非介入技術(shù)在X光機(jī)管電流測(cè)量中的應(yīng)用研究

黃 平 ， 龔 嵐 ， 劉志宏

（1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

0 引言

X光機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，如工業(yè)探傷、物質(zhì)測(cè)厚、原子和分子結(jié)構(gòu)等。在醫(yī)學(xué)上，X射線(xiàn)技術(shù)已成為對(duì)疾病進(jìn)行放射診斷和放射治療的專(zhuān)門(mén)學(xué)科，在醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)中占有重要地位[1-2]。

由于X光機(jī)在各領(lǐng)域的廣泛使用，涉及產(chǎn)品質(zhì)量控制、公共人身安全等方面，對(duì)X光機(jī)重要物理參數(shù)的檢測(cè)變得尤為重要。X光機(jī)管電流參數(shù)在X光機(jī)質(zhì)量控制中越發(fā)重要[3-5]，傳統(tǒng)介入式X光機(jī)管電流測(cè)量前需將電路切斷，停機(jī)后才能將電流表接入，這樣操作不便、數(shù)據(jù)量少，故該文介紹了一種基于非介入式X光機(jī)管電流實(shí)時(shí)測(cè)量方法。

1 測(cè)量原理簡(jiǎn)介

電流是電荷的流動(dòng)。電流的標(biāo)準(zhǔn)單位是安培（A），它等于每秒內(nèi)一庫(kù)侖電荷的流量[6]。測(cè)量電流的方法一般分成直接式和非直接式兩種。直接式一般通過(guò)電阻進(jìn)行，根據(jù)歐姆定律電流的大小和電壓成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量一個(gè)小電阻的電壓差得到所經(jīng)過(guò)電流的大??；非直接式測(cè)量一般通過(guò)監(jiān)控電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)得到，由于電流周?chē)旧頃?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流的大小和磁場(chǎng)成正比，因此可以通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)的大小得到經(jīng)過(guò)電流的大小。直接式用于測(cè)量相對(duì)較小的電流以及電壓不高的情況，非直接式不帶有任何導(dǎo)電關(guān)系，因此可用于測(cè)量相對(duì)較大的電流以及相對(duì)較高的電壓[7]。

在X光機(jī)管電壓固定且不考慮距離的情況下，X射線(xiàn)強(qiáng)度用管電流與時(shí)間的乘積（mAs）來(lái)表示[8]。在檢測(cè)過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量mAs參數(shù)對(duì)X光機(jī)質(zhì)量控制尤為重要。

非介入管電流測(cè)量是利用電流互感器和電流表組合而成，穿過(guò)鐵心的被測(cè)電路導(dǎo)線(xiàn)為電流I1互感器的一次線(xiàn)圈，通過(guò)電流便在二次線(xiàn)圈中感應(yīng)出電流I2，兩者關(guān)系如下式所示。

式中：N1，N2——一次線(xiàn)圈和二次線(xiàn)圈的匝數(shù)。

目前，一種更現(xiàn)代的電流測(cè)量方法是使用一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)放大感測(cè)電阻所產(chǎn)生的電壓降，常常將其輸出接到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）上。該方法的第1步就是選擇感測(cè)電阻的阻值，并設(shè)定放大器的增益[9]。

為提高X光機(jī)管電流質(zhì)量控制的檢測(cè)水平，傳統(tǒng)電流表已不能滿(mǎn)足測(cè)量要求，為此設(shè)計(jì)驗(yàn)證了基于實(shí)時(shí)采樣技術(shù)的非介入管電流測(cè)量方法。

2 測(cè)量裝置

非介入實(shí)時(shí)管電流測(cè)量是利用高速ADC對(duì)電流互感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣操作，并對(duì)采樣波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算的方法。測(cè)量裝置如圖1所示。

電流互感信號(hào)經(jīng)過(guò)I-U轉(zhuǎn)換后，信號(hào)采集部分對(duì)其實(shí)時(shí)采樣并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。為了對(duì)管電流測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與刻度，設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易電流源測(cè)試裝置（如圖2所示），利用經(jīng)典公式（I=U/R），采用穩(wěn)壓電源和高精度大功率電阻組成，利用不同阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，可提供不同的標(biāo)準(zhǔn)電流值。

圖1 管電流測(cè)量裝置示意圖

圖2 電流源測(cè)試裝置示意圖

由于功耗損失或周?chē)h(huán)境溫度改變引起的分路電阻發(fā)熱導(dǎo)致的阻值變化，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因此選取的電阻應(yīng)有良好的溫度系數(shù)。

3 數(shù)據(jù)分析

當(dāng)X光機(jī)管電流測(cè)量裝置建立完成后，通過(guò)PC機(jī)軟件對(duì)管電流裝置進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

3.1 電流源測(cè)試

重復(fù)性沿用公式

計(jì)算所得，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

3.2 X光機(jī)管電流測(cè)試

當(dāng)利用標(biāo)準(zhǔn)電流源測(cè)量刻度后，可對(duì)X光機(jī)管電流進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

圖3 為 100ms，標(biāo)準(zhǔn)電流為 100，120，250mA 條件下的實(shí)測(cè)波形，圖4為系統(tǒng)線(xiàn)性測(cè)試。在圖5測(cè)試結(jié)果中，對(duì)相同管電壓和曝光時(shí)間，不同管電流進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試相對(duì)誤差在2%內(nèi)，滿(mǎn)足測(cè)量要求。在表3中對(duì)相同管電流和曝光時(shí)間，不同管電壓進(jìn)行測(cè)試，從測(cè)試曲線(xiàn)圖6得知，隨著管電壓的升高，管電流也會(huì)隨之升高，在管電流測(cè)量過(guò)程中，管電壓范圍宜選在100kV下進(jìn)行。

表1 標(biāo)準(zhǔn)電流源測(cè)量

表2 相同管電壓、曝光時(shí)間，不同管電流測(cè)試結(jié)果

表3 相同管電流、曝光時(shí)間，不同管電壓測(cè)試結(jié)果

圖3 不同標(biāo)準(zhǔn)電流值實(shí)時(shí)波形顯示

圖4 系統(tǒng)線(xiàn)性測(cè)試

圖5 X光機(jī)管電流測(cè)量相對(duì)誤差

圖6 管電壓與管電流關(guān)系圖

4 結(jié)束語(yǔ)

管電流的大小直接影響著攝片時(shí)膠片的感光量，必須對(duì)長(zhǎng)時(shí)間使用的醫(yī)用X光機(jī)管電流進(jìn)行重新檢測(cè)與調(diào)整后，才能繼續(xù)安全使用。

隨著X光機(jī)的廣泛使用，其與人們的生活密切相關(guān)，為了使它安全、可靠地服務(wù)大眾，質(zhì)量檢測(cè)能力變得越發(fā)重要。由于介入測(cè)試在檢測(cè)中帶來(lái)的操作不便、人工輻射增加等因素影響，同時(shí)得益于傳感器技術(shù)和測(cè)量方法理論的不斷突破，故在管電流非介入測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，建立了一套X光機(jī)管電流實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，主要包括電流標(biāo)準(zhǔn)源信號(hào)和信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)驗(yàn)證了基于X光機(jī)管電流的非介入式測(cè)量方法，進(jìn)一步驗(yàn)證X光機(jī)管電流實(shí)時(shí)測(cè)量的檢測(cè)能力。

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