CN108398096A - 钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法，先对钢丝帘布的样品进行静态离线测量以标定帘布胶层的折射率，以建立后续在线测量帘布厚度、以及钢丝两侧敷胶厚度的计算对标。在测量过程中，同一组太赫兹波的发射装置与接收装置位于被测量对象的同一侧，即太赫兹波发射后，经钢丝帘布的胶层上、下表面反射，或是经钢丝上、下表面反射后，由接收装置接收；利用太赫兹波反射特性，计算出不同层面反射波到达的时间差与强度变化，从而得出钢丝帘布厚度δ。

Description

钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法

技术领域

本发明是基于太赫兹波反射式检测技术，针对应用于轮胎的钢丝帘布厚度在生产现场的在线动态测量方法，属于光谱分析与数据处理技术领域。

背景技术

目前在航空、道路交通等多种运载装置所使用的轮胎中，均会使用到钢丝帘布这种基础材料部件，其是用钢丝帘线和复层胶层压合为一体的帘布，在轮胎结构中充当重要的骨架材料。钢丝帘布的主要作用是保护橡胶、抵抗张力，要求具有强度高、耐疲劳、耐冲击等稳定性能。

在实际生产中，钢丝帘布会出现不同程度的厚度不均匀、钢丝两侧敷胶厚度不均匀等质量问题，从而影响轮胎的性能及寿命，因此对钢丝帘布的厚度均匀性进行质量检测是十分必要的。

太赫兹波检测技术作为一项新兴技术，在近几年得到了广泛关注与应用，凭借其能级低、不会产生电离辐射、能够穿透大多数非金属材料、对水分子等大多数的极性分子吸收强烈等独特的性质，在安检与材料性能检测方面体现出巨大优势。但在物理特性上，太赫兹波并不能穿透金属材料如钢丝帘线。

如以下中国在先申请专利，申请号为CN201410454944.6，名称为基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，其基本方案是基于太赫兹时域光谱技术的厚度检测方法，包括初步检测步骤，利用太赫兹时域光谱技术检测待测物体，依检测原理计算获得待测物体的估算厚度值L；折射率提取步骤，记探测信号第一次透过待测物体的脉冲信号为主回波，记探测信号经待测物体内部反射两次后的第二个透射信号为一级回波，利用待测物体的估算厚度值L计算提取主回波的折射率n0和一级回波的折射率n1；误差补偿步骤：根据主回波的折射率n0和一级回波的折射率n1的差值来计算待测物体的实际厚度值L0与估算厚度值L之差值，即厚度修正值；利用厚度修正值补偿修正估算厚度值L仪获得实际厚度值L0。

上述专利申请所公开的太赫兹厚度检测方法，是一种理论化的检测手段，即采取太赫兹波的透射式发射与接收，对于钢丝帘布的工业化生产存在较大的局限性与使用缺陷。具体地，首先，钢丝帘线为金属材质，太赫兹波无法穿透而仅能被反射，所以采用透射式发射与接收会导致透射波明显地衰减，反映到波形图上难以形成较为突出或振幅差别不明确的波峰与波谷，因此导致透射波强度测量变化不明显，时间差测算误差较大，厚度测量不准确；其次，透射式太赫兹波的发射与接收装置需分置于被测量对象的两侧，钢丝帘布现场检测过程中通常需要测量多个部位而提高测量精度，因此帘布与测量装置之间是相对运动的，透射式发射与接收装置的初始校准与同步性难以精确，厚度测量精度也就难以保证。再次，透射式测量装置整体体积较大，对于现场安装与调试的要求较高。

针对钢丝帘布厚度的太赫兹波在线测量，现有技术显然难以满足生产技术要求，有鉴于此特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法，基于太赫兹技术而实现一种全新的反射式钢丝帘布厚度的在线测量方法，即先对钢丝帘布的样品进行静态离线测量以标定帘布胶层的折射率，以建立后续在线测量帘布厚度、以及钢丝两侧敷胶厚度的计算对标。

本发明的目的在于，依据轮胎用钢丝帘布的质量指标及精度要求，建立基于太赫兹技术时域的在线测量手段，以期实现针对钢丝帘布的厚度检测的准确度、稳定性达到相关标准要求，进而为钢丝帘布厚度均匀性检测提供了一种有效的新方法。

为实现上述发明目的，所述钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法，是在测量过程中，同一组太赫兹波的发射装置与接收装置位于被测量对象的同一侧，即太赫兹波发射后，经钢丝帘布的胶层上、下表面反射，或是经钢丝上、下表面反射后，由接收装置接收；

