智能化高效活性炭測氡儀開發(fā)與試驗(yàn)應(yīng)用

喬寶強(qiáng)，薛耀輝，王勇，王東升

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048）

目前的土壤氡測量方法按測量時間長短來分可分為累積測量和瞬時測量［1］。瞬時法一般是用泵抽取土壤中的氣體，然后直接測量其中的氡，或者采用能譜的方法測量氡的第一代衰變子體218Po（RaA）來間接得到氡濃度。累積法一般是無源式，是被動等待氡氣擴(kuò)散到采樣器中并積累一段時間后，用探測器進(jìn)行分析測量，所得結(jié)果是一段較長時間內(nèi)的平均氡濃度［2］。

活性炭測氡作為一種累積式土壤氡氣測量方法，能夠有效降低天氣、短測量時間等隨機(jī)因素的影響，獲取較為可靠的土壤氡濃度數(shù)據(jù)，已在鈾資源勘查領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用［3-7］。目前，商用的活性炭測氡儀在測量過程中，需要人工逐個對活性炭樣品進(jìn)行測量，手動取放樣品，輸入樣品的埋置、取出時間［8-10］。在樣品數(shù)量較大時，手動輸入樣品號、埋入時間、取出時間等信息易出錯，人工耗時較長，工作效率相對偏低［11］。因此，有必要研制智能化高效活性炭測氡儀，有效提升活性炭測氡的智能化程度和樣品測量效率，為鈾礦勘查中土壤氡氣累積式測量提供設(shè)備和技術(shù)支撐。

1 測氡儀整體構(gòu)架

1.1 系統(tǒng)組成

智能化高效活性炭測氡儀的功能組成框圖見圖1，主要包括：控制模塊、樣品取放模塊、樣品信息識別模塊、樣品放射性測量模塊、供電模塊和通訊模塊?？刂颇K用于控制整個系統(tǒng)運(yùn)行，負(fù)責(zé)樣品埋置時間錄入，控制樣品取、放、識別、測量及存儲等全過程，通過計算給出最終氡濃度數(shù)據(jù)；樣品取放模塊用于實(shí)現(xiàn)從樣品箱中取出樣品、放置樣品到測量鉛室內(nèi)、取出樣品并放置回原位等一系列動作，代替以往人工操作；樣品信息識別模塊用于智能化識別樣品瓶底部的4 位編號信息，對接該樣品野外測點(diǎn)坐標(biāo)信息和氡濃度信息；樣品放射性測量模塊用于對樣品進(jìn)行伽馬總量測量［12］；供電模塊負(fù)責(zé)提供測氡儀系統(tǒng)工作電源和電機(jī)驅(qū)動電源；通訊模塊負(fù)責(zé)整個測氡儀內(nèi)各個模塊之間的數(shù)據(jù)通訊。其中，樣品取放模塊、信息識別模塊和放射性測量模塊具有一定的創(chuàng)新性，是本文重點(diǎn)闡述的內(nèi)容。

圖1 智能化高效活性炭測氡儀系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram of intelligent high-efficiency activated carbon radon detector

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)上，測氡儀包括：上位機(jī)軟件、控制器、采集器、機(jī)械臂、深度相機(jī)、柔性夾爪、編碼識別、鉛室、樣品箱以及工作臺等10 個部分，測氡儀系統(tǒng)實(shí)物照片如圖2 所示。其中控制器、采集器、機(jī)械臂及夾爪驅(qū)動位于工作臺下部的柜子中。機(jī)械臂、兩臺鉛室、樣品箱固定于工作臺的四個頂角，編碼識別相機(jī)位于兩臺鉛室中間；機(jī)械臂、柔性夾爪與深度相機(jī)為一體，深度相機(jī)位于機(jī)械臂頂端，為提高測量效率，采用兩個柔性夾爪，固定于機(jī)械臂兩側(cè)；樣品箱采用5×10 矩陣方式存放樣品，樣品瓶底部朝下放置。

圖2 智能化高效活性炭測氡儀Fig.2 Photo of the intelligent high-efficiency activated carbon radon detector

