红外线电子防护网设计

红外线电子防护网设计（精选5篇）

红外线电子防护网设计 篇1

本文设计的红外定位LED电子黑板采用红外线做书写定位检测,用数字电路(或数字电路与单片机结合)进行控制,用高密度LED显示屏显示。与交互式电子白板相比具有以下优点:

(1)不需要电脑、投影仪设备,所以它的价格大大降低,使用寿命大大延长;

(2)它是LED直接发光显示文字,不存在书写者遮挡屏幕情况;

(3)显示亮度调节用一个旋钮控制,调节十分方便。

红外式LED电子黑板由LED显示屏与红外式光电检测定位两大部分组成,整体电路由LED显示屏控制电路、红外式光电检测定位电路、扫描脉冲产生电路及LED显示屏驱动电路组成,本文以显示黑板为例进行具体电路设计,大屏LED黑板的设计在此基础上,只需要增加电路组数便可完成设计,其原理完全一致。

1 LED显示屏控制电路

LED显示控制电路的作用:一是通过扫描脉冲对它的控制对构成屏幕的发光二极管进行行、列扫描,是整个屏幕发光;二是根据红外式光电检测定位电路检测到的书写定位信号对LED显示屏进行控制使之按其书写位置进行发光显。LED显示屏控制电路由行扫描控制电路与列扫描控制电路两部分组成,其中行扫描为低电平驱动,列扫描为高电平驱动,即:只有当行线为低电平、列线为高电平时,行列对应位置坐标的二极管才会发光,电路如图1所示。

扫描电路工作原理:

1.1 LED显示屏全清除功能

按一下清除按钮S2,所有D触发器Q都置1,该信号经过或门后使所有行扫描驱动端为高电平;经过或非门后使所有列扫描驱动端为低电平,致使LED显示屏中发光二极管全部熄灭,实现全清除功能,相当于把黑板上的字全部擦掉,即黑板没写字时的状态。

1.2 LED显示屏写字功能

S1断开,每个触发器D端输入为低电平0。当用模拟粉笔(黑色塑料笔)在黑板写字时,红外光电检测定位电路对应的行、列输出由低电平变为高电平,且写字笔过后该点对应的行、列输出又变为低电平,这样,写字的位置对应的行、列输出端就给出一个脉冲,这个脉冲就是行CLK和列CLK脉冲。在行、列写字脉冲过后,对应的D触发器输出端变为低电平0,在扫描脉冲到来时使写字的位置对应的行线驱动端为低电平、列线驱动端为高电平,致使写字对应位置的二极管发光,显示字形,即相当于在黑板上写字。

1.3 LED显示屏局部擦除功能

局部擦除时将S1闭合,则每个触发器D端输入为高电平1,当用模拟板擦在黑板擦字时,红外光电检测定位电路对擦除的位置对应的行、列输出端各给出一个CLK脉冲,这个脉冲过后,对应的D触发器输出端变为高电平1,使擦除的位置对应的行线驱动端为高电平、列线驱动端为低电平,致使擦除对应位置的二极管不发光,写的字被擦除,即相当于用黑板擦擦除黑板上不用的字。

2光电检测定位电路

写字定位检测的方式很多,有电磁感应式、超声波式、红外光电式、CCD式等方式,但由于LED黑板尺寸加大更适合红外光电检测定位方式。红外光电检测定位电路由红外发射管和接收管阵列组成,在LED屏幕左侧、上侧分别放置一行和一列红外发射管,在LED屏幕的右侧和下侧对应的行列放置接收管,如图2所示。当在屏幕(黑板)用模拟粉笔写字时,对应位置红外线被遮挡,相应的接收管接收不到红外线而截止,输出检测电压由原来的高电压变为低电压,即写字过后写字位置坐标对应的行、列分别输出一个脉冲(CLK),控制显示屏使其与之对应的二极管发光,显示所写文字。

3扫描脉冲产生电路

扫描脉冲产生电路由矩形波发生器、分频器、计数器和译码器组成,如图3所示。按列扫描速度等于16倍行扫描速度设计。

矩形波发生器由555定时电路及外围元件组成;分频器由CD4060组成;计数器由二进制计数器74HC193组成;译码器采用74HC154,下面分别介绍它们的工作原理。

3.1矩形波发生器

矩形波发生器由NE555电路及定时元件构成多谐振荡器,它产生矩形波的频率为:

该频率的矩形波脉冲经计数器、译码器分配后作为列扫描脉冲。

3.2分频器、计数器和译码器

分频器由14位二进制计数器CD4060构成,行扫描脉冲经过CD4060四分频后输出矩形波脉冲,该脉冲经计数器、译码器输出后作为行扫描脉冲,其中译码器采用4线-16线译码器74HC154,输出低电平有效的信号,控制LED显示驱动电路,对屏幕进行扫描。

