專利名稱：基于x射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置及方法。
背景技術(shù)：
X射線對(duì)物質(zhì)具有較強(qiáng)的穿透能力，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療成像、行李安檢和
工業(yè)探傷等行業(yè)。這些儀器的工作原理相同，即x射線穿過待檢物體后，被物
體吸收損耗的X射線與它的密度或濃度有關(guān)，經(jīng)成像顯示后得到能反映被測(cè)物
體密度的灰白或彩色影像。
現(xiàn)有的商業(yè)密度、濃度掃描儀基本都采用中子源，即Y射線源，它是鈷、 銫等金屬元素的放射性同位素。伽馬射線源不斷放射伽馬射線，強(qiáng)度十分穩(wěn)定， 不受外界條件干擾。因此它對(duì)密度和濃度的探測(cè)精度高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。它的 最大缺點(diǎn)在于Y射線源對(duì)人體和環(huán)境存在較大的安全隱患，這是因?yàn)橛米髦凶?源的放射性同位素不斷放射出Y射線，和是否接通電源無關(guān)。稍有疏忽就有可
能造成射線傷害事故。而x射線源是x光發(fā)射管，只有在接通電源后才會(huì)產(chǎn)生 x射線，斷開電源后x射線隨之?dāng)嚅_。即x射線源在不工作時(shí)無安全隱患。且 由于目前x射線防護(hù)技術(shù)十分成熟，對(duì)周邊環(huán)境和操作人員安全隱患小。
X射線應(yīng)用于密度和濃度探測(cè)的主要技術(shù)障礙是X射線源的穩(wěn)定性欠佳，
存在所謂頻閃現(xiàn)象，即射線強(qiáng)度隨時(shí)間變化有一定起伏。在測(cè)試固體和流體的 密度、濃度時(shí)，如果射線強(qiáng)度不穩(wěn)定，將會(huì)造成探測(cè)精度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于x射線的密度、濃度
和厚度測(cè)試裝置及方法。
基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置包括n形支架、參比計(jì)數(shù)管、工 作計(jì)數(shù)管、連接支架、動(dòng)力纜、前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換、抗干擾信號(hào)纜、計(jì)算機(jī)、 射線源、配電與控制系統(tǒng)。在n形支架兩滑軌上分別設(shè)有參比計(jì)數(shù)管、工作計(jì) 數(shù)管；參比計(jì)數(shù)管通過連接支架與射線源連接；工作計(jì)數(shù)管與前置放大和模數(shù) 轉(zhuǎn)換、抗干擾信號(hào)纜、計(jì)算機(jī)依次連接；連接支架和工作計(jì)數(shù)管通過動(dòng)力纜與 配電與控制系統(tǒng)連接。
所述的工作計(jì)數(shù)管是蓋革計(jì)數(shù)管、正比計(jì)數(shù)管或閃爍計(jì)數(shù)管。工作計(jì)數(shù)管 與參比計(jì)數(shù)管的型號(hào)相同。前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換7能按0.005 0.01秒的時(shí)間間 隔同時(shí)采集參比計(jì)數(shù)管2和工作計(jì)數(shù)管3探測(cè)到得信號(hào)強(qiáng)度，并能自動(dòng)求得工作計(jì)數(shù)管3信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管2信號(hào)強(qiáng)度之比值。
基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試方法是采用基于X射線的密度、濃 度和厚測(cè)試儀測(cè)定2至5個(gè)密度、濃度和厚測(cè)己知的樣品，通過最小二乘法計(jì)
算得出參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系式，測(cè) 定未知物質(zhì)的密度或濃度時(shí)，它與工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度 比遵循該關(guān)系式。
本發(fā)明釆用了雙計(jì)數(shù)器，即參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管，以及高頻數(shù)據(jù)采集 電路，用參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比表述待測(cè)物質(zhì)的密度或濃度，消
除因X射線源頻閃引起的誤差，以達(dá)到對(duì)待測(cè)物質(zhì)密度或濃度的高精度探測(cè)。 和伽馬射線密度儀相比，X射線密度儀對(duì)人體和環(huán)境的潛在危險(xiǎn)更小，安全性 能更可靠。本發(fā)明提出的X射線密度、濃度和測(cè)厚儀適合于測(cè)定管道輸送的懸 浮體、流體的密度和濃度，如混凝土、水煤槳、紙漿等各種流動(dòng)介質(zhì)的密度或 濃度。


附圖是基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖中支架l、
