鈾礦巖心β-γ自動編錄系統(tǒng)設(shè)計與研制

段金松，李婷，王瑋，麻金龍，武旭東，張兆山

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，儀器開發(fā)研究所 北京 100029）

鈾礦巖心作為鈾礦床深部地質(zhì)研究的直接對象，記錄著地質(zhì)體的垂向變化信息，對評價鉆探成果具有重要指導(dǎo)作用。在鈾鐳平衡偏鈾地區(qū)，僅測量巖心γ放射性活度，可能導(dǎo)致漏礦。為反映礦區(qū)含鈾的真實情況，有必要進行β、γ測量［1-3］。巖心編錄過程大致分為前期準備、現(xiàn)場編錄和檢查、后期整理3個階段［4］，傳統(tǒng)的現(xiàn)場編錄方式為采用便攜式編錄儀進行手動 “插屏”式的二次測量模式，該方法由人工值守操作，數(shù)據(jù)采集過程易引入人為不可控因素，且工作效率低。為彌補傳統(tǒng)編錄方式的不足，設(shè)計團隊結(jié)合當(dāng)前電氣自動化控制技術(shù)及探測器信號處理能力設(shè)計了一款應(yīng)用于勘探現(xiàn)場的鈾礦巖心β-γ自動編錄系統(tǒng)，可實現(xiàn)巖心的快速、準確掃描測量，有助于提高編錄效率和精確度，并逐步替代人工編錄工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

鈾礦巖心β-γ自動編錄系統(tǒng)整體設(shè)計結(jié)構(gòu) （圖1），主要包括機械傳動系統(tǒng) （圖右側(cè)虛框內(nèi)）、數(shù)字化探測器及計算機端系統(tǒng)管理軟件3部分。其中，機械傳動系統(tǒng)由主控制器、伺服電機驅(qū)動器、伺服電機、三軸直線滑臺、電源系統(tǒng)等組成，主控制器通過發(fā)送脈沖信號調(diào)整伺服電機三相勵磁繞阻通過電流大小，進而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動角度，帶動滑軌并實現(xiàn)對目標單元的運動控制；數(shù)字化探測器采用大面積閃爍體及高精度信號甄別技術(shù)研制，雙探測器通過搭載到機械傳動系統(tǒng)實現(xiàn)完整巖心β和γ信號的分別測量，其與主控制器之間采用CAN總線通訊技術(shù)完成數(shù)據(jù)交互；系統(tǒng)管理軟件采用模塊化理念設(shè)計，實現(xiàn)整機參數(shù)設(shè)置，運動平臺精確位移控制，測量數(shù)據(jù)采集存儲等功能。系統(tǒng)采用48V16Ah的鋰離子電池為整個系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的供電電源。

圖1 鈾礦巖心β-γ自動編錄系統(tǒng)整體設(shè)計圖Fig.1 Integrated design of uranium core β-γ automatic scan and record system

1.2 機械傳動系統(tǒng)設(shè)計

為保證巖心β、γ放射性強度測量精度和準確性，機械傳動系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)，必須具備運動精度控制準確，啟停迅速平穩(wěn)，自適應(yīng)速度調(diào)節(jié)的能力，同時具有靈活性好，響應(yīng)速度快、運動精度高的優(yōu)點［5］。

1.2.1 硬件結(jié)構(gòu)

機械傳動系統(tǒng)以三軸滑臺作為支撐，分別通過x、y及z軸直線滑臺配合伺服電機進行探測器的單方向位移控制或三維空間內(nèi)的聯(lián)動調(diào)控 （圖2）。主控制器通過驅(qū)動器實現(xiàn)三軸電機運動管理，伺服電機通過編碼器將實時位置信息反饋給驅(qū)動器，完成位置、速度和力矩的閉環(huán)控制［6］。在滿足負載、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量等情況下，選用大功率直流伺服電機驅(qū)動同步帶主動輪轉(zhuǎn)動 （x、y軸），或通過聯(lián)軸器驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動（z軸），進而推動直線導(dǎo)軌上滑塊前后運動。導(dǎo)軌兩端裝有行程限位開關(guān)，當(dāng)滑塊運動到導(dǎo)軌兩端邊緣觸發(fā)行程限位開關(guān)時，驅(qū)動電路斷開，機械傳動系統(tǒng)停止運行。

本系統(tǒng)選用伺服電機驅(qū)動器的額定轉(zhuǎn)速為3 000 RPM，其速度控制精度為±1 RPM。該驅(qū)動器提供位置、速度、扭矩3種基本控制模式，信號來源可以是外部脈沖輸入、模擬量輸入或RS232通訊。本系統(tǒng)采用位置控制模式，信號來源選擇外部脈沖輸入，即驅(qū)動器接收來自主控制器的位置指令，驅(qū)使電機至目標位置。

