建材放射性檢測自動進樣裝置的研制

摘要：以建材放射性檢測儀為基礎(chǔ)，研制了樣品室倉門開合系統(tǒng)、三維自動取樣系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等軟硬件，實現(xiàn)了能譜儀的連續(xù)自動進樣，大大提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：自動進樣裝置；放射性檢測；步進電機

1 前言

建材產(chǎn)品的放射性檢測是建材產(chǎn)品質(zhì)量控制的一個重要指標，它涉及到人民的健康安全。建材放射性檢測儀是質(zhì)檢機構(gòu)和建材產(chǎn)品制造企業(yè)非常重要的檢測設(shè)備。目前，國內(nèi)外廣泛使用的NaI型建材放射性檢測儀均為人工更換樣品，由于該設(shè)備的單個樣品檢測時間較長，一般為1～2h，試驗人員不可能守在設(shè)備旁邊進行檢測，因此，往往因為沒有及時更換樣品而耽誤時間。同時，一般實驗室每天的工作時間為8h，檢驗人員只能在工作時間進行檢測，剩下的時間由于不能利用而白白浪費，因此該儀器的檢測效率變低。

目前，隨著分析測試技術(shù)的發(fā)展及測試精度要求的提高，自動進樣器在大型分析儀器中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。自動進樣器可在預(yù)先設(shè)置好的程序基礎(chǔ)上運行，實現(xiàn)定時、定量、定點的進樣功能。因此，一方面可減小由于手工操作所帶來的誤差，提高樣品的測量精度；另一方面對多樣品的測量實現(xiàn)了自動化，提高了分析速度，減少了試驗人員的勞動強度。本文通過對建材放射性檢測儀的改造，實現(xiàn)了多樣品的自動進樣、連續(xù)測試，大大提高了設(shè)備的效率。

2 自動進樣裝置的組成結(jié)構(gòu)

本裝置整體設(shè)計由四部分組成，分別為：A-機架部分、B-樣品室倉門開合系統(tǒng)、C-三維自動取樣系統(tǒng)、D-計算機及其控制軟件部分。該自動進樣裝置可以與常用NaI型γ能譜儀配套使用。自動進樣裝置的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本裝置硬件系統(tǒng)由機架支撐系統(tǒng)、樣品室倉門開合系統(tǒng)和三維自動取樣系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1機架支撐系統(tǒng)

由于自動進樣裝置是與現(xiàn)有放射性檢測儀配套使用，而放射性檢測儀是由屏蔽樣品室（含鉛）、NaI（T1）探頭、多道譜分析器等組成。由于鉛屏蔽樣品室重量在800～1000kg之間，為了使自動進樣裝置和鉛屏蔽樣品室穩(wěn)定配合。因此，本裝置使用角鐵制成支撐架9，將鉛室與NaI（T1）探頭固定起來，并將樣品臺6置于鉛室之上，充分利用了鉛室上部的空間，同時也減少了樣品從樣品臺到鉛室內(nèi)的檢測距離。樣品臺6中部開孔與樣品室倉門16相通，形成樣品進出樣品室的通道。整個機架系統(tǒng)使用腳輪10支撐，方便了儀器的移動。

3.2樣品室倉門開合系統(tǒng)

樣品室倉門開合系統(tǒng)由兩個鉛室步進電機7和12、步進電機控制器、鉛室頂蓋13以及鉛室移動導(dǎo)軌8組成。步進電機7和12固定在移動導(dǎo)軌8上，并通過絲杠與左右兩個鉛室頂蓋13連接。通過單片機控制步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)左右鉛室頂蓋的開合，從而實現(xiàn)樣品室倉門16的開合，并為樣品進出提供通道。

3.3三維自動取樣系統(tǒng)

