CN105333841A - 基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，包括：飞秒激光器（1）、分束器（2）、光学延迟线（3）、反射镜（4）、第一光纤耦合器（5）、第一光纤（6-1）、第二光纤（6-2）、太赫兹发射器（7）、样品台（8）、太赫兹探测器（9）、第二光纤耦合器（10）和计算机（11）；同时还公开了一种利用本装置进行的检测方法：首先利用装置获取某种材料的标准试件的太赫兹反射光谱，建立粗糙度检测模型，然后测量待测试件的太赫兹反射光谱，并应用建立的粗糙度检测模型获取粗糙度；本发明利用太赫兹波原理能够对带镀层的金属的表面粗糙度差异、腐蚀和表面损伤等进行准确检测，具有无损、非接触、分析速度快等特点。

Description

基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面粗糙度检测装置及检测方法，具体是一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置及方法，属于太赫兹技术应用领域。

背景技术

金属的表面粗糙度是指金属表面的相对不规则的平整程度，由机械加工中的工艺、服役过程中的机械损伤或者腐蚀等造成。一般在机械加工中，机械师利用手指感受工件与标准光滑试件之间的区别来评价金属表面粗糙度，此方法主观性比较大，相同的工件不同的人可能会有不同的判断。

此外，还有一种检测方法是采用探针法，此法利用位移传感器来评价粗糙度值，可以较客观准确进行粗糙度评价，测量的准确性主要由位移传感器的特性决定，但是此法不适用于带喷漆或者其他镀层的金属表面粗糙度的检测。

太赫兹(1THz＝0¹²Hz)波通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：

(1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即同时得到幅度和相位信息；

(2)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4mev，是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可以用于无损检测；

(3)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10¹⁰；

(4)太赫兹辐射对陶瓷、油漆、塑料、木材、介电材料等很多物质透射率高，可以用于这些材料的质量控制和无损检测中，与微波技术和毫米波技术相比，太赫兹波长长，因此空间分辨率高，这是利用太赫兹波进行的无损检测的基本条件；

(5)太赫兹波的典型波长是300μm，远小于尘埃等微小结构的尺寸，因此太赫兹波在多数物体中的散射远小于可见光和近红外光，同时太赫兹波的光子能量低于大多数化学键的键能，因此太赫兹波在大多数介电物质中都是透明的。

金属材料在太赫兹波段具有较高的介电常数，因此太赫兹波在金属表面几乎全部反射。当金属表面光滑时，太赫兹波将完全反射与镜面反射方向，此时太赫兹探测器可以获得最大的反射太赫兹波信号；而当金属表面粗糙不平时，太赫兹波将向各个方向反射，此时如果位于镜面反射的方向的太赫兹探测器检测到的反射太赫兹波则会变小，利用此原理可以进行金属表面粗糙度的检测。

当金属表面有油漆等镀层材料时，因为太赫兹波对这类材料的透射率相对较高，仍可以进行镀层底下的金属粗糙度的检测和评估，并且太赫兹波用于金属表面粗糙度的检测具有无损、非接触、快速等特点。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置及方法，能够解决目前金属表面粗糙度检测主观性强、准确度不高以及带有镀层的金属粗糙度检测困难等问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，它包括：

飞秒激光器、分束器、光学延迟线、反射镜、第一光纤耦合器、第一光纤、第二光纤、太赫兹发射器、样品台、太赫兹探测器、第二光纤耦合器和计算机；

飞秒激光器发出的激光照射到分束器上，被分成两束：

其中一束经光学延迟线和反射镜后经第一光纤耦合器和第一光纤照射到太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波按照设定的入射角照射到样品台上的样品上，太赫兹波经样品反射后照射到太赫兹探测器上；

另一束激光经第二光纤耦合器和第二光纤后照射到太赫兹探测器上，使太赫兹探测器上产生探测信号，并且信号传输到计算机中做进一步信号处理；

其中，计算机为太赫兹发射器提供直流偏置电压。

所述的太赫兹发射器和太赫兹探测器均带尾纤，以方便地调整太赫兹波照射到样品台上的入射角，从而提高进行金属表面粗糙度检测时的灵敏度。

所述的太赫兹发射器产生的太赫兹波频率范围为0.1-3THz。

一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测方法，包括以下步骤：

1)建立标准试件的粗糙度检测模型

首先制作一系列不同粗糙度的标准试件，然后采用上述的检测装置测量每个标准试件特定区域中多个点处的太赫兹时域反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；

然后采用相关分析确定用于粗糙度检测的最优频率点，并将最优频率点处的太赫兹光谱幅度作为太赫兹数据特征，并求出多个点处的太赫兹数据特征的平均值，然后采用数据拟合的方法建立标准试件的粗糙度检测模型；

2)计算待测试件的粗糙度值

采用上述的检测装置测量待测试件多个点处的太赫兹时域光谱反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；

