基于無線通信技術的便攜式伽瑪能譜儀研制

基于無線通信技術的便攜式伽瑪能譜儀研制基于無線通信技術的便攜式伽瑪能譜儀研制

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044〔2022〕13-0043-02

伽瑪能譜儀屬于一類重點探測天然與人工不穩(wěn)定核素的設備，在環(huán)境監(jiān)測、地質勘測、原子核物理學以及粒子物理學等方面得到了大量的應用，測量效果顯著。由于其主要在野外環(huán)境下工作，對使用便捷性和節(jié)能性等方面設定的規(guī)范相對嚴格。因此，可以將無線通信技術應用到伽瑪能譜儀中，獲得了較好的效果。下列為具體的研制辦法。

1基于無線通信技術的便攜式伽瑪能譜儀研制理念

1.1數(shù)字化伽瑪能譜儀探頭

該研究采用先進的數(shù)字伽瑪能譜儀設計理念，把高電壓電源、前置電路系統(tǒng)、主放大器、脈沖信號峰值保持電爐、多道脈沖幅度分析器、多道數(shù)據(jù)緩存器和全球定位系統(tǒng)模塊加裝到伽瑪能譜儀探頭之中。最后得到數(shù)字化、一體化的伽瑪能譜儀探頭。這種伽瑪能譜儀探頭傳輸?shù)男盘柌皇禽^弱的脈沖信號，卻是一類通過單片機控制系統(tǒng)處理之后的數(shù)字化信號。此類數(shù)字信號通過單片機串口傳輸?shù)娇梢灾苯影l(fā)布指令的計算機中。其結構設計方式提升了伽瑪能譜儀抵御干擾的能力，并便于能譜儀探頭與主機的信號無線傳輸。與此同時，在伽瑪能譜儀探頭中安裝了全球定位系統(tǒng)模塊，對檢測點進行定位，并且采集數(shù)據(jù)，借助單片機控制系統(tǒng)傳輸?shù)娇上铝羞_操作指令的計算機中。利用計算機的譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)把測量點的定位數(shù)據(jù)和測量信息儲存在相同的文件內，滿足了測量點定位要求。

1.2信號無線傳輸

最近些年，無線通信協(xié)議與相關的無線通信產品快速開展，且獲得了廣泛的應用。短距無線通信上，藍牙技術憑借其經濟性、高速性、穿透性、全面性以及信號穩(wěn)定性等優(yōu)勢獲得了業(yè)內的肯定和大量的應用。藍牙技術的相關產品在個人計算機、手提電腦、掌上電腦，、手機、汽車電子產品、家用電器產品以及工業(yè)機械設備等領域中獲得了大量的應用。本文將重慶金甌百米藍牙內嵌模塊安裝到伽瑪能譜儀中[1]，滿足了能譜儀探頭與主機彼此的無線通信功能。其屬于一類線纜替代設計，此類藍牙內嵌模塊能夠和單片機控制器直接相連，應用即插即用模式，使儀器彼此之間的無線信號傳輸變得更加透明。在藍牙內嵌模塊和系統(tǒng)連接無誤的情況下，且在通電啟動后，主從設備就會自主相連，同時對接入設備進行區(qū)分和記憶。爾后，用戶設備能夠如同應用一條串口線的方式應用該模塊。能譜探頭之中的單片機控制系統(tǒng)借助串口和內嵌模塊實現(xiàn)連接，單片機控制系統(tǒng)串口傳輸與收到的信號借助藍牙模塊功能轉化成藍牙通信協(xié)議和對應設備實行信息交換。所以，要求主機設備必須要擁有藍牙數(shù)據(jù)傳輸功能。

當前，具備圖像顯示與信息處理能力的藍牙系統(tǒng)設備為：手提電腦和掌上電腦。其中，手提電腦的功耗很高，通常情況下，持續(xù)運行時間為5小時左右，很難到達野外測量的長時間持續(xù)測量的規(guī)范需求。而掌上電腦在充斥電的情況下，可以進行野外持續(xù)進行測量工作幾天之久。且掌上電腦的體積更小，也更加便攜。野外測量移動過程中，能夠把掌上電腦裝進口袋，非常便捷。此外，掌上電腦應用WindowsMobile〔WM〕系統(tǒng)，這種操作系統(tǒng)是微軟針對嵌入條件進行研發(fā)的，其具備搶先式、多任務和多線程的系統(tǒng)，能夠以這種系統(tǒng)平臺為根底，使用Windows操作系統(tǒng)中的應用程序編程接口函數(shù)功能，研發(fā)出針對伽瑪能譜儀的測量軟件系統(tǒng)。所以，應用具備藍牙功能的掌上電腦為能譜儀的主機，應用藍牙傳輸協(xié)議和能譜探頭之間進行信號交換。這種設計理念下的便攜式伽瑪能譜儀滿足了主機與能譜儀探頭之間的別離要求。與此同時，主機能夠加裝第三方研發(fā)的信號數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在進行野外實地數(shù)據(jù)測量和信息處理的過程中，變得更加便捷，且數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理得到的結果更加精確可靠[2]。

