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东北大学硕士学位论文摘要 提高x 射线测厚仪测量精度的研究 摘要 热轧板带钢厂所使用的x 射线测厚仪一般可分为中心线测厚仪和横断面测厚 仪两种。中心线测厚仪主要用于给厚度控制系统提供板带钢中心线厚度的反馈信 号，而横断面测厚仪主要用于给板形控制系统提供板带钢的凸度、楔形等反馈信 号。如果x 射线测厚仪测量不准或精度不高，再好的控制系统也将无法保证最终 产品的厚度板形的质量要求。因此x 射线测厚仪的测量精度对最终产品的质量影 响很大，提高x 射线测厚仪的测量精度必然也会对提高板带钢产品的质量精度起 到积极的作用。 梅山热轧厂在2 0 0 2 年5 月以前使用d m c 8 0 0x 射线测厚仪测量带钢中心线 厚度，在2 0 0 2 年5 月技改以后使用r m 3 1 2 测厚仪测量带钢横断面厚度，并计算 出中一心线厚度、凸度楔形等信号送给控制系统。在长期使用和维护x 射线测厚仪 的过程中，发现影响x 射线测厚仪在线测厚精度的因素很多，并且在r m 3 1 2 的 使用中还发现一些影响其测量精度的问题。本文将对影响x 射线测厚仪测量精度 的因素进行系统研究，并结合我厂x 射线测厚仪使用的实际情况，总结出维护检 修时保证测厚仪测量精度的一些注意事项，同时针对r m 3 1 2x 射线测厚仪存在的 影响测量精度的问题进行研究并提出解决方案，提高r m 3 1 2 测厚仪在线测量精 度。这些研究工作对于提高r m 3 1 2x 射线测厚仪的测量精度，提高我厂板带钢产 品质量，并且对指导x 射线测厚仪的选型、检修维护工作等都具：有积极意义。 本文研究的主要内容包括： 1 x 射线测厚的基本原理。研究了x 射线的性质，x 射线的产生装置、 影响x 射线产生的因素、x 射线的常用检测装置、x 射线测厚的基本原理等。 2 实用型x 射线测厚仪的工作原理。研究了我厂使用的d m c 8 0 0x 射 线测厚仪的硬件结构、标定原理、补偿功能等，以及r m 3 1 2x 射线测厚仪的硬件 结构、标定原理、立体测量原理等。 3 提高x 射线测厚仪测量精度的研究。包括提高测厚仪灵敏度、降低 统计噪声的分析、管电压波动对测厚精度的影响、补偿射线强度变化对测厚精度 的影响、自动标准化接口程序的改进、合金补偿功能的改进、提高高温计测温精 度对提高测厚仪测厚精度的影响、通过线高度对测量精度的影响，r m 3 1 2 立体测 i i 东北大学硕士学位论文摘要 量功能的改进、消除现场冷却水的影响提高测量精度的研究等。 研究过程主要通过查阅并消化d m c 8 0 0 、r m 3 1 2 x 射线测厚仪以及与x 射线 测厚有关的技术资料，深入了解x 射线测厚原理，同时通过数学解析和实验的方 法剖析影响x 射线测厚精度的因素以及有关测量补偿功能的计算方法，解决影响 测量精度的相关问题。 通过研究总结出的在维护检修x 射线测厚仪时的注意事项，必然会对保证测 厚仪测量精度起到重要作用。针对r m 3 1 2x 射线测厚仪存在的影响测量精度的问 题进行研究并提出了解决方案，其中有些已经实施，实验结果证明可以明显提高 r m 3 1 2 测厚仪在线测量精度。当然由于作为用户方无法修改该测厚仪的源程序， 有些研究只能局限于初步的理论研究阶段，但是这些研究对于该种测厚仪的改进 以及今后的技改项目中对测厚仪的选型是有一定参考价值的。如果通过和测厚仪 厂家的合作，通过修改源程序应该能够解决问题，并且可以提高测厚仪的在线测 量精度。 总之这些研究工作对于提高x 射线测厚仪的测量精度，提高我厂板带钢产品 质量，并且对指导x 射线测厚仪的选型、检修维护工作等都具有积极意义。 【关键词】x 射线测厚仪凸度仪立体测厚合金补偿 i i i 查些查兰翌主堂堡垒圭 垒曼! ! 坠兰三 r e s e a r c hi ni m p r o v i n ga c c u r a c yo f x - - r a yt h i c k n e s sg a u g e a b s t r a c t t h eh o ts t r i px - r a yt h i c k n e s sg a u g e sh a v et w ot y p e s c e n t e r - l i n et h i c k n e s sg a u g ea n d p r o f i l eg a u g e t h ec e n t e r l i n e t h i c k n e s sg a u g ei su s e dt op r o v i d es t r i pc e n t e r - l i n et h i c k n e s s f e e d b a c ks i g n a lf o ra g cs y s t e m ，a n dt h ep r o f i l eg a u g eg e n e r a t ec r o w n ，w e d g e ，e t c ，s i g n a l so fs t r i p a n d s e n dt os h a p ec o n t r o ls y s t e m i ft h ex - r a yt h i c k n