（测试计量技术及仪器专业论文）长距离α污染测量仪的研制.pdf

摘要 长距离0 【污染测量仪的研制 作者简介：付军，男，1 9 6 5 年4 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学庹先 国教授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 摘要 在核设施退役和核辐射检测领域，需要检测管道内表面0 【污染，从而了解管 道内的0 【污染情况，以做出相应处理措施，这是人们为自身健康、安全和环境免 遭放射性核素污染而采取的一种监测措施。由于n 射线射程极短、穿透力很弱， 对于受“辐射污染的物件，尤其是探测器不易靠近和几何形状不规则的污染表 面，如小直径长管道的内表面，使用传统的监测方法，如手持探头法和擦拭法， 来进行活度监测将会非常困难甚至失效。对于异形物体表面的核辐射a 污染监测， 长距离q 污染监测( l 0 n gr a n g ea l p h ad e t e c t i o n ，l r a d ) 技术提供了一种新方法。 i 凰a d 技术依据的基础是a 电离作用产生的离子在空4e 巾复合需要数秒的时间， 如果在此时问内气流能有效地将污染处的离子传输到较远处的接收极板上，就能 够对数米长管道内表面d 污染的活度进行测量。基于u m d 技术的原理，我们研制 了新型的长距离q 污染测量仪。浚测量仪是基于单片机殴计开发的，硬件系统主 要由电风扇驱动单元、电离室、电流电压转换器、以单片机为核心的信号采集处 理系统、u ：d 显示、电源r 锂电池和d c d c ) 和充电器等组成。 经过近年的研制工作，论文主要取得了以下研究成果： 1 、设计了电流电离室，该电离室能够测量a 级的弱电流，探测效率高，性 能稳定： 2 、以单片机为控制核心，完成了数据的采集、存储、分析等过程； 3 、系统的人机交互界面使用了点阵式液晶显示器和小键盘，操作界面为汉 字显示，界面友好； 4 、研制了适合本系统的电源电路和锂电池充电电路。设计了仪器面板和机 壳，对仪器进行整机装配： 5 、选用标准源作为基准，对仪器的重复性和稳定性进行了相应的测试，测 试结果表明，该仪器性能良好。 使用证明，该测量仪陛能稳定，可以检测到传统q 表面污染仪探头不能探测 到的管道内表面污染情况，在监测小直径长管道内表面0 【活度时，既不需要对被 测管道进行有损处理，又能实时、高效、安全地对其进行活度监测。 关键词：l r a d 技术c 【污染测量电离室 a b s t r a c t r e s e a r c ho nl o n gr a n ga l p h ac o n t a m i n a t i o n i n s t r u m e n t i n t t o d u c t i o no ft h ea u t h o t ：f uj u n ，m a l e ，w a sb o mo nm a r c ho f1 9 6 5 ，w a s 掣a n t e dt h em a s t e r 疗o mc h e n g d uu n i v e r s j t yo f1 1 e c h n o l o g yw h o s ot u t o r sw a sp r o f t u ox j a n g u o a b s t r a c t l nt h en u c l e a rf a d l j t yr e t i r e m e n ta n dt h en u c l e a rr a d i a t j o ne x a m i n a t i o nd o m a j n ， n e e d st oe x a m i n et h ep i p ei n t e r n a ls u a c ea l p h ap o l l u t i o n ，t ou n d e r s t o o dt h ea l p h a p o l l u t i o nj nt h ep j p e ，m a k e st h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s i n gm e a s u i e s ，t h i si so n ek j n d o fm o n i t o rm e a s u r ea d o p t e db yp e o p l ef o rt h e i ro w nh e a l t h ， s a f e t y a n dt h e e n v i r o n m e n ta v o i d sr a d i o n u c l i d ep o l l u t j o n b e c a u s ea l p h ap a r t i c l eh a v ev e r ys h o r t r a n g ea n de x t r e m e l yw e a kp e n e t t a t i o ni nt h ea i r ，i ti sd i 衔c u l tf o rt h ed e