CN105588516B - 一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法，包括：建立漆膜厚度测量模型；利用太赫兹时域光谱装置测量表面覆盖有油漆的待测样品的太赫兹脉冲光谱；根据太赫兹脉冲光谱，获得获得反射峰的延迟时间差；根据所建立漆膜厚度测量模型，计算待测样品的漆膜厚度。本发明公开的基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法，为漆膜厚度测量提供了一种新的手段；在对不同的测量点进行非接触检测之后，可以检测出单层及多层漆膜厚度和分布的均匀性。

Description

一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法

技术领域

本发明涉及漆膜厚度测量领域，尤其涉及一种基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量 方法。

背景技术

在汽车、船舶等的涂装生产过程中，油漆系统一般是包括底漆、中涂、色漆、清漆的多 层结构，喷涂过程较为繁琐，其中各层的漆膜厚度是涂装质量最重要的控制因素，会直接影 响到产品的防腐蚀、防锈蚀、美观等性能。膜厚不当会导致涂层产生流挂、漆花、打磨痕等 缺陷；漆膜的外观质量指标(如光泽、色差、长波、短波和DOI等)都明显受到膜厚的影响； 涂料是涂装主要成本，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。因此，对涂装生产而言，漆膜厚度管理是一项十分重要的工作。

目前的涂层测厚方法主要有：涡流法、磁性法、超声法、X射线法等。涡流、磁性、超声测厚仪都是接触式的，不易于在线检测。涡流测厚仪是根据电磁感应原理，利用涂层与基底材料之间的导电性差异来实现金属基材上的涂层厚度测量。磁性测厚包括磁吸力和磁感应 两种方法，磁吸力测厚仪是基于永久磁铁与导磁钢材之间的吸力大小和距离的比例关系的原 理制成的；磁感应测厚仪是利用基底上非铁磁性的涂层的厚度与线圈的磁感应强度之间的关 系实现测量的。因为涡流测厚与磁性测厚都有各自的缺点，现在很多产品是两种测量技术的 综合，进一步扩大测厚仪的适用范围，适用于多种底材，但是也只能测量涂层的总厚度，而 不能直接测量各层厚度。超声测厚仪具有多层涂层单层厚度检测的能力，但是只有国外极少 数的厂家才有这种仪器，如美国DeFelsko公司和德国EPK公司。X射线测厚虽然是一种非接 触型无损测厚技术，但是装置昂贵，操作复杂，测量范围小，而且使用人员需要采取射线防 护措施。现在已经进入工业4.0时代，实现漆膜厚度的在线检测是未来的发展趋势，传统的涂 层测厚仪大多数是接触式的，无法进行在线测量，而且不能检测多层结构中的各层漆膜厚度， 因此需要一种非接触、可直接检测各层漆膜厚度的检测技术。

发明内容

本发明所要解决的问题是如何实现单层漆膜厚度以及多层漆膜的各层厚度的非接触检测， 以利于实现在线管理油漆的喷涂质量。为实现此目的，本发明的技术方案如下：

一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法，包括以下步骤：

1)建立漆膜厚度测量模型，当太赫兹波垂直入射至表面覆盖有油漆的样品时，几何厚 度d与反射峰的延迟时间差Δt之间的关系符合下述方程：

n是油漆的折射率，c是真空中的光速；

2)利用太赫兹时域光谱装置测量表面覆盖有油漆的待测样品的太赫兹脉冲光谱；

3)根据太赫兹脉冲光谱，获得获得反射峰的延迟时间差；

4)根据所建立漆膜厚度测量模型，计算待测样品的漆膜厚度。

作为优选实施方式，所述的太赫兹光谱测量装置是反射型的太赫兹时域光谱装置。

当油漆折射率未知时，采用下列的方法获得折射率：油漆样品折射率未知的情况下，在 基材上喷涂不同几何厚度的待测油漆漆膜的几何厚度d，利用涂层测厚仪测量各个几何厚度 d，根据光学厚度nd与反射峰的延迟时间差的线性关系，利用太赫兹时域光谱装置测量各个 几何厚度d待测油漆漆膜的反射峰的延迟时间差，获得样品的光学厚度，利用最小二乘法拟 合光学厚度与几何厚度之间的线性关系，计算出样品的折射率。

本发明公开的基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法，为漆膜厚度测量提供了一 种新的手段；在对不同的测量点进行非接触检测之后，可以检测出单层及多层漆膜厚度和分 布的均匀性，为实现漆膜质量的在线监控及管理提供了技术支持，更好的服务涂装工业。

附图说明

通过参考附图会更清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本 发明的任何限制，在附图中

图1为反射型太赫兹时域光谱装置的光路示意图；

图2为油漆样品的太赫兹脉冲光谱图；

图3为三种油漆样品的拟合直线结果图；

图4为双层漆膜样品厚度分布的测量结果图。

具体实施方式

为了对本发明的技术方案、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案 进行详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

首先，太赫兹波(Terahertz Wave，1THz＝10¹²Hz)通常是指频率在0.1～10THz(波长在 0.03～3mm)波段的电磁波。因为太赫兹波的频率非常高，脉冲非常短(皮秒量级)，所以它 的空间分辨率和时间分辨率都很高；与X射线相比，太赫兹波的光子能量只有4毫电子伏特， 安全性高，可以实现无损、非接触检测。太赫兹波的一个重要特性就是具有透过非极性物质 的能力，而遇到金属会发生反射。因此喷涂在金属基材的非金属漆油漆样品与含有少量金属 成分(银粉、铝粉等)的金属油漆样品的太赫兹脉冲光谱将会存在较大的差异，由于太赫兹 波对含有金属颜料的油漆的穿透能力较差，对细小的金属颗粒会发生散射，使传播光路变长， 所以金属漆的太赫兹时域波形中的反射峰之间的延迟时间会变更大。油漆的成分大部分是非 极性的，因此利用该性质可以用于金属基底上的漆膜厚度检测。因为不同的油漆存在折射率 差异，太赫兹波的会在油漆的分界面处发生发射和透射，而反射回波之间的飞行时间差跟漆 膜的厚度线性相关，因此通过太赫兹光谱系统可以得到特定厚度漆膜对应的太赫兹脉冲光谱， 建立相关的漆膜厚度测量模型，从而计算出漆膜的厚度；通过二维平移装置可移动样品，进 而对样品的不同位置的漆膜厚度进行检测，可以实现厚度分布的均匀性分析。

在详细说明本发明的漆膜厚度测量方法之前，首先说明一下本发明采用的太赫兹时域光谱装置。如图1所示，本发明利用太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法所采用的太赫兹时域光谱装置，包括飞秒激光器1(中心波长为1560nm(纳米)，重复频率为 100MHz(兆赫兹)，脉冲宽度<90fs(飞秒)，功率>60mW(毫瓦)。飞秒激光器输出的1560nm的 飞秒脉冲经光纤到达分束器2后分为泵浦光和探测光，通过直流偏置装置13对光电导发射 天线3施加偏置电压，当泵浦光入射到发射天线上时，就会产生太赫兹脉冲，再经过太赫兹 透镜4和分束器5垂直入射到放置在二维平移装置7上的喷涂油漆的金属基材样品6，反射 的太赫兹波再次经过分束器5和另一个太赫兹透镜8后，与经过延迟线10的探测光同时达 到光电导探测天线9，最后经过锁相放大器11放大后传输到计算机12，锁相放大器的用于 实现锁相功能以及对信号的稳定的采集。各个装置置于稳定的环境中，以确保整个系统的性 能不受外界的影响，提高测量精度。

本发明的漆膜厚度测量方法，其包括以下步骤：

(1)样品准备：所用的油漆样品为广州保赐利化工有限公司提供的丙烯酸白色自喷漆， 将待油漆均匀的喷涂在尺寸为7×10mm²的铝板上。

(2)样品测试：开启飞秒激发器、锁相控制器和计算机，设置系统软件程序面板上的测 量参数，激光预热1小时后进行测量；将喷涂油漆的金属基材样品放置于可实现二维平移装 置上，采集样品的太赫兹时域光谱数据；为了提高准确度与精确度，每种样品重复测量至少 三次，取平均值作为最终的样品信号。

(3)谱图分析：从油漆样品的太赫兹脉冲光谱图(图2)可以看到，漆膜的上、下表面反射峰之间存在明显的时间差。

(4)数据处理：从获得的样品的太赫兹脉冲光谱数据中提取反射峰之间的时间差Δt， 根据预先建立的样品的折射率数据库中样品的折射率n信息，利用漆膜厚度测量模型中几何 厚度d与反射峰之间的时间差Δt之间的关系计算出样品的漆膜厚度：