利用太赫兹波反射特性，计算出不同层面反射波到达的时间差与强度变化，得出符合以下公式的钢丝帘布厚度δ，

其中，ΔT—不同层面接收反射波的时间差值，单位为ps；

0.29979—太赫兹波在空气中的传输速度，单位为mm/ps；

RI—被测物品的折射率。

所述测量过程包括下述实施步骤：

标定胶层折射率RI步骤，选取钢丝帘布测试样品，选取无钢丝的部位进行太赫兹波测量以得到时间差值ΔT，在波形图中第一个波峰(也是振幅最大的波峰)是太赫兹波由胶层上表面反射到接收装置的时间，振幅的波谷是太赫兹波由胶层下表面反射到接收装置的时间，两者之间的差值即是上述ΔT；再使用标准量具测量该部位的胶层实际厚度δ，带入式(1)中得到胶层折射率RI，以做为生产现场的在线测量依据；为提高胶层折射率RI的标定精度，可在多个无钢丝部位重复上述操作，取多个测量值的平均值。

在线测量步骤，钢丝帘布厚度δ与钢丝帘线直径d和上、下层敷胶厚度δ1、δ2的关系为下述表达式，

δ＝δ1+d+δ2 (2)

在帘布与测量装置之间相对运动的前提下，在钢丝帘布的多个部位进行测量，取多个测量值的平均值。具体地，

由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由胶层上表面反射波和下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT，由公式(1)可计算出厚度δ；

太赫兹波由胶层上表面反射波和钢丝上表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT1，由式(1)可计算出上敷胶厚度δ1；

太赫兹波由钢丝下表面反射波和胶层下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT2，由式(1)可计算出下敷胶厚度δ2；或是，在已明确钢丝帘线直径d的前提下，敷胶厚度δ2由以下公式得出：

δ2＝δ-δ1-d (3)

依据上述测量结果，以检验钢丝帘布生产质量的各厚度参数。

以上即是所述钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法基本方案，其中重要的是采取太赫兹波反射式接收，此类方法能够应用于现实工业化生产中的在线测量，经反射后的太赫兹波衰减率较小，在波形图中对应反射部位的波峰与波谷区别明显、易于界定，测量与计算精度较高。

进一步地，在钢丝帘线直径d不确定的前提下，通过以下公式可知，

d＝δ-δ1-δ2 (4)；

由公式(1)，从胶层上、下表面分别发射太赫兹波，由胶层上表面反射波和钢丝上表面反射波到接收装置的时间差ΔT1，计算出上敷胶厚度δ1；

采取另一组太赫兹波发射与接收装置，在测量并计算出上敷胶厚度δ1的同时，由钢丝下表面反射波和胶层下表面反射波到接收装置的时间差ΔT2，计算出下敷胶厚度δ2；或是，一组太赫兹波发射与接收装置，在测量并计算出上敷胶厚度δ1之后，将钢丝帘布翻转，再由钢丝下表面反射波和胶层下表面反射波到接收装置的时间差ΔT2，计算出下敷胶厚度δ2；

依据上述测量结果，由公式(4)检验得出钢丝帘线直径d的实际值。

综上内容，所述钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法具有以下优点：

1、不同于现有技术，本发明申请适用于在线测量方法，针对钢丝帘线采取太赫兹波反射式接收，折射波衰减率较小、波强度测量变化明显，能够满足相关国家与行业标准要求，促进钢丝帘布的生产质量、保证轮胎使用性能要求。

2、生产现场的钢丝帘布厚度测量，帘布与测量装置之间是相对运动的，采取反射式太赫兹波测量，其发射与接收装置的初始校准与同步性较易于精确，进而厚度测量精度更加准确。

3、通过一组太赫兹波发射与接收装置，可完成帘布厚度多个相关参数的测量，反射式测量装置整体体积较小，易于实现现场安装与调试。

附图说明

图1是太赫兹波测量钢丝帘布厚度的原理图；

图2是标定胶层折射率RI的示意图；

图3是反射式测量示意图；

图4是在线测量钢丝帘布厚度时的多部位多点测量取值示意图；

图5是反射式在线测量波形图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1，采用太赫兹测量系统对钢丝帘布的厚度进行检测试验，该系统主要包括太赫兹波发射与接收装置、太赫兹智能控制单元(TCU)和连接线。