2 樣品取放、信息識別及放射性測量模塊

2.1 樣品取放模塊

基于電動機(jī)械臂、柔性夾爪和深度相機(jī)，綜合構(gòu)建了智能化樣品取放模塊。該模塊能夠自動識別樣品數(shù)量及坐標(biāo)，可自動“抓取-放置-取回”活性炭樣品。

1）樣品取放方案

在工作臺上固定機(jī)械臂、測量鉛室、編碼識別相機(jī)和樣品箱位置的基礎(chǔ)上，樣品取放采用“深度相機(jī)識別樣品→電動機(jī)械臂移動到位→柔性夾爪夾放樣品”的方案（圖3）。樣品取放具體過程：取放模塊上電初始化后，機(jī)械臂頂端的深度相機(jī)處于樣品箱上方固定位置，自動識別出樣品瓶的位置和數(shù)量，之后將坐標(biāo)發(fā)送給機(jī)械臂并啟動機(jī)器臂移動到樣品上方，之后啟動柔性夾爪以“張開-合夾”動作夾住樣品瓶，之后在機(jī)械臂的移動下，將樣品瓶移動至編碼識別相機(jī)的頂部，之后在編碼識別相機(jī)識別樣品編號后，鉛蓋在采集器控制下自動打開，機(jī)械臂放置樣品瓶到鉛室內(nèi)，鉛室自動關(guān)閉鉛蓋，開始伽馬測量；機(jī)械臂移動至下一個樣品瓶上方，如上個過程一樣，將第二個樣品瓶放入第二個測量鉛室內(nèi)進(jìn)行測量；機(jī)械臂等待樣品測量完成，在第一個樣品測量完畢后，鉛室自動打開鉛蓋，機(jī)械臂抓取下一個待測樣品，然后利用另一個柔性夾爪將測量完成的樣品瓶取出（機(jī)械臂頂端配接2 個柔性夾爪），再將待測樣品瓶置入鉛室內(nèi)，鉛蓋關(guān)閉，測量再次開始；以下過程相同，循環(huán)往復(fù)，直到將整箱50 個樣品測量完畢后通知上位機(jī)發(fā)出警報通知工作人員更換樣品箱。

圖3 活性炭樣品取放方案流程圖Fig.3 Photos showing the sample taking and placing by activated carbon detector

2）樣品取放部件

樣品取放部件由機(jī)械臂和柔性夾爪組件構(gòu)成，機(jī)械臂負(fù)責(zé)移動到指定位置，柔性夾爪負(fù)責(zé)夾取或釋放活性炭樣品。機(jī)械臂采用E5 型6 軸協(xié)作機(jī)器人，采用電機(jī)驅(qū)動方式，由機(jī)械臂本體、控制Pad 和電控箱組成（圖4a）。機(jī)械臂的移動采用其配套的控制軟件HansRobot，該軟件采用人機(jī)交互的方式可實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的二次程序開發(fā)，通過調(diào)用模塊化指令編寫程序樹方式來設(shè)定運(yùn)動路徑，使機(jī)械手完成預(yù)期的動作，同時還可以對機(jī)械臂進(jìn)行參數(shù)配置和坐標(biāo)校準(zhǔn)。

柔性夾爪采用SFG 系列柔性夾爪，夾爪由特殊的硅橡膠材料澆筑成型，具有柔韌性好、壽命長、可靠性高等特點(diǎn)。為穩(wěn)定夾取圓柱狀樣品瓶并保持水平，采用具有3個柔性手指的SFG-FCA3型夾爪（圖4b）。柔性夾持模塊主要由末端執(zhí)行器、氣動控制器及附件氣路組成，通過連接氣源及機(jī)械臂，搭建柔性夾持模塊。SFG 柔性夾爪利用充放氣功能實(shí)現(xiàn)抓放功能。機(jī)械臂的控制箱通過IO 端口向柔性夾爪的控制器發(fā)送指令，控制柔性夾爪的張開與閉合，從而實(shí)現(xiàn)柔性夾爪與機(jī)械臂協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)樣品的定位和取放功能。