三維自動取樣系統(tǒng)由機械手4、送樣桿1、XYZ軸步進電機與導(dǎo)軌等組成。Y軸移動導(dǎo)軌固定在機架上，X軸導(dǎo)軌3通過齒輪與Y軸導(dǎo)軌連接，Y軸電機2轉(zhuǎn)動，通過皮帶輪帶動X軸導(dǎo)軌3在Y軸導(dǎo)軌上移動；Z軸導(dǎo)軌（送樣桿1）通過齒輪與X軸導(dǎo)軌3連接，X軸電機14轉(zhuǎn)動，通過皮帶輪帶動送樣桿1在X軸導(dǎo)軌3上移動；Z軸電機15固定在送樣桿1上，電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械手4的上下移動。因此，通過X、Y、Z軸三個電機可實現(xiàn)機械手的三維運動。機械手4下部帶機械爪，通過電機可以控制機械爪的張開和閉合，當(dāng)機械爪閉合時可抓起樣品盒上部的凸起部位。

4 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計

通過單片機控制實現(xiàn)樣品室開合與機械手的三維自動取樣，利用RS-232/USB標準化接口與主機通信，采用普通臺式或筆記本電腦作為控制主機，控制軟件采用C++高級語言編寫，其軟件流程見圖3。步進電機控制系統(tǒng)和機械手控制系統(tǒng)其核心部件是選用STM32F103 VCT6芯片，通過串行接口接受主機命令，并將其轉(zhuǎn)換成控制脈沖信號去控制步進電機的轉(zhuǎn)動和機械手的上、下移動。主機通過數(shù)據(jù)傳送方式由并行接口發(fā)送到自動進樣裝置控制系統(tǒng)的單片機上，主機亦可實時接受來自單片機的狀態(tài)信號，即通過主機的收發(fā)信號來控制儀器在采集樣品過程中的相應(yīng)動作。

4.1在線控制部分

自動進樣裝置可以采用在線控制，整個過程可以通過軟件控制?？刂栖浖缑嫒鐖D4所示，樣品位置、樣品編號、樣品質(zhì)量、測試時間等參數(shù)預(yù)先設(shè)定，聯(lián)機之后，主機與單片機之間通信，通過步進電機控制器實現(xiàn)樣品取、放。圖5為控制軟件的實時監(jiān)控界面，可了解哪些樣品已測試、哪些樣品未測試、機械手的位置和狀態(tài)、樣品室倉門開關(guān)狀態(tài)、剩余檢測時間等信息。通過控制軟件還可實現(xiàn)機械手位置自動校正。

本裝置采用的是三組步進電機和絲杠組合控制實現(xiàn)樣品定位和抓取，由于絲杠和絲杠套的機械加工復(fù)雜，有一定誤差，工作一段時間后會出現(xiàn)不同程度的精度下降。為了消除這種誤差積累，導(dǎo)致定位不準的情況，在每一個取樣和放樣循環(huán)過程后采取回到原點的方式，避免從一個樣品位直接到另一個樣品位造成的誤差，其流程如圖6所示。

4.2手動控制部分

該裝置上設(shè)有手動控制功能，主要是方便裝配人員調(diào)試，以及操作人員在特定條件下進行人工采樣。該功能通過安裝在本裝置上的液晶觸摸屏來實現(xiàn)，觸摸屏上有狀態(tài)監(jiān)控、報警列表、手動控制三個功能模塊，可以實時查看裝置運行狀態(tài)，出故障時了解故障類別，或者手動控制樣品室倉門的開關(guān)。在機械手出現(xiàn)故障的時候。通過手動開關(guān)樣品室倉門進行測試，避免對檢測工作造成影響。

5 總結(jié)

放射性檢測自動進樣裝置具有性能穩(wěn)定、操作簡便、使用靈活的特點，其主要特色是在目前較為成熟的碘化鈉型γ能譜儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動進樣技術(shù)進行了全新的設(shè)計，自動化程度高。實驗表明，該裝置大大提高能譜儀的工作效率，特別適合大批量樣品的連續(xù)分析，是一種性能優(yōu)良的全自動進樣系統(tǒng)。