专利名称：一种x射线衍射数据采集系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光学测量仪器，具体地说，是涉及一种x射线衍射数据采集系统。 背承技术X射线衍射仪是材料研究与开发中重要的大型测试分析仪器，公知的APD—IO 型X射线衍射仪是荷兰Philips公司七十年代末期的产品，它包括高压发生器、水平 测角仪、探测器、定标器、交流马达、离合器及织构测角台等器件。水平测角仪由 交流马达驱动，只能连续扫描，虽然可通过离合器来使e轴与2e轴实现自动转动或 手动控制转动，但这种测量方式仍不能满足现代结构分析的需要。织构测角台x轴 与4)轴的转动由一个交流马达同时驱动，极图数据的采集只能用巻线式收集方式， 不能适应目前的织构软件系统的需要。整个X射线衍射仪没有联机自动化控制系统， 不能进行联机自动化测试，这已不能满足现今工程微机化自动控制的要求。实用新掣内存本实用新型的目的在于提供一种采用步进电机、可由计算机进行实时控制的X 射线衍射数据采集系统，该系统可用于常规X射线衍射联机检测与分析，该系统设 备精密、可控性高、分析效率高。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种X射线衍射数据采集系统，其特征在于它包括计算机、控制电路、测角 仪、探测器、定标器、信号处理系统及X射线窗，其中所述计算机、信号处理系统、X射线窗、测角仪与所述控制电路相连所述探测器置于所述测角仪上，其与所述信号处理系统相连；所述定标器置于所述测角仪 上，其与所述控制电路相连。所述测角仪包括测角台、驱动箱、两台分别驱动e轴与2e轴转动的步进电机和离合器，测角台包括转盘，转盘安装在驱动箱上，两台分别驱动fl轴与2 6轴转动的 步进电机和一台离合器安装在驱动箱内，该两台步进电机的输入端与所述控制电路 相连，该两台步进电机的输出端与转盘相连，离合器用于控制步进电机与转盘的合 闭与分离。所述控制电路包括单片机、用于记录X射线光子数的计数器，单片机的复位端 与一复位按钮相连，单片机的串行输入、输出口分别经三极管与所述计算机的串行输入、输出口相连，单片机的一i/o口分两路，一路与所述两台分别驱动e轴与2e轴转动的步进电机相连，另一路经计数器与所述探测器相连，单片机的另一 I/O 口与 所述定标器的输出端相连，单片机的一外部中断端经继电器与所述x射线窗相连。在具体实施中，所述测角台还包括欧拉环，欧拉环安装在转盘上，在欧拉环上安装两台分别驱动x轴与d)轴转动的步进电机，该两台步进电机的输出端与欧拉环 相连，该两台步进电机的输入端与所述控制电路相连。故所述控制电路包括单片机、 用于记录x射线光子数的计数器，单片机的复位端与一复位按钮相连，单片机的串行输入、输出口分别经三极管与所述计算机的串行输入、输出口相连，单片机的一1/o口分两路， 一路与所述分别驱动e轴与2 0轴、x轴与d)轴转动的四台步进电机 相连，另一路经计数器与所述探测器相连，单片机的另一i/o口与所述定标器的输出 端相连，单片机的一外部中断端经继电器与所述x射线窗相连。使用时，操作人员在计算机上输入相关参数后，控制电路便接收所设定的参数，定标器检测确定测角仪当前位置角度，同时，控制电路令x射线窗打开，控制各步 进电机转动，并使计数器记录探测器检测到的x射线光子数，从而计算出x射线强度，将衍射强度数据回送给计算机。本实用新型的优点是1、 本实用新型采用高精度的歩进电机，可控性好、定位糖度高。2、 本实用新型织构测角台采用两台步进电机来分别控制x轴与cj)轴的转动，实现了极图数据同心圆的收集方式，分析效率高。3、 本实用新型具有常规X射线衍射检测与分析功能，由于增加了控制电路，从 而使系统实现了由计算机实时控制的微机化测试，提高了工作效率及质量。
