基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述.pdf
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1、第 21 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.21,No.11Nov.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述金玉环1,朱凤霞2,封建欣1(1.北京远大恒通科技发展有限公司,北京 100048;2.首都师范大学 太赫兹光电子学教育部重点实验室,北京 100048)摘要:随着高性能复合材料在航空航天和军事等高新领域的广泛应用,对其质量和性能检查的要求愈加引起重视,如何通过各种方法对复合材料进行无损检测成为近年来研究人员关注
2、的热点和研究方向。太赫兹波量子能量低,对大多数非极性物质透明,因此使用太赫兹技术对复合材料进行无损检测有着独特的应用优势。本文基于太赫兹技术的特点,对太赫兹时域光谱和太赫兹成像技术的无损检测分别进行了详细的论述,并总结了目前复合材料的太赫兹无损检测技术发展趋势,最后对其发展前景进行了展望。关键词:太赫兹技术;无损检测;太赫兹时域光谱;太赫兹成像;复合材料中图分类号:0437 文献标志码:Adoi:10.11805/TKYDA2022237Review of nondestructive testing of composites based on THz technologyReview of
3、 nondestructive testing of composites based on THz technologyJIN Yuhuan1,ZHU Fengxia2,FENG Jianxin1(1.Beijing Broad Hengtong Technology Development Co.,Ltd,Beijing 100048,China;2.Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics,Ministry of Education,Capital Normal University,Beijing 100048,China)Abstract
4、Abstract:With the wide application of high performance composites in aerospace,military and other high-tech fields,more and more attention has been paid to the quality and performance inspection of composites.How to conduct Nondestructive Testing(NDT)of composites by various methods has become a hot
5、 research direction for researchers in recent years.Terahertz wave has low quantum energy and is transparent to most non-polar substances,so it has unique application advantages in the field of nondestructive testing of composites.In this paper,based on the characteristics of THz technology,the nond
6、estructive testing of Terahertz Time-Domain Spectroscopy(THz-TDS)and terahertz imaging technology are discussed in detail,and the current development trends of terahertz nondestructive testing technology for composite materials are summarized.Finally,the development prospect is outlooked.KeywordsKey
7、words:terahertz technology;Nondestructive Testing;Terahertz Time-Domain Spectroscopy;terahertz imaging;composite materials相比传统材料,复合材料具有强度高、密度低、耐腐蚀等多种优点。随着 21 世纪航空航天、汽车工业、石油化工和武器装备等诸多领域的高科技发展,复合材料的应用越来越广泛。但在不同场景的制造、加工和使用过程中,由于制作工艺和使用环境等多方面的影响,材料会出现脱粘、孔洞和裂纹等缺陷,影响使用性能和质检要求。为了控制复合材料的质量,保证使用的安全性,在实际应用中通常
8、要求对其进行检测,以满足标准要求。由于使用场景的差异性,对复合材料的性能、可靠性和安全性也有了更高要求,传统的无损检测技术在检测复合材料内部结构和缺陷方面还存在着一些局限性,无法检测、检测不准确的情况时有发生。据此,国内外研究人员结合不同技术,在复合材料的无损检测方面投入大量工作,诸多无损检测新技术应运而生。太赫兹(THz)技术作为一种新兴的无损检测技术,4.14 meV 的光子能量不会产生电离辐射,能够保障样品和检验人员的安全,对非极性材料有着良好的穿透能力,且不易受外界环境温度的影响,在复合材料的无损检测中具有巨大的应用价值,吸引了研究人员广泛的关注。本文主要针对太赫兹无损检测技术的两大类
