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北京北信科遠儀器有限責任公司
主營產品： 搖擺式脫色搖床,實驗室電子分析天平,一體涂層測厚儀 |
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2016-7-13 閱讀(964)
伽瑪射線能譜測量是一種重要的核地球物理方法，是解決地球科學、環境科學等有關問題的主要手段之。隨著科技的不斷發展，伽瑪能譜儀的研究技術不斷趨于成熟，其設計朝著多道便攜式、微機化、多功能的方向發展。先后出現了AMPTEK公司生產的GAMMA -8000（512道）m、Terraplus公司生產的GR320（可選道數256/512）及北京核儀器廠生產的BH1936A（1024道）12-3.此類儀器設計均采用：伽瑪能譜探測器、多道脈沖幅度分析器和計算機軟件系統組成。因此，目前出現的能譜儀產品均是采用核探測器加上獨立的多道脈沖幅度分析器，價格昂貴，缺乏靈活性和可擴充性。
虛擬儀器技術（VI）將計算機技術應用在儀器領域，改變傳統儀器的應用方式，實現測量信息遠程共享、綜合分析、評估等功能。本文利用“軟件就是儀器”的思想，結合軟件工程設計原理完成虛擬儀器開發。其特色是在伽瑪能譜儀的開發過程中引入了虛擬儀器技術，使開發出來的儀器不管是硬件還是軟件都具有開放性、模塊化、可重復互換性的特點。
1硬件組成能譜儀由伽瑪能譜探頭、通用數據采集卡和計算機系統組成。伽瑪能譜探測器采用通用NaI探頭：信號幅度0.05~3.5V，輸出信號幅度范圍為0 ~6.8V，信號脈沖寬度1~5ps，能量分辨率矣12%.通用數據采集卡采用MeasurementComputing公司的PCI -DAS4020/12，該卡為四道PCI總線插卡，其模擬輸入分辨率為12bits，采樣速率可達20MHzH.計算機為普通臺式計算機。組成伽瑪能譜儀的硬件都是通用組件，不需進行硬件電路設計。
軟件設計設計方案概述本設計利用LabVIEW平臺強大的開發功能進行前面板和測試功能程序設計。系統設計主要包含數據流管理、采集控制、多道幅度分析和譜分析等功能模塊。
其工作過程可大致描述如下：通過數據采集模塊完成數據采集，利用采集控制模塊對數據進行有效地處理、傳輸及存儲，然后將數據送入多道幅度分析模塊完成譜數據的計算機化，與此同時，調用實時顯示模塊將譜數據以圖形的形式進行顯示。系統還提供了譜分析功能模塊，根據用戶的不同需要完成對譜數據的各種性能處理。
伽瑪能譜儀面板設計前面板設計采用符合Windows界面編制準則的菜單編輯器實現，菜單功能主要通過Event Structure結構完成15-6，為用戶提供簡潔、友好的編輯環境。前面板主要包括：菜單、譜線顯示窗口、采集控制、采集卡配置、含量信息顯示等功能模塊。
米用Queue技術的多線程米集程序代碼如所示：2.3關鍵技術分析在以軟件為核心的虛擬儀器系統中，軟件不但要完成對采集卡的控制，還要承擔數據處理、顯示、響應用戶指令等系列任務，有時還要完成遠程數據傳輸；因此，系統開銷很大，對實時性要求很高。
以數據采集控制模塊為例，在采集模塊中要進行數據采集控制的同時，還要進行數據處理和顯示。在盡可能的提高運行效率的同時，還要避免各個進程之間的速度不匹配，如：當數據采集模塊運行速度快于數據分析模塊運行速度，就會使某些數據得不到分析，反之，會使同一次采集到的數據進行多次分析，數據顯示和數據分析模塊速度不匹配的話，也會產生這種現象。
譜數據讀取對話框為滿足實時性要求，并保證數據的完整性，系統設計了“Queue緩存多任務運行機制”：該機制采用*先出（FIFO）的結構作為公共數據域，為各個功能模塊提供獨立又相互制約的數據通道。
為三個進程提供數據緩存，進而制約了三個獨立的進程之間的調用，從而解決了速度匹配問題。具體程序中三個任務在獨立的while循環線程中運行，程序開始時由CreateQueue.vi創建了原始數據與分析數據兩個隊列，然后把采集到的數據由InsertQueueElement.vi插入到原始數據隊列中，在第二個while中，由RemoveQueueElement.vi把數據移出隊列進行數據處理。通過隊列Queue起到了約束、補償的緩存作用，制約了三個線程的數據調用，使得三個獨立的線程相互，避免了數據遺漏或是重復分析的情況。
