CN101587052A - 基于x射线的密度、浓度和厚度测试装置及方法 - Google Patents

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本发明提供了一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置及方法。它采用基于X射线的密度、浓度和厚测试仪测定2至5个密度、浓度和厚测已知的样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系式，测定未知物质的密度或浓度时，它与工作计数管信号强度与参比计数管信号强度比遵循该关系式。本发明置于被检测物体的两侧，结构紧凑，使用方便，能够实现在线测量；同时能够达到一种装置可以多种用途，应用范围广。优于目前其他密度、浓度和测厚仪器和装置所使用的方法。

Description

基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置及方法。
背景技术
X射线对物质具有较强的穿透能力，被广泛应用于医疗成像、行李安检和工业探伤等行业。这些仪器的工作原理相同，即X射线穿过待检物体后，被物体吸收损耗的X射线与它的密度或浓度有关，经成像显示后得到能反映被测物体密度的灰白或彩色影像。
现有的商业密度、浓度扫描仪基本都采用中子源，即γ射线源，它是钴、铯等金属元素的放射性同位素。伽马射线源不断放射伽马射线，强度十分稳定，不受外界条件干扰。因此它对密度和浓度的探测精度高，数据准确可靠。它的最大缺点在于γ射线源对人体和环境存在较大的安全隐患，这是因为用作中子源的放射性同位素不断放射出γ射线，和是否接通电源无关。稍有疏忽就有可能造成射线伤害事故。而X射线源是X光发射管，只有在接通电源后才会产生X射线，断开电源后X射线随之断开。即X射线源在不工作时无安全隐患。且由于目前X射线防护技术十分成熟，对周边环境和操作人员安全隐患小。
X射线应用于密度和浓度探测的主要技术障碍是X射线源的稳定性欠佳，存在所谓频闪现象，即射线强度随时间变化有一定起伏。在测试固体和流体的密度、浓度时，如果射线强度不稳定，将会造成探测精度降低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置及方法。
基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置包括n形支架、参比计数管、工作计数管、连接支架、动力缆、前置放大和模数转换、抗干扰信号缆、计算机、射线源、配电与控制系统。在n形支架两滑轨上分别设有参比计数管、工作计数管；参比计数管通过连接支架与射线源连接；工作计数管与前置放大和模数转换、抗干扰信号缆、计算机依次连接；连接支架和工作计数管通过动力缆与配电与控制系统连接。
所述的工作计数管是盖革计数管、正比计数管或闪烁计数管。工作计数管与参比计数管的型号相同。前置放大和模数转换7能按0.005～0.01秒的时间间隔同时采集参比计数管2和工作计数管3探测到得信号强度，并能自动求得工作计数管3信号强度与参比计数管2信号强度之比值。
基于X射线的密度、浓度和厚度测试方法是：采用基于X射线的密度、浓度和厚测试仪测定2至5个密度、浓度和厚测已知的样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系式，测定未知物质的密度或浓度时，它与工作计数管信号强度与参比计数管信号强度比遵循该关系式。
本发明采用了双计数器，即参比计数管和工作计数管，以及高频数据采集电路，用参比计数管和工作计数管信号强度比表述待测物质的密度或浓度，消除因X射线源频闪引起的误差，以达到对待测物质密度或浓度的高精度探测。和伽马射线密度仪相比，X射线密度仪对人体和环境的潜在危险更小，安全性能更可靠。本发明提出的X射线密度、浓度和测厚仪适合于测定管道输送的悬浮体、流体的密度和浓度，如混凝土、水煤桨、纸浆等各种流动介质的密度或浓度。
附图说明
附图是基于X射线的密度、浓度和厚度测试仪结构示意图；图中：支架1、参比计数管2、工作计数管3、待测样品管4、连接支架5、动力缆6、前置放大和模数转换7、抗干扰信号缆8、计算机9、射线源10、配电与控制系统11。
具体实施方式
如附图所示，基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置包括n形支架1、参比计数管2、工作计数管3、连接支架5、动力缆6、前置放大和模数转换7、抗干扰信号缆8、计算机9、射线源10、配电与控制系统11。在n形支架1两滑轨上分别设有参比计数管2、工作计数管3；参比计数管2通过连接支架5与射线源10连接；工作计数管3与前置放大和模数转换7、抗干扰信号缆8、计算机9依次连接；连接支架5和工作计数管3通过动力缆6与配电与控制系统11连接。
所述的工作计数管是盖革计数管、正比计数管或闪烁计数管。工作计数管3与参比计数管2的型号相同。前置放大和模数转换7能按0.005～0.01秒的时间间隔同时采集参比计数管2和工作计数管3探测到得信号强度，并能自动求得工作计数管3信号强度与参比计数管2信号强度之比值。
基于X射线的密度、浓度和厚度测试方法是：采用基于X射线的密度、浓度和厚测试仪测定2至5个密度、浓度和厚测已知的样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系式，测定未知物质的密度或浓度时，它与工作计数管信号强度与参比计数管信号强度比遵循该关系式。
本发明基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置的X射线源的发射功率的大小需要能穿透待检测物质。X射线发生器应优先选用短波长、小焦斑的型号，其能量较集中，同等功率下对待测的物质穿透能力较高。冷却系统视工作环境不同可选用风冷或水冷方式。供电与控制系统可使用X射线发生器的常规配套产品。
工作计数管与X射线源配置在同一轴线上，二者分别位于待测物质的两侧。工作计数管测定的是穿透了待测物质X射线强度。工作计数管是盖革计数管、正比计数管、闪烁计数管中的一种。从性价比的角度出发，推荐使用盖革计数管。
为消除频闪造成的探测误差，在待测物质和X射线源之间设置了参比计数管型号，其型号与工作计数管相同。参比计数管配置在X射线中轴线旁侧，检测尚未穿过待测物质的X射线强度。通过调节与中轴线及X射线源的距离，是探测到的信号强度达到合理范围。
高频数据采集电路需能按不超0.005-0.01秒的时间间隔，同时采集参比计数管和工作计数管探测到得信号强度，并能自动求得工作计数管信号强度与参比计数管信号强度之比值。高频数据采集电路可自行设计，也可购买商业产品。
本发明的X射线密度、浓度和测厚仪的使用方法，它是在使用前测定2至5个密度、浓度和厚度已知的样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系的线性方程，测定未知物质的密度或浓度时，它与工作计数管信号强度/参比计数管信号强度比遵循该线性方程。
初始强度为I0的X射线穿透厚度为H后物体后，其强度用IH表示，根据衰变定律有：
IH＝I0exp(-μH)         (1)
即：
IH/I0＝exp(-μH)        (2)
式中μ为线衰减系数，与物质的密度ρ成正比，与物质的存在状态有关。
传统上直接使用(1)式作为射线密度仪的理论依据，即假定射线的初始强度I0为恒定值，测出穿透厚度为H后物体后衰减后的强度IH，即可从(1)推算出衰减系数μ，并进而求出待测物的密度或浓度。对于放射性同位素发出的伽马射线而言，I0基本上为恒定值，(1)式能够成立；但对X光管发出的X射线而言，频闪现象造成了I0的变化，从而使IH的变化不仅与待测物的密度有关，而且与频闪有关。
为消除I0变化导致的误差，对(2)式取自然对数并整理后得：
-ln(IH/I0)＝μH    (3)
(3)式是本发明的理论依据，即：使用工作计数管和参比计数管分别测定的IH和I0，使用高频数据采集电路保证IH和I0的同步，在技术上还可使用IH和I0在一段时间内的累加值，以进一步提高探测精度。
根据(3)式，二者比值的自然对数值与待测物质的密度(浓度)为线性关系。通过测定几个密度已知点的(IH/I0)比值，即能得出该比值与密度(浓度)的关系曲线。在测得未知物质(IH/I0)比值后，从工作曲线可求得它的密度或浓度。对于密度已知且恒定的物质，如钢板、纸张、塑料等材料，还可依据(3)通过(IH/I0)比值计算其厚度。
实施例1：管道内水煤浆密度的测定(密度范围1-2.5)
1)把X射线发生器和参比计数管安装在水煤浆输送管道的一侧，工作计数管安装在对侧，安装时通过调节参比计数管与X射线轴线的距离，以及工作计数管与X射线源的距离，使计数管测得的射线强度在合理范围内；
2)在使用前测定2至5个密度已知的样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系式；
3)根据工作计数管信号强度/参比计数管信号强度比和第二步得到的关系式，可求出管道内水煤浆的密度。
实施例2：糖浆浓度的测定
1)把X射线发生器和参比计数管安装在盛放糖浆容器的一侧，工作计数管安装在对侧，安装时通过调节参比计数管与X射线轴线的距离，以及工作计数管与X射线源的距离，使计数管测得的射线强度在合理范围内；
2)在使用前测定2至5个浓度已知的糖浆样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系式；
3)根据工作计数管信号强度与参比计数管信号强度比和步骤2)得到的关系式，可求出容器内糖浆的浓度。
实施例3：纸板厚度的测定
1)把X射线发生器和参比计数管安装在纸板的一侧，工作计数管安装在对侧，安装时通过调节参比计数管与X射线轴线的距离，以及工作计数管与X射线源的距离，使计数管测得的射线强度在合理范围内；
2)在使用前测定2至5个厚度已知的纸板，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测纸板厚度的关系式；
3)根据工作计数管信号强度/参比计数管信号强度比和步骤2)得到的关系式，可求出纸板的厚度。
本发明采用了双计数器，即参比计数管和工作计数管，以及高频数据采集电路，用参比计数管和工作计数管信号强度比表述待测物质的密度或浓度，消除因X射线源频闪引起的误差，以达到对待测物质密度或浓度的高精度探测。