t e c t o r st og e t c l o s et ot h es u r l j c ep o l l u t i o no f 打r e g u l a rg e o m e t r i cs h a p e s ，s u c ha ss m a l ld i a m e t e r l o n gp i p e w h e ni t si n n e rs u r f a c ej sm o n i t o r e d ，i tj sv e r yd i m c u l tt oa c h i e v er e s u l t s t h i d u g hh a n d h e l dp i d b em e t h o d so r t ou s e p o i j s h e d m e t h o d s r e g a r d i n gt h e h e t e r o m o r p h o u so b j e c ts u r l a c e sn u c l e a rr a d i a t i o np o i l u t j o nm o n i t o r ，t h el o n gr a n g e a i p h ad e t e c t i o n ( u r a d ) t e c h n o l o g yh a sp r o v i d e do n en e wm e t h o d t h eu t a d t e c h n o l o g y b a s i s sf o u n d a t i o ni st h ei o nw h i c ht h ea l p h aj o n j 2 a t i o n p r o d u c e s c o m p o u n dr e q u i r e ss e v e r a is e c o n d st i m ei nt h ea i r ，i ft i l ea i rc u e n tc a ne f ：f l e c t i v e l y t r a n s p o r tt h ep 0 1 l u t i o np l a c ei o nt ot h ed i s t a n tp l a c er e c e i v ep o l ep l a t ei nt h i st i m e ，c a n t h el o n gp i p ei n t e m a ls u 血c ep o u u t i o na c t i v i t yc a r r yo nt h es u r v e y b a s e do nt h e l 】己a d t e c h n o l o g y sp r i n c i p l e ， w eh a v e d e v e l o p e d t h en e w l o n g r a n ga l p h a c o n t a m i n a t i o ni n s t n l m e n t t 1 l e m e a s u r i n g i n s t r i l m e n tj sb a s e do nt h es c m d e v e l o p m e n t ，t h eh a r d w a r es y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ff a nd r i v i n gu n i t ，i o n i z a t i o n c h a m b e r c u n e n t - v o l t a g ec o n v e r t e r ，t h es i g n a la c q u i s i t j o na n dp r o c e s s j n gs y s t e m t a k e t h es c ma st h ec o r e ，l c dd i s p l a y ，p o w e r ( l j i o nb a t t e r ya i l dd c d c ) a n d c h a i g e r s ，a n ds oo n a f t e rn e a r l yay e a ro fd e v e l o p m e n tw o r k ，t h ef e s u l t sa r e ： 1 h a sd e s i g n e dt h ec u r r e n tj o n i z a t i o nc h a m b e r w h i c hc a ns u r v e yt h ef al e v e l w e a k c u i t e n t ，t h ed e t e c t i o ne 镪c i e n c yi sh i g h ，s t a b l ep r o p e r ty h 1 成都理工人学硕十学位论文 2 t a k et h es c ma st h ec 咖t r o lc o r e ，h a sc o m p l e t e dt h ed a