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摘要 x 射线测厚仪的研制 摘要 本文深入研究了x 射线透过物质时的衰减规律及x 射线测厚仪的测量原理和 方法。根据性能指标的预期目标对测量方案进行了总体设计，并对x 射线测厚仪 的主要部件进行了选型。 在硬件电路设计上，为了提高系统的分辨率，在前端电路板设计了4 路模拟 电路通道，并对各种干扰源进行了屏蔽及过滤，大大提高了x 射线测厚仪的测量 范围。信号处理板以1 6 位，l m 采样速率的a d 转换芯片及a r m 7 处理器为核心， 对模拟信号进行a d 转换及进行初步的数字信号处理，同时对系统各种状态进行 监测。 x 射线测厚仪数据处理、控制及显示的核心是主控制器。本文中主控制器采 用工控机，操作系统使用w i n d o w sx p ，利用v c 程序语言编写数据处理算法及进 行人机交互界面设计。在系统中实现了x 射线测厚仪的校正、合金补偿、标定、 曲线拟合等功能。 本文实现了通过手动输入合金成分进行合金补偿的功能，填补了国内空白。 最后利用已完成的实验室原理机测试，测量精度可达0 1 ，平均响应时间为ll m s 以内。 j 乒 关键词：x 射线测厚，合金补偿，曲线标定，信号处理 5 且 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i st h e s i s t h ea b s o r p t i o nd i s c i p l i n eo ft h ex r a yw h e nt h ex r a yp a s s e s t h r o u g ht h em a t e r i a l ，a n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h e o r yo fx - r a yt h i c k n e s s g a u g ew e r er e s e a r c h e dd e e p l y 珏et o t a lm e a s u r es c h e m ew a sd e s i g n e db a s eo nt h e d e s i r e dp r e f e r m e n t , a n dt h em a i nd e v i c e ss e r ec h o s e n i nt h eh a r d w a r ed e s i g n , i no r d e rt oi n c r e a s et h ei n s t r u m e n t a lr e s o l u t i o n , f o u r a n a l o gc i r c u i tc h a n n e l sw e r ed e s i g n e do nt h ep r e c i r c u i tb o a r d ；d i s t u r b i n gn o i s ew e r e s h i e l d e da n df i l t e r e dt h eo nt h ep r e c i r c u i tb o a r db ys p e c i a lp r o c e s s i n g i nt h i sc a s e ， t h em e a s u r er a n g ew a si n c r e a s e d i nt h ep r o c e s s i n gs i g n a lb o a r d ，a dw i t h16 b i ta n d lm s p sa n da i 蝴7m i c r o p r o c e s s o rw e r eu s e dt oc o n v e n e da n a l o gs i g n a lt od i g i t a l s i g n a l a n dp r e p r o c e s st h ed i g i t a l ，a sw e l la sm o n i t o r e da l ls t a t e so ft h es y s t e m 耶舱m a i nc o n t r o l l e ro ft h ex - r a yt h i c k n e s sg a u g ew a sm a i n l yu s e dt od a t ap r o c e s s i n g ， c o n t r o la n dd i s p l a y i nt h i st h e s i si p cw a su s e da sm a i nc o n t r o l l e r , w i n d o w s w a s u s e da so s ，v cp r o g r a ml a n g u a g ew a su s e dt op r o g r a m m i n gd