鋰離子電池供電型便攜式高頻X射線機(jī)的研制

曾瑩瑩，陳海輝，肖化武，易榮喜

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鋰離子電池供電型便攜式高頻X射線機(jī)的研制

曾瑩瑩1，*陳海輝2，肖化武3，易榮喜1

(1.井岡山大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西，吉安 343009；2.井岡山大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江西，吉安 343009；3.江西紫東科技有限公司，江西，吉安 343000)

在總結(jié)相關(guān)專利的基礎(chǔ)上，本文發(fā)明了一種便攜式高頻Ｘ射線機(jī)的鋰離子電池的供電方法和控制電路。闡述了鋰離子電池給X射線管的高壓供電和燈絲加熱。設(shè)計(jì)了半橋逆變的主電路方案，以及X射線機(jī)的管電壓和管電流的反饋檢測電路裝置。樣機(jī)總質(zhì)量1.5 kg，總體積不大于15 cm×15 cm×15 cm。電池組容量可曝光300次，輸出電壓范圍在19~25 V之間，管電壓60 kV，波動(dòng)5%，管電流2 mA，波動(dòng)8%。樣機(jī)輕便，體積小，便于攜帶，且能拍攝出清晰圖片，能滿足拍片要求?；诎霕蚰孀兊墓╇姺桨福涔茈娏?、管電壓的波動(dòng)比全橋逆變供電時(shí)要大，即精度會有所降低，但其結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，體積減少，適合制作小容量的便攜式X射線機(jī)。

鋰離子電池組；便攜式；高頻X射線機(jī)；管電壓；管電流

0 前言

研制高指標(biāo)、高穩(wěn)定性、低成本、易維護(hù)的高頻 X線機(jī)，是我國醫(yī)療行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃中的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)[1,2,3]。中國專利02215351.9提出了一種小容量組合式X線發(fā)生器的電路構(gòu)成，設(shè)計(jì)了一種便攜式牙科X射線機(jī)，它包括一個(gè)控制箱和主機(jī)，主機(jī)包括逆變電路、高頻整流電路、燈絲電路，該類電路不足之處在將逆變電路放置在主機(jī)內(nèi)，難于保證其絕緣、抗干擾能力[4]。中國專利200620025175.9 提供一種高頻直流X射線高壓發(fā)生器，但該類電路不足之處沒有管電流、管電壓的反饋檢測電路，不能精確控制管電流、管電壓[5]。中國專利03133411.3[6]、200620012531.3[7]、200710143656.9[8]、200710139049.5[9]、200920060095.0[10]均涉及到組合機(jī)頭機(jī)芯的固定問題。中國專利201110189158.4[11]發(fā)明了全橋逆變的準(zhǔn)諧振型高頻X線機(jī)的控制方法和控制電路。

這些專利所生產(chǎn)的X射線管射線機(jī)體積較大，且都采用交流市電供電，不適應(yīng)制作野外作業(yè)的高頻X射線機(jī)，未涉及關(guān)于鋰電池供電的高頻X射線機(jī)。采用鋰電池的供電方案，具有體積小、重量輕、性能高等優(yōu)點(diǎn)，適合于野外作業(yè)的高頻X射線機(jī)。本文根據(jù)目前的需要，研制出一款用鋰電池供電的高頻X射線機(jī)，方便攜帶且可用于野外作業(yè)。

1 設(shè)計(jì)方案

為解決上述問題，實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)在野外無市電供應(yīng)的環(huán)境下繼續(xù)使用、方便攜帶、性能先進(jìn)的功能，在本團(tuán)隊(duì)的專利基礎(chǔ)上[10~11]，研究了一種高頻X射線機(jī)的鋰電池供電方法和控制電路裝置，解決了鋰電池供電的問題[12]。主要發(fā)明措施有：基于鋰電池供電方案，實(shí)現(xiàn)在野外無市電供應(yīng)的環(huán)境下X射線機(jī)能繼續(xù)使用，曝光300次以上的效果；采用鋰電池、MOSFET管半橋高頻逆變、高頻變壓器、倍壓整流電路，構(gòu)成一種微型化DC—DC 變換器拓?fù)潆娐?，如附圖1，大大地減少了X射線機(jī)體積。

