基于THz-TOF的塑料管材厚度测量方法.pdf

第 卷第 期 年 月西南科技大学学报 ：收稿日期：；修回日期：基金项目：四川省教育人才培养质量和教学改革项目（）作者简介：第一作者，屈薇薇（），女，讲师，研究方向为太赫兹光谱检测，：；通信作者，邓琥（），男，教授，博士生导师，研究方向为太赫兹光谱检测，：基于 的塑料管材厚度测量方法屈薇薇李欣宇邓琥邱义敏刘耀文（西南科技大学信息工程学院四川绵阳 ）摘要：针对塑料管材厚度在线检测方法存在检测精度和应用范围受限的问题，将太赫兹飞行时间（，）系统引入塑料管材厚度测量，根据太赫兹在塑料管材中的传输延时时间和飞行时间，在塑料管材材质未知的前提下，实现管材厚度的无损测量。测量相对误差低于 ，达到国标 中 的要求。系统是塑料管材厚度在线无损检测的可行方法。关键词：塑料管材太赫兹飞行时间系统厚度测量中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，）：（），：；塑料管道与传统金属管、水泥管道相比具有质量轻、耐腐蚀、易安装、使用年限长等优点 ，广泛应用于流体运输、燃气和电缆设备保护等领域。然而，因原材料缺乏、生产技术创新少、生产过程中无高精度测量装置等原因，导致厚度不均匀、不达标的塑料管材流入市场 。这些质量问题极易使塑料管材在使用过程中出现变形、膨胀、弯曲、遇较大压力爆开漏气漏液等情况。随着聚合物精密挤出成型技术的发展，塑料管材制品对厚度的精度要求越来越高，厚度成为塑料管材质量控制的重要参数。在常规的塑料管材生产中，将粉末状或者粒状的固体物料在螺杆的推送下进入螺筒，进而在螺筒的热环境下熔融形成黏稠流体，最后在螺杆的压力作用下挤出出口形成管材 。然而实际管材的厚度尺寸与设定值存在一定的偏差，因此需要对管材厚度进行精准测量。传统塑料管材厚度测量方法有 射线测量 、超声波测量 和游标卡尺测量等。射线具有辐射危害。超声波的传播速度会受到介质温度、湿度的影响，为了消除或者减小环境因素对测量精度的影响，需要附加额外的传播速度测量装置和补偿装置 。游标卡尺是最经济的测量方式，但在塑料管材生产线的高温、非完全固体的环境下无法做到实时、非接触式测量，且游标卡尺能够测量的范围受到测量爪的限制。太赫兹波作为一种新兴、特殊的辐射源，其频率为 ，电磁波谱介于微波和红外线之间，由于太赫兹光具有相干性，能够获取材料的光学常数特征，且大多数非金属材料能够被太赫兹波轻松穿透，例如塑料、橡胶等不透明物体，因此可以基于太赫兹透射式测量方法对塑料管材厚度进行测量 。与 射线相比，太赫兹波具有能量低的特点，不会电离破坏被测物体，威胁人体健康；与微波相比，太赫兹具有不受环境温度影响的优点；与游标卡尺相比，太赫兹测量可做到实时、无损、非接触式测量。陆庆华等 使用近红外光谱法、射线法、拉曼光谱法、太赫兹光谱法对药物薄膜包衣厚度进行了测量，结果表明太赫兹测量简单、快速、无损，测量效果最优，说明太赫兹测量可用于厚度的高精度测量。等 采用太赫兹飞行时间（，）系统，在对样品信息未知的情况下，成功测量了环氧模塑料化合物的折射率和厚度。李丽娟 建立了太赫兹单点厚度提取模型，并利用太赫兹时域光谱（，）系统分析了胶层厚度的均匀性，检测精度达到 ，该检测精度与游标卡尺精度相当。郝元等 通过 系统测量出标准聚乙烯样品折射率，利用折射率对未知厚度样品进行厚度测量，测量的相对误差在 以下，但需要提前测量标准聚乙烯的折射率。