一种新型便携式X光机的研究

陈 通,王 辉,石端虎,王海生

（ 徐州工程学院 机电工程学院，江苏 徐州221008 ）

在无损检测领域，采用X射线进行检测是必不可少的手段，80年代以前采用的是传统工频X线机，其工作频率为50～60 Hz，这类机器结构笨重，输出效率低，故障率。随着社会技术的发展，高频逆变技术的引入，使得传统的工频技术得到了挑战，原来射线质量不高，重复性、线性不好的现象得到了改善[1]。然而，目前市场上的大部分产品为适用于保安、海关等部门安全检查的大型设备，价格都很昂贵，不利于推广应用。

为应对便携高效的野外检测要求，便携式X光机在工业无损检测领被广泛研究并应用。便携式X光机由于在野外特殊工作条件下使用，必然无法向其提供可靠的交流市电电源，电池组的使用就成为便携式X光机的关键技术。电池组的设计和选用,其尺寸和重量不能太大,并且需要能够满足耐受峰值20 A左右的中频（20 kHz以上）脉冲电流[2]，高压发生器设计和控制驱动电路输出24 V以上的直流电源的要求。

本课题所研究的一种新型便携式X光机是在现有的小型X光机的基础上加以改进并做进一步数字化研究的新产品。采用PC上位机程序窗口控制和图像数据分析。电源方面，采用以LTL-D10000镍氢电池组作为电源能源。图像采集方面，采用以CCD高频摄像机及图像采集卡模块进行采样。同时，设计了便于折叠和检测的便携式机械结构。该新型便携式X光机在野外环境检测方面具有便携、数字化等优势，且价格低廉，便于推广。

1 电源及控制模块

1.1 X光机镍氢型电源电池组充电电路

为了满足野外特殊工作环境，在电源储备方面需尽量采用容量大、质量轻、尺寸小的电源。本设计采用四对12VLTL-D10000型镍氢电池组。

X光机镍氢型电源电池组充电电路如图1所示。经过4个IN4007整流二极管组成的整流桥，220 V交流电压转变为200 V直流电压，为振荡电路供电。电流经过振荡电路转变为大小和方向都随周期发生变化的交流电流。变压器初级L1所加载的交流电压经变压器次级L3转化产生脉冲电压，通过T318E二极管的整流和10μF的电容滤波电路获得18～19 V直流半波电压，控制电流在500～600 mA，可用于对12 V-10 000 mAh镍氢电池组充电。

在对镍氢型电池组充电时，需根据LED灯的点亮情况通过控制按钮S1-S4实现4组电池组的逐一充电。电池组充电饱满测量反馈电路的信号控制每组电池组所对应LED灯的点亮。镍氢电池组充电时，若电压过低，电流过大均会使电池组温度升高，产生过热现象。反馈电路利用成熟的电压负压反馈取样方法，在此不做过多说明。

1.2 X光机射线源灯丝驱动电路

X光机野外工作当中，镍氢电池组提供稳定的12 V直流电压。为满足工作要求，设计如图2的X光机射线源灯丝驱动电路。采用TL494芯片为核心元器件的电路产生脉冲。X关机射线源工作时，随着开关闭合的变化，产生的电压和电流的瞬时变化峰值会对电池组产生冲击和损坏。为降低电压和电流的尖峰，在电池组的电源输出端并联560 μF的电容。芯片TL494的1N+脚、2N+脚、N-脚、2N-脚分别为两个误差放大器的同相输入端和反相输入端，芯片TL494输出的频率由CT脚、RT脚上的电容和电阻的大小决定[3]。其频率表达式为:

图1 镍氢型电源电池组充电电路Fig.1 Charging circuit of Ni-MH power battery pack

图2 灯丝驱动电路Fig.2 Drive circuit of the filament

此电路需获得20 kHz的电压脉冲，电容C2的容量选择22 μF，R3采用20 kΩ的可变电阻。

由芯片TL494组成的脉冲振荡电路产生的20kHZ的触发脉冲，加到场效应管20N60S5的栅极。脉冲为高电平时，场效应管触发导通，电流从变压器的原边绕组流向地，电能转化为磁能被储存在变压器当中，在变压器的原边绕组产生电压。脉冲为低电平时，场效应管关闭截止，原边绕组上的电流为零，电压为上负下正，与场效应管导通时相反。

变压器作为感性元器件，在开关截止的瞬间会在源级线圈两端产生较高的反向电动势，对场效应管产生损伤。设计IN5408二极管、C4电容器、R10电阻组成的吸收电路，开关瞬断时产生的反向电动势将加载在电容器两端，为电容充电，吸收电路将能够有效地降低反向电动势的上升速率和峰值。

