基于THz-TDS 技術的鋼板銹蝕厚度的無損檢測

江雪雷，許穎?

［1.哈爾濱工業(yè)大學（深圳）深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室，廣東深圳 518055；2.哈爾濱工業(yè)大學（深圳）深圳市土木工程智能結構系統(tǒng)重點實驗室，廣東深圳 518055］

鋼鐵材料憑借儲量豐富、價格低廉、機械性能優(yōu)良等優(yōu)點，在土木工程領域被廣泛應用于超高層、大跨鋼結構、鋼制橋梁等結構建筑［1］.隨使用齡期的增加以及外界環(huán)境溫度、濕度、Cl-侵蝕等［2-3］因素的影響，鋼板表面會發(fā)生銹蝕.當能夠判斷結構由于嚴重銹蝕需要維修時，通常已經(jīng)造成較大的經(jīng)濟損失或對生命安全構成威脅.由于銹蝕初期隱蔽性較強，鋼板銹蝕程度特別是銹蝕厚度難以被現(xiàn)有技術（如渦流檢測、光纖傳感器、紅外熱成像法等）［4-7］有效監(jiān)測.因此，開發(fā)一種能夠實現(xiàn)高精度銹蝕厚度測定的無損檢測技術，對鋼結構在土木工程中的應用具有較重要的工程意義.

太赫茲（THz）波是頻率在100 GHz～10 THz 范圍內的電磁波.1 THz 對應的光子能量為4 meV，所以THz 波對生物組織的傷害可以忽略不計［8］.THz 光譜技術被應用于各個領域，如材料的化學成分分析和識別、藝術品檢查、皮膚損傷程度檢查、光子晶體表、安檢儀、衛(wèi)星通信等［9-13］.THz 波能夠穿透非極性材料，并在金屬類極性材料界面處發(fā)生衰減極小的發(fā)射，該性能特點為實現(xiàn)對鋼板銹蝕的無損檢測提供了可能的技術支持.在土木工程領域，太赫茲時域光譜（THz-TDS）技術是一種相對較新的非接觸無損檢測技術［14］.Fuse 等［15］通過對比不同非接觸方法分別對鋼板銹蝕區(qū)域進行了測定，對比證明了THz 技術用于鋼板銹蝕區(qū)域非接觸無損檢測的可識別性.Akihisa等［16］利用THz反射光譜技術對不同銹蝕產(chǎn)物Fe2O3和Fe3O4進行了物相識別.由于銹蝕產(chǎn)物存在形式為混合物狀態(tài)，該探究結果存在局限性.Zhao等［17］將不同銹蝕程度的鋼板進行THz 反射譜測定，探究得到了THz 光譜信號和不同銹蝕周期鋼板樣品之間的函數(shù)關系.雖然上述文獻中均證明了THz 技術用于銹蝕檢測的可行性，但是僅局限于對銹蝕區(qū)域的檢測，對銹蝕程度特別是銹蝕厚度的檢測還有所欠缺.另外，有學者通過具有覆蓋層鋼板的太赫茲反射信號實現(xiàn)了對各類非極性涂層材料的厚度測定或缺陷識別［18-20］，該厚度計算方法為THz-TDS 技術用于鋼板銹蝕層厚度測定奠定了基礎.

對鋼板結構來說，鋼板銹蝕層厚度在很大程度上影響鋼板截面的強度和剛度.有鑒于此，本文提出一種基于非接觸THz-TDS技術的鋼板銹蝕厚度無損檢測方法，其能夠通過單點測定實現(xiàn)對銹蝕區(qū)域的識別及銹蝕層厚度的表征.首先，通過模擬鹽霧試驗對鋼板樣品進行加速銹蝕，并通過不同暴露時間（0 d、1 d、3 d、7 d、15 d、28 d）得到不同銹蝕程度樣品；其次，分別利用THz 反射譜和游標卡尺對不同銹蝕程度鋼板厚度進行測定；最后，刮取鋼板樣品表面銹蝕產(chǎn)物進行THz 透射譜測定以得到銹蝕產(chǎn)物的光學參數(shù).

