基于THz-TOF的塑料管材厚度測量方法

屈薇薇 李欣宇 鄧 琥 邱義敏 劉耀文

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院 四川綿陽 621010）

塑料管道與傳統(tǒng)金屬管、水泥管道相比具有質(zhì)量輕、耐腐蝕、易安裝、使用年限長等優(yōu)點(diǎn)［1］，廣泛應(yīng)用于流體運(yùn)輸、燃?xì)夂碗娎|設(shè)備保護(hù)等領(lǐng)域。然而，因原材料缺乏、生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新少、生產(chǎn)過程中無高精度測量裝置等原因，導(dǎo)致厚度不均勻、不達(dá)標(biāo)的塑料管材流入市場［2］。這些質(zhì)量問題極易使塑料管材在使用過程中出現(xiàn)變形、膨脹、彎曲、遇較大壓力爆開漏氣漏液等情況。隨著聚合物精密擠出成型技術(shù)的發(fā)展，塑料管材制品對厚度的精度要求越來越高，厚度成為塑料管材質(zhì)量控制的重要參數(shù)。在常規(guī)的塑料管材生產(chǎn)中，將粉末狀或者粒狀的固體物料在螺桿的推送下進(jìn)入螺筒，進(jìn)而在螺筒的熱環(huán)境下熔融形成黏稠流體，最后在螺桿的壓力作用下擠出出口形成管材［3-4］。然而實(shí)際管材的厚度尺寸與設(shè)定值存在一定的偏差，因此需要對管材厚度進(jìn)行精準(zhǔn)測量。

傳統(tǒng)塑料管材厚度測量方法有X射線測量［5］、超聲波測量［6-7］和游標(biāo)卡尺測量等。X射線具有輻射危害。超聲波的傳播速度會受到介質(zhì)溫度、濕度的影響，為了消除或者減小環(huán)境因素對測量精度的影響，需要附加額外的傳播速度測量裝置和補(bǔ)償裝置［8-9］。游標(biāo)卡尺是最經(jīng)濟(jì)的測量方式，但在塑料管材生產(chǎn)線的高溫、非完全固體的環(huán)境下無法做到實(shí)時、非接觸式測量，且游標(biāo)卡尺能夠測量的范圍受到測量爪的限制。太赫茲波作為一種新興、特殊的輻射源，其頻率為0.1 ～10 THz，電磁波譜介于微波和紅外線之間，由于太赫茲光具有相干性，能夠獲取材料的光學(xué)常數(shù)特征，且大多數(shù)非金屬材料能夠被太赫茲波輕松穿透，例如塑料、橡膠等不透明物體，因此可以基于太赫茲透射式測量方法對塑料管材厚度進(jìn)行測量［10］。與X射線相比，太赫茲波具有能量低的特點(diǎn)，不會電離破壞被測物體，威脅人體健康；與微波相比，太赫茲具有不受環(huán)境溫度影響的優(yōu)點(diǎn)；與游標(biāo)卡尺相比，太赫茲測量可做到實(shí)時、無損、非接觸式測量。

陸慶華等［11］使用近紅外光譜法、X射線法、拉曼光譜法、太赫茲光譜法對藥物薄膜包衣厚度進(jìn)行了測量，結(jié)果表明太赫茲測量簡單、快速、無損，測量效果最優(yōu)，說明太赫茲測量可用于厚度的高精度測量。Park等［12］采用太赫茲飛行時間（Terahertz time-offlight，THz-TOF）系統(tǒng)，在對樣品信息未知的情況下，成功測量了環(huán)氧模塑料化合物的折射率和厚度。李麗娟［13］建立了太赫茲單點(diǎn)厚度提取模型，并利用太赫茲時域光譜（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）系統(tǒng)分析了膠層厚度的均勻性，檢測精度達(dá)到100μm，該檢測精度與游標(biāo)卡尺精度相當(dāng)。郝元等［14］通過THz-TDS系統(tǒng)測量出標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯樣品折射率，利用折射率對未知厚度樣品進(jìn)行厚度測量，測量的相對誤差在2% 以下，但需要提前測量標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯的折射率。寇寬等［15］通過太赫茲時域光譜分析得到塑料管材厚度，在誤差分析中，選用千分尺粗略測量或者大概估計(jì)聚乙烯厚度，再在厚度范圍內(nèi)選取一定的變化量迭代計(jì)算其誤差，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的聚乙烯厚度，該方法迭代次數(shù)較多，計(jì)算量較大。本文提出了一種基于THz-TOF的塑料管材厚度測量方法，以期為塑料管厚度測量提供一種簡便、快捷、高精度的無損檢測方法。

