摘 要:研究环境温度对闪烁探测器中闪烁晶体、光电倍增管、电子器件的影响,分析影响因素,利用单辐射源发射双探测器接收的测量方式进行测量;同时在主控系统中加入温度补偿算法,对受环境温度产生影响的闪烁探测器进行弥补,从而减小温度影响,提高闪烁探测器的测量精度、稳定性。
1 引言
随着科学技术的不断深入发展,核技术作为一种特殊技术领域,最近几十年有较大发展并在各领域得到广泛应用。核技术已成功应用于工业、医药、石油、化工、农业、环保等多个行业。随着自动控制技术的发展和自动化水平的提高“,同位素仪表”在工农业生产自动化过程控制中,对生产中的质量控制、提高生产效率和安全生产发挥了重要作用,体现出了良好的应用前景,并逐步形成稳固的地位。
闪烁探测器是目前使用最广泛的核辐射探测器之一,闪烁探测器是微光测量,特别是极限微弱光探测技术的重要探测器。它具有分辨时间短、探测效率高等优点.因此,在很多领域中用闪烁探测代替了其它探测器。
由于同位素检测仪表大多应用在环境条件恶劣的现场,尤其在工业现场较为恶劣的环境中应用时,现场参数变化大(如温度、湿度、其它干扰等),昼夜温差和季节温差的变化幅度相当大,有时这种变化幅度会高达 20～30℃,所以同位素仪表中的闪烁探测器会受到环境温度的 影响,如不采取相应的温度补偿措施会给测量带来极为不利的影响,导致测量的不稳定,使测量精度大大降低,严重的情况下会造成无法正确测量。
本项目正是针对上述问题而提出的,项目主要为了减弱环境温度因素给测量造成的影响,增强闪烁探测器在测量及使用中的稳定性和可靠性。提升同位素核仪表在使用过程中的竞争力。本项目就是针对闪烁探测器在测量形式及结构等方面进行优化没计, 并加以补偿,提高测量精度及稳定性。
2 测量和控制原理
2.1 闪烁探测器组成及工作原理[1]
闪烁探测器由晶体、光电倍增管、分压电路、运算放大器、壳体组成.射线照射到碘化钠晶体上,碘化钠晶体即发出闪烁的可见光,这种可见光被光电倍增管接收,经逐级倍增放大最终形成电脉冲信号,经过放大输出给单片机做运算处理.见图 1。
2.2 控制原理
在相同环境条件下,辅探测器只接收放射源发射来的信号, 信号经过放大处理后, 送入单片机。主探测器接收与物质作用后的射线, 信号经过放大处理后,也送入单片机。由于辅助探测器只接收来自放射源的脉冲, 因而其接收脉冲能力和数量变化, 受环境因素(温度、湿度等)影响大,其它因素影响较弱。基于此,可以认为主探测器和辅探测器在相同环境条件下时, 辅探测器的性能变化, 主探测器也相应表现相同或相似性能.主探测器和辅探测器传送给单片机的脉冲,经过数据处理,数学建模等运算处理,温度等其它共同影响因素可被消除掉,从而达到减弱温度因素影响,提高测量精度和准确性的目的。补偿形式如图2 和图 3 所示。
图中数字标识介绍:
1: 放射源及容器; 2: 辅探测器; 3 : 主探测器;
2.3 函数表达
由射线理论可假设射线与物料存在如下函数关系:
N = f(A)
在实际应用中,主探测器除接受与物料作用的射线产生一定的脉冲计数率以外,还要受到环境温度变化的影响, 这可用下面的公式来表达:
3 电路设计
3.1 电路单元简介
物位计采用以单片机 C8051F410 芯片为核心并加上相应外围电路构成,见图 4。
3.1.1 传感器
采用集成放大器 TLV2624 为核心元件构成的振荡器电路。由于传感器是整个仪表的核心,其性能的好坏直接关系到仪表的测量指标。这里对测量影响最大的因素就是温度。
为此,选择了温漂较小的集成放大器 TLV2624,其工作温度是 -55℃～125℃,电压温度漂移 7uV/℃。另外振荡器的周围元件的阻容搭配也很关键,通过试验,电阻采用的是 270-300ppm 的负温度系数电阻,电容是采用温度特性最佳的云母电容。
3.1.2 单片机[2～5]
C8051F410 单片机的性价比很高,片内含 32KB 闪速可编程 / 擦除存储器,2304BRAM,24 个 I/O 口,4 个1 6 位定时 / 计数器, 1 6 位可编程计数器阵列, 6 个捕捉 / 比较模块, 可满足控制仪表要求。它主要实现以下功能:
a) 为系统测量提供精确的定时器;
b) 通过计数器 T 0, T1 分别获取探测器信号, 并将其进行数据处理;
c) 控制显示芯片 zlg7289 的工作。
d) 在面板上提供按键功能, 以便进行数据修改和存储。
e) 输出继电器和指示灯控制信号。
f)提供在线编程端口。
f) 模拟 I2C 接口,控制数据掉电保护芯片、温度控制芯片的工作。
3.2 仪表电磁兼容
仪表有时会在带有强静电的场所中使用,如果不采取保护措施就会造成仪表损坏。即使是一般的尖脉冲噪声的突入,也会引起电子设备及电脑的误动作,甚至造成设备本身的损坏。因此,抑制消除这种干扰是必要的。为此采用了TVS 瞬态电压抑制器,消除雷电干扰及防止静电的产生,从而改善保护了电子线路的特性,极大的提高电子设备的可靠性和使用寿命,用以确保产品的高质量。
4 软件流程
编程思想:采用自顶向下的程序设计思路,模块化编程和结构化编程相结合的思想,仪表在功能上实现了自诊断,自修复等一些实用性操作,在自诊断程序中涵盖了 ROM,RAM,开机,总线,输入通道以及周期性自检等多方面的检测,保证了仪表的可靠性使用。在数据处理方面,采用算术平均值滤波法,以保证测量的准确性,同时也保证了仪表工作时的稳定性.
5 结束语
本文所介绍的单辐射源发射双探测器接收的测量形式,有效的降低了环境温度对闪烁探侧器的影响。采用这种方法研制的仪表结构简单、体积小、可靠性高、维护量小、造价低。工业现场应用实践表明,其较好地解决了环境温度对闪烁探测器的影响,使得仪表的稳定性和测量精度大大提高。温度稳定的闪烁探测装置的出现,将在一定程度上改变工业应用现场目前存在的状况,其应用前景非常广泛。
参考文献:
[1] 丁富荣等.辐射物理[M].北京:北京大学出版社,2004.
[2] 李华.MCS-51 系列单片机实用接口技术[M].北京:航空航天大学出版社,1993.
[3] 王克义,王均.硬件、软件及接口技术教程[M].北京:清华大学出版社,1998.
[4] 马忠梅,籍顺心.单片机的 C 语言应用程序设计[M].北京:航空航天大学出版社,1998.
[5] 陈小忠,黄宁.单片机接口技术实用子程序[M].北京:人民邮电出版社,2005.
作者简介:张鹏达(1981-),男,助理研究员,研究方向:自动控制。
