CN102200434B - 一种板带材的厚度凸度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板带材的厚度凸度检测装置，属核技术应用领域，该装置包括C型架，安装在C型架上臂内沿待测钢板宽度方向间隔布置的两个射线源，安装在C型架下臂内并沿板带材运动方向间隔布置的两排高压充气电离室探测器阵列，安装在两个射线源下方的准直器，该准直器使每个射线源的射线只照射到相应的一排探测器阵列，与所述探测器阵列相连的前置放大器模块，与所述前置放大器模块相连的数据采集机，与所述数据采集机相连的数据处理及显示计算机，保证系统运行与监控的水气服务系统、控制系统。本发明机械结构简单，动态测量精度高，探测器具有温漂小、耐辐照、空间分辨率高、性价比高等优点。

Description

一种板带材的厚度凸度检测装置

技术领域

本发明属于核技术应用领域，特别涉及一种工业热轧或冷轧生产线上板带材厚度、凸度和板形等的检测装置。

背景技术

凸度仪是板带材生产和控制的关键设备，对于提高板带材的产量和质量有重要作用。由于热轧钢板的轧制温度高(800℃以上)，环境中有粉尘和水汽等，非接触射线式测量方法具有很大的优势。射线法凸度仪的探测器性能是决定凸度仪测量精度和检测速度的关键因素之一。

现有的凸度仪有采用单排固体探测器的(如美国热电公司的产品资料中所述)，虽然有响应速度快、体积小、重量轻的优点，但也存在着一些缺陷：

其一，余晖长、光电二极管不耐辐照、寿命短，对工作环境温度要求高，工作环境需要恒温控制。

其二，由于不同射线源共用一排探测器，需要一个旋转快门让2个X射线源交替发出X射线，机械结构复杂，存在振动干扰。

其三，由于两个X射线源的射线由同一排探测器先后测量，导致两个射线源在钢板上的检测位置之间的距离与钢板运行速度有关，而钢板的厚度重建是利用两个射线源的测量数据得到的，因此当钢板运行速度快时测量精度下降。

另外也有采用气体电离室探测器的(如德国IMS公司的产品资料中所述)，但其使用的电离室体积大，因此分辨率不能满足钢厂的要求，需要C型架沿钢板宽度方向来回摆动来提高分辨率。这一方面导致其机械、控制系统复杂；同时由于C型架重量大，摆动频率不能过快，一般在1.5Hz到2Hz，这使得当钢板运动时，用于计算同一横断面上的厚度数据取自两个不同的断面(相距数米到数十米)，从而使仪表的动态性能下降。且在射线源方面，由于其采用的X射线源张角小，不能覆盖钢板的宽度，在钢板的宽度方向上一个投影需要两个射线源，如果加上用于获取另外一个投影的射线源，共需要4个射线源，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有射线法凸度检测技术的不足之处，提供一种新型的板带材的厚度凸度检测装置，能方便地同时获取板带材横断面上的两个射线投影，从而进行板带材厚度、凸度、板型的检测，而且只采用两个射线源，采用两排气体电离室探测器阵列及信息处理系统。与采用单排固体探测器的系统相比探测器具有温漂小、耐辐照、稳定性好、性价比高等优点，机械结构简单；同时又比已有的采用电离室的装置分辨率高，动态性能好，减少了射线源的个数，机械结构简单。

本发明提出的一种板带材厚度凸度检测装置，其特征在于，包括C型架，安装在C型架上臂内沿钢板宽度方向间隔布置的两个射线源，安装在C型架下臂内并沿板带材运动方向间隔布置的两排高压充气电离室探测器阵列，安装在两个射线源下方的准直器，该准直器使每个射线源的射线只照射到相应的一排探测器阵列，与所述探测器阵列相连的前置放大器模块，与所述前置放大器模块相连的数据采集机，与所述数据采集机相连的数据处理及显示计算机，保证系统运行与监控的水气服务系统、控制系统。

本发明的特点及有益效果：

本发明采用高压充气电离室作为探测器，与采用“CsI闪烁体+光电二极管”的固体探测器相比受温度的影响小，温漂小，不需要像固体探测器那样需要恒温控制。同时具有比固体探测器耐辐照、漏电流小、使用寿命长、可靠性高、自准直、成本低等优点。

