CN119165519A - 一种参考级剂量仪检测信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种参考级剂量仪检测信号处理系统，包括信号采集模组、信号处理模组、显示与交互模组和通讯接口模组，信号处理模组通过引入多量程放大控制单元，根据输入信号的幅度范围自动或手动切换电路放大参数，实现了全量程的精确测量，有效避免了信号饱和和信噪比低的问题，显著提高了测量的精度和可靠性；信号整形单元对放大后的信号进行整形处理，减少了信号的突变噪声，并过滤掉低于阈值的微小噪声信号，使得有用信号更加突出；同时，噪声抑制单元采用两级滤波电路，进一步消除了信号中的环境噪声和低频干扰，提升了信号质量。有效解决了现有剂量仪在信号处理方面的局限性，提高了辐射剂量测量的精度和可靠性。

Description

一种参考级剂量仪检测信号处理系统

技术领域

本发明涉及参考级剂量仪技术领域，特别是涉及一种参考级剂量仪检测信号处理系统。

背景技术

参考级剂量仪主要用于标准电离室(治疗水平电离室、井型电离室等)的微弱电离信号读出，满足IEC60731 参考级技术指标的要求，可与标准电离室共同组成计量标准。

由于辐射粒子与探测器材料相互作用产生的电离效应往往非常微弱，特别是在低剂量率环境下，这些微弱的电信号容易受到背景噪声、电子噪声、电磁干扰等多种因素的影响，导致信号质量下降，测量精度受限。且现有剂量仪往往采用固定增益的放大电路，无法自动适应不同幅度的输入信号，导致在高剂量率时信号饱和，在低剂量率时信噪比低，无法实现全量程的精确测量。例如，申请号为2023101969172的中国发明专利公开了一种辐射剂量仪，该申请在对辐射数据采集过程中，采集组件包括通道切换器、多个放大器和A/D转换器，该技术方案放大器采用固定增益无法有效适应不同幅度的输入信号。在高剂量率时，信号可能因放大器饱和而失真；在低剂量率时，信噪比可能过低，影响测量精度。

综上所述，现有剂量仪在信号处理方面存在的局限性严重制约了辐射剂量测量的精度和可靠性。针对上述情况，本发明旨在提供一种新的方案来解决此问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种参考级剂量仪检测信号处理系统。

其解决的技术方案是：一种参考级剂量仪检测信号处理系统，包括：

信号采集模组，用于探测标准电离室中的辐射粒子，并转换为电信号输出；

信号处理模组，用于对所述信号采集模组输出的电信号进行处理和分析，具体包括：

多量程放大控制单元，根据所述电信号的幅度范围，自动或手动切换电路放大参数，以匹配系统可识别的测量范围；

信号整形单元，设置于所述多量程放大控制单元的输出端，用于对放大后的信号进行整形处理；

噪声抑制单元，设置于所述信号整形单元的输出端，用于消除信号中的环境噪声和低频干扰；

模数转换器，设置于所述噪声抑制单元的输出端，用于将处理后的模拟电信号转换为数字信号；以及

微处理器，用于对所述数字信号进行分析计算，以确定辐射剂量；

显示与交互模组，所述微处理器连接，用于显示系统状态和测量结果，并允许用户进行操作和参数设置；

通讯接口模组，用于与外部设备进行数据交换。

优选的，所述信号采集模组包括：

检测探头，设置于所述标准电离室内，用于将探测辐射粒子与电离室内物质相互作用产生的电离效应转换为可测量的电信号；

信号连接器，用于将所述电信号传输至所述信号处理模组。

优选的，所述多量程放大控制单元包括：

主放大电路，包括运放器U1，运放器U1的同相输入端通过电阻R2连接电阻R1和电容C1的一端，电容C1的另一端连接所述信号采集模组的信号输出端，电阻R1的另一端接地；

增益控制电路，包括场效应管Q1，场效应管Q1的漏极连接电阻R3的一端和运放器U1的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C2连接运放器U1的输出端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R5的一端和场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的源极接地，电阻R5的另一端连接稳压二极管DZ1的阴极、电容C3的一端和所述微处理器的第一控制输出端，稳压二极管DZ1的阳极与电容C3的另一端接地。

