CN113219516A - 一种宇宙线μ子信号的监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宇宙线μ子信号的监测装置，包括用于检测宇宙射线的探测模块、光电倍增管、用于显示波形的示波模块、用于放大电信号的前端信号调理模块、用于甄别整形电信号的信号甄别整形输出模块、用于监控高压电压的负高电压检测模块和控制模块，负高电压检测模块与光电倍增管连接，探测模块的输出端通过光电倍增管与前端信号调理模块的输入端连接，前端信号调理模块的输出端与信号甄别整形输出模块的输入端连接，信号甄别整形输出模块的输出端与示波模块连接。在本发明中，通过前端信号调理模块将光电倍增管发出的信号放大至目标倍数，再由信号甄别整形输出模块对放大后的信号进行甄别和整形，以便于数据处理终端进行有效的处理。

Description

一种宇宙线μ子信号的监测装置

技术领域

本发明涉及放射性测量技术领域，尤其涉及一种宇宙线μ子信号的监测装置。

背景技术

近年来被推到风口浪尖的太阳黑子是属于太阳的一种表面现象，这种现象会产生大量的宇宙射线(例如μ子)，对地球上的万物造成难以预测的影响，同时宇宙中还存在着无数个类似于太阳的天体单位，其产生的宇宙射线同样会对地球上的万物存在影响，故如何对宇宙射线进行有效的检测成为重要的技术难题。

宇宙射线观测堆体中的闪烁体在宇宙射线(例如μ子)的作用下，会产生微弱的光，这些光的出现时间一般会在10-20纳秒，再由光电倍增管将光信号转变成电信号。尽管光电倍增管在将光信号转变成电信号的过程中已经对信号进行放大，但常见的数据处理终端(例如CPU或者FPGA)依然无法对光电倍增管输出的信号进行有效处理。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宇宙线μ子信号的监测装置，其能解决常见的数据处理终端依然无法对光电倍增管输出的信号进行有效处理的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种宇宙线μ子信号的监测装置，包括用于检测宇宙射线的探测模块、将光信号转换成电信号的光电倍增管和用于显示波形的示波模块，还包括用于放大电信号的前端信号调理模块、用于甄别整形电信号的信号甄别整形输出模块、用于监控高压电压的负高电压检测模块和控制模块，所述负高电压检测模块与光电倍增管连接，所述探测模块的输出端通过光电倍增管与前端信号调理模块的输入端连接，所述前端信号调理模块的输出端与信号甄别整形输出模块的输入端连接，所述信号甄别整形输出模块的输出端与示波模块连接，所述负高电压检测模块、前端信号调理模块和信号甄别整形输出模块均与控制模块连接。

优选的，所述负高电压检测模块包括负高电压检测电路，所述负高电压检测电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电感L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和第一放大器U1，所述电容C3的一端和电阻R1的一端均与光电倍增管连接，所述电容C3的另一端和电阻R4的一端接地，所述电阻R4的另一端和电阻R1的另一端均与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端与第一放大器U1的负输入端-IN连接，所述第一放大器U1的第一增益端RG1通过电阻R5与第二增益端RG2连接，所述第一放大器U1的正输入端+IN通过电阻R6接地，所述第一放大器U1的负电源端-Vs和基准电源端REF均接地，所述电感L1的一端外接电源，所述电容C1的一端和电容C2的一端均接地，所述电感L1的另一端、电容C1的另一端和电容C2的另一端均与第一放大器U1的电源端+Vs连接，所述第一放大器U1的输出端Vout通过电阻R3与控制模块的检测端AIN0连接。

优选的，所述前端信号调理模块包括前端信号放大电路和前端信号调理电路，所述前端信号放大电路包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12和第二放大器U2，所述控制模块、光电倍增管和电阻R7的一端均与电容C4的一端连接，所述电容C4的另一端与电阻R8的一端连接，所述第二放大器U2的反馈端FB与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端和负输入端Vin-均与电阻R8的另一端连接，所述控制模块和电阻R12的一端均与电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端和光电倍增管均与电容C6的一端连接，所述电容C6的另一端和电阻R11的一端均与第二放大器U2的正输入端Vin+连接，所述第二放大器U2的输出端OUT通过电阻R10与前端信号调理电路的输入端连接，所述前端信号调理电路的输出端与信号甄别整形输出模块连接，所述电阻R7的另一端、电阻R12的另一端和电阻R11的另一端均接地。

