09常用核辐射仪器介绍

1 第四章第四章 常用核辐射测量仪器介绍常用核辐射测量仪器介绍 4 14 1 概概 述述 核辐射测量仪器有多种 按照探测射线的种类 可分为 辐射仪 辐射仪 X 荧光仪等类型 一台好的仪器必须满足下面一些要求 1 探测灵敏度高 使测量结果 能够反映微弱的放射性异常 2 观测精度好 3 工作稳定可靠 4 可进行多参数测 量 5 具有一定的现场处理及成图能力 如计算 打印 绘图等 6 仪器轻便 结 构坚固 7 耗电少 8 操作简单 维修容易等 近年来 核辐射测量仪器得到了迅速的发展 采用中大规模集成电路制成的仪器取 代了晶体管型仪器 硬软件并重的微机化仪器已经出现 仪器的整机性能和功能都有 了很大提高 核辐射测量仪器式样繁多 总的特点是小型 轻便 本章将着重介绍一 些常用的核辐射测量仪器 4 24 2 辐射仪辐射仪 4 2 14 2 1 总量总量 辐射仪辐射仪 总量辐射仪 简称 辐射仪 是野外工作 如地质 放射性监测等 中广泛应 用的一种仪器 具有小巧轻便 结构紧凑 价格低廉 携带方便 操作简易等特点 它用于测量 射线 能够反映 射线的强弱 一 JB4000 型智能化 X 辐射仪 JB4000 是由上海精博工贸有限公司生产的一种便携式 智能化的 X 总量辐射仪 主要由闪烁计数器 放大器 计数器 甄别器 比较器 单片机 液晶显示器 面 板 按钮及电源电路组成 其工作原理如图 4 1 所示 2 图 4 1 JB4000 电原理框图 1 仪器主要性能 1 测量时间 仪器提供了 1s 5s 10s 20s 30s 五种测量时间 为了保证测量精度 用户 可根据 X 放射性强弱选择相应的测量时间 仪器读数均归一化为 1 秒钟的数 据 并直接以剂量率的形式显示出测量结果 对低水平的放射性场合 应选择长 的测量时间 1s 测量主要是为了适应放射性普查快速测量的要求 2 显示单位 仪器提供了 Sv h Gy h R h CPS 四种剂量率单位供用户选择 同时仪器 提供了累计剂量测量功能 以 Sv 显示累计剂量 3 报警功能 a 剂量率超阈值报警功能 报警阈值可通过键盘进行选择 仪器测量到的剂 量率大于所设定的报警阈值时 仪器发出报警 b 剂量率过载报警功能 当放射性强度大大超出仪器测量范围时 仪器发出 报警 显示器显示 OVER 字样 并切断仪器高压电源 以保护光电倍增 管不会因为剂量过高而损坏 c 探测器无信号报警 当仪器探测器故障 仪器发出报警提示 并显示 ERR 字样 d 电池欠压等报警功能 当仪器供电电池电压低于 2 2V 时 仪器显示器有电 3 池欠压提示 2 电路功能介绍 1 低压电源变换 低压 DC DC 变换器采用一片 MAX756 集成电路 该电路具有较高的电源转换效率 并具有电池欠压检测功能 电路如图 4 2 所示 MAX756 工作或停止可由计算机直接控制 MAX756 的 3 脚输出一个 1 25V 基准电压 该电压给高压电源作调节控制的参考基准 当电池电压底于 2 2V 时 MAX756 的 4 脚输出低电平给 CPU 2 高压电源变换 高压电源变换电路如图 4 3 所示 高压变换器由比较放大器 N2 振荡器 V10 B2 4 倍压整流电路 以及采样电阻等组成一个闭环负反馈控制系统 其中 R2 R17 R18 R19组成取样电路 仪器能自动稳压 V9 V15 用于让 CPU 控制高压电源 的供电电源 仪器过载时 CPU 可及时关闭仪器高压 3 放大器 放大器采用 TLE2071 低功耗高速运算放大器 放大器电路如图 4 4 所示 探测器 信号先通过 R25 C27进行微分 送 TLE2071 放大 10 倍 然后送甄别器处理 4 甄别器 具有四路甄别器 电路如图 4 5 所示 MC1403 提供甄别器电压基准 比较器采用 LM311 当放大器输出的脉冲幅度大于甄别器电压基准时 比较器输出负脉冲信号 送 82C53 或 CPU 计数 5 过载检测电路 探测器出的电路信号经过 N9 放大器积分放大后 送比较器 N10 如高于设定电压 值 则比较器输出为低电平 通知 CPU 关闭高压电源 处理器电路 处理器电路如图 4 7 所示 82C53 和 89c52 的 T1 口用于对四路甄别器输出信号进 行计数 X1 为显示器接口 X2 为键盘接口 V4 控制液晶显示器背光 V3 控制蜂鸣 器 4 图 4 2 低压电源变换电路图 图 4 3 高压电源变换电路图 5 图 4 4 放大器电路图 图 4 5 甄别器电路图 图 4 6 过载检测电路 6 图 4 7 处理器电路图 6 能量响应 NaI 晶体对不同能量的 射线响应差异较大 特别是对 40Kev 左右的低能射线 是 661Kev 的 137CS 响应的 30 倍左右 为了获得较好的能量响应性 本仪器从两个方面 采取措施来进行能量补偿 a 仪器当我用于测量 辐射剂量仪时 在晶体外包一定厚度的铅皮 来降低 NaI 晶体对低能射的响应 由于高能射线穿透能力强 低能射线穿透能力弱 所以 采用适当厚度的铅皮能较好的补偿 NaI 晶体对低能射的响应 特别是对 80Kev 以上的低能射线 基本能补偿到 30 以内 对 661Kev 137CS 但对 80Kev 以 下的射线还不能满足 30 的要求 b 通过能量分段计数 采用计算机软件来补偿 80Kev 以下的低能响应 