無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

王琰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)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(yùn)行安全［1］。無(wú)砟軌道板作為高速鐵路的主要軌道結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間暴露在大氣中，在大氣溫度、太陽(yáng)輻射、降水及其他環(huán)境因素的綜合影響下會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力［2-3］，進(jìn)而造成混凝土開(kāi)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(chē)安全。準(zhǔn)確快速掌握無(wú)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(chē)安全的重要保證。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)分布做了廣泛研究。吳斌等［4］采用統(tǒng)計(jì)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(chǎng)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(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)方程，提出了一種分析無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布的簡(jiǎn)化方法。郭超等［6］對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)極端天氣條件下無(wú)砟軌道板溫度場(chǎng)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(guò)對(duì)北京地區(qū)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，得出無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)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(duì)某客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道試驗(yàn)段開(kāi)展了復(fù)合軌道板溫度場(chǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析了溫度梯度與太陽(yáng)日輻射強(qiáng)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(wú)砟軌道上布置熱電偶或分布式光纖溫度傳感器靜態(tài)測(cè)量某一段無(wú)砟軌道板的溫度，然后進(jìn)行較長(zhǎng)周期的測(cè)量工作，通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，最終得到無(wú)砟軌道板溫度場(chǎng)的預(yù)估模型。受到鐵路天窗點(diǎn)作業(yè)時(shí)間、溫度傳感器布設(shè)位置、鐵路線(xiàn)路結(jié)構(gòu)等因素限制，無(wú)法將傳感器布滿(mǎn)整個(gè)軌道，測(cè)量周期較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)時(shí)獲得軌道板橫向溫度分布。我國(guó)鐵路里程長(zhǎng)、跨越地形復(fù)雜，無(wú)砟軌道板溫度靜態(tài)測(cè)量不便于及時(shí)全面對(duì)整條線(xiàn)路的軌道板溫度與軌道幾何不平順進(jìn)行研究。

無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)以高速綜合檢測(cè)列車(chē)［9］為載體，以350 km/h運(yùn)行速度250 mm等間距動(dòng)態(tài)高速實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵路線(xiàn)路軌道板溫度，供高速綜合檢測(cè)列車(chē)內(nèi)部軌道幾何檢測(cè)系統(tǒng)［10］調(diào)用，以便及時(shí)全面分析整條線(xiàn)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(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)基于輻射測(cè)溫原理。所有高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射，紅外輻射通過(guò)光學(xué)成像物鏡反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，光電探測(cè)器檢測(cè)和測(cè)量輻射，從而獲得與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)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(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量通過(guò)光學(xué)瞄準(zhǔn)鏡頭收集無(wú)砟軌道板光譜信息，聚焦至探測(cè)器，通過(guò)探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲取溫度，最終輸出電壓信號(hào)供采集器獲取。

圖1 輻射測(cè)溫原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)安裝于綜合檢測(cè)列車(chē)內(nèi)部機(jī)柜，下位機(jī)安裝于車(chē)底外部。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)10 m遠(yuǎn)傳線(xiàn)纜連接，數(shù)據(jù)通信通過(guò)以太網(wǎng)完成。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無(wú)砟軌道板的輻射能量經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭后被聚焦到傳感器上，經(jīng)過(guò)紅外探測(cè)器中二級(jí)放大后轉(zhuǎn)換為輸出的電壓信號(hào)?？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(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)一步放大，其中紅外探測(cè)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(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行獲取，通過(guò)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線(xiàn)上傳到嵌入式計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。上位機(jī)和下位機(jī)安裝距離較遠(yuǎn)，下位機(jī)輸出的電壓在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生衰減，最后反演計(jì)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(jì)算機(jī)會(huì)將處理好的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，經(jīng)電壓電流模塊轉(zhuǎn)換，最終輸出4～20 mA的電流信號(hào)。在上位機(jī)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(hào)。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(guò)遠(yuǎn)傳線(xiàn)纜給下位機(jī)的各個(gè)組件供電。

3 關(guān)鍵參數(shù)

