王琰

（中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081）

准确快速测量无砟轨道板温度变化，使其在可控的安全范围，是保证高速铁路行车安全的重要因素。基于红外辐射测温原理的无砟轨道板温度高速动态测量系统［1］以运行速度350 km/h 的高速综合检测列车［2］为载体，以250 mm 等间距动态高速实时监测轨道板温度，用以分析轨道结构承载变形［3］。该系统在出厂前或使用一段时间后必须进行标定，以保证测温的准确性［4］。该系统通常以标准黑体［5］为标定靶标，由于不同材料的辐射发射率不同［6］，须对物体的辐射发射率进行修正。物体的辐射发射率随表面状态、温度变化而变化，难以准确获取，通常使用的辐射发射率都有一定偏差，导致辐射发射率修正［7］过程中必然引入一定的误差。

为提高无砟轨道板温度高速动态测量系统（以下简称测温系统）的测温精度，研制了基于无砟轨道板板材的测温靶标，模拟轨道板温度辐射特性，用于标定测温系统。标定数据中包含轨道板辐射发射率随温度的变化信息，温度反演［8］过程中无需进行发射率修正，避免测温系统引入辐射发射率修正误差。

本文介绍无砟轨道板测温靶标的本体、加热制冷及温度控制模块、防结霜模块的研制，设计了无砟轨道板测温靶标的测试试验。

1 无砟轨道板测温靶标研制方案

根据热力学原理，所有物体都会以电磁波的形式向外发射能量。物体辐射出去的电磁波在各波段是不同的，具有一定的谱分布，这种谱分布与物体本身的特性及温度有关，称热辐射。无砟轨道板测温靶标（以下简称测温靶标）基于热辐射原理，模拟轨道板温度辐射特性，可提供特定温度下的轨道板红外辐射。

CRTSⅡ型板式无砟轨道板表层在大气环境中低温可达-40 ℃、高温可达60 ℃且连续可变［9］。为实现测温靶标在-40～60 ℃连续可变并有足够的温度精度，须设计加热制冷及温度控制模块；测温靶标在低温下工作，辐射区表面极易产生结霜现象，须设计防结霜模块。测温靶标研制内容主要包括靶标本体、加热制冷及温度控制模块、防结霜模块，其构成如图1所示。

图1 无砟轨道板测温靶标的构成

2 靶标本体

靶标本体的辐射区是其关键结构（图2），其表面为双层无砟轨道板板材，厚度为1～2 mm。板材内表面均匀分布加热片和制冷片。板材夹层均匀分布铂电阻。加热片和制冷片接收温度控制模块调节指令，调节靶标温度；铂电阻监测靶标温度及其均匀性。

图2 靶标本体辐射区结构

测温靶标对测温系统进行标定时，测温系统在靶标本体辐射区的法线方向上，如图3 所示。其中：p为辐射区的直径；d为测温系统到靶标本体辐射区的法向距离；α为测温系统的视场角。

图3 靶标本体辐射区与测温系统的法向关系

靶标本体辐射区辐射能量的区域满足

测温系统α =5°，d =630 mm。代入式（1），计算得靶标本体辐射区的最小直径约为55.01 mm。为便于加工制作，靶标本体辐射区的直径取60 mm。为便携实用，考虑其他装置的结构尺寸，确定靶标本体长150 mm，宽250 mm，高300 mm，质量约5 kg，构造如图4所示。

图4 靶标本体构造

3 加热制冷及温度控制模块

测温靶标采用履带式加热片和半导体制冷片实现靶标本体辐射区的加热和制冷。履带式加热片形状可塑，热利用率高，最高工作温度可达1 050 ℃；半导体制冷片基于电流换能，无制冷剂污染，最低工作温度可达-130 ℃。二者符合测温靶标在-40～60 ℃温度连续可变的要求，且没有滑动部件，适合在靶标辐射区的轨道板材内表面狭小空间应用。半导体制冷片通过控制输入电流实现高精度的温度控制，加上温度监测和控制手段，易于实现计算机控制，组成自动控制系统。

