高壓發(fā)生器紋波對密度測量不確定度的影響

潘 斌，尹大勇，程 放

（中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

高壓發(fā)生器紋波對密度測量不確定度的影響

潘 斌，尹大勇，程 放

（中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091）

研究了由X射線高壓發(fā)生器的不穩(wěn)定輸出高壓所引起的人造板剖面密度測量不確定度的計算方法；計算得出當(dāng)X射線高壓發(fā)生器的紋波系數(shù)＜1.1%時，人造板剖面密度的測量結(jié)果將落在（ρ- 0.01，ρ+ 0.01）g/cm3的區(qū)間內(nèi)。

高壓發(fā)生器； 紋波； 密度測量； 不確定度

我國人造板行業(yè)近幾年發(fā)展極為迅猛，2008年人造板產(chǎn)量已達9 410萬m3，是世界人造板生產(chǎn)、消費和進出口貿(mào)易第一大國[1]。刨花板、中密度纖維板等人造板的物理力學(xué)性能與板材的剖面密度有著密切關(guān)系。剖面密度形成于板坯的鋪裝和熱壓工段，工藝參數(shù)的設(shè)定及熱壓機的性能都直接影響剖面密度的分布，而剖面密度的分布不同將直接影響到板材的性能及質(zhì)量[2]。因此，對人造板的剖面密度分布進行準確檢測，可以深入了解熱壓過程中各種工藝參數(shù)的配置對產(chǎn)品性能的影響，從而為人造板生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化配置提供可靠的依據(jù)，為人造板生產(chǎn)企業(yè)進行產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的控制提供有力的工具，進而提高我國人造板行業(yè)的技術(shù)水平。

利用X射線檢測人造板的剖面密度是目前國內(nèi)外的發(fā)展方向，這種檢測方式具有檢測精度高、防護成本低、射線強度可控等優(yōu)點。其中，X射線的發(fā)生裝置主要由X射線管和X射線高壓發(fā)生器組成，X射線高壓發(fā)生器的穩(wěn)定性直接影響到X射線管發(fā)射X射線的穩(wěn)定性，從而影響人造板剖面密度的測量不確定度。

1 材料與方法

1.1 材料

對國產(chǎn)XH601型X射線管的燈絲發(fā)射特性曲線進行研究知，在燈絲電壓為1.77 V、燈絲電流為1.50 A的情況下，射線管電壓U0= 50 kV時，管電流i = 0.48 mA。

用25 keV的X射線對人造板的剖面密度進行檢測，人造板的質(zhì)量衰減系數(shù)(μ/ρ) = 0.44 cm2/g[3]。

X射線穿透的人造板長度t = 5 cm。

1.2 方法

X射線管在X射線高壓發(fā)生器輸出電壓（即管電壓）U0、管電流i作用下發(fā)射的X射線的初始強度為：

式（1）中，Z表示X射線管陽極靶材的原子量。

初始強度為I0的X射線穿過長度為t的人造板后，射線被部分吸收，衰減后的X射線強度I為：

式（2）中，(μ/ρ)表示人造板的質(zhì)量衰減系數(shù)，對同一人造板，(μ/ρ)保持不變，ρ表示人造板的剖面密度。

由（2）式得到人造板的剖面密度：

由（1）-（3）式得到人造板的剖面密度可表示為：

ρ分別對U0和i求偏導(dǎo)，得到X射線高壓發(fā)生器輸出管電壓U0和管電流i的靈敏系數(shù)分別為：

X射線高壓發(fā)生器輸出管電壓U0的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為紋波電壓、溫度漂移和時間漂移。紋波電壓是指X射線高壓發(fā)生器輸出的直流電壓中所含有的工頻交流成分；直流電壓本來應(yīng)該是一個固定的值，但是目前的X射線高壓發(fā)生器是采用交流電壓整流、濾波后得來的直流高壓，由于濾波不干凈，就會有剩余的交流成分，它造成剖面密度檢測有一定的不確定度。溫度漂移和時間漂移是指X射線高壓發(fā)生器輸出電壓隨著溫度和時間的變化而有規(guī)律地變化，二者不會影響測量結(jié)果的不確定度，因此本文不予討論。