圖4 樣品取放裝置Fig.4 Sample taking and placing instruments

3）樣品視覺識別

樣品視覺識別是為了獲取樣品的位置和數(shù)量信息，為后續(xù)樣品的取放提供基礎(chǔ)信息。視覺識別是通過深度相機(jī)獲取樣品照片，基于樣品瓶（白色）與樣品箱（藍(lán)色）的差異，通過軟件抓取特征點(diǎn)（樣品瓶白瓶蓋），在已固定坐標(biāo)原點(diǎn)（機(jī)械臂固定原點(diǎn)）的條件下，對樣品照片進(jìn)行變形修正，進(jìn)而得到樣品瓶中心點(diǎn)的位置和樣品數(shù)量信息。深度相機(jī)采用Intel RealSense Depth Camera D435 型。視覺組件對樣品的識別是通過深度相機(jī)在樣品箱上方固定位置拍照后，采用圖5 的技術(shù)流程，識別出樣品瓶（圖6），依據(jù)設(shè)定的機(jī)械臂坐標(biāo)模塊，計算出各樣品的中心坐標(biāo)值。樣品的坐標(biāo)包括在樣品箱中的行列式矩陣坐標(biāo)和浮點(diǎn)坐標(biāo)，行列式坐標(biāo)便于工作人員查找，浮點(diǎn)坐標(biāo)為機(jī)械臂使用的定位坐標(biāo)。

圖5 活性炭樣品瓶識別技術(shù)流程Fig.5 Technical process of sample bottle identification by activated carbon detector

圖6 視覺組件識別定位活性炭樣品瓶Fig.6 Visual module recognition and positioning of activated carbon sample bottle

2.2 樣品編碼識別模塊

基于工業(yè)相機(jī)和上位機(jī)字符識別軟件，構(gòu)建了智能化樣品信息識別模塊。該模塊能夠在室內(nèi)常規(guī)LED 燈管的光源條件下，高效識別活性炭樣品瓶底部的數(shù)字噴碼。

1）樣品信息識別方案

樣品信息識別采用“樣品瓶底部噴碼→工業(yè)相機(jī)拍照→上位機(jī)軟件識別”的方案（圖7），具體過程：將白色樣品瓶的底部噴涂黑色數(shù)據(jù)編碼，之后采用工業(yè)相機(jī)對樣品瓶底部進(jìn)行拍照，然后將圖片上傳至上位機(jī)，進(jìn)而采用文字識別軟件識別圖片中的數(shù)字編碼，最后將編碼傳輸給上位機(jī)軟件。

2）樣品編碼

樣品編碼是為了將測量獲取的氡濃度數(shù)據(jù)與該樣品的線點(diǎn)號進(jìn)行對接，在野外埋置活性炭樣品瓶時，記錄該測點(diǎn)使用的樣品瓶的編號。樣品編號為4 位數(shù)字（0001～9999），樣品編號前加方向和起始位定位符號“▲”，樣品編號噴寫在樣品瓶底部，樣品編號噴涂顏色為黑色。

3）圖像信息采集與數(shù)字識別

圖像信息采用高速工業(yè)相機(jī)對瓶底拍照的方式獲?。▓D7 中間圖）。圖像數(shù)字識別是將工業(yè)相機(jī)采集的照片上的數(shù)字編碼識別出來?；诤？低昖isionMaster 視覺軟件平臺，進(jìn)行二次軟件開發(fā)，通過調(diào)用不同的功能函數(shù)和修改參數(shù)，實(shí)現(xiàn)編碼位數(shù)、字符特征的識別，建立可靠的圖像數(shù)字識別流程（圖8）。工業(yè)相機(jī)接收到控制器的開始識別指令后，識別圖像源，通過快速特征匹配判斷“▲”符號，從而修正4 位編碼的方向和確定起始字符。在通過人工智能方法訓(xùn)練完成的字符庫中查找對應(yīng)的字符，達(dá)到識別出4 位編號的目的。字符庫包括0～9 數(shù)字和大小寫英文字母。如果識別結(jié)果是4 位數(shù)字字符，表明識別成功，向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)，如果不滿足4 位數(shù)字要求，則向控制器發(fā)送識別錯誤指令。

圖7 活性炭樣品信息識別方案流程圖Fig.7 Scheme of Sample information identification by activated carbon detector

