用于微型x射線源的通過固件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)的燈絲控制的制作方法
【專利說明】用于微型X射線源的通過固件實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)的燈絲控制
背景
[0001]微型X射線管已被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備，以進(jìn)行非破壞性分析、材料表征、成像和醫(yī)療應(yīng)用。所得系統(tǒng)的儀表便攜性和現(xiàn)場使用性質(zhì)要求它們能夠在一定操作參數(shù)范圍內(nèi)迅速和一致地做出測量。這種類型的操作的關(guān)鍵方面之一在于X射線管盡快開始生成穩(wěn)定的輸出管電流的能力。
[0002]迄今為止，微型X射線管主要利用模擬電路來控制X射線管的燈絲。控制系統(tǒng)的基本問題在于，傳遞函數(shù)增益隨所請(qǐng)求的管電流的增加而急劇增加。最高開環(huán)增益發(fā)生在X射線管的最大容許操作管電流處。如要使用模擬控制電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的操作，需要設(shè)定總增益以確保在該最大增益處的穩(wěn)定性。對(duì)最大電流增益的最優(yōu)化可在以最大管電流運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的接通和穩(wěn)定時(shí)間，且盡量最小化管電流的超射(overshoot)。
[0003]模擬電路實(shí)現(xiàn)方式的問題在于，當(dāng)請(qǐng)求較低管電流時(shí)，增益比最大電流操作時(shí)的增益低得多，這引起過長的接通和穩(wěn)定時(shí)間。接通和穩(wěn)定時(shí)間的這些增加可導(dǎo)致不正確的測量或者增加獲得正確結(jié)果的測定時(shí)間。
概述
[0004]X射線束控制系統(tǒng)包括具有調(diào)制電路的反饋控制環(huán)路電路。該反饋控制環(huán)路電路生成控制信號(hào)。X射線管有由管電流與燈絲溫度構(gòu)成的非線性的燈絲響應(yīng)曲線。補(bǔ)償電路接收該控制信號(hào)并根據(jù)與該燈絲響應(yīng)曲線相匹配的補(bǔ)償函數(shù)修改該控制信號(hào)。調(diào)制電路接收該經(jīng)修改的控制信號(hào)并生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。X射線管在其燈絲處接收該驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并輸出具有對(duì)該控制信號(hào)的線性響應(yīng)的管電流信號(hào)。該反饋控制環(huán)路電路接收該管電流信號(hào)。
附圖簡要描述
[0005]圖1是現(xiàn)有技術(shù)微型X射線管中管電流控制的基本示意圖。
[0006]圖2是圖1中X射線管控制系統(tǒng)的管電流與原始PWM占空比的曲線圖。
[0007]圖3是由驅(qū)動(dòng)PWM電流與原始PWM占空比構(gòu)成的曲線圖。
[0008]圖4是用來顯示用于控制微型X射線管的反傳遞函數(shù)補(bǔ)償?shù)幕臼疽鈭D。
[0009]圖5A-C是制造、操作和維護(hù)燈絲控制系統(tǒng)的基本框圖。
詳細(xì)描述
[0010]圖1是與現(xiàn)有技術(shù)微型X射線管中管電流控制相對(duì)應(yīng)的功能框圖?？刂齐娐?向脈寬調(diào)制(PWM)電路4提供輸出。PWM電路4為X射線管6生成燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。X射線管6的輸出是對(duì)控制電路2的輸入。
[0011]圖2是現(xiàn)有技術(shù)X射線管控制系統(tǒng)的由管電流與原始PWM電壓構(gòu)成的曲線圖。這是X射線管的占空比與輸出的典型曲線圖。管電流是占空比的非線性函數(shù)。由于是非線性關(guān)系，大多數(shù)PWM占空比都不生成任何電流。當(dāng)非線性響應(yīng)被引入到控制電路中，反饋環(huán)路的穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，例如上升時(shí)間更長、超射較大、以及穩(wěn)定時(shí)間更長。這些問題導(dǎo)致X射線管的接通時(shí)間較慢。
[0012]圖3是由驅(qū)動(dòng)PWM與原始PWM電壓構(gòu)成的曲線圖。這是X射線管控制系統(tǒng)的占空比與輸出的線性化。在將要進(jìn)一步描述的本發(fā)明的實(shí)施例中，管電流的線性部分被作為輸入提供給控制電路。這可以通過縮短時(shí)間、最小化超射并縮短穩(wěn)定時(shí)間來提高反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。
