CN108008441A - 一种束流流强标定和测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种束流流强标定和测量系统，包括主机、交换机、电流源、束测探头、真空电馈通、串口服务器、模拟信号采集模块、储存模块以及若干个皮安表；本发明还提供了一种束流流强标定和测量的方法；本发明可以实现对皮安表的标定，可随时改变电流源的幅值与频率，实现不同幅值与频率信号的标定和测量，实现标定和测量结果的实时分析处理，另外可将数据保存下来供离线处理，实时对多个皮安表进行同时标定和测量，增加测量的准确性、快捷性，提高测量电子学设备的束流流强的效率，具有很好的使用和推广价值。

Description

一种束流流强标定和测量系统与方法

技术领域

本发明涉及加速器束流诊断技术领域，具体是一种束流流强标定和测量系统与方法。

背景技术

束流流强是加速器中束流的一项重要的参数，对其进行测量可为加速器的运行和调试提供重要的依据，一般采用束测探头来获取束流，再通过测量仪器测量获取的电流值，从而得到束流流强；

对于现有的束流流强标定方案，只能实现电流幅值的标定，也只能实现单通道的标定和测量，而且不能实现对数据的实时分析、处理和保存，从而影响束流流强测量的效率和准确性。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种束流流强标定和测量系统与方法，通过实现皮安表和束流流强测量系统的标定，并实现束流流强的精确测量，从而为加速器的运行和调试提供重要的诊断依据。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种束流流强标定和测量系统，包括主机、交换机、电流源、束测探头、真空电馈通、串口服务器、模拟信号采集模块以及若干个皮安表；

电流源，用于作为标定的信号源，产生准确的电流信号；

束测探头，用于采集电流信号，并通过电缆线输送到皮安表；

真空电馈通，用于将束测探头的电缆线引到加速器的真空外；

皮安表，用于通过RS232电缆串口输出的电流数值，以及用于通过模拟电压输出口输出-2～2V的电压数值；

模拟信号采集模块，用于采集皮安表输出的电压数值，并根据I-V关系曲线进行转换后，获得当前皮安表实时测得的电流数值；

串口服务器，用于将RS232串口转换为以太网接口，实现对多台皮安表进行连接；

交换机，用于扩展主机的以太网接口；

主机，用于对电流源和皮安表进行控制，同时获得皮安表和电流源输出的电流数值，对皮安表进行标定，并将得到的电流数值进行校准后，进而实现对电子学设备的束流流强进行精确的测量；

主机包括控制模块、数据获取模块、标定模块、储存模块以及校准模块；

控制模块，用于对电流源输出的电流数值进行设定和改变电流源输出电流的频率，以及用于控制皮安表的开/关；

数据获取模块，用于同时获取皮安表输出的电流数值和电压数值、电流源输出的电流数值；

标定模块，用于根据皮安表输出的电流数值和电压数值，并利用傅里叶变换，实时求得皮安表测得电流数值的幅值，计算幅值与电流源设定的电流数值之间的差值，得到电流幅值差，改变电流源的电流输出值，可根据电流源的电流输出值和皮安表输出的电压值，可以得到皮安表的I-V曲线，改变电流源输出电流的频率，采用皮安表进行测量，可以得到皮安表的不同频率的响应曲线，实现对皮安表的标定；

储存模块，用于储存标定结果和测量得到的数据；

校准模块，用于将皮安表测得的电流数值根据储存模块内的电流幅值差或I-V曲线以及频域响应曲线进行校准后，得到精确的电流数值。

作为本发明进一步的方案：所述皮安表的分辨率达到10fA，显示位数为5位半。

作为本发明进一步的方案：所述RS232线缆是皮安表信号线缆，用于连接皮安表和主机、或经过串口服务器再连接电脑，通过RS232线缆的串口通讯，实现对皮安表的控制和信号读取。

作为本发明进一步的方案：所述束测探头，还用于通过阻挡束流来形成沉积电流，输送给皮安表进行测量。

作为本发明进一步的方案：所述主机通过以太网连接到交换机，交换机通过网线分别连接到串口服务器、电流源和模拟信号采集模块，串口服务器通过RS-232电缆分别连接到若干个皮安表，皮安表通过电缆线连接到模拟信号采集模块，电流源、束测探头以及皮安表依次通过电缆线连接，束测探头安装在加速器真空环境内，真空电馈通安装在束测探头和皮安表之间的电缆线上。

