鐵路司機技師論文素材

電力機車空氣管路系統(tǒng)防寒技術

發(fā)表日期：201*年1月30日【編輯錄入：辦公室】

防寒技術是確保機車低溫工作性能的關鍵。過去我國電力機車主要在華北及其以南地區(qū)運用，最低使用溫度一般不到一25℃，隨著國產電力機車進入東北地區(qū)和烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦等國外市場，這些地區(qū)冬季嚴寒的氣候給電力機車正常運用帶來了巨大挑戰(zhàn)。以哈爾濱地區(qū)為例，一月份平均氣溫為一19．6oC，極端最低氣溫可達一42．6oC。這些用戶都明確要求機車應能滿足一4o℃(哈薩克斯坦招標機車要求為一5O℃)低溫下正常運行，而低溫下電力機車空氣管路系統(tǒng)因防寒措施不當易出現零部件性能下降、管路及閥件凍結等問題，將嚴重影響機車的正常運用。

1空氣管路系統(tǒng)防寒歷程

最初國產電力機車的防寒是在既有機車的基礎上進行防寒處理和改進，以滿足低溫運行要求，其型號主要有SS4改、SS9和SS9改。由于當時缺乏防寒經驗，我們主要針對機車低溫下出現的問題，逐步摸索空氣管路系統(tǒng)防寒經驗，最終使機車滿足一40℃低溫下正常工作要求。第一階段的防寒從首批赴東北地區(qū)運用的SS4改型機車設計制造階段開始實施。我們從確保部件的低溫性能人手，要求全部裝車產品滿足一4o℃低溫要求，關注的重點是壓縮機、干燥器及各閥的密封橡膠件等幾項關鍵部件。此外我們還參照西北地區(qū)電力機車的防寒經驗，對空氣管路系統(tǒng)中影響行車安全的分配閥、中繼閥、管道濾塵器等幾個重要閥件加包電熱套，并借鑒高寒地區(qū)內燃機車用布包裹管道防寒的經驗，對安裝于機車底架上的鋼管加包防寒保溫材料。該批機車投入東北地區(qū)運用后在201*年冬季，空氣管路系統(tǒng)出現了一些問題，經統(tǒng)計主要有以下幾類：壓縮機無法向總風缸充風；升弓管路系統(tǒng)工作不正常，導致機車升弓、合主斷困難；干燥器工作異常，如無法正常排污或內部氣流通道堵塞；少量制動機閥件凍結卡滯等。針對以上問題，我們實施了第二階段的防寒，在原來基礎上擴大電熱套的應用范圍，對空氣管路系統(tǒng)幾乎所有氣動閥件加包電熱套�？紤]到蓄電池的容量，這些電熱套分為兩類：第一類主要對確保受電弓、主斷正常工作的升弓管路系統(tǒng)各閥件進行加熱，由機車蓄電池提供DC110V電源；其余電熱套列為第二類，主要對風源系統(tǒng)和制動機系統(tǒng)各閥件進行電加熱，由機車控制電路供電。實施以上防寒措施后，SS4改型機車低溫工作性能明顯提高，但SS9和SS9改型機車因其特殊的管路布置，仍存在低溫下壓縮機無法向總風缸充風的問題。針對該情況我們在201*年冬季對這兩型機車實施了第三階段防寒，即在兩壓縮機出風管匯合處的三通閥及附近鋼管(均屬機車底架管路)、干燥器排污管共兩處地方纏繞自控溫電伴熱線，外包防寒保溫材料；并在螺桿壓縮機與干燥器進風管之間增設一條備用管路；同時還將雙塔干燥器轉換周期縮短，以提高干燥效果；除此之外，還從SS90074機車開始，將螺桿壓縮機與活塞壓縮機位置對調，以縮短螺桿壓縮機至干燥器的管路長度。通過以上三個階段的防寒，電力機車因低溫而出現的故障大幅減少，基本上能滿足在冬季嚴寒氣候條件下正常運用。但以上防寒措施中也存在一些問題與不足，主要有以下幾點：(1)加熱保溫針對性不強。由于過去我們對管路系統(tǒng)易凍部位調查分析不夠，從確保安全角度出發(fā)，采取了對幾乎所有氣動閥件加包電熱套，對大部分管路包加防寒材料的措施。實際上這是一種治標措施，效果并不理想。因為該措施不能清除管路系統(tǒng)凍結的真正元兇冷凝水，反而使機車制造和運行成本增加，電氣線路的故障隱患點增多，而且閥件包加電熱套后還增加了檢修維護的難度。(2)電熱套缺乏自動調溫能力。環(huán)境溫度稍高時，部分閥件可能因加熱溫度過高而加速內部橡膠件老化；當環(huán)境溫度降低時，另一部分閥件又可能因加熱功率不足而起不到防凍的效果。

