描述

Forever 劑量計實時輻射探測器

目前有許多劑量計徽章制造商。一些設計使用在特殊烤箱中加熱的晶體。徽章在整個工作日都佩戴，然后被收集并放置在專門的閱讀器中，以確定全天累積的輻射劑量。這種設計的優(yōu)點是沒有可能耗盡或磨損的電池。缺點是需要訓練有素的人員傳播和收集徽章并運行設備以確定檢測到的任何輻射。這些徽章不允許實時劑量計讀數(shù)。

另一種類型的徽章使用嵌入式 MCU 和輻射探測器芯片或電路。這些徽章確實會耗盡電池，并且大多數(shù)都允許實時劑量計讀數(shù)。實際經(jīng)過驗證的最長電池壽命為兩年，這些設計的平均電池壽命僅超過六個月。這需要持續(xù)維護以檢查和更換電池，當它們隨著年齡的增長或由于設備的使用而耗盡時。

Forever 劑量計設計完全取消了電池。這個徽章使用了一個為室內(nèi)充電而優(yōu)化的太陽能電池和一個使用太陽能電池作為電源的小型超級電容器。由于人類通常不會在黑暗中工作，因此該設計提供了一種由環(huán)境照明供電的無電池徽章，其壽命是幾十年而不是幾個月或幾年。無電池設計還意味著沒有人員將負責監(jiān)控和更換電池，因為沒有可更換的電池。

Forever 劑量計是一種低功耗藍牙 (BLE) 設備，由放置在設施周圍的固定讀取器或用戶的智能手機讀取。如果需要徽章坐標，它們可以通過劑量計本身的固定藍牙讀取器的藍牙定位、讀取徽章的智能手機的藍牙定位位置或通過智能手機的 GPS 來確定。

瓦拉迪斯輻射傳感器

RADFET 是一種極低功率的輻射劑量計芯片，僅使用 10 微安電流來檢測輻射暴露。VT01 是 Varadis 的第一代 RADFET 芯片，在單個 6 引腳 SMD 芯片上配備了雙 RADFET 器件。RADFET 是一種場效應晶體管，它對伽馬輻射敏感，無需電源進行感應，讀取所需的功率極低。

瓦拉迪斯 VT01 芯片

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該芯片以兩種模式之一運行：檢測或讀出。檢測模式完全不需要電源。該芯片僅吸收伽馬輻射，從而改變內(nèi)部 RADFET 器件的電氣特性。

瓦拉迪斯 VT01 數(shù)據(jù)表

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對于讀出，電壓施加在場效應晶體管上，具有恒定的 10 微安電流，并由 nrf5340 的片上 ADC 讀取。電壓降由溫度調(diào)節(jié)以給出輻射暴露結果。

Epishine室內(nèi)太陽能電池

Epishine 生產(chǎn)一種薄膜太陽能電池，優(yōu)化用于室內(nèi)照明作為電源。Epishine 細胞是柔性的，可以彎曲或彎曲而不會損壞其中的細胞。

Epishine Leh3 室內(nèi)太陽能電池

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Epishine 生產(chǎn)的 EVK 配有 Cap-XX GA230 超級電容器和 E-peas AEM10941 電源管理 IC。這是用于使用 Nordic Semi nRF5340-DK 開發(fā)套件測試和開發(fā) Forever Dosimeter 徽章的套件。

Epishine室內(nèi)太陽能電池EVK

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Cap-XX 超級電容器

Cap-XX 是一家澳大利亞公司，生產(chǎn)一系列微型超級電容器。本項目選用的是 GA230 產(chǎn)品。GA230 安裝在 PCB 上兩個略微凸起的導軌上。Cap-XX 最近推出了該組件的 SMD 版本，可以直接安裝在 PCB 跡線上，但遺憾的是，該產(chǎn)品不適用于第一個 Forever Dosimeter 原型。

