用于微型X射线源的通过固件实现动态可调节的灯丝控制制造技术

一种X射线束控制系统包括具有调制电路(16)的反馈控制环路电路(12)。该反馈控制环路电路生成控制信号。X射线管(18)具有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线。补偿电路(14)接收该控制信号并根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号。该调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号。该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号。该反馈控制环路电路接收该管电流信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景微型X射线管已被广泛应用于便携式设备，以进行非破坏性分析、材料表征、成像和医疗应用。所得系统的仪表便携性和现场使用性质要求它们能够在一定操作参数范围内迅速和一致地做出测量。这种类型的操作的关键方面之一在于X射线管尽快开始生成稳定的输出管电流的能力。迄今为止，微型X射线管主要利用模拟电路来控制X射线管的灯丝。控制系统的基本问题在于，传递函数增益随所请求的管电流的增加而急剧增加。最高开环增益发生在X射线管的最大容许操作管电流处。如要使用模拟控制电路实现稳定的操作，需要设定总增益以确保在该最大增益处的稳定性。对最大电流增益的最优化可在以最大管电流运行时实现快速的接通和稳定时间，且尽量最小化管电流的超射(overshoot)。模拟电路实现方式的问题在于，当请求较低管电流时，增益比最大电流操作时的增益低得多，这引起过长的接通和稳定时间。接通和稳定时间的这些增加可导致不正确的测量或者增加获得正确结果的测定时间。概述X射线束控制系统包括具有调制电路的反馈控制环路电路。该反馈控制环路电路生成控制信号。X射线管有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线。补偿电路接收该控制信号并根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号。调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号。X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号。该反馈控制环路电路接收该管电流信号。附图简要描述图1是现有技术微型X射线管中管电流控制的基本示意图。图2是图1中X射线管控制系统的管电流与原始PWM占空比的曲线图。图3是由驱动PWM电流与原始PWM占空比构成的曲线图。图4是用来显示用于控制微型X射线管的反传递函数补偿的基本示意图。图5A-C是制造、操作和维护灯丝控制系统的基本框图。详细描述图1是与现有技术微型X射线管中管电流控制相对应的功能框图。控制电路2向脉宽调制(PWM)电路4提供输出。PWM电路4为X射线管6生成灯丝驱动信号。X射线管6的输出是对控制电路2的输入。图2是现有技术X射线管控制系统的由管电流与原始PWM电压构成的曲线图。这是X射线管的占空比与输出的典型曲线图。管电流是占空比的非线性函数。由于是非线性关系，大多数PWM占空比都不生成任何电流。当非线性响应被引入到控制电路中，反馈环路的稳定性出现问题，例如上升时间更长、超射较大、以及稳定时间更长。这些问题导致X射线管的接通时间较慢。图3是由驱动PWM与原始PWM电压构成的曲线图。这是X射线管控制系统的占空比与输出的线性化。在将要进一步描述的本专利技术的实施例中，管电流的线性部分被作为输入提供给控制电路。这可以通过缩短时间、最小化超射并缩短稳定时间来提高反馈环路的稳定性。在固件受控系统中处理功率可供使用的情况下，可生成补偿函数，该补偿函数将会把X射线束的管电流的响应线性化成灯丝驱动信号。由于每一X射线管具有独特的灯丝响应曲线，因此要生成准确补偿函数(例如反传递函数)的最好方法是测量管电流就位时的响应并为每一装置生成独特曲线。灯丝驱动信号是调制信号，例如脉宽调制方波(PWM)，该信号被施加在灯丝上、对驱动脉宽调制进行平均以产生灯丝加热功率。由于是非线性关系，大多数PWM占空比都不生成任何电流。理想地，人们希望PWM占空比与管电流之间呈现线性关系。对于预定PWM电压，这可以通过在调制信号的每一步骤测量管电流的响应来完成。反传递函数被生成并存储。可替代地，反传递函数的值可被存储为查找表。查找表的值被施加到控制信号并成为灯丝驱动信号。当灯丝驱动信号被施加时，X射线管的管电流的响应现在是线性响应。可为多个PWM电压生成查找表。该测量可在制造X射线管时或使用后予以执行并且被存储在非易失性存储器内的装置上。在操作期间，固件使用该线性化表在接通和稳定时间恒定的情况下控制管电流环路，而无论所请求的电流如何。此外，可周期性地重新运行该测量来解释X射线管的灯丝响应曲线的变化。随时间推移比较查找表可为X射线管灯丝的相对健康给出指示并用于预测性维护。每一X射线管具有由管电流与灯丝温度构成的独特的非线性的灯丝响应曲线。管电流是阴极和阳极之间的电子流。管电流以毫安为单位进行测量，并通过调节施加在阴极的低压、加热电流进行控制。灯丝的温度越高，离开阴极并行进到阳极的电子数目越大。控制器的毫安或电流设置调节灯丝温度，该灯丝温度与X射线输出的强度有关。不同灯丝电流时的管电流(如PWM占空比所测量的)被适当地测量，并且为每一装置生成独特的曲线或传递函数。匹配该独特灯丝响应曲线的补偿传递函数(例如反传递函数)被生成。该函数用于改变灯丝驱动信号，这样使得所得到的X射线管电流是对控制信号的线性响应。图4示出了用来显示用于控制微型X射线管的反传递函数补偿的X射线系统10的基本示意图。控制反馈电路12接收所期望的设置并生成控制信号。补偿电路14接收该控制信号和模式设置并输出指示输入信号的经修改的控制信号。调制电路16(例如脉宽调制(PWM)电路或模拟控制信号)接收该经修改的控制信号并将其作为灯丝驱动信号施加到X射线管18上。