阅读说明：本技术 一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法 (Flash type handheld energy spectrometer based on sql digitization method and spectrum forming method ) 是由 邓贞宙 唐庆 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法,其包括外壳以及设置在外壳内的电源管理模块、探测器模块、信号处理模块、微控制器模块和OLED显示模块；所述电源管理模块用于给能谱仪系统的各个模块提供工作电压；所述探测器模块包括闪烁晶体、光导器件、光电倍增管和前置放大电路,利用物质发生电离辐射时,探测电离辐射产生的闪光,将伽马射线转化为电信号,获取连续的脉冲信号；所述信号处理模块用于对经过探测器输出的电信号进行放大和滤波处理；所述微控制器模块将模拟脉冲信号采样实现数据的A/D转换,然后对转换后的数字信号进行处理,再将数据传递给OLED显示模块；所述OLED显示模块,用于显示操作界面和能谱图。(The invention provides a scintillation type handheld energy spectrometer based on an sql digitization method and a spectrum forming method, wherein the scintillation type handheld energy spectrometer comprises a shell, and a power management module, a detector module, a signal processing module, a microcontroller module and an OLED display module which are arranged in the shell; the power supply management module is used for providing working voltage for each module of the energy spectrometer system; the detector module comprises a scintillation crystal, a light guide device, a photomultiplier and a preamplifier circuit, detects flash light generated by ionizing radiation when the ionizing radiation is generated by a substance, converts gamma rays into electric signals and acquires continuous pulse signals; the signal processing module is used for amplifying and filtering the electric signal output by the detector; the microcontroller module samples the analog pulse signal to realize the A/D conversion of the data, processes the converted digital signal and transmits the data to the OLED display module; the OLED display module is used for displaying an operation interface and an energy spectrum diagram.)

一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法

技术领域

本发明涉及数据测量领域，涉及一种数据测量仪器，尤其涉及一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法。

背景技术

目前核技术快速发展，核技术已被广泛的应用于如工业检测、地质探测、医用医疗、考古等各个领域；核技术的不断完善使得核技术在这些领域中也正发挥着越来越重要的作用。但是在核技术快速发展的同时，其带来的潜在威胁也越来越受人们关注。γ能谱分析作为辐射测量的一种基本方法，被广泛的应用于核辐射检测、核素识别等场合。通过对辐射性物质衰变时发射的γ射线进行测量，可获得γ辐射总量，并可根据对获得的γ能量谱分析，获得其放射性物质的元素种类及含量等信息。而便携式能谱仪由于体积小，携带方便，可现场使用等特点，不仅可以用于环境检测和工业矿藏开采时辐射探测,同时也可以探查医疗药剂残留。传统的能谱仪为模拟系统，技术不稳定且存在尺寸较大，携带不方便，价格昂贵的问题，从而难以在各个行业普及。

因此，针对上述技术不稳定、携带不方便和价格昂贵的问题，有必要提供一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对目前能谱仪技术不稳定，携带不方便和价格昂贵的问题，提供一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法，该基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法，能有效地提升技术稳定性，具有测试准确、携带方便和成本低的特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪：

包括电源管理模块、探测器模块、信号处理模块、微控制器模块、OLED显示模块，其中：

所述电源管理模块，用于给能谱仪系统的各个模块提供工作电压；

电源管理模块，包括USB接口、电池充电电路、电池电量计电路、可充电锂电池、3.3V稳压电路、5V稳压电路、30.6V升压电路和电源开关电路，其中，电源管理模块用于给各个模块提供工作电压；

USB接口，隶属于电源管理模块，是能谱仪整个系统的充电接口，充电插头将市电220V的交流电压变成5V的直流电压，再通过USB数据线传输给USB接口，对电池进行充电；所述USB接口可以将能谱仪测试的数据通过USB数据线传输到用户电脑上；

电池充电电路，隶属于电源管理模块，将USB接口输出的5V直流电压给锂电池充电；

电池电量计电路，隶属于电源管理模块，将电池的实时电量传输给微控制器模块，对电池电量进行管理，实现电池电量的实时检测；

可充电锂电池，隶属于电源管理模块，采用可反复充电的锂电池，输出电压为3.6V至4.2V；

3.3V稳压电路，隶属于电源管理模块，将电池输出的3.6V-4.2V的电压转化成稳定的3.3V电压，为系统的各个模块提供稳定的工作电压；

5V稳压电路，隶属于电源管理模块，USB接口提供的5V电压经过充电电路会产生损耗，从而电压偏低，通过所述5V稳压电路，将电压稳定在5V，为后面的升压电路提供输入电压；