优选的，所述前端信号调理电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、第三放大器U3和数字电位器U4，所述前端信号放大电路与电容C8的一端连接，所述电容C8的另一端和电阻R15的一端均与电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端和电阻R16的一端均与第三放大器U3的正输入端Vin+连接，所述电容C7的一端与电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端和电阻R14的一端均与第三放大器U3的负输入端Vin-连接，所述电阻R14的另一端与数字电位器U4的信号端A连接，所述控制模块的信号输出端I2C_SDA1和电阻R19的一端均与数字电位器U4的串行数据端SDA连接，所述控制模块的信号输出端I2C_SCL1和电阻R18的一端均与数字电位器U4的串行时钟端SCL连接，所述电阻R19的另一端和电阻R18的另一端连接，所述数字电位器U4的外部电容端EXTCAP通过电容C12接地，所述数字电位器U4的硬件复位端RESET与电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端、电容C10的一端和电容C11的一端均与数字电位器U4的电源端VDD连接，所述第三放大器U3的反馈端FB与数字电位器U4的游标端连接，所述第三放大器U3的输出端OUT通过电阻R20与信号甄别整形输出模块连接，所述电容C7的另一端、电阻R15的另一端、电阻R16的另一端、电容C10的另一端和电容C11的另一端均接地。

优选的，所述信号甄别整形输出模块包括信号甄别电路和信号整形输出电路，所述信号甄别电路包括电容C13、电容C14、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和电压比较器U5，所述前端信号调理电路的输出端与电容C13的一端连接，所述电容C13的另一端和电阻R21的一端均与电阻R22的一端连接，所述电阻R22的另一端与电压比较器U5的负输入端Vin-连接，所述控制模块的信号端与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端、电阻R23的一端和电容C14的一端均与电压比较器U5的正输入端Vin+连接，所述信号整形输出电路的输入端、电阻R23的另一端和电容C14的另一端均与电压比较器U5的输出端OUT连接，所述电阻R21的另一端接地。

优选的，所述信号整形输出电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、栅极和逆变器U6、接口芯片U7、第一单稳态触发器U8A和第二单稳态触发器U8B，所述电阻R25的一端和电阻R26的一端均与信号甄别电路的输出端连接，所述电阻R26的另一端通过栅极和逆变器U6与电阻R28的一端连接，所述栅极和逆变器U6的电源端通过电容C18接地，所述电阻R28的另一端与接口芯片U7的信号输入端DIN连接，所述接口芯片U7的电源端通过电容C19接地，所述电阻R29的一端和电容C20的一端均与接口芯片U7的正输出端OUT+连接，所述电阻R29的另一端和电容C21的一端均与接口芯片U7的负输出端OUT-连接，所述电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，所述电阻R25的另一端通过电容C15与第一单稳态触发器U8A的输入端A连接，所述示波模块的输出端和电容C17的一端均与第一单稳态触发器U8A的输出端连接，所述第二单稳态触发器U8B的输入端A、输入端B和电阻R27的一端均与电容C17的另一端连接，所述电阻R27的另一端接地，所述单稳态触发器U8B的输出端与单稳态触发器U8B的输入端B连接。

优选的，还包括通信模块，所述通信模块包括通信电路，所述通信电路包括电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电感L2、电感L3、电感L4、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、通讯接口J2和通信芯片U9，所述电阻R38的一端、电阻R39的一端、电阻R40的一端和电阻R41的一端均与通讯接口J2连接，所述电阻R38的另一端、二极管D1的负极和电阻R36的一端均与通信芯片U9的输出端A连接，所述电阻R39的另一端、二极管D2的负极均与电阻R36的另一端均与通信芯片U9的输出端B连接，所述电阻R40的另一端、二极管D3的负极、电阻R37的一端均与通信芯片U9的输出端Z连接，所述电阻R41的另一端、二极管D4的负极、电阻R37的另一端均与通信芯片U9的输出端Y连接，所述二极管D1的正极、二极管D2的正极、二极管D3的正极和二极管D4的正极均接地，所述电感L3的一端与通信芯片U9的输入端DI连接，所述电感L3的另一端和电容C25的一端均与电阻R33的一端连接，所述电阻R33的另一端与控制模块的输出端RMCU_TXD1连接，所述通信芯片U9的输出端R0与电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端和电容C26的一端均与电阻R32的一端连接，所述电阻R32的另一端与控制模块的输入端RMCU_RXD1连接，所述通信芯片U9的电源端、电容C28的一端、电容C27的一端和电感L4的一端均与电阻R34的一端连接，所述电阻R35的一端和电阻R42的一端均与通信芯片U9的输入端连接，所述通信芯片U9的输入端DE、电阻R34的另一端和电阻R42的另一端均与控制模块的输出端RS485_Control连接，所述电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端、电容C28的另一端和电阻R35的另一端均接地。

