辐射测厚仪测量精度分析与误差补偿技术

　　0　引言

　　辐射测厚仪是利用物质对放射线吸收或散射特性进行厚度测量的测试仪表。利用放射线被物质小角度散射或反向散射效应设计制作的测厚仪称为散射式辐射测厚仪;利用放射线穿过物质时强度减弱随厚度变化有特定对应关系制作而成的测厚仪称为透射式辐射测厚仪。透射式辐射测厚仪因具有测量快速、无接触、无损坏、连续、高精度、能适应各种高温、粉尘等恶劣复杂环境的特点,被广泛应用于纸张、塑料薄膜、橡胶、铜、不锈钢等薄带材的生产线上,对产品的定量或厚度进行技术指标控制。我们对透射式辐射测厚仪进行了多年的研制开发,取得了一定成果,并与企业合作实现了辐射测厚仪的系列化和产业化生产。在研制开发过程中,我们发现采用合适的曲线拟合方法对保证测厚仪的精度起到关键作用,在要求测量范围宽、测量精度高时,选用分段多项式曲线拟合结合查表线性插值方法能取得满意的效果;对于较薄的被测材料,必须进行气隙温度补偿,以保证测量精度;利用内藏标样进行动态自动校正实现对灰尘与油污、放射源衰变和元器件老化等因素产生的综合误差补偿,能进一步提高测厚仪的测量精度。

　　1　透射式辐射测厚原理

　　其工作原理是将放射源和辐射探测器分别置于被测物的两侧,射线穿过被测物质后强度减弱随被测物厚度的变化而变化,从而使探测器的输出信号发生变化。探测器的输出电压V与被测物厚度t的关系可近似为指数衰减关系,如式(1)所示。

　　式中:V0为无被测物(t=0)时探测器输出电压;V为被测物厚度为t时探测器输出电压;t为被测物几何厚度,m;ρ为被测物的密度, g/m³;μ为被测物对射线的质量吸收系数,m²/g;ρt在物理学上称为质量厚度,在造纸及塑料工业中称为定量, g/m²。

　　对式(1)求自然对数,得

　　当被测材料与射线能量一定时,μ和ρ为常数,通过测量V0和V,就可测出厚度值t。当ρ不恒定时(如纸张或高温下的金属),则计算出质量厚度ρt(或定量)。

　　2　辐射测厚仪测量精度分析与误差补偿技术

　　辐射测厚仪的测量精度主要受以下因素影响:探测器的灵敏度、射线的散射效应[1]、测量过程中的温度变化和测量环境中的水分、油雾、灰尘,以及长期使用后放射源的衰变、电子元器件的老化等。下面对这些因素逐一进行分析,并给出相应的保证测量精度的方法和具体的误差补偿技术。

　　2.1　探测器的灵敏度

　　探测器灵敏度是指当被测物厚度有一个微小的变化(dt)时引起的探测器输出信号的变化(dV)。要保证测厚仪的精度,首先必须要求探测器有一定的灵敏度。对于探测器来说, dV/dt越大,则灵敏度越高。将式(1)对厚度t微分,得: