CN103293547B - 便携式仿生α内污染剂量监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式仿生α内污染剂量监测装置，装置由人体呼吸辅助系统、仿生呼吸系统以及数字化α能谱获取及分析系统组成，其中，仿生呼吸器模拟人在环境中的吸气过程、人体呼吸辅助系统将人体吸入与呼出的气体分隔开，并获取人体呼出气体，再利用数字化α能谱获取及分析系统分别对仿生呼吸器吸入的气体和人体呼吸辅助系统流出的气体进行α能谱分析，进而分析α辐射剂量。本发明在辐射环境下模拟人体的呼吸，获取呼吸过程中所受的α剂量，为人体所受剂量提供数据参考。

Description

便携式仿生α内污染剂量监测装置

技术领域

本发明涉及一种监控装置，尤其涉及一种便携式仿生α内污染剂量监测装置。

背景技术

核与辐射突发事件、铀矿开采、井下施工、放射性实验、核电事故等情况中，需要实时监控测量工作人员吸入α放射性物质的活度，并估算人员所受内照射剂量。目前，市场现有α辐射测量仪器主要是测量环境中的α辐射，没有基于仿生学原理对人体吸入性α辐射剂量测量的仪器，无法根据人体实际、实时的呼吸情况，定量计算吸入人体的α核素活度，并评估α内照射剂量。另外，由于需要实时监控测量人员吸入α剂量，测量装置的便携性就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决上述问题，便携的仿生α内污染剂量监测装置，该装置基于仿生学原理，能够在辐射环境下模拟人体的呼吸，获取人体呼吸过程中所受的α内污染剂量，为人体所受剂量提供数据参考。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种便携式仿生α内污染剂量监测装置，包括由被检测人员随身佩戴的人体呼吸辅助系统、仿生呼吸系统以及数字化α能谱获取及分析系统；

所述人体呼吸辅助系统包括能罩在被检测人员嘴和鼻上的罩体，吸入气流通道和呼出气流通道，所述吸入气流通道由进气管和单向阀门组成，所述的呼出气流通道由出气管和单向阀门组成；

所述仿生呼吸系统包括仿生呼吸器与仿生呼吸器流量控制模块，仿生呼吸器流量控制模块包括设置在进气管内的气体流量传感器，所述仿生呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器实时获取的人体吸入气体流量数据，控制仿生呼吸器的进气量，使仿生呼吸器进气量与人体吸入气体量实时相同或单位时间内总量相同；

仿生呼吸器的出气端和罩体出气管远离罩体的一端分别连接两路独立的数字化α能谱获取及分析系统，获取人体吸入、呼出气体中的α活度值。

作为优选：所述仿生呼吸器包括气体管道，以及沿着气体管道的气体流出方向依次设置的用于过滤空气中的大量颗粒尘埃的过滤器、消除湿度对测量影响的干燥器、为仿生呼吸系统吸入空气提供动力的泵、控制仿生呼吸系统气体管道开合的阀门、监测气体流量的流量计。

作为优选：仿生呼吸器流量控制模块包括依次连接的信号放大电路、滤波电路、模数转换电路、数字信号处理电路和步进电机，气体流量传感器实时监测人员吸入气体流量信号，经放大滤波并转换为数字信号，再由数字信号处理电路处理，并发送匹配的脉冲信息控制步进电机的转速，所述步进电机与仿生呼吸器的泵相连，带动泵工作。

作为优选：仿生呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器的数据控制仿生呼吸器的进气量，使其与进气阀的进气量实时相同或单位时间内总量相同，从而模拟人体吸气过程，具体实现过程如下：

1）标定气体流量传感器参数，获取流量与电压线性关系曲线；

2）实测步进电机转速与仿生呼吸器吸入空气流量关系数据，利用最小二乘法拟合步进电机转速与流入仿生呼吸器中空气流量关系曲线；以吸入面罩空气流量等于流入仿生呼吸器空气流量建立等式，关联电压U与步进电机转速；

3）根据步进电机转速与输入步进电机脉冲频率关系，及2）中所得电压与步进电机转速的关系，在DSP内利用程序将采样电压U与输入步进电机脉冲频率关联，实现采样电压值U与DSP输出脉冲频率f的对应关系；