a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m a n dh m i t h eb a s ef u n c t i o no ft h ex - r a y c k n e s sg a u g es u c ha sc a l i b r a t i o n , a l l o y c o m p e n s a t i o n , a n ds t a n d a r d i z a t i o nw a sr e a l i z e di nt h es y s t e m i i lt h i st h e s i s t h ea l l o yc o m p e n s a t i o nf u n c t i o nw a sr e a l i z e db yi n p u tt h er a t i o c o m p o s i n go ft h em a t e r i a l 1 1 1 i st e c h n o l o g yi sab r e a k t h r o u g hi nt h ef i l e do fx - r a y t h i c k n e s sg a u g ei no u rc o u n t r y i nt h ee n d ，b yt e s t i n go ft h em a c h i n ei nt h el a b o r a t o r y , t h ep e r f o r m a n c eo fs t a t i ca c c u r a c yw a s0 1 t h ea v e r a g er e s p o n s et i m ew a s1lm s k e y w o r d s ：x r a yt h i c k n e s sg a u g e ，a l l o yc o m p e n s a t i o n , c u r v ec a l i b r a t i o n , s i g n a l p r o c e s s i i 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 作者签名：戤 日 期：鱼础 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的 规定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅，可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：缢导师签名：捣逐撑 日 期：迎芝，! ! 护e l期：迎211z 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章引言1 1 1研究背景及选题依据l 1 2国内外x 射线测厚技术的发展及现状2 1 3 本文研究的主要内容4 1 4本章小结5 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现6 2 1x 射线的物理性质及其与物质的相互作用6 2 1 1 轫致辐射的产生6 2 1 2x 射线管的电压与轫致辐射波长的关系7 2 1 3x 辐射与物质的相互作用8 2 1 4x 射线衰减规律1o 2 2x 射线测厚仪测量原理1 2 2 3x 射线测厚仪系统各器件选型1 4 2 4x 射线测厚仪系统布局及测量流程1 7 2 5 本章小结1 8 第三章x 射线测厚仪硬件设计2 0 3 1 提高系统分辨率设计j 一2 0 3 2 前置放大电路的设计2 3 3 3 信号处理板硬件设计2 5 3 4 本章小结2 7 第四章x 射线测厚仪软件设计2 8 4 1 系统界面显示2 8 4 2 基本功能实现2 8 4 2 1 标定及曲线拟合2 8 i i i 目录 4 2 2 校正一3 1 4 2 3 合金补偿3 3 4 3 测量一3 8 4 4 数据储存、打印3 8 4 5 本章小结3 9 第五章提高精度的补偿算法研究4 0 5 1 在线自动合金补偿算法研究4 0 5 2 温度补偿4 5 5 3 通过线高度补偿4 6 5 4 角度补偿4 8 5 5 本章小结一4 9 第六章性能指标测试5 1 6 1 系统灵敏度51 6 2 静态精度指标5 2 6 3 响应时间5 2 6 4 重复性5 3 6 5 ：漂移5 4 6 6 量程5 5 6 7 结j 沧5 5 第七章总结与展望5 6 参考文献5 7 致谢5 9 攻读硕士学位期间已发表的论文6 0 附录a 系统界面6 1 附录b 实验条件6 1 i v ， 第一章引言 第一章引言 1 1 研究背景及选题依据 目前在板带金属材料的生产过程中的厚度测量主要有两种方式：接触式和非 接触式测量方式。接触式测量中，仪器的探头有可能给板带造成划痕，板带速度 较高时探头有可能发生跳跃而使测量精度下降。