e s sg a u g e sa r e n ta c c u r a t e ，e v e nt h eb e s t c o n t r o ls y s t e m sw i l ln o ta s s u r eg o o dt h i c k n e s sa n ds h a p eq u a l i t yo f f i n a lp r o d u c t s s o ，t h ea c c u r a c y o fx - r a yt h i c k n e s sg a u g e sh a v eab i gi n f l u e n c et of i n a lp r o d u c t sq u a l i t y , a n di m p r o v i n gx r a y g a u g e sa c c u r a c yw i l lh e l pt oi m p r o v et h ep r o d u c t sq u a l i t yn e c e s s a r i l y b e f o r em a y2 0 0 2m e i s h a nh o ts t r i pm i l lu s ed m c 8 0 0x r a yt h i c k n e s sg a u g et om e a s u r e c a n t e r - l i n et h i c k n e s s a f t e rt e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o ni n2 0 0 2 ，t h er m 31 2x r a yt h i c k n e s sg a u g ei s u s e dt om e a s u r es t r i pp r o f i l e ，c e n t e r - l i n et h i c k n e s s ，c r o w n ，w e d g e ，e t c a n ds e n dt oc o n t r o ls y s t e m d u r i n gu s i n gt h e s eg a u g e s ，1f o u n dt h a tt h e r ea r es om a n yf a c t o r i e sa f f e c t i n go n l i n ea c c u r a c yo f t h e x - r a yg a u g e s a n ds o m eo f t h e mh a v ea f f e c t e dt h ea c c u r a c yo f r m 3 1 2g a u g e t h i sd i s s e r t a t i o nw i l l r e s e a r c ht h e s ef a c t o r i e sa n dm a k eas u m m a r yo fn o t i c eo fm a i n t e n a n c e ，a n df i n do u ts o l u t i o nt o e n s u r eo ri m p r o v eo n l i n ea c c u r a c yo fr m 32g a u g e t h i sw i l lh a v ea ng o o de f 凳c to ni m p r o v i n g a c c u r a c yo f r m 3 1 2x r a yg a u g ea n dh o ts t r i pp r o d u c t sq u a l i t y , a n dh e l pt og u i d em o d e ls e l e c ta n d m a i n t e n a n c eo f x - r a yg a u g e s t h em a i nc o n t e n t so f t h ep a p e ra sf o l l o w i n g ： 1 t h eb a s i cm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e t h ex - r a y sc h a r a c t e r , g e n e r a t i o nc o n d i t i o n ，t h e p r i n c i p l eo f g e n e r a t i o nd e v i c ea n dt h ef a c t o r i e sa f f e c t i n gx r a yg e n e r a t i o na r ed e s c r i b e d 2 t h ep r i n c i p l eo f t h ep r a c t i c a lx - r a yt h i c k n e s sg a u g e s t h eh a r d w a r es t r u c t u r e ，c a l i b r a t i o n p r i n c i p l e ，c o m p e n s a t i o no fd m c s 0 0t