随机优化算法应用于太赫兹测厚方法的研究

镀膜是汽车、船舶、航空制造等行业必不可少的工艺步骤,合理的漆膜厚度不仅有利于涂装质量的稳定,还有利于节约涂料、降低涂装成本。随着工业4.0的时代的到来,在生产线上实现在线、非接触的无损高精度检测是必然趋势。相比于传统的测量手段,基于飞行时间原理的太赫兹测厚方法能够实现非接触式的在线测量,但是当样品的光学厚度较小时,太赫兹脉冲将在时域发生混叠,无法直接通过脉冲峰值位置获取准确的飞行时间。针对这一问题,建立了太赫兹反射信号的多元回归模型,借助差分进化算法自动计算模型参数、求解样品厚度,实现了在样品折射率未知情况下对涂层厚度的自动测量;提出了一种基于反射式太赫兹时域光谱系统与随机优化算法的厚度测量方法,针对同一时域信号进行多次计算,验证了差分进化算法的稳定性;分析了样品基底所处平面的法线方向与太赫兹波出射方向之间的角度误差对测量结果的影响;研究了飞行时间法应用于多层样品中测量各层厚度的可行性。结果表明,差分进化算法的计算结果较为稳定,浸锌漆、黑色漆和底漆三种样品厚度计算结果的不确定度分别为0.22μm(223.87μm),0.05μm(54.18μm)及0.08μm(284.95μm),折射率计算结果的不确定度分别为0.004(3.967),0.002(2.091)和0.001(1.769);对于浸锌漆样品,1°的角度误差带来0.073μm的测量误差,测量结果对角度误差具有较强的稳健性。由于多重反射效应的存在,该方法虽然可以求得多层样品太赫兹测量信号中各个反射脉冲的飞行时间,但不能区分反射脉冲来自哪一个反射界面,从而无法求解各层涂层的厚度。分析证明,基于飞行时间原理的测厚方法简单易行,可以较为准确地测量单层样品的厚度,对角度误差不敏感;在拓展到对多层样品进行测量时,该方法具有较大的局限性,不能在时域上区分多重反射脉冲,无法准确计算各层介质的厚度与折射率。