鋰電池給X射線管的高壓供電方法：鋰電池的正極接在高頻變壓器初級繞組的中部，脈沖波輪流交替驅(qū)動(dòng)一對場效應(yīng)管的開和關(guān)，電流通過變壓器初級繞組的上或下半部、輪流交替通過場效應(yīng)管，最后到達(dá)鋰電池的負(fù)極，這樣高頻變壓器初級繞組的磁通量實(shí)現(xiàn)了快速交替變化，從而次級繞組感生出高頻電源。高頻變壓器次級的主繞組經(jīng)過高頻變壓器升壓，倍壓整流電路進(jìn)一步升壓、整流之后，就可得到小電流高壓直流電源，加在固定陽極X射線管上，就實(shí)現(xiàn)了鋰電池給X射線管的高壓供電。

鋰電池給X射線管的燈絲加熱方法：鋰電池正負(fù)極接入直流電源控制芯片的電源輸入端，調(diào)節(jié)電路參數(shù)，就可使電源芯片輸出端的電壓得到精確控制，將該輸出端加在X射線管的燈絲上，就實(shí)現(xiàn)了鋰電池給X射線管的燈絲加熱。圖1為實(shí)現(xiàn)以上鋰離子電池給X射線管的供電方法的主電路，TL494輪流交替驅(qū)動(dòng)MOSFET管S1、S2開和關(guān)。

1—場效應(yīng)管MOSFET；２—可循環(huán)充電的鋰電池；３—高頻變壓器；４—高頻變壓器次級主繞組；5—高頻變壓器次級輔助繞組；6—倍壓整流電路；7—固定陽極X射線管；8—球管，包括3、6、7部件；9—燈絲加熱電路；11-管電流反饋電路；12—TL494芯片PWM驅(qū)動(dòng)電路。

X射線機(jī)鋰電池供電的具體控制電路如圖2，調(diào)節(jié)高精度電阻R6與R7的電阻比，就可使TL494芯片引腳2的電壓數(shù)值改變，即得到管電壓設(shè)定值Vs，TL494芯片引腳1處接管電壓反饋值Vt。TL494芯片引腳4的電壓用于死區(qū)時(shí)間控制，接管電流反饋電壓Vgt。TL494芯片的控制輸出是引腳1、2、4處的電壓值的綜合效果，引腳8、11輪流交替輸出PWM高頻矩形波，放大之后再去輪流交替驅(qū)動(dòng)MOSFET管S1、S2的開和關(guān)。

圖 2 鋰電池給X射線發(fā)射管供電的TL494控制電路

X射線機(jī)管電流的反饋電路如圖3所示，管電流電路由電阻R5、氣體放電管GDT電路、電感和雙向穩(wěn)壓管構(gòu)成，其中R5限流，GDT高壓放電，均起保護(hù)、濾波、抑高壓沖擊作用。Vgt經(jīng)反向放大輸入給TL494芯片引腳4。

圖3 管電流反饋電路

X射線機(jī)管電壓的反饋電路如圖4所示。高頻變壓器次級的輔助繞組是管電壓的反饋檢測裝置，其兩端電壓與管電壓具有比例關(guān)系。輔助繞組的高頻反饋電壓經(jīng)過快雙開關(guān)1PS226之后，輸出一個(gè)管電壓，然后經(jīng)過高精度電阻R1與R2的分壓，就可以得到一個(gè)單片機(jī)可以接受的管電壓反饋電壓Vt。

圖4 管電壓反饋電路

鋰電池給X射線管的燈絲加熱電路如圖5所示，將鋰電池正負(fù)極接入芯片LM2576的電源輸入端，調(diào)節(jié)高精度電阻R3與R4的電阻比，就可使LM2576輸出端電壓得到精確控制，將LM2576輸出端加在燈絲上，可以使得燈絲加熱電壓得到精確控制。

圖5 鋰電池組給X射線管燈絲加熱的控制電路

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本文技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：鋰電池可實(shí)現(xiàn)在野外無市電供應(yīng)的環(huán)境下X射線機(jī)能繼續(xù)使用的作用；采用鋰電池、MOSFET管半橋高頻逆變、高頻變壓器、倍壓整流電路，構(gòu)成一種微型化DC—DC 變換器拓?fù)潆娐?，大大地減少了X射線機(jī)體積。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