h i c k n e s sg a u g ei sa n a l y z e d t h eh a r d w a r es t r u c t u r e ， c a l i b r a t i o np r i n c i p l ea n dt h es t e r e op r o f i l em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fr m 312p r o f i l eg a u g ea r e a n a l y z e da l s o 3 r e s e a r c hi ni m p r o v i n gm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fx - r a yt h i c k n e s sg a u g e t h e s er e s e a r c h i v 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n c l u d ei m p r o v i n gs e n s i t i v i t y , r e d u c i n gs t a t i s t i c a ln o i s e ，t h ee f f e c to f v a r i a t i o ni nx - r a yt u b ev o l t a g e ， b e a mi n t e n s i t y ，a n dp a s sl i n eh e i g h t ，i m p r o v eo na u t o m a t i cs t a n d a r d i z ei n t e r f a c ep r o g r a m ，a l l o y c o m p e n s a t i o nf u n c t i o na n dt h es t e r e op r o f i l em e a s u r e m e n tf u n c t i o no fr m 31 2 ，i n f l u e n c eo f p y r o m e t e r sa c c u r a c y o nt h i c k n e s sg a u g e sa c c u r a c y , e l i m i n a t i n gi n f l u e n c eo fc o o l i n gw a t e rt o i m p r o v ea c c u r a c yo f t h i c k n e s sm e a s u r e m e n t d u r i n gt h i sr e s e a r c h ，ir e f e rt os o m et e c h n i c a lm a t e r i a la b o u tx - r a yg a u g i n ga n dt h em a n u a l so f d m c 8 0 0a n dr m 3 t2g a u g et ou n d e r s t a n dx - r a yg a u g i n gt h e o r yt h o r o u g h l y a ts a m et i m e m a t h e m a t i c sa n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a t i o ni su s e dt oa n a t o m i z ei n f l u e n c ef a c t o r i e so fx - r a y g a u g i n ga c c u r a c ya n dc a l c u l a t i o nm e t h o do f r e l a t e dc o m p e n s a t i o nt os o l v ec o r r e l a t i v ep r o b l e m t h eg a i n e ds u m m a r yo fm a i n t e n a n c en o t i c em u s th a v ea ni m p o r t a n te f f e c t0 1 3e n s u r i n gx - r a y t h i c k n e s sg a u g e sa c c u r a c y r e s e a r c hi ns o m ep r o b l e mo fr m 3 1 2t h a tc o u l di n f l u e n c em e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n df o u n d o u ts o l u t i o n ，s o m eo ft h e s eh a v e b e e ni m p i e m e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s e s o l u t i o n sc a ni m p r o v eo n l