1.3便攜式伽瑪能譜儀軟件系統(tǒng)研發(fā)

應用軟件研發(fā)能夠分成譜數(shù)據(jù)采集、設備譜線的處理、測量數(shù)據(jù)分析以及文件操作幾方面。因掌上電腦能夠提供藍牙虛擬串口功能〔這種藍牙虛擬串口是尋優(yōu)模型系統(tǒng)〕，如何和別的藍牙模塊〔此處僅代表伽瑪能譜儀的探頭〕相連，那么能夠應用串口模式實行藍牙通信，并得到能譜信號數(shù)據(jù)。通過WM系統(tǒng)中的圖形設備端口，能夠實行譜線處理，在Windows操作系統(tǒng)下，進行譜數(shù)據(jù)的寫入和讀取也變得非常方便。在測量數(shù)據(jù)的分析方面，可應用原有的方式進行譜線處理，與標定方程相結合，計算出野外測點中的放射源理論值。

2便攜式伽瑪能譜儀各項技術指標檢測

2.1便攜式伽瑪能譜儀的功耗檢測

原有的便攜式伽瑪能譜儀主要應用電池進行電力供給，能譜儀的功耗通常為主機處理系統(tǒng)與能譜儀探頭的運行功耗兩方面。所以，便攜式伽瑪能譜儀的功耗很高，通常持續(xù)運行時間≤8h，要頻繁地換電池或者進行充電。而本文研制的便攜式伽瑪能譜儀主機應用掌上電腦，主要應用生產廠家配備的鋰電池進行電力供給，能夠不間斷運行3天到5天。通過實際的檢測，數(shù)字化便攜式伽瑪能譜儀探頭的運行電流大約為180毫安，應用可充電的12Ah兩節(jié)鋰電池進行電力供給。在滿電情況下不間斷運行時間>60h，很大程度提升了野外不間斷測量的時間，進而提升了測量效率。

2.2便攜式伽瑪能譜儀的通信距離和抗干擾能力檢測

藍牙內嵌模塊的通信距離通常小于10m，能夠有效在野外測量空曠地區(qū)中應用。該研究中，在實驗室對便攜式伽瑪能譜儀進行檢測。實驗結果可以看出，沒有遮擋物的前提下，藍牙模塊的通訊距離為10m。把數(shù)字化便攜式伽瑪能譜儀探頭放在房中，相隔一面墻的前提下，通訊距離為6-7m之間，長時間檢測數(shù)據(jù)信號的傳輸無異常。藍牙內嵌模塊主要應用分散網(wǎng)絡、短包以及跳頻技術，可以進行點對點和點對多點的通訊連接。其主要運行在通用的2.4GHzISM國際頻段之中，和正常工作生活應用的各類設備之間無干擾影響。因此，這種便攜式伽瑪能譜儀的抗干擾性很高[3]。

2.3便攜式伽瑪能譜儀的其他技術指標檢測[4]

①便攜式伽瑪能譜儀的能量分辨率：8%；②便攜式伽瑪能譜儀的檢出限：鈾為1ppm，釷為1.8ppm，鉀為0.17%；③便攜式伽瑪能譜儀能量分析范疇：50keV-3MeV之間；④便攜式伽瑪能譜儀譜數(shù)據(jù)的存儲量隨著掌上電腦擴容的提升而提升；⑤便攜式伽瑪能譜儀的穩(wěn)定性：有大約8h的穩(wěn)定性，相對偏差不高于6%。

3便攜式伽瑪能譜儀未來的升級和改良計劃

便攜式伽瑪能譜儀的主機與探頭之間實現(xiàn)了別離、實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)信號的傳輸和接收、

實現(xiàn)了主機的微型化、實現(xiàn)了操作系統(tǒng)的完善，使便攜式伽瑪能譜的野外測量變得更加便捷。這種設計理念下的便攜式伽瑪能譜儀也能夠在包含電磁干擾、高輻射和高放射性的檢測環(huán)境中應用，降低或者防止了射線源對測量人員身體產生的放射損害。而由于電子通信科技的飛速進步，能譜儀依然要持續(xù)進行更新與完善，通常反映在如下幾點：第一，故障遠程判斷功能，需要在便攜式伽瑪能譜儀出現(xiàn)問題的情況下，在遠程控制中心實行遠程故障判斷與系統(tǒng)維護；第二，便攜式伽瑪能譜儀測量聯(lián)網(wǎng)，采集數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)實時傳送給數(shù)據(jù)處理部門，使其準確把握實際測量場地鈾、釷和鉀的分布特性；第三，便攜式伽瑪能譜儀采集數(shù)據(jù)的深度處理功能，當前時期，主機中的譜分析處理功能只可以對實際測量點的數(shù)據(jù)實行簡單的分析處理，通過WM系統(tǒng)系統(tǒng)，研發(fā)出能夠針對實際測量地區(qū)譜數(shù)據(jù)實行實時分析處理的軟件，能夠對野外測量工作