基于PCI-1710数据采集卡的多通道智能化同位素测厚仪设计原理与实现

目前,在各种板材生产流水线上,大多采用了厚度自动控制系统(AGC),合理选择在线测厚仪,是提高产品质量和生产效率的关键因素之一。同位素测厚仪具有测量精度高、稳定性好、可连续测量、测量面积大、与被测物体无接触等优点而得到了广泛应用。但传统的同位素测厚仪受电子学电路的限制,一种型号仪器通常只能用于某一种类材料的厚度测量中,且校准和标定都很复杂,因此它的应用受到了一定限制。在传统同位素测厚仪的原理基础上,采用现代计算机控制技术、智能传感器技术和人工智能技术,设计实现智能化同位素测厚仪,可以大幅度提高同位素测厚仪的测量精度,扩展它的应用领域。本文论述了基于台湾研华PCI21710数据采集卡的多通道智能化同位素测厚仪的设计原理及实现。

1　测试原理及系统构成[123]

γ射线与物质发生相互作用主要包括康普顿效应、光电效应和电子偶效应。单能γ射线在物质中的吸收规律为:

式(1)中I0、I分别为γ射线穿过物质前、后的强度,μ为被测物体对射线的吸收系数,d为吸收物质厚度。另外:

式中μm为被测物体总的质量吸收系数,ρ被测物体的密度,ai为被测物体中第i种元素所占的质量百分数,μmi为被测物体中第i种元素的质量吸收系数,某种单一元素物质的质量吸收系数是γ射线能量和物质原子序数的函数,它是反映元素种类的特征量。

射线和物质相互作用时,射线的强度随所穿透的物体的厚度而变化,也随物体种类的不同而变化。对窄束γ射线,从式(1)可求出物质厚度公式:

理论上如果μ值一定,也就是物质成分固定,射线穿过物体前后强度的变化量就可以反映被测物的厚度。式(4)是设计同位素测厚仪的基本依据。测厚仪前端电路组成原理如图1。

经过准直的γ射线穿透被测物体进入电离室后,一部分和电离室壁以及电离室内所充的气体发生光电效应和散射,其次级电子电离电离室内的气体而产生正负离子,在电离室电极电压的作用下,正、负电极可收集到nA级电流,经静电荷放大器的放大,最终将γ射线强度转换成电压信号。由于u(d)∝I,因此:

式中,d为被测物体厚度,u(d)0、u(d)分别为γ射线穿透物体前后测到的电压值。通过测量电压,得到厚度信息。

在实际应用中,为了确保γ射线测厚仪的测量精度,需对γ射线测厚仪理论公式进行修正,通常包括:吸收修正、密度修正、温度修正和相互干涉修正。则式(1)变为式(6):

式中:Cu为吸收曲线线性补正值;Cp为密度补正值;Ck为射线相互干扰补正值;Ct为温度补正值。

由此可见,在理想情况下,厚度与测量信号间是一条衰减指数曲线,其标定就比较复杂。如果再考虑各种修正因素,二者之间并非呈严格的指数关系。因此,传统电子学测厚仪的标定与校准非常复杂,一旦投入使用,通常只能针对某一工艺下某一固定材料的板材进行测厚,仪器的通用性、易用性及应用范围都受到限制。采用工业控制计算机,配以高性能的数据采集处理卡,组成智能化的测厚仪器。软件采用查表模式,用一组数据可摸拟任何形状的曲线,从而自动完成测量过程中的各种修正运算,提高测量精度。在生产实践中积累大量经验数据,得到各种条件下的标定曲线,再通过数据库管理系统,存储多种工艺条件下、各种配方板材的标定参数表,使测厚仪能够适用于各种生产条件下、不同种类板材的自动化生产流水线。