基于γ射线管材壁厚连续测量系统设计.doc

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1、基于射线管材壁厚连续测量系统设计摘 要由于管材的局部严重减薄会对管道的安全运行构成威胁，所以在管材的使用过程中，需要定期对管材的厚度进行检测。作为同位素仪表的一个分支，射线测厚仪在工业测量中也越来越多地发挥重要作用。射线测厚仪由放射源、探测器、信号处理电路这三部分组成。本设计是对管材的壁厚进行连续检测，其中采用虚拟仪器对射线测厚仪进行控制，取代了传统的单片机控制。主要有这两方面的内容：其一、射线连续测厚系统的硬件设计。由于电流电离室出来的信号很微弱，需要运用信号放大电路对其进行放大后送给数据采集卡。其二、基于虚拟仪器的软件设计。其中信号的处理将采用LabVIEW来完成。主要考虑信号的滤波和放大

2、，接着再进行标度变换，最后的管材壁厚值分别用波形图和具体数值显示。关键词：同位素仪表；射线；虚拟仪器；数据采集卡； -ray-based measurement system for pipe wall thickness designAbstractAs a result of severe local thinning pipe pipeline would pose a threat to the safe operation, so the use of tubes, the need to regularly test the thickness of pipe. Instrumen

3、t as a branch of the isotope, -ray thickness measurement in industry is also increasingly playing an important role. by -ray thickness gauge sources, detectors, signal processing circuit which is composed of three parts.The design of the wall thickness of pipe for continuous detection, in which the

4、use of virtual machines on the -ray Thickness Gauge control to replace the traditional single-chip control. There are two aspects: first, -ray thickness measurement system for hardware design. As the current from the ionization chamber signal is very weak, need to use their signal amplification circ

5、uit to the data acquisition card. Second, based on virtual instrument software design. Signal processing which will be used to complete LabVIEW. The main consideration signal filtering and amplification, and then scaling to transform, the final value of the pipe wall thickness, respectively, and spe

6、cific numerical waveform display.Key words: Isotope Instrumentation; -ray; virtual instrument; data acquisition card;目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 课题研究的背景和意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究意义11.2 无损检测技术11.2.1 无损检测的概述11.2.2 无损检测的方法21.2.3 无损检测技术的发展趋势41.3 管材壁厚测量的方法41.3.1 射线测厚仪41.3.2 超声波测厚仪51.3.3 射线测厚仪5第二章 透射式射线测厚仪7

7、2.1 射线的简述72.2 射线与物质相互作用的形式72.2.1 光电效应72.2.2 康普顿效应82.2.3 电子对效应82.3 射线测厚仪92.3.1 透射式射线测厚仪92.3.2 散射式射线测厚仪102.4 透射式射线测厚仪的组成102.4.1 放射源112.4.2 探测器112.5 透射式射线测厚仪的工作原理12第三章 基于射线连续测厚系统的硬件设计143.1 硬件基本结构143.2 Cs放射源143.3 电流电离室153.4 信号放大电路163.5 PCI-6221数据采集卡173.5.1 数据采集卡的概述173.5.2 PCI-6221数据采集卡的组成183.5.3 PCI-622

8、1数据采集卡的规格及其引脚图183.6 数据采集卡与计算机的通信193.7 本章小结20第四章 基于射线连续测厚系统的软件设计214.1 虚拟仪器简介214.2 虚拟仪器的组成224.2.1 硬件结构224.2.2 软件结构234.3 虚拟仪器的基本工作原理及特点244.4 基于射线连续测厚系统的软件框图244.5 基于射线连续测厚系统的前面板设计254.6 基于射线连续测厚系统软件框图程序274.6.1 数据采集274.6.2 滤波284.6.3 放大294.6.4 显示及报警294.6.5 数据存储304.6.6 数据读取314.7 本章小结32第五章 调试与总结335.1 调试335.2

9、 总结与展望335.2.1 总结335.2.2 展望34参考文献35附录 虚拟射线连续测厚系统框图程序37致谢38 第一章 引 言1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 研究背景2006年1月31和2月15日某热电厂B4水冷壁管连续发生破裂事故，事后对水冷壁管进行化学成分分析、宏观分析、断口微观分析及硬度检验，结果表明，水冷壁管的破裂是由于向火面管内侧发生蒸汽腐蚀和氢腐蚀，使得管壁减薄所致。根据介质特性及工艺条件的不同，金属管道在使用过程中，其整体或局部可能受到腐蚀、冲蚀、磨损等破坏性作用，使管壁逐渐减薄。缓慢的均匀减薄对管道的安全运行影响不大，局部的非均匀减薄会影响管道的强度，严重的局部减薄

