一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统与方法

摘要

本发明公开一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统，包括荧光靶、观察窗、传动系统、光栅尺及其电子学处理模块、相机、交换机及上位机；传动系统包括传动杆、传动机构、伺服电机、伺服电机驱动及运动控制器；通过传动系统驱动荧光靶、相机进行直线运动；通过网线将相机和交换机连接起来，再使用网线依次连接交换机与上位机；采用光栅尺获取荧光靶的实时位置信息，再使用光栅尺电子学模块转换为网络信号，再送到上位机进行处理；本发明还公开一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量方法。本发明具有信号带宽高、实时性好、稳定性高，束流的截面尺寸和位置的测量精度达到0.1毫米，图像传输距离达到100米。

说明书

技术领域

本发明属于加速器束流诊断技术领域，特别是涉及一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统与方法。

背景技术

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。LabVIEW软件是NI设计平台的核心，也是开发测量或控制系统的理想选择。

对于粒子加速器，束团横向截面尺寸和水平和竖直位置是重要的基本参数，它是研究束流不稳定性、加速器调试和运行中的一个重要的诊断工具。原有的束流截面测量系统信号带宽小，传输距离不足，且一般仅用于加速器输运线的束流截面测量，不能满足加速器主机的不同半径处的连续束团截面参数测量的要求。

发明内容

为了实现加速器主机内不同半径处束团的截面尺寸和相对位置等的快速实时测量，以及高质量的束斑截面的保存与显示，本发明提供一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统与方法，可实现加速器内部束团的成像、采集、保存、读取、处理与显示等功能，并获得对应的位置信息，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：

一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统，其特征在于，包括荧光靶、观察窗、传动系统、光栅尺及其电子学处理模块、相机、交换机及上位机；

其中，传动系统包括传动杆、传动机构、伺服电机、伺服电机驱动及运动控制器；通过传动系统驱动荧光靶、相机进行直线运动；荧光靶和相机安装在传动杆的前端，传动杆后端与传动机构连接，通过后端的伺服电机驱动传动杆运动；

通过网线将相机和交换机连接起来，再使用网线依次连接交换机与上位机；采用光栅尺获取荧光靶的实时位置信息，再使用光栅尺电子学模块将光栅尺的信号转换为可供上位机直接获取的信号，最后送到上位机进行处理。

所述的相机为千兆以太网接口的CCD相机；所述的交换机采用带有POE供电功能的千兆以太网交换机；相机的外形尺寸为29mm×29mm，相机通过网线POE供电。

所述的传动杆中心是空心的；观察窗开设在传动杆前端；传动杆中心为大气环境，相机置于传动杆内部，通过支架进行固定；所述荧光靶固定在传动杆的最前端，荧光靶与相机视线的夹角为45°。

所述传动机构包括直线导轨、法兰、波纹管与插板阀；所述传动杆后端通过伺服电机驱动运动；所述的法兰用于连接加速器主机与传动杆外部的套筒，将传动系统与加速器主机相连；传动系统安装在高度可调的水平工作台上；所述的插板阀用于在非测量阶段将加速器主机与外部隔绝开来；所述的波纹管用于在测量阶段保证加速器主机的真空环境。

所述的伺服电机用于为传动系统的运动提供驱动力，伺服电机由伺服电机驱动及运动控制器控制；所述的光栅尺用于将传动杆的位置信息转化为电信号，其测量精度达到10微米；所述的光栅尺电子学模块可将光栅尺输出的信号转换为可供上位机直接获取的信号，进而通过上位机的以太网接口及LabVIEW程序转换为位置信息。

一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量方法，该方法测量的流程为：

在束流截面测量阶段，首先判断子系统真空是否满足要求，在真空满足要求的前提下打开插板阀，通过伺服电机将荧光靶驱动至某一位置，并通过光栅尺及光栅尺电子学模块获得荧光靶当前所处的位置；

在软件上建立与相机的连接，对相机进行初始化，对荧光靶上的亮斑进行图像采集及处理操作，以得到对应位置处的束流截面信息；

最后移动荧光靶的位置，重新进行上述操作；

在停止测量阶段，使用伺服电机将荧光靶撤出主机，然后关闭插板阀，结束测量。

所述的图像采集及处理程序是由LabVIEW编写的，其包括图像采集、保存、读取、处理、显示功能；其中，图像处理流程为：首先将图像转换为二维数组，然后利用矩阵运算将二维数组分别沿水平和竖直两个方向积分转化为一维数组，再分别对两个方向上的一维数组进行高斯拟合，最后得到束斑的截面尺寸和相对位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可实现加速器主机谷区不同半径处束流截面参数的连续测量，信号传输带宽高，传输距离达到100m，且可实现束流截面尺寸和相对位置等的同时实时测量。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为荧光靶与CCD相机及传动杆结构简图；

