陳 通,王 輝,石端虎,王海生

（ 徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221008 ）

在無損檢測(cè)領(lǐng)域，采用X射線進(jìn)行檢測(cè)是必不可少的手段，80年代以前采用的是傳統(tǒng)工頻X線機(jī)，其工作頻率為50～60 Hz，這類機(jī)器結(jié)構(gòu)笨重，輸出效率低，故障率。隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，高頻逆變技術(shù)的引入，使得傳統(tǒng)的工頻技術(shù)得到了挑戰(zhàn)，原來射線質(zhì)量不高，重復(fù)性、線性不好的現(xiàn)象得到了改善[1]。然而，目前市場(chǎng)上的大部分產(chǎn)品為適用于保安、海關(guān)等部門安全檢查的大型設(shè)備，價(jià)格都很昂貴，不利于推廣應(yīng)用。

為應(yīng)對(duì)便攜高效的野外檢測(cè)要求，便攜式X光機(jī)在工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)被廣泛研究并應(yīng)用。便攜式X光機(jī)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(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。電池組的設(shè)計(jì)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(fā)生器設(shè)計(jì)和控制驅(qū)動(dòng)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(jī)是在現(xiàn)有的小型X光機(jī)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)并做進(jìn)一步數(shù)字化研究的新產(chǎn)品。采用PC上位機(jī)程序窗口控制和圖像數(shù)據(jù)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(jī)及圖像采集卡模塊進(jìn)行采樣。同時(shí)，設(shè)計(jì)了便于折疊和檢測(cè)的便攜式機(jī)械結(jié)構(gòu)。該新型便攜式X光機(jī)在野外環(huán)境檢測(cè)方面具有便攜、數(shù)字化等優(yōu)勢(shì)，且價(jià)格低廉，便于推廣。

1 電源及控制模塊

1.1 X光機(jī)鎳氫型電源電池組充電電路

為了滿足野外特殊工作環(huán)境，在電源儲(chǔ)備方面需盡量采用容量大、質(zhì)量輕、尺寸小的電源。本設(shè)計(jì)采用四對(duì)12VLTL-D10000型鎳氫電池組。

X光機(jī)鎳氫型電源電池組充電電路如圖1所示。經(jīng)過4個(gè)IN4007整流二極管組成的整流橋，220 V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?00 V直流電壓，為振蕩電路供電。電流經(jīng)過振蕩電路轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮『头较蚨茧S周期發(fā)生變化的交流電流。變壓器初級(jí)L1所加載的交流電壓經(jīng)變壓器次級(jí)L3轉(zhuǎn)化產(chǎn)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(duì)12 V-10 000 mAh鎳氫電池組充電。

在對(duì)鎳氫型電池組充電時(shí)，需根據(jù)LED燈的點(diǎn)亮情況通過控制按鈕S1-S4實(shí)現(xiàn)4組電池組的逐一充電。電池組充電飽滿測(cè)量反饋電路的信號(hào)控制每組電池組所對(duì)應(yīng)LED燈的點(diǎn)亮。鎳氫電池組充電時(shí)，若電壓過低，電流過大均會(huì)使電池組溫度升高，產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。反饋電路利用成熟的電壓負(fù)壓反饋取樣方法，在此不做過多說明。

1.2 X光機(jī)射線源燈絲驅(qū)動(dòng)電路

X光機(jī)野外工作當(dāng)中，鎳氫電池組提供穩(wěn)定的12 V直流電壓。為滿足工作要求，設(shè)計(jì)如圖2的X光機(jī)射線源燈絲驅(qū)動(dòng)電路。采用TL494芯片為核心元器件的電路產(chǎn)生脈沖。X關(guān)機(jī)射線源工作時(shí)，隨著開關(guān)閉合的變化，產(chǎn)生的電壓和電流的瞬時(shí)變化峰值會(huì)對(duì)電池組產(chǎn)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(lián)560 μF的電容。芯片TL494的1N+腳、2N+腳、N-腳、2N-腳分別為兩個(gè)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(dá)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(qū)動(dòng)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(chǎn)生的20kHZ的觸發(fā)脈沖，加到場(chǎng)效應(yīng)管20N60S5的柵極。脈沖為高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管觸發(fā)導(dǎo)通，電流從變壓器的原邊繞組流向地，電能轉(zhuǎn)化為磁能被儲(chǔ)存在變壓器當(dāng)中，在變壓器的原邊繞組產(chǎn)生電壓。脈沖為低電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉截止，原邊繞組上的電流為零，電壓為上負(fù)下正，與場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)相反。