优选的，还包括温湿度传感模块，所述温湿度传感模块包括温湿度传感探头和温湿度传感电路，所述温湿度传感电路包括温湿度传感芯片U10、电阻R42、电阻R43、电阻R44和电阻R45，所述控制模块的信号端SHT31_SDA0和电阻R42的一端均与温湿度传感芯片U10的串行数据端SX连接，所述控制模块的信号端SHT31_SCL0和电阻R43的一端均与温湿度传感芯片U10的串行时钟端SY连接，所述温湿度传感探头的信号端exSHT31_SDA0和电阻R45的一端均与温湿度传感芯片U10的缓冲串行数据端LX连接，所述所述温湿度传感探头的信号端exSHT31_SCL0和电阻R44的一端均与温湿度传感芯片U10的缓冲串行时钟端LY连接。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：通过前端信号调理电路对光电倍增管输出的脉冲信号进行预放大，再由前端信号调理电路将脉冲信号放大至目标值，以使得信号甄别电路能够有效地将放大后的脉冲信号中的杂质信号提出，最后经由信号整形输出电路将脉冲信号整形成波形统一的脉冲信号输出至数据处理终端进行处理。

附图说明

图1为本发明中所述的宇宙线μ子信号的监测装置的结构示意图。

图2为本发明中所述的前端信号放大电路的电路图。

图3为本发明中所述的前端信号调理电路的电路图。

图4为本发明中所述的信号甄别电路的电路图。

图5为实施例二中所述的信号整形输出电路的电路图。

图6为实施例三中所述的信号整形输出电路的电路图。

图7为本发明中所述的负高电压检测电路的电路图。

图8为本发明中所述的湿度传感电路的电路图。

图9为本发明中所述的通信电路。

图中：1-探测模块；2-光电倍增管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

在本发明中，所述探测模块1为光导箱，光导箱包括光导箱体和塑料闪烁体，一般情况下，将多个光导箱组装成宇宙射线观测堆体，利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的，也是当前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一，工作原理如下：入射辐射在闪烁体内损耗并沉积能量，引起闪烁体中原子(或离子、分子)的电离激发，之后受激粒子退激放出波长接近于可见光的闪烁光子。闪烁光子通过光导射入光电倍增管2的光阴极并打出光电子，光电子受打拿级之间强电场的作用加速运动并轰击下一打拿级，打出更多光电子，由此实现光电子的倍增，直到最终到达阳极并在输出回路中产生信号。其中，所述光电倍增管2是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管2用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。

实施例一：

如图1-3所示，一种宇宙线μ子信号的监测装置，包括用于检测宇宙射线的探测模块1、将光信号转换成电信号的光电倍增管2和用于显示波形的示波模块，还包括用于放大电信号的前端信号调理模块、用于甄别整形电信号的信号甄别整形输出模块、用于监控高压电压的负高电压检测模块和控制模块，所述负高电压检测模块与光电倍增管2连接，所述探测模块1的输出端通过光电倍增管2与前端信号调理模块的输入端连接，所述前端信号调理模块的输出端与信号甄别整形输出模块的输入端连接，所述信号甄别整形输出模块的输出端与示波模块连接，所述负高电压检测模块、前端信号调理模块和信号甄别整形输出模块均与控制模块连接。具体的，通过光电倍增管2将探测模块1中的光信号转换并放大成电信号，电信号再由前端信号调理模块将电信号放大至目标倍数，以便于示波模块和数据处理终端(例如CPU或者FPGA等)进行数据处理以及观察，优选的，光电倍增管2和探测模块1在进行观测作业时，受工作环境(温湿度和外界电磁场等因素)的影响，导致光电倍增管2所输出的电信号中必定夹杂有杂质信号，所以在前端信号调理模块的输出端增加信号甄别整形输出模块对放大后的电信号进行甄别筛选和整形，从而将杂质信号剔除，再对信号进行整形，以便于示波器等示波模块进行观测。