一种束流流标定和测量方法，包括如下步骤：

步骤一：先将主机和皮安表之间通过RS-232电缆连接，皮安表和电流源之间通过电缆线连接，电流源和主机之间通过网线连接，依次对每个皮安表进行标定；

步骤二：开启主机、电流源和皮安表，电流源向皮安表输送电流信号，皮安表测量得到当前的电流数值和电压数值，并发送给主机的数据获取模块，通过控制模块，设置电流源输出不同的电流数值，数据获取模块获得不同的电流数值和电压数值，标定模块得到每个皮安表的I-V关系曲线，录入到储存模块进行保存；

步骤三：将主机通过以太网连接到交换机，交换机通过网线分别连接到串口服务器、电流源和模拟信号采集模块，串口服务器通过RS-232电缆分别连接到若干个皮安表，皮安表通过电缆线连接到模拟信号采集模块，电流源、束测探头以及皮安表依次通过电缆线连接，束测探头安装在加速器真空环境内，真空电馈通安装在束测探头和皮安表之间的电缆线上；

步骤四：模拟信号采集模块采集到每个皮安表输出的电压数值，根据储存模块内的I-V关系曲线进行转换后，获得当前皮安表实时测得的电流数值；

步骤五：并利用傅里叶变换，实时求得皮安表测得电流数值的幅值，计算幅值与电流源设定的电流数值之间的差值，得到电流幅值差，改变电流源输出电流的频率，采用皮安表进行测量，可以得到皮安表的不同频率的响应曲线，实现对皮安表的标定，供皮安表测量校准使用；

步骤六：撤去电流源，接入待测的电子学设备，束测探头通过阻挡束流来形成沉积电流，皮安表进行测量后，模拟信号采集模块采集到每个皮安表输出的电压数值，转化为电流数值，再根据储存模块内的幅值差和电流频率的关系曲线进行校准，即测量得到电子学设备的束流流强。

本发明的有益效果：本发明可以实现对皮安表的标定，可随时改变电流源的幅值与频率，实现不同幅值与频率信号的标定和测量，实现标定和测量结果的实时分析处理，另外可将数据保存下来供离线处理，实时对多个皮安表进行同时标定和测量，增加测量的准确性、快捷性，提高测量电子学设备的束流流强的效率，具有很好的使用和推广价值。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一种束流流强标定和测量系统示意图。

图2是本发明中皮安表标定系统的示意图。

图3是本发明一种束流流强测量系统示意图。

图4是皮安表测量100nA电流时的频域响应曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种束流流强标定和测量系统，包括主机、交换机、电流源、束测探头、真空电馈通、串口服务器、模拟信号采集模块以及若干个皮安表；

电流源，用于作为标定的信号源，产生准确的电流信号；

束测探头，用于采集电流信号，并通过电缆线输送到皮安表，还用于通过阻挡束流来形成沉积电流，输送给皮安表进行测量；

真空电馈通，用于将束测探头的电缆线引到加速器的真空外，束测探头工作于加速器的真空之中，而皮安表等其它设备工作于大气环境中，故需要通过真空电馈通将探头的信号线引出到真空外，以便于采用皮安表对束流流强的测量；

皮安表，用于通过RS232电缆串口输出的电流数值，以及用于通过模拟电压输出口输出-2～2V的电压数值，皮安表采用吉时利6485皮安表，其可实现纳安级别的电流的测量，并可通过转换输出反向2V的电压信号，皮安表的分辨率达到10fA，显示位数为5位半，RS232线缆是皮安表信号线缆，用于连接皮安表和主机(或经过串口服务器再连接电脑)，通过RS232线缆的串口通讯，实现对皮安表的控制和信号读取；

模拟信号采集模块，用于采集皮安表输出的电压数值，并根据主机内的I-V关系曲线进行转换后，获得当前皮安表实时测得的电流数值；

串口服务器，用于将RS232串口转换为以太网接口，实现对多台皮安表进行连接，主机只有一个RS232接口，当需要同时连接多台皮安表时，必须对主机的RS232接口进行扩展，所采用的串口服务器最多可支持将64个串口转化为一个以太网接口，并实现全双工通信；

交换机，用于扩展主机的以太网接口；

主机，用于对电流源和皮安表进行控制，同时获得皮安表和电流源输出的电流数值，对皮安表进行标定，并将得到的电流数值进行校准后，进而实现对电子学设备的束流流强进行精确的测量；

