國(guó)思茗

（泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院 福建泉州 362200）

對(duì)于先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)眾說紛紜，但作為一種制造技術(shù)，必然會(huì)朝著越來越大，越來越快，越來越精的目標(biāo)發(fā)展[1]。越來越大是指一次加工體積；越來越快是指加工速度；越來越精是指加工精度。目前先進(jìn)制造技術(shù)正處于一個(gè)瓶頸階段，三個(gè)發(fā)展目標(biāo)相互制約，不可兼得。這主要受限于加工過程控制中的定位技術(shù)，目前過程控制中的定位技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)具備相對(duì)高度，精度最好的就是閉環(huán)反饋定位技術(shù)，而閉環(huán)反饋定位技術(shù)的核心是各種傳感器，簡(jiǎn)單說就是現(xiàn)有的傳感器技術(shù)限制了定位技術(shù)的發(fā)展。近年來出現(xiàn)了多種新型的測(cè)量技術(shù)，如使用閉合磁路[2],運(yùn)動(dòng)學(xué)以及幾何誤差建模[3-5]，激光多普勒測(cè)振儀[6]。放射性檢測(cè)技術(shù)是一種利用放射源及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行各種材料性，功能性檢測(cè)的先進(jìn)技術(shù)。以137Cs和60Co為代表的放射性元素的工業(yè)利用日益廣泛，例如給各種各樣的癌細(xì)胞中的特定的氨基酸貼上放射性標(biāo)簽，將其可視化[7]。60Co還被用于合成PE纖維[8]。利用放射性檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行定位可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)定位方式的高精度和高靈敏度[9]，同時(shí)，由于放射性檢測(cè)技術(shù)具有極強(qiáng)的穿透性，在布置安裝上較傳統(tǒng)定位傳感器要求更低，尤其是在一些極端特種條件下，需要針對(duì)位移進(jìn)行校正[10]。

但放射性檢測(cè)技術(shù)使用過程中存在對(duì)人體和環(huán)境有害的多種放射線，對(duì)先進(jìn)制造設(shè)備的要求會(huì)有相對(duì)提高，我國(guó)相關(guān)法律也明確規(guī)定企業(yè)如需要使用含有危險(xiǎn)放射源的設(shè)備，必需辦理環(huán)保審批和輻射安全許可證。我國(guó)目前應(yīng)用于工業(yè)儀表行業(yè)的放射性同位素以137Cs和60Co放射源為主。137Cs是Cs元素的放射性同位素，可由235U裂變產(chǎn)生，是核試驗(yàn)研究的產(chǎn)物，常被用做工業(yè)無損探測(cè)源[11]。自然環(huán)境中的137Cs主要通過食物鏈進(jìn)入人體，被人體吸收后會(huì)對(duì)內(nèi)部組織和臟腑，尤其是肌肉組織造成急、慢性損傷。隨著研究發(fā)展，后出現(xiàn)的60Co放射源逐漸開始取代137Cs放射源。放射性同位素60Co通常產(chǎn)生于重水反應(yīng)堆[12]。60Co也具有極強(qiáng)的輻射性，能導(dǎo)致脫發(fā)，會(huì)引起血液系統(tǒng)疾病，如再生性障礙貧血癥，白血病等。但60Co放射源的應(yīng)用更加廣泛,涉及到各個(gè)行業(yè)。60Co放射源在農(nóng)業(yè)上可用于育種、防蟲和食品保鮮等；60Co放射源在工業(yè)上主要用于無損探傷、輻射消毒、輻射加工和檢測(cè)等。

近年來22Na放射源開始興起，逐漸取代137Cs和60Co放射源。22Na的半衰期為2.6019a，是正電子輻射體，放射正電子后，又立即放射一個(gè)能量為1.275MeV的γ射線。少量使用中豁免活度濃度僅為1E+01Bq/g，屬于基本對(duì)人體無害、對(duì)環(huán)境無污染的環(huán)保放射源，可以不受國(guó)家部門監(jiān)控使用基于22Na放射源的儀器、儀表產(chǎn)品。本文主要研究如何利用22Na放射源解決密閉條件下先進(jìn)制造過程控制中的定位問題。

一、控制原理及步驟

利用22Na放射源進(jìn)行密閉空間內(nèi)定位檢測(cè)，主要需要分為四個(gè)步驟進(jìn)行：

第一步：通過22Na放射源發(fā)出γ射線；

第二步部分γ射線從放射源向接收檢測(cè)設(shè)備照射，并會(huì)隨著空間路經(jīng)介質(zhì)和厚度不同影響γ射線的輻射強(qiáng)度；

第三步：γ射線被接收檢測(cè)設(shè)備接收檢測(cè)；

第四步：接收檢測(cè)設(shè)備將輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

探測(cè)器系統(tǒng)的最小可探測(cè)劑量（MDD）受信噪比影響[13]。定位系統(tǒng)接收信號(hào)后，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)以及敏感非線性迭代削峰（SNIP）算法[14]消除背景影響，再按一定方法確定信號(hào)所代表的位置信息，并用此信息對(duì)加工裝置當(dāng)前位置數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