t ac o l l e c t j o n ，m e m o 睇 a n da n a l y s j sp r o c e s s 3 s y s t e m sm a n m a c h i n ei n t e r f a c eh a su s e dt h e1 a t t i c et y p e1 i q u i d c r y s t a ld i s p l a y a n dt h es m a l lk e y b o a r d ，t h ei n t e i h c ed e m o n s t r a t e di nt h ec h i n e s ec h a r a c t e rt h a tt h e i n t e r f a c ei s 捌e n d ly - 4 h a sd e v e l o p e dp o w e rc 面u i ta n dt h el i t h i u mb a t t e r yc h a r g i n gc j r c u i tf o rt h i s s y s t e m h a sd e s i g n e dt h eb o a r d a n dt h ec a b i n e t ，a n da s s e m b l e dt h ei n s t r u m e n t 5 s e l e c t e dt h es t a n d a r dr a d i o a c t j v cs o u r c e ，c a i e do nt l ei 力s t l l l m e n t s d u p l i c a t i o na 1 1 ds t a b i l i t yt e s t ， t h et e s tr e s u i th a di n d j c a t e dt h a tf h i si n s t r u m e n t p e r f o n n a n c ew a sg o o d u s es h o wt h a tt h em e a s u r j n gi n s t n l m e n ts t a b l ep e r f o r m a n c e ，c a nd e t e c tt h ep i p e i n t e r n a ls u r f a c ec o n t a m i n a t j o nw h i c ht h et r a d i t j o n a la l p h as u 订 a c ec o n t a m i n a t i o n j n s t m m e n td e t e c t o rc a n td e t e c t w h e nm o n i t o r i n gm es m a l ld i a m e t e r l o n gp i p e i n t e m a ls u r f 矗c ea c t i v i t y ，d o e sn o tn e c dt oc o n d u c tp r e j u d i c i a lt od e a lw i t ht h e m e a s u r e dc h 卸n e 】s ，b u ta l s oc a nr e a l t i m e ，h i g h l ye f i i e c t i v e ，c a yo nt b ea c t j v i t y m o n j t o rs a f e 】yf oj t k e y w o r d s ：l r a dt e c h n i q u ea l p h ac o n t a m i n a i o nm e a s u r e1 0 n i z a t i 咖c h 姗b c r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡王盍堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 气 辱 细。6 年s 月西 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都堡工盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ? 目 厂 年6 0阑f 3 l 乃 鹭， ，7 驴寺 筒&：签 名师 签导 者者作作文文论论位位学学 第1 章弓l 言 第1 章引言 1 1 选题依据与研究现状 近年来，随着核工业蓬勃发展，和平利用核技术的步伐越来越快，如核电站、 辐照加工等领域的兴起，都为我们的生产和生活注入了新鲜血液，成为国家或地 方新的经济增长点，也令我们对未来世界的发展充满了憧憬；但是在与核相关产 业的生产、运输、储存等过程中不可避免地会产生越来越多的核废料、核污染。 由于核污染具有一定的放射性，并且无色无味，如不加以防护，其危害难以避免。 随着我圈许多核设施逐步进入退役、更换阶段，对核表面污染的相关技术的需求 将越来越大。要对核表面污染进行了解，就需要对核辐射和原子核所携带的信息 进行测量和分析研究。