1 THz-TDS理論及光學參數(shù)提取

根據(jù)文獻［21-22］提出的基于菲涅爾公式的數(shù)據(jù)處理模型，對THz時域光譜信號進行數(shù)據(jù)處理.樣品的光譜響應函數(shù)可以通過對比樣品信號與參考信號的頻譜得到，其中包含了樣品的復折射率=n(w)-jk(w)信息，n(w)為折射率，表征樣品的色散特性，k(w)為消光系數(shù)，j 表示虛部；α(w)=2wk(w)/c為吸收系數(shù)，描述樣品的吸收特性，其中w為頻率，c為光速.

本文中，參考信號和樣品信號分別記為Eref(t)和Esam(t)，經(jīng)傅里葉變換后得到樣品和參考頻譜信號Esam(w)和Eref(w)，則樣品的光譜響應函數(shù)為：

式中：A(w)為樣品與參考信號的振幅比；?(w)為樣品與參考信號的相位差；c為光速；d為穿透厚度.進一步，可得樣品的折射率n(w)和吸收系數(shù)α(w)，其分別為：

上述理論公式為物質光學參數(shù)折射率和吸收系數(shù)的求解.由于樣品反射表面與全反射表面之間位移導致的固有相移誤差難以克服，這使得傳統(tǒng)信號處理算法在THz 反射式時域光譜信號處理中的應用存在局限性.基于反射接收信號的反射率或THz 接收信號的固定頻率下的幅值，THz 反射時域光譜技術多應用于THz 反射成像和缺陷檢測［23-24］.因此，本文利用THz 反射信號中時間延遲差對銹蝕層厚度進行了表征.

2 鋼板銹蝕厚度檢測試驗研究

試驗中使用尺寸為45 mm×45 mm×1 mm 的Q235普通碳素鋼板，并對其中一個表面進行模擬鹽霧試驗.鹽霧試驗的設定溫度為（25±2）℃，溶液為（5±1）%（質量分數(shù)）的NaCl 溶液.鋼板的銹蝕齡期為0 d、1 d、3 d、7 d、15 d、28 d，銹蝕后鋼板表面如表1所示.其中，未銹蝕鋼板樣品為參考樣品，測定的THz 反射信號作為參考信號.鋼板材料的厚度選擇并不影響銹蝕層厚度的測定.如圖1（a）所示，在每個銹蝕周期鋼板樣品的銹蝕區(qū)域內隨機取點進行THz 反射光譜測定，測定點不少于10 個.同時，為驗證THz 技術的厚度測定準確度，利用重復精度為0.01 mm的數(shù)顯式游標卡尺SY20-100對鋼板銹蝕層厚度進行測定.如圖1（b）所示，利用游標卡尺從不同位置及深度對銹蝕鋼板進行厚度測量（厚度值記為d1）.刮取鋼板表面銹蝕層后，采用同樣方式對去除銹蝕層的鋼板樣品進行厚度測量（記為d2）.通過實際測定，各齡期鋼板樣品的d2厚度值離散性較小，進而，對各齡期銹蝕鋼板的d2取平均值（記為d3）.通過刮取銹蝕層前后厚度值對比，可得到不同銹蝕齡期鋼板的銹蝕層厚度值（d=d1-d3）.同時，在對不同齡期銹蝕鋼板進行太赫茲反射譜測定后，直接刮取鋼板表面銹蝕產(chǎn)物.將銹蝕產(chǎn)物樣品在10 kN/cm2的壓力下壓縮1 min，制成直徑12 mm、厚度1 mm的藥丸片狀樣品.在THz透射譜測定過程中，片狀樣品傾斜2°以防止由于樣品厚度造成的THz 波的干涉.測定次數(shù)不少于10 次，以減少偶然誤差的影響.在進行透射譜和反射譜測定過程中，測定的密封室中連續(xù)充氮，使相對濕度小于5%，溫度保持在298 K左右.