其中，c是真空中的光速。

将实验获得的漆膜厚度测量结果与商用涂层测厚仪得到的数据进行对比，发现两者具有 良好的一致性，证实此方法合理可靠。

进一步地，为了在油漆样品折射率未知的情况下也能利用本发明提出的基于太赫兹脉冲 光谱技术的漆膜厚度测量方法，本发明抽象出漆膜的折射率测量方法。

折射率是油漆的固有特性，即使是同一几何厚度(d)的不同油漆，折射率差异会使涂 层的光学厚度(nd)发生相应的变化，进而导致反射峰的时间差(Δt)也不同。因为每种油漆样品的光学厚度和几何厚度之间的线性关系是确定的，先用SIN-EC770接触式涂层测厚 仪(精度±1um)测量待测漆膜的几何厚度，然后用最小二乘法进行对数据拟合，得到如下的 拟合直线的表达式：

y＝αx

其中y是光学厚度，x是几何厚度，α是斜率常数。

如图3所示，根据上述方法，制备厚度逐渐增加的三种油漆样品，从获得的太赫兹脉冲 光谱数据中提取出光学厚度，利用数据处理软件得到不同样品的拟合直线。从图中可以明显 地看出不同油漆样品的折射率存在差异，主要是因为油漆中添加的特殊成分对太赫兹波在样 品中的传播有一定的影响。

更进一步地，利用本发明提出的基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法，通过二 维平移装置移动样品，测量不同点的太赫兹脉冲光谱数据，可以获得漆膜厚度的分布均匀性。 实验制备了双层漆膜样品，各层厚度不宜过厚，也不宜过薄，过厚会使太赫兹波的损耗增大， 影响测量精度，过薄会因为反射的太赫兹脉冲重叠或者设备的分辨力不足而无法实现厚度检 测。

如图4所示，底层为底漆，顶层为白色色漆，对获得的太赫兹脉冲光谱数据中进行处理， 可以得到双层漆膜厚度的分布均匀性。

本发明依据太赫兹光在不同介质的分界面处会产生反射回波，并且基于其可以透过非极 性物质，而不能透过金属的性质，提出了基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法，建 立了漆膜厚度测量模型，与现有的技术相比，突出的优点在于：本发明为漆膜厚度测量提供 了一种新的手段；能够非接触检测出单层及多层漆膜厚度和分布的均匀性，为实现漆膜质量 的在线监控及管理提供了技术支持，更好的服务涂装工业。

Claims (2)

1.一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法，包括以下步骤：

1)建立漆膜厚度测量模型，当太赫兹波垂直入射至表面覆盖有油漆的样品时，几何厚度d与反射峰的延迟时间差Δt之间的关系符合下述方程：

<mrow> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>c</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>n</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

n是油漆的折射率，c是真空中的光速；

2)利用太赫兹时域光谱装置测量表面覆盖有油漆的待测样品的太赫兹脉冲光谱，所述的太赫兹时域光谱装置是反射型太赫兹时域光谱装置，其包括飞秒激光器(1)、第一分束器(2)、光电导发射天线(3)、第一太赫兹透镜(4)、第二分束器(5)、第二太赫兹透镜(8)、光电导探测天线(9)、延迟线(10)、锁相放大器(11)和计算机(12)，飞秒激光器输出的1560nm的飞秒脉冲经光纤到达第一分束器(2)后分为泵浦光和探测光，通过直流偏置装置(13)对光电导发射天线(3)施加偏置电压，当泵浦光入射到发射天线上时，就会产生太赫兹脉冲，再经过第一太赫兹透镜(4)和第二分束器(5)垂直入射到放置在二维平移装置(7)上的喷涂油漆的金属基材样品(6)，反射的太赫兹波再次经过第二分束器(5)和第二太赫兹透镜(8)后，与经过延迟线(10)的探测光同时达到光电导探测天线(9)，最后经过锁相放大器(11)放大后传输到计算机(12)，锁相放大器的用于实现锁相功能以及对信号的稳定的采集；

3)根据太赫兹脉冲光谱，获得反射峰的延迟时间差；

4)根据所建立漆膜厚度测量模型，计算待测样品的漆膜厚度。

2.根据权利要求1所述的漆膜厚度测量方法，其特征在于，当油漆折射率未知时，采用下列的方法获得折射率：油漆样品折射率未知的情况下，在基材上喷涂不同几何厚度的待测油漆漆膜的几何厚度d，利用涂层测厚仪测量各个几何厚度d，根据光学厚度nd与反射峰的延迟时间差的线性关系，利用太赫兹时域光谱装置测量各个几何厚度d待测油漆漆膜的反射峰的延迟时间差，获得样品的光学厚度，利用最小二乘法拟合光学厚度与几何厚度之间的线性关系，计算出样品的折射率。