采用双排气体电离室探测器阵列的布局与采用单排固体探测器阵列的布局相比，一方面省去了两个射线源对单排探测器的分时使用所必需的高速运转的旋转快门，简化了机械结构，增加了系统的可靠性，另外还保证了两排探测器阵列可同时获取数据，从而提高了系统的动态测量精度。与采用四个射线源和四排气体电离室探测器的系统相比，少使用两个射线源，且采用的高压充气电离室探测器比其电离室探测器体积小，不必像目前IMS的系统一样需要沿钢板宽度方向蠕动C型架，就能满足空间分辨率的要求，大大地简化了机械和控制系统的复杂性，提高了系统的动态检测性能。

附图说明

图1为本发明所述板带材的厚度凸度检测装置的正视示意图。

图2为本发明所述板带材的厚度凸度检测装置的测厚原理图。

图3为本发明所述板带材的厚度凸度检测装置的侧视示意图。

图4为本发明所述板带材的厚度凸度检测装置的算法原理图。

具体实施方式

以下结合附图来详细说明本发明的具体内容：

本发明提出的一种板带材的厚度凸度检测装置，如在图1所示，包括C型架9，安装在C型架上臂内沿钢板宽度方向间隔布置的两个射线源3、4，安装在凸度仪C型架下臂内并沿板带材运动方向间隔布置的两排高压充气电离室探测器阵列1、2，安装在两个射线源下方的准直器10、11，该准直器使每个射线源的射线只照射到相应的一排探测器阵列，与所述探测器阵列相连的前置放大器模块6，与上述前置放大器模块相连的数据采集机7，与上述数据采集机相连的数据处理及显示计算机8，分别与计算机8、凸度仪C型架9相连，保证系统运行与监控的控制系统12、水气服务系统13。

探测器阵列1、2在钢板5宽度方向上的位置关系如图2所示。两个射线源3、4，可分别在两排探测器阵列1和2的正上方，也可在两排探测器阵列1和2中心线的正上方。还包括固定两排探测器阵列的支撑座14，两排探测器阵列对称分布在支撑座14的两侧。由于探测器阵列1和探测器阵列2的中心距离很短(本实施例中，为4.6cm，折算到钢板上约为3.6cm)，在此范围内可认为钢板的厚度一致，因此可近似认为两排探测器阵列检测的是钢板的同一个断面。

各组成部件的具体实施方式及功能分别说明如下：

探测器阵列1、2，分别由数百个小尺寸向心布局的高压充气电离室构成(为本申请人的自主知识产权产品，已申请发明专利“气体电离型中低能X、γ射线探测器”。本实施例选用的高压充气电离室的宽×长×高为：10×20×100mm)，具有温漂小、耐辐照、空间分辨率高、性价比高等优点。具体个数由被检测钢板5的宽度决定，为了保证分辨率，探测器阵列在钢板宽度方向上的尺寸一般小于20mm；其中探测器阵列1对应射线源3，探测器阵列1中的每个电离室的射线窗都朝向射线源3；探测器阵列2对应射线源4，探测器阵列2中的每个电离室的射线窗都朝向射线源4。射线源3和4可以采用X射线源，也可采用放射性同位素源。本实施例中，采用COMET公司225KV的X射线源。

现结合图3说明一下探测器获取厚度信号的原理。X射线源15发出的X射线在经过被测物体18之后，强度会有所衰减，并遵循下面的公式：

I_m＝I₀·e^-μh            (1)

式中：I₀表示穿过被测物体18之前的X射线强度；I_m表示穿过被测物体18后的X射线强度；μ表示被测物体对X射线的线性吸收系数；h表示被测物体18的厚度。

μ与被测物体18的成分和射线的能量有关。由于被测物体18的成分复杂，且X射线有一个很宽的能谱，因此在实际应用中，不能根据(1)式给出I_m和h的关系，而需要通过实验测量I₀并确定h与I_m之间的关系曲线，这一过程也叫校准。探测器16将检测到的辐射强度信号I_m转换为与之成比例的电流信号，并通过信号处理器17放大处理。由放大的探测器输出信号以及h与I_m之间的关系曲线，可以知道被测物体的厚度h。前置放大器6对探测器阵列1、2中的电离室输出的微弱电流信号放大，本实施例中每16个电离室的信号放大电路集成在一个前置放大器模块中。放大器采用增益大、噪声低的电子元器件。

本实施例中数据采集机7由常规的电流输入模数转换器、CPLD(复杂可编程逻辑器件)和单片机器件构成。对两排探测器阵列的几百个经过前置放大器6放大的电离室信号进行采集，并将采集数据快速传输给数据处理显示计算机8。本实施例中每10ms要完成采集、传输所有探测器的数据。