10、则会对管道的安全运行构成威胁。因此对在役金属管道、尤其是压力管道进行定期检测时均把壁厚检测作为主要的检测项目之一。1.1.2 研究意义对在役金属管道进行壁厚检测的主要目的是为了探测管道在使用过程中壁厚的减薄程度，并依此推测壁厚减薄速度、在一定时期内的减薄总量，通过计算分析判定剩余壁厚能否满足强度及使用寿命的要求。1.2 无损检测技术1.2.1 无损检测的概述随着监督检测手段的不断完善，检测仪器的不断发展，质量监督检测工作的科技含量也在不断增加。无损检测就是建立在现代科学基础之上监督检测技术。无损检测技术(NDT)是在不损害材料/工件使用性能的前提下，用于检测其特征质量，确定其是否已达到特定的工

11、程技术要求，是否还可以继续服役的方法，它是检验产品的质量、保证产品安全、延长产品寿命的必要的可靠技术手段。它有着比常规检测方法更为突出的特点：非破坏性、随机性、远距离探测、现场检测，且检测数据可连续性采集，并通过数理分析和逻辑判断，能够比较准确地推定出质量的状况，从而弥补了以往质量监督检测中单纯以“查、看、审、量”的观感检查和外形质量控制偏差来推及工程质量优劣的做法，使监督检测的结果更具有真实性、科学性和权威性。1.2.2 无损检测的方法经过各国科技工作者的不懈努力，无损检测技术得到了很大的进展，目前形成了五种常规的无损检测的方法，即超声检测(Ultrasonic)、射线检测(Radiogra

12、phic)、涡流检测(EddyCurrent)、磁粉检测(Magnetic Particle)、渗透检测(Penetrant)。1）超声检测超声检测利用的是超声波在介质中传播的特点。当超声波在介质中传播超声时，在不同性质的介面将发生反射、折射和复杂的波型转换，使超声波被吸收和散射，检测、分析反射信号后透射信号即可实现对缺陷的检测。超声检测具有很多优点：具有很强的穿透力，并且对于很小的伤痕，也能够准确地检测出并进行定位，同时，配以一些自动扫描装置及微处理器计算机的设备，这项技术的应用则更为完善和丰富。但该技术对操作者有较高的要求，对于一个很大的检测，一次只能检测很小的一部分。2）射线检测射线的种

13、类有很多，如x射线、射线等。选择什么样的射线取决于待测物体材料的厚度。检测时，射线靠近试样，射线与物质的原子将发生复杂的相互作用，导致透射射线强度衰减，而缺陷部位对射线的衰减不同于无缺陷的部位，由胶片捕捉记录透射射线的强度。胶片经过处理得到了图像，进行灵敏的实时监测，但射线对人体有害。因此操作者除了必须懂得操作规程外，还应有有效的保护措施及警告信号。3）涡流检测涡流检测有一定的局限性，仅能用于导体的电磁技术。涡流检测是根据电磁感应原理，导电材料在变交磁场作用下将产生涡流，导电材料的表面层和近表面层的缺陷会影响产生涡流的大小和分布。当电磁线圈移到金属物的表面，涡流就导入试样中。这种由电流所建立起

14、来的磁场刚好与原磁场的方向相反。由于损伤的存在以及材料内部的缺陷，涡流必将发生畸变，线圈的阻抗将因此而发生变化。通过仪器测量阻抗的变化，进一步分析并研究材料的缺陷和损伤。4）磁粉检测磁粉检测的原理是利用损伤会改变磁力线的分布情况，从而显现材料的缺陷。当磁性材料工件磁化时，在工件表面和近表面的缺陷处将产生漏磁场，这些漏磁场可以吸引磁粉，磁粉的痕迹可以显示缺陷的位置、形状和尺寸。现在可供使用的磁粉种类繁多，可依据要求来选择。该检测方法主要用于材料表面的探伤，有时也可用于浅表面的损伤。但随着损伤的深度和类型的变化，其有效性会受到极大的影响，值得注意的是试样表面的不平和划痕也会对磁力线的走向产生影响。