參比計(jì)數(shù)管2、工作計(jì)數(shù)管3、待測(cè)樣品管4、連接支架5、動(dòng)力纜6、前置放大 和模數(shù)轉(zhuǎn)換7、抗干擾信號(hào)纜8、計(jì)算機(jī)9、射線源IO、配電與控制系統(tǒng)ll。
具體實(shí)施例方式
如附圖所示，基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置包括n形支架1、 參比計(jì)數(shù)管2、工作計(jì)數(shù)管3、連接支架5、動(dòng)力纜6、前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換7、 抗干擾信號(hào)纜8、計(jì)算機(jī)9、射線源10、配電與控制系統(tǒng)11。在n形支架1兩 滑軌上分別設(shè)有參比計(jì)數(shù)管2、工作計(jì)數(shù)管3;參比計(jì)數(shù)管2通過連接支架5與 射線源10連接；工作計(jì)數(shù)管3與前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換7、抗干擾信號(hào)纜8、計(jì) 算機(jī)9依次連接；連接支架5和工作計(jì)數(shù)管3通過動(dòng)力纜6與配電與控制系統(tǒng) ll連接。
所述的工作計(jì)數(shù)管是蓋革計(jì)數(shù)管、正比計(jì)數(shù)管或閃爍計(jì)數(shù)管。工作計(jì)數(shù)管3 與參比計(jì)數(shù)管2的型號(hào)相同。前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換7能按0.005 0.01秒的時(shí)間 間隔同時(shí)采集參比計(jì)數(shù)管2和工作計(jì)數(shù)管3探測(cè)到得信號(hào)強(qiáng)度，并能自動(dòng)求得 工作計(jì)數(shù)管3信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管2信號(hào)強(qiáng)度之比值。
基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試方法是采用基于X射線的密度、濃 度和厚測(cè)試儀測(cè)定2至5個(gè)密度、濃度和厚測(cè)已知的樣品，通過最小二乘法計(jì) 算得出參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系式，測(cè)定未知物質(zhì)的密度或濃度時(shí)，它與工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度 比遵循該關(guān)系式。
本發(fā)明基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置的X射線源的發(fā)射功率的 大小需要能穿透待檢測(cè)物質(zhì)。X射線發(fā)生器應(yīng)優(yōu)先選用短波長(zhǎng)、小焦斑的型號(hào)， 其能量較集中，同等功率下對(duì)待測(cè)的物質(zhì)穿透能力較高。冷卻系統(tǒng)視工作環(huán)境 不同可選用風(fēng)冷或水冷方式。供電與控制系統(tǒng)可使用X射線發(fā)生器的常規(guī)配套 產(chǎn)品。
工作計(jì)數(shù)管與x射線源配置在同一軸線上，二者分別位于待測(cè)物質(zhì)的兩側(cè)。 工作計(jì)數(shù)管測(cè)定的是穿透了待測(cè)物質(zhì)x射線強(qiáng)度。工作計(jì)數(shù)管是蓋革計(jì)數(shù)管、
正比計(jì)數(shù)管、閃爍計(jì)數(shù)管中的一種。從性價(jià)比的角度出發(fā)，推薦使用蓋革計(jì)數(shù) 管。
為消除頻閃造成的探測(cè)誤差，在待測(cè)物質(zhì)和x射線源之間設(shè)置了參比計(jì)數(shù) 管型號(hào)，其型號(hào)與工作計(jì)數(shù)管相同。參比計(jì)數(shù)管配置在x射線中軸線旁側(cè)，檢 測(cè)尚未穿過待測(cè)物質(zhì)的x射線強(qiáng)度。通過調(diào)節(jié)與中軸線及x射線源的距離，是
探測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到合理范圍。
高頻數(shù)據(jù)采集電路需能按不超0.005-0.01秒的時(shí)間間隔，同時(shí)采集參比計(jì)數(shù)
管和工作計(jì)數(shù)管探測(cè)到得信號(hào)強(qiáng)度，并能自動(dòng)求得工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度與參比 計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度之比值。高頻數(shù)據(jù)采集電路可自行設(shè)計(jì)，也可購(gòu)買商業(yè)產(chǎn)品。