30.6V升压电路，隶属于电源管理模块，探测器模块的启动电压必须高于30V，通过所述30.6V的升压电路为探测器模块提供输入；

电源开关电路，隶属于电源管理模块，通过设置在外壳上的操作按键实现对整个能谱仪系统进行开关机的控制。

所述探测器模块，用于探测电离辐射在某些物质中产生的闪光，将光信号转换为电脉冲信号；

探测器模块，包括闪烁晶体、光导器件、光电倍增管和前置放大电路；其中探测器模块将转换成的电脉冲信号传输给信号处理模块，

闪烁晶体，隶属于探测器模块，用于当入射辐射摄入闪烁晶体时，在闪烁晶体中产生能量损耗，引起闪烁原子的电离和激发，从而受激发的电子发出可见光，其中，闪烁晶体中产生的可见光输出给光导器件；

光导器件，隶属于探测器模块，放置在闪烁晶体和光电倍增管之间，与光电倍增管耦合，保护晶体，与光电倍增管连接；

光电倍增管，隶属于探测器模块，光子经过光导器件传输打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子在光电倍增管各倍增级内倍增，最后在光电倍增管的阳极聚集，形成脉冲幅度与辐射射线的能量成正比电脉冲信号，输出的脉冲个数与入射的辐射射线的强度成正比，其中，在光电倍增管内产生的电脉冲信号传输给前置放大电路；

前置放大电路，隶属于探测器模块，用于将光电子经过光电倍增管形成的微弱的不稳定的电脉冲信号进行放大处理，形成相对稳定的连续脉冲信号，前置放大电路输出给信号处理模块。

所述信号处理模块，用于对探测器模块传输来的连续脉冲信号进行放大和滤波；

信号处理模块，包括放大电路、滤波电路，其中，信号处理模块将放大滤波后的信号传输给微控制器模块；

放大电路，隶属于信号处理模块，将从探测器模块传输来的微弱的连续脉冲信号进行放大，放大器电路采用AD8032ARZ芯片，AD8032内部可看为由两个集成运放组成,因此在电路我们将第一级输出作为第二级输入,同时第二级输出接入第二级反相输入端作为反馈,在IOUT2端口输出放大后的信号，放大的信号输出给滤波电路；

滤波电路，隶属于信号处理模块，将经过放大电路传输来的放大信号进行滤波处理，将不符合所需信号要求的干扰信号滤除掉，使信号更加稳定，抗干扰性更强，滤波电路将信号输出给微控制器模块。

所述微控制器模块，对能谱仪通过设置在外壳上的操作按键来控制屏幕界面的更新和开关机操作；存储数据；采集数据，实现数据的A/D转换；对电量进行实时监控；

微控制器模块，包括时钟模块、按键模块、数据存储模块、ADC数据采集模块和主控制模块，微控制器模块将转换成的数字信号传输给OLED显示模块；

时钟模块，隶属于微控制器模块，包括一个32.768KHz的低速外部时钟电路和一个8MHz的高速外部时钟电路，为微控制模块提供时钟工作源；

按键模块，隶属于微控制器模块，通过设置在外壳上的操作按键来控制屏幕界面的更新和开关机操作；

数据存储模块，隶属于微控制器模块，将基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪及成谱方法采集到的数据存储到存储卡中，记录数据；

ADC数据采集模块，包括时间采集模块和电压阈值模块，隶属于微控制器模块，对信号处理模块中经过放大、滤波处理后的脉冲信号进行采样，实现对数据的A/D转换，对转换后的数字信号进行处理，将处理后的数字信号传输到OLED显示模块；