由于22Na放射源發(fā)出的γ射線透射力不強(qiáng)，以鐵介質(zhì)為例，可以透射100mm均質(zhì)鐵板。所以在實(shí)際應(yīng)用過程中需要采用不同安裝使用方式[15]，主要可以分為：垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)，斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)，不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)和對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)四種使用方式。

（一）垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)。在垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)中，可以使用一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)照式22Na放射源和一個(gè)接收器，在承臺(tái)兩測(cè)垂直布置，接收器平行安設(shè)在加工裝置上。使用中22Na放射源發(fā)出的指向性γ射線透過承臺(tái)和加工件向上照射，接收器隨加工裝置移動(dòng)，當(dāng)接收器經(jīng)過22Na放射源正上方時(shí)接收到γ射線，接收器發(fā)出信號(hào)，定位系統(tǒng)按經(jīng)過的22Na放射源預(yù)設(shè)定位置進(jìn)行修正。也可以使用一個(gè)點(diǎn)照式22Na放射源和一個(gè)或多個(gè)接收器，使用中22Na放射源隨加工裝置移動(dòng)，22Na放射源發(fā)出的指向性γ射線透過加工件和承臺(tái)向下照射，接收器當(dāng)22Na放射源經(jīng)過接收器正上方時(shí)接收到γ射線，接收器發(fā)出信號(hào)，定位系統(tǒng)按經(jīng)過的接收器預(yù)設(shè)定位置進(jìn)行修正。

（二）斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)。在斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)中，使用一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)照式22Na放射源和一個(gè)接收器，點(diǎn)照式22Na放射源在密閉空間四壁按一定角度布置向上照射，接收器安設(shè)在加工裝置上。使用中22Na放射源發(fā)出的指向性γ射線按固定角度向上照射，接收器隨加工裝置移動(dòng)，當(dāng)接收器經(jīng)過γ射線路徑時(shí)接收到γ射線，接收器發(fā)出信號(hào)，定位系統(tǒng)按經(jīng)過的22Na放射源對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)定位置進(jìn)行修正。如果將22Na放射源安裝在加工裝置上，需要采用DPD算法對(duì)放射源進(jìn)行定位[16]。

（三）不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)。在不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)中，使用多個(gè)散照式22Na放射源和多個(gè)接收器，散照式22Na放射源在密閉空間內(nèi)頂面按一定位置布置透過非勻厚度擋板向下照射，接收器安設(shè)在加工裝置上及承臺(tái)下方。使用中22Na放射源發(fā)出的γ射線透過非勻厚度擋板在接收器平面形成不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)，接收器檢測(cè)接收到的γ射線強(qiáng)度并發(fā)送給定位系統(tǒng)，定位系統(tǒng)按平面強(qiáng)度地圖確定強(qiáng)度對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。平面強(qiáng)度地圖由安裝在承臺(tái)下方的接收器繪制，也可以在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)，預(yù)設(shè)使用時(shí)不需在承臺(tái)下方安裝接收器。

（四）對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)。在對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)中，使用一個(gè)或多個(gè)散照式22Na放射源和一個(gè)接收器，散照式22Na放射源在密閉空間內(nèi)頂面按一定位置布置向下照射，接收器安設(shè)在加工裝置上。使用中22Na放射源發(fā)出的γ射線在接收器平面形成對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)，接收器檢測(cè)接收到的γ射線強(qiáng)度并發(fā)送給定位系統(tǒng)，定位系統(tǒng)按平面強(qiáng)度軸線地圖確定峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的單軸位置進(jìn)行單軸修正。平面強(qiáng)度軸線地圖需要在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)。

四種使用方式的使用環(huán)境和性能特點(diǎn)不同。垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)精度高，靈敏度高，檢測(cè)速度快且準(zhǔn)確率高，但檢測(cè)存在間隔，設(shè)備成本高且不適合不能射透的被加工介質(zhì)；斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)相比而言成本稍低且能不直射被加工介質(zhì)，但對(duì)安裝精度，計(jì)算測(cè)點(diǎn)的要求很高；不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)成本低，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)，但檢測(cè)精度較低，準(zhǔn)確率較低，強(qiáng)度圖繪制復(fù)雜，需要強(qiáng)力算法支持；對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)相比而言檢測(cè)精度更低，但檢測(cè)間隔短，強(qiáng)度圖繪制簡(jiǎn)單且對(duì)算法要求也不高。對(duì)比結(jié)果如下圖表1所示：