1.2.2 軟件設(shè)計

主控制器采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片，通過移植嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS實現(xiàn)機械平臺控制。主控制器通電后首先進行系統(tǒng)初始化，完成各功能接口設(shè)置，并創(chuàng)建數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)、命令解析任務(wù)以及電機運動控制任務(wù)等。運行過程中，主控制器通過標準USB接口與系統(tǒng)管理軟件實時通信，響應(yīng)并解析控制指令，主要包括電機位置設(shè)置命令、查詢指令及停止運動指令。系統(tǒng)按照命令執(zhí)行相應(yīng)操作后將執(zhí)行結(jié)果實時反饋到管理軟件 （圖3）。

圖2 三軸直線滑臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of three-axis linear slides

1.2.3 機械運動加減速實現(xiàn)

為提高運動系統(tǒng)控制精度，電機運行速度需要一個升速→恒速→降速→停止的過程，且升降速過程時間盡量地縮短，以提高響應(yīng)速度。本設(shè)計采用S型曲線模型實現(xiàn)電機加減速控制，即通過改變控制器發(fā)送脈沖信號頻率的方式改變電機運行速度。完整的S型曲線加減速過程的特點是存在加加速度，故加速度沒有突變，避免了柔性沖擊，速度的平滑性很好［7］（圖 4a）。

圖3 系統(tǒng)運動控制執(zhí)行流程圖Fig.3 Flow chart of motion control system

圖4 電機加減速控制過程Fig.4 The control process of motor acceleration and deceleration

圖4a中0-t1、t1-t2時間段的曲線方程分別為公式（1）、 （2）， 決定加減速過程的快慢［8］。S型速度時間曲線（圖4a上圖）右半邊減速段可看作是左半邊加速段的逆過程。將連續(xù)的加減速曲線轉(zhuǎn)化為電脈沖信號控制電機的基本方法是將曲線離散化為各個頻段［9］（圖4b），并將頻段表預(yù)先固化在ROM芯片當(dāng)中，系統(tǒng)運行時直接通過查表法加載各個頻段。曲線加速階段離散化如圖4b所示。

式中：c—可知參數(shù)且大于0；v0—起始速度；vt—恒定運行速度；v1—中間速度，一般取值為v0和vt的中間值即

1.3 數(shù)字化探測器設(shè)計

相比于便攜式巖心β-γ編錄儀的單探測器測量模式，本系統(tǒng)采用雙探頭模式分別對β、γ射線進行測量，依賴于伺服電機精確定位功能，實現(xiàn)兩探測器位置的精確覆蓋，從而準確獲得巖心被測點β、γ信息。β、γ探測器主要由低壓電源、高壓電源、探頭、跟隨器、放大器、甄別器、微控制器等組成（圖5）。當(dāng)β或 γ射線進入閃爍體產(chǎn)生光子，后被光電倍增管收集，并完成光電轉(zhuǎn)換，形成電脈沖后送到放大器電路，經(jīng)放大、甄別后輸出規(guī)則脈沖，此脈沖輸入到計數(shù)電路進行計數(shù)。該數(shù)字化探測器的設(shè)計集信號采集、處理、轉(zhuǎn)化、通信等多功能于一體，能夠獨立完成由光信號到模擬信號再到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，最終將測量結(jié)果由主控制器傳送至管理軟件。

1.3.1 β探測器的信號處理

圖5 β、γ探測器設(shè)計原理圖Fig.5 Design principle of β and γ detector

探測器采用薄片塑料閃爍體進行β信號采集，經(jīng)整形放大后以脈沖幅度甄別方式進行脈沖計數(shù)。本文利用電壓比較器LM293、雙D型觸發(fā)器CD4013、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器CD74HC4538M及邏輯門電路構(gòu)建了單道脈沖幅度甄別電路。當(dāng)信號幅值小于識別下閾時，該信號被當(dāng)作探測器電路干擾而直接丟棄；信號幅值大于識別上閾時，則判斷為宇宙射線被忽略；當(dāng)輸入信號脈沖幅度介于給定的識別閾之間時，則被認定為β粒子產(chǎn)生的真實脈沖信號，甄別器才輸出一個幅度和脈沖寬度固定的矩形波用于計數(shù)［10］。

1.3.2 γ探測器的信號處理

在γ探測器的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，于閃爍體前增加一塊厚度約為1 mm的鋁屏，以消除β粒子對γ計數(shù)的影響。與β探測器類似，它也采用幅度甄別方法進行信號識別與脈沖計數(shù)，通過調(diào)節(jié)信號幅值下甄別閾，有效去掉電路干擾信號，提升真實γ信號探測效率。

