專利名稱：一種板帶材的厚度凸度檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種工業(yè)熱軋或冷軋生產(chǎn)線上板帶材厚度、凸度和板形等的檢測裝置。
背景技術(shù)：
凸度儀是板帶材生產(chǎn)和控制的關(guān)鍵設(shè)備，對于提高板帶材的產(chǎn)量和質(zhì)量有重要作用。由于熱軋鋼板的軋制溫度高(800°C以上)，環(huán)境中有粉塵和水汽等，非接觸射線式測量方法具有很大的優(yōu)勢。射線法凸度儀的探測器性能是決定凸度儀測量精度和檢測速度的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)有的凸度儀有采用單排固體探測器的(如美國熱電公司的產(chǎn)品資料中所述)， 雖然有響應(yīng)速度快、體積小、重量輕的優(yōu)點，但也存在著一些缺陷其一，余暉長、光電二極管不耐輻照、壽命短，對工作環(huán)境溫度要求高，工作環(huán)境需要恒溫控制。其二，由于不同射線源共用一排探測器，需要一個旋轉(zhuǎn)快門讓2個X射線源交替發(fā)出X射線，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在振動干擾。其三，由于兩個X射線源的射線由同一排探測器先后測量，導(dǎo)致兩個射線源在鋼板上的檢測位置之間的距離與鋼板運行速度有關(guān)，而鋼板的厚度重建是利用兩個射線源的測量數(shù)據(jù)得到的，因此當(dāng)鋼板運行速度快時測量精度下降。另外也有采用氣體電離室探測器的(如德國IMS公司的產(chǎn)品資料中所述)，但其使用的電離室體積大，因此分辨率不能滿足鋼廠的要求，需要C型架沿鋼板寬度方向來回擺動來提高分辨率。這一方面導(dǎo)致其機械、控制系統(tǒng)復(fù)雜；同時由于C型架重量大，擺動頻率不能過快，一般在1. 5Hz到2Hz，這使得當(dāng)鋼板運動時，用于計算同一橫斷面上的厚度數(shù)據(jù)取自兩個不同的斷面(相距數(shù)米到數(shù)十米)，從而使儀表的動態(tài)性能下降。且在射線源方面，由于其采用的X射線源張角小，不能覆蓋鋼板的寬度，在鋼板的寬度方向上一個投影需要兩個射線源，如果加上用于獲取另外一個投影的射線源，共需要4個射線源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于為克服現(xiàn)有射線法凸度檢測技術(shù)的不足之處，提供一種新型的板帶材的厚度凸度檢測裝置，能方便地同時獲取板帶材橫斷面上的兩個射線投影，從而進(jìn)行板帶材厚度、凸度、板型的檢測，而且只采用兩個射線源，采用兩排氣體電離室探測器陣列及信息處理系統(tǒng)。與采用單排固體探測器的系統(tǒng)相比探測器具有溫漂小、耐輻照、穩(wěn)定性好、性價比高等優(yōu)點，機械結(jié)構(gòu)簡單；同時又比已有的采用電離室的裝置分辨率高，動態(tài)性能好，減少了射線源的個數(shù)，機械結(jié)構(gòu)簡單。本實用新型提出的一種板帶材厚度凸度檢測裝置，其特征在于，包括C型架，安裝在C型架上臂內(nèi)沿鋼板寬度方向間隔布置的兩個射線源，安裝在C型架下臂內(nèi)并沿板帶材運動方向間隔布置的兩排高壓充氣電離室探測器陣列，安裝在兩個射線源下方的準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器使每個射線源的射線只照射到相應(yīng)的一排探測器陣列，與所述探測器陣列相連的前置放大器模塊，與所述前置放大器模塊相連的數(shù)據(jù)采集機，與所述數(shù)據(jù)采集機相連的數(shù)據(jù)處理及顯示計算機，保證系統(tǒng)運行與監(jiān)控的水氣服務(wù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。本實用新型的特點及有益效果本實用新型采用高壓充氣電離室作為探測器，與采用“Csl閃爍體+光電二極管” 的固體探測器相比受溫度的影響小，溫漂小，不需要像固體探測器那樣需要恒溫控制。同時具有比固體探測器耐輻照、漏電流小、使用壽命長、可靠性高、自準(zhǔn)直、成本低等優(yōu)點。