i n ea c c u r a c yo fr m 3 1 2g a u g e o fc a u s e ，a su s e r1c a n n o tm o d i f yt h e s o u r c ec o d eo f r m 3 1 2g a u g e ，s os o m er e s e a r c h i sp r i m a r ya n d t h e o r e t i c b u t t h i sr e s e a r c h i su s e f u l t or m 312g a u g e si m p r o v e m e n ta n dm o d e ls e l e c ti nf u t u r e t h i sw i l lh a v ea g o o de f f e c to n i m p r o v i n ga c c u r a c yo fr m 31 2x r a yg a u g ea n dh o ts t r i pp r o d u c t sq u a l i t y , a n dh e l pt og u i d em o d e l s e l e c ta n dm a i n t e n a n c eo fx - r a yg a u g e s i nc o n c l u s i o n ，t h e s er e s e a r c hw o r k sa r eu s e f u lt oi m p r o v i n gm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo fx - r a y t h i c k n e s sg a u g e sa n dq u a l i t yo f s t r i pp r o d u c t s ，m o d e ls e l e c ta n dm a i n t e n a n c ew o r ko f x - r a yg a u g e s k e yw o r d sx - r a yt h i c k n e s sg a u g e p r o f i l eg a u g e s t e r e o s c o p i ct h i c k n e s sm e a s u r e m e n t a l l o yc o m p e n s a t i o n v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以注释和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人签名： 日期：够矽弓p 东北大学硕士学位论文笫1 章序言 第1 章序言 1 1 引言 随着国家建设的飞速发展，许多部门对板带钢的需求量越来越大，同时对其 质量要求也越来越高，尤其是加入w t o 以后，国内各大钢铁企业不仅面临国内 同行的竞争，更要面对国外著名钢铁公司如韩国普项、日本新日铁等超一流企业 的竞争。在努力降低成本的同时，所有板带钢生产厂家都面临着非常类似的问题， 即改进板带钢产品的质量。一般来说，提高产品质量是否成功很大程度上取决于 对下列关键问题的理解程度：“ ( 1 ) 质量参数的定义； ( 2 ) 目前和将来市场的质量要求； ( 3 ) 质量参数的测定； ( 4 ) 影响产品质量的因素； ( 5 ) 提高质量的工艺操作特性； ( 6 ) 每个特定场合最优工艺的选择。 由此可见如果提高质量参数的测定精度是提高产品质量的一个关键问题，而 厚度作为板带钢的主要质量参数，厚度精度是考核板带钢质量的重要指标。 板带钢厚度控制包括纵向( 中心线) 厚度控制和横向厚度控制”，前者是厚 度自动控制系统( a g c ) 所要解决的问题，后者是板形控制系统需要解决的问题。 无论是中心线厚度自动控制系统还是板形控制系统都需要测厚仪提供快速准确的 厚度( 包括中心线厚度和横向厚度) 测量反馈数据，使得其能够对厚度进行快速 有效的控制。 因此，提高测厚仪的测量精度对于板带钢厚度( 包括中心线厚度和横向厚度) 精度的提高具有积极的意义。 1 2 射线测厚技术的发展 目前国内外冷热轧厂用于测量板带钢厚度使用最多的测厚仪是x 射线测厚仪 和y 射线( 同位素) 测厚仪。”“ 东北大学硕士学位论文第1 章序言 y 射线测厚仪的优点是：产生单色光，能量可以很大，厚度测量范围较大； 结构简单，稳定性好，造价便宜。其缺点是：强度很小( 比x 射线管小2 - 3 个数 量级) ，能量不可调，性噪比不高；y 射线不能象电子设备一样本质关闭，另外同 位素测厚仪在产生测厚所需的射线以外还会产生难以控制的中子，这也是安全问 题的本源。 比较而言，x 射线测厚仪具有强度高，能量可调，性噪比高，响应快等优点， 另外x 射线可以通过断电而本质关闭，安全性能相对较好。缺点是：由于存在x 射线源及相关控制系统以及辅助的冷却保护系统，其结构较复杂，造价也很高， 不易测量大厚度板带钢；另外由于x 射线源存在k v 电压、灯丝电流的波动漂移 问题，会导致额外的一些噪声、漂移等问题，稳定性不如同位素测厚仪好。由于 科学技术的飞速发展，新工艺和新技术不断应用，x 射线测厚仪的测量范围增大， 性能不断提高，在板带钢生产中的应用越来越广泛。