对不同低 能射线段计数乘以响应的系数 K 来矫正 JB4000 能量响应补偿效果如下图所示 7 图 4 8 能量补偿效果图 4 2 2 2 2 能谱仪能谱仪 一 FD 3022 四道 能谱仪 FD 3022 四道 能谱仪是上海电子仪器厂研制生产的智能型放射性勘查仪器 该 仪器用于在地面同时测量地质体的在四个不同能量范围内的 射线照射量率 用以寻 找钾 铀 钍和其它矿产或研究其它有关问题 1 仪器的功能与结构 a 仪器的功能 该仪器和旧的非智能型的四道 能谱仪 FD 3003 FD 840 的功能基本相同 1 它具有四个测量道 铀道 钍道 钾道和总道 能同时测量地质体的在四个 不同能量范围内的 射线照射量率 并依次显示四个道的计数率 也能自动扣除各道 本底计数并自动运算解联立方程给出地质体的铀 钍 钾含量和总道的铀当量含量 2 它具有二个自稳道和自稳铯源 能自动跟踪谱漂移 进行硬件有源稳谱 3 仪器能方便的输入模型标定出的 10 个系数 各道的本底值和铯峰铀 钍修正 值 并能长期 关机 保存 也能方便地进行修改 4 仪器能自动进行归一化测量 铀道 钍道 钾道计数率均归一化为每 100 秒 的计数 总道计数率归一化为每 10 秒的计数 仪器测量结果用五位数字显示 显示精 度铀 钍和总道含量为 0 1PPM 钾为 0 1 5 可以通过选择开关在 15 1000 秒之间选取测量时间 仪器自动通过硬件电路 进行死时间修正 实际测量时间将跟据地质体 射线照射量率而大于所选取的测量时 间 b 仪器的结构 8 图 4 9 是 FD 3022 四道 能谱仪的方框原理图 它由信号采集系统和单片机测量 系统两大部分组成 信号采集系统由闪烁探测器 放大器 四道脉冲幅度分析器 低 压及高压直流变换器组成 单片机测量系统由单片机最小系统 显示器 稳谱电路 参 数输入电路及附属电路 电池检测 键入 告警 等组成 闪烁探测器将核幅射 射线 转换为电脉冲 电脉冲的幅度与射线能量成正比 脉冲计数率与幅射强度成正比 放大器将辐射电脉冲线性放大 成形展宽后 同时送至六个单道脉冲幅度分析器 进行幅度分析 然后信号按幅度 射线能量 分成六路分别进入六个计数器进行定时计 数 计数器将计数转变成数字信号送入单片机的数据总线 图 4 9 FD 3022 四道 能谱仪的方框原理图 单片机系统对其中的四路测量道数字信号进行运算处理 利用显示器显示出辐射 体的 U Th K 含量及总道的铀当量含量 同时单片机还对 Cs 上 Cs 下二路稳谱输入 信号进行减法处理 经过处理后通过 D A 输出一直流电压 该直流电压控制单道脉冲 幅度分析器中幅度甄别电压的大小 从而达到稳谱的目的 2 信号采集系统 FD 3022 四道 能谱仪的信号采集系统由探头 主放大器及六个单道脉冲幅度分 析器组成 a 探头 FD 3022 四道 能谱仪的探头由 75X75 的 NaI Tl 晶体 GDB 76F 光电 倍增管 自稳参考 Cs 源 直流高压变换器及前置放大器组成 其电路如图 4 10 所示 9 图 4 10 FD 3022 四道 能谱仪的探头电路 直流高压变换器由晶体管 T1 振荡变压器 B1 和运算放大器 G1 组成 T1 B1 组成的间 歇振荡器振荡产生脉冲高压 脉冲高压经变压器升压后 再经四倍压整流滤波成数百 伏的直流高压供给光电倍增管使用 G1 组成高压稳压电路 它通过光电倍增管电阻分 压网络分压而得的高压采样信号 通过能隙基准电压源得到高精度的基准电压 放大 器将这两个信号进行比较 比较后的信号再经放大后输出控制间歇振荡器开关管的基 极电流 这样一来 跟据高压的变化 控制振荡器的输出脉冲幅度就达到了稳定高压 的目的 前置放大器是由高速运放 HA 2525 G2 组成的反相放大器构成 其放大倍数为 1 它的输入电阻和输入电容组成 RC 电压脉冲成形网络 把光电倍增管的光电流转换为电 压脉冲 放大器将该电压脉冲反相并进行电流放大以便输出驱动 b 主放大器 如图 4 11 所示 FD 3022 的主放大器由高速运放 HA 2525 G1 组成 它实际上是 一个放大倍数约为 10 倍左右的反向线性脉冲放大 在放大器的输入端加有一个由 RV1 C2 和 R2 组成的极零相消的微分成形网络 在放大器的输入端和微分成形网络之 间接有电位器 RV2 用以调整放大器的输出脉冲辐度 图 4 11 FD 3022 辐射仪的主放大器电路 10 c 六道脉冲幅度分析器 FD 3022 的六道脉冲幅度分析器电路如图 4 12 所示 它由基线恢复电路 脉冲峰 值采样保持电路 控制电路和六个结构相同的单道脉冲幅度分析器构成 其中 T1 T2 和 DW1 组成了基线恢复电路 G1 G2 T3 组成了脉冲展宽电路 脉冲峰值采样保持电路 G4 G5 G6 G7 G8 组成控制电路 它除了产生脉冲展宽电路必须的门控信号 锁存 器所需要的锁存 CL 和复位 R 信号外 还向单片机 INT0 端提供死时间补偿信号 G9 G10 G11 G12 等组成六个单道脉冲幅度分析器 这些辐度分析器用于将输入辐射 脉冲按幅度分布范围分成六路分别送往各自的计数器 其中四路是测量道 另外两路 是自稳上下道 辐度分析器中 12 个辐度甄别器参考电压电路的电压源由稳谱电路的输 出来提供 以上电路的具体工作过程及原理在前面的章节中已详细予以论述 