4）得到采样电压与输入步进电机工作脉冲频率关系后，根据采样电压值，输出对应脉冲频率信号，驱动步进电机转动，通过控制步进电机的转速，实时控制泵吸入的空气量，准确模拟人体吸气过程。

作为优选：所述人体呼吸系统罩体出气管内填充有消除湿度对测量影响的干燥剂。

作为优选：数字化α能谱获取及分析系统包括半球形高压仓、金硅面垒探测器，前置放大器、主放大器、数字多道和能谱分析单元，所述半球形高压仓包括弧形面和平面，其中弧形面由外层绝缘层和内层高压层构成，平面为地层，半球形高压仓对进入的α粒子进行定向加速，使α粒子向金硅面垒探测器运动，所述金硅面垒探测器将α辐射信号转换为电脉冲信号，所述数字多道获取α粒子的能谱，并由能谱分析单元计算出对应的α活度值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过人体呼吸辅助系统和仿生呼吸系统的配合，监控人体呼吸时吸入和呼出的气体量，并由仿生呼吸系统模拟人体呼入的气体量，再通过两路独立的数字化α能谱获取及分析系统，从仿生呼吸系统获取人体吸入的气体量，从人体呼吸辅助系统的罩体出气管获取人体呼出的气体量，分别进行测量、分析，从而获取人体吸入、呼出气体中的α活度值，整个装置结构简单，高度集成，便携性能好。

其中，人体呼吸辅助系统包括能罩在被检测人员嘴和鼻上的罩体，吸入气流通道和呼出气流通道，罩体罩在被检测人员嘴鼻上，人体在呼吸的时候气体不会泄露，保证气体呼吸量的精确性，而罩体连接吸入气流通道和呼出气流通道，其中吸入气流通道由进气管和单向阀门组成，所述的呼出气流通道由出气管和单向阀门组成，人体吸气时，气体沿吸入气流通道流入，其中，气体从进气管进入，与之对应的单向阀打开，但出气管对应的单向阀闭合，呼气时则刚好相反，保证气体的单向流动。

罩体进气管流入的气体量，也就是吸气时的气体量，通过仿生呼吸系统进行精确模拟，仿生呼吸系统包括仿生呼吸器与仿生呼吸器流量控制模块，仿生呼吸器由仿生呼吸器流量控制模块控制，进行精确的吸气过程模拟，从而使仿生呼吸器进气量与人体吸入气体量实时相同或单位时间内总量相同，再由一个独立的数字化α能谱获取及分析系统获取人体吸入气体中的α活度值。

而罩体出气管流出的气体，直接由一个独立的数字化α能谱获取及分析系统获取人体呼出气体中的α活度值。

仿生呼吸器中，过滤器用于过滤空气中的大量颗粒尘埃，干燥器用于消除湿度对测量影响、泵为仿生呼吸系统吸入空气提供动力、阀门控制仿生呼吸系统气体管道开合，流量计用于监测气体流量，可以再次确认气体流量传感器监测到的气体量。

仿生呼吸器流量控制模块主要是控制仿生呼吸器的进气量，将人体吸入气量转化成数字信号，控制步进电机转速，从而控制泵的工作，达到控制单位时间内进气量的目的，仿生呼吸器流量控制模块包括依次连接的信号放大电路、滤波电路、模数转换电路、数字信号处理电路和步进电机，其信号转化过程是，通过气体流量传感器实时监测人员吸入气体流量信号，再经信号放大电路放大，经滤波电路滤波，再经数转换电路转换为数字信号，再由数字信号处理电路处理，对应形成脉冲信息，再发送匹配的脉冲信息控制步进电机的转速，所述步进电机与仿生呼吸器的泵相连，带动泵工作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明气体流动流程图；

图3为本发明中仿生呼吸器控制模块结构框图；

图4为本发明中仿生呼吸器控制模块计算流程图；

图5为本发明中数字化α能谱获取及分析装置结构框图；

图6本发明中数字多道和能谱分析单元的结构框图。

图中：1、罩体；2、出气管；3、进气管；4、单向阀门；5、干燥剂；6、气体流量传感器；7、过滤器；8、干燥器；9、泵；10、阀门；11、流量计。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：参见图1到图6，本发明公开了一种便携式仿生α内污染剂量监测装置，包括由被检测人员随身佩戴的人体呼吸辅助系统、仿生呼吸系统以及数字化α能谱获取及分析系统。