4 LED显示屏驱动电路

LED显示屏(黑板)驱动电路如图4所示,行扫描驱动电路由16只PNP管C8550组成低电平导通驱动电路,列扫描驱动电路由16只NPN管C8050组成高电平导通驱动电路,电路中R为限流电阻。屏幕显示亮度的调节可以通过控制电源电压Vcc的大小改变发光二级光电流实现。

本文设计的LED电子黑板,用普通的LED屏显示时由于LED点阵体积偏大导致分辨率偏低,采用高密度LED显示屏显示时,它的分辨率较高,可以满足书写教学使用。另外,扫描电路与LED显示屏控制电路也可以采用单片机与移位寄存器控制,完成相同功能的电路设计。

摘要：本文从LED显示与触摸屏的理论及实际应用出发,设计一种数字电路控制红外定位LED电子黑板,它具有显示效果好、性能稳定、价格低等优点,适合各类学校教学使用。

关键词：LED显示屏,红外定位,扫描,驱动

北京地区的紫外线指数及防护 篇2

在气象预报服务中，所报的紫外线照射强度等级分5级，与紫外线指数存在下列对应关系。紫外线照射强度等级或指数数值越大，表示人体皮肤可能遭受紫外线辐射的伤害的时间越短，造成损害的程度也越高。天气预报中发布的紫外线强度是指那一天中正午前后4个小时实际紫外线辐射强度的平均。

太阳紫外线辐射对人体健康的影响

据科学测算，太阳紫外线辐射在太阳全波段辐射总量中所占的百分率很少，约为8 % ，但所产生的光化学作用和生物学效应十分显著，对地球气候、生态环境及人类健康的影响很大。

太阳紫外线波长范围为：5nm～400nm。其中UV-A：320nm～400nm，UV-B：275nm～320nm，UV-C：<275nm。在这三个部分中， UV-C 的杀菌力最大，而且对机体细胞也具有强烈的刺激破坏作用，但它几乎完全被大气臭氧层吸收，很难到达地面。因此，与人类生存环境与健康直接相关的紫外线主要是UV-A 和UV-B。

北京地区紫外线辐射的变化规律

北京地区的紫外线全年中最弱的是12月和1月，最强的是4月和5月，平均指数为8，强度等级为4-强；2月～3月和6月～10月月平均紫外线指数都是7，强度等级也是4-强；11月的紫外线平均指数为5，强度等级为3-中等。这是全年的月平均状况。这和我们一直认为紫外线最强的季节是夏季有一定出入，原因主要是污染和大气透明度、以及空气中水汽含量的多少等都对紫外线有一定影响。所以一年四季中春天的防晒十分重要，但是很多人往往因为经历漫长的冬天后，希望多晒点太阳，而忽视了春天的防晒，等到夏天才开始重视防晒，就已经晚了。综上所述，可见北京地区的紫外线在春夏两季最强，而且春天比夏天还强，冬天最弱。

如何防御紫外线的伤害

过度照射紫外线是白内障、皮肤癌等疾病的罪魁祸首，在人的一生中紫外线的伤害是不断累积的，人们通常在26岁之前接受一生中的大部分阳光辐射，此时已经造成对皮肤的损害从而在老年诱发皮肤癌，但仍可以使用防晒霜降低皮肤癌的发生机率。

在防晒方面，我们应该根据紫外线指数预报和有关的知识，主动地、积极地采取防护措施。严格地说，白天任何时候都要对紫外线进行防护，不管是晴天、阴天，还是雨天，紫外线都存在，甚至在室内都要进行防晒，因为紫外线可以穿透玻璃进入室内。不过适量的紫外线照射，对人体健康也有一定的益处，比如杀菌和治疗佝偻病等。因此，科学的防晒十分关键。另外，根据紫外线的日变化、季节变化特征以及天气对它的影响，我们在防晒时要注意以下几点：

1、一天中最需要特别注意的时间是从上午十时起至下午三时左右。

2、一年中最需要注意的是春夏季节的防晒。

3、注意每天的天气变化，并根据天气对紫外线的影响，注意在哪个时间段里应该特别小心。

红外线电子防护网设计 篇3

关键词：播种机,电子检测,红外反射式,无线数据传输,单片机

0 引言

目前,播种机电子监测装置从检测原理上主要分为红外式及电容式两种形式。

电容式检测具有良好的抗污染性,不易受田间尘土的影响,但其排种管需要定制,无法对现有排种管进行改装,并且检测电路相对复杂,芯片价格昂贵,所以成本较高,适用性差,不利于普及推广。

红外式检测具有原理简单、易于实现和成本低廉的特点,但易受田间恶劣作业环境的影响,使用一段时间后,会由于光电组件上积聚尘土而阻碍了光线的正常发射和接收,从而造成功能失效。因此,只有解决这个问题,才能使产品具有实用性。