这里就 不再涉及 图 4 12 FD 3022 辐射仪的幅度分析器 3 单片机测量系统的组成 该能谱仪的主体为一个进行了一系列 I O 扩充的单片机测量系统 它在单片机最 小系统的基础上扩充了计数电路 显示电路 参数输入电路和 D A 稳谱输出电路 为 了减小电源消耗 全部系统都采用了 CMOS 器件 图 4 13 是该测量系统的电路图 该 系统的计数器对六道辐度分析器的输出分别进行计数 单片机从参数输入电路读入各测 量参数 按规定的测量条件控制整个系统的工作 它对四个测量道的计数进行运算 11 求出 U Th K 含量并显示出来 它还对两个自稳道的计数进行运算 输出数据经 D A 电路控制辐度分析器的参考电压源 达到稳谱的目的 a 单片机最小系统 该系统的单片机最小系统由 80C31 单片机 4K 字节的 ROM 27C32 及八 D 锁存器 74HC373 组成 该系统的设计为 1 系统中振荡器采用 6 144MHz 晶体 这样单片机的机器周期就为 1 953 S 2 80C31 的复位端 RESET 通过 10K 电阻接地 并通过 33 F 电容接 5V 电源 这样就实现了开机自动复位 一开启电源 仪器从 0000H 地址开始工作 3 系统仅利用了三个中断 外部中断 1 INT1 定时 计数器 1 中断和定时 计数 器 2 中断 外部中断 1 INT1 用于欠压 掉电和按键检测 其掉电及欠压检测作用和过 程如下 图 4 13 FD 3022 单片机测量系统电路图 该测量系统每次在标准模型上标定后 必须输入数据处理所必需的标定出的各 参数 而且在一段时间范围内 这些参数要长期保留使用 所以测量系统采用了掉电 保护工作方式 以便每天工作结束关电源时 仪器进入掉电工作方式 使这些参数能 得以保存 另外供电电池快用尽时 电池电压下降 这时仪器应该及时报警提醒人们 仪器仅能再工作一个很短的时间 该测量系统欠压检测及掉电保护电路如图 4 13 所示 在 80C31 的V V 脚上接有辅助电源 ED 该电源用作掉电保护内部 RAM 数据的电源 在 80C31 的 INTI I脚上接有由 G2 组成的欠压检测电路 当 5V 电压开始下降并下降到某一值时 G2 门输出为 1 产生 INT1 外部中断 单 片机接受 INT1 中断申请后 通过查寻 P1 3 是否为 1 来证实是否是由欠压或掉电产生 12 接着再查寻 P1 1 是否为零 P1 1 为 1 表明该中断由电池欠压产生 这时单片机通 过 P1 0 输出报警信号 提醒人们仪器仅能再工作一个很短的时间 若 P1 1 为 0 则表明该中断由关电源所产生 于是 80C31 立即执行掉电服务子程 序 该子程序首先使 P1 1 输出为 1 电平 电源变换器中 7555 振荡器复位端信号为 1 振荡器又开始工作 使 5V 电源回升 保证 80C31 的工作 接着中断服务子程序 又将所有要保护的数据均存入片内 RAM 子程序最后使 PCON 1 PD 置 1 80C31 进入掉 电工作状态 单片机的一切功能均停止了 只有片内 RAM 上的参数值被保留 这时单 片机功耗仅为 50 当下次开机时 开机复位电路使整个系统又开始正常工作 4 定时系统 FD 3022 四道能谱仪采用定时测量方式 这就要求仪器具有一个定时系统 所以单 片机系统将片内的两个定时 计数器都用作定时系统 定时 计数器 0 工作在 1 方式 用作一个 16 位定时器 16 位定时器在主振频率为 6 144MHz 时 最长定时时间为 S ms 仪器安排其每 0 125 秒中断一次 每中断一 次 仪器作一次最基本的工作 但仪器最长测量时间为 1000 秒 这就需要用定时 计 数器 1 来对 0 125 秒中断信号进行计数 从而确定测量时间 这就相当于将二个定时 器串联起来组成一个 32 位定时计数器 TH0 TL0 记录低 16 位 TH TL1 记录高 16 位 这样最大定时时间就达到了 8388 秒 通过拨盘改变予置入 TH1 TL1 中的予置数就可 以改变测量时间的长短 定时 计数器 1 中断就予示着测量时间的中止 电路中利用 P1 7 端口来将 T0 T1 联接起来 定时 计数器 0 每 0 125 秒中断时 中断服务子程序将 P1 7 取反 二次 T0 中断 P1 7 就输出一个脉冲 此脉冲作为 T1 定 时 计数器的计数脉冲 这样就将二个定时 计数器 T0 T1 联成了一个 32 位定时器 在系统中还利用了 INT0 端进行死时间校正 探头每输出一个计数脉冲时 辐度分 析器的控制器产生一个 INT0 外部控制脉冲 每一个 INTO 外部控制脉冲都使定时 计数 器 0 停止计时一个短暂的时间间隔 脉冲死时间 这就保证了仪器定时时间为计数的 活时间 5 扩充设备的地址分配 整个系统 RAM 和 ROM 分开编址 最小系统片外 ROM 的地址为 0000H 0FFFH 外部 扩展的显示器 稳谱 D A 计数器和参数输入电路就如图 4 14 所示的那样用线选的方 式确定了外部 I O 设备的高位地址 再配以低位地址线选通了 17 个地址 这 17 个地 址是 Th K 总道计数器高位地址 30H 配以 A0 A1 得到四个地址 3000H 3003H 13 U Cs 上 Cs 下道计数器高位地址 10H 配以 A0 A1 