基于以上想法，自主研制了5套樣機(jī)，樣機(jī)總質(zhì)量1.5 kg，總體積不大于15 cm×15 cm×15 cm。樣機(jī)的球管尺寸及模具研制如文獻(xiàn)[13]所述，采用注塑得到球管外殼。6只2000 mAh鋰離子電池串聯(lián)成供電源，電池組輸出電壓在19~25 V范圍之間，均能保證管電流、管電壓的精確控制。系統(tǒng)采用STC 51單片機(jī)控制，確保曝光時(shí)間及控制精度。采用液晶顯示，界面友好。樣機(jī)初步試驗(yàn)表明控制方法及電路裝置效果良好:管電壓60 kV，管電流2 mA，管電壓波動(dòng)5 %，管電流波動(dòng)8 %，每次曝光時(shí)間定為0.24 s時(shí)，鋰離子電池組充滿電后，可以曝光300次。

在管電壓、管電流的反饋采樣電路處接上示波器，觀察電路波動(dòng)情況。管電壓與高頻變壓器的逆變頻率直接相關(guān)，高頻變壓器上的逆變頻率如圖6所示，從測試結(jié)果來看，逆變頻率為13.3kHz，波形近似矩形，MOSFET管開或關(guān)的時(shí)候有個(gè)尖峰，幅值隨時(shí)間有輕微增加。

圖7 管電流波形

管電流波形如圖7所示，在MOSFET管開或關(guān)的時(shí)候同樣有個(gè)尖峰，與管電壓變化相似。這種尖峰與高頻變壓器的制作質(zhì)量和磁芯材料的性能有很大關(guān)系。從測試結(jié)果來看，基于半橋逆變的供電方案，其管電流、管電壓的波動(dòng)比我們以前做的全橋供電時(shí)的要大[1,2,14]，即控制精度會有所降低。但半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單些，降低了成本和電路體積，適合制作小容量便攜式X射線機(jī)。

圖8 鋰離子電池輸出電壓波形

鋰離子電池輸出電壓的波形如圖8所示，在MOSFET管開或關(guān)的時(shí)候，同樣有個(gè)尖峰，與管電壓、管電流變化相對應(yīng)。我們在制作過程中遇到了由于電路尖峰而經(jīng)常燒毀MOSFET管的問題。經(jīng)驗(yàn)證明：選擇正確的磁芯材料性能制作高質(zhì)量的高頻變壓器是制作高頻X射線機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖9 樣機(jī)實(shí)物

圖10 拍攝片

樣機(jī)實(shí)物如圖9，整機(jī)的大小和形狀與單反相機(jī)相近，總質(zhì)量約1.5kg。對人體手指和單片機(jī)芯片進(jìn)行了拍攝，效果如圖10，能清晰地顯示出手指骨髓、肌肉，也能清晰地顯示出單片機(jī)晶圓電路，X射線成像效果良好。

3 結(jié)論

經(jīng)過電路測試，樣機(jī)性能穩(wěn)定；經(jīng)過實(shí)物拍攝，圖像質(zhì)量好，完全可滿足透視要求。從電路波形測試結(jié)果來看，基于半橋逆變的供電方案，其管電流、管電壓的波動(dòng)比全橋逆變供電時(shí)的要大，即精度會有所降低，但其結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，體積減小，適合制作小容量的便攜式X射線機(jī)。本文發(fā)明研制出鋰離子供電型便攜式高頻X射線機(jī)樣機(jī)，樣機(jī)輕便，體積小，便于攜帶，且能拍攝出清晰圖片，能滿足拍片要求。

[1] 陳海輝,曾瑩瑩. 便攜式高頻 X 射線機(jī)球管的設(shè)計(jì)與制作[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,34(1): 83-86.

[2] 陳文光,饒益花,陳海輝. X射線機(jī)管電流控制方法研究[J]. 核電子學(xué)與探測技術(shù), 2008,28(4): 770-773.

[3] 褚恩輝,張化龍,劉秀罛. X線管驅(qū)動(dòng)用高頻串聯(lián)諧振形直流高壓發(fā)生裝置及其性能評價(jià)[J]. 石化電氣, 2009,28(6):76-82.