采用雙排氣體電離室探測器陣列的布局與采用單排固體探測器陣列的布局相比， 一方面省去了兩個射線源對單排探測器的分時使用所必需的高速運轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)快門，簡化了機械結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的可靠性，另外還保證了兩排探測器陣列可同時獲取數(shù)據(jù)，從而提高了系統(tǒng)的動態(tài)測量精度。與采用四個射線源和四排氣體電離室探測器的系統(tǒng)相比，少使用兩個射線源，且采用的高壓充氣電離室探測器比其電離室探測器體積小，不必像目前IMS 的系統(tǒng)一樣需要沿鋼板寬度方向蠕動C型架，就能滿足空間分辨率的要求，大大地簡化了機械和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的動態(tài)檢測性能。

圖1為本實用新型所述板帶材的厚度凸度檢測裝置的正視示意圖。圖2為本實用新型所述板帶材的厚度凸度檢測裝置的測厚原理圖。圖3為本實用新型所述板帶材的厚度凸度檢測裝置的側(cè)視示意圖。圖4為本實用新型所述板帶材的厚度凸度檢測裝置的算法原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本實用新型的具體內(nèi)容本實用新型提出的一種板帶材的厚度凸度檢測裝置，如在圖1所示，包括C型架9， 安裝在C型架上臂內(nèi)沿鋼板寬度方向間隔布置的兩個射線源3、4，安裝在凸度儀C型架下臂內(nèi)并沿板帶材運動方向間隔布置的兩排高壓充氣電離室探測器陣列1、2，安裝在兩個射線源下方的準(zhǔn)直器10、11，該準(zhǔn)直器使每個射線源的射線只照射到相應(yīng)的一排探測器陣列，與所述探測器陣列相連的前置放大器模塊6，與上述前置放大器模塊相連的數(shù)據(jù)采集機7，與上述數(shù)據(jù)采集機相連的數(shù)據(jù)處理及顯示計算機8，分別與計算機8、凸度儀C型架9相連，保證系統(tǒng)運行與監(jiān)控的控制系統(tǒng)12、水氣服務(wù)系統(tǒng)13。探測器陣列1、2在鋼板5寬度方向上的位置關(guān)系如圖2所示。兩個射線源3、4， 可分別在兩排探測器陣列1和2的正上方，也可在兩排探測器陣列1和2中心線的正上方。 還包括固定兩排探測器陣列的支撐座14，兩排探測器陣列對稱分布在支撐座14的兩側(cè)。由于探測器陣列1和探測器陣列2的中心距離很短(本實施例中，為4. 6cm，折算到鋼板上約為3. 6cm)，在此范圍內(nèi)可認(rèn)為鋼板的厚度一致，因此可近似認(rèn)為兩排探測器陣列檢測的是鋼板的同一個斷面。各組成部件的具體實施方式
及功能分別說明如下探測器陣列1、2，分別由數(shù)百個小尺寸向心布局的高壓充氣電離室構(gòu)成(為本申請人的自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品，已申請發(fā)明專利“氣體電離型中低能X、υ射線探測器”。本實施例選用的高壓充氣電離室的寬χ長χ高為10X20X100mm)，具有溫漂小、耐輻照、空間分辨率高、性價比高等優(yōu)點。具體個數(shù)由被檢測鋼板5的寬度決定，為了保證分辨率，探測器陣列在鋼板寬度方向上的尺寸一般小于20mm ；其中探測器陣列1對應(yīng)射線源3，探測器陣列 1中的每個電離室的射線窗都朝向射線源3 ；探測器陣列2對應(yīng)射線源4，探測器陣列2中的每個電離室的射線窗都朝向射線源4。射線源3和4可以采用X射線源，也可采用放射性同位素源。本實施例中，采用COMET公司225KV的X射線源?，F(xiàn)結(jié)合圖3說明一下探測器獲取厚度信號的原理。X射線源15發(fā)出的X射線在經(jīng)過被測物體18之后，強度會有所衰減，并遵循下面的公式Iffl = I0 - e"uh(1)式中=Itl表示穿過被測物體18之前的X射線強度；Im表示穿過被測物體18后的X 射線強度；μ表示被測物體對X射線的線性吸收系數(shù)；h表示被測物體18的厚度。μ與被測物體18的成分和射線的能量有關(guān)。