得到四个地址 1000H 1003H 工作方式等参数输入口高位地址 40H 显示及 D A 输出端口高位地址 80H 配以 A0 A1 A2 得到八个地址 其中 显示地址 8000H 8005H D A 输出端口地址 8006H 8007H 图 4 14 I O 设备高位地址的确定 b 系统的六道计数器 系统采用挂在数据总线上的二片 82C53 作为六个道的测量计数器 1 82C53 功能介绍 8253 82C53 是一种含有三个 16 位可编程计数器的器件 其计数速率可达 2MHz 其内部结构见图 4 15 其中 A DB 缓冲器 这是三态双向的八位缓冲器 B 读 写控制逻辑 接系统的控制信号并由此产生 82C53 内部的控制信号 系统 控制信号为 CS 片选信号 允许读 写逻辑工作 RD 8253 中计数值读往 CPU WR CPU 往 8253 计数器中装入予置值或往命令字中写入工作方式信息 A0 A1 确定 8253 的 4 个地址 14 图 4 15 82C53 内部结构图 A0A1 00 01 10 11 0 计数器 1 计数器 2 计数器 命令字寄存器 C 计数器 0 2 这是三个完全相同的 16 位可予置数减法计数器 每个计数器的工作方式和计数方 式是独立设置的 其选通和输出是由控制字所决定 它的三根功能线为 CLK 计数脉冲输入端 GATE 计数允许端 1 有效 OUT 计数溢出端 D 控制字寄存器 该寄存器的内容控制着每个计数器的工作方式 进制以及向每个计数器装入予置 值 其格式如图 4 16 所示 图 4 16 控制字寄存器 2 使用 15 在该测量系统中 二只 82C53 的 A0 A1 端均接至地址总线的 A0 A1 而 CS 端分 别通过与非门接到地址总线的 A12 P2 4 A13 P2 5 上 CS16 A12 A13 CS8 A2 A12 A13 所以 G16 的地址为 3000H 3003H 而 G8 的地址 为 1000H 1003H 二只 82C53 的六个计数器均工作在 0 方式 对通过 CLK 输入端输入 的 Th U K 总道 Cs 下 Cs 上道的脉冲进行计数 对于 U Th K 及总道 为防止 16 位计数器不够计数 特将它们的计数溢出端接至 80C31 的 P1 5 T0 P1 4 P1 6 端 通过对计数溢出端的检测来扩大计数范围 两片 82C53 的 GATA 计数允许端均接高电平 由软件控制计数的启停 当测量开始时 写控制字寄存器启动计数 测量时间刚结束时 T1 中断 单片机对每个计数器对应地址读数 将各计数器的计数值通过数据总线读 入相应的数据缓冲区 c 参数输入电路 1 系统工作方式输入接口 系统工作方式输入接口如图 4 17 所示 是一种类似行扫描键盘的接口 不过在本 系统中不是使用键盘 而是使用 K2 K3 K4 三个波断开关 键盘中的行即波段开关的 三把刀 通过 4 双向开关 4066 接至 5V 电源上 双向开关的选通信号接在地址总线的 A0 A2 上 键盘中的列即波段开关的位 它通过 8 位三态缓冲器 74HC244 接至数据总 线上 74HC244 的选通端通过与非门接至 P2 6 A15 上 图 4 17 系统工作方式输入电路 取数据 就可以了解这三个开关的设置 将异常报警 测量时间 工作方式的设置读 入工作方式寄存器 确定系统的工作方式 它与行扫描键盘的不同点在 这样三个波 段开关的地址即为 4001H 4003H 分别对这三地址读于 键盘只有在按键按下时才能 读键码 而且在 N 个键同时接通时不读键码或只读取其中一个键码 而在该系统这种方 式中每个开关始终有一位是接通的 单片机在任何时间都可以读取参数 三个开关可以 16 同时有三个点接通 可分别读取三个参数值 2 按键输入接口 图 4 18 按键参数输入电路 该测量系统在进行数据处理计算含量时 必须输入 16 个参数值 每台仪器的参数 值各有不同 而且这些参数值长期使用会发生变化 所以它不能予先写入 EPROM 而必 须每次模型标定后 通过按键输入计算机系统 该系统参数输入采用了键盘中断的方 法 INT1 接口电路见图 4 18 在 80C31 的中断输入端 INT1 上接有三个中断源 电源检测 显示按键 AN2 和测量 按键 AN1 为区分引起同一中断的三个中断源 系统又增加了二根查询线 P1 3 P1 2 当 INTI 中断申请时 通过查询 P1 2 P1 3 的状态就分清了是那一个中 断源引起的中断 80C31 内部软件对三种不同的中断有不同的响应 电源中断是用于电池失效及掉电 检测 当电池容量够时 A 点为 1 电平不引起中断 当关断电源或电池容量不够时 5V 电压约下降至 4 4V A 点电位变为 0 产生电池失效或掉电中断 系统作出相应的 响应 显示按键 AN2 引起的中断从 0 9 顺序改变输入参数值 测量按键 AN1 引起的中 断顺序改变输入参数数位和输入参数种类 d 显示接口 该系统采用静态 LCD 显示方法 六位笔划 LCD 显示器分别接在六块供驱动液晶显 示用的 BCD 码七段锁存 译码 驱动器 74HC4543 上 六块 74HC4543 的 A B C D 端 BCD 码输入端 直接接在系统数据总线的 D0 D3 上 所有 74HC4543 的 PH 端都接在由 