通常，人们采用各种核辐射探测器感受和传递信息，并把 它转换成电信号，进而用电子学方法来处理和研究这些信号，而且尽可能不失真 地保存探测器输出信号所携带的信息。 在核设旌退役和核辐射检测领域，需要检测管道内伐表面污染，从而了解管 道内的0 【污染情况，以做出相应处理措施，这是人们为自身健康、安全和环境免 遭放射性核素污染而采取的一种监测措施。由于c ( 射线射程很短、穿透力很弱， 对于受a 辐射污染的物件，其放射性活度的监测将变得非常困难，尤其对于探测 器不易靠近和几何形状不规则的污染表面，如小直径长管道的内表而，使用传统 的监测方法( 如手持探头法和擦拭法) 来进行活度监测将会非常困难甚至失效。 对于异形物体表面的核辐射污染监测，氏距离仪污染监测( l o n gr a n g ea l p h a d e t e c t i o n ，l r a d ) 技术提供了一种测量表面q 污染的新方法。l r a d 技术在国外 应用较早，早在1 9 9 1 年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室( l o sa l 硼o sn a t i o n a l l a b o r a t o r y ，l a n l ) 就用l r a d 技术进行了土壤表面q 污染监测。发展至今，l r a d 技术主要应用于：废弃管道内表面污染监测；实时管道内表面监测；土壤表面监 测以及实时氡气监测等。 尽管射线的射程极短、贯穿能力极弱，但0 【粒子是一种高电离粒子，它在 空气中通过产生电子离子对来释放能量。个5 m e v 的粒子将会产生1 5 0 0 0 0 个 离子对，可通过收集这些离子对来问接测量q 活度。1 r a d 技术依据的基础是仪 电离作用产生的离子在空气中复合需要数秒的时间，如果在此时间内气流能有效 地将污染处的离子传输到较远处的接收极板上，就能够对数米长管道内表面0 【污 染的活度进行测量。基于l r a d 技术的原理，我们研制了新型的k 距离a 表而污染 监测报警仪。利用它可以检测到传统d 表面污染仪探头不能探测到的管道内表面 成都理工大学硕士学位论文 污染情况，在监测小直径长管道内表面0 l 活度时，既不需要对被测管道进行有损 处理( 如将长管道切割成可供手持探头监测的若干小段及剖面等) ，又能实时、 高效、安全地对其进行活度监测。 1 2 研究内容 主要研究u 姨d 技术的原理及方法，以及将ir a d 技术应用于管道内表面 的长距离c l 污染测量，并且研制出适用于长距离、不规则物品表面以及管道内表 面的q 污染测量系统，提高我国l r a d 技术的发展水平。 基于对u t a d 技术原理特点的分析总结，设计长距离污染测量系统。该 系统是基于单片机设计开发的，硬件系统主要由进气管、风扇、电离室、电流电 压转换器、以单片机为核心的信号采集处理系统、l c d 显示、电源( 锂电池和 d c d c ) 和充电器等组成。其原理是电风扇驱动被检测的物品的表面空气，形成气 流，粒子电离产生的离子对将随着气流传送到电离室接收极板网栅上，网栅上 收集到的离子在电离室外加电场作用下，产生电流，此电流强度正比于产生离子 的n 活度，每b q 大约能产生几f a ( 1 0 “) 的电流。电流电压转换器检测此电 流，并将该电流转换成便于测量的电压信号，同时a d 转换器将这些电压信号转 化为代表引起电离的a 污染的数目，并送单片机进行储存和显示。 本课题主要有以下研究内容： ( 1 ) 研制基于l r a d 技术的n 污染测量仪； ( 2 ) 研制用于长距离旺表面污染监测的探测器抽气式电流电离室； ( 3 ) 研制智能锂电池充电器： ( 4 ) 开发监测仪用测量软件； ( 5 ) 对仪器进行各项性能测试，并做初步应用。 2 第2 章系统组成与设计方案 第2 章系统组成与设计方案 本章首先介绍了n 射线的测量原理，然后简单介绍了系统的组成和工作流程 以及系统软硬件设计方案。 2 1 测量原理 征射线是由a 粒子组成的。粒子就是快速运动的氦核，它是一个稳定的原子 核，n 粒子是在不稳定原子核发生q 衰变时放射出来的。天然放射性核素衰变时放 射出的n 粒子的动能约在4 1 0 m e v 之问。a 粒子质量较大，所以它的速度比光速 低很多，能量1 0 m e v 的a 粒子运动速度约为光速的1 1 0 。 由一定的放射性核素辐射出来的旺粒子能量是一定的，如：2 ”p o ( r a c ) 辐射 出的粒子能量为7 6 8 m e v ，“2 p o ( t h c ) 放出的0 【粒子能量为1 0 5 4 m e v 。在同时还 辐射出y 射线时，一般辐射出不止一种能量的旺粒子，如：”6 r a 衰变时伴有y 辐射， 它的征粒子有两种能量，一种是4 7 8 m e v ( 占9 4 ，3 ) ，另一种是4 5 9 m e v 。不同 核素放出的旺粒子在能量方面的这种差异可以用来区分不同的放射性核素。常用 放射性核素如表2 1 所示。 q 粒子通过物质时主要是与介质中原子的轨道( 束缚) 电子相互作用。