智能控制单元(TCU)其主要功能包括以下几方面：1)提供激光驱动器和电气连接到光纤耦合的太赫兹模块；2)提供快速的光学延迟扫描器来采集太赫兹波波形；3)对配件提供可选的数字和编码器输入/输出(I/O)；4)数字化太赫兹波形；5)执行数值分析，并通过以太网向用户报告检测结果。

轮胎用钢丝帘布，长*宽为330*75mm，帘布为钢丝两面敷胶、中间包裹0.5mm钢丝的结构。所述太赫兹波反射式在线测量方法针对帘布的厚度、钢丝距胶层上、下表面厚度分别进行测量。钢丝帘布的相关生产质量检测精度要求如下表1所示：

太赫兹波是指频率介于0.1THz到10THz范围的电磁波，其传播速度与可见光相同，对于大多数非金属、非极性材料如塑料、树脂、纸张等具有良好的反射、折射的特性，利用太赫兹波测量钢丝帘布各层面厚度的原理如图1所示。

在线测量过程中，同一组太赫兹波的发射装置与接收装置位于被测量对象的同一侧；利用太赫兹波反射特性，计算出不同层面反射波到达的时间差与强度变化，可以利用公式(1)计算得到样品的厚度。从而得出符合以下公式的钢丝帘布厚度δ，

其中，ΔT—不同层面接收反射波的时间差值，单位为ps；

0.29979—太赫兹波在空气中的传输速度，单位为mm/ps；

RI—被测物品的折射率，对于钢丝帘布的胶层折射率介于2～3.5之间。

所述测量过程包括下述实施步骤：

第一步，标定胶层折射率RI，如图2所示。

选取钢丝帘布测试样品，选取无钢丝的部位进行太赫兹波测量以得到时间差值ΔT；再使用标准量具测量该部位的胶层实际厚度δ，带入以下公式(5)中得到胶层折射率RI，以做为生产现场的在线测量依据；

为提高测量精度，可在图2中4个测量点分别进行计量取平均值。使用游标卡尺测得胶片的厚度δ，发射装置发射太赫兹波，接收装置接收太赫兹波，可计算出不同反射波到达的时间，通过分析太赫兹波在不同层面反射波强度的变化得到时间差ΔT，带入式(5)橡胶材料的折射率RI，折射率是太赫兹波在真空或空气中的传播速度与在介质中的传播速度的比值。

第二步，在线测量步骤，如图3所示。

钢丝帘布厚度δ与钢丝帘线直径d和上、下层敷胶厚度δ1、δ2的关系为，

δ＝δ1+d+δ2 (2)

由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由胶层上表面反射波和下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT，由公式(1)可计算出厚度δ；

太赫兹波由胶层上表面反射波和钢丝上表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT1，由式(1)可计算出上敷胶厚度δ1；

太赫兹波由钢丝下表面反射波和胶层下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT2，由式(1)可计算出下敷胶厚度δ2；

依据上述测量结果，以检验钢丝帘布生产质量的各厚度参数。

轮胎企业在生产钢丝帘布时，其钢丝帘线的钢丝直径d技术参数是确定的，如在此情况下，只要测出帘布厚度δ和上敷胶厚度δ1，下敷胶厚度δ2由式(3)得：

δ2＝δ-δ1-d (3)

检测钢丝帘布厚度δ和敷胶厚度δ1，由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由胶片上表面反射波和下表面反射波到接收装置时间，可测得ΔT，由式(1)可计算出厚度δ。由发射装置发射太赫兹波，太赫兹波由胶片上表面反射波和钢丝上表面反射波到接收装置时间，可测得ΔT1，由式(1)可计算出敷胶厚度δ1。敷胶厚度δ2由式(3)可以得出。

轮胎企业在生产钢丝帘布时，其钢丝帘线的直径d不确定的情况下，要测出帘布厚度δ和上敷胶厚度δ1、下敷胶厚度δ2，钢丝帘线直径d由式(2)得：

d＝δ-δ1-δ2 (4)

检测钢丝帘布厚度δ和钢丝距上敷胶厚度δ1、钢丝距下敷胶厚度δ2，钢丝帘布厚度δ和钢丝距上敷胶厚度δ1的测量方法同上；在钢丝帘布下方增加一组太赫兹波发射和接收装置，由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由胶片下表面反射波和钢丝下表面反射波到接收装置时间，可测得ΔT2，由式(1)可计算出敷胶厚度δ2。钢丝帘线的直径d由式(4)可以得出。