优选的，所述信号整形单元包括：

运放器U2，运放器U2的反相输入端通过电阻R6连接运放器U1的输出端；

积分调节电路，包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R7和电阻R8，电阻R8与电容C6的一端通过电容C5连接电阻R7和运放器U2的反相输入端，电阻R8与电容C6的另一端连接运放器U2的输出端，电阻R7的另一端通过电容C4接地；

阈值电路，设置于运放器U2的同相输入端，用于向运放器U2提供阈值电压。

优选的，所述阈值电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极连接运放器U2的同相输入端，并通过电容C7接地，三极管VT1的发射极通过电阻R10连接电阻R9的一端和三端稳压器D1的输入端，电阻R9的另一端连接+5V电源，三极管VT1的基极连接电阻R11的一端和三端稳压器D1的输出端，电阻R11的另一端接地。

优选的，所述噪声抑制单元包括：

第一滤波电路，用于消除信号中的环境噪声，包括运放器U3，运放器U3的同相输入端通过电阻R12连接运放器U2的输出端，并通过电容C10接地，运放器U3的反相输入端通过电容C11连接运放器U3的输出端和电阻R15的一端，并通过电阻R14接地，电阻R15的另一端连接运放器U2的反相输入端；

第二滤波电路，用于消除信号中的低频干扰，包括电容C8、电容C9和电阻R13，电容C8的一端连接运放器U2的输出端，电容C8的另一端连接电阻R13的一端和所述模数转换器，电阻R13的另一端通过电容C9接地。

优选的，所述微处理器为STC15F型单片机。

优选的，所述通讯接口模组包括RS232、RS485和LAN接口电路。

优选的，所述显示与交互模组包括：

触控显示屏，通过SPI串口与所述微处理器连接；

按键输入电路，与所述微处理器的输入引脚连接，用户可通过选择按键来向微处理器发送量程选择指令。

优选的，所述系统还包括RFID模组，所述RFID模组包括：

RFID读写器，用于识别所述标准电离室上的电子标签信息，并将读取的数据传输给所述微处理器；

驱动电路，包括场效应管Q2和场效应管Q3，场效应管Q2的栅极连接电阻R20的一端和所述微处理器的第二控制输出端，场效应管Q2的源极与电阻R20的另一端接地，场效应管Q2的漏极连接电阻R21的一端和场效应管Q3的栅极，场效应管Q3的源极连接电阻R21的另一端和+5V电源，场效应管Q3的漏极连接RFID读写器的电源端。

通过以上技术方案，本发明的有益效果为：

1.本申请通过引入多量程放大控制单元，能够根据输入信号的幅度范围自动或手动切换电路放大参数，实现了全量程的精确测量；这种动态量程调整能力有效避免了信号饱和和信噪比低的问题，显著提高了测量的精度和可靠性；

2.系统设置的信号整形单元通过积分调节电路和阈值电路对放大后的信号进行整形处理，减少了信号的突变噪声，并过滤掉低于阈值的微小噪声信号，使得有用信号更加突出；同时，噪声抑制单元采用两级滤波电路，进一步消除了信号中的环境噪声和低频干扰，提升了信号质量；

3.系统还配备了多样化的通讯接口模组和用户交互界面，不仅实现了与各类设备、网络的广泛连接与高效交互，还为用户提供了便捷、智能、个性化的操作体验。

附图说明

图1为本发明的系统模块结构框图。

图2为本发明中信号处理模组的结构框图。

图3为本发明中多量程放大控制单元、信号整形单元和噪声抑制单元的连接原理图。

图4为本发明中STC15F型单片机与按键输入电路的连接原理图。

图5为本发明中RFID模组的驱动电路原理图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至附图5对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