反馈电阻器28位于X射线管18的输出和放大器20的负输入之间。控制反馈电路是闭环控制系统。一个适当的反馈控制电路12是比例积分微分(PID)控制器。PID控制器12计算“误差”值，作为所测量的过程变量和所期望的设定点之间的差异。控制器12通过调节过程控制输入来试图最小化误差。PID控制器计算涉及三个独立的恒定参数，并且相应地有时被称为三项控制：比例、积分和微分值，用p、I、D表示。启发性地，这些值可在时间上进行解释：P取决于当前误差，I取决于过去误差的累积，以及D是对将来误差的预测，基于电流变化率。这三个动作的加权和用于经由控制元件(例如提供给X射线管18的功率)来调整该过程。当反馈控制电路12是PID控制器时，它包括具有正输入和负输入的放大器20。正输入接收所期望的设置。串联连接的电容器24和电阻器26位于放大器20的负输入和输出之间。放大器20的输出向反传递函数表14提供控制信号。在反馈控制电路12内，调制电路从补偿电路14接收经修改的控制信号并将其施加到X射线管18上。此外，控制器22与放大器20、补偿电路14、调制电路16、和X射线管18进行双向通信。在一个实施例中，补偿电路14可以是反传递函数表，例如具有补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种X射线束控制系统，包括：反馈控制环路电路，该反馈控制环路电路包括调制电路、生成控制信号；X射线管，该X射线管具有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响应曲线；以及补偿电路，该补偿电路接收该控制信号、根据与该灯丝响应曲线相匹配的补偿函数修改该控制信号；其中：该调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号；该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号的线性响应的管电流信号；以及该反馈控制环路电路接收该管电流信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.11.21 US 13/683,3761.一种X射线束控制系统，包括：
反馈控制环路电路，该反馈控制环路电路包括调制电路、生成控制信
号；
X射线管，该X射线管具有由管电流与灯丝温度构成的非线性的灯丝响
应曲线；以及
补偿电路，该补偿电路接收该控制信号、根据与该灯丝响应曲线相匹配
的补偿函数修改该控制信号；
其中：
该调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号；
该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制信号
的线性响应的管电流信号；以及
该反馈控制环路电路接收该管电流信号。
2.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中该反馈控制环路电
路是PID控制环路电路。
3.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中该调制电路是脉宽
调制电路。
4.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中该补偿函数是与该
灯丝响应曲线相匹配的反传递函数。
5.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，其中：
该补偿电路包括控制器，该控制器测量该X射线管的该灯丝响应曲线并
推导出该补偿函数；以及
该控制器根据该补偿函数生成该经修改的控制信号。
6.如权利要求5中所述的X射线束控制系统，该控制器包括在查找表
中存储该补偿函数的多个值的存储器。
7.如权利要求1中所述的X射线束控制系统，进一步包括选自群组的
模式设置，该群组包括高电流灯丝和精度电流模式灯丝。
8.如权利要求5中所述的X射线束控制系统，其中：
该控制器在不同的时间获取该X射线管的第一和第二灯丝响应曲线；
该控制器进一步包括比较器，该比较器接收和比较该第一灯丝响应曲线
和该第二灯丝响应曲线，并生成灯丝健康指标。
9.如权利要求8中所述的X射线束控制系统，其中：
该调制电路向该X射线管施加一系列占空比信号；以及
该控制器存储该第一和该第二灯丝响应曲线。
10.如权利要求8中所述的X射线束控制系统，其中该控制器获取该X
射线管的第一和第二灯丝响应曲线是由用户启动的。
11.如权利要求8中所述的X射线束控制系统，其中该控制器获取第一
和第二电流灯丝响应曲线以预定的操作间隔发生。
12.一种用于分析样品的组成的便携式光谱仪，该便携式光谱仪包括：
手持式壳体，该手持式壳体罩住，
电路，该电路包括：
反馈控制环路电路，该反馈控制环路电路包括调制电路、生成
控制信号，
X射线管，该X射线管具有由管电流和灯丝温度构成的非线性的灯
丝响应曲线，产生穿透性辐照束来照亮该样品的至少一部分上的点，由此从
该样品产生响应信号，以及
补偿电路，该补偿电路接收该控制信号、根据与该灯丝响应曲线相
匹配的补偿函数修改该控制信号，
其中：
该调制电路接收该经修改的控制信号并生成驱动信号，
该X射线管在其灯丝处接收该驱动信号，并输出具有对该控制
信号的线性响应的管电流信号；以及
该反馈控制环路电路接收该管电流信号；
探测器，该探测器用于接收该响应信号并产生输出信号；以及
光谱分析仪，该光谱分析仪接收和分析该输出信号。
13.如权利要求12所述的便携式光谱仪，进一步包括选自群组的模式设
置，该群组包括高电流灯丝和精度电流模式灯丝等。
14.如权利要求12中所述的便携式光谱仪，其中该补偿函数是与该非线
性响应相匹配的反传递函数。
15.如权利要求12...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·J·卡鲁索，M·T·丁斯莫尔，
申请(专利权)人：赛默科技便携式分析仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US