优选的，所述前端信号调理模块包括前端信号放大电路和前端信号调理电路，所述前端信号放大电路包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12和第二放大器U2，优选的，所述电容C4为通孔式高频瓷介电容，所述电阻R7为高频无感晶圆电阻，所述第二放大器U2的型号可为ADA4817，所述控制模块、光电倍增管2和电阻R7的一端均与电容C4的一端连接，所述电容C4的另一端与电阻R8的一端连接，所述第二放大器U2的反馈端FB与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端和负输入端Vin-均与电阻R8的另一端连接，所述控制模块和电阻R12的一端均与电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端和光电倍增管2均与电容C6的一端连接，所述电容C6的另一端和电阻R11的一端均与第二放大器U2的正输入端Vin+连接，所述第二放大器U2的输出端OUT通过电阻R10与前端信号调理电路的输入端连接，所述前端信号调理电路的输出端与信号甄别整形输出模块连接，所述电阻R7的另一端、电阻R12的另一端和电阻R11的另一端均接地。在本实施例中，通过高频无感晶圆电阻R7，对前端信号放大电路进行分压，利用无感电阻R7的特性，避免前端信号放大电路在获取到光电倍增管2输出的脉冲信号时，产生剧烈的震荡，导致回路中的元件在震荡中受损，进一步的，高频无感晶圆电阻R7还具备晶圆电阻的特点，采用表面黏着技术(SMT:Surface Mount Technology)将电阻本体固定在电路板上，这与传统有两只脚的插件电阻不同的地方在于使用SMT机器更加快速、精准、有效率。其表面黏着技术与片式贴片电阻(Chip Resistor)相同，并且在相同的功率范围具有相对应的大小可互相取代，因此，增加了使用方便性。晶圆电阻在机械特性或电子特性上明显优于片式贴片电阻，例如:抗震、不易变形、耐热冲击、适合工业或长期在恶劣的环境中使用；也就是说，晶圆电阻介于贴片电阻与直插电阻之间，适用于电流较大、耐高压冲击、安全性要求高的高阶电路中；与直插电阻相比，由于去掉了引线，因此很大的降低了直插电阻在高频时引线所产生的寄生电感，同时能够解决直插电阻小阻值中精度与温度系数无法提高。优选的，所述电容C4为通孔式高频瓷介电容，具有小的正电容温度系数的电容器，适用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器，并且消除高频干扰，其容量损耗随温度频率具高稳定性，损耗小，与高频无感晶圆电阻R7相配合，以保证前端信号放大电路的可靠性。在本实施例中，光电倍增管2输出的脉冲信号经过高频无感晶圆电阻R7分压后，进入到前端信号放大电路，由第二放大器U2进行第一次放大，再流入到前端信号调理电路进行处理。

进一步的，所述前端信号调理电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、第三放大器U3和数字电位器U4，优选的，所述电容C8为通孔式聚丙乙烯电容，利用其低损耗、耐压高，高频性能好和高稳定性的特性，进一步保证了前端信号调理电路在脉冲信号的影响下能够稳定工作，所述前端信号放大电路与电容C8的一端连接，所述电容C8的另一端和电阻R15的一端均与电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端和电阻R16的一端均与第三放大器U3的正输入端Vin+连接，所述电容C7的一端与电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端和电阻R14的一端均与第三放大器U3的负输入端Vin-连接，所述电阻R14的另一端与数字电位器U4的信号端A连接，所述控制模块的信号输出端I2C_SDA1和电阻R19的一端均与数字电位器U4的串行数据端SDA连接，所述控制模块的信号输出端I2C_SCL1和电阻R18的一端均与数字电位器U4的串行时钟端SCL连接，所述电阻R19的另一端和电阻R18的另一端连接，所述数字电位器U4的外部电容端EXTCAP通过电容C12接地，所述数字电位器U4的硬件复位端RESET与电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端、电容C10的一端和电容C11的一端均与数字电位器U4的电源端VDD连接，所述第三放大器U3的反馈端FB与数字电位器U4的游标端连接，所述第三放大器U3的输出端OUT通过电阻R20与信号甄别整形输出模块连接，所述电容C7的另一端、电阻R15的另一端、电阻R16的另一端、电容C10的另一端和电容C11的另一端均接地。在本实施例中，所述第三放大器U3的型号可为ADA4817的放大器和数字电位器U4的型号可为AD5272BRMZ的数字电位器，优选的，所述控制模块可以是型号为NUC029LAN的单片机，在本实施例中，经过前端信号放大电路初步放大的脉冲信号，进入到前端信号调理电路中，同时所述控制模块通过数字电位器U4向第三放大器U3发出指令，从而设置第三放大器U3的放大倍数，以使得前端信号调理电路输出放大到目标倍数的的脉冲信号。

实施例二：

如图4-5所示，在本实施例中，所述信号甄别整形输出模块包括信号甄别电路和信号整形输出电路，所述信号甄别电路包括电容C13、电容C14、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和电压比较器U5，所述前端信号调理电路的输出端与电容C13的一端连接，所述电容C13的另一端和电阻R21的一端均与电阻R22的一端连接，所述电阻R22的另一端与电压比较器U5的负输入端Vin-连接，所述控制模块的信号端与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端、电阻R23的一端和电容C14的一端均与电压比较器U5的正输入端Vin+连接，所述信号整形输出电路的输入端、电阻R23的另一端和电容C14的另一端均与电压比较器U5的输出端OUT连接，所述电阻R21的另一端接地。