带电 的q 粒子与束缚电子做弹性碰撞，两者之间的电磁相互作用使束缚电子得到加速 而离丌轨道变成自由电子，引起电离。如果束缚电子获得的能量还不够大，未能 变成自由电子，而只是激发到更高能级卜去，便是激发作用。c 【粒子通过物质时， 能量主要消耗在使物质电离和激发上，我们乖是根据往粒子电离或激发介质的原 子产生的效应来探测0 【粒子有关特性的。 粒子能量不断消耗于电离和激发上，最终耗尽动能，粒子就停下来，在捕 获了两个电子后，变成通常的氦原子。粒子在物质中穿透的距离称为射程，它 随n 粒子能量及介质不同而异。a 粒子能量在4 7 m e v 范围内时，a 粒子在空气的 射程可有式( 2 1 ) 得出： = 0 3 0 9 e ” ( 2 一1 ) 式中，r i 为d 粒子在空气中的射程，单位：锄；e 为旺粒子的能量，单位：m e v 。 由式( 2 1 ) 可知，a 粒子的射程很短，而且与粒子的能量有关，在空气中 一般约为几厘米。天然放射性核素辐射出的能量最大的d 粒子( e f l 0 ，5 4 m e v ) 在空气中的射程也不过是j1 5 c m 。程粒子通过其他介质时射程就更短了，用一张 纸就足以挡住粒子。在塑料中旺粒子的射程约为l m m 【2 】。因此对吐粒子的测量受 成都理工大学硕士学位论文 到很多因素的影响。 表2 - 1 常用a 放射性核素表嗍 接素柱子娩精m 甜) 眈话度 车衰鹈 主要产生方式 舻号t 在“衰变中斫占白骨数)f 37 4 l oj o b q g ) 2 1 0 p 0 1 3 84 d 53 0 s ( 1 0 0 1 4 5 0 0 天然2 ”既( 丑6 r a 1 6 0 2a 47 s 5 ( 9 s ) ，46 0 2 ( 5 ) 天然 l9 1 3a 5 ，4 “7 i ) ，5 ) 4 2 ( 2 8 ) 8 2 l 天然 4 77 1 0 a46 8 4 ( 7 6 ) ，46 2 1 【2 34 ) 天然 ”吼i4 x 1 0 1 0a40 1 2 ( 7 7 ”9 5 3 ( 2 3 ) 天然 2 ) 2 u7 2a53 2 6 8 ) 56 2 ( 3 2 )2 l5 蛳p a 子体 2 ut5 9 l 旷a 48 2 f 8 4 ) 47 s ( 1 4 ) jo i o - 2 2 24 4 1 0 5a47 7 3 7 25 ) ，47 2 3 ( 2 75 )62 x l o 天然，2 3 8 p u 衰变子核 2 1 5 u7 1 x 1 0 8a44 0 l ( 5 6 ) ，43 6 5 ( 1 2 ) 2 1 6 x 1 0 4天然 ”6 u 23 9 1 0 7a44 9 5 ( 7 37 ) 一4 4 5 ( 2 6 )63 l o o ”5 u ( n ) 2 7 n p2 1 4 1 0 6 a 4 7 7 ( 2 5 47 8 7 ( 4 7 ) 70 7 x l 矿 。8 u ( n o n x 2 7 u b ) ”8 p u s 77 5 a5 ，4 9 9 7 17 ) ，5 4 4 5 ( 2 87 )1 7 2 2 n p ( ”爿) ? “n p ( dh “m 子体 ”峄u 24 4 1 0 4a5i1 5 ( 7 3 ) ，51 4 2 ( j 5 ) ，51 0 3 ( 1 1 )6 1 3 x l 旷2 。8 u ( “j ) ，”9 u ( p ) ”9 n p ( e ) “1 巾u6 5 8 0a5j 6 8 ( 7 6 ) ，5j 2 3 ( 2 4 )0 上2 7 2 ”u ，”9 p u 中予俘获 n 2 p t l 38 6 9 1 0 5a48 5 6 ( 2 4 ) ，49 0 0 ( 7 6 ) 。8 u ，”9 p u 中予多次俘获 2 4 1 a m4 3 3a 5 且8 6 ( 8 s 2 ) ，5 4 4 3 ( 1 2 8 1 3 4 3 ”，2 3 8 u 中子多次俘获 2 “a m7 9 5 0a52 7 6 ( 8 7 6 ) ，52 3 舢1 0 6 ) 02 0”8 u ，2 3 9 p u 中干多次俘获 2 4 3 c m3 2a57 8 5 ( 7 3 ) ，57 4 2 )4 9 1 圳u ，捌p u 中子多扶俘获 c mj 8 1a5s 0 5 ( 7 6 j ，57 6 3 ( 2 4 ) 8 lo堆中子“1 a m ( 或2 3 謦u ) 2 ，2 系统组成 长距离o 【污染测量仪系统组成如图2 1 所示。 l 一 图2 一l系统组成框图 4 l 第2 章系统组成与设计方案 该系统主要由以下单元组成：电风扇抽气单元、电离室、信号调理单元( i v 转换器) 、a 巾转换单元、嵌入式系统主板、高亮度液晶显示器、贮存器、m c u 接口板、触摸键盘板、高稳定度低稳波电源、微弱电流恒流源。电风扇抽气单元 将污染处的空气抽到电离室，空气中所含有的正负离子对在电离室电场的作用 下，产生微弱的电流信号，电离室出来的微弱电离电流经信号调理单元转换为电 压信号后送到a d 转换单元，将模拟信号转化为数字信号，最后输入到m c u ，将 分析处理的结果显示、保存或上传等。此数字信号的值直接反映粒子的强度， 即被测气体的污染程度。 