Cap-XX GA230 超級電容器

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u-Blox nRF5340 模塊

開發(fā)帶有天線的 2.4 GHz 阻抗平衡電路并非易事。此外，全新設計的 FCC 認證可能既昂貴又耗時。有幾家公司制造預認證模塊，其中只有天線變化（如果有的話）需要重新認證。與認證完整的全新設計相比，這是一種更便宜、更快捷的替代方案。

我選擇了新的 u-Blox Nora-B106 模塊，它配有嵌入式天線，并通過 FCC 和 CE 預認證。這避免了必須與經(jīng)批準的認證實驗室進行互動，并大大降低了啟動新設計所需的費用。

不幸的是，該模塊與我聯(lián)系的所有供應商都處于延期交貨狀態(tài)，因此該設計目前正在等待零件，以便進行完全原型制作和測試。

設計試驗臺

Epishine EVK 從室內(nèi)光產(chǎn)生 3.3V

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對 nRF5340 進行功率分析

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電路原理圖

劑量計電路由三個主要部件組成；

1.太陽能和超級電容器的電源部分并將其轉(zhuǎn)換為3.3v

2. nRF5340 MCU & 藍牙模塊

3. RADFET 輻射感應電路

Forever Dosimer 示意圖

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太陽能電池&超級電容電路以e-peas AEM10491電源管理芯片為中心，該芯片從Epishine室內(nèi)太陽能電池接收電能并將其存儲在Cap-XX GA230超級電容中。可選的 CR2302 備用電池可用，但在正常照明的室內(nèi)環(huán)境中正常運行不需要。e-peas 芯片將存儲在超級電容器中的能量轉(zhuǎn)換為用于 nRF5340 MCU 的穩(wěn)壓 3.3 伏。

室內(nèi)太陽能電池和超級電容器調(diào)節(jié)3.3v電路

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MODUL_IN 標簽直接連接到 Epishine 太陽能電池，而 Cap-XX GA230 超級電容器位于原理圖的右下方。e-peas 電源管理芯片在 HVOUT 處產(chǎn)生穩(wěn)定的 3.3v 電壓。

藍牙電路是 u-blox 的獨立預認證模塊，配有芯片天線。u-blox 模塊直接從 e-peas AEM10941 芯片的穩(wěn)壓 3.3v 輸出供電。

u-blox NORA-B106 模塊與 Nordic Semi nRF5340

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Varadis 的 RADFET 芯片是 VT01，它是一個 6 引腳芯片，板載兩個 RADFET 輻射敏感場效應晶體管。在傳感模式下，兩個 RADFET 都接地。在讀出模式下，它們連接到 10 微安的 20v 電壓源，其中溫度調(diào)節(jié)的電壓降決定了輻射暴露的水平。來自 e-peas 芯片的穩(wěn)壓 3.3v 通過 TL499A DC-DC 升壓芯片升壓至 20v。20v 輸出通過 LM334 限流器饋入，以產(chǎn)生 10 微安輸出。RADFET 通過雙 SPDT 芯片從接地輸入切換到讀出模式。輸出電壓降至 3.3v 以下并饋送到 nRF5340 上的 ADC。

NRF5340 ADC 的 RADFET 讀出部分

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Varadis VT01 是一個 6 針 SMD 芯片，芯片上有兩個 RADFET。

Varadis VT01 RADFET 輻射傳感器芯片

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VT01 引腳在感應時接地，它們在 10 微安時切換到 20v 以進行讀數(shù)。輻射暴露被感測為跨場效應晶體管的柵極到漏極的電壓降。

結論

Forever 劑量計采用新技術，配備極低功耗的片上輻射傳感器、專為室內(nèi)使用而設計的太陽能電池、用于儲能的超級電容器和 ARM Cortex-m33 MCU，以創(chuàng)建具有以下功能的自供電輻射劑量計至少10年的壽命。這種設計是可穿戴徽章或安裝傳感器的基礎，在其使用壽命期間無需維護或更換電池。傳感器徽章的讀數(shù)是通過藍牙連接到智能手機或藍牙接收器。徽章或安裝的傳感器的位置可以由接收器使用藍牙定位來確定。