2.4功能模塊設計2.4.1數據流管理數據流操作與管理是測試系統軟件開發的重要組成部分，根據能譜儀的實際需求，系統設計了以下幾種文件類型：數據：2048道譜數據、采集時間、總峰數、UThK含量。可在其他文本編輯器（如記事本）或電子表格（如EXCEL）中打開。譜文件讀取對話框如所示。
值的數據，共2048個，其中道數值為‘0’表示該道數據未選中，不屬于加亮區；反之，值為‘1'用戶可通過鍵盤左右方向鍵進行左、右選擇加亮某道，加亮的某道數據以紅色表示；可通過Del鍵來逐道刪除所選加區。選定加亮區后，可根據需要保存加亮區。同時也可以直接打開已保存的加亮區文件。
只要單擊“文件管理”譜圖保存“菜單即可實現保存。譜圖保存源碼如所示：配置文件（。config）：把用戶常用的配置保存起來，想用的時候可以直接調用，以免重復設置。
格式為：日期與時間+采樣率+外觸發+觸發閾值+采集時間+譜數據存儲地址+連續采集。采用LabVIEW提供的OpenConfigData.vi、WriteKey.vi等可完成配置文件的寫入與讀取操作。
加亮區顯示2.4.2多道脈沖幅度分析模塊系統通過數據采集模塊將采樣值讀入內存緩沖區，完成從采集卡到系統之間的數據傳輸。虛擬多道脈沖幅度分析程序的功能就是針對內存緩沖區的數據進行尋峰，找出脈沖幅度值，然后對每個脈沖幅度進行分析，在幅度大小相應的道址上作加1計數。
可直接對采樣數據進行尋峰，得到峰位、幅度及方差等信息。但由于其通用性，降低了它的運行速度。為了提高性能，系統利用運行速度更快的C語言自定義了尋峰模塊的動態鏈接庫，具體代碼如下：尋峰求分辨率對話框該功能模塊的設計中也需要考慮采樣率與脈沖幅度分析速率的匹配問題，即系統軟件的尋峰及幅度提取運行速度與數據采集速度的匹配，避免脈沖數據大量丟失。系統通過Queue緩存多任務運行機制完成速率的匹配問題。此外，模塊增加了閾值確定模塊，保證只在脈沖幅度超過閾值時才產生觸發，以提高數據的有效性。綜上，采用純軟件編制的多道脈沖幅度分析器是高速、可靠的。
2.4.3數據實時顯示模塊數據實時顯示模塊完成經過多道脈沖幅度分析模塊處理后的數據顯示，以道址為橫坐標，以計數為縱坐標，具體代碼如所示：現°8.界面如所示：在實時采集過程中，可以通過鍵盤方向鍵的上下鍵實現縱坐標的放大和縮小，以便根據需求查看相對應區間的詳細情況。同時可以用鼠標拖動光標或用鍵盤上的左右鍵移動光標，來顯示光標所在位置的道數和計數。此外，程序中設置了加亮區的選擇和刪除功能，加亮區文件的保存與讀取功能。加亮區可以通過鍵盤上的左右鍵（通過功能鍵F7切換，實現左右鍵功能的變換）進行選擇，并以紅色區塊顯示，并可以通過Del鍵逐道刪除所選的加亮區。
2.4.4譜分析模塊尋峰求分辨率在尋峰求分辨率模塊所要完成的主要任務就是查找峰位以及計算峰高一半處以道址為單位的寬度。能量分辨率是指對于某一給定的能量，探測器能分辨的兩個粒子能量之間的zui小相對差值的量度。能量分辨率可定義如公式（1）所示：址；Ahw表示在峰位一半高處，所得的以道址為單位的寬度。尋峰求分辨率對話框如所示。
積分區間計數積分區間計數的功能：計算用戶輸入的兩個道2.4.4.3譜尋峰尋峰是定位能譜中的全部有效峰。在譜數據中地計算出各個峰的峰位是能譜分析中的關鍵問題。譜分析對尋峰的基本要求是：（1）比較高的重峰分辨率，能確定距離近的峰的位置。
能識別弱峰，假峰出現的幾率小。
不僅能計算峰位的整數道址，還能計算峰位的值。
系統采用精密的尋峰方法：協方差法。選用LabVIEW系統中提供的PeakDetect.VI，該子VI使用了協方差法，能夠較好地滿足尋峰的要求。對于不同的核譜數據，其峰的半高寬、峰頂高度均不相同，給出近似的半高寬值，設置峰高閾值，對低于峰高閾值的不進行尋峰。這樣可以將噪聲產生的雜峰除去，僅找出需要的峰值。界定尋峰區域之后，就可以尋峰并給出找到的峰的個數，每個峰的位置及峰的高度。
技術指標為了保證儀器的工作正常，測量結果可靠，儀器性能必須良好。為此，對儀器的主要性能進行了相關測試，整機技術參數如下：脈沖采樣速度：20MHz，zui小脈沖寬度：0.25叫死時間0，137Cs光電峰偏移矣±1%，穩定性：8h.結束語本文設計*拋開硬件電路設計，后通過計算機軟件實現儀器功能，滿足了電子技術從單一的電子元件向集成化、智能化方向發展的趨勢。純軟件伽瑪能譜儀的研制成功，不僅為伽瑪能譜儀的研制提供了新思路，而且為今后能譜儀功能擴展和性能提高等方面的研究提供了新的研究平臺。北京富瑞恒創科技有限公司。
