基于THz-TOF的塑料管材厚度测量方法.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、 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
6、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
7、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
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