因此在板带金属材料生产过程中 的厚度测量，较少使用接触式测量方式，一般厂家都选择非接触式测量。 在非接触式厚度测量的方法中主要有：涡流测厚、超声波测厚、激光测厚、 射线测厚。涡流测厚和超声波测厚测量精度相对较低，但由于其对被测量物质的 形状要求不高，因此在管道厚度测量中得到广泛应用。激光测厚及射线测厚由于 测量精度相对较高，响应时间快，因此主要应用于板带金属材料在线厚度测量。 激光测厚原理为通过测距的方式测量板带金属材料厚度，精度较射线测厚仪低， 且受周围环境的浮尘、水雾的影响较大。而射线测厚仪由于射线源强度的限制， 难以穿透厚度较大的带钢。因此激光测厚仪广泛应用在中厚板生产领域，薄板带 的厚度测量通常使用射线测厚仪。 射线测厚仪根据使用射线源的不同又分为同位素测厚仪与x 射线测厚仪。同 位素测厚仪由于使用同位素放射源作为射线源从而给它带来了种种不便，首先在 生产装配测厚仪的过程中，为了保护装配人员的安全，在射线防护措施上将花费 不少的成本；其次对于同位素放射源库房的管理，也将是一笔不少的花销；再次 由于国家对同位素放射源管理非常严格，不管是买方还是卖方，都得经过相关部 门的许可才可进行，手续的办理非常麻烦。最后板带金属材料生产厂家的工人大 多没有接受过射线防护培训，为了安全生产，有些生产厂家不敢使用同位素测厚 仪。 基于以上的原因，我院研制的t c h 同位素测厚仪虽然在稳定性及精度等性 能指标上并不亚于国外测厚仪，且经过几年的投产得到成功应用，但还是不能得 到推广。 由于x 射线测厚仪具有射线可关闭功能，没有了放射源管理的烦恼，在安装 调试等环节上比较安全，在生产及销售时也少了很多繁琐的手续。且随着电子技 l 第一章引言 术的发展，加工工艺水平的不断提高，x 射线源的性能指标越来越好，其稳定性 已不是制约测厚仪测量精度的因素，x 射线测厚仪的响应时间相对于同位素测厚 仪来说又是个优势，因此使用x 射线源代替同位素源已成趋势。国内外各射线 测厚仪公司也早已研制出了x 射线测厚仪，近几年的发展趋势也暗示了在中小 厚度带钢的生产线上同位素测厚仪逐步让位给x 射线测厚仪。 随着我国经济的蓬勃发展，基础设施建设步伐的加快，国内对铝板、钢板、 黄铜等各种金属板带的需求与日俱增。各种金属板带生产厂家的创建与国内原有 厂家的技术改造给射线测厚仪提供了很大的市场，但国内市场基本上都被国外的 厂商占据了。主要原因是我国的射线测厚技术起步晚，在稳定性、精度、响应时 间等性能指标上相对较差。为提高自主创新能力，缩小在x 射线测厚技术上与 发达国家的差距，同时也为了提升产品的竞争力。我公司决定在现有的同位素测 厚仪技术的基础上研制x 射线测厚仪。 1 2 国内外x 射线测厚技术的发展及现状 用于板带材料在线厚度测量的x 射线测厚仪一般都有如图1 1 结构，其中x 射线源在一边，射线探测器在另一边，待测材料从中间穿过。当射线透过材料后， 其一部分能量被吸收与散射，通过测量透射后能量值来获取被穿过的材料的厚 度。 图1 1 射线透射原理图 穿过待测物后射线的强度为： i i = l o e 一 2 第一章引言 其中厶为x 射线原始强度，p 为线性衰减系数，t 为材料的厚度。根据厶、厶、 p 就可以算出材料的厚度【l 】。 在2 0 世纪5 0 年代美国就已经开始研制x 射线测厚仪，但受制于当时的科技 水平，x 射线源的稳定性不高，响应速度与精度等性能指标相对较差。为了提高 测量精度，使用双射线源进行测量，其中一个射线束通过标准样片，另一个射线 束通过待测材料，两个射线源管电流尽量保持一致【l 】。由于当时的计算机技术比 较落后，而x 射线的衰减强度与待测材料的厚度成指数关系，因此利用电子元 器件的组合进行线性化运算是个非常繁琐及复杂的过程。 到了2 0 世纪7 0 年代，为了提高测量精度，避免复杂的线性化过程，东芝公 司开发了3 0 6 a 型x 射线测厚仪。该仪器使用一个x 射线源，两个电离室进行 双通道测量。x 射线管出来的射线经过分光准直为两只x 射线束，一支为穿过 待测物的测量束，另一支为通过标准楔体的设定束。利用基准设定型双通道方式 测量板带材料厚度，时间能达到2 0 毫秒，但是精度稍微差点。 到了8 0 年代，随着计算机技术、电子技术的发展，x 射线源的稳定性有了 一定的提高，信号处理技术己由模拟信号转向数字信号处理。测量原理基本不变， 但方式发生了变化，由双通道测量方式变为单通道方式，并引入了计算机进行信 号处理及控制。如a b b 公司研制的x 射线测厚仪使用单通道测量方式，动态精 度理论上能达到0 2 5 ，响应时间达到了1 毫秒 3 1 。 由于当时x 射线稳定性不够好，这时a b b 公司使用同位素测厚仪给x 射线 测厚仪提供实时修正系数，从而构成了一个同位素和x 射线复合测厚仪【3 1 ，其结 构图如图1 2 所示。 图1 2 同位素x 射线复合测厚仪 第一章引言 二十世纪9 0 年代，d m c 公司的d m c 8 0 0 x 射线测厚仪又进一步提高了测量 精度、响应时间等各种性能指标，主要原因是x 射线源的稳定性也比原来提高 了，探测器的漂移更低了，而且引进了较高速的处理器及较稳定的总线技术。