图2为束流截面测量传动系统布局简图；

图3为束流截面测量系统电子学硬件布局；

图4为束流截面测量系统的程序流程图；

图5为束流截面测量系统的连接示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。

一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统与方法，包括束流截面检测方案设计、束流截面检测系统布局设计、传动系统设计、支撑系统设计、图像获取硬件选型、图像采集与数据处理软件设计、荧光靶位置测量等。

实施步骤包括：准备阶段、测量阶段与停机阶段。

准备阶段的操作为：在加速器主机试运行的情况下，确保各处硬件连接正常，安全联锁无警报的情况下，打开插板阀，在伺服电机作用下将荧光靶等送入到指定位置，并通过光栅尺等获得该点的具体位置坐标。

测量阶段的操作为：在加速器主机出束前或出束时，在上位机界面进行相机连接、初始化、开始图像采集等操作，从而获得实时的束斑图像信息等；然后通过伺服电机移动荧光靶至其它测量位置，再次进行上述操作，直至测量结束。

测量停机阶段的操作为：移动荧光靶至加速器主机外部，然后关闭插板阀，再执行断开相机连接等操作。

下面对附图进行详细说明。

一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量系统，参见附图5，包括荧光靶、观察窗、传动系统、光栅尺、光栅尺电子学处理模块、相机、交换机及上位机；

所述的相机为千兆以太网接口的CCD相机，其具有高分辨率、高精度、高清晰度、低噪声等特点，其信号传输距离达到100米，满足远程监控的要求；相机可通过网线POE供电，本发明采用带有POE供电功能的千兆以太网交换机对其进行供电；相机的外形尺寸仅为29mm×29mm，满足紧凑型回旋加速器的空间要求；

其中，观察窗用于隔绝加速器内部的真空环境；交换机一方面用于提供网络中继和扩展网络接口，便于实现多相机的同时工作，另一方面可利用交换机的POE供电功能为相机供电；光栅尺和数据采集模块用于测量荧光靶的实时位置；

传动系统包括传动杆、传动机构、伺服电机、伺服电机驱动及运动控制器；传动机构包括直线导轨、法兰、波纹管与插板阀；

其中，用于束流截面测量的荧光靶和CCD相机安装在传动杆的前端，传动机构由后端的伺服电机进行驱动；通过法兰将整套传动系统与加速器主机相连，波纹管与插板阀分别在测量过程中与停机状态下保证加速器主机的真空；传动系统安装在高度可调的水平工作台上；

所述的传动杆中心是空心的，便于布置相机及信号线引出；观察窗是开设在传动杆前端的，便于相机拍摄荧光靶上的亮斑；加速器内部为真空环境，而传动杆中心为大气环境，观察窗也起到了隔绝真空的作用；另外将相机置于传动杆内部，一定程度上可以为CCD相机提供电磁屏蔽和保护作用。

参见附图1，其为荧光靶与CCD相机及传动杆结构简图；通过夹具将荧光靶固定在传动杆的最前端，荧光靶与相机视线的夹角为45°；通过支架将相机固定在传动杆的内部，保证CCD相机的缩放比始终保持不变；传动杆的内部为大气环境，采用观察窗来隔绝真空。

所述的法兰用于连接加速器主机与传动杆外部的套筒，用于连接束流截面测量系统和加速器主机。

所述的插板阀用于在非测量阶段将加速器主机与外部隔绝开来，保证加速器的真空；而在测量阶段打开插板阀，从而将探头深入加速器主机内部。

所述的波纹管用于在测量阶段保证加速器主机的真空环境，可以在传动杆运动时维持主机真空。

所述的伺服电机用于为传动系统的运动提供驱动力，伺服电机由伺服电机驱动及运动控制器控制。

所述的光栅尺为海德汉绝对式光栅尺，用于测量荧光靶的位置，其测量精度达到10微米。

所述的光栅尺电子学模块为海德汉EIB741外部连接盒，可将绝对式光栅尺编码器输出的基于EnDat协议的绝对位置信息转换为可供上位机直接获取的位置信号，由上位机中运行的LabVIEW程序进行获取。