本發(fā)明的X射線密度、濃度和測(cè)厚儀的使用方法，它是在使用前測(cè)定2至 5個(gè)密度、濃度和厚度已知的樣品，通過最小二乘法計(jì)算得出參比計(jì)數(shù)管和工作 計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系的線性方程，測(cè)定未知物質(zhì)的密 度或濃度時(shí)，它與工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度/參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比遵循該線性方程。
初始強(qiáng)度為/。的X射線穿透厚度為H后物體后，其強(qiáng)度用4表示，根據(jù)衰 變定律有
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
即
<formula>formula see original document page 5</formula>(2) 式中p為線衰減系數(shù)，與物質(zhì)的密度p成正比，與物質(zhì)的存在狀態(tài)有關(guān)。 傳統(tǒng)上直接使用(1)式作為射線密度儀的理論依據(jù)，即假定射線的初始強(qiáng) 度Io為恒定值，測(cè)出穿透厚度為H后物體后衰減后的強(qiáng)度^，即可從(l)推算 出衰減系數(shù)p，并進(jìn)而求出待測(cè)物的密度或濃度。對(duì)于放射性同位素發(fā)出的伽馬 射線而言，/?；旧蠟楹愣ㄖ?，(l)式能夠成立；但對(duì)X光管發(fā)出的X射線而言，頻閃現(xiàn)象造成了/。的變化，從而使^的變化不僅與待測(cè)物的密度有關(guān)，而 且與頻閃有關(guān)。
為消除/。變化導(dǎo)致的誤差，對(duì)(2)式取自然對(duì)數(shù)并整理后得
-ln(/ 〃0) = - (3) (3)式是本發(fā)明的理論依據(jù)，g卩使用工作計(jì)數(shù)管和參比計(jì)數(shù)管分別測(cè)定 的&和/。，使用髙頻數(shù)據(jù)采集電路保證^和/。的同步，在技術(shù)上還可使用4和/。 在一段時(shí)間內(nèi)的累加值，以進(jìn)一步提高探測(cè)精度。
根據(jù)(3)式，二者比值的自然對(duì)數(shù)值與待測(cè)物質(zhì)的密度(濃度)為線性關(guān) 系。通過測(cè)定幾個(gè)密度已知點(diǎn)的(/J/。)比值，即能得出該比值與密度(濃度)的 關(guān)系曲線。在測(cè)得未知物質(zhì)(/J/。)比值后，從工作曲線可求得它的密度或濃度。 對(duì)于密度已知且恒定的物質(zhì)，如鋼板、紙張、塑料等材料，還可依據(jù)(3)通過 (/J/。)比值計(jì)算其厚度。
實(shí)施例l:管道內(nèi)水煤漿密度的測(cè)定(密度范圍1-2.5)
1) 把x射線發(fā)生器和參比計(jì)數(shù)管安裝在水煤漿輸送管道的一側(cè)，工作計(jì)數(shù)
管安裝在對(duì)側(cè)，安裝時(shí)通過調(diào)節(jié)參比計(jì)數(shù)管與X射線軸線的距離，以及工作計(jì) 數(shù)管與X射線源的距離，使計(jì)數(shù)管測(cè)得的射線強(qiáng)度在合理范圍內(nèi)；
2) 在使用前測(cè)定2至5個(gè)密度己知的樣品，通過最小二乘法計(jì)算得出參比 計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系式；
3) 根據(jù)工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度/參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比和第二步得到的關(guān)系 式，可求出管道內(nèi)水煤漿的密度。
實(shí)施例2:糖漿濃度的測(cè)定
1) 把X射線發(fā)生器和參比計(jì)數(shù)管安裝在盛放糖漿容器的一側(cè)，工作計(jì)數(shù)管 安裝在對(duì)側(cè)，安裝時(shí)通過調(diào)節(jié)參比計(jì)數(shù)管與X射線軸線的距離，以及工作計(jì)數(shù) 管與X射線源的距離，使計(jì)數(shù)管測(cè)得的射線強(qiáng)度在合理范圍內(nèi)；
2) 在使用前測(cè)定2至5個(gè)濃度已知的糖漿樣品，通過最小二乘法計(jì)算得出 參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系式；
3) 根據(jù)工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比和步驟2)得到的關(guān) 系式，可求出容器內(nèi)糖漿的濃度。
實(shí)施例3:紙板厚度的測(cè)定
1)把X射線發(fā)生器和參比計(jì)數(shù)管安裝在紙板的一側(cè)，工作計(jì)數(shù)管安裝在對(duì) 側(cè)，安裝時(shí)通過調(diào)節(jié)參比計(jì)數(shù)管與X射線軸線的距離，以及工作計(jì)數(shù)管與X射 線源的距離，使計(jì)數(shù)管測(cè)得的射線強(qiáng)度在合理范圍內(nèi)；2) 在使用前測(cè)定2至5個(gè)厚度已知的紙板，通過最小二乘法計(jì)算得出參比 計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)紙板厚度的關(guān)系式；
3) 根據(jù)工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度/參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比和步驟2)得到的關(guān)系 式，可求出紙板的厚度。