而 总的测量流程及方式没有较大的改变。 如今国外的x 射线测厚仪技术非常成熟，在国际上比较先进的有瑞美公司的 x 射线测厚仪及i m s 公司的x 射线测厚仪。根据最新资料表明，瑞美公司的 r m 2 1 5 m 1 的性能指标为： ( 1 ) 精度：0 1 或0 2 p , m 两者取最大值。 ( 2 ) 响应时间：用户可在1 0 和4 0 m s 之间调整。 ( 3 ) 测量重复性：0 0 5 或0 2 9 m 两者取最大值。 ( 4 ) 漂移：0 25 或o 5 9 m 两者取最大值。 目前国内较知名的x 射线测厚仪的厂家有北科合作仪表厂【4 】，其研制的x 射 线测厚仪精度已达到0 1 ，响应时间小于2 0 m s ，此性能指标完全满足一般的板 带金属如不锈钢板、铝板等材料厚度精度要求。与国外的x 射线测厚仪相比， 其稳定性及可靠性稍微差点。目前主要应用于中小型带钢、铝带等金属板带材料 生产厂家。此产品已经在中国申请了专利，研究其专利的内容，可知其测量原理 及流程与国外的x 射线测厚仪没有本质的区别，而导致其性能不及国外的x 射 线测厚仪原因可能有x 射线源的稳定性、探测器的稳定性、c 型架结构设计、 标准板的精度及补偿算法的实现尚有欠缺。 1 3 本文研究的主要内容 x 射线测厚仪的研制分为了三部分： ( 一) x 射线源的研制。 ( 二) c 型架结构设计、冷却系统设计、吹扫装置设计、快门结构设计、控制 柜结构设计。 ( - - ) 信号的检测及处理算法研究、信号处理硬件设计、人机交互界面设计及 测量算法实现。 本文主要研究第三部分，具体的内容有以下五部分组成： 1 、测量方案整体设计，研究国内外x 射线测厚仪的测量原理及流程，并根 4 第一章引言 据预期的性能指标要求、测量范围设计测量方案。 2 、射线探测器、控制系统的选型。这两者的选型关系到了系统的稳定性、 可靠性、漂移等性能指标，需要根据具体的应用具体选择。 3 、硬件电路设计，包括了前置放大器设计及微处理器控制电路设计。本系 统使用了十六位a d 转换器，保证了获取数据的精度，处理器使用飞利浦 公司的l p c 2 1 3 1a r m 7 处理器，可以移植g c o s 系统，便于以后系统的升级。 4 、标定算法、合金补偿算法、校正算法的研究及编写。目前国产的x 射线 测厚仪都没有合金成分补偿算法的功能，本文通过研究国外测厚过程中合 金成分补偿的方法与原理，提出了自己的补偿方法，并应用于测厚仪系统 中。 5 、人机界面设计及各种显示控件的编写等，在本测厚仪系统中使用v c 编 写界面程序。 最终在实验室条件下，利用现有的x 射线源、微型计算机实现了x 射线测 厚仪的雏形，静态精度指标达到了o 1 ，响应时间达到1 0 毫秒以内。 1 4 本章小结 本章介绍了x 射线测厚仪研制背景及国内外x 射线测厚仪技术的发展及现 状。并根据现有的技术条件，把x 射线测厚仪的研制分为三部分。最后简要介 绍本文在x 射线测厚仪研制中的主要工作及最后达到的目标。 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 2 1x 射线的物理性质及其与物质的相互作用 2 1 1 轫致辐射的产生 x 射线的产生可以有两种过程产生，一种是标识辐射，一种是轫致辐射。其 中标识辐射是原子壳层改组时产生的，此种组合相当于电子的较高能级转移到较 低能级，轫致x 辐射是由于自由电子通过某一物质时，其动能消耗于电离及物 质原子的激发，能量转变为热能，此外，电子在原子核场中遭到阻止，此时便产 生了所谓的轫致x 辐射i l 】。 设飞行的电子动能为e k ，电子消耗于电离和激发上的能量为，则轫致辐 射的量子能量应为： 厅y = e k 一( 2 1 ) 这里h 为普兰克常数其值为6 6 7 1 0 - 2 7 尔格秒，y 为振动频率。对于一束电 子流中的不同电子而言，c o 的数值可在很大的范围内变动。 因此，在单能电子流被阻止时，由于转变成辐射的能量百分数不同，可以生 成能量不同的光量子。也可能发生电子的全部能量都消耗于介质的电离及发热 上，在此情况下，不放出轫致辐射。 因此，由于电子被阻止而生成光子，可以具有一切可能数值的能量，即由o 一直到电子动能相近的最大值，由此可见轫致辐射具有连续的谱。 产生轫致x 辐射可以利用x 射线管，在管的阴极和阳极间施以数十千伏或 数百千伏的高压，由灼热的阴极放出的自由电子，为阳极电场所加速，而产生一 定的动能撞向阳极。 电子在通过阳极的物质时，受到原子核电场阻止而放出x 辐射的光量子，电 子由阴极飞向阳极时获得动能，此能量以千电子伏特来表示，其数值上与管电压 ( 以千伏特表示) 相等，因此轫致x 辐射谱中光子的最大能量应等于电子的动 能。 x 射线管中的阳极( 即阻止电子的靶) ，通常用原子序数大的金属( 如钨等) 6 釜三童茎墅垡型壁堡型量堕垄垦塞堡 一一 制成，因为转变成辐射的能量百分数与靶的原子序数及电子的能量成正比： ：e k z ( 2 2 ) t 7 。