所述人体呼吸辅助系统包括能罩在被检测人员嘴和鼻上的罩体1，吸入气流通道和呼出气流通道，所述吸入气流通道由进气管3和单向阀门4组成，所述的呼出气流通道由出气管2和单向阀门4组成。

所述仿生呼吸系统包括仿生呼吸器与仿生呼吸器流量控制模块，仿生呼吸器流量控制模块包括设置在进气管3内的气体流量传感器6，所述仿生呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器6实时获取的人体吸入气体流量数据，控制仿生呼吸器的进气量，使仿生呼吸器进气量与人体吸入气体量实时相同或单位时间内总量相同。

仿生呼吸器的出气端和出气管2远离罩体1的一端分别连接两路独立的数字化α能谱获取及分析系统，获取人体吸入、呼出气体中的α活度值。

在本实施例中，所述仿生呼吸器包括气体管道，以及沿着气体管道的气体流出方向依次设置的用于过滤空气中的大量颗粒尘埃的过滤器7、消除湿度对测量影响的干燥器8、为仿生呼吸系统吸入空气提供动力的泵9、控制仿生呼吸系统气体管道开合的阀门10、监测气体流量的流量计11。

所述仿生呼吸器流量控制模块包括依次连接的信号放大电路、滤波电路、模数转换电路、数字信号处理电路和步进电机，气体流量传感器6实时监测人员吸入气体流量信号，经放大滤波并转换为数字信号，再由数字信号处理电路处理，并发送匹配的脉冲信息控制步进电机的转速，所述步进电机与仿生呼吸器的泵9相连，带动泵9工作。

仿生呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器6的数据控制仿生呼吸器的进气量，使其与进气阀的进气量实时相同或单位时间内总量相同，从而模拟人体吸气过程，具体实现过程如下：

1）标定气体流量传感器6参数，获取流量与电压线性关系曲线；

2）实测步进电机转速与仿生呼吸器吸入空气流量关系数据，利用最小二乘法拟合步进电机转速与流入仿生呼吸器中空气流量关系曲线；以吸入面罩空气流量等于流入仿生呼吸器空气流量建立等式，关联电压U与步进电机转速；

3）根据步进电机转速与输入步进电机脉冲频率关系，及2）中所得电压与步进电机转速的关系，在DSP内利用程序将采样电压U与输入步进电机脉冲频率关联，实现采样电压值U与DSP输出脉冲频率f的对应关系；

4）得到采样电压与输入步进电机工作脉冲频率关系后，根据采样电压值，输出对应脉冲频率信号，驱动步进电机转动，通过控制步进电机的转速，实时控制泵9吸入的空气量，准确模拟人体吸气过程。

所述人体呼吸系统罩体1出气管2内填充有消除湿度对测量影响的干燥剂5。

所述数字化α能谱获取及分析系统包括半球形高压仓、金硅面垒探测器，前置放大器、主放大器、数字多道和能谱分析单元，所述半球形高压仓包括弧形面和平面，其中弧形面由外层绝缘层和内层高压层构成，平面为地层，半球形高压仓对进入的α粒子进行定向加速，使α粒子向金硅面垒探测器运动，所述金硅面垒探测器将α辐射信号转换为电脉冲信号，所述数字多道获取α粒子的能谱，并由能谱分析单元计算出对应的α活度值。

本实施例的测量结果来源于两路数据，由人体呼吸辅助系统提供人体呼出的气体量，由仿生呼吸系统提供人体吸气的气体量，并分别测量分析，得到计算出两组数据，也就是人体吸入、呼出的α活度值，从而得到人体实际吸入剂量的数据。