其中，电离室及信号调理单元是该仪器的关键单元，决定着整机的性能指标。 2 3 硬件设计方案 2 3 1 探测器的选择 根据u 认d 技术的原理，本系统的探测器选用自主开发设计的气体电离室探 测器，它是一个开放式方形电离室，外壳尺寸为1 8 0 1 1 0 6 6 m m ，内部出两极 板及绝缘柱组成。在电离室的两极板间加有电场，此电场不足以引起气体放大， 但能把电离辐射在灵敏体积内产生的电子、离子有关的电荷收集在电极上，产生 电流，电离室产生的电流送入后续电路再进一步的处理。 2 3 2 电风扇驱动单元 为了将管道内污染处的气体送入电离室检测，本仪器采用电风扇驱动被测污 染物品的表面空气并将抽气管中的气体送入电离室的方式实现探测，抽气管为可 自由伸缩的塑料软管，因此使对管道内部受污染气体的测量变得很容易，并且对 任何形状的管道都可测量。 2 3 3 检测单元 该单元主要由以下单元电路组成：信号调理单元、，d 转换单元。电离室出 来的微弱的电离电流经信号调理单元转换为电压信号后送到a d 转换单元，将模 拟信号转化为数字信号，输入到m c u 贮存并显示。此数字信号的值直接反映a 粒 子的强度，即被测气体的污染程度。 成都理工大学硕士学位论文 2 3 4 单片机系统 作为便携式仪器，在性能满足的前提下，电路设计首先考虑的是功耗和体 积。本仪器所要求的功能并不复杂，因此选用了功能适用的m c u 芯片8 9 c 5 2 。 8 9 c 5 2 是一款8 位的单片机，为8 0 c 5 l 系列单片机的派生类型，制造工艺采 用了先进的c m o s 技术，其指令集与8 0 c 5 1 的指令集是相同的。该单片机的主要 性能和特点如下： 1 ) 8 0 c 5 l 中央处理单元。 2 ) 片内可编程的f l a s h 存储器。 3 ) 速度可达3 3 m h z 。 4 ) 完全的静态操作。 5 ) r a m 外部可扩展至6 4 k 字节。 6 ) 4 个中断优先级。 7 ) 6 个中断源。 8 ) 4 个8 位i o 端口。 9 ) 全双工增强型u a r t ：帧错误检测；自动地址识别。 1 0 ) 3 个1 6 位定时计数器t o ，t 1 ( 标准的8 0 c 5 1 ) 及附加的t 2 ( 捕获和比 较) 。 l1 ) 电源管理模式：时钟可停止及重启；空闲模式；掉电模式。 1 2 ) 可编程的时钟输出。 1 3 ) 次d p t r 寄存器。 1 4 ) 异步端口复位。 1 5 ) 通过外部中断方式退出掉电模式。 2 3 5 通讯接口 通讯接口电路是实现仪器微机化的重要条件，一般应具备有以下功能： ( 1 ) 接收来自探测器及有关电路传送过来的电信号，将其转换成数字信号， 并进行缓存； ( 2 ) 接收来自计算机的信息，并转换成对仪器进行控制的相应信号，对仪器 进行控制； ( 3 ) 以查询方式、中断方式或d m a 方式向计算机传送接口缓冲器中的数据； ( 4 ) 进行计算机与仪器问的电平匹配。 接口电路应具有将既能将计算机的数字信号转换成对仪器进行控制的电信 号，又能将不同形式的仪器信号转换成统一的数字信号，以便传送到计算机中进 6 第2 章系统组成与设计方案 行处理的能力“1 。几种常用的微机接口特点比较如表2 一l 所示： 表2 1几种常用的微机接口特点比较 接口方式 串口方式并口方式u s b 接口 数据获取速度较慢 中等快 数据实时显示速度 较慢中等 快 接口硬件简单较复杂复杂 接口软件简单较复杂 复杂 接口电路相对尺寸稍大小 大 接口电路功耗 较高较低 大 通用性各种计算机通用笔记本、p c 一1 0 4 通用 p c 机可用 开发难度简单 较难 难 由于r s 4 8 5 的传输速率与传输距离满足本系统的设计需求，并且其_ 丌发简 单、成本低。所以本系统选用了r s 4 8 5 串行通信总线标准与p c 上位机通信。 2 3 6 电源 系统采用两种供电方式，由充电器交流供电，或锂电池供电。电源模块设有 电池电量监视电路，可在电量耗尽时自动声光报警。此时，可通过配置外接的 a c 2 2 0 v 的电源充电器，对电池充电。充电器上设有充电状态显示( “已充满”和 “正充电”) 。电源模块中的d c - d c 转换器为仪器j 下常工作提供电离室工作电 压+ l o o v ，风扇工作电压1 2 v ，芯片工作电压9 v ， + 5 v 。 2 4 软件设计方案 2 4 1 软件总体设计 软件是整个仪器系统的核心与灵魂。按照项目的具体要求，长距离a 测量仪的 测量软件必须具有如下主要功能： 1 ) 对信号获取模块产生的电压值进行计算； 2 ) 根掘不同的测量环境与条件设置测量参数； 3 ) 实现数据的实时显示与保存； 4 ) 查询测量数据； 5 ) 充电器的软件控制。 由以上分析可知，测量软件设计分为主程序和子程序两个部分，在仪器中， 7 成都理工大学硕士学位论文 上层的主程序是管理程序，实现仪器的主要功能，下层各个子程序是和硬件直接 打交道的程序模块，其关系如图2 2 所示。 