15、因而，在应用这种方法时，应先对表面进行处理。5）渗透检测渗透检测采用渗透剂渗入工件表面开口缺陷，在清除工件表面的渗透剂后，从缺陷渗入的渗透剂可显示缺陷的位置、形状和大小。渗透剂有荧光渗透剂和着色渗透剂两种。渗透检测可用于表面穿透性裂纹的检测，具有简便、快捷、可靠等特点。但在检测前必须清洁工件，以消除渗透油和显影液的污染。随着工业生产和科学技术的进步，无损检测技术也得到飞速发展，不仅超声、射线等传统的检测技术青春长存，而且还产生了像激光全息干涉、电子剪切成像、激光超声、红外、声发射、微波、远场涡流、电磁超声、磁记忆、超声相控阵等众多的无损检测新方法、新技术。1.2.3 无损检测技术的发展趋势第十

16、五届世界无损检测会议(WCNDT)肯定了无损检测技术未来的发展趋势向无损评价(NDE:Non-Destructive Evaluation)方向发展。无损检测不但要在不损伤被检对象使用性能的前提下，探测其内部或表面的各种宏观缺陷，判断缺陷的位置、大小、形状和性能，还应能对被评价对象的固有属性、功能、状态和发展趋势(安全性和剩余寿命)等进行分析、预测，并做出综合评价。随着计算机技术、数字图像处理技术、电子测量技术的发展为无损检测技术奠定了良好的基础。无损检测技术的研究和应用将呈现数字化、高智能化、自动化等特点。1.3 管材壁厚测量的方法在工业生产中常用来连续测量产品厚度(如钢板、钢带、纸张等)的

17、仪表中有利用射线、射线、射线穿透特性的放射性厚度计；有利用超声波频率变化的超声波厚度计；有利用涡流原理的电涡流厚度计；还有x射线测厚仪、电容式厚度计、微波厚度计和激光厚度计等。其中在工业上常用来测量管材壁厚的方法有：x射线测厚仪、超声波测厚仪、射线测厚仪。1.3.1 射线测厚仪x射线是波长介于紫外线和 射线间的电磁辐射。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。实验室中x射线由x射线管产生，x射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的x射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高

18、压加速电子，电子束轰击靶极，x射线从靶极发出。电子轰击靶极时会产生高温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。 x射线测厚仪的测厚原理是：根据x射线穿透被测物时的强度衰减来进行转换测量厚度的，即测量被测物所吸收的x射线量，根据该x射线的能量值，确定被测件的厚度。x射线测厚仪的优点：透视灵敏度高；设备结构简洁、部件更换快速、简单，便于维护；厚度测量不受材料形状限制；缺点：费用高，透照厚度较射线小，有安全防护要求，还需要恒温冷却系统。1.3.2 超声波测厚仪利用超声波脉冲反射原理，通过发射的超声波脉冲至涂层/基材，计算脉冲通过涂层/基材界面反射回发射器所花的时间来计算涂层的厚度。仪器通过

19、一个发射器发射高频超声波进入涂层，振动波会穿透涂层，遇上不同力学性能的材料(如基材)时，振动波会在不同材料的界面部分反射和传递。反射部分会被感应器接收，传递的振动波继续传递到底材，同样经历着所有材料界面间的反射、传递过程。传感器将反射波转换成电信号，这些信号会被仪器数码化，数码化反射波被分析后，便得到振荡波所花的确切传递时间。超声波测厚仪的优点：超声波测厚仪一般都具有超轻超薄机身，便于单手操作；测量精度高；有背景灯光，使得在各种环境下清晰可视；低功耗，两节干电池可使用200小时以上；对人体无害；适合测量所有导声材料，如钢、铁、塑料、陶瓷、有机玻璃等。缺点：对工件表面要求高；受到被测物周围温度的

20、影响大；使用时间长了，探头接触面会有一定程度的磨损。1.3.3 射线测厚仪射线测厚仪在对物体进行厚度测量时，一般有两种方法：一种是透射式射线测厚仪，另一类是散射式射线测厚仪。但无论是用哪种方法对物体进行厚度检测，其基本原理都是相同的。当射线穿透物质后由于和被测物发生相互作用，使得入射前后的射线强度不同。通过检测入射后的射线强度就可以得出被测物的厚度值。这就是射线测厚仪的基本原理。工业上广泛采用人工同位素产生射线，由于射线的波长比x射线更短，所以具有更大的穿透能力。射线测厚仪的优点是：能量稳定，比X射线有更高的能量；作为射线源比x射线价廉；探测厚度大，穿透能力强；体积小，重量轻，特别适用于野外工