时间采集模块用于控制电压阈值模块的采样间隔，电压阈值模块将模拟信号进行电压阈值实现拟合。

主控制模块，隶属于微控制器模块，主控制模块采用的芯片是STM32F103C8T6，该芯片满足该系统的所需接口和功能；可以实现对电池电量的监测，在系统即将关闭时，电源管理模块给微控制器的主控制模块发生一个关机信号，主控制模块收到所述关机信号后会在关机前将数据保存，然后给电源管理模块发生一个关机信号，电源模块收到所述关机信号后关闭电源，系统停止工作。

所述OLED显示模块，用于显示操作界面和能谱图；

OLED显示模块，包括显示驱动电路和OLED显示屏，采用I2C接口进行显示数据的传输；

显示驱动电路，隶属于OLED显示模块，上述OLED12864显示屏，带有SSD1306驱动芯片电路；SSD1306是一款单芯片CMOS OLED/PLED驱动器，带有控制器，显示驱动电路用于驱动LCD显示电路的显示；

OLED显示屏，隶属于OLED显示模块，采用1.3寸OLED12864显示屏，用于显示操作界面和能谱图。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的一种基于sql数字化方法的闪烁式能谱仪，具有更加简单的操作界面和操作方法，可以有效地对伽马光子实现捕获，对能量准确率高，能量计数率高。

本发明基于sql数字化方法的成谱方法，包括以下步骤：

S1：获取基于sql数字化方法的闪烁式手持能谱仪的不同工作模块的工作电压，其中，将电池电压通过稳压电路进行多次降压稳压处理后获得不同的电压，其中，每个稳压电路模块中都要满足I_IN＝I_L+I_G,其中I_IN为稳压电路的输入电流，I_L为稳压电路的输出电流，I_G为流向地端的电流；

直流电源管理模块中，将电池提供的电压通过稳压电路进行多次降压稳压实现获得多个电压，给能谱仪的各个模块提供工作电压；其中每个稳压电路模块中都要满足I_IN＝I_L+I_G,其中I_IN为稳压电路的输入电流，I_L为稳压电路的输出电流，I_G为流向地端的电流。

S2：获取连续的脉冲信号S_m，

其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，S_i为第i个闪烁脉冲；S_m的幅值为E_m，频率为f_m；

所述闪烁脉冲，在探测器模块中，当伽马射线的电离辐射发生碰撞衍生出伽马光子，产生伽马光子射入闪烁晶体并在晶体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子打在光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子，光电子经过光电倍增管内倍增，最后电子经阳级输出形成闪烁脉冲；多个连续闪烁脉冲发生最后形成一个连续的脉冲信号S_m,其中m为连续的脉冲信号中闪烁脉冲的个数，S_i为第i个闪烁脉冲；S_m的幅值为E_m，频率为f_m。

S3：对连续脉冲信号进行放大处理，通过信号调节模块中的放大电路对信号进行放大，且采用同相比例放大电路，输入信号和输出信号满足

其中u_o为输出信号，u_I为输入信号，R_f为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数

具体的，连续脉冲信号进入信号调节模块中的放大电路，将微弱的信号放大成一个抗干扰性强的信号，同时采用同比例放大电路，输入信号和输出信号满足

其中u_o为输出信号，u_I为输入信号，R_f为反馈电阻，R为补偿电阻。该电路的放大倍数

S4：对经过放大后的信号进行滤波处理，其中，经过一个二阶有源低通滤波电路将产生的干扰信号滤掉，低通滤波电路的截止频率为

其中R₁、R₂分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电阻，C₁、C₂分别为滤波器电路中第一阶和第二阶中的滤波电容；该二阶有源低通滤波电路的截止频率不但由电阻和电容决定，还与运放的带宽有关；

S5：对滤波处理后获得的模拟信号进行ADC数据采样从而获得数字信号，数据采样满足f_s≥2f_m，其中f_s为采样频率，f_m为模拟信号的信号频率；并且数模转换满足其中N为十进制的数字信号，AV_DD为数字参考电压，S_m为模拟信号；

信号经过信号调节模块后形成一个稳定的模拟信号，然后由ADC数据采集模块采样，采样过后形成一个数字信号；数据采样必须满足f_x≥2f_m，这样才不会产生脉冲堆积的现象；其中f_s为采样频率，f_m为模拟信号的信号频率；