表1 不同銹蝕時間的鋼板樣品Tab.1 The steel plates samples at different corrosion times

圖1 銹蝕鋼板樣品的測定Fig.1 The detection of corroded steel plate

試驗中用于測定的THz 時域光譜儀Terapulse 4000 由TeraView Co.，Ltd.生產(chǎn)，由深圳市太赫茲科技創(chuàng)新研究院提供.該儀器相關參數(shù)信息如下：系統(tǒng)的光譜范圍為0.06～4.00 THz；光譜信噪比大于65 dB；光譜分辨率為1.2 cm-1.飛秒脈沖串由飛秒激光器提供.兩束功率幾乎相等的激光通過分光鏡分離，并激發(fā)THz 發(fā)射器和探測器.其中一束用于泵浦低溫生長的砷化鎵（LT-GaAs）光導天線（PCA）產(chǎn)生THz 輻射，另一束用于通過ZnTe 晶體的延時階段并通過電光采樣檢測THz 振幅.被激發(fā)的THz 脈沖通過離軸拋物面反射鏡聚焦在樣品表面，穿透或反射的THz 脈沖通過拋物面反射鏡聚焦在THz 探測器上.根據(jù)THz 波對樣品的探測方式，可分為透射型THz-TDS 和反射型THz-TDS 兩種模式.這兩種檢測方式采用不同的路徑模塊，更換后可與相同的THz-TDS主光路系統(tǒng)耦合，如圖2所示.

圖2 透射式和反射式太赫茲時域光譜技術原理圖Fig.2 Schematic diagram of the transmission-type and the reflection-type THz-TDS

3 結果與討論

3.1 鋼板銹蝕產(chǎn)物的光學參數(shù)測定

對刮取的鋼板表面銹蝕產(chǎn)物進行THz 時域透射譜測定，得到銹蝕產(chǎn)物樣品信號與參考信號的太赫茲時域波形和功率譜如圖3 所示.從圖3（a）可以看出，THz 信號在透過銹蝕產(chǎn)物的過程中，THz 信號幅值大幅度衰減，即從參考信號的THz信號幅值4.54 V衰減至樣品信號幅值0.79 V；并且THz信號出現(xiàn)延遲時間差6.62 ps.THz 信號幅值的衰減與銹蝕產(chǎn)物樣品對THz 信號的吸收和反射有關.THz 信號延遲時間差的出現(xiàn)與銹蝕產(chǎn)物的折射率有關.需要注意的是，銹蝕產(chǎn)物測定樣品厚度為1 mm，其遠大于真實銹蝕鋼板表面的銹蝕層厚度.因此，通過圖3（a）中銹蝕產(chǎn)物的太赫茲透射譜信號可知，太赫茲電磁波對銹蝕產(chǎn)物具有較好的穿透能力.銹蝕產(chǎn)物是多種鐵的氧化物組成的混合物［25-26］，其主要成分包括三氧化二鐵（Fe2O3）、磁鐵礦（Fe3O4）、針鐵礦（α-FeOOH）、四方針鐵礦（β-FeOOH）、纖鐵礦（γ-FeOOH）等.根據(jù)文獻［27］中對各類銹蝕產(chǎn)物的吸收參數(shù)的測定結果可知，F(xiàn)e3O4具有相對較高的吸收系數(shù)，其存在可能是導致樣品信號THz 強度吸收衰減較高的主要原因.在頻域0～10 THz 測定范圍內，樣品與參考信號的功率譜如圖3（b）所示.銹蝕產(chǎn)物樣品的功率譜有效頻域范圍將從參考信號的0.2～4 THz 縮減至0.2～1.6 THz.因此，對后續(xù)銹蝕產(chǎn)物樣品的光學參數(shù)頻譜的有效提取范圍為0.2～1.6 THz.