表1 四種檢測(cè)方法對(duì)比表

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用伊科菲斯22Na放射源自制γ射線發(fā)射裝置和接收檢測(cè)裝置，在密閉模擬加工設(shè)備內(nèi)分別對(duì)四種使用情況進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下圖1-8所示：

圖1 垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)曲面圖

圖2 垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)折線圖

圖3 斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)曲面圖

圖4 斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)折線圖

圖5 不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)曲面圖

圖6 不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)折線圖

圖7 對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)曲面圖

圖8 對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)折線圖

（一）垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果。

在測(cè)試空間內(nèi)底側(cè)放置了一個(gè)放射源，接收器在頂側(cè)進(jìn)行一次遍歷式移動(dòng)。經(jīng)過放射源正上方時(shí)接收器接收到一個(gè)強(qiáng)烈信號(hào)，其他時(shí)刻僅收到微弱背景噪聲。由檢測(cè)結(jié)果可知，預(yù)定照射點(diǎn)識(shí)別顯著性好，可以完成預(yù)定檢測(cè)定位工作。在空間內(nèi)只放置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)效率很低，檢測(cè)間隔時(shí)間很長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中需要在多個(gè)位置進(jìn)行檢測(cè)以提高檢測(cè)效率，可以設(shè)置稀疏的測(cè)試點(diǎn)來改善定位的精度[17]。通過提高檢測(cè)效率可以確保在實(shí)際制造加工過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工裝置的定位過程控制。

（二）斜角直照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果。

在測(cè)試空間內(nèi)左側(cè)放置了一個(gè)放射源，接收器在頂側(cè)進(jìn)行一次遍歷式移動(dòng)。經(jīng)過預(yù)定位置時(shí)接收器接收到一個(gè)強(qiáng)烈信號(hào)，其他時(shí)刻僅收到微弱背景噪聲。由檢測(cè)結(jié)果可知，預(yù)定照射點(diǎn)識(shí)別顯著性好，通過進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量可以完成預(yù)定檢測(cè)定位工作。22Na放射源安裝如預(yù)期比垂照式復(fù)雜，后經(jīng)逆向思考，采用先安裝后定位的方法進(jìn)行檢測(cè)，安裝過程大幅簡(jiǎn)化，后定位過程稍復(fù)雜，但整體安裝難度降低。

（三）不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)結(jié)果。

在測(cè)試空間內(nèi)三個(gè)特定位置各放置了一個(gè)放射源，接收器在頂側(cè)進(jìn)行一次遍歷式移動(dòng)。在經(jīng)過三個(gè)特定位置時(shí)接收器接收到的信號(hào)最強(qiáng)，其他時(shí)刻接收到差異強(qiáng)度信號(hào)。由檢測(cè)結(jié)果可知，預(yù)定輻射強(qiáng)度曲面圖性能符合要求，準(zhǔn)確率受設(shè)備影響稍低，對(duì)設(shè)備密封性和防輻性能要求較高，需要盡量減小外界本底輻射影響，鐵材料也可換成鉛，混凝土，橄欖泥炭[18]等等。使用本方式進(jìn)行檢測(cè)雖然實(shí)時(shí)性極好，但受過高的設(shè)備要求和成本限制，不適用于在大范圍空間使用。

（四）對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)結(jié)果。

在測(cè)試空間內(nèi)底側(cè)放置了四個(gè)放射源，接收器在頂側(cè)進(jìn)行一次遍歷式移動(dòng)。經(jīng)過預(yù)留縫隙上方時(shí)接收器接收到的信號(hào)最強(qiáng)，較近位置離縫隙越遠(yuǎn)強(qiáng)度越低，較遠(yuǎn)位置僅收到微弱背景噪聲。由檢測(cè)結(jié)果可知，預(yù)定輻射強(qiáng)度峰值線識(shí)別良好，可以完成預(yù)定檢測(cè)定位工作，收到的信號(hào)強(qiáng)度峰值前后強(qiáng)度降落良好，因此誤檢率極低。整體來看檢測(cè)頻率較垂照式有很大提高，但存在三個(gè)問題，一是加工范圍要以空間中心點(diǎn)為加工中心點(diǎn)，偏離空間中心點(diǎn)會(huì)降低檢測(cè)頻率；一是在空間中心點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小范圍的強(qiáng)信號(hào)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)誤差率較高；一是極值檢測(cè)不能平行與預(yù)留縫隙進(jìn)行。

