基于γ射線管材壁厚連續(xù)測量系統(tǒng)設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 式γ射線測厚儀的組成包括：放射源、探測器和信號處理這三大部分。 放射源產生射線的裝置或物質叫放射源。γ射線與α、β射線相比較，穿透力最強，它常用于對較硬的物質諸如鋼、鋁、塑料等材料的厚度測量。目前在國內外使用的幾種γ射線源有137Cs（銫137）、60Co（鈷60）、241Am（镅241）等幾種放射性同位素。 探測器探測器可分為兩類：①計數(shù)器。有電離室、正比計數(shù)器 、蓋革米勒計數(shù)器 、閃爍計數(shù)器、切倫科夫計數(shù)器、半導體探測器等。它的目的主要是用來記錄粒子的數(shù)目。一般要求計數(shù)器具有一定的時間分辨率，即先后兩個粒子射入計數(shù)器可分辨的時間。通常計數(shù)器常與定標電路和符合電路聯(lián)合使用。定標電路是一種將脈沖計數(shù)進制的電路，通過計數(shù)器與定標電路的聯(lián)用，可對粒子快速計數(shù) ；符合電路是將兩個或兩個以上的計數(shù)管同電子線路配合而成，它可以專門只記錄那些使計數(shù)管協(xié)同動作的粒子，而對于只使一個計數(shù)管動作的粒子不作反應，從而記錄所需尋找的粒子。②徑跡探測器。有云室、氣泡室、流光室、火花室、多絲正比室、核乳膠等。它可以顯示粒子穿行的徑跡。徑跡探測器配以適當?shù)拇艌?，可根?jù)徑跡的長短、粗細、彎曲的方向和彎曲的曲率半徑推測出粒子的電荷、質量和能量。 透射式射線測厚儀的工作原理射線在通過物質時，由于光電效應、康普頓效應、電子對效應的作用而被吸收。然而γ射線在通過物質時，只是強度逐漸減弱，沒有與物質發(fā)生過相互作用的γ光子穿過吸收層時其能量保持不變，因此沒有射程的概念。γ射線通過物質后強度的變化是按指數(shù)衰減的關系式： (27) ——γ射線入射被測物質前的射線強度； ——γ射線入射被測物質后的射線強度； ——被測物質的厚度； ——被測物質的吸收系數(shù)； ——自然對數(shù)底數(shù)；在上式中吸收系數(shù)是光電效應、康普頓效應和電子對效應等作用之總和，若分別考慮每種作用的影響則總吸收系數(shù)u可以用下式表達： (28) ——光電吸收系數(shù)； ——康普頓吸收系數(shù)； ——電子對吸收系數(shù)；探測器測得的射線強度與吸收體厚度的關系為： (29) ——被測材料對射線的質量吸收系數(shù)； ——被測材料的質量厚度； ——被測材料的密度；經過簡單的推導可以得到： (210)對一定材料即可以確定和，只要測得和即可以計算出材料的厚度，這就是透射式γ射線測厚儀的基本原理。第三章 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的硬件設計 硬件基本結構： 透射式γ射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的基本硬件方框圖放射源選擇137Cs，探測器選用電流電離室，數(shù)據(jù)采集卡使用PCI6221型數(shù)據(jù)采集卡。在信號送往數(shù)據(jù)采集卡前，需要對從電流電離室出來的信號進行放大，并轉換成電壓信號才能夠送給數(shù)據(jù)采集卡，所以需要加個放大電路來滿足所需要的要求。 Cs放射源137Cs的半衰期為30年， MeV的γ輻射。137Cs的測厚范圍為104~7*104mg/cm2。常溫下為固態(tài)，毒性分組為中毒組。 放射源封裝于不銹鋼管內，再裝入帶閘塞的鉛屏蔽容器。： 137Cs放射源的基本結構圖 電流電離室電離室有兩類：一類是，測量單個入射離子的稱為脈沖電離室，這在測厚儀表中很少應用。另一類是，測量大量離子產生的平均累積效應，稱為電流電離室，這是測厚儀表中最常用的一種探測器。這種探測器的最大優(yōu)點是測量范圍寬、穩(wěn)定性好、壽命長。但輸出信號為直流微弱電流，測量儀表易受到外界的干擾。溫度漂移及長期漂移是影響測量精度的主要因素。本設計采用的是電流電離室。電離室的構造比較簡單，可以說就是兩個收集電荷的電極，并在電離室中充以一定壓力的氣體。兩個電極可以由兩塊平行板組成，也可以做成圓柱形，外圍的圓柱為一個電極。中心由圓棒、圓筒或細絲形成另一個電極。此外還可以做成球形。上述各種結構的電離室分別稱之為平行板電離室、圓柱形電離室和球形電離室。在實際應用中要根據(jù)需要來決定結構形式。 電流電離室結構圖。當γ射線穿過電離室靈敏區(qū)時，由于射線與工作氣體作用產生次級電子，次級電子引起室內氣體電離，生成正負離子對，在電場的作用下，正負離子對分別向所加電壓極性相反的方向漂移，產生電離電流I=eN，N為在電離室中單位時間內產生的平均離子對數(shù)。電流經常是很微弱的，例如，一個空氣電離室， MeV，n=4104個/s，如果α粒子能量全部損失在電離室中，109A。對于這樣小的電流，是無法直接用普通的電流表測量的，常用的是集成運放或場效應管組成的弱電流放大器，它把電離電流在負載電阻RL上產生的電壓降放大后測量。由于電離電流很小，為了得到足夠的電壓降，RL值應取得特別高。 信號放大電路由于從電離室出來的電壓信號比較微弱，需要經過放大后才能夠把信號傳給PCI6221數(shù)據(jù)采集卡，所以需要對從電離室出來的電流信號進行放大。： 信號放大電路： () PCI6221數(shù)據(jù)采集卡 數(shù)據(jù)采集卡的概述在計算機廣泛應用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集或產生信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是基于計算機的測量軟硬件產品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。