2空氣管路系統(tǒng)防寒技術分析2．1防寒設計原則

空氣管路系統(tǒng)防寒設計原則是在滿足機車低溫下正常運用的基礎上，還具備安全可靠、經濟實用、操作維護方便等優(yōu)點。也就是說，一方面要確保防寒效果顯著，～方面又要使防寒措施簡單實用，具有可靠性、針對性和一定的免維護性。既防止因擴大圍加熱保溫而造成資源浪費，又避免因防寒措施不當而導致機車故障。

2．2低溫對機車空氣管路系統(tǒng)的影響我國東北地區(qū)以及哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦等地的最冷時期出現在每年l2月至次年1月，此時日最低氣溫一般為一5一一35℃，相對濕度60％一80％。這種嚴寒的氣候對機車空氣管路系統(tǒng)的影響主要有兩方面。一方面是低溫下各零部件自身性能下降或喪失，如潤滑油脂粘度增大甚至固化、橡膠件變脆且易老化龜裂、鋼材韌性下降而脆性增大、電子元器件工作異常等。針對這類問題，關鍵在于對機車外購零部件及原材料進行把關，確保選用的產品在一40℃甚至更低溫度下能正常工作。另一方面是壓縮空氣中的冷凝水在管道內結冰，造成管路系統(tǒng)凍結。這是因為空氣壓縮后，單位體內的水蒸氣分壓力增大，露點升高，當其隨環(huán)境溫度降至0oC以下，就有可能析出冷凝水并結冰圖1表示的是壓縮空氣飽和含濕量與絕對壓力和溫度的關系。

從圖中可以看出，低溫狀態(tài)下空氣飽和含濕量一般較低(0．750．9MPa壓縮空氣在0℃以下的飽和含濕量小于lg／kg)，隨著溫度升高，該值呈近似指數級增長；在溫度不高(40℃以下)時，飽和含濕量與壓力呈近似反比關系。例如在環(huán)境溫度一20℃，相對濕度60％時，大氣含濕量約為0．5g／kg，對應露點一25℃；當壓縮至900kPa后，壓縮空氣的露點將升高至4℃左右，降至環(huán)溫后每含有1kg干空氣的濕空氣中將有約0．45g水析出并結冰。2．3干燥指標的選定

防治管路系統(tǒng)凍結的關鍵在于對壓縮空氣進行干燥處理，除去其中水份，使其壓力露點低于環(huán)境溫度。為確保空氣管路系統(tǒng)低溫下正常工作，我們應正確選定干燥器的干燥指標。根據世界各國經驗，為防止管路系統(tǒng)出現銹蝕現象，空氣管路系統(tǒng)使用的壓縮空氣相對濕度應低于35％，當然這是指壓縮空氣在壓力狀態(tài)和環(huán)境溫度下的相對濕度值。實際上由于在干燥器出風口處的壓縮空氣溫度有可能高于環(huán)溫15℃(螺桿壓縮機供風)甚至更多(活塞壓縮機供風)，在其降溫過程中，相對濕度必然上升，所以干燥器出風口處干燥指標應低于35％方能滿足要求。究竟低多少合適呢?我們可假定機車由螺桿壓縮機供風，此時干燥器出風口處的壓縮空氣與環(huán)境的溫差為15℃(忽略總風冷卻管、干燥簡的散熱以及吸附過程中的發(fā)熱)。從圖1可看出，該溫差將導致空氣飽和含濕量下降為原來的1／4～1／2，即壓縮空氣充分冷卻后相對濕度將為高溫狀態(tài)下的2～4倍。所以為確保壓縮空氣相對濕度始終低于35％，干燥器出風口處干燥指標宜選定為不大于8％。此外，雙塔干燥器的干燥效果與轉換周期有一定關系，一般而言縮短轉換周期可提高干燥效果，但會因為轉換閥件的工作頻率增高而縮短使用壽命。由于高溫和低溫環(huán)境下干燥劑的吸附效果都會明顯下降，所以此時應適當縮短干燥器轉換周期，并增大再生孑L徑，以確保干燥效果。2．4防治管路系統(tǒng)凍結的重點部位