图1是本实用新型的组成示意图图2是本实用新型测角仪的结构示意图图3是本实用新型步进电机的接线示意图；图4是本实用新型控制电路的电路原理图。具&《M力《如图l所示，本实用新型X射线衍射数据采集系统包括计算机1、控制电路2、 测角仪3、探测器4、定标器5、信号处理系统6及X射线窗7。探测器4和定标器 5放置于测角仪3上，计算机l、测角仪3、定标器5、信号处理系统6、 X射线窗7 与控制电路2相连，探测器4与信号处理系统6相连。如图2和图3所示，测角仪3包括测角台8、驱动箱9、分别驱动e轴与20轴 转动的步进电机IO、 11和离合器12，测角台8包括转盘13，转盘13安装在驱动箱 9上，驱动箱9内安装两台分别驱动8轴与2e轴转动的步进电机l0、 ll和一台离 合器12,两台步进电机IO、 11的输入端均与控制电路2相连，两台步进电机10、11的输出端与转盘13的e轴与2 e轴相连，离合器12用于控制驱动e轴与2 e轴转动的歩进电机IO、 11与转盘13的合闭与分离。此外，测角台8还包括欧拉环14,
欧拉环14安装在转盘13上，在欧拉环14上安装两台分别驱动x轴与<D轴转动的步 进电机15、 16，该两台步进电机15、 16的输出端与欧拉环14的x轴与4)轴相连， 该两台步进电机15、 16的输入端与控制电路2相连。如图4所示，控制电路2主要由单片机U1 (8951芯片)、计数器U4和U6、 继电器J构成，单片机Ul的复位端RST与供电端VCC分别与复位按钮K0的两端 相连，单片机U1的串行输入口 RXD经三极管Ql与计算机1的串行输入口相连， 串行输出口 TXD经三极管Q2与计算机1的串行输出口相连，驱动e轴与2 0轴转 动的步进电机IO、 11 (若安装欧拉环14，则为驱动e轴与2 0轴、x轴与(b轴转动 的步进电机IO、 11、 15、 16)经锁存器U3 (74LS273芯片)与单片机Ul的I/O 口 P0口相连，计数器U6 (74LS393芯片)的输出端(U6A的Q0 Q3及U6B的Q0 Q3)经缓冲器U5 (74LS244芯片)与单片机Ul的I/O 口 P0 口相连，并且计数器 U6的一输出端Q3与计数器U4的时钟输入端CLKO相连，而计数器U4(8254芯片) 的输出端D0 D7与单片机Ul的I/O 口 P0 口相连，计数器U6的时钟输入端CLK 与探测器4相连，单片机Ul的I/O 口 Pl 口与定标器5的输出端相连，单片机Ul 的外部中断端/INTO经继电器J与X射线窗7相连。计算机1中安装了控制该系统的应用软件，通过该软件，操作人员只需设置几 个测试参数便可以测得精确的X射线衍射数据。该软件系统可执行"停止"、"转 动"、"叠扫"、"强度"、"校读"、"歩进"和"率表"七种不同的操作命令 "停止"是要求测角仪3停止当前操作，并回送相对于复位位置的角度数；"转动" 是要求测角仪3按照指定速度、方向和轴联合方式转动过指定的角度范围停止，并 不断回送测角仪当前的角度数；"叠扫"是自当前角度开始，按照指定的扫描方式、 扫描速度、采样步宽、扫描角度范围和轴联合方式进行扫描，并将每歩测得的衍射 强度数据即时发送给计算机l:"强度"是按照指定的测量方式、重复测量次数测量 当前角度位置下的X射线强度，并将每次测得的衍射强度数据即时发送给计算机l; "校读"是根据定位信号确定测角仪3的角度；"步进"是按照指定的歩宽、方向 和轴联合方式从当前角度动作一步"率表"是以模拟计数率表的形式显示当前角 度位置下的射线强度。衍射数据采集的主要功能是在"叠扫"命令中实现的。"叠扫"命令包括连续 扫描、步进扫描和极图测试三种扫描方式。