紋波電壓范圍很小，在這個范圍內(nèi)，可以認為管電流i與管電壓U0成線性關(guān)系，即i與U0的相關(guān)系數(shù)r = 1。

根據(jù)“測量不確定度評定與表示”[4]，在i與U0具有線性關(guān)系的情況下，人造板剖面密度的合成標(biāo)準不確定度可以表示為：

式（6）中，u(U0)和u(i)分別為U0，i的標(biāo)準不確定度。

包含因子為k時，人造板剖面密度 ρ 的擴展標(biāo)準不確定度為：

因此，可以期望在（ρ - U, ρ + U）區(qū)間內(nèi)包含了人造板剖面密度測量結(jié)果可能值的較大部分。

2 計算

由（5）式可得，X射線高壓發(fā)生器輸出電壓U0和管電流i的靈敏系數(shù)分別為：

根據(jù)JJF1059-1999“測量不確定度評定與表示”，將紋波電壓的分布估計為正態(tài)分布，由 i與U0的線性關(guān)系，管電流i也服從正態(tài)分布。

設(shè) X射線高壓發(fā)生器的紋波系數(shù)為β，由U0服從正態(tài)分布可知，管電壓U0處于（U0-βU0，U0+βU0）區(qū)間內(nèi)的概率為 99.73%，則根據(jù)“測量不確定度評定與表示”，U0的標(biāo)準不確定度為：

同理，i的標(biāo)準不確定度為：

由（6）式得，人造板剖面密度 ρ 的合成標(biāo)準不確定度為：

根據(jù)“測量不確定度評定與表示”，在 i與U0具有線性關(guān)系的情況下，包含因子取k = 2。

由（7）式得，人造板剖面密度 ρ 的擴展標(biāo)準不確定度為：

為了滿足人造板剖面密度測量結(jié)果的精確性，要求人造板剖面密度測量結(jié)果的擴展標(biāo)準不確定度在0.01 g/cm3以內(nèi)，即U ≤ 0.01 g/cm3，代入（8）式得：

因此，紋波系數(shù)β必須滿足：

將c1= -0.018 2 g/(kV·cm3), c2= -0.946 9 g/(mA·cm3), U0= 50 kV，i = 0.48 mA代入式（9），經(jīng)計算，紋波系數(shù) β≤1.1%。

3 結(jié) 論

利用X射線檢測人造板的剖面密度ρ，當(dāng)X射線高壓發(fā)生器的紋波系數(shù)＜1.1%時，可以期望在（ρ- 0.01,ρ+ 0.01）g/cm3的區(qū)間內(nèi)包含了人造板剖面密度測量結(jié)果可能值的較大部分。

[1] 錢小瑜．我國人造板行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、前景與挑戰(zhàn)[J].木材工業(yè)，2010，24(1)：15-18．

[2] 程放，高可城，施建平．人造板剖面密度測定儀的研制[J].木材工業(yè)，2001，15(2)：29-31．

[3] 尹大勇，潘斌，程放．人造板剖面密度檢測所用X射線能量的探討[J].木材加工機械，2008，19(6)：1-5．

[4] JJF1059-1999，測量不確定度評定與表示[S]．

Effect of Ripple of High Voltage Generator on Uncertainty for the Density Measurement

PAN Bin，YIN Da-yong，CHENG Fang
(Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091，China）

Calculation Methods of the uncertainty caused by the ripple of high voltage generator for x-ray in the density measurement of wood-based panel were studied. The results show that the density measurement result has an estimated uncertainty in (ρ-0.01, ρ+0.01) g/cm3when the ripple of high voltage generator is lower than 1.1%.

High Voltage Generator; Ripple; Density Measurement; Uncertainty

TH 873

A

1671-0460（2011）01-0092-03

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金，項目號：CAFINT2007K03。

2010-12-02

潘 斌（1969-），男，高級工程師，江蘇蘇州人，1992年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué)，研究方向：木材加工自動化檢測與傳輸。E-mail：panbin@caf.ac.cn，電話：010-62889444。