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1、49 电工电气 (2011 No.2)基于LabVIEW软件的光衰减长度测量系统 0 引言 20世纪70年代中期， 粒子物理标准模型问世。 这 一简单的理论模型集纳了迄今为止粒子物理学的 所有重大发现，被誉为宇宙的完整配方。按照标准 模型， 宇宙中的万事万物皆由12种基本粒子组成， 其 中有3种是中微子(电子中微子、中微子和中微 子)。中国的高能物理学家自2003年起进行了大量 的研究和计算，并进行了实地考察，提出了利用大 亚湾反应堆测量中微子混合角13的设想。因此需 找到一种H含量达10%的有机液体闪烁体(以下简称 液闪)材料，并在其中掺入少量的Gd，这样就可以 设计出理想的中微子靶和探测器
2、，继而达到测出中 微子混合角13的目的1。目前，大亚湾反应堆中微 子实验已初步决定使用LAB(线性烷基苯)作为液闪 材料。自2005年以来，北京高能物理研究所等机构 已对不同LAB样品的光衰减长度进行过多次测量， 为 此，本文的主要工作就是优化设计液闪的光衰减测 量系统，完善整个测量系统的控制部件，尽可能准 确地测量不同LAB样品的光衰减长度，以使其能够 满足大亚湾中微子实验的要求。 LabVIEW是一个图形化编程工具软件。通过与 测量硬件紧密集成，可迅速开发出数据采集、分 析和显示与仪器控制应用系统。LabVIEW可以利 用上千种设备进行数据采集、图像处理与运动控 制，包括 GPIB、VXI
3、总线、串口设备、可编程逻辑 控制器(PLC)以及插入式设备等。也可以通过网络、 ActiveX、共享库、SQL等工具与其它数据源相连。 完成数据采集后，还能利用数据分析程序，将采集 到的原始数据转换成有意义的结果，再将结果在 Web浏览器中公布2。 NI工业M系列多功能数据采集(DAQ)设备具有隔 离的模拟和数字测量通道， 可达到更好的可靠性。 它 们结合了安全高效的隔离和性能优越的定时、放大 和校准技术，提供精确测量和精准控制功能。M系 基于LabVIEW软件的光衰减长度测量系统 卢志伟，徐斌，刘千杰，张丽宏 (东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096) Abstract: Intr
4、oduction was made to the design of a liquid scintillator light attenuation length measurement control system. This paper discussed the hardware design and control of the whole system, as well as the software control fl ow and debugging method of the system. Analysis was made to the actual operation
5、effect. The system realized the electric shift-platform position adjustment, light-emitting diode group switch control, liquid level sensor data reading and the switch control of solenoid valve etc. Various types of experimental real-time data could be displayed on the software interface, so the mai
6、ntenance personnel can control and test the system easily. Key words: LabVIEW; light attenuation length; data acquisition LU Zhi-wei, XU Bin, LIU Qian-jie, ZHANG Li-hong （School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China） Light Attenuation Length Measurement System Based
7、on LabVIEW 摘 要 ：介绍了一种基于LabVIEW软件的液体闪烁体光衰减长度测量控制系统。对整个系统的硬件 设计和控制，以及软件控制流程和系统调试方法进行了阐述，且对其实际运行效果进行了分析。该系统 实现了电动平移台的位置调节、LED组的开关控制、液位传感器的数据读取和电磁阀的开关控制等功能。 实验的各类数据在软件界面上可以实时显示，方便实验人员的控制和维护。 关键词 ： LabVIEW软件 ； 光衰减长度 ； 数据采集 中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2011)02-0049-04 作者简介：卢志伟(1987- )，男，硕士研究生，研究方向为电