2 4 2 软件开发语言 图2 2 测量软件设计组成 由于本设计采用的是功能简单的m c u ，因此程序设计语言采用的是汇编语言， 其经过编译就可以将源程序变成计算机可执行的目标程序，所以占用的存储空间 小、执行速度快、控制功能强。 第3 章硬件设计方案 第3 章硬件设计方案 本章主要介绍系统的硬件设计，将从电风扇驱动单元、探测器的工作原理、 电流电压转换、a d 转换、单片机系统以及电源等方面进行详细阐述。 3 1 电风扇驱动单元 该单元用电风扇来驱动被测污染物品的表面空气，再将气体通过抽气管送入 电离室进行检测。抽气管为可自由伸缩的塑料软管，因此可以灵活的控制测量的 位置。将软管伸入管道内，就能方便的测量管道内部受污染的气体，并且对任何 形状的管道都可测量。本系统使用的风扇是中4 0 m m 的电刷式风扇，供电电压为 直流1 2 v ，j x l 扇盒尺寸为由7 8 6 0 m m ，体积较小，适合现场测量使用。 风扇驱动单元电路如图3 1 所示，上电后，风扇转动，开始抽气。出于风扇 转速由其输入电压的大小决定，在电路巾单片机是通过控制数字电位器m c p 4 1 0 l o 控制风扇的输入电压来调节转速，以达到控制抽气量的大小。 3 2 探测器的选择 图3 1单片机控制风扇电路图 气体电离室探测器用于核辐射测量己有久远的历史，它是利用射线在气体中 的电离效应工作的。 通常，气体的原子或分子是不带电的。当粒子通过物质时，与气体中的原 子或分子发生碰撞，能量逐渐损失，以致使气体分子产生电离或激发，原是中性 的气体分子将变成为。个电了和一个带正电荷j 卜离子，这种现象叫做气体的电 离。因为a 粒子射入气体后将前进一段路程，在它经过的途径上会发生一系列的 9 成都理t 大学硕士学位论文 电离现象，产生很多“电子正离子”对，直到粒子能量逐渐消耗到低于气体分 子的电离电位时，电离作用才告结束。图3 2 示意地绘出了a 粒子通过气体时的一 些物理过程，如形成电子和正离子；原子或分子被激发，退激时可能发生闪烁现 象；辐射被散射、改变运动方向等。电离出来的电子与其它中性分子碰撞时，可 能和中性分子结合成负离予，但概率小，因此气体电离后主要产生“电子正离 子”对。一个a 粒子能产生的离子对总数n = 删，e 为入射的辐射能量，w 为平均 电离功，即形成一对离子时消耗的能量【引。 费电粒子 一一 固 $ lk p 少版 i k 古 6 负离子 图3 2 带电粒子和气体分子相互作用示意图 如果在a 射线通过的气体中不存在电场，虽然气体分子被电离产生正负离子 对，但它们将作杂乱运动。因为电子和正离予的杂乱运动在宏观上没有定的方 向，不会产生电流，只有当外加电压使气体中有一定电场存在时，粒子对才能按 一定方向运动，产生电流。电离电流的大小与辐射强度一般呈征比关系，而与外 加电压或气体中电场呈较复杂关系。电离电流与电离室外加电压的关系如图3 3 所示。 皿 籁 靛 融 幄幔 1 0 4 1 0 2 电压( v ) 图3 3电离电流与电离室外加电压的关系 在电压小于v a 时，收集到的电荷量随电压增加而增加，即随外加电压增加， 离子复合现象减小，能收集到的电荷增多，电力电流增加。当电压等于v a 时，就 进入饱和电流区，它一直延续到v b ，这就是电离室的工作电压范围。由于电场 已足够强，离子复合现像完全消失，收集到的电离电荷等于全部原初电离电荷， 0 第3 章硬件设计方案 达到饱和状态，这时外加电压虽有所改变，但收集到的电荷数或电离电流却保持 不变。 按工作性质电离室可分为脉冲电离室( 也称为计数电离室) 及电流电离室( 也 称为累计电离室) 两类。它们在结构上没有本质区别，只是脉冲电离室要求噪声 小，而电流电离室要求漏电流很小。 电流电离室主要测量由电离辐射产生的电流，当a 辐射一定时，它形成的总 电离能形成稳定的电离电流，当然不是理想的稳定而是有一定的涨落。由于电流 电离室输出的电离电流通常为1 0 一气1 0 。1 3 a ，有时甚至更小，所以不能采用一般电 表测量，应选用静电计来测量其大小。电流电离室不能探测入射粒子的能量，只 能了解入射射线的强弱。 本系统的探测器就是自主开发设计的电流电离室探测器，其结构见图3 4 。 它是一个开放式方形电离室，外壳尺寸为1 8 0 1 1 0 6 6 砌1 ，内部由两极板及绝缘 柱组成。电极为黄铜板，极板之间通过4 根聚乙烯柱固定，极板之间的距离可调节， 电离室两端加有高压，电离室工作电压为1 0 0 v ，将抽气管抽取的气体( 含有。粒 子电离产生的离子对) ，电离成微弱的电流。在电离室两侧开有中4 0 1 i l m 的孔来连 接风扇盒和进气管。 外壳 风扇 图3 4 电离室结构图 3 3 信号调理单元( 1 - v 转换) 进气管 抽气管抽取的气体( 含有a 粒子) 输送到电离室，电离室产生微弱的电离电 流。由于后面a ，d 转换器是将直流电压进行转换，因此要将电离室产生的电流信 号转换为电压信号，以达到后级电路处理的要求。i v 转换电路如图3 5 所示。 电离电流经i v 转换器转换为电压，该i v 转换器是以a d 5 1 5 a 及其外围电路 ( 芯片周围的电容电感及电阻) 组成，第2 脚电流输入，第6 脚输卅电压，第3 脚 与8 脚接地，该芯片专用于电流到电压的转换。