所述主机包括控制模块、数据获取模块、标定模块、储存模块以及校准模块；

控制模块，用于对电流源输出的电流数值进行设定和改变电流源输出电流的频率，以及用于控制皮安表的开/关；

数据获取模块，用于同时获取皮安表输出的电流数值和电压数值、电流源输出的电流数值；

标定模块，用于根据皮安表输出的电流数值和电压数值，并利用傅里叶变换，实时求得皮安表测得电流数值的幅值，计算幅值与电流源设定的电流数值之间的差值，得到电流幅值差，改变电流源的电流输出值，可根据电流源的电流输出值和皮安表输出的电压值，可以得到皮安表的I-V曲线，改变电流源输出电流的频率，采用皮安表进行测量，可以得到皮安表的不同频率的响应曲线，实现对皮安表的标定；

储存模块，用于储存标定结果和测量得到的数据；

校准模块，用于将皮安表测得的电流数值根据储存模块内的电流幅值差或I-V曲线以及频域响应曲线进行校准后，得到精确的电流数值；交流信号采用I-V曲线标定，直流信号采用电流幅值差标定；

所述主机通过以太网连接到交换机，交换机通过网线分别连接到串口服务器、电流源和模拟信号采集模块，串口服务器通过RS-232电缆分别连接到若干个皮安表，皮安表通过电缆线连接到模拟信号采集模块，电流源、束测探头以及皮安表依次通过电缆线连接，束测探头安装在加速器真空环境内，真空电馈通安装在束测探头和皮安表之间的电缆线上。

由于皮安表通过RS232串口输出的电流数值的速度很慢，每秒只能输出约4个值，而皮安表输出的电压的频率最高达到5kHz，故在要求快速测量的情况下，只能通过测得的电压数值，在直流的情况下来标定I-V关系曲线转化为当前的电流值，而且皮安表输出的电流数值和电压数值成正比，但是电压数值与电流电压的比值是没有经过标定的，对于不同的皮安表，比值会略有差异，所以，在皮安表使用前，特别是高精度测量应用中，需要对皮安表进行标定。

一种束流流标定和测量方法，包括如下步骤：

步骤一：如图2所示，先将主机和皮安表之间通过RS-232电缆连接，皮安表和电流源之间通过电缆线连接，电流源和主机之间通过网线连接，依次对每个皮安表进行标定；

步骤二：开启主机、电流源和皮安表，电流源向皮安表输送电流信号，皮安表测量得到当前的电流数值和电压数值，并发送给主机的数据获取模块，通过控制模块，设置电流源输出不同的电流数值，数据获取模块获得不同的电流数值和电压数值，标定模块得到每个皮安表的I-V关系曲线，录入到储存模块进行保存；

步骤三：如图1所示，将主机通过以太网连接到交换机，交换机通过网线分别连接到串口服务器、电流源和模拟信号采集模块，串口服务器通过RS-232电缆分别连接到若干个皮安表，皮安表通过电缆线连接到模拟信号采集模块，电流源、束测探头以及皮安表依次通过电缆线连接，束测探头安装在加速器真空环境内，真空电馈通安装在束测探头和皮安表之间的电缆线上；

步骤四：模拟信号采集模块采集到每个皮安表输出的电压数值，根据储存模块内的I-V关系曲线进行转换后，获得当前皮安表实时测得的电流数值；

步骤五：并利用傅里叶变换，实时求得皮安表测得电流数值的幅值，计算幅值与电流源设定的电流数值之间的差值，得到电流幅值差，改变电流源输出电流的频率，采用皮安表进行测量，可以得到皮安表的不同频率的响应曲线，实现对皮安表的标定，供皮安表测量校准使用，如图4所示，为皮安表测量100nA电流时的频域响应曲线示意图；

步骤六：如图3所示，撤去电流源，接入待测的电子学设备，束测探头通过阻挡束流来形成沉积电流，皮安表进行测量后，模拟信号采集模块采集到每个皮安表输出的电压数值，转化为电流数值，再根据储存模块内的幅值差和电流频率的关系曲线进行校准，即测量得到电子学设备的束流流强。

本发明可以实现对皮安表的标定，可随时改变电流源的幅值与频率，实现不同幅值与频率信号的标定和测量，实现标定和测量结果的实时分析处理，另外可将数据保存下来供离线处理，实时对多个皮安表进行同时标定和测量，增加测量的准确性、快捷性，提高测量电子学设备的束流流强的效率，具有很好的使用和推广价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种束流流强标定和测量系统，其特征在于，包括主机、交换机、电流源、束测探头、真空电馈通、串口服务器、模拟信号采集模块以及若干个皮安表；