红外式电子监测装置根据发射管与接收管的位置分布不同,可分为对射式与反射式两种结构形式。其中,对射式属常规设计,而反射式目前尚未见应用。

本文介绍了采用红外反射式播种机电子监测装置的工作原理、结构设计、软件编程及性能实验数据,并对一些关鍵技术进行了说明。

1 探头的设计和工作原理

1.1 发射管与接收管的布置

发射管与接收管的布置图如图1所示。将3只红外发射管与3只光敏接收管分为两排,平行布置在同一块PCB电路板上,并使二者轴线夹角为20°(图1中未画出)。为减小探头的外形尺寸,采用上下两层PCB板设计,两层PCB电路板之间采用SIP11单排插针(座)连接。发射管与接收管的管脚焊接在下层PCB板上,管体部分嵌入上层PCB板对应位置的孔洞内。此时,上层PCB电路板具有如下作用。

1.1.1 定位作用

便于装配,可以确保发射管与接收管的轴线夹角在设计范围内,保证产品的一致性,不会因使用中的震动等外界因素的影响,使夹角发生改变,从而影响检测效果。

1.1.2 遮光作用

发射管发出的红外光线经过孔壁后,散射光线被衰减,而不会直接被接收管接收。同样,接收管在孔壁作用下仅能接收到限定区域内的反射光线,对其他散射光线不敏感。此种设计可以提高检测的灵敏度。

1.1.3 易于密封

发射管和接收管的顶端与上层PCB板在组装后基本在同一平面内,在上面再灌封一层厚度为2mm左右的SC-1800A/B常温固化型双组分环氧树脂材料(图中未画出),可同时起到防尘和透光的作用。

1.2 结构设计

采用无外壳结构设计,整个探头由上下两层PCB板构成。此种设计有以下两点好处:一方面可以减少体积,节约成本,减轻质量,易于安装;另一方面由于是分体式设计,可以降低调试难度,节约维修成本。

1.3 安装方法

探头的外形尺寸为65mm×21mm×19mm。由于体积小巧,且只需单侧安装,所以可与大多数排种管配套使用。

安装时,先在排种管后侧距出种口80mm处开一个直径为16mm的圆孔,选取一段长度和规格适合的透明热缩管,用热风枪将其固定,可以起到阻止种子弹出和防尘的作用,再将探头的光学组件与圆孔对正,用透明胶带临时固定,并选取适当长度和规格的黑色热缩管将信号电缆插头引出,用热风枪加热,将探头封装固定。

1.4 检测原理

发射管发出的红外光经过排种管内壁的多次漫反射后,少量剩余部分被红外光敏三极管接收。从理论上讲,在红外发光管的发光强度、排种管的内壁形状、表面反光特性以及探头与排种管的相对位置保持不变且不受环境光干扰的前提下,光敏三极管接收到的红外线强度是一个常数。此时,在排种管内部这个特定空间内,可以视为一个红外线场。当有种子落下时,部分红外线直接被种子反射,改变了光敏三极管接收到的红外光强度,从而打破了原有红外线场的均衡,这种接收强度上的改变直接表现为光敏三极管导通电阻的变化。检测电路图如图2所示。3只光敏三极管是并联在一起的,任何一只光敏三极管接收光强的变化最终都将影响总的导通电阻。经分压电路及波形整形电路处理后,形成宽度不等的脉冲信号,送入单片机端口,最终得到计数结果。

1.5 供电与接线方式的设计要求

1.5.1 易用性

采用无极性二总线设计。所有探头均并接在两条总线上,简化了布线,并在探头内部设有整流桥块。因此,在接线时不必区分极性,减少了因误操作造成损坏的可能。

1.5.2 可靠性

考虑到作业条件与现场环境,应采用防水接头。在探头内部加装保险电阻,并用三端集成稳压器进行二次稳压。

1.5.3 一致性

所有探头均具有相同的硬件结构。通过探头PCB板上的跳线,设定不同的地址编码来加以区分。

1.6 数据处理

在进行播种作业时,如果作物种类不同,则种子的颗粒大小以及播种速度也不相同。为了使本装置能够适用于多种作物而无需设定或调整,在这里只对排种管的平均落种速度进行计算,单位为粒/s。

在播种作业时,将各个排种管即时平均落种速度同时显示在LCD显示屏上,如果某一(几)个排种管的平均落种速度与所有排种管平均落种速度的平均值的差值超过了设定的范围,则用显著的颜色和字体显示,同时发出声光提示,提示驾驶员找到故障点并予以解决。甚至可以在报警出现之前,通过观察数值的变化趋势,预测即将发生的故障,从而在具有广泛适用性的前提下,又具有很好的实用性。

1.7 数据传输

为了减少布线数量、降低成本、提高实用性,探头以无线方式向主机发送数据。用单片机模拟PT2262的编码方式,并将代表平均落种速度的双字节BCD码通过无线发射模块以透明的方式传送给主机。

