CN103206931A - 一种x射线测厚方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线测厚方法及装置，属于射线测量领域；该X射线测厚方法包括步骤（1）：设置X射线发射器，调节其发射参数；步骤（2）：开启X射线发射器，测量未放置物体时空气中的射线能量数据I₀；步骤（3）：开启X射线发射器，使X射线穿过厚度d已知的标准待测材料，测量穿过标准待测材料后的射线能量数据I；步骤（4）：采用以下方法求取校正参数：根据公式：

求得对应的线衰减系数μ，再根据公式：μ(d)＝A(e^-αd+β)进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；再根据公式：

进行待测材料的厚度测量；该方法客服了因X射线“射束硬化”现象带来的测量不准的问题，使得X射线测厚方法具有校正功能；该方法和装置简单易行，且准确度高，可靠性强。

Description

一种X射线测厚方法及装置

技术领域

本发明属于射线测量领域，涉及一种X射线测厚方法及装置。

背景技术

厚度是金属加工的尺寸质量指标之一，对金属器件的厚度尺寸，尤其是板带金属材料的厚度进行测量是材料加工及应用过程中非常重要的工作，因此，如何对金属板带材料的厚度进行测量一直是该领域研究的重点。

目前，随着核物理技术的快速发展和日益成熟，根据射线与物质相互作用的原理，核技术在边缘科学、工业和医学等方面都有广泛的应用，从而利用射线进行测厚的方法也随之产生，该方法通过分析穿过待测材料后的射线的强度变化与材料厚度之间的关系，得出待测材料的厚度值，此种方法采用非接触式穿透测量法，不会伤害材料，也不会受板型、现场条件等因素的影响。

目前在板带金属材料厚度测量中，所采用的射线测厚方法通常包括同位素测厚和X射线测厚。在同位素测厚中又以γ射线最为常用，γ射线测厚的优点在于γ射线为准单能射线，与物质相互作用时，衰减系数为一常数，数据处理方便准确，具有较高的可靠性，但缺点在于使用同位素放射源存在辐射危害的风险，不论是从操作人员的射线防护措施还是同位素放射源库房的管理上都会带来诸多不便，增加其测量复杂度和成本。而X射线测厚则不会出现上述问题，但X射线能量的分布是连续的，与物质相互作用时会出现“射束硬化”现象，衰减系数并不为固定常数，而是一个变化量，因而给厚度测量带来了困难。

因此，针对以上提出的问题，目前急需一种经过改进的X射线测厚方法及装置，从而提高测量精度和可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种X射线测厚方法及装置，该测量方法具有X射线测厚校正功能，能够对材料厚度，尤其是金属板带材料的厚度进行准确测量，具有较高的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种X射线测厚方法，包括以下步骤：步骤（1）：设置X射线发射器，调节其发射参数；步骤（2）：开启X射线发射器，测量未放置物体时空气中的射线能量数据I₀；步骤（3）：开启X射线发射器，使X射线穿过厚度d已知的标准待测材料，测量穿过标准待测材料后的射线能量数据I；步骤（4）：采用以下方法求取校正参数：根据公式：

求得对应的线衰减系数μ，再根据公式：μ(d)＝A(e^-αd+β)进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；再根据公式：

进行待测材料的厚度测量。

进一步，上述测厚方法还包括以下步骤：测量未开启X射线发射器情况下，环境中已有的射线本底数据I_bkg；然后将步骤二和步骤三中得到的I₀和I分别减去本底数据I_bkg，从而得到抛开环境中已有射线影响时的实际射线能量数据，并带入步骤四中进行计算。

进一步，在步骤三中，采用5件不同已知厚度的标准材料，从而得到5组射线能量数据I。

本发明还提供了一种X射线测厚的装置，采用该装置能够精确的进行材料厚度的测量。该装置的技术方案如下：一种X射线测厚装置，包括X射线发射单元、X射线接收单元和数据处理单元，X射线发射单元用于发射X射线，X射线接收单元用于接收穿过待测材料后的X射线，数据处理单元用于对待测材料的厚度进行计算测量；所述数据处理单元包括线衰减系数计算模块，该模块根据公式

计算材料的线衰减系数μ，其中d为待测材料的已知标准厚度，I₀为未放置物体时环境中的射线能量数据，I为穿过标准待测材料后的射线能量数据；校正参数计算模块，该模块根据公式μ(d)＝A(e^-αd+β)进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；材料厚度计算模块，该模块根据公式

计算待测材料的厚度。

进一步，所述数据处理单元采用现场可编程门阵列FPGA。

进一步，所述数据处理单元采用单片机。

进一步，所述X射线接收单元采用X射线线阵探测器。

本发明的有益效果在于：本发明所述的X射线测厚方法和装置在原有的测量方法的基础上进行了进一步改进，客服了因X射线“射束硬化”现象带来的测量不准的问题，使得X射线测厚方法具有校正功能；该方法和装置简单易行，且准确度高，可靠性强。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述测厚方法的步骤流程图。