由于被測物體18的成分復(fù)雜，且X 射線有一個很寬的能譜，因此在實際應(yīng)用中，不能根據(jù)(1)式給出In^Ph的關(guān)系，而需要通過實驗測量Itl并確定h與Im之間的關(guān)系曲線，這一過程也叫校準(zhǔn)。探測器16將檢測到的輻射強度信號Im轉(zhuǎn)換為與之成比例的電流信號，并通過信號處理器17放大處理。由放大的探測器輸出信號以及h與Im之間的關(guān)系曲線，可以知道被測物體的厚度h。前置放大器 6對探測器陣列1、2中的電離室輸出的微弱電流信號放大，本實施例中每16個電離室的信號放大電路集成在一個前置放大器模塊中。放大器采用增益大、噪聲低的電子元器件。本實施例中數(shù)據(jù)采集機7由常規(guī)的電流輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器、CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)和單片機器件構(gòu)成。對兩排探測器陣列的幾百個經(jīng)過前置放大器6放大的電離室信號進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)快速傳輸給數(shù)據(jù)處理顯示計算機8。本實施例中每IOms要完成采集、傳輸所有探測器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理顯示計算機8，用來儲存校準(zhǔn)曲線、散射校正數(shù)據(jù)、合金補償和溫度補償系數(shù)，讀取數(shù)據(jù)采集機7的傳輸數(shù)據(jù)，重建鋼板的橫斷面厚度，計算凸度等參數(shù)并顯示。本實施例的數(shù)據(jù)處理顯示計算機可采用帶網(wǎng)卡的常規(guī)的工控機。上述所有的校準(zhǔn)曲線都存儲在數(shù)據(jù)處理顯示計算機8中。數(shù)據(jù)處理顯示計算機8每IOms接收到數(shù)據(jù)采集機7發(fā)送的兩排探測器陣列數(shù)據(jù)。然后將探測器的測量值，經(jīng)過一定的散射校正后得到Im，再利用h與 Im之間的關(guān)系曲線查表得到鋼板厚度h。每個探測器可以獲得一個厚度，一排探測器陣列就可以獲得鋼板橫斷面的一個厚度投影。由兩排探測器陣列數(shù)據(jù)可得到鋼板橫斷面的兩個投影。根據(jù)兩個投影，以及幾何布置參數(shù)，按照一定的重建算法，可以計算出板帶材橫向厚度分布，根據(jù)厚度分布可實時得到凸度數(shù)據(jù)。下面結(jié)合圖4介紹一下重建算法的基本原理。19是射線源3對應(yīng)的探測器陣列1 中的一個探測器單元，20是射線源4對應(yīng)的探測器陣列2中的一個探測器單元，21是輥道 (鋼板軋制生產(chǎn)線上用于輸送被軋鋼板的設(shè)備，所述測量裝置的待測鋼板位于其上。)表面。如圖4所示，探測器單元19、20和對應(yīng)的X射線源3、4各成一定角度(如θ” θ2，這些角度值已知并事先輸入計算機)，圖中ΑΒ、⑶長度可以分別通過探測器陣列1的探測器單元19和探測器陣列2的探測器單元20的測量數(shù)據(jù)，并經(jīng)過散射校正，反查各自的h與Im 關(guān)系曲線得到厚度Ii1和Ii2，然后根據(jù)幾何關(guān)系得到AB、CD。AB = h/sin θ j(2)[0030]CD = h2/sin θ 2(3)則0點的厚度EF及鋼板的傾斜角度θ ^可以由θ^ θ2、、、 !2表示出來。在一個很小的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為AC、BD都是直線，且相互平行；EF為0點處鋼板的厚度，垂直于AC和BD。通過幾何關(guān)系，可以看出ZABD = θ r θ 2(4)Z CDB = θ 2+ θ (5)根據(jù)三角函數(shù)的定義，有EF = AB · sin ( θ「θ Q) (6)EF = CD · sin ( θ 2+ θ 0) (7)消去EF,并令 AB/CD = hlSin θ 2；
sin(07 +θη). ‘ 2 ° =η ■(θ! -θ0)展開三角函數(shù)，并整理可得
nsin6, - sin09tan90 =
(h2sin θ》=η (8)
IicosG1 +cos02