步骤S6：将数字信号输入到微控制器模块，由微控制器模块中的主控制器将数字信号处理成可以在OLED显示模块显示的数据，在处理完成后，信号则通过传输线输入到OLED显示屏显示出来。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用数字化的处理方法，相比于传统模拟能谱仪系统，具有更稳定的性能；

2、体积小，重量轻，操作方便，可以随时随地地进行测量；

3、在实时的数据采集过程中，有较强的抗干扰能力；

4、具备较高的能量分辨率，来完成在高计数下对尽可能多的脉冲进行计数；

5、系统的功耗低，可以长时间使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1是本发明实施例提供的基于sql数字化闪烁式手持能谱仪及成谱方法的结构示意图；

图2是本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法的信号从探测器输出经过各个模块的流程框图。

图3是本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法中各个模块之间的连接关系框图；

图4是本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法中电源管理模块的硬件连接框图；

图5是本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法中探测器模块的原理图；

图6是本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法中控制器模块中的主控制器模块的硬件连接框图；

图7是本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪的样机模型图。

其中：1、光电子；2、闪烁晶体；3、光电倍增管；4、光电子；5、模拟脉冲信号；6、OLED显示屏；7、上外壳；8、操作按键；9、下外壳；10、USB接口。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明公开了一种基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法，改能谱仪采用数字化的处理方法，具有稳定的性能；改能谱仪可以有效地对伽马光子实现捕获，能量分辨率高，可以在高计数下对尽可能多的脉冲进行计数。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，以使以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，本发明基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪及成谱方法，包括电源管理模块100、探测器模块200、信号处理模块300、微控制器模块400、OLED显示模块500。其中，

电源管理模块100包括USB接口110、电池充电电路120、电池电量计电路130、可充电锂电池140、3.3V稳压电路150、5V稳压电路160、30.6V升压电路170、电源开关电路180；电源管理模块100为系统的各个模块提供工作电压。

探测器模块200包括闪烁晶体210、光导器件220、光电倍增管230、前置放大器240；探测器模块200利用物质发生电离辐射时，探测电离辐射产生的闪光，将伽马射线转化为电信号，获取连续的脉冲信号。

信号处理模块300包括放大电路310、滤波电路320；信号处理模块300用于对经过探测器输出的电信号进行放大和滤波处理。

微控制器模块400包括时钟模块410、按键模块420、数据存储模块430、ADC数据采集模块440、主控制模块450，其中ADC数据采集模块440包括时间采样模块441和电压阈值模块442；微控制器模块400将模拟脉冲信号采样实现数据的A/D转换，然后对转换后的数字信号进行处理，再将数据传递给OLED显示模块。

OLED显示模块500，包括显示驱动电路510和OLED显示屏520；OLED显示模块500用于显示操作界面和能谱图。

如图1和图2所示，从探测器模块200产生微弱不稳定的模拟脉冲信号，信号传输到信号处理模块300中的放大电路310，将微弱的信号进行放大，放大后的信号从放大电路310输出到滤波电路320，对脉冲信号进行滤波整形，得到稳定的模拟脉冲信号；信号处理模块300将放大和滤波后的信号传输到微控制器模块400，经过ADC数据采集模块440，对模拟脉冲信号进行采样，实现信号的A/D转换，转换成的数字信号传输到主控制模块450，对数字信号作处理，并将数据传输到OLED显示模块。

如图3和图4所示，电源管理模块100，通过USB接口对可充电锂电池进行充电，然后对电源电压进行管理，给能谱仪系统的各个模块提供工作电压，电源管理模块100给探测器模块200、信号处理模块300、微控制器模块400和OLED显示模块提供工作电压。USB接口110，用于通过USB数据线对可充电锂电池充电，通过电池充电电路120将输出的5V直流电压给锂电池充电；所述USB接口可以将基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪测量的数据通过USB数据线传输到用户电脑上。电池电量计电路130，对电池电量进行管理，实现电池电量的实时检测；可充电锂电池140，采用可反复充电的锂电池，输出电压为3.6V至4.2V；3.3V稳压电路150，将电池输出的3.6V-4.2V的电压转化成稳定的3.3V电压，为系统的信号处理模块300、微控制器模块400和OLED显示模块500提供稳定的工作电压。5V稳压电路160，USB接口提供的5V电压经过充电电路会产生损耗，从而电压偏低，通过所述5V稳压电路，将电压稳定在5V，为30.6V升压电路170提供输入电压；30.6V升压电路170，探测器模块的启动电压必须高于30V，通过所述30.6V的升压电路为探测器模块提供输入；电源开关电路180，通过设置在外壳上的操作按键实现对整个能谱仪系统进行开关机的控制。

