非常低，因此得到的探測器輸出電壓值很小。經理論計算，在-20℃以下電壓每變化0.3 mV溫度就變化1℃。經過計算16位的模數轉換器電壓轉換精度為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 系統溫控邏輯

系統下位機關鍵器件適宜的工作環境溫度為20～40℃。系統溫控邏輯如圖4所示。其中，TEC（Thermo Electric Cooler）為熱電制冷模塊。下位機內部環境溫度低于15℃時，啟動恒溫加熱片工作。當箱內溫度在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［11］，無砟軌道板靶標與無砟軌道板溫度輻射特性一致，搭建無砟軌道板靶標動態試驗臺（圖5），調整軌道板靶標、輪速盤與測溫系統的相對位置，使測溫系統通過輪速盤通光孔瞄準軌道板靶標中心。設置輪速盤以350 km/h的線速度轉動，調整無砟軌道板靶標溫度，使之穩定在-40℃，打開測溫系統采集無砟軌道板靶標溫度。升高靶標溫度，每隔一定溫度記錄1次數據。數據包括靶標自身溫度和測溫系統測量的靶標溫度。

圖5 無砟軌道板靶標動態試驗臺

測量精度試驗結果見表1?？梢钥闯鋈我鉁囟赛c處的測溫誤差均小于2℃。

表1 測量精度試驗結果 ℃

5.2 環境溫度試驗及分析

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

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組數據，見表2。可以看出：測溫系統工作穩定，采集電壓符合軌道板靶標輻射特征，測溫系統可在±30℃的極限環境下正常工作。

表2 環境溫度試驗結果

6 結論

無砟軌道板溫度高速動態測量系統基于輻射測溫原理，通過設計測溫響應速率、測量波長、信號放大倍率等關鍵參數和系統溫控邏輯，高速有效采集軌道板微輻射能量。經無砟軌道板靶標動態試驗臺測試及驗證，無砟軌道板靶標溫度在-40～60℃時，測溫系統可在350 km/h速度條件下250 mm等間距準確測量無砟軌道板靶標溫度，且測量誤差小于2℃。