9、方式进行阐述,介绍了近年来的研究进展,最后探讨了在复合材料中太赫兹无损检测技术的应用与发展。文章编号:2095-4980(2023)11-1295-11收稿日期:2022-11-29;修回日期:2023-03-07太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷1太赫兹技术应用概述太赫兹波指频率位于 0.110 THz 的电磁波(也有 0.330 THz 的表述),波长约在 0.033 mm 内,介于微波与红外光之间,即电子学和光子学的中间区域,如图 1 所示。正是由于其所处的特殊的频段范围,太赫兹波融合了光和电的特性,弥补了电磁波谱中的“太赫兹空隙”1。太赫兹波对大多数非极性物质具有高透过率,穿透性强,
10、既能进行时间分辨的光谱测量,也能在相应条件下获得分辨力较高的图像,采用非接触探测方式无需耦合剂。太赫兹技术不仅涉及电子学和光子学领域,也包括材料、物理、光学等学科内容,属于前沿的交叉学科2,无损、非电离、非接触等特点成为太赫兹技术在应用过程中显著的优点。太赫兹技术应用范围广泛。太赫兹波段探测大分子具有明确的“指纹性”,有利于安检领域对毒品等危险品的检测3,与 X 射线等其他射线相比,太赫兹光子能量低,对人体更加安全,在安检领域有更独特的优势。由此,太赫兹检测技术可提供与红外、可见光和 X 射线成像互补的物品信息,目前已广泛用于生物医学如皮肤、肿瘤等生物组织的检测分析中。此外,太赫兹波比红外对隐
11、蔽物体的透射性和成像效果更好。近年来,太赫兹技术在物质鉴别、安防通信、质量控制、生物医学等4-6领域都有相关应用。随着近些年无损检测领域的应用扩展,太赫兹技术基于光和电特性的融合优势,可以对特殊的物质在特定的环境和条件下进行无损检测,分析物质特性,成为现有无损检测方式的有力补充。2基于太赫兹时域光谱系统的无损检测技术太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是基于脉冲太赫兹波相关测量的新型光谱分析技术,通过太赫兹波探测器采集太赫兹脉冲在被测物体中透射或在被测物体表面发生反射的信号。图 2 和图 3 为 THz-TDS 的基本结构图,太赫兹时域光谱系统主要由飞秒激光器、太赫兹发射器、太赫兹接收器和光学
12、延迟线组成。从飞秒激光器中发射出一束太赫兹信号,经过分束器分为泵浦光和探测光,泵浦光通过光学延迟线入射到太赫兹发射器,得到向外辐射的太赫兹短脉冲,再经由一组离轴抛物面镜后照射到待测物体上,通过光学延迟线调整时延,使得经待测物品透射或反射后的太赫兹脉冲与探测光同时入射到太赫兹接收器,进而获得相应的太赫兹时域脉冲波形数据。Fig.1 Diagram of the electromagnetic spectrum图1 电磁波谱示意图Fig.2 Structure diagram of transmission THz-TDS system图2 透射式太赫兹时域光谱系统结构图1296第 11 期金玉环
13、等:基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述作为太赫兹无损检测技术的关键技术之一,太赫兹时域光谱技术能够采集到被测物体的时域信号、相位、折射率、延迟时间等丰富信息,为无损检测的应用提供有效价值。利用太赫兹技术对复合材料进行无损检测时,通过太赫兹时域光谱提取关键光学参数,为特定物质的涂层测厚等无损检测提供了基础。基于太赫兹时域光谱技术开发的太赫兹光谱成像系统,在无损检测应用中作为探索物质特性的光学测量设备也发挥着重要的作用。在实际的应用过程中,还需要根据材料的不同特性选择相应的检测模式:对于低吸收性材料,常选择透射式太赫兹时域光谱探测;高吸收性材料,则选择反射式太赫兹时域光谱探测。根据检测目标的
14、样品特性和检测目的选择相应的太赫兹时域光谱探测系统的透射模式或反射模式,从而得到最佳检测结果。2.1 太赫兹时域光谱系统透射式太赫兹时域光谱技术是通过获取激发后的太赫兹脉冲透射过检测目标后的信号完成检测,穿过检测目标的太赫兹信号包含了目标大量的物理信息7,其基本结构如图 2 所示。透射式太赫兹时域光谱系统的内部光路调节相对比较简单,所采集的检测目标信息的信噪比较高,其最大优点是可获得丰富的物质光学信息8。太赫兹波在样品和空气中传播速度不同,表现为时域波形上峰值的时间延迟存在差异。根据实验系统所采集的含样品信息和参考信息(不含样品信息)的太赫兹脉冲,利用傅里叶变换及相应的光学计算,可获得检测目标
15、的折射率、吸收系数和厚度等相关参数。目前,太赫兹透射式时域光谱系统在无损检测领域的应用范围不断扩大,如检测药品包衣质量、漆层厚度、纸张生产、物质指纹吸收谱等9-11。这些物质对太赫兹波的吸收能力较弱,因此太赫兹波透射过后所采集的时域波形仍能保持完整,并且电场的相位信息和振幅也可以通过太赫兹脉冲的相干特性获得,大大降低了检测目标光学信息的提取难度。除了硬件系统的优势,目前基于透射式太赫兹光谱的物质光学参数的算法也较为系统,在各个领域均有广泛应用,且发展前景十分广阔。由于太赫兹波难以穿透极性液体(如水)和金属,部分物质也会对太赫兹波具有强烈的吸收性,此时对检测目标的厚度便有所限制,从而大大增加了样
16、品的制备难度,使透射式太赫兹时域光谱系统的应用存在一定的局限性。而反射式太赫兹时域光谱系统则无需穿透待测样品,因此对该类物质更易检测,更能确保测量过程的可操作性。图 3 为反射式太赫兹时域光谱系统结构图。反射式太赫兹时域光谱技术通过采集经检测目标表面反射后的太赫兹脉冲获得光谱信息,对于吸收较强的材料,如碳纤维复合材料,可应用反射式太赫兹时域光谱技术。太赫兹反射式时域光谱系统在设备光路组装和实验条件上比透射式要求更高,对于检测目标的位置和获取参考信号的反射镜的位置要求保持严格一致,该系统对于获取透射信号困难的检测目标应用能力更强。2.2 基于太赫兹时域光谱系统的无损测厚太赫兹测厚是太赫兹时域光谱
17、技术在无损检测领域的重要应用。在太赫兹透射或反射模式下,基于飞行时间原理进行厚度检测,其中涂层测厚便是一大研究热点。对于涂层厚度有多种测量方法,表 112中比较了不同测厚方法的优缺点。研究表明不同厚度的涂层特征在太赫兹时域光谱波形上显示出差异性,利用太赫兹技术能够实现对涂层厚度的无接触测量,检测精确度高,适用性强。以反射式太赫兹时域系统为例,根据太赫兹波束传播特点和折射定律,可计算出待测样品厚度d13:d=cn21+n22sin2n212n1Dt(1)Fig.3 Diagram of reflective THz-TDS system图3 反射式太赫兹时域光谱系统结构图1297太赫兹科学与电子
