技术领域

本发明属于核技术应用领域， 特別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 °C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 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， 机械结构筒单； 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， 机械结构筒单。

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� �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� �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 "Cs l 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 的高 i运转的旋转快门， 筒化了机械 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， 大大地筒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� �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� �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� �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� �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� �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 , 分別 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 1 3。

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 , 可分別在两排探测器阵列 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 ^艮短（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別说明如 下：

探测器阵列 1、 2 , 分別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、 Y射线探测器"。 本实施例选用的高压充气电离室的宽 X长 X 高为： 10 X 20 X 100匪 ）， 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 = I ₀ - e^ (1) 式中： I。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 Ιο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� �� 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 θ、 θ ₂ , 这些角 度值已知并事先输入计算机）， 图中 AB、 CD长度可以分別通过探测器阵 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 In和 h ₂ , 然后根据 几何关系得到 AB、 CD。

CD=h ₂ / sin9 ₂ (3)

贝' J 0点的厚度 EF及钢板的倾斜角度 θ ₀ 可以由 θ ₂ 、 hj , h ₂ 表示出 来。 在一个 4艮小的范围内， 可以认为 AC、 BD都是直线， 且相互平行； EF 为 0点处钢板的厚度， 垂直于 AC和 BD。 通过几何关系， 可以看出：

ZCDB = 9 ₂ + θ。 (5) 根据三角函数的定义， 有：

EF = AB - sin^ _ θ ₀ ) (6)

EF = CD - sin(9 ₂ + θ ₀ ) (7) 消去 EF , 并令

sin(9 ₂ + θ ₀ ) _

(8) θ θ。） ^{_ η}

展开三角函数， 并整理可得：

从而得到倾斜角度 θ。，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 θ。， 都只与 θ、 θ ₂ 、 hj, h ₂ 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 1 3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� �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� �角度 Θ。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 - (e _{1 +} e ₂ ) (10) 式中： e表示带钢中心的厚度； _ei 、 e ₂ 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， 筒化了机械结构， 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 ^艮短（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 X长 X高为： 10 X 20 X 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， 大大地筒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� �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。