[0013]在固件受控系統(tǒng)中處理功率可供使用的情況下，可生成補(bǔ)償函數(shù)，該補(bǔ)償函數(shù)將會(huì)把X射線束的管電流的響應(yīng)線性化成燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0014]由于每一 X射線管具有獨(dú)特的燈絲響應(yīng)曲線，因此要生成準(zhǔn)確補(bǔ)償函數(shù)(例如反傳遞函數(shù))的最好方法是測量管電流就位時(shí)的響應(yīng)并為每一裝置生成獨(dú)特曲線。
[0015]燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)是調(diào)制信號(hào)，例如脈寬調(diào)制方波(PWM)，該信號(hào)被施加在燈絲上、對(duì)驅(qū)動(dòng)脈寬調(diào)制進(jìn)行平均以產(chǎn)生燈絲加熱功率。由于是非線性關(guān)系，大多數(shù)PWM占空比都不生成任何電流。理想地，人們希望PWM占空比與管電流之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。對(duì)于預(yù)定PWM電壓，這可以通過在調(diào)制信號(hào)的每一步驟測量管電流的響應(yīng)來完成。反傳遞函數(shù)被生成并存儲(chǔ)?？商娲兀磦鬟f函數(shù)的值可被存儲(chǔ)為查找表。查找表的值被施加到控制信號(hào)并成為燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)被施加時(shí)，X射線管的管電流的響應(yīng)現(xiàn)在是線性響應(yīng)。可為多個(gè)PWM電壓生成查找表。
[0016]該測量可在制造X射線管時(shí)或使用后予以執(zhí)行并且被存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)的裝置上。在操作期間，固件使用該線性化表在接通和穩(wěn)定時(shí)間恒定的情況下控制管電流環(huán)路，而無論所請(qǐng)求的電流如何。
[0017]此外，可周期性地重新運(yùn)行該測量來解釋X射線管的燈絲響應(yīng)曲線的變化。隨時(shí)間推移比較查找表可為X射線管燈絲的相對(duì)健康給出指示并用于預(yù)測性維護(hù)。
[0018]每一 X射線管具有由管電流與燈絲溫度構(gòu)成的獨(dú)特的非線性的燈絲響應(yīng)曲線。管電流是陰極和陽極之間的電子流。管電流以毫安為單位進(jìn)行測量，并通過調(diào)節(jié)施加在陰極的低壓、加熱電流進(jìn)行控制。燈絲的溫度越高，離開陰極并行進(jìn)到陽極的電子數(shù)目越大?？刂破鞯暮涟不螂娏髟O(shè)置調(diào)節(jié)燈絲溫度，該燈絲溫度與X射線輸出的強(qiáng)度有關(guān)。不同燈絲電流時(shí)的管電流(如PWM占空比所測量的)被適當(dāng)?shù)販y量，并且為每一裝置生成獨(dú)特的曲線或傳遞函數(shù)。匹配該獨(dú)特?zé)艚z響應(yīng)曲線的補(bǔ)償傳遞函數(shù)(例如反傳遞函數(shù))被生成。該函數(shù)用于改變燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣使得所得到的X射線管電流是對(duì)控制信號(hào)的線性響應(yīng)。
[0019]圖4示出了用來顯示用于控制微型X射線管的反傳遞函數(shù)補(bǔ)償?shù)腦射線系統(tǒng)10的基本示意圖?？刂品答侂娐?2接收所期望的設(shè)置并生成控制信號(hào)。補(bǔ)償電路14接收該控制信號(hào)和模式設(shè)置并輸出指示輸入信號(hào)的經(jīng)修改的控制信號(hào)。調(diào)制電路16(例如脈寬調(diào)制(PWM)電路或模擬控制信號(hào))接收該經(jīng)修改的控制信號(hào)并將其作為燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到X射線管18上。反饋電阻器28位于X射線管18的輸出和放大器20的負(fù)輸入之間。
[0020]控制反饋電路是閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)適當(dāng)?shù)姆答伩刂齐娐?2是比例積分微分(PID)控制器。PID控制器12計(jì)算“誤差”值，作為所測量的過程變量和所期望的設(shè)定點(diǎn)之間的差異?？刂破?2通過調(diào)節(jié)過程控制輸入來試圖最小化誤差。
[0021]PID控制器計(jì)算涉及三個(gè)獨(dú)立的恒定參數(shù)，并且相應(yīng)地有時(shí)被稱為三項(xiàng)控制:比例、積分和微分值，用P、1、D表示。啟發(fā)性地，這些值可在時(shí)間上進(jìn)行解釋:P取決于當(dāng)前誤差，I取決于過去誤差的累積，以及D是對(duì)將來誤差的預(yù)測，基于電流變化率。這三個(gè)動(dòng)作的加權(quán)和用于經(jīng)由控制元件(例如提供給X射線管18的功率)來調(diào)整該過程。