数据处理显示计算机8，用来储存校准曲线、散射校正数据、合金补偿和温度补偿系数，读取数据采集机7的传输数据，重建钢板的横断面厚度，计算凸度等参数并显示。本实施例的数据处理显示计算机可采用带网卡的常规的工控机。上述所有的校准曲线都存储在数据处理显示计算机8中。数据处理显示计算机8每10ms接收到数据采集机7发送的两排探测器阵列数据。然后将探测器的测量值，经过一定的散射校正后得到I_m，再利用h与I_m之间的关系曲线查表得到钢板厚度h。每个探测器可以获得一个厚度，一排探测器阵列就可以获得钢板横断面的一个厚度投影。由两排探测器阵列数据可得到钢板横断面的两个投影。根据两个投影，以及几何布置参数，按照一定的重建算法，可以计算出板带材横向厚度分布，根据厚度分布可实时得到凸度数据。

下面结合图4介绍一下重建算法的基本原理。19是射线源3对应的探测器阵列1中的一个探测器单元，20是射线源4对应的探测器阵列2中的一个探测器单元，21是辊道(钢板轧制生产线上用于输送被轧钢板的设备，所述测量装置的待测钢板位于其上。)表面。如图4所示，探测器单元19、20和对应的X射线源3、4各成一定角度(如θ₁、θ₂，这些角度值已知并事先输入计算机)，图中AB、CD长度可以分别通过探测器阵列1的探测器单元19和探测器阵列2的探测器单元20的测量数据，并经过散射校正，反查各自的h与I_m关系曲线得到厚度h₁和h₂，然后根据几何关系得到AB、CD。

AB＝h₁/sinθ₁            (2)

CD＝h₂/sinθ₂            (3)

则O点的厚度EF及钢板的倾斜角度θ₀可以由θ₁、θ₂、h₁、h₂表示出来。

在一个很小的范围内，可以认为AC、BD都是直线，且相互平行；EF为O点处钢板的厚度，垂直于AC和BD。通过几何关系，可以看出：

∠ABD＝θ₁-θ₂            (4)

∠CDB＝θ₂+θ₀            (5)

根据三角函数的定义，有：

EF＝AB·sin(θ₁-θ₀)      (6)

EF＝CD·sin(θ₂+θ₀)      (7)

消去EF，并令AB/CD＝h₁sinθ₂/(h₂sinθ₁)＝n：

$\frac{\sin ({\mathrm{\θ}}_2+{\mathrm{\θ}}_0)}{\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_0)}=n---\left(8\right)$

展开三角函数，并整理可得：

${\tan \mathrm{\θ}}_0=\frac{{n\sin \mathrm{\θ}}_1-{\sin \mathrm{\θ}}_2}{{n\cos \mathrm{\θ}}_1+{\cos \mathrm{\θ}}_2}---\left(9\right)$

从而得到倾斜角度θ₀，再将其带回EF的表达式，则可以得到厚度EF。

上述算法中，AB、CD是算法的辅助线，所算出的厚度EF和角度θ₀都只与θ₁、θ₂、h₁、h₂有关。射线源的靶心可在探测器阵列的正上方，也可不在，如图2所示。以上算法对这两种情况都是适用的。当射线源3的靶心在探测器阵列1的正上方，射线源4的靶心在探测器阵列2的正上方时，AB、CD是射线实际穿过的路径。否则，当探测器阵列不在射线源的正下方时，AB、CD就只是算法的辅助线。但从提高探测器的探测效率的角度，射线源的靶心在探测器阵列正上方更好。

C型架9用来放置检测设备，其宽度由所能检测的钢板宽度决定，设计高度由射线的覆盖角度等因素决定。本实施例可用一定厚度的不锈钢焊接制成，上下臂可通过螺栓连接以便于拆装。上臂的下表面和下臂的上部焊有水套，水套内部通有循环冷却水。；

准直器10和11，用来将X射线准直成窄片状扇形束，本实施例可由铅、钨等金属或其合金制成。

控制系统12用来监测系统的运行状态、发送控制命令及协调各个子系统的正常运行。本实施例中由常规的触摸屏和PLC(可编程控制器)构成。

水气服务系统13给C型架9水套和射线源3、4供给冷却循环水，同时给下臂通有干燥空气，以保证探测器正常工作所需要的环境湿度，可用常规技术制成。

现结合图1说明一下测量过程：当被轧制钢板5从凸度仪C型架9所围成的通道通过，且控制系统12检测到钢板到达两个X射线源照射区域时，则让两个X射线源发出射线。X射线源3发出的射线通过安装在其下的准直器10，被准直成窄片状扇形束从图1中所示的视角照射钢板5，射线透过钢板5后再经后准直器(用以去除散射线)射入对准好的探测器阵列1中，探测器阵列1的信号经前置放大器6被放大。同理探测器阵列2探测的是射线源4经过钢板之后的衰减信号，并经前置放大器6放大。数据采集机7每隔一定时间采集两排探测器阵列1和2经前置放大器放大的信号，并将测量数据传递给数据处理显示计算机8，数据处理显示计算机8根据上述测量原理计算出横断面上各点的倾斜角度θ₀和厚度EF，并对厚度值自动进行进一步的修正，如合金补偿、温度补偿等，最后计算给出横断面上每点的真实厚度，而根据公式(9)可进一步得到凸度值：