百 ￥z 7 在此式中，e k 为电子动能的百万电子伏特数，z 为靶的原子序数。 2 1 2x 射线管的电压与轫致辐射波长的关系 电子的动能e k 与加速电场的电压具有如下关系： ：e v( 2 3 ) 上式，e 为电子的电荷。由此可见，在一定的加速电压v 之下，轫致辐射的量子 的最大能量j f z ，。为： 办y o = e v ( 2 4 ) 如v 以千伏表示，则轫致辐射的能量应以千电子伏表示，已知辐射波长槲， 根据式2 4 ，轫致辐射的最小波长为： 九：丝 ( 2 5 ) 凡= 一 p 。， 上式可知若已知加速电压，即可求出轫致辐射的最小波长，同时这一轫致辐射应 包括大于九的一切波长。 已经确定，当x 射线管电压v 十分稳定时，辐射能连续波长的分布如图2 1 所示。 由图2 1 可知在轫致辐射谱中没有小于九的波长，所以九也称为界限波长， 其数值由所加的电压决定，在辐射谱中有能量最大的一点，相当于一定的波长入 最强。 当管电流改变而电压恒定时，则射线谱中能量分布不变，仅仅是放出的各种 能量的光量子总数增加或减小，因此，在电流强度改变时，辐射谱能量最大点没 有改变，其示意图如图2 2 所示。 7 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 九ia 2盖3 图2 1x 射线管在不同电压下的能量连续谱分布 图2 2x 射线管在不同电流下的能量连续谱分布 所谓辐射强度，指x 射线管每秒发出的总的辐射能p ，与管电压v 的平方， 通过管电流的强度及阳极材料原子序数z 成正比。 p = k 木奎2 事z 式中k 为常数，其数值为1 0 6 1 0 ，v 为管电压，z 为阳极材料原子 2 1 3x 辐射与物质的相互作用 当x 辐射穿过物质层时，引起射线能量衰减的原因有两个： 8 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 ( 1 ) 光电吸收：当辐射透过物质时，光量子在原子中电子的相互作用过程中， 可将其全部能量传给电子，这种作用的过程称为光电吸收。 当辐射的光量子射到物质的原子上时，原子外层的某些电子便被打出它原有 的轨迹而脱离原子，这些电子便形成二次电子放射，其中速度较大的电子称为光 电子，此外，还有速度小的反跳电子的放射与散射x 射线同时发生，所以，这 种放射又称为散射电子放射。所以在光电吸收时，光量子消失，其能量则用来使 电子由原子的电子壳层中脱出，并给电子以动能： h 7 = c o + e k( 2 7 ) 式中，hy 为光子的能量，为电子在原子中的结合能，e k 为脱出电子的动 能。 因此，电子在原子中的结合能越小，则光子( 在光电吸收过程中由原子脱出的电 子) 的动能与原始光子的能量之间的差别越小，可见在任何物质中，由原子的外 电子壳层脱出的光电子应具有较高的动能，同时原子序数小的物质比原子序数大 的物质所生成的光电子能量要大。一般由原子内层脱出的光电子的机会要比由外 层脱出光电子的机会要大得多。 由于光电子由原子的电子壳层中飞出后，原子就呈电离状态，原子中的某一 电子壳层有空位产生，此空位立即被较外层的电子所占据，降低它的能量，多余 的能量便放出来，因此，在光电吸收时也产生二次标识辐射，也称二次辐射。 x 辐射的能量被物质吸收后，除发出二次辐射和二次电子放射以外，还有一 部分能量转变为热能。 以上所述的效应都是x 辐射的能量经原子吸收后转变而成的，所以称为吸收 作用。 ( 2 ) x 射线的散射：x 射线穿过物质时，一部分光电子会遭到散射，结果 发生光量子能量的衰减。 散射x 射线 图2 3 康普顿散射 9 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 散射现象可用图2 3 来说明，当波长为入的光量子射在电子上，它们碰撞后 就被散射，光量子便向原子方向成散射角1 i f 的方向射去，电子碰撞后，便由光量 子得到一部分能量，它也朝0 角方向发生反跳现象，经过碰撞后，光量子便失去 了一部分能量，因此，它的波长也由原来的入变为九。( 入 a ) ，波长增大了，与 散射现象同时发生的反跳电子也就得到了一定的动能。根据能量守恒定律，便可 求出光量子在碰撞前后的波长变化入与散射角1 l ，有以下的关系： 厶 从= 九- z = _ 二二( 1 - e o s v )( 2 8 ) ，”d c 式中m o c 为电子的静止质量，h 、c 均为常数。因此从式2 8 中可以看出，x 射线被散射后，其波长的增大与一次射线的波长无关，而已散射角1 l r 有关，1 l ，越 大，则波长的增加也越大，这种散射现象为康普顿所发现，故也称为康普顿散射 或康普顿效应。 综上所述，x 辐射作用于物质时，由于光电吸收作用和散射作用，只有一部 分辐射能量透过，而另一部分被吸收和散射，这是x 射线透过物质时的衰减现 象，衰减现象中对能量在3 0 0 千电子伏以下的x 射线而言，光电吸收作用为主， 散射作用次之。 