圖8 圖像數(shù)字識別流程Fig.8 Flow chart of digital recognition process

2.3 樣品放射性測量模塊

測氡儀系統(tǒng)高效測量模塊包括控制器、采集器、伽馬探測器及鉛室。

1）控制器

控制器是高效測量模塊的核心，控制器組件結(jié)構(gòu)如圖9 所示?？刂破骺刂浦紫到y(tǒng)的工作流程，硬件部分包括網(wǎng)絡(luò)接口、USB 接口、RS485 總線接口、系統(tǒng)工作電源和電機(jī)驅(qū)動電源等，主控芯片為STM32F429。網(wǎng)絡(luò)接口連接控制器與機(jī)械臂，基于uCos-III 嵌入式操作系統(tǒng)下LwIP（Light Weight IP）開發(fā)，LwIP 中的線程由uCos-III 中的任務(wù)創(chuàng)建，通過調(diào)用LwIP 任務(wù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的初始化和數(shù)據(jù)通信。USB接口連接控制器和上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制器的指令接收和數(shù)據(jù)上傳。USB 接口基于CH376S 芯片的設(shè)備模式，采用SPI 接口與STM32F429 連接，該芯片內(nèi)置USB 控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化了控制傳輸?？刂破魍ㄟ^RS485 總線連接兩臺采集器、深度相機(jī)和編碼識別相機(jī)。轉(zhuǎn)換芯片采用SP485，將主控芯片的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為兩條差分信號輸出，在兩條差分信號線上可增加或減小節(jié)點(diǎn)（采集器）個數(shù)，最大32 個。因此，本系統(tǒng)具有擴(kuò)展功能，也就是在當(dāng)前RS485 總線上以機(jī)械臂為中心還可以再增加采集器，從而提高測量效率。系統(tǒng)工作電源采用AC-DC模塊，將220VAC 轉(zhuǎn)換為±12V 和5V 低壓直流電源，作為整套系統(tǒng)的工作電壓。電機(jī)驅(qū)動電源采用降壓型變壓器，再通過整流橋電路，輸出驅(qū)動電機(jī)的36V，12W 直流電源。

圖9 控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of controller structure

2）采集器

采集器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10 所示。采集器控制器內(nèi)核為STM32F429 芯片，，主要功能為采集伽馬脈沖信號和控制鉛室艙門的開合。

圖10 采集器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Internal structure diagram of the collector

伽馬脈沖信號的采集由模擬放大、濾波電路、閾值設(shè)置電路、比較器電路和脈沖計數(shù)電路組成。當(dāng)采集器收到控制器的采集指令后，啟動控制內(nèi)核的計數(shù)器外部中斷函數(shù)記錄伽馬脈沖數(shù)量，默認(rèn)采集3 次，每次采集時間50 s。以往活性炭測氡儀測量時間為每次60 s。同時采用兩臺采集器，可將原來的樣品測量效率由15 個/h 提高到36 個/h。而且采集次數(shù)和每次采集時間由上位機(jī)軟件設(shè)置。對于低含量的樣品，可通過增加每次采集時間降低統(tǒng)計誤差，記錄后的脈沖數(shù)通過RS485 總線傳輸至控制器。采集器的另一個重要功能是控制鉛室上無刷直流電機(jī)的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)，達(dá)到控制艙門開合的目的。在采集器內(nèi)部集成了電機(jī)驅(qū)動芯片A4950S，該芯片的邏輯輸入端口由STM32F429 的兩個IO 口控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)換通過IO 口的PWM 信號的占空比控制。輸出端直接連接無刷直流電機(jī)的正負(fù)極，兩個IO 口輸出電平不同，A4950S 芯片輸出電壓極性不同，從而控制電機(jī)的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。

3）伽馬探測器及鉛室

為提升對活性炭樣品釋放的伽馬射線的探測效率，相比于以往的NaI 晶體，本文采用高探測效率的BGO 晶體與光電倍增管組成伽馬探測器［13］。BGO 晶體密度（7.19 g/cm3）大于NaI 晶體密度（3.67 g/cm3），所用晶體尺寸（φ30 mm×40 mm）大于原有NaI晶體尺寸（φ30 mm×25 mm），因此探測效率更高。