在本实施例中，罩体1能罩在被检测人员嘴和鼻上，人体在呼吸的时候气体不会泄露，保证气体呼吸量的精确性，而罩体1连接吸入气流通道和呼出气流通道，其中吸入气流通道由进气管3和单向阀门4组成，所述的呼出气流通道由出气管2和单向阀门4组成，人体吸气时，气体沿吸入气流通道流入，其中，气体从进气管3进入，与之对应的单向阀打开，但出气管2对应的单向阀闭合，呼气时则刚好相反，保证气体的单向流动。

仿生呼吸系统包括仿生呼吸器与仿生呼吸器流量控制模块；

其中，仿生呼吸器包括气体管道，和设置在气体管道上的过滤器7、干燥器8、泵9、阀门10和流量计11，目的是仿生人体吸气状态。

仿生呼吸器流量控制模块不仅包含气体流量传感器6，还包括依次连接的信号放大电路、滤波电路、模数转换电路、数字信号处理电路和步进电机，目的是控制仿生呼吸器的吸气量；

当被测人员开始呼吸的时候，位于进气管3内的气体流量传感器6开始实时监测人员吸入气体流量信号，经放大滤波并转换为数字信号，再由数字信号处理电路处理，并发送匹配的脉冲信息控制步进电机的转速，所述步进电机与仿生呼吸器的泵9相连，带动泵9工作，步进电机的转速，直接控制了泵9的进气量；

在这里，泵9控制进气量，而泵9由步进电机控制，步进电机的转速，来源于气体流量传感器6获取的气体流量信号，这就可以实现使仿生呼吸器进气量与人体吸入气体量实时相同或单位时间内总量相同；

打开仿生呼吸器上的阀门10，气体管道畅通，气体经过滤器7过滤掉大量颗粒尘埃，经干燥器8消除湿度对测量精度的影响，再通过泵9，流量计11的目的是为仿生呼吸器流量控制模块中的气体流量传感器6提供参考，再次确认气体量。

由于仿生呼吸器流量控制模块的精确控制，使仿生呼吸器进气量与人体吸入气体量实时相同或单位时间内总量相同，仿生呼吸器连接了一个独立的数字化α能谱获取及分析系统，能够精确的测量出人体吸入气体中的α活度值。

相比而言，人体呼出气体的测量就简单的多，直接让人体呼吸辅助系统中的出气管2连接一个独立的数字化α能谱获取及分析系统即可。

在本实施例中，呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器6的数据控制仿生呼吸器的进气量，使其与进气阀的进气量实时相同或单位时间内总量相同，从而模拟人体吸气过程，具体实现过程如下：

1）标定气体流量传感器6参数，获取流量与电压线性关系曲线；在这里，假设电压为U，气体流量传感器6监测到的流量为Q，通过实测，我们可以根据实测值得到这样一个函数：U=KQ+C，其中，K和C是实测得到的构成函数的系数，

2）实测步进电机转速与仿生呼吸器吸入空气流量关系数据，利用最小二乘法拟合步进电机转速与流入仿生呼吸器中空气流量关系曲线；这里电机转速为ω，q为流入仿生呼吸器中的空气流量，我们可以得到这样一个函数，ω=f（q）；再以吸入面罩空气流量等于流入仿生呼吸器空气流量建立等式，关联电压U与步进电机转速，得到函数U=G（ω）；

3）根据步进电机转速与输入步进电机脉冲频率关系，及2）中所得电压与步进电机转速的关系，在DSP，也就是数字信号处理电路内利用程序将采样电压U与输入步进电机脉冲频率关联，实现采样电压值U与DSP输出脉冲频率f的对应关系，得到这样一个函数U=Φ(f)；

4）得到采样电压与输入步进电机工作脉冲频率关系后，根据采样电压值，输出对应脉冲频率信号，驱动步进电机转动，通过控制步进电机的转速，实时控制泵9吸入的空气量，准确模拟人体吸气过程。

最后，将人体吸入与呼出的气体分别送人两路独立的数字化α能谱获取及分析系统中进行分析测量，数字化α能谱获取及分析系统包括半球形高压仓、金硅面垒探测器，前置放大器、主放大器、数字多道和能谱分析单元，半球形高压仓对进入的α粒子进行定向加速，金硅面垒探测器将α辐射信号转换为电脉冲信号，再能谱分析单元计算出对应的α活度值。