21、作和在用设备的检测；可以连续运行，且不受压力、磁场等外界条件影响。缺点：固有不清晰度一般来说比x射线大；对安全防护要求高，管理严格。第二章 透射式射线测厚仪2.1 射线的简述射线首先由法国科学家P.V.维拉德发现，是继、射线后发现的第三种原子核射线。射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生射线 。它具有比x射线还要强的穿透能力。当射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。射线是一种强电磁波，它的波长比x射线还要短，一般波长0001纳米。在原子核反应中，当原子核发生、衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一

22、系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是射线。 射线具有极强的穿透本领。当人体受到射线照射时，射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生作用，破坏人体内部的正常生理过程。所以当运用射线时，必须做好防护工作。2.2 射线与物质相互作用的形式在理解射线测厚仪的工作原理之前，必须了解光子与物质相互作用的多种形式，对于射线测厚仪所用的放射源因其能量最高不超过2MeV（兆电子伏特），则其形式主要有以下三种： 2.2.1 光电效应原子吸收了光子的全部能量，当光子的能量大于壳层电子的束缚能时，电子发射出去，在壳层上形成电子空位，光子本身消失，原子处于激发态，在退激的

23、过程中发射出壳层电子叫光电子，这一过程叫光电效应。光电效应作用几率用光电截面表示。作用截面的大小与射线的能量和吸收物质的原子序数有关，即 (2-1) (2-2)为光子能量，为壳层光电效应截面，Z为物质原子序数，、分别为电子静止质量和光速。总光电截面的计算公式为： (2-3)2.2.2 康普顿效应光子与原子的核外电子发生非弹性散射的过程称为康普顿效应，在此过程中光子的一部分能量转移给电子，使之脱离原子，散射光子的能量和运动方向都发生变化。康普顿效应与光电效应不同，光电效应中，光子本身消失，能量完全转移给电子，主要发生在原子核的内层电子，而康普顿效应总是发生在外层电子，且光子只是失去一部分能量。散

24、射光子能量的计算公式为： (2-4)其中为散射光子的散射角。康普顿散射截面当时与原子序数Z成正比，与入射光子能量无关；当时截面与原子序数Z成正比而近似地与成反比。2.2.3 电子对效应据能量守恒定律，只有即时才能发生光电效应，入射光子的能量除一部分转变为正、负电子对的静止能量（小于）外，其余的作为它们的动能。在电子对运动过程中产生的正电子与负电子一样在物质中通过电离损失和辐射损失消耗动能被慢化，最后一个正电子与吸收体中的电子相互作用转化为能量相同、方向相反的两个光子，这一过程称为电子对湮没。电子对效应截面p与光子能量Er的关系：当稍大于时， (2-5)当时， (2-6)由以上可以得出：1) 对

25、于低能射线和高Z的吸收物质，光电效应占优势；2) 对于中能射线和低Z的吸收物质，康普顿散射占优势；3) 对于高能射线和高Z的吸收物质，电子对效应占优势。2.3 射线测厚仪射线测厚仪按照测量的方法可以分成两类：其中一类是透射式射线测厚仪，另一类是散射式射线测厚仪。2.3.1 透射式射线测厚仪透射式射线测厚仪是直接测量射线穿透物质后强度变化的仪表。其特点是放射源和探测器分别置于被测物体的两侧。由于物质的吸收射线穿透物质后强度要降低，降低的程度与物体的厚度、密度及成分有关。因此，在其中一个因素发生改变而其他条件不变时，探测器测得的射线强度便仅和变化的因素有关，可用于测量与之有关的参数。透射式厚度计应

26、用十分广泛，可以无接触、迅速、精确、连续的自动检测和控制纸张、塑料、各种金属板材、电影胶片或其他板状材料的厚度。2.3.2 散射式射线测厚仪散射式射线测厚仪是测量被物质散射或反射的射线强度的仪表。其特点是放射源和探测器置于被测物体的同一侧。由于射入物质的射线与被测物体的相互作用，其中一部分射线被散射。射入探测器的射线强度与放射源至被测物体的距离以及被测物体的成分、密度、厚度、表面状态等因素有关。与透射式射线测厚仪一样，在其它条件不变的情况下，只改变其中一个参数时，测得的反散射射线强度就仅随着这个参数变化了。散射式射线测厚仪主要用于透射式射线测厚仪不能运用的场合，例如，被测材料很宽、很大、很厚或