根據對機車低溫下故障情況的統(tǒng)計，我們將下面三個部位作為重點來做好管路系統(tǒng)凍結的防治工作。2．4．1干燥器干燥器低溫下易出現內部氣流通道堵塞或無法正常排污等故障。這是因為干燥器內部一些管路、閥件處在高濕度甚至有冷凝水析出的情況下工作，水份殘留在內壁，日積月累可能導致排污管和濾清簡冰凍堵塞，排污閥和進氣閥等部件動作卡位。針對這類問題，我們可在安裝設計中盡量避免排污管大角度折彎，并在該管外包自控溫電伴熱線和防寒管材；同時對排污閥和進氣閥等部位采用加熱板或電熱套進行加熱保溫。過去為確保干燥器故障后能維持機車運行，通常設有干燥器短接塞門，以將其隔離而直接導通壓縮機與總風缸。該做法對防寒工作十分不利，因為導通短接塞門將導致大量未經處理的飽和高濕度壓縮空氣直接進入后續(xù)管路，低溫下極易引發(fā)凍結故障，在實際運用中應盡量避免。若干燥器的可靠性很高，則可考慮在設計中取消短接塞門。2．4．2總風冷卻管路

壓縮機至干燥器之間的總風冷卻管路凍結堵塞問題曾經在電力機車上多次出現。其主要原因是該段管路位于干燥器之前，內部的壓縮空氣未經干燥處理，富含水份，低溫下易導致該段管路上的止回閥凍結卡位或鋼管內部完全冰封堵死。止回閥是通過閥芯在閥體內上下移動實現氣體單向流動的，閥芯表面附著的冷凝水結冰后，容易使閥芯凍結在閥體上不能動作，導致壓縮空氣流動受阻。要解決該問題可考慮在止回閥外部加裝效果良好的加熱裝置，使其溫度升至冰點以上。如果壓縮機自帶止回閥(目前裝車的螺桿壓縮機都屬該情況)，則總風冷卻管上的止回閥多余，可予以取消總風冷卻管內部完全冰封堵死的情況主要出現在SS9型機車上，且一般位于距干燥器較近的底架管路低凹處以及穿越車底地板處。這是因為SS9型機車壓縮機與干燥器總體布置距離較遠，總風冷卻管較長，且多布置于車底，使得高溫壓縮空氣與外界的熱交換比較充分，冷凝水有足夠時間冷卻并結冰。相比之下SS4改型機車因為壓縮機與干燥器的距離較近，總風冷卻管較短，而極少出現這種情況。這說明要避免總風冷卻管凍結堵塞，應盡量將干燥器與壓縮機布置在一塊，以縮短該段管路長度，若條件允許還可在該段鋼管外纏繞自控溫電伴熱線，外包防寒保溫材料。2．4．3升弓管路系統(tǒng)

以前電力機車升弓管路系統(tǒng)出現凍結故障的情況比較嚴重，這是因為機車庫停后重新升弓合主斷時，有時需要輔助壓縮機提供壓縮空氣，而輔助壓縮機提供的壓縮空氣一般未進行有效的干燥處理，其中肯定會有凝結水隨溫度下降而析出，并容易在隨后管路中的止回閥、調壓閥等處集結成冰使其動作失靈，導致機車故障。針對這類問題首先可考慮減少易故障部件，如：受電弓一般自帶調壓閥，設置在管路中的受電弓調壓閥可考慮取消；其次，可在輔助壓縮機出口設置冷卻風缸，以盡快降低壓縮空氣溫度，并通過分水濾氣器或小型干燥器及時處理掉已析出的冷凝水，防止其進入后部件；再次，可對易故障閥件采取有效的加熱措施，防止其凍結；最后，在嚴寒氣候下還應盡量少用輔助壓縮機打風，以避免產生水汽而影響后續(xù)管路系統(tǒng)。3結論

電力機車空氣管路系統(tǒng)的防寒工作經過幾年的摸索，目前已積累了一定的設計經驗。為確保機車能夠在高寒地區(qū)更好的運用，建議從優(yōu)化機車整體布置、提高干燥器干燥效果與可靠性、增加升弓管路除水措施等方面考慮機車防寒，并通過進行相關低溫試驗驗證，進一步提高空氣管路系統(tǒng)在低溫下工可靠性。