丽y 射线测厚仪由于其安全 性问题，使用须有严格的管理制度，稍有不慎就可能造成人员伤害，所以近年来 有使用逐渐减少的趋势。 射线测厚仪包含透射式和反射式两种类型【2 | ，用于板带钢厚度测量的属于透射 式测厚仪。透射式射线测厚仪基于这样的原理：射线在穿透材料后，其辐射强度 会由于被材料吸收而削弱。下图显示的是x 射线穿透厚度为x 的材料时的情况1 3 】。 x 图1 1x 射线洲厚基本原理示意图 f i g 1 1x - r a yg a u g i n gb a s i cp r i n c i p l es k e t c h 穿过样板的射线强度为 i = i oe “x 这里i o 为入射线的强度，i 为出射线的强度，x 为钢板厚度，p 为材料的线性 2 东北大学硕士学位论文第1 章序言 吸收系数。如果已知i o 、u ，根据测量到的i 就可以计算出钢板厚度x 。式( 1 1 ) 是射线测厚仪的理论基础。 典型的射线( 透射式) 测厚仪现场设备一般具有c 形结构，其内部基本组成 如下： 一探测器 c 形架 图1 2 c 形架示意图 f i g 1 2cf r a m es k e t c h 在c 形架内部，板带钢的一侧安装有用于检测射线强度的探测器，另- n 安 装有用于产生射线的射线源以及用于系统自动校准( 标定) 的标准板库。 由于u 随材料的合金成份、温度以及射线的能量的不同而不同，难于精确测 定，另外现场环境会不断变化、射线强度检测也会随c 形架的变形以及现场环境 的不断变化而受到影响，而且设备本身也会存在一定的电子漂移，因此实用的射 线测厚仪一般使用标定的原理，通过使用已知厚度的标准样板进行在线标定，记 录对应不同厚度样板的探测器信号，并使用曲线拟合的方法预先建立厚度和探测 器信号的关系曲线。实际测量时首先使用标准板库中的内部样板进行自动标定， 对任何漂移进行补偿，然后根据探测器信号并使用标定曲线计算出厚度值，再对 计算厚度进行必要的合金补偿和温度补偿等，最终得到板带钢的实际厚度。 为了充分发挥x 射线测厚仪和v 射线测厚仪的先天优势，a b b 公司开发出y 射线和x 射线复合测厚仪”1 ，它兼有y 射线和x 制线两种测厚仪的优点，利用x 射线测厚仪的低信噪比，同时具有同位素测厚仪的稳定性。 如图所示，沿着带钢中心线方向上并排安装了两个传感器以检测板厚。x 射 线测厚仪用来对带钢厚度作初步检测、控制以及进行数据记录，而同位素测厚仪 则利用其稳定性为x 射线测厚仪不断地提供测量修正值。 3 东北大学硕士学位论文 第1 章序言 x 射线 测厚仪 图1 3a b b 公司开发的同位素和x 射线复合测厚仪 f i g 1 3i s o t o p ea n dx - r a yc o m p o s i t et h i c k n e s sg a u g ed e v e l o p e db ya b b 最典型的射线测厚仪通常只有一个放射源和一个探测器，如果带钢不平直或 不水平，那么射线束就会与钢板不垂直，而该种测厚仪无法检测到该情况并对其 进行有效修正，从而造成测量误差。 为了修正这种误差，英国有人提出一种同位素测量系统”3 ，如图所示。它使 用两个射线源和两个探测器，其两个射线源发出的射线在钢板内部是相交的，而 且只有带钢是平直( 水平) 的时候，所检测到的两种厚度值才一致，因此根据两 个探测器的信号可以计算出带钢当时的倾斜角度，并用于倾斜的修正。 图1 4 双检测器测量系统 f i g 1 4d o u b l ed e t e c t o r sg a u g i n gs y s t e m 以上叙述的是板带钢中心线厚度射线测厚仪的发展情况，为了测量板带钢沿 宽度方向( 横向) 的厚度分布，日本川崎制铁公司”1 研制了横向厚度测厚仪( 断 4 东北大学硕士学位论文第1 章序言 面形状检测器) ，如图所示。 固定式射 线测厚仪 图1 5 扫描式测厚仪 f i g 1 5s c a n n i n gp r o f i l eg a u g e 它主要由下面部分构成。 ( 1 )固定式测厚仪，测量带钢中心厚度 ( 2 ) 扫描式测厚仪，沿着与轧制方向垂直的方向往复运动，测量带钢的横 向厚度。 ( 3 ) 断面形状计算机。 计算机根据固定式测厚仪和扫描式测厚仪获得的两个测量值之差计算出带钢 横向厚度分布，扫描式测厚仪的扫描速度变化范围为1 8 1 8 m s 。横向厚度分前i 测厚仪的另一种设计是加装一台与第一台扫描式测厚仪反向运动的扫描式测厚 仪，可以提高扫描速度。 日本新日铁公司“3 研制出另一种提高扫描速度的方法，如图所示。这种方法 按下面的方式采用3 台测厚仪。 ( i ) 一台固定式测厚仪用于测量带钢中心厚度： ( 2 ) 另两台测厚仪从两边扫描必要的距离，测量带钢的边部厚度。 5 东北大学硕士学位论文第1 章序言 剧定测 边部扫描测厚仪 圈1 6 带有3 台测厚仪的横断面厚度测量系统 f i g 1 6p r o f i l em e a s u r e m e n ts y s t e mc o m p o s e do f t h r e eg a u g e s 可以看出，测量3 0 的带钢宽度就可以比较精确估算出带钢的断面形状。