27、另一侧不可能安装仪表或者不易接近的情况下。散射式射线测厚仪也具有非破坏、无接触的特点。但比起透射式射线测厚仪，在同样的放射源强度及探测器情况下，信号要小一至两个信号级，同时对几何位置更加敏感，同样精度要求下比透射式射线测厚仪更难达到要求。上述分别对两种类型的射线测厚仪进行了介绍，通过比较本设计采用透射式射线测厚仪。 2.4 透射式射线测厚仪的组成本设计是基于射线的管材壁厚连续测量系统，所以需要先设计一个射线测厚仪。根据本设计的要求，设计出透射式射线测厚仪的基本结构如下图2.1所示： 图2.1 透射式射线测厚仪结构图透射式射线测厚仪的组成包括：放射源、探测器和信号处理这三大部分。2.4.1 放射

28、源产生射线的装置或物质叫放射源。射线与、射线相比较，穿透力最强，它常用于对较硬的物质诸如钢、铝、塑料等材料的厚度测量。目前在国内外使用的几种射线源有137Cs（铯-137）、60Co（钴-60）、241Am（镅-241）等几种放射性同位素。2.4.2 探测器探测器可分为两类：计数器。有电离室、正比计数器 、盖革-米勒计数器 、闪烁计数器、切伦科夫计数器、半导体探测器等。它的目的主要是用来记录粒子的数目。一般要求计数器具有一定的时间分辨率，即先后两个粒子射入计数器可分辨的时间。通常计数器常与定标电路和符合电路联合使用。定标电路是一种将脉冲计数进制的电路，通过计数器与定标电路的联用，可对粒子快速计

29、数 ；符合电路是将两个或两个以上的计数管同电子线路配合而成，它可以专门只记录那些使计数管协同动作的粒子，而对于只使一个计数管动作的粒子不作反应，从而记录所需寻找的粒子。径迹探测器。有云室、气泡室、流光室、火花室、多丝正比室、核乳胶等。它可以显示粒子穿行的径迹。径迹探测器配以适当的磁场，可根据径迹的长短、粗细、弯曲的方向和弯曲的曲率半径推测出粒子的电荷、质量和能量。2.5 透射式射线测厚仪的工作原理射线在通过物质时，由于光电效应、康普顿效应、电子对效应的作用而被吸收。然而射线在通过物质时，只是强度逐渐减弱，没有与物质发生过相互作用的光子穿过吸收层时其能量保持不变，因此没有射程的概念。射线通过物质

30、后强度的变化是按指数衰减的关系式： (2-7) 射线入射被测物质前的射线强度； 射线入射被测物质后的射线强度； 被测物质的厚度； 被测物质的吸收系数； 自然对数底数；在上式中吸收系数是光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用之总和，若分别考虑每种作用的影响则总吸收系数u可以用下式表达： (2-8) 光电吸收系数； 康普顿吸收系数； 电子对吸收系数；探测器测得的射线强度与吸收体厚度的关系为： (2-9) 被测材料对射线的质量吸收系数； 被测材料的质量厚度； 被测材料的密度；经过简单的推导可以得到： (2-10)对一定材料即可以确定和，只要测得和即可以计算出材料的厚度，这就是透射式射线测厚仪的基本原

31、理。第三章 基于射线连续测厚系统的硬件设计3.1 硬件基本结构透射式射线连续测厚系统的基本硬件方框图如下图3.1所示： 图3.1 透射式射线连续测厚系统的基本硬件方框图放射源选择137Cs，探测器选用电流电离室，数据采集卡使用PCI-6221型数据采集卡。在信号送往数据采集卡前，需要对从电流电离室出来的信号进行放大，并转换成电压信号才能够送给数据采集卡，所以需要加个放大电路来满足所需要的要求。3.2 Cs放射源137Cs的半衰期为30年，衰变时主要发射平均能量为0.662 MeV的辐射。137Cs的测厚范围为1047*104mg/cm2。常温下为固态，毒性分组为中毒组。 放射源封装于不锈钢管内

