CN112346026A - 一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统及方法，所述测试系统包括被测传感器、丙氨酸剂量计、空心轴导电滑环、电动转盘、有机玻璃板、多个测距标靶、多接口通信板、上位机和放射源。本发明提供的测试系统及方法，能够实现器件受照剂量的准确测量，基于全面的辐照失效表征，测得器件的错误剂量、失效剂量、以及失效过程中的剂量响应情况和距离响应情况。

Description

一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统及方法

技术领域

本发明属于核技术应用技术领域，具体涉及一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统及方法。

背景技术

随着自控技术及机电一体化装备的发展，在核工业领域有越来越多的遥控机器人被投入使用，承担起放射性厂房巡检、核事故应急、放射源探查等工作。对于核工业中使用的遥控机器人，放射性场所将是其主要的工作环境。测距传感器是遥控机器人智能化控制中的重要组成部分，同时因为传感器工作期间需要通过不断收发激光、红外、超声波等信号来实时更新测距结果，通常难以通过搭建外部屏蔽结构的方式对其进行抗辐射防护，只能利用其本征的耐辐照能力来抵抗辐照损伤。因此，对于应用于电离辐射环境下的测距传感器，需要对其耐辐射性能进行测试。

硅半导体器件的辐照损伤主要包括电离效应引起的单粒子效应，以及累积效应引起的总剂量效应和位移损伤。对于核工业领域的应用场景，总剂量效应是测距传感器的主要失效模式，其微观机理为辐射感生的载流子被氧化层和界面态中的陷阱俘获，形成氧化层俘获电荷和界面态俘获电荷，俘获电荷的大量聚集导致了器件宏观电参数的改变，具体表现为阈值电压漂移和漏电流上升。电参数的改变最终会导致测距传感器测距结果发生漂移，乃至功能失效。由于辐照损伤对测距结果的影响并非线性的，所以耐辐照测试中应当关注不同距离下测距传感器的辐照响应的差异，以及同一距离下，不同累积剂量对测距结果的影响程度。

目前国内尚未制定专门的测距传感器耐辐照性能测试标准，因此通常只能参考常规的测距传感器标定方法来进行耐辐照性能测试。这些测试方法的应用过程中，通常存在2类问题：①由于传感器未达到带电粒子平衡，导致测得的剂量值高于传感器实际的受照剂量，其耐辐照性能被高估；②由于辐照失效表征不全面，不能同时测得器件的失效剂量和错误剂量，同时也缺乏对传感器辐照失效过程中剂量响应和距离响应的检测。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统及方法，以实现器件受照剂量的准确测量，基于全面的辐照失效表征，测得器件的错误剂量、失效剂量、以及失效过程中的剂量响应情况和距离响应情况。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统，所述测试系统包括被测传感器、丙氨酸剂量计、空心轴导电滑环、电动转盘、有机玻璃板、多个测距标靶、多接口通信板、上位机和放射源；所述放射源为Co-60γ源；所述被测传感器固定于电动转盘上；所述有机玻璃板位于电动转盘与放射源之间，利用有机玻璃作为带电粒子平衡材料，使入射到被测传感器处的γ射线达到带电粒子平衡；所述丙氨酸剂量计用于测量被测传感器的受照剂量；所述电动转台能够360度自由旋转；所述空心轴导电滑环的定子固定于电动转台中心处，定子出线端与被测传感器相连，转子出线端与多接口通信板相连；所述多个测距标靶均匀分布在电动转盘远离放射源的一端，测距标靶所在的平面平行于电动转盘外沿的切线，标靶距离被测传感器的距离按照被测传感器的测距范围进行布置；所述多接口通信板能够采集不同类型的测距信号，并传输至上位机。

进一步地，电动转台的角分辨率不低于1度。

进一步地，所述有机玻璃板厚4mm。

进一步地，所述多接口通信板包括微处理器、ADC采集通道、串口信号接口、I2C信号接口、电流测试模块、电源转换单元、脉冲整形计数单元和TTL转485信号接口。

进一步地，所述TTL转485信号接口是通信板和上位机的数据交换接口，通过双绞屏蔽线缆和上位机相连。

本发明还提供了一种基于上述测试系统进行的测距传感器耐总剂量辐射性能测试方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1)、首先根据被测传感器的测距范围，确定测距标靶的数量N、摆放距离、以及摆放位置；设置A₁-A_N共N个测距标靶，称为标准测量点,各标靶和被测传感器连线之间的夹角为180°/(N-1)，A₁设于0°处，A_N设于180°处，N≧3；