鉛室主要用于屏蔽環(huán)境中伽馬射線以降低外界環(huán)境對樣品測量的影響［14］。鉛室采用中空圓柱體結(jié)構(gòu)，頂部有鉛蓋，在樣品測量過程中，鉛蓋必須保持關(guān)閉狀態(tài)。樣品瓶和探測器置于圓柱體內(nèi)，鉛室底部安裝底座，伽馬探測器連接線從底座引出。探測器處于鉛室的底部，樣品瓶處于鉛室的上部，樣品瓶的底部與探測器的頂部接觸。鉛室的主體結(jié)構(gòu)如圖11。

圖11 鉛室3D 示意圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.11 3D schematic diagram and internal structure of lead chamber

鉛室設(shè)計的核心是實(shí)現(xiàn)鉛蓋的自動開合。本文采用小體積無刷直流電機(jī)和傳動軸構(gòu)建鉛蓋控制模塊。無刷直流電機(jī)在PWM 脈沖信號的控制下轉(zhuǎn)動，同時帶動連接桿上的垂向齒輪轉(zhuǎn)動，垂向齒輪再帶動橫向齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動鉛室艙門的自動打開與關(guān)閉。相比傳統(tǒng)的測氡儀鉛室，無需手動開合鉛蓋操作。

3 系統(tǒng)測試及試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)測試

經(jīng)核工業(yè)放射性勘查計量站檢定，獲取了氡氣測量系統(tǒng)活性炭測氡儀的儀器檢定合格證書。參照《活性炭吸附測氡儀（EJ/T824-2014）》［15］，對測氡儀系統(tǒng)的氡氣探測靈敏度、伽馬測量模塊短期穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試。此外，對樣品取放運(yùn)行成功率、樣品信息識別準(zhǔn)確率、樣品測量效率進(jìn)行了測試。上述具體指標(biāo)參見表1。

表1 智能化活性炭測氡儀技術(shù)指標(biāo)表Table 1 Technical specifications of intelligent activated carbon radon detector

3.2 測氡儀試驗(yàn)應(yīng)用

在安徽省蕪湖市無為縣內(nèi)開展了活性炭測氡試驗(yàn)工作。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)以1：5000 比例尺（測網(wǎng)50 m×10 m）點(diǎn)距開展采樣工作，測線方向NE45°，采樣面積為0.49 km2，總計采集到1 032個樣品。采用智能化活性炭測氡儀對樣品進(jìn)行了測量，獲取了試驗(yàn)區(qū)土壤氡濃度分布特征（圖12）。試驗(yàn)測試期間，測氡儀運(yùn)行正常，驗(yàn)證了儀器的可靠性。

圖12 無為縣試驗(yàn)區(qū)土壤氡濃度等值圖Fig.12 Contour map of soil radon concentration in experimental area of Wuwei County

對1 032 個樣品，分6 天收集完成，平均每天收集172 個樣品，對每天收集的樣品測量時間約為4.8 h，1 032 個樣品合計測量時間約為29 h。

表2 野外樣品測量成功率統(tǒng)計Table 2 Statistics of the success rate of field sample measurement

4 結(jié)論

1）通過開發(fā)活性炭樣品智能化取放模塊、樣品信息識別模塊和高效伽馬測量模塊，綜合構(gòu)建了智能化高效活性炭測氡儀，并在核工業(yè)放射性勘查計量站獲取了測氡儀檢定合格證書，具備了智能化高效測量功能。

2）研制的智能化活性炭測氡儀，探測器具有可擴(kuò)展功能，可在現(xiàn)有2 個探測器基礎(chǔ)上擴(kuò)展至4 個，樣品測量效率提高至60～70 個/h，為鈾礦勘查大規(guī)?；钚蕴繙y氡工作提供了測量設(shè)備支撐。

3）通過開發(fā)基于BGO 晶體的伽馬總量測量系統(tǒng)，有效提升了對伽馬射線的探測靈敏度。

致謝：感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院王瑋高級工程師、梁樹紅高級工程師和東前高級工程師在測氡儀研發(fā)過程中提供的寶貴建議和大力幫助；感謝核工業(yè)航測遙感中心唐曉川高級工程師和杜曉立高級工程師在測氡儀標(biāo)定工作中給予的指導(dǎo)和幫助！