32、，再装入带闸塞的铅屏蔽容器。其基本结构图如下图3.2所示： 图3.2 137Cs放射源的基本结构图3.3 电流电离室电离室有两类：一类是，测量单个入射离子的称为脉冲电离室，这在测厚仪表中很少应用。另一类是，测量大量离子产生的平均累积效应，称为电流电离室，这是测厚仪表中最常用的一种探测器。这种探测器的最大优点是测量范围宽、稳定性好、寿命长。但输出信号为直流微弱电流，测量仪表易受到外界的干扰。温度漂移及长期漂移是影响测量精度的主要因素。本设计采用的是电流电离室。电离室的构造比较简单，可以说就是两个收集电荷的电极，并在电离室中充以一定压力的气体。两个电极可以由两块平行板组成，也可以做成圆柱形，外围的

33、圆柱为一个电极。中心由圆棒、圆筒或细丝形成另一个电极。此外还可以做成球形。上述各种结构的电离室分别称之为平行板电离室、圆柱形电离室和球形电离室。在实际应用中要根据需要来决定结构形式。 图3.3 电流电离室结构图电流电离室的结构如图3.3所示。当射线穿过电离室灵敏区时，由于射线与工作气体作用产生次级电子，次级电子引起室内气体电离，生成正负离子对，在电场的作用下，正负离子对分别向所加电压极性相反的方向漂移，产生电离电流I=eN，N为在电离室中单位时间内产生的平均离子对数。电流经常是很微弱的，例如，一个空气电离室，设入射粒子能量为5.3 MeV，n=43.7104个/s，如果粒子能量全部损失在电离室

34、中，则电离电流为3.510-9A。对于这样小的电流，是无法直接用普通的电流表测量的，常用的是集成运放或场效应管组成的弱电流放大器，它把电离电流在负载电阻RL上产生的电压降放大后测量。由于电离电流很小，为了得到足够的电压降，RL值应取得特别高。3.4 信号放大电路由于从电离室出来的电压信号比较微弱，需要经过放大后才能够把信号传给PCI-6221数据采集卡，所以需要对从电离室出来的电流信号进行放大。本设计选用的放大电路如下图3.4所示： 图3.4 信号放大电路其输入与输出的关系如下式3.1所示： (3.1)3.5 PCI-6221数据采集卡3.5.1 数据采集卡的概述在计算机广泛应用的今天，数据采

35、集的重要性是十分显著的。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集或产生信息的过程。数据采集系统是基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。通常，必须在数据采集设备采集之前调制传感器信号,包括对其进行增益或衰减和隔离等。数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash等总线接入个人计算机。3.5.2 PCI-6221数据采集卡的组成数据采集卡主要由以下四个部分组成：1)多路开关

36、多路开关将多路信号轮流切换到放大器的输入端，以实现多参数多路信号的分时采集。2)放大器放大器将待采集的信号放大或衰减至采样环节的量程范围内。在实际系统中，放大器的增益通常是可调的，设计者可根据输入信号幅值的大小选择不同的增益倍数。3)采样保持器采样保持器取出待测信号在某一瞬时的值，即实现信号的时间离散化，并在A/D转换过程中保持信号不变。如果被测信号变化很慢，也可不用采样保持器。4)A/D转换器A/D转换器是将输入的模拟量转化为数字量输出，并完成信号幅值的量化。随着电子技术的发展，通常将采样保持器同A/D转换器集成在一块芯片上。以上四个部分都处在计算机的前向通道上，是组成数据采集卡的主要部分。

37、其他相关电路，如定时/计数器、总线接口电路等，也集成在一块电路板上，以完成对信号的采集、放大及模/数转换任务。很多数据采集卡电路板上还装有数/模转换器（D/A)，它处在计算机的后向输出通道上，用于将计算机输出的数字量转换为模拟量，从而实现控制功能。3.5.3 PCI-6221数据采集卡的规格及其引脚图PCI- 6221是NI公司推出的M系列低价位多功能数据采集卡，它的主要规格是：具有2路的模拟输出，16路模拟输入；分辨率为16Bit；采样率为250kS/s； AI、AO通道可承受的最大电压范围是-10伏到10伏。下图3.5为其管脚图。 图3.5 PCI-6221数据采集卡的引脚图3.6 数据采

38、集卡与计算机的通信PCI是Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准)的缩写，是Intel公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。PCI总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持10种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。PCI插槽是基于PCI局部总线的扩展插槽，其颜色一般为乳白色，位于主板上AGP