具体的，电压比较器U5的型号可为TLV3501AIDR，所述电容C13和电阻R21组成低通滤波部分，对放大至目标倍数后的脉冲信号中的高频杂质信号进行滤除，再将电阻R22、电阻R23、电阻R24、电容C14和电压比较器U5组成高通滤波部分，对滤除高频杂质信号后的脉冲信号进行低频杂质信号的滤除，从而保证得到观察工作所需要的脉冲信号(即目标波形)，并且避免谐波干扰波模块(示波器)和数据处理终端(例如CPU或者FPGA等)正常工作。

进一步的，所述信号整形输出电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、栅极和逆变器U6、接口芯片U7、第一单稳态触发器U8A和第二单稳态触发器U8B，所述电阻R25的一端和电阻R26的一端均与信号甄别电路的输出端连接，所述电阻R26的另一端通过栅极和逆变器U6与电阻R28的一端连接，所述栅极和逆变器U6的电源端通过电容C18接地，所述电阻R28的另一端与接口芯片U7的信号输入端DIN连接，所述接口芯片U7的电源端通过电容C19接地，所述电阻R29的一端和电容C20的一端均与接口芯片U7的正输出端OUT+连接，所述电阻R29的另一端和电容C21的一端均与接口芯片U7的负输出端OUT-连接，所述电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，所述电阻R25的另一端通过电容C15与第一单稳态触发器U8A的输入端A连接，所述示波模块的输出端和电容C17的一端均与第一单稳态触发器U8A的输出端连接，所述第二单稳态触发器U8B的输入端A、输入端B和电阻R27的一端均与电容C17的另一端连接，所述电阻R27的另一端接地，所述单稳态触发器U8B的输出端与单稳态触发器U8B的输入端B连接。

具体的，所述栅极和逆变器U6、接口芯片U7、电阻R26、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电阻R28和电阻R29组成与主接口连接的脉冲输出电路，其中栅极和逆变器U6的型号可为M74VHC1GU04DTT1G，接口芯片U7的型号可为FIN1001M5X或者DS90LV011ATMF或者NOPB，并且栅极和逆变器U6、接口芯片U7、容C19、电容C20、电容C21、电阻R29和主接口组成适用于外部数据处理终端连接的接口，所述信号甄别电路输出的脉冲信号(即目标波形)直接通过脉冲输出电路经主接口输出至数据处理终端中进行处理，以使得数据处理终端能够获得所有目标波形；所述电阻R25、电容C15、电容C16、电容C17、第一单稳态触发器U8A和第二单稳态触发器U8B组成与备用接口连接的整形电路，通过第一单稳态触发器U8A和第二单稳态触发器U8B对目标波形进行整形(对波形的高度和宽度进行整形)，以使得示波器向外界显像出波形统一的波形。

实施例三：

如图6所示，在本实施例中，所述主接口和备用接口均与单稳态触发芯片U8C的输出端连接，以向外部数据处理终端(CPU和FPGA)或示波器输出同一波形的脉冲信号，具体的，单稳态触发芯片U8C的型号可为CO74HC123M，电阻R47、电阻R46、电容C29、单稳态触发芯片U8C组成波形整形模块中波形整形电路，具体的，高通滤波模块的输出端与单稳态触发芯片U8C的负边沿触发输入端

所述电阻R46的一端和电容C29的一端与单稳态触发芯片U8C的外部电容/电阻连接端连接，所述单稳态触发芯片U8C的正面边缘触发输入端B和复位端

均与电阻R47的一端连接，所述电容C29的另一端与单稳态触发芯片U8C的外部电容端连接，所述单稳态触发芯片U8C的高电平输出端Q和低电平输出端

均与接口模块连接，从而对信号甄别电路输出的脉冲信号进行整形，所述电阻R28、电阻R29、电容C19、电容C20、电容C21、接口芯片U7和主接口组成适用于外部数据处理终端连接的接口，另外接口模块还包括备用接口、电阻R48、电阻R51、电阻R50、电容C18和栅极和逆变器U6，所述单稳态触发芯片U8C的高电平输出端Q与电阻R48的一端连接，所述电阻R48的另一端和电阻R51的一端均与备用接口连接，所述单稳态触发芯片U8C的低电平输出端