Claims (5)

1.一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置，其特征在于包括n形支架(1)、参比计数管(2)、工作计数管(3)、连接支架(5)、动力缆(6)、前置放大和模数转换(7)、抗干扰信号缆(8)、计算机(9)、射线源(10)、配电与控制系统(11)；在n形支架(1)两滑轨上分别设有参比计数管(2)、工作计数管(3)；参比计数管(2)通过连接支架(5)与射线源(10)连接；工作计数管(3)与前置放大和模数转换(7)、抗干扰信号缆(8)、计算机(9)依次连接；连接支架(5)和工作计数管(3)通过动力缆(6)与配电与控制系统(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置，其特征在于所述的工作计数管是盖革计数管、正比计数管或闪烁计数管。
3.根据权利要求1所述的一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置，其特征在于所述的工作计数管(3)与参比计数管(2)的型号相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于X射线的密度、浓度和厚度测试装置，其特征在于所述的前置放大和模数转换(7)能按0.005～0.01秒的时间间隔同时采集参比计数管(2)和工作计数管(3)探测到得信号强度，并能自动求得工作计数管3信号强度与参比计数管(2)信号强度之比值。
5.一种使用如权利要求1所述装置的基于X射线的密度、浓度和厚度测试方法，其特征在于采用基于X射线的密度、浓度和厚测试仪测定2至5个密度、浓度和厚测已知的样品，通过最小二乘法计算得出参比计数管和工作计数管信号强度比与待测物质密度或浓度关系式，测定未知物质的密度或浓度时，它与工作计数管信号强度与参比计数管信号强度比遵循该关系式。
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