2 1 4x 射线衰减规律 由于物质对x 射线的吸收与散射作用，其能量被物质所衰减，被衰减能量的 大小是与入射x 射线的波长，被穿透物质的厚度及物质的成分有关。如图2 4 所 示，当x 辐射垂直方向入射到厚度为t 的物质后其能量被物质吸收和散射，设入 射强度为厶，透过物质后为厶，为了使问题简化，现假定辐射是完全平行的线束， 辐射能量为单一波长，略去二次辐射的影响。则入射的x 射线的强度与透过后x 射线的能量强度关系如式2 9 所示。 1 0 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 有某一有效波长及有效吸收系数的窄带非单能辐射，它同样遵循单能辐射衰减规 律，即有： 一 1 l = i o e 一肿 ( 2 1 1 ) 其中1 t 为有效衰减系数。它不仅与吸收物质的种类有关及辐射的波长有关， 而且也与吸收物质的厚度有关。这是因为在透射物质的过程中，因连续谱辐射的 不同波长吸收的程度不同，因此使得连续谱的成分随物质厚度而变，其低能的光 量子衰减的最厉害，故随着吸收体厚度的增大，谱中高能光量子的百分数增多， 亦即辐射硬度增加，而“贝0 相应减小。 由物质与i n n 的关系来看，因为肿只与元素的性质有关，而与它所处的状态 是化合物还是混合物等无关，我们经常所遇到多为化合物如金属，如要求他们的 质量衰减系数时，只要将各成分的质量衰减系数按成分的多少求其总合就可以得 到。如某物质各元素的百分数为a i ，a ：，a 。，他们的质量衰减系数相应 地为胛。，胛2 ，p m 。，那么该物质的有效衰减系数为： = 朋1 而a l + 彬：志+ + 朋。志 12)on-1(212 2 朋而+ 彬2 荷t + 朋一荷 因此根据上式可以计算出合金的质量衰减系数。 2 2x 射线测厚仪测量原理 从x 射线源辐射的x 射线透过被测物质后进入x 射线探测器，从探测器输 出的信号比例于透过的x 射线强度。若使用电离室作为探测器，其输出的电流 强度比例于x 射线的强度，因此式2 1 1 中的i 亦可表示电流的强度。电离室输 出的电流信号比较小，约为几十纳安电流，在对信号进行处理前需经过放大并转 换为电压信号，因此式2 1 1 改写为： v l = v 0 e 叫“( 2 1 3 ) 上式中v 0 为被测厚度为0 时检测单元输出的电压值，v l 为被测厚度为t 时检 测单元输出的电压值，为物质的有效衰减系数。 理论上p 的计算可以通过先计算物质的密度，在利用式2 1 2 求出物质的质 1 2 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 量衰减系数，最后可以求出物质的有效衰减系数。其中式2 1 2 中各元素的衰减 系数可以通过查表获得。 因为元素衰减系数表是通过理论计算获得的，与实际值有很大的误差。经过 计算出来的j l l 不能直接应用于计算中。由式2 1 3 可知v 0 与v l 为已知数，为了获 取到实际的，我们在测量前需要借用已知厚度t 的标准板，此时就只剩p 一 个未知数。利用式2 1 3 就可以求出实际的z 。 由上一节我们知道| “随厚度的增加而减小，因此利用标准板测量只能求出 其厚度点对应的j l t 。而实际中我们只有非常有限厚度值的标准板，计算每个厚 度值对应的p 值，可以拟合出p 与厚度关系的曲线。但我们直接获取得是电压 值，需求解的变量为厚度值，因此可以直接拟合电压值与厚度值的关系曲线。 式2 1 3 两边取对数得： l n v i = l n v o 一“t ( 2 1 4 ) 由上式可知若p 为常数，i n v l 与t 即为线性关系，但由上面的分析可知j l l 是 随着厚度的变化而变化的。一般的函数都可以用泰勒级数在x = o 处展开成一个多 项式形式【6 1 。由于多项式展开后，线性函数的高阶项对函数的贡献较小，e 指数 函数展开后的高阶项对函数的贡献相对线性函数来说较大，而计算机只能取有限 项进行运算，因此我们利用式2 1 4 进行泰勒级数展开而不用式2 1 3 ，其中l n v l 作 为一个变量【7 1 。由此我们可以假设： = a o + a ll n v + a 2i n 2v + a 3 i n 3v + 口4i n 4v + a 5i n 5v ( 2 1 5 ) 式中v 为x 射线被衰减后的能量，考虑到计算机的运算精度及运算速度， 我们对l i l 矿与t 进行了5 次曲线拟合，为了求出a o ，a ，a ，的值，我们至少需 要6 组l n v 与t 的值。