三、討論分析

通過四種檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)在不考慮成本和應(yīng)用環(huán)境的情況下，放射性檢測(cè)技術(shù)相較現(xiàn)有傳感器技術(shù)存在優(yōu)勢(shì)：檢測(cè)精度不受空間大小限制；檢測(cè)精度跟加工設(shè)備無關(guān)；檢測(cè)精度不受被加工體影響。存在的劣勢(shì)是：檢測(cè)精度高導(dǎo)致檢測(cè)頻率低，需要程序附加主動(dòng)檢測(cè)過程；放射性射線會(huì)對(duì)部分加工體材質(zhì)造成影響，如蛋白質(zhì)，改性塑料等，被加工體材料會(huì)受到一定限制；22Na放射源安全性高，但是實(shí)際探測(cè)效果較傳統(tǒng)137Cs和60Co放射源存在差距，需要更高程度的計(jì)算機(jī)輔助。

對(duì)四種檢測(cè)方法來說，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)和使用環(huán)境，但不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)照其他三種存在明顯差距，這主要是由于放射源的不穩(wěn)定和環(huán)境的不穩(wěn)定造成的，不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)主要依靠在不同點(diǎn)存在不同信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，其中存在三個(gè)難點(diǎn)，一是點(diǎn)集對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)龐大，依靠先進(jìn)算法只能提高數(shù)據(jù)處理速度，但數(shù)據(jù)規(guī)模不會(huì)有太大變化；二是背景噪聲影響比其他三種更為嚴(yán)重，因?yàn)閷?duì)于個(gè)點(diǎn)來說，強(qiáng)度是連續(xù)變化的，對(duì)于兩個(gè)極近點(diǎn)來說，噪聲強(qiáng)度必然會(huì)大于變化強(qiáng)度，對(duì)測(cè)量造成一定影響；三是加工過程受加工設(shè)備控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意義并不大。所以不對(duì)稱強(qiáng)度場(chǎng)透照式點(diǎn)對(duì)面檢測(cè)在沒有特別高的檢測(cè)頻率要求的情況下一般不會(huì)采用。

對(duì)于對(duì)稱場(chǎng)強(qiáng)透照式點(diǎn)對(duì)面趨勢(shì)檢測(cè)方法來說，其存在的幾個(gè)問題存在簡(jiǎn)單的改善方案，比如空間中心點(diǎn)附近產(chǎn)生的一個(gè)微小范圍的強(qiáng)信號(hào)區(qū)，可以通過在中心位置不預(yù)留縫隙，而是安設(shè)一個(gè)單點(diǎn)的垂直透照式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)。一方面不會(huì)再產(chǎn)生強(qiáng)信號(hào)區(qū)，另一方面提高了中心位置定位的精確度。又比如加工范圍要以空間中心點(diǎn)為加工中心點(diǎn)，偏離空間中心點(diǎn)會(huì)降低檢測(cè)頻率，如果改變縫隙的布置方式，例如使用一定的算法，規(guī)劃縫隙布局，實(shí)現(xiàn)空間平面的檢測(cè)頻率平均化等等。

總體來說使用放射性檢測(cè)技術(shù)可以彌補(bǔ)現(xiàn)有傳感器技術(shù)對(duì)加工裝置空間定位的不足，使先進(jìn)制造領(lǐng)域的過程控制達(dá)到一個(gè)新的高度。而且放射性檢測(cè)技術(shù)還存在著其他的可能性，除了加工裝置的空間定位，過程控制還需要對(duì)溫度，濕度等其他物理要素進(jìn)行控制，放射性檢測(cè)技術(shù)還有更多可以發(fā)揮的空間。

四、結(jié)論

通過本研究可以證實(shí)基于22Na放射源的放射性檢測(cè)技術(shù)可以在先進(jìn)制造領(lǐng)域過程控制中進(jìn)行應(yīng)用。對(duì)各種極端或普通操作環(huán)境下的加工裝置定位都有很好的應(yīng)用效果。文中所述四種檢測(cè)方法可以適應(yīng)絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景并取得相當(dāng)好的測(cè)量效果，基本可以替代目前使用的各類位移傳感器。在先進(jìn)制造領(lǐng)域的過程控制之中，會(huì)面臨很多比較特殊的操作環(huán)境，比如密閉空間，無光環(huán)境，特殊氣體等會(huì)限制傳統(tǒng)傳感器的應(yīng)用，而放射性檢測(cè)技術(shù)可以作為替代技術(shù)在這些場(chǎng)景下進(jìn)行應(yīng)用，從而進(jìn)一步擴(kuò)展了先進(jìn)制造的加工范圍。