1 THz-TOF系統(tǒng)及測量原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于全光學(xué)激勵和探測接收的非接觸式THz-TOF系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)原理如圖2所示。THz-TOF系統(tǒng)主要由飛秒激光器、延時裝置、太赫茲發(fā)射器、太赫茲探測器組成。實(shí)驗(yàn)采用飛秒激光器發(fā)射波長為800 nm、脈寬為80 fs、重復(fù)頻率為80 MHz的飛秒脈沖激光。激光經(jīng)過半波片調(diào)整光束偏振態(tài)，使光束分為兩束相互垂直且強(qiáng)度不同的光束，強(qiáng)度較強(qiáng)的光束為泵浦光，另一束為探測光。采用光電導(dǎo)天線作為太赫茲源［16］，泵浦光經(jīng)多個反射鏡組成的延時裝置后，聚焦到光電導(dǎo)天線，受到激發(fā)后輻射出太赫茲脈沖，太赫茲垂直透射過樣品，獲取樣品的太赫茲信息，并將攜帶的信息聚焦到太赫茲探測源中。同時，探測光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦到探測天線上，驅(qū)動太赫茲探測源，實(shí)現(xiàn)對太赫茲信號的掃描［17］。由于太赫茲發(fā)射速度大于探測器掃描速度，故通過添加延時裝置控制泵浦光和探測光的光程，以便探測太赫茲脈沖的整個波形［18］。最后，將探測到的太赫茲信號經(jīng)鎖相放大器傳輸至計(jì)算機(jī)，通過上位機(jī)軟件對波形進(jìn)行采集。

圖1 THz-TOF系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 THz-TOF system

圖2 THz-TOF系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of THz-TOF system

1.2 測量原理

運(yùn)用構(gòu)建的THz-TOF系統(tǒng)對塑料管材厚度進(jìn)行測量。測量示意圖如圖3所示。

圖3 太赫茲透射式測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of terahertz transmission measurement

記太赫茲波在空氣中進(jìn)行傳播時接收器接收到信號的時間為t0。太赫茲源激勵產(chǎn)生THz波透射穿過厚度為d的樣品，部分波直接透過樣品被接收器接收，如圖3實(shí)線所示，接收器接收到信號的時間為t1；另一部分波到達(dá)樣品底部Ⅱ后進(jìn)行一次反射，該反射波到達(dá)樣品表面Ⅲ后進(jìn)行了二次反射，如圖3中虛線所示，二次反射波穿透表面Ⅳ后被接收器所接收，接收到信號的時間為t2。相對于空氣，太赫茲波在樣品中的傳播稍有延遲，延遲時間Δt1與樣品厚度d和太赫茲波在樣品中的傳播速度v有關(guān)，如公式（1）所示：

式中c為光速。

飛行時間Δt2為太赫茲波在樣品中透射和反射信號接收時間t1和t2之差，即：

根據(jù)太赫茲傳播理論，透射塑料管材厚度與樣品折射率n、飛行時間Δt2之間的關(guān)系為：

折射率n和太赫茲波在樣品中的傳播速度v的關(guān)系為：

綜合式（1）、式（2）、式（3）和式（4）可以得到塑料管材厚度計(jì)算模型為：

式中：d為塑料管材樣品厚度；n為樣品的折射率；c為光速。

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 空氣條件測量實(shí)驗(yàn)

空氣中的水蒸氣對太赫茲波具有吸收性，會影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，故實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度21℃、相對濕度小于3% 下進(jìn)行。在空氣條件下進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)時，得到如圖4所示的參考時域波形圖，參考信號主波峰時間t0為7.95 ps。

圖4 空氣的THz-TOF時域波形圖Fig.4 THz-TOF time domain waveform of air

2.2 樣品厚度測量實(shí)驗(yàn)

