凸度仪系统机械参数确定方法研究

    X射线钢板带材凸度在线检测系统(以下简称凸度仪),是工作在热轧钢板生产线上,对钢板心线厚度、凸度、楔度、钢板宽度甚至横断面形状进行在线实时测量的设备。清华大学核能与新能源技术研究院研制的凸度仪,不同于目前已商用的典型凸度仪,由双X射线源、双排电离室探测器阵列构成,通过获取同一钢板横截面的厚度投影数据和特殊的算法[1],对钢板横截面的厚度分布和倾角进行重建。

    在该凸度仪系统中,两个X射线源、两排电离室探测器阵列,以及钢板之间的位置关系(即系统的机械参数),是决定系统测量精度的关键因素之一。必须通过物理分析和仿真计算,决定这些主要的系统机械参数,并用以加工系统的机械部件,才能保证系统的测量精度。本文基于该凸度仪系统,结合X射线源的实际张角能力,利用噪声分析的方法,研究系统的机械参数对测量精度的影响规律。

    1 系统的基本构成和关键几何参数的定义

    图1所示为该凸度仪的原理图[1]。S1、S2为两个X射线源,A、B为两排电离室阵列探测器,其中,S1与A对应,S2与B对应。

    在此凸度仪系统中,两源之间的距离w、源到钢板的距离h,以及源到探测器的距离H(图2)为系统的关键几何参数。这几个机械参数的数值及它们之间的关系,直接决定钢板重建的精度。

    2 关键几何参数w和H的确定

    2.1 噪声分析

    仿真模型如图3所示,射线源S到探测器D0(在射线源S的正下方)方向的射线强度为I0,S到探测器Di方向的射线强度为fiI0。探测器D0处的噪声为SN0,探测器Di处的噪声为SNi。SC0=h0, SCi=hi, A0B0=L0,AiBi=Li。

    根据射线相关理论[2],有:

    其中:L0、Li为线性吸收系数。为了计算方便,这里作两点近似:1)忽略X射线源张角内射线各向差异;2)忽略射线硬化的影响,即认为线性吸收系数不随钢板厚度的变化而变化。得到:

    其中:$x为半衰减厚度;SN0为噪声参考值。

    2.2 重建

    将上述分析的噪声结果叠加到重建数据中,即通过给不同位置探测器的重建数据加入式(2)噪声,利用特殊的两投影钢板重建算法[1]进行重建。重建的结果以误差形式表示(图4)。其中:钢板宽度为2 250 mm,厚度为20 mm,倾角为0b;源间距离为1 600 mm,源高度为900 mm。

    从重建结果可得到以下结论:1)源正下方的重建精度最高,源间距为1 600 mm,则?800 mm处重建精度最高;2)随源水平距离的增大,处于两源之间范围的钢板(AB段)精度将慢速降低(即精度曲线AB段逐渐向上、向下凸起加剧),钢板边缘处的精度将迅速提高;3)随源高度的增加,误差轮廓曲线的形状基本不变,但因噪声水平直接与高度成正比,所以,正误差轮廓曲线将整体上移,负误差轮廓曲线将整体下移。