擴展閱讀：技師論文材料

紅外線傳感器利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。

紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉換電路。光學系統(tǒng)按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。

紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量，氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學、軍事、空間技術和環(huán)境工程等領域得到廣泛應用。例如采用紅外線傳感器遠距離測量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現溫度異常的部位，及時對疾病進行診斷治療（見熱像儀）；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對地球云層進行監(jiān)視，可實現大范圍的天氣預報；采用紅外線傳感器可檢測飛機上正在運行的發(fā)動機的過熱情況等。

■傳感器論文■紅外線傳感器的應用

人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。其中紅光的波長范圍為0.62～0.76μm；紫光的波長范圍為0.38～0.46μm。比紫光光波長更短的光叫紫外線，比紅光波長更長的光叫紅外線

最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件，紅外傳感器就是其中的一種。隨著現代科學技術的發(fā)展，紅外線傳感器的應用已經非常廣泛，下面結合幾個實例，簡單介紹一下紅外線傳感器的應用。人體熱釋電紅外傳感器和應用介紹被動式熱釋電紅外探頭的工作原理及特性：

一般人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經檢驗處理后即可產生報警信號。

1)這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。2)為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲尼爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3)被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯或并聯的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。4)一旦人侵入探測區(qū)域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經信號處理而報警。

5)菲尼爾濾光片根據性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離），從而產生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。

在電子防盜、人體探測器領域中，被動式熱釋電紅外探測器的應用非常廣泛，因其價格低廉、技術性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。

紅外線遙控鼠標器中的傳感器

在機械式鼠標器底部有一個露出一部分的塑膠小球,當鼠標器在操作桌面上移動時，小球隨之轉動，在鼠標器內部裝有三個滾軸與小球接觸，其中有兩個分別是X軸方向和Y軸方向滾軸，用來分別測量X軸方向和Y軸方向的移動量，另一個是空軸，僅起支撐作用。拖動鼠標器時，由于小球帶動三個滾軸轉動，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動一個轉軸（稱為譯碼輪）轉動。譯碼輪(見圖1)的兩側分別裝有紅外發(fā)光二極管和光敏傳感器，組成光電耦合器。光敏傳感器內部沿垂直方向排列有兩個光敏晶體管A和B，如圖2所示。由于譯碼輪有間隙，故當譯碼輪轉動時，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時而照在光敏傳感器上，時而被阻斷，從而使光敏傳感器輸出脈沖信號。光敏晶體管A和B被安放的位置使得其光照和阻斷的時間有差異，從而產生的脈沖A和脈沖B有一定的相位差，利用這種方法，就能測出鼠標器的拖動方向

照相機中的紅外線傳感器——夜視功能

紅外夜視，就是在夜視狀態(tài)下，數碼攝像機會發(fā)出人們肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的物體，關掉紅外濾光鏡，不再阻擋紅外線進入CCD，紅外線經物體反射后進入鏡頭進行成像，這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，即此時可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像。索尼數碼攝像機首創(chuàng)了紅外線夜視攝影功能，能夠在全黑環(huán)境下進行拍攝，甚至連肉眼也不能分辨清楚的物體，現在也可以清晰地拍攝下來。這種夜視的特點是可以在完全沒有光線的條件下進行拍攝，但由于采用的是紅外攝影，無法進行彩色的還原，所以拍攝出來的畫面是單色的，影像會變綠。不久之后，索尼又推出了擁有超級紅外線夜視攝功能的數碼攝像機，紅外線功能的慢速快門為2段選擇，超級紅外線夜攝功能的慢速快門為自動調節(jié)，可以獲得更好的影像效果。舉一個大家都見過的例子，在美國空襲伊拉克時，伊拉克首都大部分地區(qū)都處于停電狀態(tài)，這時除了防空曳光彈和導彈爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明了，能見度極差。我們在電視新聞上看到的從現場傳回來的錄像片的畫面都呈現綠色，說明電視記者在拍攝時使用了紅外線夜視儀，導致影像是綠色的，如果不使用紅外攝像技術，那么我們從電視畫面上將只能聽到聲音，而看不到任何影響了。

需要注意的：因為紅外線夜視攝影儀的前提是數碼攝像機能發(fā)出人們肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的物體，所以說它的拍攝距離是有一定限制的，如果攝