通过电阻R50与栅极和逆变器U6的输入端A，所述电阻R28的一端和电阻R51的另一端均与栅极和逆变器U6的输出端Y，所述栅极和逆变器U6的电源端通过电容C18接地，所述电阻R28的另一端与接口芯片U7的信号输入端DIN连接，所述接口芯片U7的电源端通过电容C19接地，所述电阻R29的一端和电容C20的一端和接口芯片U7的正输出端OUT+均与主接口的一端连接，所述电阻R29的另一端和电容C21的一端和接口芯片U7的负输出端OUT-与主接口的另一端连接，所述电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，从而实现向外部数据处理终端(CPU和FPGA)输出同一波形的脉冲信号。

实施例四：

如图7-9所示，在本发明中，宇宙射线观测堆体的正常运作往往需要外接一个提供负高压的电源，为了提高宇宙射线观测堆体的可靠性，把控各种干扰因数，在本实施例中，所述宇宙线μ子信号的监测装置还包括负高电压检测模块，所述负高电压检测模块包括负高电压检测电路，所述负高电压检测电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电感L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和第一放大器U1，所述电容C3的一端和电阻R1的一端均与光电倍增管2连接，所述电容C3的另一端和电阻R4的一端接地，所述电阻R4的另一端和电阻R1的另一端均与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端与第一放大器U1的负输入端-IN连接，所述第一放大器U1的第一增益端RG1通过电阻R5与第二增益端RG2连接，所述第一放大器U1的正输入端+IN通过电阻R6接地，所述第一放大器U1的负电源端-Vs和基准电源端REF均接地，所述电感L1的一端外接电源，所述电容C1的一端和电容C2的一端均接地，所述电感L1的另一端、电容C1的另一端和电容C2的另一端均与第一放大器U1的电源端+Vs连接，所述第一放大器U1的输出端Vout通过电阻R3与控制模块的检测端AIN0连接。具体的，所述电容C3为通孔式高压瓷介电容，所述电阻R1为通孔式金属膜电阻，通过电容C3和电阻R1互相配合，以使得负高电压检测电路能够稳定可靠地检测光电倍增管2的电压信号，再通过第一放大器U1对检测到的电压信号进行放大，以使得控制模块能够获得清晰的电压信号，从而作出判断准确的判断。

优选的，还包括用于监控温湿度的温湿度传感模块，所述温湿度传感模块包括温湿度传感探头和温湿度传感电路，所述温湿度传感电路包括温湿度传感芯片U10、电阻R42、电阻R43、电阻R44和电阻R45，所述控制模块的信号端SHT31_SDA0和电阻R42的一端均与温湿度传感芯片U10的串行数据端SX连接，所述控制模块的信号端SHT31_SCL0和电阻R43的一端均与温湿度传感芯片U10的串行时钟端SY连接，所述温湿度传感探头的信号端exSHT31_SDA0和电阻R45的一端均与温湿度传感芯片U10的缓冲串行数据端LX连接，所述所述温湿度传感探头的信号端exSHT31_SCL0和电阻R44的一端均与温湿度传感芯片U10的缓冲串行时钟端LY连接，优选的，所述温湿度传感芯片U10的型号可为P82B715DR。

进一步的，所述控制模块还通过通信模块与外界设备进行数据交互，在本实施例中，所述通信模块包括通信电路，所述通信电路包括电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电感L2、电感L3、电感L4、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、通讯接口J2和通信芯片U9，所述电阻R38的一端、电阻R39的一端、电阻R40的一端和电阻R41的一端均与通讯接口J2连接，所述电阻R38的另一端、二极管D1的负极和电阻R36的一端均与通信芯片U9的输出端A连接，所述电阻R39的另一端、二极管D2的负极均与电阻R36的另一端均与通信芯片U9的输出端B连接，所述电阻R40的另一端、二极管D3的负极、电阻R37的一端均与通信芯片U9的输出端Z连接，所述电阻R41的另一端、二极管D4的负极、电阻R37的另一端均与通信芯片U9的输出端Y连接，所述二极管D1的正极、二极管D2的正极、二极管D3的正极和二极管D4的正极均接地，所述电感L3的一端与通信芯片U9的输入端DI连接，所述电感L3的另一端和电容C25的一端均与电阻R33的一端连接，所述电阻R33的另一端与控制模块的输出端RMCU_TXD1连接，所述通信芯片U9的输出端R0与电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端和电容C26的一端均与电阻R32的一端连接，所述电阻R32的另一端与控制模块的输入端RMCU_RXD1连接，所述通信芯片U9的电源端、电容C28的一端、电容C27的一端和电感L4的一端均与电阻R34的一端连接，所述电阻R35的一端和电阻R42的一端均与通信芯片U9的输入端连接，所述通信芯片U9的输入端DE、电阻R34的另一端和电阻R42的另一端均与控制模块的输出端RS485_Control连接，所述电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端、电容C28的另一端和电阻R35的另一端均接地。具体的，所述控制模块采用RS485或者RS422线进行通信，有效增大通讯距离以及增加连接的设备，其中通信芯片U9可以采用THVD1552D集成电路收发器，以实现通信。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宇宙线μ子信号的监测装置，包括用于检测宇宙射线的探测模块、将光信号转换成电信号的光电倍增管和用于显示波形的示波模块，其特征在于：还包括用于放大电信号的前端信号调理模块、用于甄别整形电信号的信号甄别整形输出模块、用于监控高压电压的负高电压检测模块和控制模块，所述负高电压检测模块与光电倍增管连接，所述探测模块的输出端通过光电倍增管与前端信号调理模块的输入端连接，所述前端信号调理模块的输出端与信号甄别整形输出模块的输入端连接，所述信号甄别整形输出模块的输出端与示波模块连接，所述负高电压检测模块、前端信号调理模块和信号甄别整形输出模块均与控制模块连接。