3.1 測(cè)溫響應(yīng)速率

高速綜合檢測(cè)列車(chē)以350 km/h速度運(yùn)行、250 mm等間距采樣測(cè)量無(wú)砟軌道板溫度，即4次/m采樣測(cè)量無(wú)砟軌道板溫度。理論計(jì)算紅外探測(cè)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(chǔ)時(shí)間，紅外探測(cè)器響應(yīng)速率設(shè)計(jì)為1 ms/次。

3.2 測(cè)量波長(zhǎng)

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

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

由維恩位移定律計(jì)算得出的理論測(cè)量波長(zhǎng)在8.7～12.4 μm。此測(cè)量波長(zhǎng)范圍是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)，而實(shí)測(cè)波長(zhǎng)范圍因受輻射測(cè)溫光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)、探測(cè)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(zhǎng)的變化連續(xù)變換，所以測(cè)量波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)略有不同不會(huì)影響輻射測(cè)溫的靈敏度。

3.3 信號(hào)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(cè)器能夠獲取目標(biāo)的輻射能量非常低，因此得到的探測(cè)器輸出電壓值很小。經(jīng)理論計(jì)算，在-20℃以下電壓每變化0.3 mV溫度就變化1℃。經(jīng)過(guò)計(jì)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(cè)器輸出的電壓用于反演計(jì)算。須將探測(cè)器輸出電壓放大40倍。經(jīng)理論計(jì)算，在-20℃以下電壓每變化11.5 mV溫度變化1℃，可用于反演計(jì)算。信號(hào)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(jí)和二級(jí)放大器的輸出電壓。

圖3 信號(hào)放大電路

4 系統(tǒng)溫控邏輯

系統(tǒng)下位機(jī)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(jī)內(nèi)部環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，啟動(dòng)恒溫加熱片工作。當(dāng)箱內(nèi)溫度在15～30℃時(shí)，制冷器和加熱器都不工作。溫度高于30℃時(shí)制冷器開(kāi)始工作，其額定電壓為直流12 V，制冷功率可達(dá)60 W。

圖4 系統(tǒng)溫控邏輯

5 試驗(yàn)及分析

5.1 測(cè)溫精度試驗(yàn)及分析

基于無(wú)砟軌道板材料制作無(wú)砟軌道板靶標(biāo)［11］，無(wú)砟軌道板靶標(biāo)與無(wú)砟軌道板溫度輻射特性一致，搭建無(wú)砟軌道板靶標(biāo)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)（圖5），調(diào)整軌道板靶標(biāo)、輪速盤(pán)與測(cè)溫系統(tǒng)的相對(duì)位置，使測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)輪速盤(pán)通光孔瞄準(zhǔn)軌道板靶標(biāo)中心。設(shè)置輪速盤(pán)以350 km/h的線(xiàn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整無(wú)砟軌道板靶標(biāo)溫度，使之穩(wěn)定在-40℃，打開(kāi)測(cè)溫系統(tǒng)采集無(wú)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(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量的靶標(biāo)溫度。

圖5 無(wú)砟軌道板靶標(biāo)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)

測(cè)量精度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯鋈我鉁囟赛c(diǎn)處的測(cè)溫誤差均小于2℃。

表1 測(cè)量精度試驗(yàn)結(jié)果 ℃

5.2 環(huán)境溫度試驗(yàn)及分析

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

按照所述流程，在±30℃兩個(gè)溫度點(diǎn)下分別進(jìn)行2次試驗(yàn)，共記錄4組數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2?？梢钥闯觯簻y(cè)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(cè)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(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

無(wú)砟軌道板溫度高速動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)基于輻射測(cè)溫原理，通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)溫響應(yīng)速率、測(cè)量波長(zhǎng)、信號(hào)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(wú)砟軌道板靶標(biāo)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及驗(yàn)證，無(wú)砟軌道板靶標(biāo)溫度在-40～60℃時(shí)，測(cè)溫系統(tǒng)可在350 km/h速度條件下250 mm等間距準(zhǔn)確測(cè)量無(wú)砟軌道板靶標(biāo)溫度，且測(cè)量誤差小于2℃。