從建材市場購得3種材質(zhì)未知的排水管作為樣品A、樣品B、樣品C，通過游標(biāo)卡尺分別對3種樣品進(jìn)行10次測量，求取厚度平均值分別為2.396 mm，4.692 mm和5.379 mm。

通過THz-TOF分別對3種樣品進(jìn)行測量，THz-TOF時域波形如圖5所示。由于塑料管厚度不均，對各樣品分別進(jìn)行了6次測量，每次測量將樣品旋轉(zhuǎn)30°，得到6處不同位置的時域波形。圖5（a）、圖5（b）和圖5（c）分別對應(yīng)樣品A、樣品B和樣品C的測量結(jié)果。第一個波峰時間為直接透射后信號接收時間t1，第二個波峰時間為兩次反射再透射后信號接收時間t2，6條不同顏色的波形曲線分別為樣品不同位置的THz-TOF時域波形，上方局部圖為t1附近波形的放大結(jié)果，下方局部圖為t2附近波形的放大結(jié)果。可以看出不同測量位置時波形存在一定波動，這是由于樣品本身厚度不均造成的。根據(jù)圖5（a），在樣品A的6次測量中，其中一次t1為18.36 ps，t2為55.08 ps。計(jì)算得到Δt1和Δt2分別為10.41 ps和36.72 ps，由此可通過公式（5）計(jì)算得到樣品管材厚度d為2.385 mm。樣品A的其他測量數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)圖5（b）、圖5（c），通過同樣的分析方式得到樣品B、樣品C的測量數(shù)據(jù)如表2、表3所示。最后對6次計(jì)算結(jié)果取均值，得到樣品A的厚度為2.367 mm；樣品B厚度為4.676 mm；樣品C的厚度為5.322 mm。

表1 樣品A測量數(shù)據(jù)Table 1 M easurement data of sam ple A

表2 樣品B測量數(shù)據(jù)Tab le 2 M easurement data of sam p le B

表3 樣品C測量數(shù)據(jù)Table 3 M easurement data of sam ple C

圖5 3種樣品的THz-TOF時域波形圖Fig.5 THz-TOF time domain waveform of three samples

2.3 測量誤差分析

本次實(shí)驗(yàn)將50分度游標(biāo)卡尺測量厚度作為參考厚度，該游標(biāo)卡尺測量精度為0.02 mm，達(dá)到了國標(biāo)GB15558.1中對管壁平均厚度測量精度0.1 mm的要求。THz-TOF系統(tǒng)由機(jī)械裝置、光學(xué)部件等部分組成，各部分均存在響應(yīng)時間不同、噪聲影響以及精度不同造成的測量誤差［19］。同時，在實(shí)驗(yàn)操作、測量點(diǎn)選取和數(shù)據(jù)處理等方面存在人為因素，同樣會影響最終測量結(jié)果，誤差分析如表4所示。在塑料管材生產(chǎn)過程中，管材厚度并不完全均勻，采用多次多位置測量求取平均值作為樣品厚度的實(shí)際值，測得3種樣品厚度d*分別為2.396 mm，4.692 mm，5.379 mm。THz測量誤差Δd分別為0.029 mm，0.016 mm，0.057 mm；相對誤差η分別為1.21%，0.34%和1.06%，最大相對誤差為1.21%，達(dá)到了國標(biāo)GB15558.1中4% 的要求。

表4 誤差分析表Table 4 Error analysis

3 結(jié)論

本文根據(jù)太赫茲在塑料管材中的傳輸延時時間和飛行時間，搭建了太赫茲飛行時間系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對3種材質(zhì)未知的塑料管材厚度的測量，最大相對誤差為1.21%，滿足國標(biāo)4%的要求。THz-TOF系統(tǒng)可用于塑料管材生產(chǎn)過程中厚度的在線檢測。

由于電極性介質(zhì)和電導(dǎo)體對太赫茲波的吸收能力強(qiáng)、穿透性差，因此THz-TOF無法獲得相應(yīng)的透射波峰，并不適用于金屬等材料的厚度測量。此外，由于太赫茲在塑料管材中存在頻散現(xiàn)象，且透射率高、反射率較低，在某些塑料管材中會存在反射波峰不明顯的問題，可以在后續(xù)數(shù)據(jù)分析中運(yùn)用優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，智能識別反射波峰以配合系統(tǒng)更好地完成工作。