然后选择最优频率处的太赫兹数据特征，并调用步骤1)建立的标准试件的粗糙度检测模型计算待测试件的粗糙度值。

步骤1)中建立标准时间的粗糙度检测模型时，数据拟合方法选择多项式拟合算法或者高斯拟合算法。

在测量带镀层的金属表面粗糙度，需要制作带有镀层的标准试件并建立对应的粗糙度检测模型。

与现有的主观探测和探针法相比：本发明利用反射型太赫兹时域光谱对金属材料或者带有镀层的金属材料进行探测：

金属材料在太赫兹波段具有较高的介电常数，因此太赫兹波在金属表面几乎全部反射；当金属表面光滑时，太赫兹波将完全反射与镜面反射方向，此时太赫兹探测器可以获得最大的反射太赫兹波信号；而当金属表面粗糙不平时，太赫兹波将向各个方向反射，此时如果位于镜面反射的方向的太赫兹探测器检测到的反射太赫兹波则会变小，从而对金属表面粗糙度进行准确检测；

当金属表面有油漆等镀层材料时，太赫兹波对此类材料的透射率相对较高，仍可以进行镀层底下的金属粗糙度的检测和评估，同时太赫兹波用于金属表面或者带有镀层的金属表面粗糙度的检测具有无损、非接触、快速等优点。

附图说明

图1是本发明中检测装置结构原理示意图。

图中：1、飞秒激光器、2、分束器、3、光学延迟线、4、反射镜、5、第一光纤耦合器、6-1、第一光纤、6-2、第二光纤、7、太赫兹发射器、8、样品台、9、太赫兹探测器、10、第二光纤耦合器、11、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，它包括：

飞秒激光器1、分束器2、光学延迟线3、反射镜4、第一光纤耦合器5、第一光纤6-1、第二光纤6-2、太赫兹发射器7、样品台8、太赫兹探测器9、、第二光纤耦合器10和计算机11；

飞秒激光器1发出的激光照射到分束器2上，被分成两束：

其中一束经光学延迟线3和反射镜4后经第一光纤耦合器5和第一光纤6-1照射到太赫兹发射器7上产生太赫兹波，产生的太赫兹波按照设定的入射角照射到样品台8上的样品上，太赫兹波经样品反射后照射到太赫兹探测器9上；

另一束激光经第二光纤耦合器10和第二光纤6-2后照射到太赫兹探测器9上，使太赫兹探测器9上产生探测信号，并且信号传输到计算机11中做进一步信号处理；

其中，计算机11为太赫兹发射器7提供直流偏置电压。

进一步，所述的太赫兹发射器7和太赫兹探测器9均带尾纤，以方便地调整太赫兹波照射到样品台8上的入射角，从而提高金属表面粗糙度检测的灵敏度；并且太赫兹发射器7产生的太赫兹波频率范围为0.1-3THz，此区间的频率更适合测量。

本发明还公开了利用上述基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置进行的检测方法，具体包括以下步骤：

1)建立标准试件的粗糙度检测模型

首先制作一系列不同粗糙度的标准试件，然后采用上述的检测装置测量每个标准试件特定区域中多个点处的太赫兹时域反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；

然后采用相关分析确定用于粗糙度检测的最优频率点，并将最优频率点处的太赫兹光谱幅度作为太赫兹数据特征，并求出多个点处的太赫兹数据特征的平均值，然后采用数据拟合的方法建立标准试件的粗糙度检测模型；

太赫兹时域光谱测量可以获取太赫兹频段的一系列数据，对于要分析的金属表面的粗糙度，选择哪个频率处的THz信息会更有效非常重要，此处采用相关分析，计算标准试件的粗糙度和不同频率处的光谱间的相关系数，根据相关系数的大小确定进行金属粗糙度计算的太赫兹数据特征；

设粗糙度σ与频率f处太赫兹反射信号幅值间的相关系数用R_f来表示，其计算公式如下：

$R_f=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{\σ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}})(A_{if}-{\stackrel{\‾}{A}}_f)}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{({\mathrm{\σ}}_i-\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}})}^2}\sqrt{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(A_i-\stackrel{\‾}{A})}^2}}---\left(1\right)$

其中σ_i是第i个试件的粗糙度，是粗糙度的平均值，中A_if是第i个试件的平均太赫兹光谱在频率f处的幅值，一系列不同粗糙度的试件在频率f处的幅值的平均值；

获取每个f处的相关系数值，选择相关系数最大的频率f处的幅值作为数据特征，此处的频率记为f_m，即为最优频率；计算每个位置处的太赫兹信号在最优频率处的太赫兹信号幅值的平均值记为A_f；

太赫兹波入射到光滑的平面会产生镜面反射，而入射到粗糙的反射面时，则会产生漫反射，此时在镜面反射位置检测到的反射信号幅值将变小，粗糙面反射的信号与镜面反射信号之间的关系可以由Kirchhoff近似关系描述：