靶标本体辐射区轨道板材夹层均匀分布贴片式铂电阻，其线性度和一致性优良且测温精度高，通过电路优化组合及线性化处理，可有效提高温度分辨率。靶标本体辐射区的温度监测来自贴片式铂电阻的平均温度，这种方式可有效提高辐射区温度监测的精度，减小由于加热制冷不均匀引起的误差。

通过 PID（Proportion Integration Differentiation）控制器控制履带式加热片和半导体制冷片工作，实现靶标本体辐射区温度控制，原理如图5 所示。靶标辐射区温度低于设定温度时，启动履带式加热片加热；靶标辐射区温度高于设定温度时，启动半导体制冷片制冷；通过PID 控制器监测均布于轨道板材夹层不同位置的铂电阻同一时段的温差来实现温度均匀控制，最终实现靶标辐射区的温度平衡稳定，并在温度显示及设定装置上实时显示。

图5 温度控制模块工作原理

4 防结霜模块

当靶标辐射区在0 ℃以下低温段时，由于辐射区表面与环境空气自然对流，环境中的潮湿冷空气就会在辐射区表面形成冻霜。冻霜遮蔽辐射区表面的轨道板材会影响其辐射发射率，降低测温系统在低温区段的标定准确度。

防结霜有多种方式，如抽真空、加窗口、加气帘等。采用抽真空的方式，需要加装一套抽真空装置，使靶标辐射区形成真空，但机电结构复杂，不能便携使用。靶标辐射区在低温区段辐射的能量很弱，采用加窗口的方式会降低探测器能够探测到的辐射能量，影响最终的信号输出。加气帘方式就是将干燥的氮气引至靶标辐射区表面，阻隔潮湿空气与靶标辐射区直接接触。由于市场上的氮气纯度不够，实际使用时靶标辐射区仍然会结霜。

测温系统响应时间为2.5 ms，可快速完成靶标辐射区的能量采集。在靶标辐射区设计一个密封装置，即防结霜模块，利用时间差实现防结霜功能。当靶标辐射区温度低于0 ℃时，快速开合防结霜模块进行标定。因开合时间极短，可有效防止靶标辐射区结霜。

5 测试及分析

5.1 试验测试

通过试验测试测温靶标的温度控制范围、温度控制误差、温度稳定性。通过靶标面板设定靶标辐射区达到某一温度时稳定约10 min，记录靶标面板实时显示的辐射区温度。试验环境温度为25 ℃，相对湿度为40%；周围环境无热源，无腐蚀性气液体，无强电磁环境。测试结果见表1。可见，测温靶标可在-40～60 ℃实现温度控制，温度控制误差小于0.5 ℃，温度稳定性好。

表1 测温靶标测试结果

5.2 应用测试

搭建系统标定试验台，利用测温靶标对测温系统进行标定，如图6 所示。进行测温标定时，调整靶标、轮速盘与测温系统的相对位置，使测温系统通过轮速盘通光孔瞄准靶标辐射区中心。设置测温靶标温度，使其稳定在-40 ℃，打开测温系统采集靶标辐射能量。升高靶标温度，每隔一定温度记录1 次测温系统采集的电压数据，直到60 ℃，数据采集完成。数据包括靶标温度和测温系统采集的电压数据，采用逐步回归法拟合，相关系数达0.998 96，满足标定需求。

图6 测温靶标标定

6 结语

基于热辐射原理研制的无砟轨道板测温靶标，模拟轨道板温度辐射特性，可提供特定温度下的轨道板红外辐射，用于无砟轨道板温度高速动态测量系统的测温标定。

本文介绍了无砟轨道板测温靶标的本体、加热制冷及温度控制模块、防结霜模块的研制方案，并对无砟轨道板测温靶标进行了测试。测试结果表明，无砟轨道板测温靶标可在-40～60 ℃实现温度控制，误差小于0.5 ℃，温度稳定性好，满足无砟轨道板温度高速动态测量系统的测温标定需要，可作为无砟轨道板红外测温系统的标定手段。