在选择扫描方式后，要设定测角仪3的 轴联合方式(e轴、2e轴或e/20轴联动)、扫描速度、采样步宽(最小步进角宽 为0.002° , —般为0.02° )及扫描角度范围，这样，测角仪3便会按照设定指令来 检测样品。以步进扫描举例，本实用新型的主要工作过程及原理如下单片机U1通过串行输入输出口 RXD、 TXD接收操作人员在计算机1中设定的 各项参数(扫描速度为0.02° /1秒，采样步宽为0.02。，扫描角度范围为60。，轴 联合方式为0/2 6轴联动)，定标器5检测测角仪3的转盘13的当前位置角度，并
将测得的角度数通过1/0 口 Pl 口传送给单片机U1。同时，单片机U1向外部中断端 /INTO发送开窗信号，该开窗信号经三极管Q3与二极管D3使得与二极管D3并联的 继电器J的触点动作，X射线窗7打开。单片机U1通过1/0 口 P0 口发出控制步进 电机IO、 ll的脉冲信号，该脉冲信号经锁存器U3锁存，继而发送给步进电机IO、 11，以驱动0轴与2 6轴转动。步进电机IO、 ll有两种接线方式一种接线方式是 每一步进电机与I/O 口 P0.0 P0.7中的两脚管相连，该两脚管分别向步进电机发送 步进脉冲和转动方向信号另一种接线方式是每一步进电机与I/O 口 P0.0 P0.7中 的四脚管相连(I/O 口不接步进电机15、 16的情况下)，驱动原理同第一种接线方 式，此处不再赘述。步进电机IO、 11按照扫描速度0.02。 /1秒、采样歩宽0.02。来 驱动8轴与2 8轴转动。探测器4不断采集由X射线发生器发射并经样品穿射出的X 射线光子，该X射线光子经信号处理系统6转化为脉冲信号， 一个光子产生一个脉 冲信号。当步进电机定位停留时，单片机U1启动计数器U4、 U6计数，每产生一脉 冲信号，计数器U6加1，当计数器U6数到最髙数值时，由计数器U4记录计数器 U6的进位，然后计数器U6复位、重新计数。当到达停留时间l秒时，计数器U4、 U6停止计数，将记录的脉冲数值经1/0 口 P0 口传送给单片机U1，单片机U1根据 脉冲数来计算出此角度位置的X射线强度，并将该X射线强度数据通过串行输入输 出口 RXD、 TXD传送给计算机1。这样，步进电机每歩进一步(0.02° ),单片机 Ul将计数器U4、 U6记录的脉冲数变换为衍射强度数据而传送给计算机1，当步进 电机10、 11驱动e轴与2 6轴转动达到60。时，单片机U1向外部中断端/INT0发送 关窗信号，继电器J的触点动作，X射线窗7关闭，整个采集任务完成。当单片机 Ul出现故障或其它情况时，可通过按下复位按钮K0使单片机U1复位。计算机1中的应用软件可对传送回来的X射线强度数据进行处理，常规的处理 功能有自动寻峰(包括确定峰位、峰强和半高宽)、求峰的面积、重心和积分宽度、 背景去除和多条图谱对比与显示等。该软件还可将以raw为扩展名的二进制数据文 件转换成可读的以txt为扩展名的文本文件，以适于各商业工具软件的使用。若在"叠扫"中选择极图测试扫描方式，则需设定测试方式(反射法、透射法)、 所测极图的晶面指数HKL、相应的0/2e角位置、x轴与4)轴的扫描范围及步进宽 度、采样停留时间等参数。设定好后，单片机U1通过串行输入输出口 RXD、 TXD 接收各项参数，通过1/0 口 P0 口发出控制步进电机10、 11、 15、 16(每一步进电机与i/o 口 po 口的两脚管相连)的脉冲信号，步进电机io、 ii驱动e轴与2 e轴转动，步进电机15、 16驱动x轴与4)轴转动，并通过探测器4、计数器U4、 U6检测计算 出每一角度位置的X射线强度，从而实现极图数据的同心圆数据采集。通过此方式 釆集到的数据适用于目前常用的织构分析软件(如Bimge极图和ODF分析软件，二 歩法极图和ODF分析软件)，测试结果以BungeODF分析软件所用的极图数据存储 格式存储。若分别进行x轴扫描与4)轴扫描，则x轴扫描的角度范围为(T ~卯。，