(9)從而得到傾斜角度θ 0,再將其帶回EF的表達(dá)式，則可以得到厚度EF。上述算法中，ΑΒ、⑶是算法的輔助線，所算出的厚度EF和角度Qtl都只與θ ” θ 2、 hp Ii2有關(guān)。射線源的靶心可在探測器陣列的正上方，也可不在，如圖2所示。以上算法對這兩種情況都是適用的。當(dāng)射線源3的靶心在探測器陣列1的正上方，射線源4的靶心在探測器陣列2的正上方時，AB、CD是射線實際穿過的路徑。否則，當(dāng)探測器陣列不在射線源的正下方時，AB、CD就只是算法的輔助線。但從提高探測器的探測效率的角度，射線源的靶心在探測器陣列正上方更好。C型架9用來放置檢測設(shè)備，其寬度由所能檢測的鋼板寬度決定，設(shè)計高度由射線的覆蓋角度等因素決定。本實施例可用一定厚度的不銹鋼焊接制成，上下臂可通過螺栓連接以便于拆裝。上臂的下表面和下臂的上部焊有水套，水套內(nèi)部通有循環(huán)冷卻水。；準(zhǔn)直器10和11，用來將X射線準(zhǔn)直成窄片狀扇形束，本實施例可由鉛、鎢等金屬或其合金制成。控制系統(tǒng)12用來監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)、發(fā)送控制命令及協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)的正常運行。本實施例中由常規(guī)的觸摸屏和PLC(可編程控制器)構(gòu)成。水氣服務(wù)系統(tǒng)13給C型架9水套和射線源3、4供給冷卻循環(huán)水，同時給下臂通有干燥空氣，以保證探測器正常工作所需要的環(huán)境濕度，可用常規(guī)技術(shù)制成?，F(xiàn)結(jié)合圖1說明一下測量過程當(dāng)被軋制鋼板5從凸度儀C型架9所圍成的通道通過，且控制系統(tǒng)12檢測到鋼板到達(dá)兩個X射線源照射區(qū)域時，則讓兩個X射線源發(fā)出射線。X射線源3發(fā)出的射線通過安裝在其下的準(zhǔn)直器10，被準(zhǔn)直成窄片狀扇形束從圖1中所示的視角照射鋼板5，射線透過鋼板5后再經(jīng)后準(zhǔn)直器(用以去除散射線)射入對準(zhǔn)好的探測器陣列1中，探測器陣列1的信號經(jīng)前置放大器6被放大。同理探測器陣列2探測的是射線源4經(jīng)過鋼板之后的衰減信號，并經(jīng)前置放大器6放大。數(shù)據(jù)采集機7每隔一定時間采集兩排探測器陣列1和2經(jīng)前置放大器放大的信號，并將測量數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理顯示計算機8，數(shù)據(jù)處理顯示計算機8根據(jù)上述測量原理計算出橫斷面上各點的傾斜角度θ 0和厚度EF，并對厚度值自動進(jìn)行進(jìn)一步的修正，如合金補償、溫度補償?shù)?，最后計算給出橫斷面上每點的真實厚度，而根據(jù)公式(9)可進(jìn)一步得到凸度值C = C-^e1 +e2)(10)式中e表示帶鋼中心的厚度；ei、e2表示帶鋼兩端的厚度。在本實施例中，數(shù)據(jù)采集機每IOms獲取一次測量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)獲取時間間隔可以視工廠的要求上下調(diào)整。本實用新型的突出特點是用兩個射線源和兩排高壓充氣探測器陣列實現(xiàn)對鋼板的橫斷面厚度、凸度等參數(shù)的測量。與采用雙源和單排固體探測器的系統(tǒng)相比(如瑞美公司的產(chǎn)品)，本實用新型避免了兩個射線源對單排探測器的分時使用所必需的高速運轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)快門，簡化了機械結(jié)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的可靠性；另外，由于兩排探測器陣列可同時獲取數(shù)據(jù)，此兩組數(shù)據(jù)對應(yīng)在鋼板上的距離固定且很短(本實施例中為3. 6cm)，避免了單排探測器分時獲取數(shù)據(jù)時兩組數(shù)據(jù)對應(yīng)在鋼板上的距離隨鋼板的運行速度變化而變化(如果鋼板的運行速度為20m/s， 每個源每隔5ms測一組數(shù)據(jù)則此距離為10cm)從而提高了測量精度；此外相對固體探測器， 氣體電離室探測器具有溫漂小、耐輻照、性價比高等優(yōu)點。