2.如权利要求1所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：所述负高电压检测模块包括负高电压检测电路，所述负高电压检测电路包括电容C1、电容C2、电容C3、电感L1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和第一放大器U1，所述电容C3的一端和电阻R1的一端均与光电倍增管连接，所述电容C3的另一端和电阻R4的一端接地，所述电阻R4的另一端和电阻R1的另一端均与电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端与第一放大器U1的负输入端-IN连接，所述第一放大器U1的第一增益端RG1通过电阻R5与第二增益端RG2连接，所述第一放大器U1的正输入端+IN通过电阻R6接地，所述第一放大器U1的负电源端-Vs和基准电源端REF均接地，所述电感L1的一端外接电源，所述电容C1的一端和电容C2的一端均接地，所述电感L1的另一端、电容C1的另一端和电容C2的另一端均与第一放大器U1的电源端+Vs连接，所述第一放大器U1的输出端Vout通过电阻R3与控制模块的检测端AIN0连接。

3.如权利要求1所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：所述前端信号调理模块包括前端信号放大电路和前端信号调理电路，所述前端信号放大电路包括电容C4、电容C5、电容C6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12和第二放大器U2，所述控制模块、光电倍增管和电阻R7的一端均与电容C4的一端连接，所述电容C4的另一端与电阻R8的一端连接，所述第二放大器U2的反馈端FB与电阻R9的一端连接，所述电阻R9的另一端和负输入端Vin-均与电阻R8的另一端连接，所述控制模块和电阻R12的一端均与电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端和光电倍增管均与电容C6的一端连接，所述电容C6的另一端和电阻R11的一端均与第二放大器U2的正输入端Vin+连接，所述第二放大器U2的输出端OUT通过电阻R10与前端信号调理电路的输入端连接，所述前端信号调理电路的输出端与信号甄别整形输出模块连接，所述电阻R7的另一端、电阻R12的另一端和电阻R11的另一端均接地。

4.如权利要求2所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：所述前端信号调理电路包括电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、第三放大器U3和数字电位器U4，所述前端信号放大电路与电容C8的一端连接，所述电容C8的另一端和电阻R15的一端均与电容C9的一端连接，所述电容C9的另一端和电阻R16的一端均与第三放大器U3的正输入端Vin+连接，所述电容C7的一端与电阻R13的一端连接，所述电阻R13的另一端和电阻R14的一端均与第三放大器U3的负输入端Vin-连接，所述电阻R14的另一端与数字电位器U4的信号端A连接，所述控制模块的信号输出端I2C_SDA1和电阻R19的一端均与数字电位器U4的串行数据端SDA连接，所述控制模块的信号输出端I2C_SCL1和电阻R18的一端均与数字电位器U4的串行时钟端SCL连接，所述电阻R19的另一端和电阻R18的另一端连接，所述数字电位器U4的外部电容端EXTCAP通过电容C12接地，所述数字电位器U4的硬件复位端RESET与电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端、电容C10的一端和电容C11的一端均与数字电位器U4的电源端VDD连接，所述第三放大器U3的反馈端FB与数字电位器U4的游标端连接，所述第三放大器U3的输出端OUT通过电阻R20与信号甄别整形输出模块连接，所述电容C7的另一端、电阻R15的另一端、电阻R16的另一端、电容C10的另一端和电容C11的另一端均接地。