电流源，用于作为标定的信号源，产生准确的电流信号；

束测探头，用于采集电流信号，并通过电缆线输送到皮安表；

真空电馈通，用于将束测探头的电缆线引到加速器的真空外；

皮安表，用于通过RS232电缆串口输出的电流数值，以及用于通过模拟电压输出口输出-2～2V的电压数值；

模拟信号采集模块，用于采集皮安表输出的电压数值，并根据I-V关系曲线进行转换后，获得当前皮安表实时测得的电流数值；

串口服务器，用于将RS232串口转换为以太网接口，实现对多台皮安表进行连接；

交换机，用于扩展主机的以太网接口；

主机，用于对电流源和皮安表进行控制，同时获得皮安表和电流源输出的电流数值，对皮安表进行标定，并将得到的电流数值进行校准后，进而实现对电子学设备的束流流强进行精确的测量；

主机包括控制模块、数据获取模块、标定模块、储存模块以及校准模块；

控制模块，用于对电流源输出的电流数值进行设定和改变电流源输出电流的频率，以及用于控制皮安表的开/关；

数据获取模块，用于同时获取皮安表输出的电流数值和电压数值、电流源输出的电流数值；

标定模块，用于根据皮安表输出的电流数值和电压数值，并利用傅里叶变换，实时求得皮安表测得电流数值的幅值，计算幅值与电流源设定的电流数值之间的差值，得到电流幅值差，改变电流源的电流输出值，可根据电流源的电流输出值和皮安表输出的电压值，可以得到皮安表的I-V曲线，改变电流源输出电流的频率，采用皮安表进行测量，可以得到皮安表的不同频率的响应曲线，实现对皮安表的标定；

储存模块，用于储存标定结果和测量得到的数据；

校准模块，用于将皮安表测得的电流数值根据储存模块内的电流幅值差或I-V曲线以及频域响应曲线进行校准后，得到精确的电流数值。

2.根据权利要求1所述的一种束流流强标定和测量系统,其特征在于，所述皮安表的分辨率达到10fA，显示位数为5位半。

3.根据权利要求1所述的一种束流流强标定和测量系统,其特征在于，所述RS232线缆是皮安表信号线缆，用于连接皮安表和主机、或经过串口服务器再连接电脑，通过RS232线缆的串口通讯，实现对皮安表的控制和信号读取。

4.根据权利要求1所述的一种束流流强标定和测量系统,其特征在于，所述束测探头，还用于通过阻挡束流来形成沉积电流，输送给皮安表进行测量。

5.根据权利要求1所述的一种束流流强标定和测量系统,其特征在于，所述主机通过以太网连接到交换机，交换机通过网线分别连接到串口服务器、电流源和模拟信号采集模块，串口服务器通过RS-232电缆分别连接到若干个皮安表，皮安表通过电缆线连接到模拟信号采集模块，电流源、束测探头以及皮安表依次通过电缆线连接，束测探头安装在加速器真空环境内，真空电馈通安装在束测探头和皮安表之间的电缆线上。

6.一种束流流标定和测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：先将主机和皮安表之间通过RS-232电缆连接，皮安表和电流源之间通过电缆线连接，电流源和主机之间通过网线连接，依次对每个皮安表进行标定；

步骤二：开启主机、电流源和皮安表，电流源向皮安表输送电流信号，皮安表测量得到当前的电流数值和电压数值，并发送给主机的数据获取模块，通过控制模块，设置电流源输出不同的电流数值，数据获取模块获得不同的电流数值和电压数值，标定模块得到每个皮安表的I-V关系曲线，录入到储存模块进行保存；

步骤三：将主机通过以太网连接到交换机，交换机通过网线分别连接到串口服务器、电流源和模拟信号采集模块，串口服务器通过RS-232电缆分别连接到若干个皮安表，皮安表通过电缆线连接到模拟信号采集模块，电流源、束测探头以及皮安表依次通过电缆线连接，束测探头安装在加速器真空环境内，真空电馈通安装在束测探头和皮安表之间的电缆线上；

步骤四：模拟信号采集模块采集到每个皮安表输出的电压数值，根据储存模块内的I-V关系曲线进行转换后，获得当前皮安表实时测得的电流数值；

步骤五：并利用傅里叶变换，实时求得皮安表测得电流数值的幅值，计算幅值与电流源设定的电流数值之间的差值，得到电流幅值差，改变电流源输出电流的频率，采用皮安表进行测量，可以得到皮安表的不同频率的响应曲线，实现对皮安表的标定，供皮安表测量校准使用；

步骤六：撤去电流源，接入待测的电子学设备，束测探头通过阻挡束流来形成沉积电流，皮安表进行测量后，模拟信号采集模块采集到每个皮安表输出的电压数值，转化为电流数值，再根据储存模块内的幅值差和电流频率的关系曲线进行校准，即测量得到电子学设备的束流流强。