圖3 參考信號和樣品信號Fig.3 The reference and rust sample signals

對圖3（a）中參考信號和樣品信號時域波形分別進行傅里葉變換，從而得到參考和樣品信號的頻譜信號、振幅以及相位.進而求解得到樣品和參考信號的振幅比A(w)和相位差?(w).將振幅比、相位差以及透射樣品厚度1 mm 代入公式（2）和（3），即可得到銹蝕產(chǎn)物樣品的折射率和吸收系數(shù).鋼板在鹽霧試驗加速銹蝕的條件下，不同齡期的銹蝕產(chǎn)物的光學參數(shù)測定結果基本一致.因此，在有效頻率0.2～1.6 THz 范圍內，圖4（a）為銹蝕產(chǎn)物樣品的吸收系數(shù)，圖4（b）為銹蝕產(chǎn)物樣品的折射率.從圖4（a）可以看出，吸收系數(shù)隨頻率的增加呈遞增的趨勢，這與電磁波在有損介質中的傳輸規(guī)律相一致.在0.2～1.6 THz 的頻率范圍內，頻譜呈現(xiàn)出近似線性的結果，并且無特征吸收峰的出現(xiàn).這與現(xiàn)有研究中在該頻段下各類銹蝕產(chǎn)物無特征吸收峰的結果相吻合［27］.從圖4（b）可以得到銹蝕產(chǎn)物樣品的折射率在有效THz 測定范圍內為常數(shù)2.8.光學參數(shù)折射率的測定可用于THz反射譜對銹蝕層厚度的計算.同時，需要注意的是，銹蝕產(chǎn)物成分和含水率的改變，將會影響折射率值的測定結果，進而影響對銹蝕層厚度的計算.因此，在本文中，將進行THz 反射譜測定后的銹蝕鋼板直接刮取表面銹蝕產(chǎn)物，進而進行THz透射譜測定.

圖4 銹蝕產(chǎn)物的光學參數(shù)Fig.4 Optical parameters of the rust sample

3.2 不同銹蝕周期的THz反射光譜

對不同銹蝕周期0 d、1 d、3 d、7 d、15 d、28 d 的鋼板樣品進行THz反射時域譜測定，其時域結果如圖5（a）所示.將無銹鋼板樣品的THz反射時域譜作為參考信號，可以看出，鋼板樣品表面銹蝕產(chǎn)物的存在，將使得THz 時域信號出現(xiàn)時間延遲，并且隨銹蝕齡期的增加，THz 時域信號第一強度幅值出現(xiàn)衰減.提取THz 時域反射信號中的各齡期樣品的第一強度幅值，并以參考信號幅值為基準進行歸一化處理，如圖5（b）所示.THz 時域反射譜的相對信號幅值與齡期之間呈對數(shù)函數(shù)關系，并與齡期的倒數(shù)呈線性關系.該試驗結果與現(xiàn)有文獻［17］中結果趨勢相一致.通過對THz 信號第一強度幅值衰減與銹蝕周期之間關系的探究，證明了鋼板表面不同銹蝕程度可利用THz 反射時域光譜相對幅值進行表征.此結論也為THz 技術用于判斷鋼板的銹蝕程度奠定了基礎.

圖5 THz時域反射信號Fig.5 THz time-domain reflective signals

在各齡期的THz 反射時域譜中，出現(xiàn)了兩個反射THz 強度幅值，如圖5（a）所示.需要注意的是，1 d齡期的THz 反射時域譜中未出現(xiàn)第二峰的原因是銹蝕周期過短，銹蝕層厚度較薄，太赫茲反射信號對其不敏感.兩峰出現(xiàn)的時間延遲間隔與銹蝕層的厚度有關，下文將對銹蝕層厚度與延遲時間間隔之間的關系做重點探究.

3.3 銹蝕層厚度表征

基于鋼板對THz 電磁波的全反射特征，鋼板表面的銹蝕層厚度或非極性材料覆蓋層厚度均可以由THz 反射時域譜來進行表征.以本文THz 波對鋼板銹蝕層厚度測定為例，圖6（a）展示了THz 波在銹蝕鋼板表面的傳輸路徑圖.太赫茲波在銹蝕層外表面發(fā)生反射和透射；在鋼板銹蝕層內表面，也就是銹蝕層與鋼板基體界面處發(fā)生全反射.反射信號1和2在試驗中被THz 探測器接收，分別對應圖6（b）中的兩個信號幅值.銹蝕層厚度d與兩峰相對延遲時間T之間的關系為：

圖6 延遲時間參數(shù)的提取Fig.6 Extraction of optical delay time parameters

式中：c是光速；n是銹蝕層的折射率.