步骤2)、辐照开始前，电动转盘从0°位置开始，依次转动180°/(N-1)，对标准测量点进行测距，测距结果为La₁～La_N；

步骤3)、将转盘转动到正对标靶A_N的位置，持续对标靶A_N测距，称标靶A_N为持续测量点；

步骤4)、开始γ辐照，基于辐射场真值表对受照剂量进行预估，距传感器的受照剂量D和周围剂量当量H*(10)的换算关系为：D＝0.857542×H*(10)；

步骤5)、测距传感器每接受100Gy的累积辐照后，对标准测量点的测距标靶进行测量，收集测距数据，Lia₁～Lia_N；完成对标准测量点的测距后，将电动转盘转回180°位置，继续对持续测量点进行测距；

步骤6)、当测距传感器停止回传测距信号后，视为测距传感器失效，停止γ辐照，此时测距传感器的受照剂量为该测距传感器的失效剂量D_Failure；

步骤7)、对N个标准测量点的测距结果进行统计整理，若测距传感器的标准测量不确定度为σ，对于标准测量点a_n的测距数据，出现Lia_n>La_n×(1+σ)或Lia_n<La_n×(1+σ)时的传感器受照剂量Da_n，称为a_n距离下器件的错误剂量；所有标准测量点下的最小错误剂量，称为该测距传感器的错误剂量D_Error，D_Error＝Min{Da₁，Da₂，……，Da_N}。

本发明的有益技术效果在于：

基于本发明提供的测试系统和测试方法，可以对测距传感器的耐总剂量辐射性能进行测试，可以实现器件错误剂量和失效剂量的准确测量，全面评估样品辐照失效过程中的剂量响应和距离响应情况，弥补常规测试方法的不足。

附图说明

图1是本发明提供的测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统的组成示意图；

图2是本发明提供的测试系统的多接口通信板的功能示意图；

图中：1-被测测距传感器；2-丙氨酸剂量计；3-空心轴导电滑环；4-电动转盘；5-有机玻璃板；6-多接口通信板；7-上位机；8-放射源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的测距传感器耐总剂量辐照性能测试系统包括被测测距传感器1、丙氨酸剂量计2、空心轴导电滑环3、电动转盘4、4mm厚的有机玻璃板5、多个测距标靶、多接口通信板6、上位机7和放射源8。在本实施例中，被测测距传感器1为超声波传感器，其测距范围通常为20cm至80cm，故设置A₁-A₇共7个测距标靶。其中，放射源为Co-60γ源；有机玻璃板和丙氨酸剂量计用于测量样品的受照剂量，利用有机玻璃作为带电粒子平衡材料，使入射到被测样品处的γ射线达到带电粒子平衡，保证被测样品的受照剂量和丙氨酸剂量计的吸收剂量一致；电动转台可实现360度自由旋转，角分辨率不低于1度；空心轴导电滑环定子出线端与被测样品相连，转子出线端与通信板相连，定子固定于电动转台中心处，以避免样品旋转时线缆发生缠绕；测距标靶均匀分布在电动转盘远离放射源的一端，标靶所在平面平行于电动转盘外沿的切线，标靶距离测距传感器的距离按照被测样本的测距范围进行布置。

因为不同的测距传感器返回的测距信号不同，例如电压模拟信号、电流模拟信号、I2C数字信号和串口数字信号，为了提高耐辐照性能测试系统的通用性，本专利设计了一种适用于多种通信协议的多接口通信板。如图2所示，多接口通信板由微处理器、ADC采集通道、串口信号接口、I2C信号接口、电流测试模块、电源转换单元、脉冲整形计数单元和TTL转485信号接口组成。其中，微处理器内写入预置程序，控制通信板的信号采集与传输功能；ADC采集通道、串口信号接口和I2C信号接口是通信板和测距传感器的数据交换接口，对于返回电压模拟信号或电流模拟信号的器件，可通过ADC采集通道进行通信，对于返回I2C数字信号的器件可使用I2C信号接口通信，对于返回串口数字信号的器件可使用串口信号接口进行通信；TTL转485信号接口是通信板和上位机的数据交换接口，通过双绞屏蔽线缆和上位机相连；电流测试模块、电源转换单元和脉冲整形计数单元是通信板的功能模块，可以完成被测样品电流信号的实时采集、多种电源输入的转换、以及脉冲信号计数与实时整形。

利用上述测试系统进行的测距传感器的耐总剂量辐射性能测试方法的步骤如下：

1)首先根据被测传感器的测距范围，确定测距标靶的数量、摆放距离、以及摆放位置。在本实施例中，被测测距传感器1为超声波传感器，其测距范围通常为20cm至80cm，故设置A₁-A₇共7个测距标靶，称为标准测量点。标靶和被测样品连线的夹角为30°，A₁设于0°处，A₇设于180°处。