本發(fā)明采用了雙計(jì)數(shù)器，即參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管，以及高頻數(shù)據(jù)采集 電路，用參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比表述待測(cè)物質(zhì)的密度或濃度，消 除因X射線源頻閃引起的誤差，以達(dá)到對(duì)待測(cè)物質(zhì)密度或濃度的高精度探測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置，其特征在于包括n形支架(1)、參比計(jì)數(shù)管(2)、工作計(jì)數(shù)管(3)、連接支架(5)、動(dòng)力纜(6)、前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(7)、抗干擾信號(hào)纜(8)、計(jì)算機(jī)(9)、射線源(10)、配電與控制系統(tǒng)(11)；在n形支架(1)兩滑軌上分別設(shè)有參比計(jì)數(shù)管(2)、工作計(jì)數(shù)管(3)；參比計(jì)數(shù)管(2)通過連接支架(5)與射線源(10)連接；工作計(jì)數(shù)管(3)與前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(7)、抗干擾信號(hào)纜(8)、計(jì)算機(jī)(9)依次連接；連接支架(5)和工作計(jì)數(shù)管(3)通過動(dòng)力纜(6)與配電與控制系統(tǒng)(11)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置， 其特征在于所述的工作計(jì)數(shù)管是蓋革計(jì)數(shù)管、正比計(jì)數(shù)管或閃爍計(jì)數(shù)管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置， 其特征在于所述的工作計(jì)數(shù)管(3)與參比計(jì)數(shù)管(2)的型號(hào)相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置， 其特征在于所述的前置放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換(7)能按0.005 0.01秒的時(shí)間間隔同 時(shí)采集參比計(jì)數(shù)管(2)和工作計(jì)數(shù)管(3)探測(cè)到得信號(hào)強(qiáng)度，并能自動(dòng)求得 工作計(jì)數(shù)管3信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管(2)信號(hào)強(qiáng)度之比值。
5. —種使用如權(quán)利要求1所述裝置的基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試 方法，其特征在于采用基于X射線的密度、濃度和厚測(cè)試儀測(cè)定2至5個(gè)密度、 濃度和厚測(cè)已知的樣品，通過最小二乘法計(jì)算得出參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信 號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系式，測(cè)定未知物質(zhì)的密度或濃度時(shí)，它與 工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比遵循該關(guān)系式。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于X射線的密度、濃度和厚度測(cè)試裝置及方法。它采用基于X射線的密度、濃度和厚測(cè)試儀測(cè)定2至5個(gè)密度、濃度和厚測(cè)已知的樣品，通過最小二乘法計(jì)算得出參比計(jì)數(shù)管和工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比與待測(cè)物質(zhì)密度或濃度關(guān)系式，測(cè)定未知物質(zhì)的密度或濃度時(shí)，它與工作計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度與參比計(jì)數(shù)管信號(hào)強(qiáng)度比遵循該關(guān)系式。本發(fā)明置于被檢測(cè)物體的兩側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量；同時(shí)能夠達(dá)到一種裝置可以多種用途，應(yīng)用范圍廣。優(yōu)于目前其他密度、濃度和測(cè)厚儀器和裝置所使用的方法。
文檔編號(hào)G01N9/24GK101587052SQ20091009978
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月15日
發(fā)明者劉利光, 瑛 葉, 夏枚生, 潘依雯, 秦華偉 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)