555 组成振荡器的输出端上 用于交流驱动 LCD 每块 74HC4543 的选通脚 LD 分别接在 三 八译码器 74HC259 的各个输出端 74HC259 和我们熟悉的三 八译码器 74HC138 基 17 本相同 仅译码输出信号为正 138 138 输出为负输出为负 和 和 138138 一样一样 74HC259 的选通 输入端 A B C 接在地址总线的 A0 A2 上 片选端 G 接在 P2 7 A15 上 译码输出 Y0 Y5 接至六块 74HC4543 的选通端 这样六位显示器的地址就是 8000H 8005H 对这 六个地址写入欲显示数码的 BCD 码 地址就选通了数位 数据 BCD 码 从数据总线锁存 到了各锁存器 经译码 驱动 LCD 显示器选中位就显示出 BCD 码对应的数码来 e D A 稳谱接口 为了稳谱 系统在数据总线上挂了一片 12 位的 DAC1232 作为 D A 稳谱 图 4 19 DAC1232 逻辑功能及管脚图 输出接口 DAC1232 的逻辑功能及管脚见图 4 19 它在测量系统中的联接见图 10 2 5 它的 WR1 WR2 端接 80C31 的 WR 端 它的 CS BYTE1 BYTE2 XFER 端接三 八择码 器 74HC259 的 Y6 Y7 端 这就确定了 DAC1232 的高八位地址为 8006H 低四位地址为 8007H D A 的参考电压由能隙基准电压源 MC1403 通过一个电压跟随器提供 仪器工作时 单片机将自稳上 下道 Cs 上 Cs 下 的计数相减 得到一个 12 位 的差值信号 并将 12 位差值信号中的高八位写进 DAC 的 8006H 地址 将差值信号中的 低四位写进 DAC 的 8007H 地址 DAC 的 Iout1 Iout2 就输出与 12 位差值信号成正比的 互相反相的二个模拟电流 经运算放大器合成就得到了与之相对应的模拟电压 该模 拟电压作为稳谱控制信号一方面去驱动表头显示 另一方面去作为脉冲辐度分析器参 考电压的基准电压源 仪器工作发生谱漂移时 自稳上下道的计数发生变化 12 位的差值信号及 D A 的 模拟输出也就发生了相应的变化 该模拟输出的变化调整了辐度分析器各甄别阀值 从而达到稳谱的目的 4 系统软件说明 a 系统资源使用及地址分配 1 中断源的使用 A 计数 定时器 0 中断 每 0 125S 中断一次 用以产生时间基准信号 18 B 计数 定时器 1 中断 它对定时 计数器的中断计数 用以控制测量时间 每 次测量结束它都申请中断 C 外部中断 1 此中断由三个中断源通过硬件相加而成 A 掉电中断 关电源时产生 B 测量键中断 C 显示键中断 2 地址分配 A 外部 I O 口地址 6 片 4543 用作显示器接口 地址为 8000H 8005H 1 片 ADC1232 用作稳谱电压输出接口 地址 8006H 8007H 2 片 82C53 用作六道计数器接口 地址 1000H 1003H 300H 3003H 1 片 244 与 4066 配合用作三个波段开关接口 地址 4001H 4004H B 片内 RAM 地址分配 00H 07H BAK0 寄存器区 0 08H 0FH BAK1 寄存器区 1 10H 2EH STACK 系统堆栈 30H 33H FACC 浮点累加器 34H 3AH FREG 浮点运算器 3BH 3DH DISP 显示缓冲区 3EH 3FH 总道计数 40H 4BH U Th K 总 四道计数率 4CH 4FH U Th K 总 四道溢出位 50H 51H 钍道计数 52H 53H 铀道计数 54H 57H STEP 运算缓冲 58H 59H 稳谱值 5AH TIME 时间单元 5BH 5DH R1 铀道系数 5EH 60H R2 铀道系数 61H 63H R3 铀道系数 64H 66H T1 钍道系数 67H 69H T2 钍道系数 6AH 6CH T3 钍道系数 19 6DH 6FH K1 钾道系数 70H 72H K2 钾道系数 73H 75H K3 钾道系数 76H R4 铀道稳谱系数 77H T4 钍道稳谱系数 78H R0 铀道底数 79H T0 钍道底数 7AH 7BH K0 钾道底数 7CH 7DH 0 总道底数 7EH 7FH 钾道系数 C 数据格式 仪器采用四字节浮点数运算 第一字节为指数 第二字节为尾数高字节 第三字 节为尾数中字节 第四字节为尾数低字节 指数与尾数用补码形成存放 b 流程图 1 主程序流程图 图 4 20 主程序流程图 2 外部中断 1 服务子程序 图 4 21 外部中断 1 服务子程序 3 计数 定时器 0 中断服务子程序 20 图 4 22 计数 定时器 0 中断服务子程序 4 计数 定时器 1 中断服务子程序 21 图 4 23 计数 定时器 1 中断服务子程序 4 2 34 2 3 测井仪测井仪 FD 3029 闪烁 测井仪是东华理工学院和上海电子仪器厂联合研制的一种智能型总 量闪烁 测井仪 它主要用于地面或坑道钻孔中的放射性 强度测量 它既可以确 定铀矿床的矿石品位 也可以用于放射性方法测量地下水情 它还可以用于井下划分 地层和进行测体重和射气系数的研究 一 仪器功能 1 自检功能 仪器能自动检查本身工作是否正常及性能的好坏 1 仪器开机后先自动进行自检 