如图1和图6所示，探测器模块200采用闪烁体探测器，包括闪烁晶体210、光导器件220、光电倍增管230和前置放大器240。探测器模块200利用电离辐射在某些物质中产生闪光来进行探测的；入射辐射射入闪烁晶体并在闪烁晶体中损耗能量，引起闪烁原子的电离和激发，受激发电子会激发出可见光；光子经过光导器件传输到光电倍增管光阴极上发生光电效应产生光电子。光电子的光电倍增管内倍增，最后电子经阳级进入信号处理电路，形成脉冲幅度与辐射射线的能量成正比电脉冲信号，输出的脉冲个数与入射的辐射射线的强度成正比。光电子经过倍增管形成的微弱的不稳定的电脉冲信号经过前置放大器的信号放大处理，形成相对稳定的模拟脉冲信号。

如图1所示，信号处理模块300包括放大电路和滤波电路，将探测器模块200输出的微弱的模拟脉冲信号进行放大和滤波处理，使模拟脉冲信号更加稳定，有更强的抗干扰性。

如图1和图6所示，微控制器模块400实现模拟脉冲信号的A/D转换，再对转换的数字信号进行处理传输到OLED显示模块500。微控制模块400采用的芯片是STM32F103C8T6，所述芯片满足系统的所需接口和功能；微控制模块的系统框图如图6所示，电源管理模块100为STM32芯片提供工作电压,微控制模块的时钟模块410由两个晶振电路32.768KHz的低速外部时钟电路和一个8MHz的高速外部时钟电路组成，为微控制模块提供时钟工作源。探测器的模拟脉冲信号经过信号调节电路的调节后传输给微控制模块的ADC数据采集模块440进行模数转换,ADC数据模块440包括时间采样模块441和电压阈值模块442，时间采样模块441用于控制电压阈值模块442的采样间隔，电压阈值模块442将模拟信号进行电压阈值实现拟合；按键模块420主要是控制屏幕界面更新和开关机操作,数据存储模块430用于存储能谱仪测量的数据，并通过USB接口将数据传输到用户电脑。主控制模块450将采集的数据进行处理，并将数据通过I2C接口传输给OLED显示模块500进行显示；主控制模块500还要检测电池的功能，在系统即将关机的时候，电源管理模块给主控制模块发送一个关机信号，主控制模块会在关机之前将数据保存下来，然后给电源模块发送一个关机信号，最后才将电源关掉，整个系统停止工作。

OLED显示模块500包括显示驱动电路510和OLED显示屏520，模拟信号经过微控制模块进行A/D转换后变成数字信号，再对数字信号处理，然后将数据发送给OLED显示模块显示。它的功能是可以实现人机交互界面和显示能谱图。OLED显示模块的显示屏采用1.3寸OLED12864显示屏，OLED12864显示屏带有SSD1306驱动芯片电路；SSD1306是一款单芯片CMOS OLED/PLED驱动器，带有控制器，用于有机/聚合物发光二极管点阵图形显示系统。它由128个段和64个commons组成。该IC设计用于共阴极型OLED面板。SSD1306内置对比度控制，显示RAM和振荡器，可减少外部数量和功耗。它具有256级亮度控制。数据/命令从通用MCU通过硬件可选6800/8000系列兼容并行接口，I2C接口或串行外设接口发送。

如图1和图7所示，图7为基于sql数字化的闪烁式手持能谱仪样机模型，改能谱仪的外壳长为11.5cm，宽为7.5cm，高为3cm，其中1为1.3寸OLED12864显示屏，用于显示操作界面和能谱图；2为能谱仪的上外壳，用于保护能谱仪的电路，以及起屏蔽作用；3为操作按键，对能谱仪进行操作；4为能谱仪的下外壳，用于托住能谱仪电路，以及起屏蔽作用；5为USB接口，用于给能谱仪系统充电，同时用于将存储的数据通过USB数据线传输到用户电脑。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。