像機發(fā)出的紅外線到達不了要拍攝的物體，那么當然就什么也拍不到了C-211D微型黑白紅外線攝像機

紅外線傳感器在工程上的應用———紅外線軸套掃描器

ROTA-SONDETS201*通過光機系統(tǒng)掃描視場，并且無需任何光學調整。它精確測量線材、棒材等生產線的活套大小，甚至對特殊鋼或有色金屬以及在水汽、煙霧嚴重的情況下也能可靠工作。DELTA的紅外傳感器TS201*可用于活套控制、熱帶材或熱板材的對中控制以及在其它很廣的應用中提供位置信息。ISO9002

紅外檢測高靈敏度250℃或400℃使用維護簡單、方便具有自監(jiān)測和報警功能ROTA-SONDETS201*特點

TS201*檢測位于其視場范圍內的熱工件（鋼，銅，合金及玻璃等）的位置并輸出與工件在視場中的角度位置成正比的信號。

ROTA-SOROTA-SONDENDETS201*是掃描方式工作的測量用傳感器，它對溫度高于250°C(480°F)的熱工件的紅外輻射敏感。

主要特點：

高靈敏度：400°C/750°F或250°C/480°F紅外光譜：1至3m由自監(jiān)測功能實現數字式控制無需光學調整使用維護方便

專為鋼鐵工業(yè)惡劣的工作環(huán)境設計，光電子電路放置于重型外殼中(IP66)設有空氣吹掃裝置和水冷卻系統(tǒng)

提供連接器和帶有不銹鋼辮型編織保護層的電纜

ROTA-SONDETS201*應用典型應用

熱鋼板的對中控制和糾偏控制

紅外線邊緣傳感器FR50

邊緣糾偏傳感器FR50是以反射原理工作的。發(fā)射機產生一束波長為880nm的平行紅外線，這束紅外線被對面整齊排列的CCD元件所接收。一個處理器評估這些信號并發(fā)送出估計好的實際位置到CAN總線。傳感器在＋/-10mm的測量范圍內以0.02毫米的精確度確定出紙邊位置。光學設備只是接收平行光束從而排除了位置偏差導致的高度起伏。

一個位向控制器監(jiān)控鏡頭掃描污漬并反饋適當的污漬信息到控制器。

傳感器應用與軍事上——軍用遙感技術

遙感從字面上說就是從遠處感覺事物。嚴格一點的意義上定義為：遠遠地去感覺某一定對象的技術。廣義地講，遙感是不直接接觸地收集關于某一定對象的某種或某些特定的信息，從而了解這個對象的性質。很早以前，人們就希望從空中來觀察地球，當時人們使用的是普通的照相機，后來發(fā)展成為專門的航空照相機。航空攝影的技術在世界大戰(zhàn)期間獲得了長足的發(fā)展，基于這種照片的識別技術也得到了提高。隨著飛行器技術的提高，尤其是火箭和衛(wèi)星的出現，遙感技術獲得了一個全新的平臺�，F在，遙感技術也日新月異，成為在國民經濟建設中不可取少的一種重要技術，尤其在軍事方面的應用也很廣泛。遙感中收集到的信息，就是物體發(fā)射或者被它反射的電磁波。這些電磁波包括近紫外、紅外線、可見光、微波等。收集電磁波信息的裝置叫做傳感器。裝載傳感器的地方，稱為平臺。遙感就是用裝在平臺上的傳感器來收集（測定）由對象輻射或（和）反射來的電磁波，再通過對這些數據進行分析和處理，獲得對象信息的技術。遙感技術的迅速發(fā)展，一個重要的因素是它應用于我們所生活的環(huán)境。人們越來越需要深刻地了解我們的地球，了解它的資源，了解他的變化，以便合理安排生產和生活活動。遙感主要原理