步进宽度为整数，巾轴扫描的角度范围为0° 360° ，歩进宽度任意但小轴必须做 整数歩扫描。本实用新型的优点是1、 本实用新型采用布精度的步进电机，可控性好、定位精度高。2、 本实用新型织构测角台采用两台歩进电机来分别控制X轴与cJ)轴的转动，实现了极图数据同心圆的收集方式，分析效率高。3、 本实用新型具有常规X射线衍射检测与分析功能，由于增加了控制电路，从 而使系统实现了由计算机实时控制的微机化测试，提高了工作效率及质量。
权利要求1、一种X射线衍射数据采集系统，其特征在于它包括计算机、控制电路、测角仪、探测器、定标器、信号处理系统及X射线窗，其中所述计算机、信号处理系统、X射线窗、测角仪与所述控制电路相连；所述探测器置于所述测角仪上，其与所述信号处理系统相连；所述定标器置于所述测角仪上，其与所述控制电路相连。
2、 根据权利要求1所述的X射线衍射数据采集系统，其特征在于 所述测角仪包括测角台、驱动箱、两台分别驱动e轴与2 8轴转动的步进电机和离合器，测角台包括转盘，转盘安装在驱动箱上，两台分别驱动e轴与2 0轴转动的歩进电机和一台离合器安装在驱动箱内，该两台步进电机的输入端与所述控制电路 相连，该两台步进电机的输出端与转盘相连，离合器用于控制步进电机与转盘的合 闭与分离。
3、 根据权利要求2所述的X射线衍射数据采集系统，其特征在于所述控制电路包括单片机、用于记录x射线光子数的计数器，单片机的复位端与一复位按钮相连，单片机的串行输入、输出口分别经三极管与所述计算机的串行输入、输出口相连，单片机的一i/0 口分两路，一路与所述两台分别驱动e轴与2e轴转动的歩进电机相连，另一路经计数器与所述探测器相连，单片机的另一I/0 口与所述定标器的输出端相连，单片机的一外部中断端经继电器与所述x射线窗相连。
4、 根据权利要求2所述的X射线衍射数据采集系统，其特征在于 所述测角台还包括欧拉环，欧拉环安装在转盘上，在欧拉环上安装两台分别驱动x轴与4)轴转动的步进电机，该两台步进电机的输出端与欧拉环相连，该两台步 进电机的输入端与所述控制电路相连。
5、 根据权利要求4所述的X射线衍射数据采集系统，其特征在于 所述控制电路包括单片机、用于记录X射线光子数的计数器，单片机的复位端与一复位按钮相连，单片机的串行输入、输出口分别经三极管与所述计算机的串行 输入、输出口相连，单片机的一I/0 口分两路， 一路与所述分别驱动0轴与2 8轴、x轴与4)轴转动的四台歩进电机相连，另一路经计数器与所述探测器相连，单片机 的另一 I/O 口与所述定标器的输出端相连，单片机的一外部中断端经继电器与所述X 射线窗相连。
专利摘要本实用新型公开了一种X射线衍射数据采集系统，它包括计算机、控制电路、测角仪、探测器、定标器、信号处理系统及X射线窗，计算机、信号处理系统、X射线窗、测角仪与控制电路相连；探测器置于测角仪上，其与信号处理系统相连；定标器置于测角仪上，其与控制电路相连。控制电路包括单片机、用于记录X射线光子数的计数器等器件。本实用新型采用高精度的步进电机，可控性好、定位精度高，本实用新型具有常规X射线衍射检测与分析功能，由于增加了控制电路，从而使系统实现了由计算机实时控制的微机化测试，提高了工作效率及质量。
文档编号G01N23/207GK201016944SQ20072010368
公开日2008年2月6日 申请日期2007年2月28日 优先权日2007年2月28日
发明者江超华, 王超群, 红 纪, 胡广勇 申请人:北京有色金属研究总院