8、力电子与电力传动。 检验与测试 50 电工电气 (2011 No.2)基于LabVIEW软件的光衰减长度测量系统 列设备可在多种操作系统上使用，有3个驱动软件 可供选择NI-DAQmx、NI-DAQmx Base和测量硬 件DDK3。 1 系统方案及结构 系统装置结构示意图如图1所示。 入射光源由脉冲发生器驱动，脉冲光波经过透 镜和光阑后变成平行光，光电倍增管安装在l m长 的圆柱形不锈钢管的另一端，用于收集光信号。实 验中，给定一个高度，测3个波长的光(410、430、 470nm)，称之为测一个测量点，每隔1/10的高度为 一个测量点，随后每次释放10cm左右的液体， 以逐 步改变液体的高
9、度，测量出一组随着液体高度不同 而不同的光吸收度 ； 再经过核探测信号模块和多道 分析器的处理，得到透射光强道址值。光衰减长度 是这样定义的 ： 一单色光在样品介质中传输，其强 度衰减到初始光强的1/e时所传播的距离4。运用 式(1)和式(2)拟合所测值，就可以得到该样品的衰 减长度。光通过不同厚度的介质与光强的关系为 ： 其中，I0为初始光强；IT为入射后光强；d为传 输距离，即液高。 其中，A为一定波长的单色光通过厚度为D的介 质时的吸收度。 2 系统硬件控制部分的设计 在整个控制系统中，由计算机输出和采集，系 统利用数据采集卡PCI-6221作为数据采集和信号输 出载体，由基于LabVI
10、EW8.2平台自行开发的控制软 件完成整个系统的控制。控制系统实现了电动平 移台的位置调节、LED组的开关控制、液位传感器 的数据读取和电磁阀的开关控制等功能，如图2所 示。 电机驱动器SH-20403的控制原理 ： 由2号管脚 图1 系统装置结构示意图 IT=I0e -( ) d L (1) (2)L=0.434 D A (A=lg ) I0 IT 光电倍增管 (PMT) (20寸) 信号处理 系统 LED 针孔光阑 凸透镜 光衰减片 可调光阑 可上下左右移 动，调节光路 1m不锈钢管 液位传感器 石英玻璃 垫圈 图2 控制电路原理图 2 4 8 16 17 19 24 32 34 36 4
11、0 49 51 52 59 67 68 数据 采集卡 1 2 3 4 5 电机驱动器 1 2 DC24V 光耦 NC 1 Vcc 8 ANODE 2 Ve 7 Cathnod 3 Vo 6 NC 4 GND 5 6N137芯片 R4 50 C1 0.1 F R8 350 5V JUMP1 继电器4 Q4 5V K4 1 2 传感器 JUMP2 1 2 3 4 LED 继电器1 Q1 5V K1 R1 100 R2 100 继电器2 Q2 5V K2 24V 1 2 电磁阀 +5V 电机脉冲 R3 100 1 2 外接电源 继电器3 Q3 5V K3 R5 100 R6 100 继电器5 Q5
12、5V K5 R7 100 方向 51 电工电气 (2011 No.2)基于LabVIEW软件的光衰减长度测量系统 给电机驱动输入电机脉冲 ； 由8号的管脚给电机驱 动提供5V的脉冲 ； 16号管脚控制光耦，当输入高 电平光耦导通，电机驱动方向接地，反转，输入低 电平，光耦截止，电机驱动方向悬空，相当于输入 高电平，正转 ； 17号管脚控制Q1驱动继电器1，控 制电机转动 ； 19号管脚控制Q2驱动继电器2，控制 电磁阀开关 ； 在对 LED 的控制上采用 6N137 芯片， 由40号管脚提供5V脉冲，49、51、52控制Q3、Q4、 Q5驱动继电器3、继电器4、继电器5，控制LED的 开断，另
13、外LED供电采用跳线结构，也可以选择用 外接5V电源供电 ； 68号管脚读取液位仪的数值。 3 系统软件部分的设计 依据实验需求， 软件控制程序分为3条主线： 液 位读数流程、平移台控制流程和开关控制流程。 3.1 液位读数流程 用于读取液位信息。液位压强通过液位传感器 转换为相应的电压值，由数据采集卡的模拟输入端 接收。由于液位传感器电信号为弱电信号，而整个 系统处于强电环境中，为了尽可能减少干扰，输入 方式采用双端差分输入。 因为盛放LAB的金属管下端存在一段基础液 位，所以在实验过程中，实际液位的计算需要去除 一个偏置量，在液位读数流程中，设计了一个运算 流程：将空载和满液位读数分别输入
14、软件系统，然 后可由计算机计算得到液位传感器的实际灵敏度， 由 此灵敏度值就可以计算出实验中任何时刻的液位高 度(以下简称液高)。 3.2 平移台控制流程 用于控制平移台电机的运动。平移台步进电机 主要用于发光二极管的定位，步进电机由固定频率 的数字脉冲控制，根据电机驱动器的细分调节，每 一个脉冲对应于电机运动的角度不同，电机运转一 周，平移台向前或者向后移动1 mm，故可以在软件 中控制输出脉冲的数量来控制平移台的移动。 因电机驱动器为24V供电， 而实验过程中， 平移 台需要移动的机会不多，从系统可靠性、安全性和 节约能耗考虑，在电机驱动器的电源端设置一个开关 继电器，仅当需要平移台移动时
15、才使继电器导通。 3.3 开关控制流程 用于控制整个系统中的各种开关。除了一部分 数据采集功能以外， 软件的主要功能是系统控制。 整 个系统共设有6个开关：3个LED开关分别用于控制3 个不同波长的LED的亮暗，1个电机电源开关用于控 制电机驱动器的供电与否，1个电机方向开关用于 向电机驱动器提供电机转动的方向信号，1个电磁 阀开关用于放水控制。除了LED开关由操作人员手 工控制外，其余开关均为半自动控制： (1)当控制电机运动时，软件会根据电机目标 地址计算出输出脉冲的个数和方向，自动打开驱动 器电源开关并提供相应的控制信号到外部电路，电 机到达目标位置后，各开关将自动关闭。 (2)实验过程