如图1所示，一种参考级剂量仪检测信号处理系统，包括：

信号采集模组，用于探测标准电离室中的辐射粒子，并转换为电信号输出；

信号处理模组，用于对信号采集模组输出的电信号进行处理和分析，如图2所示，具体包括：

多量程放大控制单元，根据电信号的幅度范围，自动或手动切换电路放大参数，以匹配系统可识别的测量范围；

信号整形单元，设置于多量程放大控制单元的输出端，用于对放大后的信号进行整形处理；

噪声抑制单元，设置于信号整形单元的输出端，用于消除信号中的背景噪声和低频干扰；

模数转换器，设置于噪声抑制单元的输出端，用于将处理后的模拟电信号转换为数字信号；以及

微处理器，用于对数字信号进行分析计算，以确定辐射剂量；

显示与交互模组，微处理器连接，用于显示系统状态和测量结果，并允许用户进行操作和参数设置；

通讯接口模组，用于与外部设备进行数据交换。

在上述中，信号采集模组包括：

检测探头，设置于标准电离室内，用于将探测辐射粒子与电离室内物质相互作用产生的电离效应转换为可测量的电信号；

信号连接器，用于将电信号稳定、可靠地传输至信号处理模组。具体设置时，信号连接器可以采用三同轴 TNC或三同轴 TRT连接器，以适应不同的应用需求和环境条件。

经信号连接器传输的电信号首先送入多量程放大控制单元中进行处理，如图3所示，该单元具体包括：

主放大电路，包括运放器U1，运放器U1的同相输入端通过电阻R2连接电阻R1和电容C1的一端，电容C1的另一端连接信号采集模组的信号输出端，电阻R1的另一端接地；

增益控制电路，包括场效应管Q1，场效应管Q1的漏极（引脚1）连接电阻R3的一端和运放器U1的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C2连接运放器U1的输出端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R5的一端和场效应管Q1的栅极（引脚2），场效应管Q1的源极（引脚3）接地，电阻R5的另一端连接稳压二极管DZ1的阴极、电容C3的一端和微处理器的第一控制输出端，稳压二极管DZ1的阳极与电容C3的另一端接地。

在多量程放大控制单元具体实施过程中，主放大电路采用运放器U1作用主放大器对采集到的电信号进行放大处理。增益控制电路设置于运放器U1的负反馈端用于调节其增益参数，具体的，场效应管Q1作为可变电阻，当微处理器输出不同幅度的控制信号时，场效应管Q1的导通程度会发生变化，从而改变运放器U1的反馈电阻，进而实现对运放器U1的增益调节。

同时，电阻R3和电容C2构成了负反馈网络，其作用是稳定放大器的增益和输出波形，防止自激振荡和失真。稳压二极管DZ1和电容C3对微处理器输出的控制信号起到稳定和保护作用。

因此，多量程放大控制单元通过主放大电路对输入信号进行放大处理，并通过增益控制电路根据微处理器的控制信号动态调节放大器的增益，从而使系统能够根据输入信号的幅度范围来切换检测量程。

经过放大的信号被送入信号整形单元进行进一步处理，具体的，如图3所示，信号整形单元包括：

运放器U2，运放器U2的反相输入端通过电阻R6连接运放器U1的输出端；

积分调节电路，包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R7和电阻R8，电阻R8与电容C6的一端通过电容C5连接电阻R7和运放器U2的反相输入端，电阻R8与电容C6的另一端连接运放器U2的输出端，电阻R7的另一端通过电容C4接地；

阈值电路，设置于运放器U2的同相输入端，用于向运放器U2提供阈值电压。

在信号整形单元工作过程中，经过运放器U1放大的信号输入到运放器U2的反相输入端，然后在积分调节电路的阻容元件作用下对输入信号进行整形，以减少信号的突变噪声，使得辐射粒子产生的脉冲电信号转换为更容易分析和处理的连续信号。同时，比较调节电路通过设定一个阈值电压，将积分后的信号与该阈值电压进行比较，以过滤掉低于该阈值的微小噪声信号，使得有用信号更加突出，极大地提升系统对电信号的分辨率。

在上述中，阈值电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极连接运放器U2的同相输入端，并通过电容C7接地，三极管VT1的发射极通过电阻R10连接电阻R9的一端和三端稳压器D1的输入端，电阻R9的另一端连接+5V电源，三极管VT1的基极连接电阻R11的一端和三端稳压器D1的输出端，电阻R11的另一端接地。其中，三端稳压器D1为三极管VT1的基极提供一个稳定的参考电压，进而通过VT1的放大作用，在运放器U2的同相输入端形成一个稳定的阈值电压。

整形后的信号中可能仍含有环境噪声和低频干扰信号，因此采用噪声抑制单元进一步处理。具体的，如图3所示，噪声抑制单元包括：

第一滤波电路，用于消除信号中的环境噪声，包括运放器U3，运放器U3的同相输入端通过电阻R12连接运放器U2的输出端，并通过电容C10接地，运放器U3的反相输入端通过电容C11连接运放器U3的输出端和电阻R15的一端，并通过电阻R14接地，电阻R15的另一端连接运放器U2的反相输入端；