为获得满足X光发射所需的数十千伏的高压要求，并将交流电转化为直流电，需利用倍压整流电路，通过其并联充电，串联放电来获得比输入电压高N倍的效果。倍压整流电路主要元器件为高压电容和高压二极管。经升压变压器升压的交流电压，L2上的电压达到E，在升压器的次级线圈处于正半周期时，D3导通，D4截止；电源电压经过D3向电容C5充电，将电容C5上的电压充到接近L2上的电压峰值，并基本保持不变。L2为负半周时，二极管D4导通，D3截止。此时，C5上的电压Uc5＝与电源电压E串联相加，经D4对电容C6充电，将电容C6上的电压充到接近电压峰值，依次类推，只要将负载接到响应电容组的两端，就能够得到相应的多倍压直流输出，最后的输出电压为：

n为倍压级数，U2为变压器副边峰值电压[4]。

倍压电容的容量选定对电源影响较大，容量越大，容性负载性越强，对场效应管要求越高。容量太小又不能达到额定功率输出。电容量的选取可参考如下公式：

其中RL为额定输出电压和额定输出电流下的等效负载电阻，n为倍压器倍压级数，T为信号周期[5]。实际使用时，RL取值为：

通过实验测试，电路倍压器的级数选择6级，电容采用20 KV、2 000 pF引线式高压薄膜电容，二极管采用高反压硅2CGL-25KV；升压变压器采用UU15 - A型铁氧体磁芯[6]，初次级线圈匝数比设计为20:2 000。

2 CCD图像采集模块

采用先进的电荷耦合CCD传感器件和图像处理芯片组成图像采集模块。CCD传感器件有效光敏单元为752 H×582 V,水平分辨率600线，垂直分辨率400线。场频50 Hz，帧频25帧/秒，能有效地保证影像增强器输出图像真实再现；高灵敏度特性保证了实时监测图像的真实显示。

本设计图像采集电路模块采用CPLD芯片为主要器件[7]。物体的光线作用在CCD的感光区域上，CCD中各个像元对不同光强度产生不同的模拟电荷信号，在CPLD产生的驱动时序作用下，模拟电荷信号被串行移位输出。输出的模拟电荷信号经过运放电路和模数转化电路的处理后，转化成相应的数字量存到存储器FIFO中，存储器FIFO用来作为数据缓冲，将模数转化电路输出的12位数据信号缓冲转换输出到PC机的PCI总线接口。

图3 CCD电路框图Fig.3 Circuit diagram of CCD

3 便携式机械结构

新型便携式X光检测仪的整体机械结构采用电机控制，丝杠传动的方式进行探测接收平板的可移动控制，采用可伸缩和可卸折叠式机械结构进行便携设计。如图4，其中，在控制支架1和控制支架2安装一个电机2和两个丝杠，利用电机的转动带动丝杠的传动，从而控制支架1和支架2之间的距离，即控制脉冲X光机和成像探测器之间的距离，同时，电机具有可拆卸，支架具有可折叠的特点；X光机脉冲源固定连接在控制支架2的另一端；成像探测器与控制支架1的一端之间放置一个电机1和丝杠，用以控制成像探测器的位置，达到更好的检测效果。电机的驱动和信号控制，采用CPLD芯片进行控制。

图4 X光机整机结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the X machine structure

4 结 论

文中详细的介绍了一种新型便携式X光机的关键电路设计和便携式机械结构及控制的设计。电源模块设计采用了镍氢电池组作为便携式电源，其电池容量大，充电及供电高效便捷，能够满足野外等特殊工业检测环境。CCD技术被用于X光机的图像采集，X光检测图像分辨率与清晰度高，为PC上位机图像数据的存储、智能分析、损伤评级、事后查询提供可靠的图像数据源。机械部分，电机控制的丝杠传动，实现检测平台和支架的移动与收缩，满足便携、高效的检测要求。

[1]周迎春,杨学泉,李名兆.便携式工业X射线探伤机多功能检测装置[J].核标准与计量工作,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]项名珠.基于V24B36C200BL模块的便携式X射线源大功率电池电源系统及其应用[J].科技与生活,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]张树志.一种便携式EDXRF光谱仪电源整机的设计[D].沈阳：沈阳师范大学.2011.

[4]贾振宇. X光机电源设计与研究[D].北京:北京交通大学, 2009.

[5]孔繁瑞,臧雪岩.便携式高压电源的设计[J].辽宁省交通高等专科学校学报,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.开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社,2003.

[7]刘贤德.CCD及其应用原理[M].北京:高等教育出版社,1990.