多元线阵列碲镉汞(HgCdTe)器件在红外轴温系统中的应用分析

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摘要：本文论述了多元线阵列碲镉汞（hgcdte）器件应用于红外轴温探测系统中研究思路与技术分析。

关键词：多元线阵列HgCdTe 光子探头 红外测温

1、概述

自1978年法国军备总代表处（DGA）和法国原子能委员会（CEA）在信息技术和电子实验室（LETI），确立了基于以碲镉汞（HgCdTe）半导体材料制成的制冷型量子红外探测器能够实现1μm以上波段红外测量的技术以来，20年间此项技术一直被应用于军事和空间技术研究。1998年，哈铁科研所展开了将单元件碲镉汞（HgCdTe）器件应用于红外测温领域的研究，这是国内首例。自2000年该项研究的成果以碲镉汞（HgCdTe）器件为核心元件制成的光子探测器被应用于红外轴温探测系统中，至2011年十年来，基于HgCdTe的致冷型高性能红外探测器技术不断取得进步，今天已达到成熟的工业水平，并处于世界的最前沿。3000余HgCdTe光子探测器被应用于全路的主要干线和提速区段，并取得了优越的成绩，为中国铁路的运输安全与高速发展给予了坚定的保障。

目前随着第三代量子多元线阵列碲镉汞（HgCdTe）探测技术的不段发展与成熟，该种类器件已应用于军事、空间、光电物理及红外测温的多个领域中，本文论述了多元线阵列碲镉汞（HgCdTe）器件应用于红外轴温探测系统中研究思路与技术分析。

2、单HgCdTe元件系统的应用与局限

单HgCdTe元件，经过技术筛选后，与光学系统、电源模块、放大电路共同成光子探头成品。光子探头与轨边设备、自适应系统、控制、主机、电源、通信、等系统共组成红外轴温探测系统。该系统安装于全路的铁道干线上，对通过列车的轴承进行高速红外测温，完成对故障轴承进行热轴判别与预警。近年来中国铁路高速发展，轴温准确测量与预报的重要性日益凸显，单HgCdTe元件系统的局限性也逐渐表现出来。

单元件轴承扫描轨迹如图中看到两条轨迹线，红线轨迹平行钢轨，距轨内侧260mm，也可安装在距轨内侧415mm位置，与钢轨6°夹角，扫描轨迹为黄线。从以上展示的扫描图来看，单元件为线性扫描，扫描范围小，而轴承故障热分布复杂，扫描区域外的热干扰不易识别。单器件故障或波形异常时，会产生误报或只能放弃测量结果。

3、多元线阵列碲镉汞（HgCdTe）的测温需求与应用前景

多元线阵列碲镉汞（HgCdTe）器件，是将多个单元的光敏感HgCdTe材料以线性或阵列的方式密集集成于同一个焦平面上。线性排列的器件以连续采集的方式完成整个轴承的热分布测量；阵列方式的器件采用快照的采集方式完成整个轴承的热分布图。应用多元线阵列碲镉汞（HgCdTe）器件测温的主要目的是为了实现以下三方面的测温要求：

第一扫描整个轴承，绘制出整个轴承的热分布图，并给出最高和最低温度。

第二可以对车轮进行扫描，绘制车轮的热分布图，给出最高温度值。

第三扫描整个列车底部，绘制车辆底部的热分布情况，标注扫描范围内的温度点值。

4、应用技术难点与解决方案

（1）低温工作环境的建立

HgCdTe器件因碲化镉与碲化汞只在低温下才能对轴承辐射红外线的主体波长区产生有效的反应，所以其只能在低温环境下工作，有效工作环境温度范围为-40度到-100度。不同的温度环境对器件的灵敏度影响较大。多元线阵列碲镉汞器件的各个单元必须工作在相同的低温环境中，才能保证各器件对相同温度产生的响应率相同。与美国Judson公司的技术合作解决了这一技术问题，通过多次实验我们完成了将多元器件集成于一个半导体三级制冷罐冷面上制作工艺。保证了同层面上多个器件共享相同的低度温环境。

（2）光学系统的组建

合理的光学系统是HgCdTe器件使用的必备条件。多元器件采用的是镀锗材料制作的双聚焦焦平面光学系统。采用非球面设计，有效提高了光学增益，改善了探测器的信噪比。系统将同一目标区域按ø40mm分块聚焦在ø0.25mm的器件上，保证了ø40mm的接收率大于95，ø50mm外衰减大于50，从而避免了单体的响应叠加。

（3）目标绝对温度输出系统

虽然在多元器件的使用上已保证了多器件有相同的工作环境，但因溶解工艺的细微差异而造成的个体输出特性的差异却是不可避免的，在不同的环温下，测温灵敏度表现为非线性差异，每个器件的输入输出特性也略有差异。为使每个器件都能准确输出测量温度，增加了一套自适应系统配合探头使用。自适应系统主要由标准热源、铂电阻温度传感、加热温度控制器等组成，由主机控制按时启动，得到器件在不同环境温度、制冷面温度下的一组多器件输出特性曲线，测量温度时，主机根据测量时器件的环温和制冷面温度按不同器件智能选择特性曲线来应用，从而实现轴承各部位温度的精确定量测量。

5、结束语

应用多元线阵列碲镉汞（HgCdTe）器件，通过对整个轴承、车轮、车底的扫描准确绘制出了热分布图，能够从根本上解决了单器件采样所产生的弊端。轴承上不同部位的温度一目了然，准确完成干扰热源的判定，剔除了虚假热轴，减少了对正常行车制序的干扰，提高了热轴的对现率。另外通过对整个轴承的热分布图进行运转热分析，能够完成轴承升温趋势的判定，让我们对未来可能产生的热轴可进行严密监控和提前预报，在防止热切事故的发生上具有重要意义。