具体实施方式

首先，本发明所述X射线测厚方法的理论基础如下：利用X射线测量物体厚度是基于X射线穿过被测物体时射线强度被削弱的原理。在特定的能量和波长下，X射线穿过厚度为d的物质的辐射强度I由下式给出（Beer定理）：I＝I₀e^-μd（1），式中I₀为入射X射线强度，I为穿过被测物体后的射线强度，d为被测物体厚度，μ为物质的线衰减系数，由物质材料的化学成分和X射线的波长共同决定。对（1）式进行变形得：

理想情况下，被测物质的线衰减系数μ可表示为：μ=kρz³λ³（3），式中k为系数，ρ为物质密度，z为物质原子序数，λ为射线波长。由式（3）可知，线衰减系数μ对射线波长λ具有依赖性。而X射线具有多能谱性，它是从最小波长λ_min→∞的连续谱线，可见，对于X射线来说，式（2）中的线衰减系数μ是一个与射线波长有关的变化量μ(λ)。因此，为保证测量精度，在用X射线测厚时必须对线衰减系数μ进行校正后才能使用式（2）对厚度进行计算。

由上述内容可知，需要采取一定的校正措施才能保证X射线测厚方法的精确度。又由理论知识可知：对于连续谱X射线的总强度I_连应是强度曲线下的总面积：

式中I(λ)为波长是λ的X射线谱线的强度密度，λ_min＝hc/eV＝12.4/V×10^-10m，V为管电压（kV），h为普朗克常数，c为光速，e为电子电量。要得到连续谱X射线总强度，需知道I(λ)的表达式。连续谱X射线的强度分布可由克拉默尔公式表示：

式中A为常数，i为X射线管电流；z为阳极靶元素的原子序数。

将式（5）代入式（4）得到连续谱X射线总强度：

（6）；则式（2）中的射线强度对数衰减ln(I₀/I)可表示为：由于被测物体一般为材质均匀的物质，所以μ(x,y,λ)=μ_m(λ)ρ，其中ρ为被测物质密度，μ_m为其质量衰减系数，令函数h(d)＝ln(I₀/I)，则式（7）可简化为：

$h\left(d\right)=\ln \left(\frac{I_0}{I}\right)=\ln \left\{\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{\∞}I\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{\∞}I\left(\mathrm{\λ}\right)\exp [-{\mathrm{\μ}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρd}]\mathrm{d\λ}}\right\}---\left(8\right)$

由式（8）可知，h(d)是关于d的正的单调递增函数，即当被测物体的厚度d越大，对数衰减ln(I₀/I)越大。将函数h(d)对d求导得：

$h\′\left(d\right)=\frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{\∞}{\mathrm{\μ}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρI}\left(\mathrm{\λ}\right)\exp [-{\mathrm{\μ}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρd}]\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_{\min }}^{\∞}I\left(\mathrm{\λ}\right)\exp [-{\mathrm{\μ}}_m\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρd}]\mathrm{d\λ}}---\left(9\right)$

不难证明h′(d)是关于d的正的单调递减函数，即随被测物体的厚度d的增大，对数衰减ln(I₀/I)增大的幅度逐渐减小，由（2）式可知函数h(d)的斜率便是对应厚度下的线衰减系数μ，它随厚度的增加而减小，即μ对厚度d的一阶导数小于0；当厚度d→∞时，线衰减系数趋向于某一极限值μ_∞，而线衰减系数μ对d的一阶导数则趋于0。

为满足以上条件，给出负指数校正数学模型μ(d)如下：μ(d)＝A(e_-αd+β)（10），式中A,α,β均为正常数，由最小二乘法曲线拟合方式对标准材料进行标定求得。

将式（10）代入式（2）得到经过校正后的厚度测量计算公式如下：

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述测厚方法的步骤流程图，如图所示，在本实施例中，该X射线测厚方法包括四个步骤：

第一步，设置X射线发射器，调节其发射参数；由于X射线具有一定的放射危害，因此需要采取一定的屏蔽和隔离措施，同时需事先设置一下其参数。

第二步，开启X射线发射器，测量未放置物体时空气中的射线能量数据I₀；根据X射线测厚的原理，通过分析X射线穿过待测材料的过程中衰减的程度来间接的测得材料的厚度，因此需要先测得射线未通过材料时的能量数据。

第三步，开启X射线发射器，使X射线穿过厚度d已知的标准待测材料，测量穿过标准待测材料后的射线能量数据I。

第四步，采用以下方法求取校正参数：根据公式：

也就是第（2）式求得对应的线衰减系数μ，再根据公式（10）：

进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；最后再根据公式（11）：

进行待测材料的厚度测量。

作为本实施例的一种改进，在上述步骤中还包括以下步骤：测量未开启X射线发射器情况下，环境中已有的射线本底数据I_bkg；然后将步骤二和步骤三中得到的I₀和I分别减去本底数据I_bkg，从而得到抛开环境中已有射线影响时的实际射线能量数据，并带入步骤四中进行计算；这样可以避免环境射线的干扰，最大程度地保障测量的精确度。

