多元線陣列碲鎘汞(HgCdTe)器件在紅外軸溫系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

摘要：本文論述了多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）器件應(yīng)用于紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)中研究思路與技術(shù)分析。

關(guān)鍵詞：多元線陣列HgCdTe 光子探頭 紅外測(cè)溫

1、概述

自1978年法國(guó)軍備總代表處（DGA）和法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）在信息技術(shù)和電子實(shí)驗(yàn)室（LETI），確立了基于以碲鎘汞（HgCdTe）半導(dǎo)體材料制成的制冷型量子紅外探測(cè)器能夠?qū)崿F(xiàn)1μm以上波段紅外測(cè)量的技術(shù)以來(lái)，20年間此項(xiàng)技術(shù)一直被應(yīng)用于軍事和空間技術(shù)研究。1998年，哈鐵科研所展開(kāi)了將單元件碲鎘汞（HgCdTe）器件應(yīng)用于紅外測(cè)溫領(lǐng)域的研究，這是國(guó)內(nèi)首例。自2000年該項(xiàng)研究的成果以碲鎘汞（HgCdTe）器件為核心元件制成的光子探測(cè)器被應(yīng)用于紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)中，至2011年十年來(lái)，基于HgCdTe的致冷型高性能紅外探測(cè)器技術(shù)不斷取得進(jìn)步，今天已達(dá)到成熟的工業(yè)水平，并處于世界的最前沿。3000余HgCdTe光子探測(cè)器被應(yīng)用于全路的主要干線和提速區(qū)段，并取得了優(yōu)越的成績(jī)，為中國(guó)鐵路的運(yùn)輸安全與高速發(fā)展給予了堅(jiān)定的保障。

目前隨著第三代量子多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）探測(cè)技術(shù)的不段發(fā)展與成熟，該種類器件已應(yīng)用于軍事、空間、光電物理及紅外測(cè)溫的多個(gè)領(lǐng)域中，本文論述了多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）器件應(yīng)用于紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)中研究思路與技術(shù)分析。

2、單HgCdTe元件系統(tǒng)的應(yīng)用與局限

單HgCdTe元件，經(jīng)過(guò)技術(shù)篩選后，與光學(xué)系統(tǒng)、電源模塊、放大電路共同成光子探頭成品。光子探頭與軌邊設(shè)備、自適應(yīng)系統(tǒng)、控制、主機(jī)、電源、通信、等系統(tǒng)共組成紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)安裝于全路的鐵道干線上，對(duì)通過(guò)列車的軸承進(jìn)行高速紅外測(cè)溫，完成對(duì)故障軸承進(jìn)行熱軸判別與預(yù)警。近年來(lái)中國(guó)鐵路高速發(fā)展，軸溫準(zhǔn)確測(cè)量與預(yù)報(bào)的重要性日益凸顯，單HgCdTe元件系統(tǒng)的局限性也逐漸表現(xiàn)出來(lái)。

單元件軸承掃描軌跡如圖中看到兩條軌跡線，紅線軌跡平行鋼軌，距軌內(nèi)側(cè)260mm，也可安裝在距軌內(nèi)側(cè)415mm位置，與鋼軌6°夾角，掃描軌跡為黃線。從以上展示的掃描圖來(lái)看，單元件為線性掃描，掃描范圍小，而軸承故障熱分布復(fù)雜，掃描區(qū)域外的熱干擾不易識(shí)別。單器件故障或波形異常時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)或只能放棄測(cè)量結(jié)果。

3、多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）的測(cè)溫需求與應(yīng)用前景

多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）器件，是將多個(gè)單元的光敏感HgCdTe材料以線性或陣列的方式密集集成于同一個(gè)焦平面上。線性排列的器件以連續(xù)采集的方式完成整個(gè)軸承的熱分布測(cè)量；陣列方式的器件采用快照的采集方式完成整個(gè)軸承的熱分布圖。應(yīng)用多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）器件測(cè)溫的主要目的是為了實(shí)現(xiàn)以下三方面的測(cè)溫要求：