5.如权利要求1所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：所述信号甄别整形输出模块包括信号甄别电路和信号整形输出电路，所述信号甄别电路包括电容C13、电容C14、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24和电压比较器U5，所述前端信号调理电路的输出端与电容C13的一端连接，所述电容C13的另一端和电阻R21的一端均与电阻R22的一端连接，所述电阻R22的另一端与电压比较器U5的负输入端Vin-连接，所述控制模块的信号端与电阻R24的一端连接，所述电阻R24的另一端、电阻R23的一端和电容C14的一端均与电压比较器U5的正输入端Vin+连接，所述信号整形输出电路的输入端、电阻R23的另一端和电容C14的另一端均与电压比较器U5的输出端OUT连接，所述电阻R21的另一端接地。

6.如权利要求5所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：所述信号整形输出电路包括电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、栅极和逆变器U6、接口芯片U7、第一单稳态触发器U8A和第二单稳态触发器U8B，所述电阻R25的一端和电阻R26的一端均与信号甄别电路的输出端连接，所述电阻R26的另一端通过栅极和逆变器U6与电阻R28的一端连接，所述栅极和逆变器U6的电源端通过电容C18接地，所述电阻R28的另一端与接口芯片U7的信号输入端DIN连接，所述接口芯片U7的电源端通过电容C19接地，所述电阻R29的一端和电容C20的一端均与接口芯片U7的正输出端OUT+连接，所述电阻R29的另一端和电容C21的一端均与接口芯片U7的负输出端OUT-连接，所述电容C20的另一端和电容C21的另一端均接地，所述电阻R25的另一端通过电容C15与第一单稳态触发器U8A的输入端A连接，所述示波模块的输出端和电容C17的一端均与第一单稳态触发器U8A的输出端连接，所述第二单稳态触发器U8B的输入端A、输入端B和电阻R27的一端均与电容C17的另一端连接，所述电阻R27的另一端接地，所述单稳态触发器U8B的输出端与单稳态触发器U8B的输入端B连接。

7.如权利要求1所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块包括通信电路，所述通信电路包括电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41、电阻R42、电感L2、电感L3、电感L4、电容C25、电容C26、电容C27、电容C28、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、通讯接口J2和通信芯片U9，所述电阻R38的一端、电阻R39的一端、电阻R40的一端和电阻R41的一端均与通讯接口J2连接，所述电阻R38的另一端、二极管D1的负极和电阻R36的一端均与通信芯片U9的输出端A连接，所述电阻R39的另一端、二极管D2的负极均与电阻R36的另一端均与通信芯片U9的输出端B连接，所述电阻R40的另一端、二极管D3的负极、电阻R37的一端均与通信芯片U9的输出端Z连接，所述电阻R41的另一端、二极管D4的负极、电阻R37的另一端均与通信芯片U9的输出端Y连接，所述二极管D1的正极、二极管D2的正极、二极管D3的正极和二极管D4的正极均接地，所述电感L3的一端与通信芯片U9的输入端DI连接，所述电感L3的另一端和电容C25的一端均与电阻R33的一端连接，所述电阻R33的另一端与控制模块的输出端RMCU_TXD1连接，所述通信芯片U9的输出端R0与电感L2的一端连接，所述电感L2的另一端和电容C26的一端均与电阻R32的一端连接，所述电阻R32的另一端与控制模块的输入端RMCU_RXD1连接，所述通信芯片U9的电源端、电容C28的一端、电容C27的一端和电感L4的一端均与电阻R34的一端连接，所述电阻R35的一端和电阻R42的一端均与通信芯片U9的输入端

连接，所述通信芯片U9的输入端DE、电阻R34的另一端和电阻R42的另一端均与控制模块的输出端RS485_Control连接，所述电容C25的另一端、电容C26的另一端、电容C27的另一端、电容C28的另一端和电阻R35的另一端均接地。

8.如权利要求1所述的宇宙线μ子信号的监测装置，其特征在于：还包括温湿度传感模块，所述温湿度传感模块包括温湿度传感探头和温湿度传感电路，所述温湿度传感电路包括温湿度传感芯片U10、电阻R42、电阻R43、电阻R44和电阻R45，所述控制模块的信号端SHT31_SDA0和电阻R42的一端均与温湿度传感芯片U10的串行数据端SX连接，所述控制模块的信号端SHT31_SCL0和电阻R43的一端均与温湿度传感芯片U10的串行时钟端SY连接，所述温湿度传感探头的信号端exSHT31_SDA0和电阻R45的一端均与温湿度传感芯片U10的缓冲串行数据端LX连接，所述所述温湿度传感探头的信号端exSHT31_SCL0和电阻R44的一端均与温湿度传感芯片U10的缓冲串行时钟端LY连接。

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