16、中需要打开液位电磁阀放水，软 件设计一个液位控制功能，由液位传感器读数控 制，打开阀门前首先设定放水液位，然后阀门打 开，当液位到达设定液位时，阀门将自动关闭。 4 系统实际运行效果与分析 4.1 程序界面与功能 图3为LabVIEW程序界面控制图，控制整个硬件 系统的测量以及运行。 图3 程序界面控制图 液位指示/m 0.903 上管长度/m 0.970 下管长度/m 0.045 液位限定/m 0.100 液位电压/V 0 平移台位置 5600 平移台开关 打开 平移台方向 RIGHT 电磁阀开关 打开 满位电压/V 4.875 退出本系统 EXIT 1.2 1.1 1.0 0.9 0.8
17、0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 LED1 LED1开关 OFF LED2 ON LED3 OFF 打开LED1 LED2开关 打开LED2 LED3开关 打开LED3 52 电工电气 (2011 No.2)基于LabVIEW软件的光衰减长度测量系统 LED1、LED2和LED3分别控制测量箱中3个发光 二极管的开关，液位指示代表当前液高，上管长度 代表最高液面高度，因为测量管设计为0.97 m的高 度，所以满液位高应低于这个数值，在实验中我们 采用0.95 m作为最高液高，同时应注意下面的液位 电压，不同的液高对应不同的液位电压，而右边的 满位电压是需要自己填写的，
18、当刚开始测量时，装 入0.95 m的液高，会显示当前液位电压，然后填入 右边的满位电压，下面的下管长度指的是液位移到 下管底部的长度是固定值，右边的平移台位置一共 有3个，分别是3个不同LED工作时的位置，平移台 开关可以控制平移台的移动，从而控制用不同波长 的LED测试液闪的衰减长度，测试时不断的输入上 管液高，用电磁阀开关控制液体的流出， 实验室另 一系统会记录PMT接收的光强， 即道址值，与光强成 正比，同样我们需要记录不同的液高，最左边的刻 度用来实时显示液面位置。 4.2 光衰减长度测量的最终效果分析 实验数据测量显示整个系统非常完善，测了不 同型号LAB的光衰减长度，采取了更为先进
19、的计算 方法拟合出光衰减长度，如表1所示。 由式(1)可知， 光衰减长度由系统root通过液高 拟合得到，同样IT由root通过道址值拟合得到，这样 root会制作出一组波峰图显示出它的光衰减长度， 以 上数据通过拟合得出L=(11.6860.157)m。 5 结语 该系统利用PCI-6221作为数据采集和信号输出 载体，由计算机便捷的控制整个系统，控制电路中 采用光电隔离，使系统运行更加稳定和可靠。基于 LabVIEW8.2平台自行开发的控制软件完成整个系统 的控制，发挥了LabVIEW的强大功能，缩短开发环 节，精确的测量了液闪LAB的光衰减长度，为中微 子探测器测量挑选了优异、稳定的液闪
20、。且实验的 各类数据在软件界面上可以实时显示，方便实验人 员的控制和维护。 参考文献 1 王贻芳 . 大亚湾反应堆中微子实验 J. 物理， 2007，36(3) ： 207-214. 2 杨乐平，李海涛，杨磊.LabVIEW程序设计与应用 M.北京：电子工业出版社，2001. 3 谢剑英，贾青.微型计算机控制技术M.3版.北 京：国防工业出版社，2006. 4 刘金昌，李祖豪，杨长根，等 . 液体闪烁体衰减长 度和光产额的测量 J. 高能物理与核物理，2007， 31(1) ： 76-79. 收稿日期：2010-10-26 表1 实测液高对应道址值 液高/mm1000 914 811 712
21、608 512 410 310 208 107 道址值657662 669 675 681 686 692 698 703 709 (上接第44页) 10622010-12=0.22s， 即当C值为最大值220pF时， tF值仅为0.22 s；通常C为110 pF，故tF=0.11s，大 大缩短了以前几分钟的放电时间。 4 结语 玻璃放电管对弧光放电的响应速度很快 (1 ns)，优于其它电子元器件，所以采用玻璃放电 管就能在速度上占有很大的优势。陶瓷放电管在 对弧光放电的响应速度为1 s，虽然比玻璃放电管 慢，但是仍比其它元器件高出些许优势，且寿命高 于玻璃放电管，所以有些场合也可以采用陶瓷放电 管取代玻璃放电管；但陶瓷放电管价格较高，在大 量应用的情况下，往往是玻璃放电管优势显著。 以上介绍的高压直流电源地线断缺时弧光放电 的快速截止型保护，由于玻璃放电管从开始放电到 高压输出端截止，整个过程小于10 s， 是名副其实 的快速截止型保护的，故对玻璃放电管的寿命没有 负面影响，所以采用玻璃放电管恰到好处。 实践表明，许多场合下陶瓷放电管也可以取代 玻璃放电管，毕竟1 s的响应速度不算慢，可以满 足不少电路的要求。 参考文献 1 陈本竹.玻璃放电管在预防地线断缺事故中的应用 J.电工电气，2010(9)：46-48. 收稿日期：2010-10-09