$R_{rough}=R_{smooth}{e}^{-{(4\mathrm{\π}\mathrm{\σ}/\mathrm{\λ})}^2}---\left(2\right)$

其中R_smooth是光滑平面的镜面反射信号，R_rough是粗糙平面的在镜面反射方向的反射信号，σ是粗糙面的粗糙度值，λ是用于检测粗糙度的电磁波的波长；从公式(2)可以看出，R_rough和R_smooth具有确定的函数关系式：

然而，实验获取的数据将受到各种各样的影响，如系统本身噪声、操作人员的操作等引起一定的误差，因此，本发明中采用数据拟合的方法对实验测得的数据进行处理，以减少这些影响因素的影响，建立试件的粗糙度检测模型，拟合的方法可以采用多项式拟合算法或者高斯拟合算法，拟合后可以得到如下关系式

σ＝F(A_f)(3)

式中F是拟合后获得的函数表达式；

2)计算待测试件的粗糙度值

采用上述的检测装置测量待测试件多个点处的太赫兹时域光谱反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；

然后选择最优频率处的太赫兹数据特征，并调用步骤1)建立的标准试件的粗糙度检测模型计算待测试件的粗糙度值。

上述的测量方法是无镀层金属表面粗糙度检测，同样在测量带镀层的金属表面粗糙度，需要制作带有镀层的标准试件并建立对应的粗糙度检测模型，其方法原理均与上述的测量方法相同，样品只需用带有镀层的金属替换无镀层金属即可，镀层具有透射率高的特点可以为陶瓷、油漆、塑料、木材、介电材料等。

由于金属材料在太赫兹波段具有较高的介电常数，因此太赫兹波在金属表面几乎全部反射；当金属表面光滑时，太赫兹波将完全反射与镜面反射方向，此时太赫兹探测器可以获得最大的反射太赫兹波信号；而当金属表面粗糙不平时，太赫兹波将向各个方向反射，此时如果位于镜面反射的方向的太赫兹探测器检测到的反射太赫兹波则会变小，从而对金属表面粗糙度进行准确检测。

当金属表面有油漆等镀层材料时，太赫兹波对此类材料的透射率相对较高，仍可以进行镀层底下的金属粗糙度的检测和评估，同时太赫兹波用于金属表面或者带有镀层的金属表面粗糙度的检测具有无损、非接触、快速等优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，其特征在于，它包括：

飞秒激光器（1）、分束器（2）、光学延迟线（3）、反射镜（4）、第一光纤耦合器（5）、第一光纤（6-1）、第二光纤（6-2）、太赫兹发射器（7）、样品台（8）、太赫兹探测器（9）、第二光纤耦合器（10）和计算机（11）；

飞秒激光器（1）发出的激光照射到分束器（2）上，被分成两束：

其中一束经光学延迟线（3）和反射镜（4）后经第一光纤耦合器（5）和第一光纤（6-1）照射到太赫兹发射器（7）上产生太赫兹波，产生的太赫兹波按照设定的入射角照射到样品台（8）上的样品上，太赫兹波经样品反射后照射到太赫兹探测器（9）上；

另一束激光经第二光纤耦合器（10）和第二光纤（6-2）后照射到太赫兹探测器（9）上，使太赫兹探测器（9）上产生探测信号，并且信号传输到计算机（11）中做进一步信号处理；

其中，计算机（11）为太赫兹发射器（7）提供直流偏置电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述的太赫兹发射器（7）和太赫兹探测器（9）均带尾纤，以方便地调整太赫兹波照射到样品台（8）上的入射角，从而提高金属表面粗糙度检测的灵敏度。

3.根据权利要求2所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，其特征在于，所述的太赫兹发射器（7）产生的太赫兹波频率范围为0.1-3THz。

4.一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）建立标准试件的粗糙度检测模型

首先制作一系列不同粗糙度的标准试件，然后采用如权利要求1的检测装置测量每个标准试件特定区域中多个点处的太赫兹时域反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；

然后采用相关分析确定用于粗糙度检测的最优频率点，并将最优频率点处的太赫兹光谱幅度作为太赫兹数据特征，并求出多个点处的太赫兹数据特征的平均值，然后采用数据拟合的方法建立标准试件的粗糙度检测模型；

2）计算待测试件的粗糙度值

采用如权利要求1所述的检测装置测量待测试件多个点处的太赫兹时域光谱反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；

然后选择最优频率处的太赫兹数据特征，并调用步骤1）建立的标准试件的粗糙度检测模型计算待测试件的粗糙度值。

5.根据权利要求4所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测方法，其特征在于，步骤1）中的数据拟合方法选择多项式拟合算法或者高斯拟合算法。

6.根据权利要求4所述的一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测方法，其特征在于，在测量带镀层的金属表面粗糙度，需要制作带有镀层的标准试件并建立对应的粗糙度检测模型。