[0022]當(dāng)反饋控制電路12是PID控制器時(shí)，它包括具有正輸入和負(fù)輸入的放大器20。正輸入接收所期望的設(shè)置。串聯(lián)連接的電容器24和電阻器26位于放大器20的負(fù)輸入和輸出之間。放大器20的輸出向反傳遞函數(shù)表14提供控制信號(hào)。在反饋控制電路12內(nèi)，調(diào)制電路從補(bǔ)償電路14接收經(jīng)修改的控制信號(hào)并將其施加到X射線管18上。此外，控制器22與放大器20、補(bǔ)償電路14、調(diào)制電路16、和X射線管18進(jìn)行雙向通信。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，補(bǔ)償電路14可以是反傳遞函數(shù)表，例如具有補(bǔ)償函數(shù)的存儲(chǔ)值的存儲(chǔ)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，補(bǔ)償電路14包括用于存儲(chǔ)補(bǔ)償函數(shù)(例如反傳遞函數(shù))的控制器。該控制信號(hào)然后被反傳遞函數(shù)動(dòng)態(tài)地(例如實(shí)時(shí)地)修改。
[0024]在另一個(gè)實(shí)施例中，可根據(jù)操作條件選擇多個(gè)反傳遞函數(shù)和一個(gè)模式設(shè)置。這些操作條件可包括但不限于高電流燈絲、精度電流模式燈絲、燈絲健康、操作時(shí)間、濕度、環(huán)境溫度、及所期望的PWM電壓。
[0025]為了說明，高電流燈絲和精度電流模式燈絲的模式設(shè)置以允許將反傳遞函數(shù)表的特定部分用于對(duì)較小電流范圍的更高精度控制，或者相反地對(duì)較大電流范圍的較低精度控制?？梢栽O(shè)想大操作電流范圍具有高電流燈絲模式以及僅僅一部分操作范圍具有精度電流燈絲模式，但允許具有同樣數(shù)量表?xiàng)l目的更高精度的初始化。
[0026]圖5A-C是與制造、操作和維護(hù)燈絲控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的過程流程圖。
[0027]圖5A是與制造燈絲控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的過程流程圖110。在步驟112中，管和控制電路進(jìn)行配合。在步驟114中，通過創(chuàng)建脈寬調(diào)制(PMW)信號(hào)與電流的曲線來運(yùn)行燈絲校準(zhǔn)。為了說明，這可以通過在經(jīng)調(diào)制信號(hào)的每一步驟測量管電流的響應(yīng)來完成。在步驟116中，與燈絲校準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償函數(shù)被確定。補(bǔ)償函數(shù)被作為PWM與電流的表存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中。當(dāng)補(bǔ)償函數(shù)被施加到控制信號(hào)上時(shí)，X射線管的輸出將具有線性響應(yīng)。
[0028]在操作期間，X射線管輸出是非線性響應(yīng)，因?yàn)閺臒犭x子發(fā)射器所發(fā)射的電流是溫度的指數(shù)函數(shù)。溫度與燈絲驅(qū)動(dòng)功率的四次方成比例。補(bǔ)償這一類型的快速變化函數(shù)在模擬域非常困難。理想地，可在X射線管的整個(gè)操作范圍內(nèi)建立管電流與燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的線性響應(yīng)。這將允許在管電流的整個(gè)操作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)具有最小超射的類似接通和穩(wěn)定時(shí)間。
[0029]在操作期間，如圖6B中將要描述的，控制信號(hào)被補(bǔ)償傳遞函數(shù)裝置故意失真，這樣使得在其再次被X射線管失真之后，PID控制器的輸入將會(huì)是線性信號(hào)。
[0030]圖5B是與操作燈絲控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的過程流程圖120。在步驟122中，操作電流被請(qǐng)求。在步驟124中，在PWM信號(hào)與電流的表中查找電流以找出相對(duì)應(yīng)的PWM值。在步驟126中，相對(duì)應(yīng)的PWM值作為最佳接通值被施加。在步驟128中，反饋環(huán)路保持與PWM值相對(duì)應(yīng)的電流。
[0031]圖5C是與維護(hù)或監(jiān)控期間燈絲控制系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的過程流程圖130。在步驟132中，在所期望的進(jìn)度運(yùn)行燈絲校準(zhǔn)過程。