如附图3所示，通过网线将千兆以太网相机和带POE供电功能的千兆以太网交换机连接起来，使用交换机电源给交换机供电，再使用网线连接交换机与上位机(电脑)；采用光栅尺获取荧光靶的实时位置信息，再使用光栅尺电子学模块进行信号转换，再送到上位机进行处理；采用伺服电机实现荧光靶的连续运动，并采用伺服电机驱动及运动控制器实现对伺服电机的运动控制。

上述测量系统原理为：通过传动杆将荧光靶、观察窗、CCD相机等与传动系统连接，实现加速器谷区不同半径处束流截面的测量；通过网线将CCD相机与带POE供电的千兆以太网相机和电脑连接起来，实现相机的供电和高质量图像信号的传输；通过光栅尺获取荧光靶的实时位置信息，通过光栅尺电子学模块将光栅尺的位置信息传输到上位机中，从而获得加速器不同半径处对应的束团的截面尺寸和相对位置；CCD相机与荧光靶的相对位置保持固定，便于对相机的缩放比的标定；相机置于隔绝真空的容器内部，通过透明观察窗拍摄荧光靶上的亮斑，而容器内部为大气环境，从而防止了真空对相机的影响及相机对加速器真空的影响，同时可对相机起到一定的保护作用，延长了相机的使用寿命；采用传动系统改变荧光靶的位置，从而实现了加速器不同半径处束团截面尺寸和相对位置的测量；采用光栅尺和光栅尺电子学模块实现荧光靶实时位置的测量，从而得到束团截面参数对应的位置信息，进而为加速器的调试提供必要的调束信息。

一种基于LabVIEW的加速器束流截面测量方法，如附图4，束流截面测量的流程是：在束流截面测量阶段，首先判断子系统真空是否满足要求，在真空满足要求的前提下打开插板阀，通过伺服电机将荧光靶驱动至某一位置，并通过光栅尺及其电子学模块获得荧光靶当前所处的位置；在软件上建立与相机的连接，对相机进行初始化，对荧光靶上的亮斑进行图像采集，再在软件上进行保存、读取、处理、显示等操作；最后移动荧光靶的位置，重新进行上述操作。在停止测量阶段，使用伺服电机将荧光靶撤出主机，然后关闭插板阀，结束测量。

所述的图像采集及处理程序是由LabVIEW编写的，其主要包括图像采集、保存、读取、处理、显示等功能。图像处理流程为：首先将图像转换为二维数组，然后利用矩阵运算将二维数组分别沿水平和竖直两个方向积分转化为一维数组，再分别对两个方向上的一维数组进行高斯拟合，最后得到束斑的截面尺寸和相对位置。

数据处理算法原理为：加速器束流横向截面的粒子分布满足二维高斯分布，同样也认为在荧光靶上的束斑的光强也满足二维高斯分布；故将CCD相机采集到的图像转化为二维数组，然后进行高斯拟合即可得到束团的截面尺寸、相对位置及背景噪声等；为了减少计算量，减轻程序的数据处理负担，在数据处理模块中首先对图像对应的二维数组沿水平和竖直两个方向进行积分，将二维束流截面分布投影到一维，再进行拟合。

上述方案可实现高带宽的数据传输，且信号传输距离达到100米，以实现远程的束流截面检测，减少辐射伤害，保证人身安全，且可实现加速器主机谷区不同半径处的连续束流截面参数测量和实时处理、保存和显示。

上述方法采用LabVIEW程序，实现千兆以太网相机的图像信息的快速读取、保存、读取与显示；采用了高斯拟合算法来实现束团截面的尺寸和相对位置的计算，并采用了矩阵计算，将二维高斯拟合简化为一维高斯拟合，从而大大简化了计算量，提高了计算效率。

本发明通过采用荧光靶阻挡束流形成束斑，通过CCD相机将图像信号转化为电信号，然后在上位机中采用LabVIEW程序对图像信息进行后处理，以得到加速器束团的截面尺寸、相对位置等信息，并实现束流截面信息的实时显示、存储等功能；本发明具有信号带宽高、实时性好、稳定性高，束流的截面尺寸和位置的测量精度达到0.1毫米左右，图像传输距离达到100m。

以上表明了本发明的结构组成、基本原理、功能特征及其优势，本发明是根据回旋加速器主机束流截面参数测量提出的，但其具有一定的扩展性，同样可以应用于输运线等其它相似的领域的束流截面参数测量。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。