第二滤波电路，用于消除信号中的低频干扰，包括电容C8、电容C9和电阻R13，电容C8的一端连接运放器U2的输出端，电容C8的另一端连接电阻R13的一端和模数转换器，电阻R13的另一端通过电容C9接地。

整形后的信号首先进入第一滤波电路，第一滤波电路采用带通滤波器的形式提取出有用信号的指定频段，并对超出该频段范围的高频和低频信号进行抑制。第一滤波电路的输出信号输入至运放器U2中形成反馈闭环，以提高滤波器的稳定性和带宽。经第一滤波电路处理后，信号中的环境噪声被显著减少，使得信号更加纯净。第二滤波电路采用RC滤波器原理进一步消除低频噪声残留，以达到最佳的滤波效果。通过上述滤波处理，采集信号质量得到了大幅提升，极大地提高了参考级剂量仪检测的准确性和稳定性。

在具体实施过程中，系统选用STC15F型单片机作为核心微处理器，负责整体的数据处理与控制。系统还配备了多样化的通讯接口模组，包括RS232、RS485和LAN接口电路，这些接口提供了灵活的数据传输方式，确保了参考级剂量仪能与外部设备进行高效、稳定的通信。

此外，为了增强用户体验，系统还集成了显示与交互模组，具体包括：

触控显示屏，通过SPI串口与微处理器连接，实现了直观的操作界面和结果显示；

按键输入电路，与微处理器的输入引脚连接，用户可通过选择按键来向微处理器发送量程选择指令。

具体实施时，如图4所示，用户可以通过按键SW0、SW1、SW2来方便地实现高、中、低三种量程的选择。其中，高量程为±（10nA-2.5μA），中量程为±（100pA-25nA），低量程为±（0.200pA-250pA）；每个按键对应一个量程设置，当用户按下其中一个按键时，按键输入电路会向STC15F型单片机发送一个相应的指令信号。单片机接收到该指令信号后，会解析并识别出用户选择的量程，然后相应地调整其第一控制输出端DAC的控制信号幅度，以调节系统放大参数，为用户提供准确可靠的剂量检测结果。

同时，系统还包括RFID模组，如图5所示，RFID模组包括：

RFID读写器，用于识别标准电离室上的电子标签信息，并将读取的数据传输给微处理器；

驱动电路，包括场效应管Q2和场效应管Q3，场效应管Q2的栅极连接电阻R20的一端和微处理器的第二控制输出端，场效应管Q2的源极与电阻R20的另一端接地，场效应管Q2的漏极连接电阻R21的一端和场效应管Q3的栅极，场效应管Q3的源极连接电阻R21的另一端和+5V电源，场效应管Q3的漏极连接RFID读写器的电源端。

具体使用时，本申请参考级剂量仪中的RFID读写器会自动识别电离室上附带的电子标签，并将标签内的数据信息送入微处理器中进行解析，以提取电离室的输出信号量程范围等关键信息。根据电离室的量程范围，微处理器自动匹配和选择合适的检测量程，并自动调整放大参数。

综上所述，本申请通过引入多量程放大控制单元，能够根据输入信号的幅度范围自动或手动切换电路放大参数，实现了全量程的精确测量。这种动态量程调整能力有效避免了信号饱和和信噪比低的问题，显著提高了测量的精度和可靠性。

系统设置的信号整形单元通过积分调节电路和阈值电路对放大后的信号进行整形处理，减少了信号的突变噪声，并过滤掉低于阈值的微小噪声信号，使得有用信号更加突出。同时，噪声抑制单元采用两级滤波电路，进一步消除了信号中的环境噪声和低频干扰，提升了信号质量。

系统还配备了多样化的通讯接口模组和用户交互界面，不仅实现了与各类设备、网络的广泛连接与高效交互，还为用户提供了便捷、智能、个性化的操作体验。

以上所述是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施仅局限于此；对于本发明所属及相关技术领域的技术人员来说，在基于本发明技术方案思路前提下，所作的拓展以及操作方法、数据的替换，都应当落在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，包括：

