一種新型便攜式X光機的研究

陳 通,王 輝,石端虎,王海生

（ 徐州工程學院 機電工程學院，江蘇 徐州221008 ）

在無損檢測領域，采用X射線進行檢測是必不可少的手段，80年代以前采用的是傳統工頻X線機，其工作頻率為50～60 Hz，這類機器結構笨重，輸出效率低，故障率。隨著社會技術的發展，高頻逆變技術的引入，使得傳統的工頻技術得到了挑戰，原來射線質量不高，重復性、線性不好的現象得到了改善[1]。然而，目前市場上的大部分產品為適用于保安、海關等部門安全檢查的大型設備，價格都很昂貴，不利于推廣應用。

為應對便攜高效的野外檢測要求，便攜式X光機在工業無損檢測領被廣泛研究并應用。便攜式X光機由于在野外特殊工作條件下使用，必然無法向其提供可靠的交流市電電源，電池組的使用就成為便攜式X光機的關鍵技術。電池組的設計和選用,其尺寸和重量不能太大,并且需要能夠滿足耐受峰值20 A左右的中頻（20 kHz以上）脈沖電流[2]，高壓發生器設計和控制驅動電路輸出24 V以上的直流電源的要求。

本課題所研究的一種新型便攜式X光機是在現有的小型X光機的基礎上加以改進并做進一步數字化研究的新產品。采用PC上位機程序窗口控制和圖像數據分析。電源方面，采用以LTL-D10000鎳氫電池組作為電源能源。圖像采集方面，采用以CCD高頻攝像機及圖像采集卡模塊進行采樣。同時，設計了便于折疊和檢測的便攜式機械結構。該新型便攜式X光機在野外環境檢測方面具有便攜、數字化等優勢，且價格低廉，便于推廣。

1 電源及控制模塊

1.1 X光機鎳氫型電源電池組充電電路

為了滿足野外特殊工作環境，在電源儲備方面需盡量采用容量大、質量輕、尺寸小的電源。本設計采用四對12VLTL-D10000型鎳氫電池組。

X光機鎳氫型電源電池組充電電路如圖1所示。經過4個IN4007整流二極管組成的整流橋，220 V交流電壓轉變為200 V直流電壓，為振蕩電路供電。電流經過振蕩電路轉變為大小和方向都隨周期發生變化的交流電流。變壓器初級L1所加載的交流電壓經變壓器次級L3轉化產生脈沖電壓，通過T318E二極管的整流和10μF的電容濾波電路獲得18～19 V直流半波電壓，控制電流在500～600 mA，可用于對12 V-10 000 mAh鎳氫電池組充電。

在對鎳氫型電池組充電時，需根據LED燈的點亮情況通過控制按鈕S1-S4實現4組電池組的逐一充電。電池組充電飽滿測量反饋電路的信號控制每組電池組所對應LED燈的點亮。鎳氫電池組充電時，若電壓過低，電流過大均會使電池組溫度升高，產生過熱現象。反饋電路利用成熟的電壓負壓反饋取樣方法，在此不做過多說明。

1.2 X光機射線源燈絲驅動電路

X光機野外工作當中，鎳氫電池組提供穩定的12 V直流電壓。為滿足工作要求，設計如圖2的X光機射線源燈絲驅動電路。采用TL494芯片為核心元器件的電路產生脈沖。X關機射線源工作時，隨著開關閉合的變化，產生的電壓和電流的瞬時變化峰值會對電池組產生沖擊和損壞。為降低電壓和電流的尖峰，在電池組的電源輸出端并聯560 μF的電容。芯片TL494的1N+腳、2N+腳、N-腳、2N-腳分別為兩個誤差放大器的同相輸入端和反相輸入端，芯片TL494輸出的頻率由CT腳、RT腳上的電容和電阻的大小決定[3]。其頻率表達式為:

圖1 鎳氫型電源電池組充電電路Fig.1 Charging circuit of Ni-MH power battery pack

圖2 燈絲驅動電路Fig.2 Drive circuit of the filament

此電路需獲得20 kHz的電壓脈沖，電容C2的容量選擇22 μF，R3采用20 kΩ的可變電阻。

由芯片TL494組成的脈沖振蕩電路產生的20kHZ的觸發脈沖，加到場效應管20N60S5的柵極。脈沖為高電平時，場效應管觸發導通，電流從變壓器的原邊繞組流向地，電能轉化為磁能被儲存在變壓器當中，在變壓器的原邊繞組產生電壓。脈沖為低電平時，場效應管關閉截止，原邊繞組上的電流為零，電壓為上負下正，與場效應管導通時相反。

變壓器作為感性元器件，在開關截止的瞬間會在源級線圈兩端產生較高的反向電動勢，對場效應管產生損傷。設計IN5408二極管、C4電容器、R10電阻組成的吸收電路，開關瞬斷時產生的反向電動勢將加載在電容器兩端，為電容充電，吸收電路將能夠有效地降低反向電動勢的上升速率和峰值。