如下列式所示： = 口o + a il i l k + 口2l n 2k + 口3i n 3k + 口4 i n 4k + a 5i n 5k ( 2 1 6 ) f 2 = 口0 + 口l1 1 1 + 口2i n 2 + 口31 n 3 + 口4l n 4 砭+ 口5i n 5 砭 ( 2 1 7 ) t 3 = a o + 口ll n v 3 + a 2i n 2 圪+ a 3 i n 3 巧+ a 4i n 4 圪+ 口5i n 5 圪 ( 2 1 8 ) 1 3 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 t 4 = 口o + n il n k + 口2l n 2 圪+ 口3l n 3k + 口4l i l 4 虼+ 口5l i l 5 虼 f 5 = 口o + ql n v 5 + 口2i n 2 圪+ a 3i n 3 以+ a 4i n 4 蚝+ 口51 1 1 5 吒 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) t 6 = a o + 口ll n v 6 + a 2i n 2 圪+ a 3 i n 3 圪+ a 4i n 4 圪+ 口5l n 5 圪( 2 2 1 ) 式中乙( n - l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 为用于标定的标准板的厚度值，为已知值，圪( n = l ， 2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 为其对应的标准板检测单元输出电压值。在测量时根据获取到的 i 利用式2 1 5 计算出其对应的厚度值。 式2 1 5 表示了l n v 与厚度值t 的关系，这种关系是由标准板r 。衅l ，2 ，3 ，4 ， 5 ，6 ) 拟合出来的，假设乙中最小厚度为，最大厚度为f 6 。则在f t 至，。的范围内 测量精度比较高，在其范围外测量误差较大。 由于随着t 的变化而变化，因此在较小厚度范围内变化很小，l n v 与厚 度值t 具有很强的线性度，式2 1 5 中的高阶项对t 的影响就非常小，测量的精度 较高，因此为了得到较高的测量精度，用于标定的标准板的厚度差要尽可能的小。 现假设我们要测量s u 3 0 4 不锈钢的厚度范围为0 3 m m ，有3 0 块0 1 m m 标准 板，经过标定，我们有3 1 个从0 到3 m m 的标定点，每个标定点的厚度间隔是 o 1 m m 。那么根据式2 1 5 ，我们可以把这3 1 个标定点拟合成一条曲线，并利用 这条曲线测量s u 3 0 4 的厚度值。也可以利用这3 1 个点拟合成3 条曲线，其中 0 1 m m 为一条曲线，1 - 2 r a m 为一条曲线，2 - 3 r a m 为一条曲线。根据实验证明后 一种方法比前一种精度高，后一种方法就是所谓的分段多项式拟合法。实际上当 测量范围较大时，衰减系数的变化较大，其变化规律随厚度的变化而变化， a o ，a ，a ，的值在各厚度段内是变化的，因此整条曲线不能用同一的函数来表 示，而应该用分段函数来表示这条曲线，因此分段多项式拟合法要比单一曲线拟 合精度高。 2 3 x 射线测厚仪系统各器件选型 根据上述的测量原理，为了测量物质的厚度，我们需要x 射线发生器、射线 探测器、信号处理板、带有存储及计算功能控制器与显示器、c 型架等，这几件 1 4 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 东西构成了最基本的板带厚度测量系统。现在各公司的测厚仪在测量原理上大同 小异，差别主要在器件的选型上。器件的选型关系到系统的测量精度、响应时间、 稳定性等性能指标。 x 射线测厚仪从9 0 年代发展到现在，测量的原理基本没变，精度与稳定性 等性能的提高要归功于器件性能的提高及信号处理技术的发展。如瑞美公司花了 1 0 0 人年的时间研制出了集成度较高的半导体射线探测器，从而使其探测器的体 积大大缩小，效率得到很大的提高。近期他们又淘汰了v m e 总线及多处理器 v m e 计算机，使用了p l c 与工控机进行信号处理，各处理器间使用以太网连接， 从而使系统的稳定性得到了很大的提高。 美国环球测厚仪公司的测厚仪则根据客户选择配置不同控制系统，如可以选 择p l c 与工控机组合，或两台工控机组合控制系统的测量。目前其x 射线源为 电压可调式，根据测量的厚度范围调整射线的电压，从而扩大x 射线测厚仪的 测量范围。 器件的选择不仅关系到产品的性能，而且关系到产品的成本，这里我将根据 课题所要求的x 射线测厚仪性能指标对所需要的器件进行选型。 ( 1 ) x 射线源选型：x 射线源是x 射线测厚仪的关键部件，国内外各x 射线 测厚仪公司大多数自行研制x 射线源，这有利于对其产品的成本控制及 产品性能的升级。我公司目前也在进行x 射线源的研制，这将使我们产 品的成本大大降低，同时也避免了对其他公司的依赖性。 ( 2 ) 探测器选型：用于探测射线强度的传感器有多种，目前应用于工业现场 的主要有以下三种： ( 一) 电离室，它的主要特点是灵敏度低、工作稳定、对环境温度要求不严 格。 ( - - ) 光电倍增管，主要特点是灵敏度高，且可调，但维修相对复杂，对环 境温度的要求较严格。 ( 三) 瑞美公司研发的集成式光敏传感器，主要特点是体积小，自带了前置 放大器，使用简单、更换方便，但对环境温度要求较严格。 