首先红绿指示灯轮流闪烁三次 其后顺次显示 00000 99999 并伴随十声蜂鸣器响声 最后显示仪器内保存的最后一次测井资料的 日期批次号 如果接有打印机 则同时打印出这个日期批号 依次完成了以上操作 就证明仪器工作正常 22 2 仪器重复性和稳定性的检定 本仪器能无人值守 全自动地完成仪器重复性及 8 小时稳定性的检定任务 仪器开机自检 输入日期和测量条件后 按下 检定 键 仪器便开始检定工作 仪器自动连续工作八小时 每小时测一组数据 每组数据测 20 次 测完一组数据后 仪器自动打印及显示出这 20 个数的平均值和重复性 重复性计算公式如下重复性计算公式如下 第 8 小时的 20 个数据测完后 仪器除了打印和显示本组数据的平均值和重复性外 还要打印和显示出 8 小时总平均值和仪器 8 小时的稳定性 稳定性计算公式如下稳定性计算公式如下 2 测井功能 测井是本仪器的最基本功能 在完成自检过程并输入新的测量日期 批次号和测 量条件 井底深度 测点距 要求精度的计数率 后 即可进行测井 测井有连测和点测两种启动方式 点测 键每按一次便进行一次测量 连续 键 按一次后便可连续测量 每次测量之间间隔 5 秒 每次测量过程中 仪器显示内容为 当前测点的井深位置 每次测量结束后 仪器显示本次测量结果 CPS 为保证精度 仪器自动调整小数点 当 CPS 256 时 以整数形式显示 当 CPS 在 1 00 255 99 时 显示出小数点后两位 当为纯小数时 显示四位小数 仪器中可保存 2600 个测点的数据 当一次测井 一个日期批次 数据达到这个限度 时 仪器便会提出告警 操作者应及时结束本批次测井工作 只有在这批数据回放到 计算机中 或打印出来留底 后 方可进行下一批次的测井工作 否则这批资料就会被 新的测井数据所复盖 3 检索测井资料功能 检索功能用于查阅测井中已经获得的数据 1 在测井过程中可以检索本批次的测井数据 按下 检索 键后 操作者可输入 检索起始井深 再用回车键来逐一查看测井记录 显示器依次显示每测点的井深位置 再显示该测点的 CPS 值 2 在开机完成自检后的基本状态下 可以检索仪器内现存的全部测井资料 先 输入需要检索的资料的日期和批次号 然后按下检索键 再输入起始井深即可用回车 键来一一阅读测井数据 4 测井解释功能 在测井过程中按下 解释 键 即可对点距加密为 0 1 米的异常地段 每段加密测点 数不少于 11 点 进行现场解释并将结果打印出来 打印的每行数据内容为 井深 间隔 符号 含量 单位为是 0 01 现场解释时未进行任何修正 若要高精度解释可在 返回基地后将资料回放给通用微型计算机来处理 5 数据回放功能 23 返回基地后 本仪器可以串行通讯方式将资料回放给通用微型计算机 也可通过 专用并行接口将资料回放给 PC 1500 袖珍计算机 6 标定仪器系数 仪器可以半自动地完成的标定过程 操作者只需完成放射源的调整和测量的启动工 作 仪器就自动完成测量 计算 打印的任务 标定出的系数自动存入仪器 标定过程中共测七组数据 每组十次 求其平均值 第一组为本底计数 以后六 组为不同放射照度率下的计数 各组放射照度率调整如表 4 1 表 4 1 标定放射照度率位置表 组号 1234567 hkgnC 010501002505001000 相当于 038 76193 8387 696919383876 7 测模型功能 本功能共采用四个模型 铀模型 钍模型 钾模型和零值模型 编号为 1 2 3 4 仪器开机自检 输入日期及测量条件后 按下 模型 键 即进入测 模型工作方式 先依次输入各模型含量再进入测模型工作 每个模型测完 20 次以后 显示出平均 CPS 四个模型依次测定完后 仪器用五次叠代算法求出 Ku Kth Kk 和仪 器本底 No 并依次显示 同时全部原始数据和运算结果都会打印出来 8 错误提示功能 本仪器有较强的容错能力 一般的误操作并不会引起不良后果 当出错时 显示 器显示报警码 提示错误类型和处理方法 报警码 意 义 对 策 0 非法按键操作 按回车键解除报警 1 输入数据格式或范围不合理 继续输入正确的数据 2 仪器未标定或标定结果不合理 及时进行标定 3 尚未设定井深和点距 设定井深和点距 4 打印机失效 或未安 安上打印机 5 日期批次号与过去资料重复 设定新的批次号 6 本批测井数据太多 及时结束本次测井工作 7 未找到指定日期批次的测井资料 修改日期批次号 8 EEPROM 写入出错 电池电压太低或 EEPROM 损坏 及时更换 二 仪器的硬件组成 FD 3029 闪烁 测井仪的硬件由探头和操作台两大部分构成 图 4 24 是它的结构 24 框图 它主要由探头和操作台两大部份构成 探头和操作台之间用几百米长的电缆联 接 探头起信号采集作用 操作台起控制和信号处理作用 图 4 24 FD 3029 闪烁 测井仪的结构框图 图 4 25 FD 3029 测井仪探头电路方框图 1 探头 图 4 25 为 FD 3029 闪烁 测井仪探头电路的方框图 它主要由低压电源 高压电 源 闪烁探测器 前置放大器 整形电路及脉冲均衡电路组成 闪烁探测器由 23 40 的 NaI Tl 晶体和 GDB 23 光电倍增管组成 它将地质体的 辐射转化为电 脉冲 再经放大 成形 均衡后输出 1 低压电源 