参见图6，数字多道和能谱分析单元包括高速的ADC芯片和FPGA。其中FPGA控制高速ADC芯片将模拟脉冲信号转换为数字信号，并在FPGA中建立缓存一、低通数字滤波、缓存二、脉冲幅度分。

Claims (6)

1.一种便携式仿生α内污染剂量监测装置，其特征在于：包括由被检测人员随身佩戴的人体呼吸辅助系统、仿生呼吸系统以及数字化α能谱获取及分析系统；

所述人体呼吸辅助系统包括能罩在被检测人员嘴和鼻上的罩体，吸入气流通道和呼出气流通道，所述吸入气流通道由进气管和单向阀门组成，所述的呼出气流通道由出气管和单向阀门组成；

所述仿生呼吸系统包括仿生呼吸器与仿生呼吸器流量控制模块，仿生呼吸器流量控制模块包括设置在进气管内的气体流量传感器，所述仿生呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器实时获取的人体吸入气体流量数据，控制仿生呼吸器的进气量，使仿生呼吸器进气量与人体吸入气体量实时相同或单位时间内总量相同；

仿生呼吸器的出气端和罩体出气管远离罩体的一端分别连接两路独立的数字化α能谱获取及分析系统，获取人体吸入、呼出气体中的α活度值。

2.根据权利要求1所述的便携式仿生α内污染剂量监测装置，其特征在于：所述仿生呼吸器包括气体管道，以及沿着气体管道的气体流出方向依次设置的用于过滤空气中的大量颗粒尘埃的过滤器、消除湿度对测量影响的干燥器、为仿生呼吸系统吸入空气提供动力的泵、控制仿生呼吸系统气体管道开合的阀门、监测气体流量的流量计。

3.根据权利要求2所述的便携式仿生α内污染剂量监测装置，其特征在于：仿生呼吸器流量控制模块包括依次连接的信号放大电路、滤波电路、模数转换电路、数字信号处理电路和步进电机，气体流量传感器实时监测人员吸入气体流量信号，经放大滤波并转换为数字信号，再由数字信号处理电路处理，并发送匹配的脉冲信息控制步进电机的转速，所述步进电机与仿生呼吸器的泵相连，带动泵工作。

4.根据权利要求3所述的便携式仿生α内污染剂量监测装置，其特征在于：

仿生呼吸器流量控制模块根据气体流量传感器的数据控制仿生呼吸器的进气量，使其与进气阀的进气量实时相同或单位时间内总量相同，从而模拟人体吸气过程，具体实现过程如下：

1）标定气体流量传感器参数，获取流量与电压线性关系曲线；

2）实测步进电机转速与仿生呼吸器吸入空气流量关系数据，利用最小二乘法拟合步进电机转速与流入仿生呼吸器中空气流量关系曲线；以吸入面罩空气流量等于流入仿生呼吸器空气流量建立等式，关联电压与步进电机转速；

3）根据步进电机转速与输入步进电机脉冲频率关系，及2）中所得电压与步进电机转速的关系，在数字信号处理电路内利用程序将采样电压与输入步进电机脉冲频率关联，实现采样电压与数字信号处理电路输出脉冲频率f的对应关系；

4）得到采样电压与输入步进电机工作脉冲频率关系后，根据采样电压值，输出对应脉冲频率信号，驱动步进电机转动，通过控制步进电机的转速，实时控制泵吸入的空气量，准确模拟人体吸气过程。

5.根据权利要求1所述的便携式仿生α内污染剂量监测装置，其特征在于：所述人体呼吸系统罩体出气管内填充有消除湿度对测量影响的干燥剂。

6.根据权利要求1所述的便携式仿生α内污染剂量监测装置，其特征在于：数字化α能谱获取及分析系统包括半球形高压仓、金硅面垒探测器，前置放大器、主放大器、数字多道和能谱分析单元，所述半球形高压仓包括弧形面和平面，其中弧形面由外层绝缘层和内层高压层构成，平面为地层，半球形高压仓对进入的α粒子进行定向加速，使α粒子向金硅面垒探测器运动，所述金硅面垒探测器将α辐射信号转换为电脉冲信号，所述数字多道获取α粒子的能谱，并由能谱分析单元计算出对应的α活度值。