注：傳感器裝載在平臺上

遙感中可以使用可見光和近紅外區(qū)的電磁波進行遙感，這是利用了對象的反射特性，這種方式是航空攝影發(fā)展而來的結果，也是最為廣泛應用的一種，在月球上觀察地球就是這樣的。另外有兩類技術也在遙感中大顯身手。其一是使用熱紅外和熱成像技術，主要是利用了物體的輻射特性。熱成像是與遠距離測量地球表面特征的溫度有關的遙感分支。它所研究的問題小到可以探測一間屋子的熱能量泄漏，大到可以研究地球表面的洋流。因為溫度實質是地球環(huán)境中一切物理、化學和生物過程的重要控制因素之一。因此，溫度數據在經營管理地球資源的活動中必然占有極其重要的地位。其二是利用微波遙感器進行遙感。微波遙感分為被動式和主動式。主動式的微波遙感器主要是側視雷達。它是在50年代為軍事偵察目的而發(fā)展的。它目前的重要應用主要在于快速取得大片有云地區(qū)的地面資源情報數據。被動式微波遙感器感受的是它們視場內的自然可利用的微波能量，其工作方式和熱輻射計或熱掃描儀非常相似，但是能夠接受到的信號也比熱紅外區(qū)微弱得多，同時信號所伴隨的噪聲也大得多。因此這種信號的判釋問題也要比其他各種遙感器困難得多。但和側視雷達一樣也有全天候的特性。依靠選擇適合的工作波長，可以用它或者穿透大氣，或者觀察大氣。通常來說，微波遙感用在大氣的各項數據的測量上，在海洋學、油污探測、融雪測定等方面都有應用。

遙感在軍事科學上的應用是顯然的，因為可以遠距離地觀察目標，而且可以獲得相對宏觀的分析數據。在軍事上，遙感的用途大致有：首先是對目標國家和地區(qū)的資源狀況的監(jiān)視。通過有效地監(jiān)視資源及其變化，可以幫助確定戰(zhàn)略的目標。其次，監(jiān)視對方軍事部署和大規(guī)模的軍事移動。許多軍事部署的位置信息可以通過高精度的衛(wèi)星遙感獲得，大規(guī)模的軍事移動也容易在遙感器上留下痕跡，這些都對于對應國家采取相應的措施提供了快速而有效的信息。其次，在具體的作戰(zhàn)當中，遙感可以幫助分析局部的地形、資源狀況，從而幫助己方進行戰(zhàn)術行動的方案判斷。各種軍用衛(wèi)星的發(fā)射，也為全方位地監(jiān)視目標提供了基礎�，F代戰(zhàn)爭作為數字化的戰(zhàn)爭，信息在戰(zhàn)爭中是至關重要的，遙感作為一項能夠大范圍、高精度、快速獲得信息的技術，必然能夠在未來的戰(zhàn)爭中獲得更多的應用。

可見，傳感器在科學技術領域、工農業(yè)生產以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的越來越高的要求是傳感器技術發(fā)展的強大動力。而現代科學技術突飛猛進則提供了堅強的后盾。二十一世紀，人們一方面通過提高與改善傳感器的技術性能；一方面通過尋找新原理、新材料、新工藝及新功能來改善傳感器性能，制造出更多的傳感器．而紅外線傳感器作為其中的一部分也必將得到更大的發(fā)展．

紅外線溫度傳感器的設計與實現

陳遠金，程永進，吳雄偉

摘要：本文介紹一種新型的紅外線溫度傳感器其基本工作機理是利用高精度紅外位移傳感器測量熱膨脹系數較大的有機玻璃長度。用靈敏度為0.001℃的高精度石英溫度計對其校準，證實這種儀器的溫度測量精度可達10℃數量級，比較市場上現有的溫度傳感器，其靈敏度和線性度都有較大優(yōu)勢，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：紅外線；溫度；傳感器；分辨率中圖分類號：TP212.11文獻標識碼：B

在物理實驗和生產中，往往需要高精度的測量，環(huán)境溫度對測量的影響是一個重要因素，因此，必須對環(huán)境溫度進行精密測量。對測量儀器則要求制造成本低、測量精度高、線性度好、應用范圍廣、便于安裝和調試。目前市場上可以用于測量溫度的傳感器有石英溫度計、光纖傳感溫度計、熱敏電阻溫度計等。其中石英溫度計靈敏度最高，可達到1×10℃數量級。然而這些傳感器的價格一般都比較貴，線性度難以達到精密測量的要求。

本文介紹一種紅外線式高精度溫度測量儀器。其具有單色性好、抗干擾性能強等特點，比較適合高精度測量。此種儀器結構簡單、容易制作、便于安裝，所測溫度可直接輸出到微機進行后期數據處理，十分方便易行。

一、儀器原理和用途

本儀器采用北京東林松工貿有限公司生產的微晶玻璃陶瓷材料，其具有真空性好、耐高低溫、絕緣和耐酸堿腐蝕等性能�；�本性能指標如下：使用溫度-273~1000℃；體積電阻率1.08×1014Ωcm；熱膨脹系數為α1=8.6×10/℃。該材料抗熱沖擊性能非常好，從800℃急冷至0℃不破碎，200℃急冷到0℃強度