與采用四個射線源和四排氣體電離室探測器的系統(tǒng)相比(如IMS公司的產(chǎn)品)，少使用兩個射線源，且采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高壓充氣電離室探測器，與其電離室探測器相比體積小(本實施例中寬X長X高為10 X 20 X 100mm)，不必像目前IMS的系統(tǒng)一樣需要沿鋼板寬度方向蠕動C型架，就能滿足空間分辨率的要求，大大地簡化了機械和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；同時由于C型架的蠕動頻率不高，一般在每秒1. 5次左右，這使得需要蠕動C 型架的測量裝置獲取一個投影的數(shù)據(jù)由兩部分組成，此兩部分?jǐn)?shù)據(jù)對應(yīng)在鋼板上的位置可能相距較遠(yuǎn)(以鋼板的運行速度20m/s為例，則此距離不低于13m)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)性能差，因此本實用新型與之相比提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
權(quán)利要求1.一種板帶材的厚度凸度檢測裝置，其特征在于，該裝置包括C型架，安裝在C型架上臂內(nèi)沿待測板帶材寬度方向間隔布置的兩個射線源，安裝在C型架下臂內(nèi)并沿板帶材運動方向間隔布置的兩排高壓充氣電離室探測器陣列，安裝在兩個射線源下方的準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器使每個射線源的射線只照射到相應(yīng)的一排探測器陣列，與所述探測器陣列相連的前置放大器模塊，與所述前置放大器模塊相連的數(shù)據(jù)采集機，與所述數(shù)據(jù)采集機相連的數(shù)據(jù)處理及顯示計算機，保證系統(tǒng)運行與監(jiān)控的水氣服務(wù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所用射線源是X射線源、同位素射線源中的任一種，每個射線源的張角能覆蓋整個板帶材的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征在于，所用兩排探測器陣列每排對應(yīng)一個射線源，每排探測器陣列由數(shù)百個以對應(yīng)射線源靶心為圓心向心布置的高壓充氣電離室單元組成，每個探測器單元的尺寸能滿足板帶材空間分辨率的要求。
專利摘要本實用新型涉及一種板帶材的厚度凸度檢測裝置，屬核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，該裝置包括C型架，安裝在C型架上臂內(nèi)沿待測鋼板寬度方向間隔布置的兩個射線源，安裝在C型架下臂內(nèi)并沿板帶材運動方向間隔布置的兩排高壓充氣電離室探測器陣列，安裝在兩個射線源下方的準(zhǔn)直器，該準(zhǔn)直器使每個射線源的射線只照射到相應(yīng)的一排探測器陣列，與所述探測器陣列相連的前置放大器模塊，與所述前置放大器模塊相連的數(shù)據(jù)采集機，與所述數(shù)據(jù)采集機相連的數(shù)據(jù)處理及顯示計算機，保證系統(tǒng)運行與監(jiān)控的水氣服務(wù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。本實用新型機械結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)測量精度高，探測器具有溫漂小、耐輻照、空間分辨率高、性價比高等優(yōu)點。
文檔編號G01B15/04GK202092619SQ20112009623
公開日2011年12月28日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者劉錫明, 吳志芳, 安繼剛, 張玉愛, 李立濤, 王振濤, 王立強, 苗積臣, 談春明, 邢桂來, 鄭健, 郭肖靜, 黃毅斌 申請人:清華大學(xué)