變壓器作為感性元器件，在開關(guān)截止的瞬間會(huì)在源級(jí)線圈兩端產(chǎn)生較高的反向電動(dòng)勢(shì)，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生損傷。設(shè)計(jì)IN5408二極管、C4電容器、R10電阻組成的吸收電路，開關(guān)瞬斷時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)的上升速率和峰值。

為獲得滿足X光發(fā)射所需的數(shù)十千伏的高壓要求，并將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，需利用倍壓整流電路，通過其并聯(lián)充電，串聯(lián)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(jīng)升壓變壓器升壓的交流電壓，L2上的電壓達(dá)到E，在升壓器的次級(jí)線圈處于正半周期時(shí)，D3導(dǎo)通，D4截止；電源電壓經(jīng)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(fù)半周時(shí)，二極管D4導(dǎo)通，D3截止。此時(shí)，C5上的電壓Uc5＝與電源電壓E串聯(lián)相加，經(jīng)D4對(duì)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(fù)載接到響應(yīng)電容組的兩端，就能夠得到相應(yīng)的多倍壓直流輸出，最后的輸出電壓為：

n為倍壓級(jí)數(shù)，U2為變壓器副邊峰值電壓[4]。

倍壓電容的容量選定對(duì)電源影響較大，容量越大，容性負(fù)載性越強(qiáng)，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管要求越高。容量太小又不能達(dá)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(fù)載電阻，n為倍壓器倍壓級(jí)數(shù)，T為信號(hào)周期[5]。實(shí)際使用時(shí)，RL取值為：

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，電路倍壓器的級(jí)數(shù)選擇6級(jí)，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(jí)線圈匝數(shù)比設(shè)計(jì)為20:2 000。

2 CCD圖像采集模塊

采用先進(jìn)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(chǎng)頻50 Hz，幀頻25幀/秒，能有效地保證影像增強(qiáng)器輸出圖像真實(shí)再現(xiàn)；高靈敏度特性保證了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像的真實(shí)顯示。

本設(shè)計(jì)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(qū)域上，CCD中各個(gè)像元對(duì)不同光強(qiáng)度產(chǎn)生不同的模擬電荷信號(hào)，在CPLD產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序作用下，模擬電荷信號(hào)被串行移位輸出。輸出的模擬電荷信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放電路和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路的處理后，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字量存到存儲(chǔ)器FIFO中，存儲(chǔ)器FIFO用來作為數(shù)據(jù)緩沖，將模數(shù)轉(zhuǎn)化電路輸出的12位數(shù)據(jù)信號(hào)緩沖轉(zhuǎn)換輸出到PC機(jī)的PCI總線接口。

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

3 便攜式機(jī)械結(jié)構(gòu)

新型便攜式X光檢測(cè)儀的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用電機(jī)控制，絲杠傳動(dòng)的方式進(jìn)行探測(cè)接收平板的可移動(dòng)控制，采用可伸縮和可卸折疊式機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行便攜設(shè)計(jì)。如圖4，其中，在控制支架1和控制支架2安裝一個(gè)電機(jī)2和兩個(gè)絲杠，利用電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠的傳動(dòng)，從而控制支架1和支架2之間的距離，即控制脈沖X光機(jī)和成像探測(cè)器之間的距離，同時(shí)，電機(jī)具有可拆卸，支架具有可折疊的特點(diǎn)；X光機(jī)脈沖源固定連接在控制支架2的另一端；成像探測(cè)器與控制支架1的一端之間放置一個(gè)電機(jī)1和絲杠，用以控制成像探測(cè)器的位置，達(dá)到更好的檢測(cè)效果。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)控制，采用CPLD芯片進(jìn)行控制。

圖4 X光機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the X machine structure

4 結(jié) 論

文中詳細(xì)的介紹了一種新型便攜式X光機(jī)的關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)和便攜式機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制的設(shè)計(jì)。電源模塊設(shè)計(jì)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(yè)檢測(cè)環(huán)境。CCD技術(shù)被用于X光機(jī)的圖像采集，X光檢測(cè)圖像分辨率與清晰度高，為PC上位機(jī)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、智能分析、損傷評(píng)級(jí)、事后查詢提供可靠的圖像數(shù)據(jù)源。機(jī)械部分，電機(jī)控制的絲杠傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)平臺(tái)和支架的移動(dòng)與收縮，滿足便攜、高效的檢測(cè)要求。

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