18、信息学报第 21 卷式中:c为真空中的光速;n1为待测样品折射率;n2为空气折射率;为入射角;Dt为待测样品上表面与下表面反射时延差。2013 年,Fukuchi 等14根据太赫兹波束在陶瓷表面涂层和粘接层中的反射波形(图 4),测量出(32527)m 的涂层厚度。2017 年,Krimi 等15提出了一种基于图形处理器的数值回归方法,能够完成对多层结构中各个层的实时太赫兹厚度测量,其中单层最低厚度为 16 m。2022 年,Sun 等16基于太赫兹信号理论模型,利用局部极值提取峰值在线计算折射率,消除折射率变化对厚度测量的影响,实现厚度的自动测量,并显著提高了测量效率。透射模式或反射模式的太
19、赫兹时域光谱系统,在探索太赫兹和物质相互作用过程中发挥了重大的作用。但光谱检测需要专业的检测分析人员,对人员要求高,因此更加直观的太赫兹成像技术逐渐发展起来,为检测人员和检测机构提供了更为直观的选择。3基于太赫兹成像技术的无损检测不同于太赫兹光谱技术,太赫兹成像技术可视性更强,检测结果更加具象直接,在近几十年发展迅速,获得了行业人员的广泛认可。多样化的成像方式已经覆盖了多层次的应用领域,包括生物医学成像、包装食品检测、文物检测以及反恐安防、人员安检等诸多方面。在太赫兹技术的无损检测应用中,检测目标的含缺陷部分成像效果与无缺陷部分成像效果之间存在着显著的差异性,因此通过太赫兹成像技术,扫描检测目
20、标使其成像,以成像结果为基础进行处理,根据检测要求可直观地观察检测目标的缺陷情况。太赫兹成像技术可分为不同类型,按照信号类型进行分类,主要分为连续波成像和脉冲成像,表 2 为两种成像方式的比较。其中太赫兹连续波成像指太赫兹源发射的信号在整个周期内呈连续性;太赫兹脉冲成像指成像信号在一个信号周期内仅在一定时间发射信号,脉冲式太赫兹接收器探测出该信号从而获取成像结果。在复合材料的太赫兹无损检测实际应用过程中,对于不同的检测目标,可根据具体情况针对性地选择相应的太赫兹成像技术。表1 不同涂层测厚方法比较Table1 Comparison of the thickness measurement fo
21、r different coatingstesting methodmethod of weightmetallomicroscopyeddy current methodultrasonic methodmagnetic induction methodphotothermal radiation methodterahertz methodadvantageThe operation is simple and the wet film thickness can be measuredhigh measurement accuracy and strong applicabilityth
22、e equipment is portable and easy to be operatedhigh sensitivity and portable equipmentthe measurement accuracy is high,and the multi-layer thickness can be measured simultaneouslynon-contact,fast detection speed and large observation areanon-contact,high detection accuracy,strong applicabilitydisadv
23、antageThe measurement results are average values with low precisiondestructive detection,long cycle,high costIt is sensitive to the conductivity of matrix and has edge effectThe measurement accuracy is easily affected by roughness,which requires coupling agent and is inconvenient to useThe fitting p
24、rocess of magnetic field intensity corresponding to measuring point is complicatedThe equipment is expensive and the detection accuracy is easily affected by the environmentThe detection accuracy is limited by the type and thickness of coating,and the operation is complicatedapplication fieldlaborat
25、ory application,suitable for small size plate testfor laboratory applications,standard test blocks should be preparedThe most common engineering application,suitable for flat non-magnetic metal matrixHas realized engineering application,suitable for metal and composite material matrixresearch phase,
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