用 这种方法每隔2 s 从每边扫描3 0 0 r a m 的距离就可以测量出带钢断面形状。根据从测 厚仪收到的数据，采用最小二乘法，用4 次函数来近似带钢断面形状。 美国i m s 公司。1 研制的断面形状测厚仪如下图所示。采用两个铯1 3 7 放射源 安装于c 形架上臂，共发出5 4 条射线束，它们沿带钢宽度排成平行的两排。沿整 个带钢宽度方向排列的多通道探测器同时精确地测量带钢断面形状，可以不管带 钢的平直度和坡度的方向。每隔1 0 m m 宽测量一次带钢，c 形架与轧制方向成直角 摆动，每隔通道每秒覆盖8 0 m m 的带钢宽度。在2 秒的摆动周期内沿带钢每隔1 0 m m 的间隔，可以测量2 次带铜厚度。 图1 7 i m s 横断面测厚仪 f i g1 7 m sp r o f i l eg a u g e 6 东北大学硕士学位论文第1 章序言 以上几种板带钢测厚仪的性能分析如下： 1 ) 对于使用x 射线的测厚仪由于其能量可以根据板带钢厚度进行调节， 可以保证较好的性噪比，而且由于工艺技术的不断发展，x 射线源的稳 定性不断提高，另外由于x 射线测厚仪的安全性较好，其应用越来越普 遍。对于使用y 射线的测厚仪，其稳定性好，缺点是能量不可调，故性 噪比校差，另外其操作维护需要非常严格的管理制度。 2 ) 对于单纯用于测量板带钢中心线厚度的测厚仪，采用单射线源一探测 器的系统无法修正由于带钢不平造成的测量误差，对于采用双射线源探 测器的系统，可以根据两个探测器的测量值，计算出带钢的倾斜角度， 对带钢不平造成的测量误差进行修正。 3 ) 对于使用c 形架来回扫描来测量板带钢横向厚度分布的系统，由于c 形架扫描速度不可能很快，而板带钢速度通常很快( l o m s ) ，一块带 钢通常只能测量几次的断面厚度。而且带钢的不平直对其测量精度影响 较大，另外它测量的其实是带钢对角线方向上的断面厚度分布，而不是 真实的横断面厚度分布。采用三c 形架的系统的投资也较大。 4 ) i m s 断面形状测厚仪，使用两束扇形y 射线束，两个平行排列的探测 器阵列，同时测量带钢横断面，可以修正带钢不平造成的测量误差。同 时虽然探测器的宽度为1 0 m m ，但是由于采用c 形架横向摆动，其横向分 辨率高。缺点是由于c 形架横向摆动，会带来一定附加震动，对测量会 造成一定影响。 二十世纪9 0 年代末r a d i o m e t r i e “”公司研制开发出r m 3 1 2x 射线瞬间横断面 测厚仪，采用位于带钢上方的两个x 射线源，发出两束覆盖带钢宽度的扇形x 光 束，并使用旋转式交替快门使得对两个射线源交替曝光( 每5 m s 曝光一次) ，对板 带钢进行快速交替测量，并采用位于带钢下方的一列闪烁晶体探测器阵列( 每个 探测器单元间隔6 m m ) 对x 射线进行检测。其测量精度可不受带钢位置变化的影 响，而且可以快速测出带钢横断面厚度分布，它还自带扫描式高温计对带钢宽度 方向上每点温度进行测量用于横断面厚度的温度补偿。除了横断面厚度测量外， 它还提供快速的带钢中心线厚度输出用于a g c ，以及带钢宽度信号、边缘位置信 号输出等。因此其测量精度、横向分辨率以及功能等方面都比以前的类似产品有 较大的提高。 7 东北大学硕士学位论文第1 章序言 国外生产制造板带钢x 射线测厚仪的厂家较多，有r a d i o m e t r i e 、i m s 、t o s h i b a 、 c i g i 、g l o b a lg a u g ec o r p o r a t i o n 等公司。国内能够生产制造x 射线测厚仪的厂家和 科研单位极少，无论在测量精度、响应时间、可靠性和稳定性等方面都有待进一 步提高。1 1 3 课题的提出 我厂( 梅山热轧厂) 在1 9 9 4 年投产至2 0 0 2 年5 月使用美国d m c 公司制造的 d m c 8 0 0 ( 单射线源一探测器) 测厚仪进行带钢厚度的在线测量，2 0 0 2 年5 月6 月对主轧线系统进行了大技改，在f 6 精轧机架出口新增了一台英国r a d i o m e t r i e 公司制造的r m 3 1 2x 射线横断面测厚仪，取代了以前的d m c 8 0 0x 射线固定式中心 测厚仪以及c 形架扫描式横断面测厚仪。 r m 3 1 2x 射线测厚仪向l 1 系统提供的快速的中心线厚度偏差性号用于a g c 控 制，向l 2 板形设定模型提供凸度、楔形等性号用于板形控制，其在保证产品的厚 度质量和板形质量的作用是至关重要。如果x 射线测厚仪测量精度不高，再先进 可靠的a g c 系统和数学模型都无法保证最终产品的厚度、板形质量的高精度要求。 因此保证甚至提高x 射线测厚仪的测量精度的研究工作意义重大。 在多年使用和维护x 射线测厚仪的过程中，发现影响x 射线测厚仪在线测厚 精度的因素很多，包括测厚仪的系统设计、使用维护人员对系统测厚影响因素的 认识程度、维护检修质量、现场环境的保证等多方面。本文将对x 射线透射式测 厚技术进行系统研究，对影响x 射线测厚的各种影响因素进行分析，对能够有效 保证或提高x 射线在线测厚精度的方法进行探讨。 在r m 3 1 2 的使用维护过程中，发现其还存在一些不足之处，对测量精度会造 成一定影响。