由于一台主机要与很多探头同时配套使用,所以控制数据收发时序显得尤为重要。本设计是通过主机在总线上发出启动脉冲来实现数据传输同步的,即当主机发出的脉冲同时被各个探头接收后,各个探头根据各自的地址编码进行相应的延时,再将检测到的数据按约定的格式发送给主机。由于探头的编码各不相同,不会出现数据同时发送的现象。

1.8 计数精度补偿

通过对检测电路原理分析可知:在下落过程中,当种子经过光电检测组件时(此过程历时3-5ms),如果因种子反射引起的红外线接收强度变化量超过设定的阈值,则会产生一个计数脉冲。在一定范围内,脉冲宽度与种子经过时光电组件时接收红外线强度的变化量成对应关系。

由于种子品种的差别,其大小、形状、颜色和表面光洁度均不尽相同。此外,在种子下落时,光电组件接收到的红外线强度也会因种子下落时的速度、角度和反射部位的不同而不同。因此,为了提高适用性,基于数理统计的原理,在软件设计时,将检测到的每一个计数脉冲宽度(记作Ti)均予以记录。当脉冲数量达到统计数量的阈值N时,将进行计数精度补偿计算(即求出N粒种子落种脉冲宽度的平均值),并把其作为衡量基准(记作Tn),根据如下规则进行计数精度补偿:

1) 当Ti>Tn×150%时,计数加1;

2) 当Ti<Tn×20%时,计数减1。

实验表明,这在一定程度上可以补偿由于种子重叠或接近重叠下落引起的计数减少以及由于破碎的种子或其他杂质引起的计数增加等误差。

1.9 抗尘性能

由于田间作业的条件十分恶劣,所以提高探头的抗尘性能十分必要,主要通过以下两个方面的设计加以实现。

1.9.1 双层密封

从探头的光学组件至排种管内壁之间分别有环氧树脂和透明热缩管两层密封。其中,绝大部分灰尘被透明热缩管阻挡,只要实行定期清理即可解决问题。

1.9.2 发射电流自动调节

在使用过程中,随着灰尘的不断积累,反射回来的红外线逐渐减少,光敏三极管的导通电阻将逐渐增大,最终体现在分压电路的输出电压V的数值变化上。设最初没有灰尘时分压电路的输出电压为V0,故只需要调节红外发射管的工作电流,使V趋近于 V0即可起到抗尘作用。通过PWM功能配合软件设计,可以实现上述自动调节,发射管的最大工作电流应小于20mA,否则将影响使用寿命。

1.10 单片机选型

要求单片机具有高可靠、低价格、小体积和通用性强的特点,此外还应满足以下要求:

1) 为实现软件模拟PT2262编码的功能,要求在编程时每30μs定时中断一次。因此,要选用高主频和单时钟/机器周期(1T)的型号。

2) 为实现发射电流自动调节功能,还要求单片机具有高速A/D转换功能。

为此,选择了宏晶科技有限公司设计生产的STC12C2052AD单片机,并采用TSSOP-20封装,完全可以满足以上要求。

2 显示终端的设计

2.1 LCD显示模块

由于在作业时需要同时显示多达24支排种管的工况信息,所以传统的LED显示方式已不适用。本设计选用武汉中显科技有限公司的VTK8048-7型LCD智能液晶显示模块,主要性能指标如下:

分辨率/: 800×480

接口方式: RS232

屏幕尺寸/mm: 177.8

工作电压: 直流12V

工作温度/℃: -30～85

主机只需要通过串口按约定的格式发出指令即可随时更新显示内容,简化了接口电路,节约了研发时间。缺点是成本较高,但由于终端数量只有一台,在没有投入批量生产以前,这种成本上的差异还是可以接受的。

2.2 壳体及支架

采用金属壳体和表面喷漆工艺,线缆引出采用防水接头方式。支架选用了车用万向支架,可在3个自由度方向上随意调节,以适应不同的驾驶习惯,固定方式为吸盘吸附或螺丝紧固方式。

2.3 供电电源

拖拉机上的直流电压一般为12V,但有些大型拖拉机上的直流电压为24V,加上拖拉机工作时负苛变化剧烈,其直流输出电压很不稳定。为提高产品的适用性,并确保显示模块能够可靠工作,采用了广州金升阳科技有限公司的DC-DC电源模块,型号为PWA2405MD-6W,其产品特点如下:

1) 效率高达85%;

2) 隔离电压1500VDC;

3) 输出短路保护(自恢复);

4) 工作温度为-40～85℃;

5) MTBF>106h。

3 主机的设计

3.1 单片机选型

参见1.10。为了弥补I/O口数量上的不足,选用了SOP-28封装,型号为STC12C5410AD。

3.2 数据传输时序控制

已知每只探头的工作电流为10mA,则全部24只探头的总电流为240mA,因此串联在总线上的电阻R(阻值为5.6Ω)上的压降约为1.34V。在主机需要启动一次数据传输时,通过控制三极管BG导通,使电阻R被短路,并持续100ms。这样在总线上就会出现一个峰值约为1.3V、宽度为100ms的启动脉冲。