為獲得滿足X光發射所需的數十千伏的高壓要求，并將交流電轉化為直流電，需利用倍壓整流電路，通過其并聯充電，串聯放電來獲得比輸入電壓高N倍的效果。倍壓整流電路主要元器件為高壓電容和高壓二極管。經升壓變壓器升壓的交流電壓，L2上的電壓達到E，在升壓器的次級線圈處于正半周期時，D3導通，D4截止；電源電壓經過D3向電容C5充電，將電容C5上的電壓充到接近L2上的電壓峰值，并基本保持不變。L2為負半周時，二極管D4導通，D3截止。此時，C5上的電壓Uc5＝與電源電壓E串聯相加，經D4對電容C6充電，將電容C6上的電壓充到接近電壓峰值，依次類推，只要將負載接到響應電容組的兩端，就能夠得到相應的多倍壓直流輸出，最后的輸出電壓為：

n為倍壓級數，U2為變壓器副邊峰值電壓[4]。

倍壓電容的容量選定對電源影響較大，容量越大，容性負載性越強，對場效應管要求越高。容量太小又不能達到額定功率輸出。電容量的選取可參考如下公式：

其中RL為額定輸出電壓和額定輸出電流下的等效負載電阻，n為倍壓器倍壓級數，T為信號周期[5]。實際使用時，RL取值為：

通過實驗測試，電路倍壓器的級數選擇6級，電容采用20 KV、2 000 pF引線式高壓薄膜電容，二極管采用高反壓硅2CGL-25KV；升壓變壓器采用UU15 - A型鐵氧體磁芯[6]，初次級線圈匝數比設計為20:2 000。

2 CCD圖像采集模塊

采用先進的電荷耦合CCD傳感器件和圖像處理芯片組成圖像采集模塊。CCD傳感器件有效光敏單元為752 H×582 V,水平分辨率600線，垂直分辨率400線。場頻50 Hz，幀頻25幀/秒，能有效地保證影像增強器輸出圖像真實再現；高靈敏度特性保證了實時監測圖像的真實顯示。

本設計圖像采集電路模塊采用CPLD芯片為主要器件[7]。物體的光線作用在CCD的感光區域上，CCD中各個像元對不同光強度產生不同的模擬電荷信號，在CPLD產生的驅動時序作用下，模擬電荷信號被串行移位輸出。輸出的模擬電荷信號經過運放電路和模數轉化電路的處理后，轉化成相應的數字量存到存儲器FIFO中，存儲器FIFO用來作為數據緩沖，將模數轉化電路輸出的12位數據信號緩沖轉換輸出到PC機的PCI總線接口。

圖3 CCD電路框圖Fig.3 Circuit diagram of CCD

3 便攜式機械結構

新型便攜式X光檢測儀的整體機械結構采用電機控制，絲杠傳動的方式進行探測接收平板的可移動控制，采用可伸縮和可卸折疊式機械結構進行便攜設計。如圖4，其中，在控制支架1和控制支架2安裝一個電機2和兩個絲杠，利用電機的轉動帶動絲杠的傳動，從而控制支架1和支架2之間的距離，即控制脈沖X光機和成像探測器之間的距離，同時，電機具有可拆卸，支架具有可折疊的特點；X光機脈沖源固定連接在控制支架2的另一端；成像探測器與控制支架1的一端之間放置一個電機1和絲杠，用以控制成像探測器的位置，達到更好的檢測效果。電機的驅動和信號控制，采用CPLD芯片進行控制。

圖4 X光機整機結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the X machine structure

4 結 論

文中詳細的介紹了一種新型便攜式X光機的關鍵電路設計和便攜式機械結構及控制的設計。電源模塊設計采用了鎳氫電池組作為便攜式電源，其電池容量大，充電及供電高效便捷，能夠滿足野外等特殊工業檢測環境。CCD技術被用于X光機的圖像采集，X光檢測圖像分辨率與清晰度高，為PC上位機圖像數據的存儲、智能分析、損傷評級、事后查詢提供可靠的圖像數據源。機械部分，電機控制的絲杠傳動，實現檢測平臺和支架的移動與收縮，滿足便攜、高效的檢測要求。

[1]周迎春,楊學泉,李名兆.便攜式工業X射線探傷機多功能檢測裝置[J].核標準與計量工作,2008(2):37-41.

ZHOU Ying-chun,YANG Xue-quan,LI Ming-zhao.Portable detection device for industrial X-ray detection machine with multiple functions[J].Measurement Work，2008(2):37-41.

[2]項名珠.基于V24B36C200BL模塊的便攜式X射線源大功率電池電源系統及其應用[J].科技與生活,2011(24):105-106.

XIANG Ming-zhu.Portable X-ray source high power battery power supply system and its application based on V24B36C200BL module[J].Technology & Life,2011(24):105-106.

[3]張樹志.一種便攜式EDXRF光譜儀電源整機的設計[D].沈陽：沈陽師范大學.2011.

[4]賈振宇. X光機電源設計與研究[D].北京:北京交通大學, 2009.

[5]孔繁瑞,臧雪巖.便攜式高壓電源的設計[J].遼寧省交通高等專科學校學報,2002,12(4):32-34.

KONG Fan-rui, ZANG XUE-yan.The Design of handy high voltage power[J].Journal of Liaoning College of Communications,2002,12(4):32-34.

[6]Marty Brown.開關電源設計指南[M].北京:機械工業出版社,2003.

[7]劉賢德.CCD及其應用原理[M].北京:高等教育出版社,1990.