此电路中，l v 转换器将1 1 拶”a 电流转换为1 m v l o 电压输出。 成都理工大学硕士学位论文 3 4a d 转换单元 图3 5l - v 转换器电路图 黄 扛 缝 白屏蔽 从探测器出来的脉冲信号经信号调理单元后，需要进一步处理。处理方式根 据不同要求一般分为三种：脉冲计数、脉冲幅度分析和脉冲信号的时间分析。本 设计的a d 转换电路主要完成脉冲计数功能。 a d 转换电路起着将连续变化的模拟量转换为离散的数字量的作用，用于快 速高精度地对输入脉冲进行采样编码，将脉冲的幅度值转换成计算机能够处理的 数字量。模数转换电路是测量仪的关键单元，其设计好坏直接影响整个转换精度 等参数。因此，在选择 d 芯片时主要考虑如下指标：转换速度、功耗、转换精 度、孔径误差等。本设计先用的a d 芯片是a d 7 7 1 5 。 a d 7 7 1 5 是a d 7 7 x x 系列芯片中的1 6 位模数转换器，也是采用一技术的 a d c 的代表产品。a d 7 7 1 5 内置的程控放大器有l ，2 ，3 2 ，1 2 8 四种增益选择， 能够满足绝大多数场合的需要。 a d 7 7 1 5 采用的一 原理，具有较强的干扰抑制能力。这里表示求和， 表示增量。它采用了过采样技术把更多的量化噪声压缩到基本频带外的高频区， 然后经数字滤波器去除大部分量化噪卢，这样既提高了分辨率又使总的信噪比大 大提高。 一a d c 具有积分式与反馈式a d c 的双重优点。由于它是在电荷平衡式 v f 转换器基础上改进的，取消了电荷甲衡式v f 转换器中较一为复杂的单 稳定时电路，而用比较简单的d 触发器代替，对精密元件的要求降低。a d c 同双积分a d c 转换器一样对串模干扰具有抑制能力，又由于它是一个连续转换的 闭环系统，对于组成电路的某些元件的要求低于双积分a d c 转换器。 2 第3 章硬件设计方案 由于 d 7 7 1 5 采用转换技术，数字电路占有很大比重，使制造成本降 低。a d 7 7 1 5 又是a d 7 7 1 4 的精简型号产品，因此具有较高的性能价格比。 另外，a d 7 7 1 5 还具有钡量信号可从一3 0 v 2 5v ，o o o l 5 的非线性、 差动输入、三线串行接口、缓冲输入、输出更新速度可编程等特点，因此a d 7 7 1 5 一a d c 特别适用丁二低频模拟小信号的测量，非常适合于本测量仪的要求。3 。 在本设计中电压信号进入a d 7 7 1 5 后，输出串行数字量，采用一技术实 现1 6 位的精确转换而无误码，增益设置为1 ，与m c u 采用s p i 接口，实现串行 输出，测量本底时采用双极性输入，除此之外的测量采用单极性输入，这是因为 在测量本底时，可能会出现正、负两种情况，因此要采用双极性输入；当有信号 输入时，只可能是从本底往上增加，因此采用单极性输入。具体的模拟一数字转 换电路如图3 6 所示。 + s v a + 9 v 玳t 麓鳓蓬 一驾敲 3 5 单片机系统 0 1 u l 监_ l dl =a+9v 图3 - 6a d 转换电路 3 单片机系统是本测量仪的控制核心，主要完成对数据的采样、处理、显示和 仪器的控制和通信。单片机系统框图如图3 7 所示，单片机每秒钟采样一次，采 样结果用l c d 显示；同时，单片机可通过串口将数据送入p c 机做进一步处理。 由于本系统程序量大，需设置外部存储器，n v r a m 具有体积小、非易失性、掉 电保持的功能，因此选用n v r a m 作为系统的外部存储器。 鞋 成都理工大学硕士学位论文 3 5 1 单片机简介 图3 7 结构框图 8 9 c 5 2 的功能裁剪恰到好处，而且成本低廉，正好满足仪器设计的需要，在 保证系统功能完善、性能稳定的前提下，达到了极好的利用率，对本系统的设计 来说，性价比高。 8 9 c 5 2 的内部功能模块如下： 1 ) f la i i 存储器 8 9 c 5 2 内部的f l a s h 采用了最优化的擦除编程机制，即便在重复擦除编程 1 0 0 0 0 次后，仍能保证存储内容的可靠性。如果内部程序存储器被禁止，外部程 序存储器可寻址6 4 k 字节；每个字节的擦除编程周期为最小1 0 0 0 0 次，数据至 少可保持1 0 年。 2 ) 复位和时钟电路 8 9 c 5 2 内部含有时钟电路，只需外接石英晶体振荡器；当复位引脚r s t 保持 高电平至少2 个机器周期时，振荡器仍在运行。 3 ) 低电模式 停止时钟模式：静态设计使得时钟速度可降低至0 m h z ，当振荡器停止时，r a m 和特殊功能寄存器保留着原来的数据值。这样，通过将时钟频率降低到任何值， 该模式达到了降低系统功耗的目的。 空闲模式：该模式下，c p u 处于睡眠状态，片上其它的外围器件仍处于运行 状态，并且c p u 、片上r a m 及所有的特殊功能寄存器中的内容都不会被更改。 掉电模式：为了节省更多的能量，可以通过软件调用掉电模式。该模式下， 振荡器被停i l ，片上r a m 及特殊功能寄存器中的内容保持不变。在终止掉电模式 之前，必须确保v 。己恢复到所指定的最小的操作电压。 4 ) 可编程时钟输出 p 1 o 除了作为常规的i