$C=e-\frac{1}{2}(e_1+e_2)---\left(10\right)$

式中：e表示带钢中心的厚度；e₁、e₂表示带钢两端的厚度。

在本实施例中，数据采集机每10ms获取一次测量数据，该数据获取时间间隔可以视工厂的要求上下调整。

本发明的突出特点是用两个射线源和两排高压充气探测器阵列实现对钢板的横断面厚度、凸度等参数的测量。

与采用双源和单排固体探测器的系统相比(如瑞美公司的产品)，本发明避免了两个射线源对单排探测器的分时使用所必需的高速运转的旋转快门，简化了机械结构，增加了系统的可靠性；另外，由于两排探测器阵列可同时获取数据，此两组数据对应在钢板上的距离固定且很短(本实施例中为3.6cm)，避免了单排探测器分时获取数据时两组数据对应在钢板上的距离随钢板的运行速度变化而变化(如果钢板的运行速度为20m/s，每个源每隔5ms测一组数据则此距离为10cm)从而提高了测量精度；此外相对固体探测器，气体电离室探测器具有温漂小、耐辐照、性价比高等优点。

与采用四个射线源和四排气体电离室探测器的系统相比(如IMS公司的产品)，少使用两个射线源，且采用具有自主知识产权的高压充气电离室探测器，与其电离室探测器相比体积小(本实施例中宽×长×高为：10×20×100mm)，不必像目前IMS的系统一样需要沿钢板宽度方向蠕动C型架，就能满足空间分辨率的要求，大大地简化了机械和控制系统的复杂性；同时由于C型架的蠕动频率不高，一般在每秒1.5次左右，这使得需要蠕动C型架的测量装置获取一个投影的数据由两部分组成，此两部分数据对应在钢板上的位置可能相距较远(以钢板的运行速度20m/s为例，则此距离不低于13m)，这将导致系统的动态性能差，因此本发明与之相比提高了系统的动态性能。

Claims (3)

1.一种板带材的厚度凸度检测装置，包括C型架，安装在C型架上臂内沿待测板带材宽度方向间隔布置的两个射线源，安装在C型架下臂内并沿板带材运动方向间隔布置的两排高压充气电离室探测器阵列，安装在两个射线源下方的准直器，该准直器使每个射线源的射线只照射到相应的一排探测器阵列，与所述探测器阵列相连的前置放大器模块，与所述前置放大器模块相连的数据采集机，与所述数据采集机相连的数据处理及显示计算机，保证系统运行与监控的水气服务系统、控制系统，其特征在于，所述两排探测器阵列每排对应一个射线源，且两排探测器阵列对称地固定在支撑座两侧，每排探测器阵列由数百个以对应射线源靶心为圆心向心布置的高压充气电离室单元组成，所述探测器阵列成一字形排列，每个高压充气电离室单元的尺寸能满足板带材空间分辨率的要求；所述高压充气电离室单元在待测板带材宽度方向上的尺寸小于20mm；所述两个射线源发出的射线分别通过安装在其下方的所述准直器准直成窄片状扇形束照射到所述待测板带材上，透过所述待测板带材后再经用以去除散射线的后准直器射入相应的所述探测器阵列中，所述探测器阵列产生的信号经与其相连的所述前置放大器模块放大，所述数据采集机每隔一定时间采集所述两排探测器阵列经所述前置放大器模块放大的信号，并将测量数据传递给所述数据处理及显示计算机，所述数据处理及显示计算机计算出所述待测板带材横断面上各点的倾斜角度和厚度，最后计算出该横断面上每点的真实厚度，并根据以下公式得到所述待测板带材的凸度值C：

$C=e-\frac{1}{2}(e_1+e_2)$

式中：e表示所述待测板带材中心的厚度，e₁、e₂表示所述待测板带材两端的厚度。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所用射线源是X射线源、同位素射线源中的任一种，每个射线源的张角能覆盖整个板带材的宽度。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述待测板带材是工业热轧或冷轧生产线上的板带材。

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