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-無變化。

用該陶瓷材料制成一個圓筒，筒內的一端固定一根長L=10cm的薄有機玻璃圓筒，另一端固定一個紅外位移傳感器，讓有機玻璃棒的自由端將紅外接收管的接收面遮住一半，使其工作在線性度最好的區(qū)域。由于有機玻璃的熱膨脹系數為。α2=1.7×10℃，兩者相差達兩個數量級，所以當溫度變化時，可以認為有機玻璃在陶瓷材料上的相對位移可以忽略，故其自由端同紅外位移傳感器之間的相對位置變化將改變紅外接收管的有效接收面積，從而使位移傳感器輸出電壓隨之改變。這種新型溫度傳感器的測量靈敏度為

-4

其中△L為紅外位移傳感器對有機玻璃長度測量的靈敏度。

紅外位移傳感器主要由紅外發(fā)光二極管發(fā)射和接受裝置、數據放大去噪部分以及數據采集處理系統(tǒng)組成。

它是利用紅外光電二極管的光電轉換規(guī)律，通過其遮擋的光通量與輸出電流的關系確定遮擋體，將微小的溫度變化轉換成電壓變化，通過放大電路進行放大處理，結合數據采集卡建立電壓信號與溫度的函數關系，然后利用高精度螺旋測微器定標，最終形成可以得到一個較高測量精度(3×10m)的位移測量儀。由于光電轉換的電流較小，而且紅外發(fā)光二極管的功率也較低，因此可以認為紅外位移傳感器不會對測量的溫度環(huán)境有影響。

整個實驗裝置的結構如圖1。

-7

二、儀器的制作與實驗結果

將設計好的溫度傳感器與靈敏度為0.001℃的石英溫度計放入一個銅制的匣子里，并且盡可能使兩者接近，以減少環(huán)境溫度差別。同時放置一個用黑盒子包裹的功率為1W的燈泡給匣子加熱，采用黑盒子是為了減少匣子內背景光對紅外位移傳感器的影響。實驗中利用PCL-711B數據采集卡采集數據，該采集卡具有高性能、高速度、多功能等特點，適用于現行的IBMPC或其它兼容計算機。高性能、豐富的軟件支持以及多種功用，使得PCL-711B成為工業(yè)應用和實驗設備的理想選擇。利用其A/D轉換功能并結合串口通信將數據輸入到PC機進行后期處理。

實驗時，將燈泡打開約25min后，可達到60℃。由于升溫過程較快，所以選用降溫過程測量。約30min后溫度達到50℃，2h后達到室溫(28℃)，由于溫度變化所對應的電壓變化比較劇烈，測量選用的溫度變化控制在40~39.905℃。每當石英溫度計的讀數改變0.005℃時，便讀取相應的電壓數據。最終得到的電壓數據以及石英溫度計的測量溫度見表1。表1

對表1中數據進行線性擬合，其曲線和擬合議程結果見圖2。

線性擬合方程式為T=39.949+(-0.00926)VR=-0.99863

從圖中可以看到盡管在有些地方出現了小的波動，其線性度還是比較好的。

其中傳感器的靈敏度為/mV，和其它溫度傳感器比較

可以看到，其靈敏度較石英溫度計下降一個數量級，且線性度比較好。從結構來看，設備相對簡單、成本低、適用范圍廣泛，而且特別適用于需要精密測量溫度的環(huán)境。三、總結

從整個傳感器的設計和實現過程中，發(fā)現由于選用材料的復雜性和性能指數的穩(wěn)定性，對實驗的結果有一定影響。今后將考慮選用線性度好和膨脹系數高的新型材料，有理由相信這種新型的紅外溫度傳感器的精度將會有進一步提高。

當然，由于位移傳感器分辨率的限制，這種新型的溫度傳感器在溫度變化較大的環(huán)境中使用尚有不足，但就常用工作和實驗環(huán)境而言，它完全可以取代傳統(tǒng)的溫度計，具有較好的應用前景。參考文獻：

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光傳感器是利用光敏元件將光信號轉換為電信號的傳感器，它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。光傳感器不只局限于對光的探測，它還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉換為光信號的變化即可。光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術中占有非常重要的地位。

光敏傳感器的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、光電耦合器、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。

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