具体有如下几点： 1 )根据计算出的带钢两个边缘位置计算出一个带钢倾斜角度，带钢宽度 方向上各测量点都使用这个统一角度进行角度补偿，如果带钢横截面不是 直线而是曲线，会造成角度补偿的不准确。 2 ) 由于实测带钢的实际合金成份百分比可能和合金补偿表中输入的合 金成份百分比不同，会导致合金补偿的不准确。 3 ) 扫描高温计存在测量不准现象，可能会导致温度补偿不准。 8 东北大学硕士学位论文 第l 章序言 4 ) l i 的标定接口程序存在缺陷，经常导致标准化失败。 5 ) 在线测量时辊道冷却水对测量会造成一定影响。 本论文将对r m 3 1 2 测厚仪存在的以上问题进行研究探讨，并试图提出对应可 行的解决方案。当然由于作为用户方无法修改该测厚仪的源程序，有些研究只能 局限于初步的理论研究阶段，但是这些研究对于该种测厚仪的改进以及今后的技 改项目中对测厚仪的选型是有一定参考价值的。如果通过和测厚仪厂家的合作， 通过修改源程序或系统结构应该能够解决以上问题，可提高测厚仪的在线测量精 度。 ，9 东北大学硕士学位论文第2 章x 射线测厚基本原理 第2 章x 射线测厚基本原理 2 1x 射线的性质 1 8 9 5 年1 j 月8 日德国物理学家伦琴威廉康拉德( w c r o n t g e n ) 】在作 阴极射线管的试验时，出乎意料地发现了一种肉眼看不见的“光线”，它能穿透许 多物质，并能使铂氰化钡发出荧光。由于当时对这种射线还不够了解，便借用数 学上代表未知数的符号，给它起名叫“x 射线”，简称“x 光”。后来，人们为了 纪念伦琴的功绩，又把x 射线称为伦琴射线。 x 射线的发现在人类科学史上具有极具重要的意义，它为自然科学和医学开 辟了一条崭新的道路。从伦琴发现x 射线到现在的1 0 0 多年时间里，x 射线目益 广泛地应用在物质结构分析、医学诊断和治疗、工业探伤和厚度测量等方面，并 且都发挥了巨大作用。 2 1 1x 射线的本质 对x 射线本质的认识是在1 9 1 2 年，德国物理学家劳厄等人利用晶体作衍射 光栅成功地观察到了x 射线的衍射现象从而证实了x 射线的本质是一种电磁波。 x 射线是整个电磁谱中的一部分，其波长介于紫外线和y 射线之间，大约在1 埃 左右，其光子能量大，能使物质产生电离，属于电离辐射。 x 射线和其它电磁波一样，同样具有波动性和粒子性。x 射线的波动性主要 表现在以一定的波长和频率在空间传播，它的粒子性主要表现在以光子的形式在 辐射和吸收时具有能量、质量和动量。 2 1 2x 射线的特征 ( 一) 物理效应 1 穿透性：x 射线的波长短，光子能量大，故穿透物质的能力强。x 射线在穿透 物体的过程中与物体发生光电效应等物理现象导致部分射线被物体吸收，因此 x 射线的穿透性不但与其波长有关还与物质的性质结构有关。一般高原子序数 物质，密度大，吸收x 射线多，穿透性差。板带钢厚度x 射线测厚仪正是利 用了x 射线较强的穿透性。 2 荧光作用：当x 射线照射某些物质时，能激发出可见的荧光，具有这种特性 】0 东北大学硕士学位论文第2 章x 射线测厚基本原理 的物质称为荧光物质，如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等。荧光物质 受x 射线照射照射，则物质的原子被激发或电离，当恢复基态时，便发射出 可见的荧光。我们可以利用x 射线的荧光作用来测定x 射线的辐射量，如使 用闪烁晶体等。 3 电离作用：具有足够能量的x 射线的x 射线光子不仅能击脱物质原子的轨道 电子产生一次电离，脱离原子的电子又与其它原子碰撞，还会产生二次电离。 在固体和液体中电离后的正负离子能很快地复合，不易收集，但气体中的电离 电荷却很容易收集起来，我们可用电离电荷的多少来测定x 射线的照射量。 多种测量照射量的探头，如电离室、正比计数管等都是利用这个原理制成的。 4 热作用：物质吸收的x 射线能，最终绝大部分都将变为热能，物体温度升高。 测定吸收剂量的量热法就是利用x 射线的热作用。 5 干涉、衍射、反射、折射作用： ( 二) 化学效应 1 感光作用：x 射线和可见光一样，具有光化作用，可使照像乳剂感光。它被应 用于应用在人体及工业制品的x 射线摄影检查、x 射线照射量及其分布的测 定上，当初伦琴也是借助这个特性来发现x 射线的。 2 着色作用：某些物质经x 射线长期照射后，其结晶体脱水而渐渐改变颜色。 ( 三) 生物效应 x 射线是电离辐射。生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的x 射线照 射后，可以产生遗址、损伤、甚至坏死。人体组织经x 射线照射后，视其对x 射 线敏感程度的不同，而出现种种反应，这一作用可在放射治疗中得到充分应用。 当然，x 射线对人体的正常组织也会造成损伤作用，因此必须加以防护。 2 1 3x 射线的量和质 x 射线的强度是指垂直于x 射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过 的光子数目和能量的总和。显然，x 射线强度l 是由光子数目n 和能量hv 两个 因素决定的。在实际应用中，常用量和质来表示x 射线的强度。量是x 光束中的 光子数，质是光子的能量，也就是穿透力。 