信号采集模组，用于探测标准电离室中的辐射粒子，并转换为电信号输出；

信号处理模组，用于对所述信号采集模组输出的电信号进行处理和分析，具体包括：

多量程放大控制单元，根据所述电信号的幅度范围，自动或手动切换电路放大参数，以匹配系统可识别的测量范围；

信号整形单元，设置于所述多量程放大控制单元的输出端，用于对放大后的信号进行整形处理；

噪声抑制单元，设置于所述信号整形单元的输出端，用于消除信号中的环境噪声和低频干扰；

模数转换器，设置于所述噪声抑制单元的输出端，用于将处理后的模拟电信号转换为数字信号；以及

微处理器，用于对所述数字信号进行分析计算，以确定辐射剂量；

显示与交互模组，所述微处理器连接，用于显示系统状态和测量结果，并允许用户进行操作和参数设置；

通讯接口模组，用于与外部设备进行数据交换。

2.根据权利要求1所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述信号采集模组包括：

检测探头，设置于所述标准电离室内，用于将探测辐射粒子与电离室内物质相互作用产生的电离效应转换为可测量的电信号；

信号连接器，用于将所述电信号传输至所述信号处理模组。

3.根据权利要求1所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述多量程放大控制单元包括：

主放大电路，包括运放器U1，运放器U1的同相输入端通过电阻R2连接电阻R1和电容C1的一端，电容C1的另一端连接所述信号采集模组的信号输出端，电阻R1的另一端接地；

增益控制电路，包括场效应管Q1，场效应管Q1的漏极连接电阻R3的一端和运放器U1的反相输入端，电阻R3的另一端通过电容C2连接运放器U1的输出端和电阻R4的一端，电阻R4的另一端连接电阻R5的一端和场效应管Q1的栅极，场效应管Q1的源极接地，电阻R5的另一端连接稳压二极管DZ1的阴极、电容C3的一端和所述微处理器的第一控制输出端，稳压二极管DZ1的阳极与电容C3的另一端接地。

4.根据权利要求3所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述信号整形单元包括：

运放器U2，运放器U2的反相输入端通过电阻R6连接运放器U1的输出端；

积分调节电路，包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R7和电阻R8，电阻R8与电容C6的一端通过电容C5连接电阻R7和运放器U2的反相输入端，电阻R8与电容C6的另一端连接运放器U2的输出端，电阻R7的另一端通过电容C4接地；

阈值电路，设置于运放器U2的同相输入端，用于向运放器U2提供阈值电压。

5.根据权利要求4所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述阈值电路包括三极管VT1，三极管VT1的集电极连接运放器U2的同相输入端，并通过电容C7接地，三极管VT1的发射极通过电阻R10连接电阻R9的一端和三端稳压器D1的输入端，电阻R9的另一端连接+5V电源，三极管VT1的基极连接电阻R11的一端和三端稳压器D1的输出端，电阻R11的另一端接地。

6.根据权利要求5所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述噪声抑制单元包括：

第一滤波电路，用于消除信号中的环境噪声，包括运放器U3，运放器U3的同相输入端通过电阻R12连接运放器U2的输出端，并通过电容C10接地，运放器U3的反相输入端通过电容C11连接运放器U3的输出端和电阻R15的一端，并通过电阻R14接地，电阻R15的另一端连接运放器U2的反相输入端；

第二滤波电路，用于消除信号中的低频干扰，包括电容C8、电容C9和电阻R13，电容C8的一端连接运放器U2的输出端，电容C8的另一端连接电阻R13的一端和所述模数转换器，电阻R13的另一端通过电容C9接地。

7.根据权利要求1所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述微处理器为STC15F型单片机。

8.根据权利要求7所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述通讯接口模组包括RS232、RS485和LAN接口电路。

9.根据权利要求8所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述显示与交互模组包括：

触控显示屏，通过SPI串口与所述微处理器连接；

按键输入电路，与所述微处理器的输入引脚连接，用户可通过选择按键来向微处理器发送量程选择指令。

10.根据权利要求1所述一种参考级剂量仪检测信号处理系统，其特征在于，所述系统还包括RFID模组，所述RFID模组包括：

RFID读写器，用于识别所述标准电离室上的电子标签信息，并将读取的数据传输给所述微处理器；

驱动电路，包括场效应管Q2和场效应管Q3，场效应管Q2的栅极连接电阻R20的一端和所述微处理器的第二控制输出端，场效应管Q2的源极与电阻R20的另一端接地，场效应管Q2的漏极连接电阻R21的一端和场效应管Q3的栅极，场效应管Q3的源极连接电阻R21的另一端和+5V电源，场效应管Q3的漏极连接RFID读写器的电源端。