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，研制了樣品室倉門開合系統、三維自動取樣系統以及自動控制系統等軟硬件，實現了能譜儀的連續自動進樣，大大提高了工作效率。

關鍵詞：自動進樣裝置；放射性檢測；步進電機

1 前言

建材產品的放射性檢測是建材產品質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檢機構和建材產品制造企業非常重要的檢測設備。目前，國內外廣泛使用的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，隨著分析測試技術的發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用已經非常廣泛。自動進樣器可在預先設置好的程序基礎上運行，實現定時、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，實現了多樣品的自動進樣、連續測試，大大提高了設備的效率。

2 自動進樣裝置的組成結構

本裝置整體設計由四部分組成，分別為：A-機架部分、B-樣品室倉門開合系統、C-三維自動取樣系統、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。自動進樣裝置的結構原理圖如圖1所示。

3 硬件系統設計

本裝置硬件系統由機架支撐系統、樣品室倉門開合系統和三維自動取樣系統組成，其結構如圖2所示。

3.1機架支撐系統

由于自動進樣裝置是與現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

樣品室倉門開合系統由兩個鉛室步進電機7和12、步進電機控制器、鉛室頂蓋13以及鉛室移動導軌8組成。步進電機7和12固定在移動導軌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和反轉實現左右鉛室頂蓋的開合，從而實現樣品室倉門16的開合，并為樣品進出提供通道。

3.3三維自動取樣系統

三維自動取樣系統由機械手4、送樣桿1、XYZ軸步進電機與導軌等組成。Y軸移動導軌固定在機架上，X軸導軌3通過齒輪與Y軸導軌連接，Y軸電機2轉動，通過皮帶輪帶動X軸導軌3在Y軸導軌上移動；Z軸導軌（送樣桿1）通過齒輪與X軸導軌3連接，X軸電機14轉動，通過皮帶輪帶動送樣桿1在X軸導軌3上移動；Z軸電機15固定在送樣桿1上，電機帶動絲杠轉動，實現機械手4的上下移動。因此，通過X、Y、Z軸三個電機可實現機械手的三維運動。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 軟件控制系統設計

通過單片機控制實現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。步進電機控制系統和機械手控制系統其核心部件是選用STM32F103 VCT6芯片，通過串行接口接受主機命令，并將其轉換成控制脈沖信號去控制步進電機的轉動和機械手的上、下移動。主機通過數據傳送方式由并行接口發送到自動進樣裝置控制系統的單片機上，主機亦可實時接受來自單片機的狀態信號，即通過主機的收發信號來控制儀器在采集樣品過程中的相應動作。

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、樣品質量、測試時間等參數預先設定，聯機之后，主機與單片機之間通信，通過步進電機控制器實現樣品取、放。圖5為控制軟件的實時監控界面，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、樣品室倉門開關狀態、剩余檢測時間等信息。通過控制軟件還可實現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樣品定位和抓取，由于絲杠和絲杠套的機械加工復雜，有一定誤差，工作一段時間后會出現不同程度的精度下降。為了消除這種誤差積累，導致定位不準的情況，在每一個取樣和放樣循環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

該裝置上設有手動控制功能，主要是方便裝配人員調試，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，觸摸屏上有狀態監控、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，出故障時了解故障類別，或者手動控制樣品室倉門的開關。在機械手出現故障的時候。通過手動開關樣品室倉門進行測試，避免對檢測工作造成影響。

5 總結

放射性檢測自動進樣裝置具有性能穩定、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能譜儀的基礎上，結合自動進樣技術進行了全新的設計，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分析，是一種性能優良的全自動進樣系統。