[4] 戴旭展. 便攜式牙科X射線機(jī)[P].中國專利, 02215351.9.

[5] 陸明. 高頻直流X射線高壓發(fā)生器[P].中國專利,200620025175.9.

[6] 韓吉龍,付智勇,潘賢君. 一種高頻床旁X光機(jī)[P].中國專利,03133411.3.

[7] 孫小明,丁石因. X-線發(fā)生器的組合機(jī)頭機(jī)芯[P]. 中國專利,200620012531.3.

[8] 弗萊徹·L,蔡平,莉莎·M·哈特,等. X射線源組合件[P]. 中國專利,200710143656.9.

[9] 小杉典正,日野利彥,小川雅也. X射線發(fā)生裝置[P]. 中國專利,200710139049.5.

[10] 陳海輝,張陽德,周立新. 一種高頻直流X射線源組合式機(jī)頭[P].中國專利,200920060095.0.

[11] 陳海輝,曾瑩瑩. 準(zhǔn)諧振型高頻X線機(jī)的控制方法和控制電路[P]. 中國專利,201110189158.4.

[12] 陳海輝,曾瑩瑩,肖化武. 高頻X射線機(jī)的鋰電池供電方法和電路[P].中國專利,201510231916.2.

[13] 易榮喜,曾瑩瑩,陳海輝,等發(fā)生器座塑料模具設(shè)計(jì)及成型工藝分析[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017, 38(2):74-77.

[14] 楊偉軍,陳海輝,張陽德. 高頻直流牙科X線機(jī)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)測試[J]. 中國醫(yī)學(xué)工程, 2009,17(5):382-385.

DEVELOPMENT OF PORTABLE HIGH FREQUENCY X RAY MACHINE FOR LITHIUM ION BATTERY POWER SUPPLY

ZENG Ying-ying1, *CHEN Hai-hui2, X IAO Hua-wu3, YI Rong-xi1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China；2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China, China; 3. Jiangxi Zidong Technology Co. Ltd, Ji’an, Jiangxi 343000, China;)

On the basis of related patents, power supply method and control circuit of a portable high frequency X-ray machine powered by lithium ion battery were invented in this paper. These strategies of batteries power supply for high voltage supply and the filament heating of the X-ray tube are sketched. The main circuit scheme is designed as half bridge inverter, and the feedback circuits of tube voltage and tube current for the portable X- ray machine are also proposed. The total mass of the prototype is about 1.5kg, and the total volume is less than 15cm x 15cm x 15cm. The battery capacity can be exposed 300 times, the output voltage range is between 19~25V, the tube voltage is 60kV, and its’ fluctuation is 5%, the tube current is 2mA, and the fluctuation is 8%. The prototype is portable, small size, easy to carry, and can take a clear picture, which can meet the requirements of X-ray imaging. Compared with that of full bridge inverter power supply, the fluctuations of both tube current and tube voltage of the half bridge inverter power supply are larger, the control accuracy will be reduced, but because of its simple structure, lower cost, reduced volume, the half bridge inverter power supply is very suitable for portable X - ray machine production of small capacity.

lithium ion batteries pack; portable; high frequency X-ray machine; tube voltage; tube current

1674-8085(2018)03-0052-06

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2018.03.011

2017-11-15；

2018-01-12

江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20133ACG70010，20151BBG70033，20161BBG70033）；江西省教育廳落地計(jì)劃項(xiàng)目（KJLD14062）

曾瑩瑩(1975-)，女，湖南湘潭人，副教授，碩士，主要從事醫(yī)學(xué)工程研究(E-mail:jgzyy09@126.com);

*陳海輝(1968-)，男，湖南衡山人，副教授，博士，主要從事化工機(jī)械研究(E-mail:chenhaihui68@126.com);

肖化武(1974-)，男，湖南邵陽人，副教授，博士，主要從事電子線路與系統(tǒng)研究(E-mail:26679826@qq.com);

易榮喜(1976-)，男，江西吉安人，副教授，碩士，主要從事模具設(shè)計(jì)及新材料研究(E-mail:yirongxi@sina.com).