测井仪为克服电缆电阻的损耗 采用了井下电池供电方法 为此在探头中设计了 遥控的低压电源 其电路如图 4 26 这是一种间歇振荡式低压直流 直流变换器 其中 T1 为遥控电源开关 只要有遥控信号时 无论是 8V 还是 8V T1 都饱和导通 电源变 换器开始工作 T2 是振荡晶体管 通电后它即自激间歇振荡 振荡信号通过变压器再 整流滤波为 8V 和 8V 直流输出 FO12 为稳压部件 它的同向输入端通过恒流源和稳压 25 管取得参考电压 反向输入端通过分压电阻得到取样电压 经过比较放大 它的输出 控制 T2 的工作点 从而稳定输出直流电压 图 4 26 FD 3029 探头的低压电源 2 高压电源 探头的高压电源也是一种普通的间歇振荡式高压直流 直流变换器 它的电原理图 如 4 27 其工作原理和低压电源的工作原理一样 不同点在于输出通过变压器升压后 再通过四倍压整流滤波输出 它和其它仪器的高压电源不同点在于测井仪计数率高 在高计数率时 光电倍增管最后几级倍增级电压会发生变化 所以稳压部件的取样电 压不能通过光电倍增管分压网络来取得 而必需通过自己的电阻取样网络来获取 图 4 27 FD 3029 探头的高压电源 3 前置放大器 前置放大器如图 4 28 所示 由脉冲形成电路 成形电路 放大电路三部分组成 26 图 4 28 FD 3029 探头的前置放大器 A 脉冲形成电路由 T1 T2 T3 T4 组成 这四个晶体管组成了一个分立元件的 运算放大器 这个运算放大器通过输入电阻 R1 和反馈电阻 R2 构成了闪烁探测器的电 流脉冲成型电路 B 成形电路由 C1 C2 R L1 组成 这是一个集中参数的脉冲成形电路 它崐崐 将尖辐射脉冲成形为钟型脉冲 C 放大器由 T5 T6 T7 组成 这是一个电压串联负反馈电路 其放大倍数由 R4 R5 决定 大约为 7 倍 4 整形电路 图 4 29 FD 3029 探头的整形电路 如图 4 29 所示 FD 3029 探头的整形电路由基线恢复电路和电压比较器组成 D1 D2 组成了一个简单的基线恢复电路 SF311 电压比较器组成了一个脉冲整形电路 改变 R1 的大小就改变了电压比较器的触发电压也就是仪器的能量甄别阈 5 脉冲均匀电路 为防止长电缆传输带来的死时间形成的漏计 探头中设计了脉冲均匀电路 其结 构如图 4 30 所示 它的功能是用以保证探头输出脉冲间隔大于电缆传输产生的死时间 脉冲均匀电路由分频电路 信号源 计数器 驱动器组成 27 图 4 30 FD 3029 探头的脉冲均匀电路 A 分频电路 为减少高强度时电缆对信号的堆积 仪器探头中用 D 触发器设计了 2 分频电路 当低计数率时 控制信号为 8V T1 T2 晶体管饱和 门 2 关闭 门 1 打开 探头信号 不分频直接送往下一级电路 当高计数率时 控制信号为 8V T3 T4 晶体管饱和 门 1 关闭 门 2 打开 探头信号 2 分频后送往下一级电路 B 信号源 为产生均匀时间间隔脉冲 电路中设计了一个 RC 定时的门电路振荡器 其振荡频 率约为 90KHz 这就决定了探头输出脉冲最小时间间隔约为 12 s 振荡器输出的方波 经微分后再经过单稳态电路整形后输出 C 计数器 探头中用一个可逆计数器 C186 和输出门组成了脉冲均匀电路的核心电路 可逆计 数器的加法输入端输入分频器输出的脉冲 减法输入端输入信号源输出脉冲 计数器 不断对闪烁探测器的输出脉冲进行计数 当有计数时 译码输出为 1 打开输出门 一 个信号源的脉冲通过输出门输出 该输出脉冲一方面通过驱动电路输送给操作台 另 一方面又输送给可逆计数器的减法输入端 使其计数减一 当计数器计数为零时 译 码器输出为零 输出门封锁探头无脉冲输出 这样一来 通过驱动电路输送给操作台 脉冲的计数率和闪烁探测器的输出脉冲计数率一致 但其输出脉冲的最高计数率和最 小时间间隔由振荡器的振荡频率 约为 90KHz 决定 在高计数率时 闪烁探测器输出的 随机辐射脉冲被脉冲均匀电路均匀成计数率不变但时间间隔基本一致的脉冲 28 6 驱动器 驱动器由单稳态电路和互补射级跟随器组成 见电路图 4 31 为减小电缆传输的 死时间 单稳态电路将计数器输出脉冲整形为 10 s 的脉冲 该脉冲再经微分电路微 分 互补射级跟随器电流放大成双极性的脉冲后输出 图 4 31 FD 3029 探头的驱动器 2 操作台 FD 3029 测井仪的操作台由主放大器和单片机系统组成 它完成对整个仪器的控制 管理 对探头输出信号的加工处理和最后有用信号的储存 输出 1 主放大器 主放大器由电缆匹配电路和两级放大器构成 图 4 32 是它的电路组成 图 4 32 FD 3029 操作台的主放大器 A 电缆匹配电路 电缆匹配电路由电阻分压网络构成 电缆长度不同 选用不同阻值的分压网络使 主放大器得到的信号得以均衡 B 第一级放大器 第一级放大器由 T1 T6 晶体管构成 T1 T6 晶体管构成一个运算放大器 该运算 放大器又构成了一个同相放大器 其放大倍数由电阻 R1 R2 决定 C 第二级放大器 第二级放大器由 T7 T9 晶体管构成 这三只晶体管构成了一个电压串联负反馈电 29 路 该放大器的放大倍数由 R3 R4 决定 为了使该放大器输出信号能直接送入单片机 系统 第二级放大器的输出端接由一个和单片机系统电源一致的单稳态整形电路 