对于由相同能量的光子组成的单能辐射其辐射强度为： i = n hv( 2 1 ) 式中， lj 东北大学硕士学位论文第2 章x 射线测厚基本原理 n 一一每秒通过单位面积的光子数 hv 一一光子能量 由于辐射是由一切可能能量( 由0 到最大值e m a x ) 的光子组成的连续谱， 其辐射强度为： m a x = f n ( e ) d e ( 2 2 ) 0 由于x 射线光子的能量大，贯穿本领强，因此直接而准确地测量x 射线的量 是困难的，但可利用x 射线的特性，用间接的方法来测量。在实际应用中我们可 利用x 射线的电离、荧光等特性制成各种探测器来测量x 射线的辐射量。 x 射线的管电流决定于阴极灯丝电流，管电流愈大表明阴极发射的电子数愈 多则电子撞击阳极产生的x 射线量也愈大。 x 射线的质又叫线质，它表示x 射线的硬度，即贯穿物质本领的大小。x 射 线的质只与光子能量有关而与个数无关。 在x 射线应用中常以x 射线管管电压( 即激发电压) 的k v ( 千伏) 值来近 似描述x 射线的质。管电压对阴极电子加速使其获得足够能量撞击阳极靶而产生 x 射线，管电压愈高，电子从电场中得到的速度愈高，撞击阳极靶的力量愈强， 产生的x 射线就有愈大的贯穿本领。所以管电压能反映x 射线的质。 管电压愈高，不仅x 射线的穿透力愈强，而且也提高了x 射线的强度。x 射 线的强度i 与管电压v 和管电流i 有如下关系： i = k i v “( 2 _ 3 ) 系数k 取决于高压整流方式，指数1 3 由x 射线束的滤过条件所决定，在通常 情况下可取n = 3 。 2 2x 射线的产生 x 射线被发现后，人们努力研制产生x 射线的设备，发现了每当高速带电粒 子撞击物质而突然受阻减速时都能产生x 射线的规律。在实际应用中，用于获得 x 射线的带电粒子都是电。现在所用的一使用x 射线源都是利用高速电子撞击靶 物质而产生的。产生x 射线必须具备三个基本条件： 1 ) 要有一个电子源，能根据需要随时提供足够数量的电子，这些电子在电场 作用下射向阳极，形成管电流。 2 ) 要有一个能经受高速电子撞击而产生x 射线的靶。 】2 东北大学硕士学位论文第2 章x 射线测厚基本原理 3 ) 要有高速电子流。为获得高速电子流需具备两个条件： 其一，有一个高电压产生的电场，使电子从中获得高速运动能。 其二，有一个真空度较高的空间，以使电子在运动中不受气体分子的阻 挡而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。 x 射线管具备了产生x 射线的三个基本条件。因此，实际应用中的x 射 线都是在x 射线管中产生的。现在使用的x 射线管一般为热电子x 射线管， 它在真空管中利用加热灯丝发射的热电子作为电子源，形成高速电子流。其 结构示意图大致如下： x 射线 图2 1x 射线管结构示意图 f i g 2 1x - r a yt u b es t r u c t u r e x 射线管 在特制的玻璃管中封入两个电极，一个是发生和发射热电子的阴极，另一个 是阳极也叫阳靶。管内真空度高于1 0 - 6 毫米汞柱。x 射线管中阴极射线的产生完 全由灯丝的热电子发射提供。热电子式x 射线管能根据产生随意可调的x 射线。 x 射线管的阴极由钨丝绕制而成，当钨丝加热到2 2 0 0 时才能发射一定数量 的电子，温度愈高放射的热电子愈多。当阴极和阳极之间加上高电压时，这些从 灯丝中蒸发出来的热电子在强电场的作用下奔向阳极而形成管电流，管电流通常 以m a 为单位，当每秒钟奔向阳极的电子数为6 2 5 x1 0 1 5 个时，其管电流为1 m a 。 x 射线管的阳极的主体是用铜圆柱体制成，在其对着阴极的端面上镶嵌着一 块长方形或正方形的小钨板，这块小钨板称为钨靶，它是高速电子撞击的目标， 也是产生x 射线的地方。为什么阳极要成设计这样的结构昵? 因为从阴极飞来的 13 东北大学硕士学位论文第2 章x 射线测厚基本原理 高速电子的动能，其9 9 以上都在阳极上变成了热能，只有不到1 的能量变为x 射线能。因此，x 射线管在工作时阳极将产生很高的温升，这就要求阳极材料既 要熔点高又要导热性好，以便能把热量尽快地传到管外，降低温升，提高x 射线 管的使用功率。另外，靶物质的原子序数要高，这样可提高x 射线产生的效率。 根据上述要求，发现单独选用哪一种材料都不能得到满意的效果。铜的导热性能 好，但熔点( 1 0 3 8 ) 和原子序数( z = 2 9 ) 却较低；钨的原子序数( z = 7 4 ) 和 熔点( 3 3 7 0 。c ) 虽然很高，但导热性能较差，结合两种的优点，用铜做阳极的主 体，钨做阳极的靶面，就能得到很好的效果。 x 射线的产生装置 根据x 射线的产生原理，人们研制了一整套将电能转变为x 射线能的装置， 该装置称为x 射线源。x 射线源的主要包括： 1 ) x 射线管：x 射线源的心脏，产生x 射线的关键部件 2 ) 高压发生器：x 射线管需要的电能应满足两个要求，一个是使x 射线管灯 丝加热而放散电子：另一个是使这些电子加速奔向阳极。因此高压发生器 分别设有灯丝电路和高压电路。x 射线源示意图如下： x 射线管 门 灯丝变压器 7 而1 高压变压器 图2 2x 射线源结构示意图 f i g 2 2x - r a ys o u r c es t r u c t u r e 通过改