本发明还提供了一种X射线测厚装置，本装置包括X射线发射单元、X射线接收单元和数据处理单元，X射线发射单元用于发射X射线，X射线接收单元用于接收穿过待测材料后的X射线，数据处理单元用于对待测材料的厚度进行计算测量；所述数据处理单元包括线衰减系数计算模块，该模块根据公式

计算材料的线衰减系数μ，其中d为待测材料的已知标准厚度，I₀为未放置物体时环境中的射线能量数据，I为穿过标准待测材料后的射线能量数据；校正参数计算模块，该模块根据公式μ(d)＝A(e^-αd+β)进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；材料厚度计算模块，该模块根据公式

计算待测材料的厚度。在本实施例中数据处理单元采用现场可编程门阵列FPGA，FPGA的优点是不需要大量外围电路驱动，能够节约硬件成本，并且可移植性和可拓展性较高。

下面以一组实验数据来对本发明的有益效果进行说明：

实验器材：（1）选用CD-300BX工业CT机进行实验，该工业CT机采用X射线球管作为射线源，配置线阵探测器，射线能量225kv～450kv可调。（2）选用范围在5mm～50mm的阶梯钢板模型作为被测物体。

实验步骤：（1）将X射线球管电压调到420kv，管电流调到2mA，关闭隔离室；（2）测未开启射线源下探测器输出的本底数据I_bkg；（3）测未放置物体时射线源对空气的扫描数据I₀'，并依次测得厚度为5mm～50mm，并以10mm为间隔的5组扫描数据I'；（4）将上述5组扫描数据I'和I₀'分别减去本底数据I_bkg得到去除本底后的实际扫描数据I和I₀，如表1所示。

表1探测器对应输出数据

为验证校正模型的有效性，将厚度为5mm、15mm、25mm、35mm和45mm的五组数据根据公式（2）求得对应的线衰减系数μ，再对公式（10）进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β的值分别为：0.0695、0.0809、1.6444。将参数代入公式（11）得此条件下的测厚公式为： $d=\frac{\ln (I_0/I)}{0.0695(e^{-0.0809d}+1.6444)}---\left(12\right);$

现对标准厚度为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm五种规格的钢板使用经过校正数学模型校正后的测量公式（12）进行测量，用于检验此校正数学模型是否有效，校正后的测量值与标准厚度进行比较得相对误差，如表2所示：

表2相对误差表

实验结果表明，经过式（10）校正数学模型校正后的厚度测量相对误差在±0.5%以内，能满足实际测量精度要求，校正模型对多能谱X射线厚度测量的校正作用是有效的。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种X射线测厚方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：设置X射线发射器，调节其发射参数；

步骤二：开启X射线发射器，测量未放置物体时空气中的射线能量数据I₀；

步骤三：开启X射线发射器，使X射线穿过厚度d已知的标准待测材料，测量穿过标准待测材料后的射线能量数据I；

步骤四：采用以下方法求取校正参数：根据公式：求得对应的线衰减系数μ，再根据公式：

进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；再根据公式：

进行待测材料的厚度测量。

2.根据权利要求1所述的X射线测厚方法，其特征在于：还包括以下步骤：测量未开启X射线发射器情况下，环境中已有的射线本底数据I_bkg；然后将步骤二和步骤三中得到的I₀和I分别减去本底数据I_bkg，从而得到抛开环境中已有射线影响时的实际射线能量数据，并带入步骤四中进行计算。

3.根据权利要求1或2所述的X射线测厚方法，其特征在于：在步骤三中，采用5件不同已知厚度的标准材料，从而得到5组射线能量数据I。

4.一种X射线测厚装置，包括X射线发射单元、X射线接收单元和数据处理单元，X射线发射单元用于发射X射线，X射线接收单元用于接收穿过待测材料后的X射线，数据处理单元用于对待测材料的厚度进行计算测量；

其特征在于：所述数据处理单元包括线衰减系数计算模块，该模块根据公式

计算材料的线衰减系数μ，其中d为待测材料的已知标准厚度，I₀为未放置物体时环境中的射线能量数据，I为穿过标准待测材料后的射线能量数据；校正参数计算模块，该模块根据公式μ(d)＝A(e^-αd+β)进行最小二乘曲线拟合标定得到校正参数A,α,β；

材料厚度计算模块，该模块根据公式计算待测材料的厚度。

5.根据权利要求4所述的X射线测厚装置，其特征在于：所述数据处理单元采用现场可编程门阵列FPGA。

6.根据权利要求4所述的X射线测厚装置，其特征在于：所述数据处理单元采用单片机。

7.根据权利要求4到6中任一项所述的X射线测厚装置，其特征在于：所述X射线接收单元采用X射线线阵探测器。