高壓發生器紋波對密度測量不確定度的影響

潘 斌，尹大勇，程 放

（中國林業科學研究院木材工業研究所，北京 100091）

高壓發生器紋波對密度測量不確定度的影響

潘 斌，尹大勇，程 放

（中國林業科學研究院木材工業研究所，北京 100091）

研究了由X射線高壓發生器的不穩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X射線高壓發生器的紋波系數＜1.1%時，人造板剖面密度的測量結果將落在（ρ- 0.01，ρ+ 0.01）g/cm3的區間內。

高壓發生器； 紋波； 密度測量； 不確定度

我國人造板行業近幾年發展極為迅猛，2008年人造板產量已達9 410萬m3，是世界人造板生產、消費和進出口貿易第一大國[1]。刨花板、中密度纖維板等人造板的物理力學性能與板材的剖面密度有著密切關系。剖面密度形成于板坯的鋪裝和熱壓工段，工藝參數的設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的配置對產品性能的影響，從而為人造板生產工藝參數的優化配置提供可靠的依據，為人造板生產企業進行產品質量和生產成本的控制提供有力的工具，進而提高我國人造板行業的技術水平。

利用X射線檢測人造板的剖面密度是目前國內外的發展方向，這種檢測方式具有檢測精度高、防護成本低、射線強度可控等優點。其中，X射線的發生裝置主要由X射線管和X射線高壓發生器組成，X射線高壓發生器的穩定性直接影響到X射線管發射X射線的穩定性，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XH601型X射線管的燈絲發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，人造板的質量衰減系數(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射線高壓發生器輸出電壓（即管電壓）U0、管電流i作用下發射的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)表示人造板的質量衰減系數，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，得到X射線高壓發生器輸出管電壓U0和管電流i的靈敏系數分別為：

X射線高壓發生器輸出管電壓U0的不穩定性主要表現為紋波電壓、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；直流電壓本來應該是一個固定的值，但是目前的X射線高壓發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射線高壓發生器輸出電壓隨著溫度和時間的變化而有規律地變化，二者不會影響測量結果的不確定度，因此本文不予討論。

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

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

式（6）中，u(U0)和u(i)分別為U0，i的標準不確定度。

包含因子為k時，人造板剖面密度 ρ 的擴展標準不確定度為：

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

2 計算

由（5）式可得，X射線高壓發生器輸出電壓U0和管電流i的靈敏系數分別為：

根據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分布，由 i與U0的線性關系，管電流i也服從正態分布。

設 X射線高壓發生器的紋波系數為β，由U0服從正態分布可知，管電壓U0處于（U0-βU0，U0+βU0）區間內的概率為 99.73%，則根據“測量不確定度評定與表示”，U0的標準不確定度為：

同理，i的標準不確定度為：

由（6）式得，人造板剖面密度 ρ 的合成標準不確定度為：

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

由（7）式得，人造板剖面密度 ρ 的擴展標準不確定度為：

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

因此，紋波系數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），經計算，紋波系數 β≤1.1%。

3 結 論

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

[1] 錢小瑜．我國人造板行業發展現狀、前景與挑戰[J].木材工業，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，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務費專項資金，項目號：CAFINT2007K03。

2010-12-02

潘 斌（1969-），男，高級工程師，江蘇蘇州人，1992年畢業于北京工業大學，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。