寇宽等 通过太赫兹时域光谱分析得到塑料管材厚度，在误差分析中，选用千分尺粗略测量或者大概估计聚乙烯厚度，再在厚度范围内选取一定的变化量迭代计算其误差，进而得到准确的聚乙烯厚度，该方法迭代次数较多，计算量较大。本文提出了一种基于 的塑料管材厚度测量方法，以期为塑料管厚度测量提供一种简便、快捷、高精度的无损检测方法。系统及测量原理 系统结构基于全光学激励和探测接收的非接触式 系统如图所示，系统原理如图 所示。系统主要由飞秒激光器、延时装置、太赫兹发射器、太赫兹探测器组成。实验采用飞秒激光器发射波长为 、脉宽为 、重复频率为 图 系统实物图 图 系统原理图 第 期屈薇薇，等：基于 的塑料管材厚度测量方法的飞秒脉冲激光。激光经过半波片调整光束偏振态，使光束分为两束相互垂直且强度不同的光束，强度较强的光束为泵浦光，另一束为探测光。采用光电导天线作为太赫兹源 ，泵浦光经多个反射镜组成的延时装置后，聚焦到光电导天线，受到激发后辐射出太赫兹脉冲，太赫兹垂直透射过样品，获取样品的太赫兹信息，并将携带的信息聚焦到太赫兹探测源中。同时，探测光经过聚焦透镜聚焦到探测天线上，驱动太赫兹探测源，实现对太赫兹信号的扫描 。由于太赫兹发射速度大于探测器扫描速度，故通过添加延时装置控制泵浦光和探测光的光程，以便探测太赫兹脉冲的整个波形 。最后，将探测到的太赫兹信号经锁相放大器传输至计算机，通过上位机软件对波形进行采集。测量原理运用构建的 系统对塑料管材厚度进行测量。测量示意图如图 所示。图 太赫兹透射式测量示意图 记太赫兹波在空气中进行传播时接收器接收到信号的时间为。太赫兹源激励产生 波透射穿过厚度为 的样品，部分波直接透过样品被接收器接收，如图 实线所示，接收器接收到信号的时间为；另一部分波到达样品底部 后进行一次反射，该反射波到达样品表面 后进行了二次反射，如图中虚线所示，二次反射波穿透表面 后被接收器所接收，接收到信号的时间为。相对于空气，太赫兹波在样品中的传播稍有延迟，延迟时间 与样品厚度 和太赫兹波在样品中的传播速度 有关，如公式（）所示：（）式中 为光速。飞行时间 为太赫兹波在样品中透射和反射信号接收时间 和 之差，即：（）根据太赫兹传播理论，透射塑料管材厚度与样品折射率 、飞行时间 之间的关系为：（）折射率 和太赫兹波在样品中的传播速度 的关系为：（）综合式（）、式（）、式（）和式（）可以得到塑料管材厚度计算模型为：（）（）（）（）式中：为塑料管材样品厚度；为样品的折射率；为光速。实验及数据分析 空气条件测量实验空气中的水蒸气对太赫兹波具有吸收性，会影响实验数据的测量，故实验在环境温度 、相对湿度小于 下进行。在空气条件下进行测量实验时，得到如图 所示的参考时域波形图，参考信号主波峰时间 为 。图 空气的 时域波形图 样品厚度测量实验从建材市场购得 种材质未知的排水管作为样品 、样品 、样品 ，通过游标卡尺分别对种样品进行 次测量，求取厚度平均值分别为 ，和 。通过 分别对 种样品进行测量，时域波形如图 所示。由于塑料管厚度不均，对各样品分别进行了 次测量，每次测量将样品旋西南科技大学学报第 卷转 ，得到处不同位置的时域波形。图（）、图（）和图 （）分别对应样品 、样品 和样品 的测量结果。第一个波峰时间为直接透射后信号接收时间，第二个波峰时间为两次反射再透射后信号接收时间，条不同颜色的波形曲线分别为样品不同位置的 时域波形，上方局部图为附近波形的放大结果，下方局部图为 附近波形的放大结果。