39、插槽的下方，ISA插槽的上方。其位宽为32位或64位，工作频率为33MHz,最大数据传输率为133MB/sec(32位)和266MB/sec(64位)。可插接显卡、声卡、网卡、内置Modem、内置ADSL Modem、USB2.0卡、IEEE1394卡、IDE接口卡、RAID卡、电视卡、视频采集卡以及其它种类繁多的扩展卡。PCI插槽是主板的主要扩展插槽，通过插接不同的扩展卡可以获得目前电脑能实现的几乎所有功能，是名副其实的“万用”扩展插槽。而PCI-6221数据采集卡则就是插放在PCI插槽内，连通了数据采集卡与计算机，使得计算机可以读取采集卡所采集的数据。3.7 本章小结以上是透射式射线连续测

40、厚系统的硬件部分。137Cs放射源提供了能量，而电流电离室则是分析放射源在入射被测物体前后，能量的损耗量。再通过微小电流放大电路，将从电流电离室出来的微弱电压信号给予放大，再将放大后的电压信号传给PCI-6221数据采集卡。最后用数据采集卡连接本设计的硬件部分和软件部分。第四章 基于射线连续测厚系统的软件设计4.1 虚拟仪器简介LabVIEW是美国国家仪器公司开发的图形化编程语言，主要应用于数据采集与控制、数据分析，以及数据表达等方面，它提供了一种全新的程序编写方法，即对称之为“虚拟仪器”（Virtual Instruments简称VI）的软件对象进行图形化的组合操作，能够以其直观简便的编程方

41、式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用

42、过程都生动有趣。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。LabVIEW也是一种通用编程系统，具有各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、GPIB、串行仪器控制、数据分析、数据显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。LabVIEW也有完善的仿真、调试工具，如设置断点、

43、单步等。LabVIEW的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更快捷。采用虚拟仪器技术构建测试仪器，开发效率高，可维护性强；测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分保证；具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备更新和功能转换与扩充。本设计介绍目前虚拟仪器的主流开发工具LabVIEW8.5，该软件提供了非常丰富的数据采集和数学分析函数和工具，具有创造力的图形语言（G语言）开发环境，使得程序的编辑、调试等都非常方便，快捷，高效。从而摆脱了基于文本编程语言的繁杂的变量命名，文本编辑与修改及复杂的程序调试过程，使非计算机专业的测试技术或仪器的开发人员也

44、可以开发出一流的测试系统或测量仪器。4.2 虚拟仪器的组成4.2.1 硬件结构虚拟仪器由通用仪器硬件平台（简称硬件平台）和应用软件两大部分组成。目前常用的虚拟仪器硬件结构形式主要有以下几种，如图4.1所示。图4.1 虚拟仪器的构成框图PC-DAQ系统：它是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用PCI或ISA计算机本身的总线，故将数据采集卡(DAQ)插入计算机的空槽中即可。GPIB系统：它是以GPIB标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。VXI系统：它是以VXI(VME eXtension For Instrumentation

45、)标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。PXI系统：以PXI标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。串口系统：它是以Serial标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。无论上述哪种VI系统组成一台虚拟仪器后，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合，其中，PC-DAQ系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。而本设计采用的是PCI-6221数据采集卡，故采用的是PC-DAQ系统。4.2.2 软件结构虚拟仪器软件由两大部分构成：应用程序和I/O接口仪器驱动程序。(1) 应用程序应用程序含两个方面：一方面是实现虚拟面板功能的

46、前面板软件程序；另一方面是定义测试功能的流程图软件程序。(2) I/O接口仪器驱动程序I/O接口仪器驱动程序完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。开发虚拟仪器必须有合适的软件工具，目前的虚拟仪器软件开发工具有如下两类：文本式编程语言如Visual C+、Visual BASIC、LabWindows/CVI等；图形化编程语言如LabVIEW、HPVEE等。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条件与良好的开发环境。本设计使用图形化编程语言LabVIEW8.5版本。4.3 虚拟仪器的基本工作原理及特点虚拟仪器是利用计算机和一组专用软件，加上硬件设备，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力，建立中英文界面的虚拟仪器面板，提供对测量数据的分析和显示，形成既有普通仪器的功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。从虚拟仪器的组成和结构，可以看出虚拟仪器具有以下特点：(1) 可以由用户定义测量功能。虚拟仪器是一种软件化的测量装置，用户可以通过软件定义一台虚拟仪器和虚拟面板，然后通过计算机进行控制，计算机就像一台万用的仪器一样，只要改变软件就可以改变它的功能。虚拟仪器不需要大量的开关、连接线和按键，要改变功能只需通