上述启动脉冲同时被所有探头检测到,其检测电路如图2所示。

3.3 无线数据接收

接收模块型号为KL-JS06,其解码芯片为SC2272-M6。由于相对于编码而言,解码的计算量较大,为减少单片机的负担,没有采用软件解码。

在使用无线接收模块时,要注意以下几点:

1) 采用315MHz专用天线,安装于主机壳体外侧,角度可以自由调整,用同轴电缆引至模块的天线(ANT)输入端。

2) 在设计电路板时,要考虑单片机产生的数字脉冲信号对于接收模块的干扰。该干扰将大大减少接收距离。本设计主要是采用DC-DC电源模块以及高速光电耦合器进行隔离来解决这一问题。

3) 要保证解码芯片SC2272的振荡频率与编码芯片SC2262的振荡频率匹配,最佳参数为前者是后者的2倍。

3.4 软件编程

采用MCS-51汇编语言编写。受篇幅限制,只分别讲述一下编程要点。

3.4.1 主机软件的编程要点

1) 定时中断的时间间隔为10ms,在中断服务程序中要进行发送启动脉冲、接收无线数据、显示刷新以及键盘处理等工作。

2) 主程序则进行各个排种管落种数量统计、故障告警处理以及填写显示数据缓冲区等工作。

3.4.2 探头软件的编程要点

1) 定时中断的时间间隔为30μs,在中断服务程序中要进行计时、模拟SC2262编码发送数据、记录落种信号和抗自然光干扰处理等工作。

2) 主程序则进行落种计数处理、故障判断以及数据发送处理等工作。

4 试验结果

2009年4月29日,在黑龙江省勃利县由黑龙江省农机鉴定站对配有本装置的2BJQ-9气吸式精密播种机进行了田间实验。

4.1 故障检知率测试

在9只种箱中随机选取4只,放入少量种子并记录下其编号,其余种箱为满箱种子,再进行播种作业。主机先后发出4次“种箱空”报警,其编号与预先记录的种箱编号相符。

4.2 落种计数检测精度

在排种实验台上,通过精密气吸式播种器使大豆种子均匀落下,速度为30粒/s左右。当累积落种计数达到500～700粒之间时,随机停止落种。将计数值与人工清点的数值相比较,结果如表1所示。

5 结论

1) 该装置在结构设计上有所突破,在降低成本、提高实用性、易用性方面做了较多的尝试,尤其是单片机在装置中得到了广泛应用,提高了产品的智能化水平。

2) 存在的问题是为了做到防尘、防水以及避免自然光的干扰,其探头的固定采用了外套热缩管的方式固定,安装时需要对原有的排种管进行改装,在便利性方面略有欠缺。

相信随着研制工作的进一步开展,上述问题会得到有效地解决。

参考文献

[1]周利明,张小超.基于电容测量的精密播种机监测系统研究[J].农机化研究,2009,31(11):37-39.

红外线电子防护网设计 篇4

1 ESD带来的危害

对于电子通讯产品, 静电是一种很有害的电能, ESD是一个潜在的杀手。

(1) ESD造成元器件失效。当带电物体通过器件形成一个放电通路时或带电器件本身有一个放电通路时, 就会产生ESD而造成器件的失效, 失效模式有突发性完全失效和潜在性缓慢失效:突发性完全失效, 器件的芯片介质击穿或烧毁、一个或多个电参数突然劣化和完全失去规定功能的失效。通常表现为开路、短路以及电参数严重漂移, 概率约10%;潜在性缓慢失效, 器件受到ESD造成轻微损伤, 器件的性能劣化或参数指标下降而成为隐患, 使该电路在以后的工作中, 参数劣化逐渐加重, 最终失效, 概率约90%。

(2) ESD使信息出错, 逻辑电路误动作试验表明, ESD属于脉冲干扰, 对某电子通讯产品进行静电接触放电, 可在设备内部许多位置测量到一个幅值为几十伏的干扰脉冲, 正是这个干扰脉冲, 引起了信息出错, 逻辑电路翻转, 导致产品的故障;ESD也可产生频带几百千赫一几十兆赫、电平高达几十毫伏的电磁脉冲干扰, 当这个电磁脉冲干扰藕合到产品的敏感电路时, 也会引起信息出错, 导致产品的故障。

(3) 高压静电吸附尘埃微粒静电电荷易吸附尘埃微粒, 污染PCB板和半导体芯片, 使其绝缘电阻下降, 影响器件工作。严重时会引起器件故障 (例如:CMOS电路发生门锁) 。

2 现行ESD防护设计方案的缺陷

现行的ESD防护方案大都存在着问题, 表现在电气应力 (EOS:Electrical Overstress) 与ESD的区分和系统类型的识别两个方面。

(1) EOS和ESD的区分实际上, E S D是EOS的一种特殊情况, 但是在确定ESD防护方案时, 却常常将ESD和EOS的性能指标相混淆, 把EOS防护的性能指标当作ESD来对装置加以要求, 这样就可能导致对装置ESD防护的失败。