可以看出不同测量位置时波形存在一定波动，这是由于样品本身厚度不均造成的。根据图 （），在样品 的 次测量中，其中一次 为 ，为 。计算得到 和 分别图 种样品的 时域波形图 为 和 ，由此可通过公式（）计算得到样品管材厚度 为 。样品 的其他测量数据如表 所示。根据图 （）、图 （），通过同样的分析方式得到样品 、样品 的测量数据如表 、表 所示。最后对 次计算结果取均值，得到样品 的厚度为 ；样品 厚度为 ；样品 的厚度为 。表 样品 测量数据 表 样品 测量数据 表 样品 测量数据 测量误差分析本次实验将 分度游标卡尺测量厚度作为参考厚度，该游标卡尺测量精度为 ，达到了国标 中对管壁平均厚度测量精度 的要求。系统由机械装置、光学部件等部分组成，各部分均存在响应时间不同、噪声影响以及精度不同造成的测量误差 。同时，在实验操作、测量点选取和数据处理等方面存在人为因素，同第 期屈薇薇，等：基于 的塑料管材厚度测量方法样会影响最终测量结果，误差分析如表 所示。在塑料管材生产过程中，管材厚度并不完全均匀，采用多次多位置测量求取平均值作为样品厚度的实际值，测得 种样品厚度 分别为 ，。测量误差 分别为 ，；相对误差 分别为 ，和 ，最大相对误差为 ，达到了国标 中 的要求。表 误差分析表 样品 结论本文根据太赫兹在塑料管材中的传输延时时间和飞行时间，搭建了太赫兹飞行时间系统，实现了对种材质未知的塑料管材厚度的测量，最大相对误差为 ，满足国标 的要求。系统可用于塑料管材生产过程中厚度的在线检测。由于电极性介质和电导体对太赫兹波的吸收能力强、穿透性差，因此 无法获得相应的透射波峰，并不适用于金属等材料的厚度测量。此外，由于太赫兹在塑料管材中存在频散现象，且透射率高、反射率较低，在某些塑料管材中会存在反射波峰不明显的问题，可以在后续数据分析中运用优化算法进行数据处理，智能识别反射波峰以配合系统更好地完成工作。参考文献 李园媛建筑工程中常用塑料管材的性能对比与应用研究 塑料科技，（）：高珊珊，赵雷，刘继 塑料排水管材中的材料选择与研究 塑料工业，（）：于贵营，李春海，郭少云新型塑料管材加工方法研究进展 高分子通报，（）：冯义浩，徐行键，龚杰，等射线管材壁厚偏心测量装置 科技与创新，（）：刘舵，强鹏飞，李林森，等多层嵌套式 射线聚焦光学器件 光学学报，（）：李晓丽，陶宁，刘文霞，等 基于超声方法的聚乙烯管材厚度和直径测量 无损检测，（）：谢云，晋刚，胡鑫，等超声波测量高分子材料取向度研究进展 塑料工业，（）：，张燕，陈爱国，高荣贵声速的温湿度修正研究 压电与声光，（）：王月明，高松，陈波不同热湿环境对超声波测量影响 传感器与微系统，（）：，姚建铨，迟楠，杨鹏飞，等太赫兹通信技术的研究与展望 中国激光，（）：陆庆华，陈玉洁，严盈富薄膜包衣厚度测量方法分析 南昌航空大学学报（自然科学版），（）：，：李丽娟，周明星，任姣姣基于太赫兹时域光谱的胶层厚度均匀性检测 激光与红外，（）：郝元，俞跃，王强，等聚乙烯材料厚度的太赫兹检测实验分析 红外技术，（）：寇宽，赵国忠，刘英，等利用太赫兹时域光谱同时确定样品厚度和折射率 中国激光，（）：肖健，高爱华光电导天线产生太赫兹波的研究 应用光学，（）：刘子烨，刘建军，洪治基于光子混频连续太赫兹波的厚度检测 激光技术，（）：侯保玉基于太赫兹时域光谱技术的橡胶钢丝帘布的检测方法研究 山东青岛：山东科技大学，董海龙，汪家春，刘瑞煌，等 厚度误差对 的测量不确定度分析 发光学报，（）：西南科技大学学报第 卷