第一掃描整個(gè)軸承，繪制出整個(gè)軸承的熱分布圖，并給出最高和最低溫度。

第二可以對(duì)車輪進(jìn)行掃描，繪制車輪的熱分布圖，給出最高溫度值。

第三掃描整個(gè)列車底部，繪制車輛底部的熱分布情況，標(biāo)注掃描范圍內(nèi)的溫度點(diǎn)值。

4、應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

（1）低溫工作環(huán)境的建立

HgCdTe器件因碲化鎘與碲化汞只在低溫下才能對(duì)軸承輻射紅外線的主體波長(zhǎng)區(qū)產(chǎn)生有效的反應(yīng)，所以其只能在低溫環(huán)境下工作，有效工作環(huán)境溫度范圍為-40度到-100度。不同的溫度環(huán)境對(duì)器件的靈敏度影響較大。多元線陣列碲鎘汞器件的各個(gè)單元必須工作在相同的低溫環(huán)境中，才能保證各器件對(duì)相同溫度產(chǎn)生的響應(yīng)率相同。與美國(guó)Judson公司的技術(shù)合作解決了這一技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)我們完成了將多元器件集成于一個(gè)半導(dǎo)體三級(jí)制冷罐冷面上制作工藝。保證了同層面上多個(gè)器件共享相同的低度溫環(huán)境。

（2）光學(xué)系統(tǒng)的組建

合理的光學(xué)系統(tǒng)是HgCdTe器件使用的必備條件。多元器件采用的是鍍鍺材料制作的雙聚焦焦平面光學(xué)系統(tǒng)。采用非球面設(shè)計(jì)，有效提高了光學(xué)增益，改善了探測(cè)器的信噪比。系統(tǒng)將同一目標(biāo)區(qū)域按oslash;40mm分塊聚焦在oslash;0.25mm的器件上，保證了oslash;40mm的接收率大于95﹪，oslash;50mm外衰減大于50﹪，從而避免了單體的響應(yīng)疊加。

（3）目標(biāo)絕對(duì)溫度輸出系統(tǒng)

雖然在多元器件的使用上已保證了多器件有相同的工作環(huán)境，但因溶解工藝的細(xì)微差異而造成的個(gè)體輸出特性的差異卻是不可避免的，在不同的環(huán)溫下，測(cè)溫靈敏度表現(xiàn)為非線性差異，每個(gè)器件的輸入輸出特性也略有差異。為使每個(gè)器件都能準(zhǔn)確輸出測(cè)量溫度，增加了一套自適應(yīng)系統(tǒng)配合探頭使用。自適應(yīng)系統(tǒng)主要由標(biāo)準(zhǔn)熱源、鉑電阻溫度傳感、加熱溫度控制器等組成，由主機(jī)控制按時(shí)啟動(dòng)，得到器件在不同環(huán)境溫度、制冷面溫度下的一組多器件輸出特性曲線，測(cè)量溫度時(shí)，主機(jī)根據(jù)測(cè)量時(shí)器件的環(huán)溫和制冷面溫度按不同器件智能選擇特性曲線來(lái)應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)軸承各部位溫度的精確定量測(cè)量。

5、結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用多元線陣列碲鎘汞（HgCdTe）器件，通過(guò)對(duì)整個(gè)軸承、車輪、車底的掃描準(zhǔn)確繪制出了熱分布圖，能夠從根本上解決了單器件采樣所產(chǎn)生的弊端。軸承上不同部位的溫度一目了然，準(zhǔn)確完成干擾熱源的判定，剔除了虛假熱軸，減少了對(duì)正常行車制序的干擾，提高了熱軸的對(duì)現(xiàn)率。另外通過(guò)對(duì)整個(gè)軸承的熱分布圖進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)熱分析，能夠完成軸承升溫趨勢(shì)的判定，讓我們對(duì)未來(lái)可能產(chǎn)生的熱軸可進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控和提前預(yù)報(bào)，在防止熱切事故的發(fā)生上具有重要意義。