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原文传递高寒地区无砟轨道板温度及裂缝双参数检测技术研究

论文题名：	高寒地区无砟轨道板温度及裂缝双参数检测技术研究
关键词：	无砟轨道板;红外测温系统;外场高精度测温;裂缝检测;高寒地区
摘要：	我国高速铁路纵横交错，贯通全国各主要城市，无砟轨道技术随之高速发展。无砟轨道解除了有砟轨道对列车速度的限制，以其稳定性高、耐久性强的优点被广泛应用。但随着运营时间的累积，无砟轨道板温度效应大的缺点逐渐暴露出来，特别是在一些施工质量差的路线上，无砟轨道的维护工作量逐步增大。无砟轨道板温度测量及安全隐患检测对其安全运营及特性研究愈加关键，其温度及安全隐患检测技术具有十分重要的科学价值和实用意义。　　红外测温技术是一种常用的非接触测温方法，该技术通过目标红外波段的辐射能量进行检测，具有非接触、非侵入、响应速度快、被动测量等优点。本文基于红外测温技术对无砟轨道板温度及裂缝进行检测，旨在：研制适用于高寒高速综合检测列车的高寒地区无砟轨道板红外测温系统，解决无砟轨道板外场大范围温度检测仪器缺失的问题；研究外场无砟轨道板红外测温技术，解决所研制红外测温系统标定环境与测量环境温度不一致影响测量精度的问题；研究基于单像元红外探测器的无砟轨道板裂缝检测技术，实现温度及裂缝双参数检测。　　本文的主要研究内容如下：　　（1）针对国内无砟轨道板外场大范围温度测量设备缺失问题，研制了一种悬挂于综合检测列车底部的高寒地区无砟轨道板红外测温系统，填补了高寒高速综合检测列车轨道板表面温度测量功能的缺失。测温系统可以在-30℃~30℃环境下工作，测温范围为-40℃~60℃，响应速度优于2.5ms。根据使用需求，红外测温系统采用分立式结构。系统上位机负责数据处理工作，包含标定及测量两项功能。系统下位机负责辐射信息采集及光电转换，长时间在室外工作，环境严苛，设计有温控系统及冷启动功能，通过连接结构悬挂于检测列车底部。研制过程中对所选探测器信噪比进行计算以保证所选探测器能够完成-40℃目标测量任务，对所设计连接结构进行承载能力计算以确保仪器使用安全。测温系统通过面源黑体进行标定，所研制面源黑体温控范围为-40℃~60℃，通过恒温槽构建第二恒温场的方式实现。　　（2）为能够基于所研制红外测温系统实现高寒地区无砟轨道板外场高精度温度测量，对外场无砟轨道板红外测温技术进行研究。研究内容主要包括红外测温模型的建立、测温精度影响因素的研究及低温黑体波段辐射响应计算的研究。研究中重点解决标定环境与测量环境不一致影响测量精度的问题，针对此问题提出了一种外场无砟轨道板高精度测温方法。该方法通过两不同环境温度下的标定函数分离标定过程中混合在一起的靶标自身辐射与反射的环境辐射，构建出目标温度与环境温度相等的等效黑体辐射函数，该函数符合外场无砟轨道板实际测量场景，可用于提高外场无砟轨道板温度测量精度。对所提外场无砟轨道板红外测温方法进行了实验验证，证明了该方法的可行性。　　（3）针对无砟轨道板裂缝检测问题，开展了基于单像元红外探测器的无砟轨道板裂缝检测技术研究工作。该技术通过温度信息进行裂缝检测，可避免光线及阴影干扰，仅需采集电压序列并进行比较，响应速度快，便于进行高速车载检测。该方法建立在裂缝无法充满红外探测器视场的情况下，研究中构建了无砟轨道板裂缝检测的检测场景，基于所构建的检测场景建立了单像元红外探测器输出信号与裂缝宽度之间的函数关系，据此函数关系可以计算探测器视场内裂缝宽度。根据所建立函数关系进行仿真研究，观察存在裂缝时输出信号变化趋势，裂缝宽度与输出电压变化量之间的关系及视场大小与可检测裂缝宽度之间的关系。最后设计模拟毫米级裂缝检测过程的实验，验证了检测方法的可行性。　　（4）在实验室内对所研制的高寒地区无砟轨道板红外测温系统进行响应速度验证实验、环境温度适应性验证实验及不确定度分析。使用红外测温系统配合线速度超过360km/h的转盘进行实验，验证了系统响应速度要求。使用红外测温系统配合高低温实验箱进行实验，验证了系统环境温度适应性。使用标定好的红外测温系统进行重复测量实验，根据测量结果完成了不确定度分析。
作者：	崔双龙
专业：	仪器科学与技术
导师：	孙晓刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021