基于我公司的现有技术及考虑到现场维护的方便，选择了电离室作为 探测器。 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 ( 3 ) a d 转换器芯片选型：为了达到0 1 的精度，a d 转换精度至少得1 2 位以上，现在国外各公司的a d 转换基本都达到1 6 位精度。与微处理器 芯片一起考虑，经过筛选最终采用了a d 公司a d 7 6 5 5 。 ( 4 ) 微处理器芯片选型：国外的x 射线测厚仪有的用d s p 处理器芯片在前 端处理数据，从而使运算效率更高，提高了系统响应时间，也减轻了主 控制器的压力。对于只有一个通道的x 射线测厚仪，一般的单片机如8 0 5 1 就可以满足其速率上的要求，为了以后系统的升级及转型，这里我选择 了可以移植操作系统的l p c 2 1 3 1 微控制器。它具有可以支持实时仿真和 嵌入式跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u ，自带3 2 k 高速f l a s h 存储器， 其3 2 位代码可以在最大时钟速率下运行，具有4 7 个加口、9 个外部中 断、2 个a d 、d a 通道。根据此微处理器的特性，可知其能满足前期信 号处理的速度及精度要求。 ( 5 ) 主控制器选型：国内外各公司在这部分的选型上比较灵活，主要根据客 户的要求进行配置，有p l c 和工控机组合型，也有两台工控机组合型。 因此基于成本的考虑，这里只使用一台工控机作为主控制器，主要控制 信号处理及人机交互。 ( 6 ) 冷却方式选择：x 射线管及其驱动电路会随温度的变化发生漂移，必须 对其采取冷却措施，这里有自冷式、水冷式、油浸式三种方式。油浸式 冷却效果较好，为了保证x 射线源的稳定性，我们选择了油浸式冷却。 ( 7 ) c 型架：c 型架设计主要根据板带的规格、x 射线源的大小及功率等多种 因素进行设计。 到此系统的主要器件已经选型完毕，此外为了完善整个系统，保证系统的可 靠性、稳定性、防止系统的漂移，还应对以下装置进行设计： ( 1 ) 准直器：射线准直器作用是调整射线出射角，避免射线出射角度太大， 对周围的工作人员将造成危害。应根据x 射线源功率、c 型架高度进行 设计。 ( 2 ) 吹扫装置：现场的环境比较恶劣，x 射线测厚仪使用一段时间后射线出 射窗口将会有一层油质或杂质覆盖，影响系统的精度。吹扫装置由人工 控制定期对射线出射窗口进行吹扫。 1 6 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 ( 3 ) 标样箱：里面装有多块不同厚度的标准板，可由微处理器对其进行控制。 有了标样箱就可以对x 射线测厚仪进行自动标定、自动校正操作，缩短 了x 射线测厚仪的标定时间及校准时间，使x 射线测厚仪更易于操作。 ( 4 ) 快门：其作用在射线开通且非测量的情况下挡住射线，避免造成人员伤 害。 2 4 x 射线测厚仪系统布局及测量流程 国外较先进的x 射线测厚仪系统，系统布局上大同小异，具有代表性的有 瑞美公司的r m 2 1 5 t 引，其系统布局如下图所示： 1 l ，h i 嘲鼬嘲挪$ m i a l o l i 7” 埔函c 曲 。t 撕轴- ：。，。 图2 1 瑞美r _ w 1 2 1 5 系统布局 如图可知r m 2 1 5 有c 型架、电气箱、服务箱、冷却柜、主控柜、操作终端 组成，其中探测器与x 射线源被封装在c 型架内，信号处理板被封装在电气柜 中。 由于目前属于研制阶段，再加上成本的控制，我公司的x 射线测厚仪系统在 结构上相对简单，其系统布局如下图所示： 1 7 第二章x 射线测厚仪测量原理及实现 图2 2x 射线测厚仪系统布局 图中控制柜中的工控机实现了所有的运算、控制及显示功能，工控机与c 型架中的控制板通过r s 4 8 5 连接，控制板控制了c 型架的所有动作，包括了获 取电离室信号并进行a d 转换、对x 射线管电压和管电流的调整、吹扫控制及 与工控机的通信。 测量前，先开启冷却箱工作，后开启x 射线发生器进行预热，预热时间约为 3 0 分钟，否则信号将发生漂移。随后进入系统设定，设定完成后系统将调用原 标定曲线进行零点校正，最后系统进入测量工作。测量流程如图2 3 所示： x 射线测厚仪系统进入测量状态后，c 型架的微控制器每隔0 5 m s 进行一次 测量。其过程为电离室接收透射过来的射线强度，x 射线经电离作用转换为微弱 的电流信号，电流经高精密电阻转换为电压信号，此时微控制器控制a d 转换 器进行采样保持并进行a d 转换并对转换后的数据进行处理，数据处理结束后 向主控制器发送处理后的数据。主控制器接收到数据后，对数据进行二次处理并 利用此数据计算出对应的厚度值与厚度偏差值，最后对数据进行显示与存储。 2 5 本章小结 本章第一节先介绍了x 射线的物理特性和其与物质的相互作用，详细分析了 其照射到物质后衰减的原因与规律，并利用这规律提出x 射线测厚仪的测量原 理。第二