通常，必須在數(shù)據(jù)采集設備采集之前調制傳感器信號,包括對其進行增益或衰減和隔離等。數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等總線接入個人計算機。 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡的組成數(shù)據(jù)采集卡主要由以下四個部分組成：1)多路開關多路開關將多路信號輪流切換到放大器的輸入端，以實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。2)放大器放大器將待采集的信號放大或衰減至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內。在實際系統(tǒng)中，放大器的增益通常是可調的，設計者可根據(jù)輸入信號幅值的大小選擇不同的增益倍數(shù)。3)采樣保持器采樣保持器取出待測信號在某一瞬時的值，即實現(xiàn)信號的時間離散化，并在A/D轉換過程中保持信號不變。如果被測信號變化很慢，也可不用采樣保持器。4)A/D轉換器A/D轉換器是將輸入的模擬量轉化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。隨著電子技術的發(fā)展，通常將采樣保持器同A/D轉換器集成在一塊芯片上。以上四個部分都處在計算機的前向通道上，是組成數(shù)據(jù)采集卡的主要部分。其他相關電路，如定時/計數(shù)器、總線接口電路等，也集成在一塊電路板上，以完成對信號的采集、放大及模/數(shù)轉換任務。很多數(shù)據(jù)采集卡電路板上還裝有數(shù)/模轉換器（D/A)，它處在計算機的后向輸出通道上，用于將計算機輸出的數(shù)字量轉換為模擬量，從而實現(xiàn)控制功能。 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)格及其引腳圖PCI 6221是NI公司推出的M系列低價位多功能數(shù)據(jù)采集卡，它的主要規(guī)格是：具有2路的模擬輸出，16路模擬輸入；分辨率為16Bit；采樣率為250kS/s； AI、AO通道可承受的最大電壓范圍是10伏到10伏。 PCI6221數(shù)據(jù)采集卡的引腳圖 數(shù)據(jù)采集卡與計算機的通信PCI是Peripheral Component Interconnect(外設部件互連標準)的縮寫，是Intel公司1991年推出的用于定義局部總線的標準。PCI總線是一種不依附于某個具體處理器的局部總線。從結構上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現(xiàn)對這一層的管理，并實現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設，并能在高時鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術，允許智能設備在需要時取得總線控制權，以加速數(shù)據(jù)傳送。PCI插槽是基于PCI局部總線的擴展插槽，其顏色一般為乳白色，位于主板上AGP插槽的下方，ISA插槽的上方。其位寬為32位或64位，工作頻率為33MHz,最大數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)?？刹褰语@卡、聲卡、網卡、內置Modem、內置ADSL Modem、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、電視卡、視頻采集卡以及其它種類繁多的擴展卡。PCI插槽是主板的主要擴展插槽，通過插接不同的擴展卡可以獲得目前電腦能實現(xiàn)的幾乎所有功能，是名副其實的“萬用”擴展插槽。而PCI6221數(shù)據(jù)采集卡則就是插放在PCI插槽內，連通了數(shù)據(jù)采集卡與計算機，使得計算機可以讀取采集卡所采集的數(shù)據(jù)。 本章小結以上是透射式γ射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的硬件部分。137Cs放射源提供了能量，而電流電離室則是分析放射源在入射被測物體前后，能量的損耗量。再通過微小電流放大電路，將從電流電離室出來的微弱電壓信號給予放大，再將放大后的電壓信號傳給PCI6221數(shù)據(jù)采集卡。最后用數(shù)據(jù)采集卡連接本設計的硬件部分和軟件部分。第四章 基于射線連續(xù)測厚系統(tǒng)的軟件設計 虛擬儀器簡介LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化編程語言，主要應用于數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析，以及數(shù)據(jù)表達等方面，它提供了一種全新的程序編寫方法，即對稱之為“虛擬儀器”（Virtual Instruments簡稱VI）的軟件對象進行圖形化的組合操作，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設備驅動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構筑自己在實際生產中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎條件。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，它廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所