基于太赫兹时域光谱技术的CFRP薄涂层厚度检测方法

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)上的薄涂层测厚存在的基底各向异性、多重反射、回波重叠、环境噪声等问题,提出基于太赫兹时域光谱技术与稀疏分解的涂层测厚方法,并在仿真波形和实际样品上成功验证。CFRP通常由碳纤维与环氧基体牢固结合并多层复合而成,具有各向异性特点,在光学性质上表现为CFRP上同一位置不同入射方向、同一入射方向不同位置的反射波形均存在差别。这致使基于理论模型的优化算法用于其上涂层测厚时精度有待提高。另外,在涂层较薄时,受噪声与多重反射等因素的干扰,无法直接在时域根据反射波形区分涂层界面,即直接使用飞行时间法(TOF)难以获得涂层厚度。为此,使用稀疏分解法来定位薄涂层的分界面,再结合TOF法计算CFRP上薄涂层的厚度。首先,分析了多层结构上的太赫兹反射信号与信号稀疏分解模型之间的联系,并利用参考信号构成稀疏字典。然后,鉴于太赫兹信号的传播路径只在分界面发生改变这一先验知识,即涂层层数决定了信号稀疏分解后非零脉冲个数,使用前向正交匹配追踪算法(LAOMP)求解太赫兹反射信号的稀疏表示。LAOMP算法可直接指定稀疏度,便于选择稀疏脉冲定位涂层分界面。获得对应于各涂层界面的脉冲后,使用TOF法求得涂层的厚度。最后,在总厚度分别为102和66μm的双涂层仿真数据与实际样品上验证方法的性能,并与经典基于L1范数的谱投影梯度算法(SPGL1)进行了对比。结果表明:在相邻涂层折射率差别较小的情况下,LAOMP算法可以有效检测CFRP上35μm的薄涂层。在总厚度为66μm的双涂层样件上,检测误差在11%以内,具有调参简单、结果稳定的优点。

太赫兹飞行时间测厚法在大气环境中的应用

太赫兹飞行时间(terahertz time-of-flight,THz-TOF)法具有快速、无损、高精度等优点,是厚度检测领域的新型发展方向。然而大气环境中水蒸气对太赫兹波存在较强的吸收,限制了THz-TOF法在大气环境中的应用。分析了THz-TOF法中太赫兹波在大气环境中的传播机理;提出了一种基于吸收模型的水蒸气消除方法;以两种塑料板样品为对象开展了应用研究。通过和干燥环境中测量的结果进行对比,结果表明:该方法能够有效消除水蒸气的干扰,实现大气环境中材料厚度和折射率的准确测量。

聚乙烯材料厚度的太赫兹检测实验分析

在聚乙烯材料管道生产制造过程中,管道厚度精确测量是影响管道生产质量的一个重要技术问题。本文简述了使用太赫兹时域光谱首先对标准厚度样品的折射率进行测量,再使用其折射率对未知厚度样品进行厚度测量,通过测量在介质中某一点太赫兹时域波形图峰值时间差,建立厚度测量模型,实现对折射率的以及厚度的测量方法,根据实验对其检测精度以及影响因素进行分析得出此实验方法相对误差已达到2%以下,此精度已高于国标GB15558.1中4%的要求。

采用太赫兹时域光谱技术的高精度热障涂层测厚方法

针对标准试块法测量热障涂层厚度需要制作标准试块导致成本高、测量工艺复杂、无法适应热障涂层服役后折射率变化等问题,提出了采用太赫兹时域光谱技术的高精度热障涂层测厚方法。首先,根据太赫兹波在热障涂层中的传播特性建立了热障涂层太赫兹波传播模型,通过模型可以得到太赫兹检测信号回波数量和回波相位对应的变化关系;然后,根据菲涅尔定律和太赫兹检测信号前3次回波之间的作用关系建立了折射率计算模型;最后,根据所得到的折射率和相邻两次回波时间差采用飞行时间法求解热障涂层厚度。对所提方法测量热障涂层厚度的可行性和准确性进行了多组实验研究,结果表明:与标准试块法相比,所提方法不需要制作标准试块,仅根据太赫兹检测信号即可同时计算得到热障涂层折射率与厚度,实现了对热障涂层高效、高精度测厚;所提方法测量厚度的相对误差可以达到1.15%,比标准试块法测量厚度的相对误差降低了42.5%。

太赫兹测厚技术中的层数分类算法

太赫兹测厚技术因其高精度和非接触性,已成为测量多涂层结构厚度的新途径。通过太赫兹时域光谱技术确定涂层厚度时,通常使用全局优化算法,并需要预先知道涂层的层数。然而在某些应用中,层数往往是未知的,这影响了太赫兹测厚技术的适用性和精度。通过优化支持向量机模型确定涂层层数,并比较不同改进分类算法的性能。确定层数后,利用Rouard模型对每层厚度进行全局拟合来确定涂层厚度,从而实现对未知层数的多涂层结构的分层厚度测量。在机械臂驱动的太赫兹时域光谱系统对曲面多涂层样品进行测厚的实验中验证了所提方法的可行性。