因此，THz 信號反射譜中兩峰對應延遲時間分別為11.45 ps和15.7 ps，進而得到延遲時間差T=4.25 ps.將延遲時間差和銹蝕層折射率值n=2.8 代入公式（4），可以得到圖6（b）中銹蝕28 d的銹蝕層厚度值227.7 μm.類似地，在28 d 周期樣品的THz 反射時域譜中，提取相對延遲時間和計算銹蝕層厚度值，總結如表2 所示.銹蝕28 d 的鋼板樣品的銹蝕層厚度平均值為195.0 μm.

表2 28 d樣品的銹蝕層厚度值（n=2.8）Tab.2 Calculation of the corrosion layer thickness of the samples for 28 days（n=2.8）

對不同齡期鋼板銹蝕樣品分別進行THz 時域反射譜測定以及利用游標卡尺進行銹蝕層厚度測量，其測定結果如圖7 所示.從兩種對銹蝕層厚度的測定方法結果可以看出，隨銹蝕周期的增加，銹蝕層厚度整體呈線性遞增的趨勢.相同齡期的銹蝕層厚度值在一定的厚度區(qū)間范圍內波動并且隨銹蝕齡期的增加，銹蝕厚度值分布離散性增大，這是因為鋼板材料在銹蝕的過程中，銹蝕層的堆積分布具有較大的隨機性和不均勻性.以游標卡尺測定的銹蝕層厚度值為標準厚度值，可以看出：1）通過THz 時域反射譜測定的銹蝕層厚度平均值略小于標準厚度平均值，且其厚度值基本分布在標準厚度值范圍內；2）THz技術測定的銹蝕層厚度的平均值與標準厚度平均值相比，其測定厚度的準確率達到90%以上.綜上所述，通過對不同銹蝕程度鋼板樣品的反射譜測定結果證明了在土木工程鋼結構銹蝕檢測領域引入THz-TDS 技術的可行性，其中，可以通過信號譜中信號幅值強度變化和信號幅值對應延遲時間差對鋼板銹蝕程度以及銹蝕層厚度進行判斷和表征.本文利用THz-TDS 技術對銹蝕鋼板的隨機取點測定，實現(xiàn)了對銹蝕層厚度的精確測定.在此基礎上，該技術亦可用于銹蝕厚度的三維成像表征.

圖7 銹蝕層厚度的兩種測定方法結果對比Fig.7 Comparison of two methods for the measuring of the thickness of rust layer

4 結論

為了在鋼板銹蝕無損檢測領域引入THz-TDS技術，本文對銹蝕層的光學參數(shù)和厚度進行了測定.研究發(fā)現(xiàn)鋼板銹蝕程度和銹蝕厚度可以通過太赫茲反射信號表征.相關結論如下：

1）在有效頻率范圍0.2～1.6 THz 內，銹蝕產(chǎn)物的吸收系數(shù)隨頻率的增加而近似線性增大，并在該范圍內無特征吸收峰.折射率值近似為2.8.

2）銹蝕鋼板樣品的反射信號第一幅值隨銹蝕時間的增加而逐級遞減.反射信號第一相對強度值與銹蝕時間呈對數(shù)函數(shù)關系，并與銹蝕時間的倒數(shù)呈線性關系.研究結果證明，通過反射信號相對幅值大小可對鋼板銹蝕程度進行表征.

3）鋼板銹蝕層厚度與反射信號中的延遲時間差有關.采用THz 技術測定的銹蝕層厚度的準確度達到90%以上.鋼板的銹蝕程度和厚度可以分別通過THz 反射信號的信號幅值衰減以及幅值之間的延遲時間差進行判斷和測定.研究結果證明了THz-TDS技術用于鋼板銹蝕厚度檢測的可行性和準確性，同時，也為后續(xù)該技術在鋼結構銹蝕無損檢測領域的應用奠定了基礎.