其 输出脉冲宽度约为 3 s 2 单片机系统 FD 3029 测井仪的单片机系统和上一节介绍的通用核物探仪器数据采集器的单片机 系统结构类似 它由单片机 80C31CPU 程序存储器 2764 数据存储器 EEPROM2864A I O 口 8155 及高速 CMOS 门电路 74HC273 74HC138 74HC373 CD4053 74HC00 LB1284 LM339 组成 电路中还配有 显示器 LCL003 LCL004 和 MODEL 41 轮式打印机 80C31 单片机的 P1 口接有一个 4 4 的小键盘 用以操作和输入各种参数 T0 口 接收从主放大器输送过来的辐射脉冲 P3 2 P3 3 P3 5 端口接有 LM339 及发光二极 管用于掉电及欠压检测和指示 P3 1 端口接有一个由 CD4053 构成的 RS 232 通信接口 CD4053 电源变换用的驱动脉冲和声响报警共用一个信号源 即 RC 定时的 CMOS 门电路 构成的振荡器 系统的外部设备由线选和 74HC138 译码来确定 2864A 由 P2 7 口通过反相器来选 通 这就决定了其地址为 8000H 9FFFH 81C55 的IO MIO M由 P2 0 选通 CE 片选端由 P2 6 通过反相器来选通 这就决定了其 RAM 地址为 4000H 40FFH 其 I O 口地址为 4100H 4105H 138 的片选接 80C31 的 P2 7 A16 A B C 接 P2 0 P2 1 P2 2 这 样就决定了各外部设备的地址 五位显示器的数据锁存端 LE 分别接 Y2 Y6 这就决定 从万位到个位其地址为 2200H 2300H 2400H 2500H 2600H 2500H 74HC373 的选通 端接 Y7 这就决定了与 PC 1500 计算机通讯口的地址为 2700H 显示器和 MODEL 41 轮式打印机由 81C55 来控制 81C55 的 PA 0 PA 4 控制显示器 的亮 灭 1 0 PB 0 PB 4 控制显示器小数点的亮 灭 0 1 PA 7 控制了声响报警 PB 6 PB 7 通过 LB1248 控制打印机马达和磁铁 PC 0 PC 2 用于检测打印机的 R T t 信号 三 仪器的软件结构 1 资源及地址分配 A 资源分配 计数 定时器 0 CTC 0 用于对辐射脉冲进行计数 在高计数率 计数大于 65536 时 利用定时器 0 中断和内部 RAM 35H 对定时器 0 的溢出进行计数 计数 定时器 1 CTC 1 用于系统定时 INT1 外部控制计数 定时器 1 工作 用于死 30 时间补偿 外部中断 0 INT0 用于掉电检测及保护 串行口用于 RS 232 通信 l35 B 地址分配 外设地址 8155 RAM 4000H 40FFH I O 命令字 4100H PA 口 0 4 小数点 7 声响报警 4101H PB 口 0 4 字亮灭 6 电机 7 磁铁 4102H PC 口 0 3 状态检测 4103H 2864A EEPROM 8000H 9FFFH PC 1500 计算机通信口 7000H LCL004 显示器 2200H 个 2300H 十 2400H 百 2500H 千 2600H 万 内部 RAM 0EH 0FH 总测点计数 10H 0FH 浮点工作区 20H 23H 系统状态标志 25H 27H 显示缓冲区 28H 29H 工作指针 2AH 2CH 8155 口缓冲区 2DH 2FH 浮点累加器 30H 32H 点距 井深 33H 34H 5AH 日期批次 3AH 3CH 显示暂存器 3DH 3FH 显示值 40H 45H 浮点工作区 46H 47H 检索指针 48H 49H 解释起点指针 4AH 4BH 解释起点井深 4CH 4DH 异常数起点指针 50H 51H 动态井深 检索 52H 53H 异常数起点井深 54H 55H EEPROM 写入指针 58H 59H 测量条件 5BH 定时 5CH 打印提示符 寻找对象 5DH 键令 5EH 5FH 系统时钟 60H 测量次序号 61H 测量组号 检定小时 62H 63H 检定分 秒 60H 65H 浮点工作区 66H 写 EEPROM 许可 68H 7FH 堆栈区 2 软件结构 FD 3029 测井仪的软件由自检软件 监控软件和数据处理软件组成 A 自检软件 FD 3029 测井仪的自检软件和前一节的数据采集器的自检软件基本 相同 31 开机时 它驱动显示器显示 00000 99999 以检查 CPU ROM 和显示器的好坏 接 着它查询 EEPROM 中最后一次测井资料的时间 并显示和打印出来 以检查 EEPROM 及 打印机的好坏 B 监控软件 FD 3029 测井仪的监控软件和通用数据采集器的监控软件类似 图 4 33 是它的监控软件结构图 FD 3029 测井仪的监控软件比通用数据采集器的监控 软件扩充了很多功能 扩充的功能如下 键盘 为方便操作 FD 3029 使用了 4 4 的小键盘 采用了定时读键的方法 整个 仪器仅分为两个状态 用状态键切换 读键后在不同的状态调用不同的模块 打印模块 通过 81C55 控制打印机打印测量结果 显示模块 扩充为五位显示器 每一位的亮 灭 小数点的亮 灭都通过