(2) 系统识别。系统ESD防护方案的确定依赖于对系统的识别。不同类型的系统采取的ESD防护措施应是不同的。现行的一些防护方案连基本的系统识别都没有, 就展开了对系统的防护讨论和要求, 这样是不妥当的。按照对ESD的敏感类型不同, 可以将系统分成两类:电压敏感 (VS) 和能量敏感 (ES) 。如果它对电压敏感, 防护时就需要很小心, 如可以使用一些特殊的材料, 放置在一些特定的操作位置;如果它对能量敏感, 防护条件相对前者就不需要太苛刻。有效地识别系统是必需的。虽然实际中很少使用VS装置, 但对于一个未经识别的系统来说, 应将它作为对VS类型来处理, 避免可能引发的ESD损伤。

3 ESD防护方案的再设计

3.1 再设计应遵循的原则

(1) 明确ESD防护方案的等级。ESD防护包含两个等级:基本防护和全面防护。ESD“基本防护”方案包括传导性工作面接地、人员腕带接地 (1MΩ电阻接地) 、聚乙烯保护包装、人员1h~2h基本的ESD培训这4个要素;ESD“全面防护”方案需要在基本等级的基础上增加额外的防护措施。它要求对装置的ESD防护是全面的, 如对装置进行双层包装, 在包装外层增加一个金属箔片包装。明确待防护系统的等级是确立防护方案的基础工作。只有确定了系统防护的等级, 才可以采取具体的防护措施进行ESD防护。

(2) 遵从各类标准的性能指标要求。ESD防护方案的确立还必须要遵从工业、军事或者生产企业的标准。这些标准可以为ESD的包装、操作和电路设计提供有效的防护措施和具体的操作步骤。

(3) 进行ESD管理。ESD防护方案是否有效, 重要的是ESD管理。ESD管理可以确定防护方案执行、人员训练、维护ESD防护设施的花费 (Cost) 情况。结合故障诊断, 还可以获取方案对于减少ESD损伤概率的影响等信息, 从而为防护方案的实施提供参考标准。ESD管理必须在系统防护的过程中加以实施, 才能使各方面达到协调, 从而使防护方案能够有效地发挥作用。

3.2 再设计的具体方法

(1) 确立系统防护等级。即便对所有的VS装置都采取抗ESD措施, 仍然会存在防护上的不确定性, 工程人员仍然需要通过相关测试来验证防护措施和操作步骤的有效性, 而有些额外的防护措施甚至会增加ESD损伤的可能性。

(2) 获取有效数据。将HBM分类数据与工程实际中设备和装置的ESD保护措施联系起来是很困难的。这是因为, 这些装置仅仅是通过HBM测试来分类的, 而没有考虑带电装置模型 (CDM) 和其它破坏源的影响。为保证ESD防护措施的有效性和装置的可靠性, 工程中会使用更多、更复杂的测试手段和数据分析方法。这样一来, 工程人员也就能得到关于装置ESD问题的更优化数据。

(3) 装置监控。通过对装置的监控可以提高系统的可靠性。监视器检查的项目包括检查接地线的完整性、工作面的接地情况、人员腕带的有效性等。其中对腕带的检查是通过将一低电压经腕带连接到人体上来进行测试的。所选择低电压的能量必须不能在装置 (如消特基二极管、检波器二极管) 上诱发EOS。工作间内如果使用了空气电离设备, 就需要定期地加以检查, 这有两个原因:一是设备可能会发生故障, 不能工作;二是设备产生的离子可能不足以相互平衡, 从而成为一种特殊的“静电源”。一个实验用的负电离灰尘控制系统可以在工作间内的组件上产生电荷, 这不但能导致电离设备对带电灰尘微粒控制的失败, 还会诱发电击操作人员以及损坏装置等恶性事故。

总之, 由于电子系统的多样性和复杂性, 很难制定一个通用的ESD防护方案。只有考虑到系统的实际情况, 如敏感类型、防护等级要求、ESD防护方案的性价比, 并且实行全方位的ESD防护控制才能有效地对具体的系统实施ESD防护。

参考文献

[1]徐金华, 刘光斌, 余志勇.ESD的防护策略[J].电子产品可靠性与环境试验, 2005 (5) .