2)辐照开始前，电动转盘从0°位置开始，依次转动30°，对标准测量点进行测距，测距结果为La₁～La₇。

3)将转盘转动到正对标靶A₇的位置(180°)，持续对标靶A7测距，称标靶A₇为持续测量点。

4)开始γ辐照。基于辐射场真值表对受照剂量进行预估，器件的受照剂量D和周围剂量当量H*(10)的换算关系为：D＝0.857542×H*(10)。

5)样品每接受100Gy的累积辐照后，对标准测量点的测距标靶进行测量，收集测距数据，Lia₁～Lia₇。完成对标准测量点的测距后，将电动转盘转回180°位置，继续对持续测量点进行测距。

5)当测距传感器停止回传测距信号后，视为测距传感器失效，停止γ辐照。此时样品的受照剂量D为该传测距感器的失效剂量D_Failure。

6)对7个标准测量点的测距结果进行统计整理。若测距传感器的标准测量不确定度为σ，对于测量点an的测距数据，出现Lia_n>La_n×(1+σ)或Lia_n<La_n×(1+σ)时的样品受照剂量Da_n，称为a_n距离下器件的错误剂量。所有标准测量点下的最小错误剂量，称为该测距传感器的错误剂量D_Error。D_Error＝Min{Da₁，Da₂，Da₃，Da₄，Da₅，Da₆，Da₇}。

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统，其特征在于：所述测试系统包括被测传感器、丙氨酸剂量计、空心轴导电滑环、电动转盘、有机玻璃板、多个测距标靶、多接口通信板、上位机和放射源；

所述放射源为Co-60γ源；

所述被测传感器固定于电动转盘上；

所述有机玻璃板位于电动转盘与放射源之间，利用有机玻璃作为带电粒子平衡材料，使入射到被测传感器处的γ射线达到带电粒子平衡；

所述丙氨酸剂量计用于测量被测传感器的受照剂量；

所述电动转台能够360度自由旋转；

所述空心轴导电滑环的定子固定于电动转台中心处，定子出线端与被测传感器相连，转子出线端与多接口通信板相连；

所述多个测距标靶均匀分布在电动转盘远离放射源的一端，测距标靶所在的平面平行于电动转盘外沿的切线，标靶距离被测传感器的距离按照被测传感器的测距范围进行布置；

所述多接口通信板能够采集不同类型的测距信号，并传输至上位机。

2.一种如权利要求1所述的测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统，其特征在于：所述电动转台的角分辨率不低于1度。

3.一种如权利要求1所述的测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统，其特征在于：所述有机玻璃板厚4mm。

4.一种如权利要求1所述的测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统，其特征在于：所述多接口通信板包括微处理器、ADC采集通道、串口信号接口、I2C信号接口、电流测试模块、电源转换单元、脉冲整形计数单元和TTL转485信号接口。

5.一种如权利要求4所述的测距传感器耐总剂量辐射性能测试系统，其特征在于：所述TTL转485信号接口是通信板和上位机的数据交换接口，通过双绞屏蔽线缆和上位机相连。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述的测试系统进行的测距传感器耐总剂量辐射性能测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1)、首先根据被测传感器的测距范围，确定测距标靶的数量N、摆放距离以及摆放位置；设置A₁-A_N共N个测距标靶，称为标准测量点,各标靶和被测传感器连线之间的夹角为180°/(N-1)，A₁设于0°处，A_N设于180°处，N≧3；

步骤2)、辐照开始前，电动转盘从0°位置开始，依次转动180°/(N-1)，对标准测量点进行测距，测距结果为La₁～La_N；

步骤3)、将转盘转动到正对标靶A_N的位置，持续对标靶A_N测距，称标靶A_N为持续测量点；

步骤4)、开始γ辐照，基于辐射场真值表对受照剂量进行预估，测距传感器的受照剂量D和周围剂量当量H*(10)的换算关系为：D＝0.857542×H*(10)；

步骤5)、测距传感器每接受100Gy的累积辐照后，对标准测量点的测距标靶进行测量，收集测距数据，Lia₁～Lia_N；完成对标准测量点的测距后，将电动转盘转回180°位置，继续对持续测量点进行测距。

步骤6)、当测距传感器停止回传测距信号后，视为测距传感器失效，停止γ辐照，此时测距传感器的受照剂量为该测距传感器的失效剂量D_Failure；

步骤7)、对N个标准测量点的测距结果进行统计整理，若测距传感器的标准测量不确定度为σ，对于标准测量点a_n的测距数据，出现Lia_n>La_n×(1+σ)或Lia_n<La_n×(1+σ)时的传感器受照剂量Da_n，称为a_n距离下器件的错误剂量；所有标准测量点下的最小错误剂量，称为该测距传感器的错误剂量D_Error，D_Error＝Min{Da₁，Da₂，……，Da_N}。

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