圖6 系統(tǒng)管理軟件界面圖Fig.6 Software interface of system management

1.4 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計

系統(tǒng)管理軟件采用Qt語言編寫，使用QML進行界面優(yōu)化 （圖6）。該軟件以友好的人機交互界面，通過機械傳動系統(tǒng)實現(xiàn)探測器的精確定位與測量。軟件功能模塊主要包括三軸電機運動控制模塊、探測器參數(shù)設(shè)置模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、存儲模塊以及查詢顯示模塊。其中，三軸電機運動控制模塊可進行伺服電機速度、位移的精確控制，實現(xiàn)三維空間內(nèi)點到點的定位，并實時反饋電機當(dāng)前工作狀態(tài)；探測器參數(shù)設(shè)置模塊實現(xiàn)探測器的數(shù)控高壓和信號識別下閾的調(diào)節(jié)。此外，該軟件具有日志輸出與打印功能，系統(tǒng)運行期間可詳細記錄運行數(shù)據(jù)和操作結(jié)果，便于設(shè)備調(diào)試或故障分析。

2 試驗與結(jié)果分析

為了測試系統(tǒng)功能，驗證鈾礦巖心β-γ自動編錄系統(tǒng)的可行性。本文將從機械傳動系統(tǒng)的運行狀態(tài)，探測器指標及整機的測量性能方面對本系統(tǒng)進行分析和評價。

2.1 機械傳動系統(tǒng)運行誤差分析

對機械傳動系統(tǒng)搭載探測器的機械運動過程進行試驗。探測器復(fù)位后，將長度為1 070 mm的巖心箱放入系統(tǒng)待測區(qū)，將探測器沿y軸方向從左到右逐次移動一個探頭直徑距離（75 mm）進行單根巖心的放射性測量，控制器輸出到伺服電機的脈沖量為6 000時，獲得其伺服反饋計數(shù)為5 974，系統(tǒng)平均運行誤差為0.33 mm；在y軸有效行程內(nèi)執(zhí)行多次往復(fù)運動，當(dāng)行程為1 315 mm時，控制器輸出脈沖量為105 200，獲得反饋計數(shù)為105 084，系統(tǒng)平均往復(fù)運行誤差為1.45 mm。因此，該機械傳動系統(tǒng)可以滿足巖心自動測量時的運動要求。

2.2 探測器性能指標

將設(shè)計的β、γ探測器在國防科技工業(yè)1313二級計量站進行校準測量。采用γ測井系列模型標準裝置在溫度為21℃、相對濕度為45%左右的環(huán)境條件下進行探測器校準，獲得其重復(fù)性、非線性、鈾轉(zhuǎn)換系數(shù)結(jié)果（表1、2）。由表1、2可知，探測器性能滿足JJG（軍工）41-2014輻射編錄儀檢定規(guī)程的要求。

2.3 系統(tǒng)性能測試

利用本系統(tǒng)對計量部門提供的不同直徑（40、60、80 mm） 不同鈾品位 （0.01%、0.1%、1%、2%、5%）的巖心模型進行測量。由于計量部門未給出設(shè)備測量計數(shù)與巖心鈾含量的對應(yīng)計算關(guān)系，因此，本文僅對系統(tǒng)測量線性度進行討論。系統(tǒng)測得的β、γ計數(shù)率與巖心模型鈾品位的關(guān)系如圖7所示。

表1 β、γ探測器重復(fù)性及非線性指標Table 1 Repeatability and nonlinearity of β and γ detector

表2 β、γ探測器鈾轉(zhuǎn)化系數(shù)Table2 Uraniumconversionco efficient of β and γ detector

由圖8可知，針對不同直徑的巖心模型，隨著其內(nèi)部鈾含量的增加，系統(tǒng)測得的β、γ計數(shù)率逐漸增大，且表現(xiàn)出良好的線性吻合度，不同關(guān)系曲線的決定系數(shù)均為0.99以上。

圖7 β、γ計數(shù)率與巖心模型鈾品位的線性關(guān)系Fig.7 The relationship between β， γ count rate and different grade uranium core model

3 結(jié)論

鈾礦巖心β-γ自動編錄系統(tǒng)通過伺服電機驅(qū)動各工作軸上的直線滑塊運動可實現(xiàn)精確定位；雙探測器通過搭載在該運動平臺上，實現(xiàn)巖心β-γ的自動測量；測量數(shù)據(jù)通過計算機端管理軟件進行實時保存。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)的機械傳動部分運動精度較高，探測器指標滿足計量部門要求，整機系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。目前，該系統(tǒng)已在野外勘探現(xiàn)場展開巖心自動編錄方面的應(yīng)用試驗。