红外线电子防护网设计 篇5

放射治疗发展至今已有100多年的历史,与手术、化疗一起构成肿瘤治疗的三大手段,60%~70%的肿瘤患者在其治疗的不同阶段需要接受放射治疗。肿瘤放射治疗学也是近年来发展最快的学科之一[1]。随着学科的迅猛发展,医用电子加速器越来越广泛地被应用于临床工作中。因此,如何有效地减少加速器射线对周围环境和人类健康的危害成为人们关注的话题。本文对某15 MV医用电子加速器机房放射防护设计进行研究,希望能为加速器机房科学、合理建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 加速器参数及机房资料

机房拟安装SIEMENS公司ONCOR Expression型医用电子加速器,用于开展普通放疗和调强治疗,最大X射线能量为15 MV,最大电子线能量为21 Me V,每周出束<1500 Gy。距靶1 m等中心处最大X射线输出剂量率为600 c Gy/min,最大照射野为40 cm×40 cm,等中心位置在机房中央,距地面高度为1308 mm。加速器机房拟建于地下一层(最底层),西侧为回旋加速器操作室,北侧为土层,东侧为操作室和设备间,南侧为走廊,地上一层为工作站。加速器机房平面图和剖面图,见图1~2。机房建筑面积约为200 m2,使用面积约为100 m2,机房通风设计为24.3 m3/h,不同通风条件下机房臭氧浓度随时间的变化趋势,见图3。

1.2 放射防护计算方法

1.2.1 机房屏蔽计算

(1)机房墙体屏蔽厚度。按如下方法导出剂量率参考控制水平:

式中,Hc为周参考剂量控制水平,职业人员取100μSv/周,公众取2μSv/周;Hc,d为关注点的导出剂量率参考控制水平,单位为μSv/h;t为治疗装置周治疗照射时间,单位为h;U为有用线束关注方向的使用因子;T为人员在相应关注点的居留因子;N为调强治疗时用于泄露辐射的调强因子,取N=5;W为周工作负荷,取1500 Gy/周;H0为距靶1 m处等中心点最高剂量率,单位为μSv·m2/h,600 c Gy/min。

不同辐射的屏蔽估算方法:

B为屏蔽透射因子;R为辐射源点至关注点的距离,单位为m;f对有用束为1,对泄漏辐射为泄漏辐射比率,取10-3;Rs为患者至关注点的距离,单位为m;dph为400 cm2面积上的散射因子,取3.18×10-3;F为治疗装置有用束在等中心处的最大治疗野面积,取(40×40)cm2;Xe为有效屏蔽厚度;X为所需屏蔽厚度;TVL1为第一个1/10层厚度,15 MV X射线混凝土(ρ=2.35 g/cm3)的TVL1取440 mm,90°泄露辐射混凝土的TVL1取360 mm;TVL为平衡1/10值层厚度,15 MV X射线混凝土的TVL取410 mm,90°泄露辐射混凝土的TVL取330 mm,15 MV X射线铅(ρ=11.36 g/cm3)的TVL取57 mm,90°泄露辐射铅的TVL取47 mm;θ为入射线与屏蔽物质平面的垂直线之间的夹角;计算取2倍安全系数。

(2)主屏蔽墙宽度。主屏蔽墙宽度计算公式如下:

L为主屏蔽墙的宽度,单位为m;R为等中心点距屏蔽墙外表面的距离,单位为m。

(3)防护门屏蔽厚度。防护门处的辐射剂量主要来自加速器机房迷路内的杂散X射线、泄露辐射和迷路中的散射中子等。门口的迷路杂散X射线剂量当量率计算公式如下:

Hs为迷道计算点的X射线剂量当量率,单位为m Sv/h;H0为迷道内入口中点的X射线剂量当量率,单位为m Sv/h;R0为源到散射面积的距离,单位为m;Rs为散射面积S到计算点的距离,单位为m。

防护门处的中子辐射主要来自迷道内的散射中子,中子剂量当量率计算公式如下:

Dn为迷道入口中子剂量当量,单位为Sv/Gy;H1为距靶1 m等中心处每Gy X射线中子剂量当量,单位为m Sv/Gy;Ar为迷道内口截面积;S1为迷道横截面积;d1、d2、d3分别为加速器等中心到迷路口中心,迷路口中心到防护门前迷路中心,和防护门前迷路中心到防护门的距离。

按公式(6)、(7)估算防护门的屏蔽厚度,计算过程中,TVL1=TVL,斜射角θ为0°,散射X射线铅的TVL取50 mm,中子辐射含硼5%聚乙烯的TVL取45 mm,安全系数取2。

1.2.2 机房气态废物排放

每小时通风次数和排风速率之间的换算关系如下:

假设臭氧无分解且均匀分布、治疗室无通风,产生的臭氧浓度计算公式如下:

C03为治疗室的臭氧浓度,单位为ppm;Sc为标准状态下电子在空气中的碰撞阻止系数,取2.5 ke V/cm;I为加速器外泄漏束流强度,取1 m A;t为辐照时间,取120 s;d为加速器外电子束在辐照空气中穿行距离,取100 cm;V为治疗室容积,计入迷路,为390 m3。加速器停机后通风t’时间的臭氧浓度按下式计算:

C03’为t’时刻的臭氧浓度,f为排风速率,t’为通风时间,单位为min。

1.3 机房放射防护计算、分析依据

主要依据GBZ/T220.2-2009、GBZ/T 201.2-2011、IAEA No.47、NCRP No.151等国内外相关技术规范和标准[2,3,4,5],对某15 MV医用电子加速器机房放射防护设计进行复核、计算,提出具体的防护策略和措施。

2 结果

2.1 机房屏蔽计算结果

机房屏蔽计算结果,见表1~3。

2.2 通风次数和臭氧浓度

按设计通风速率计算,机房通风次数为0.06次/h,机房臭氧浓度计算结果,见表4。

3 讨论

加速器机房放射防护设计是一项复杂且对技术有特殊要求的工作,既要将加速器产生的辐射危害减到合理状态下的最低,又要兼顾防护最优化原则,尽可能地减少建设过程中的资源浪费。总体分析表明,该加速器机房的放射防护设计是可行的,但必须对部分墙体的防护厚度和通风措施加以改进,补充防护门设计,并满足放射卫生要求。机房墙体的设计存在以下问题及改进措施:

(1)机房部分墙体的设计厚度未达到X射线的屏蔽要求。建议增加墙体的防护厚度,而且要注意缝隙、管孔和可能的薄弱环节,对可能造成的屏蔽性能减弱,必须增加屏蔽补偿。

(2)机房入口的防护既是难点,也是重点。防护门的计算厚度为37 mm Pb加140 mm含硼5%聚乙烯(见表3),方案中未见机房防护门设计,故无法复核。

(3)迷路中散射路径上使用含硼5%聚乙烯吸收材料吸收部分散射中子。在不影响设备和人员进出治疗室的前提下,还应缩短迷路内口宽度,并设置过梁,以减轻迷路入口的剂量负荷[6,7]。

(4)机房设计通风为0.06次/h,低于4次/h的标准要求。从图3看出,与标准条件(排风速率1560 m3/h)相比,在设计通风速率下,停机10 min后的机房臭氧浓度仍处于很高水平,未降到规定限值0.14 ppm以下。为了降低治疗室臭氧浓度,加强通风换气非常重要;此外,由于产生的放射性粒子一般比重大于空气,应采用“上进下出”的方式[8,9]。

加速器机房的辐射防护与放疗工作者和公众的健康有着紧密的联系,对机房建设项目进行研究和干预,是保障建筑施工科学合理的有效手段。随着新的放射诊疗技术的产生和发展,在职业照射控制方面呈现出许多新的重要转变,放射防护安全必须依靠防护技术要求与防护管理要求并重才能够实现。

摘要：目的 探讨某15 MV医用电子加速器机房放射防护设计的科学性,提出具体的防护建议和改进措施,从而保障放射治疗职业人员和公众的辐射安全。方法 依据国内外相关技术规范和标准,对机房屏蔽及排风设计进行复核、计算,将计算结果与设计内容进行比较分析。结果 机房墙体的屏蔽计算厚度(混凝土)为:西墙1300 mm、北主墙2400 mm、北副墙1200 mm、迷路口后东墙1200 mm、迷路墙后东墙1300 mm、南主墙2700 mm、南副墙1400 mm、机房顶2900 mm、机房副顶1600 mm;南、北主防护墙和主防护顶计算宽度分别为3500 mm、3700 mm;机房通风次数为0.06次/h。结论 机房北主墙、北副墙、东墙的屏蔽厚度和主墙的屏蔽宽度符合标准要求,机房南主墙、南副墙、西墙、机房顶、机房副顶的屏蔽厚度和通风换气次数达不到标准要求。

关键词：医用电子加速器,加速器机房,辐射防护,屏蔽设计

参考文献

[1]石梅.肿瘤放射治疗学新进展与发展设想[J].解放军医学杂志,2010,35(5):81-84.

[2]GBZ/T220.2-2009,建设项目职业病危害放射防护评价规范第2部分:放射治疗装置[S].

[3]GBZ/T201.2-2011,放射治疗机房的辐射屏蔽规范第2部分:电子直线加速器放射治疗机房[S].

[4]IAEA Safety Reports Series No.47.Radiation Protection in theDesign of Radiotherapy Facilites[R].IAEA,2006.

[5]NCRP Report No.151.Structural Shileding Design andEvaluation for Megavoltage X-and Gamma-Ray RadiotherapyFacilities[R].NCRP,2005.

[6]Kim HS,Jang KW,Park YH,et al.New experical formula forneutron dose level at the maze entance of 15MV medicalaccelerator facilities[J].Medical Physics,2009,36(5):1512-1519.

[7]马永忠,娄云,万玲,等.典型医用加速器治疗室改造的屏蔽设计与分析[J].中国工业医学杂志,2012,25(1):63-66.

[8]陈泽龙,陈自谦,倪萍.医用回旋加速器质量控制与安全策略探讨[J].中国医疗设备,2011,26(2):15-17,7.