如图3和图4所示，采用太赫兹测量系统对钢丝帘布厚度进行测量。

钢丝帘布平放时，定义上面为A面，下面为B面，取两条测试线，分别为部位Ⅰ和部位Ⅱ并进行标识。

选定样品的钢丝直径d为0.5mm，厚度δ由图2所示的4个测量点用游标卡尺测量。为验证本申请所述测量方法的准确性，按照钢丝直径d为已知和未知的两种方法进行对比，以验证测量数据的一致性和准确性。

第一种，钢丝直径d为已知。

如图4所示，在钢丝帘布上选取测试部位Ⅰ和测试部位Ⅱ的测试位置，选取的数据采集点，两处分别有12个数据采集点，每两个数据采集点相隔6mm，依次地在钢丝帘布表面A沿直线进行扫描和数据采集，得到钢丝帘布表面A在测试部位Ⅰ、Ⅱ处的太赫兹反射波强度信息。

图5为钢丝帘布测试验中第一点处的太赫兹反射波强度，横坐标表示时间，纵坐标表示太赫兹反射波的振幅，图中出现的三个峰值分别为钢丝帘布上表面、钢丝顶部和钢丝帘布下表面太赫兹波的反射峰值信号，太赫兹反射波峰值的出现时间可以精确测得。

折射率的计算方法，是通过反射波波峰波谷之间的时间差和测量得到钢丝帘布的厚度信息可以求得折射率RI。依据图5所示，ΔT取钢丝帘布上下表面反射峰值的时间为25ps，同时，用卡尺测量如图2所示四个测量点的厚度值，点1测得的厚度值δ为1.30mm，将ΔT和δ代入折射率计算公式(5)，得到折射率RI值为2.882。

依据图5，钢丝帘布A面的反射波峰值出现时间为66ps，钢丝帘布底面的反射波峰值时间分别为91ps，计算得到太赫兹透过钢丝帘布上下表面反射回太赫兹波的时间差ΔT为25ps，将ΔT和RI代入式(1)得钢丝帘布厚度δ＝1.304mm。采用同样的方法，按图4规定的点进行测试，将得到太赫兹反射波强度如图5所示24个曲线，分别找出反射面的峰值的时间点，计算出ΔTi(i＝1，2，…，24)，由式(1)可得到部位Ⅰ和部位Ⅱ各测量点的厚度值，如以下表2所示。

表2钢丝帘布由A面测得的厚度δ_Ai 单位：mm

依据图5，钢丝帘布A面的反射波峰值出现时间为66ps，钢丝的反射波峰值时间分别为74ps，计算得到太赫兹透过钢丝帘布上面到钢丝顶部反射回太赫兹波的时间差ΔT1为8ps，将ΔT1和RI代入式(1)得钢丝A面敷胶厚度δ1为0.403mm。采用同样的方法，按图4规定的点进行测试，将得到太赫兹反射波强度如图5所示共有24个曲线，分别找出反射面的峰值的时间点，计算出ΔT1i(i＝1，2，…，24)，由式(1)可得到部位Ⅰ和部位Ⅱ各测量点的钢丝A面敷胶厚度值，如以下表3所示。

表3钢丝帘布A面测得的上层敷胶厚度δ_1Ai 单位：mm

在钢丝直径d已知的前提下，根据计算公式(3)，以及表2由A面测量的钢丝帘布厚度值δAi(i＝1，2，…，24)和表3钢丝帘布A面测得的A面敷胶厚度δ1Ai(i＝1，2，…，24)，将δAi、δ1Ai、d(i＝1，2，…，24)代入公式(3)，可以得到由A面测量B面敷胶厚度δ2Ai(i＝1，2，…，24)，如以下表4所示。

表4钢丝帘布A面下层敷胶厚度计算值δ_2Ai 单位：mm

第二种，钢丝直径d为未知。

先对A面进行测量，得到表2所示的钢丝帘布厚度值δAi(i＝1，2，…，24)和表3所示的钢丝帘布A面测得的上层敷胶厚度δ1Ai(i＝1，2，…，24)，再对B面进行测量，得到以下表5所示的钢丝帘布厚度值δBi(i＝1，2，…，24)和以下表6所示的钢丝帘布B面测得的下敷胶厚度δ2Bi(i＝1，2，…，24)。

表5钢丝帘布由B面测得的厚度δ_Bi 单位：mm

表6钢丝帘布B面测得的下层敷胶厚度δ_2Bi 单位：mm

由A面测得的钢丝帘布厚度δAi(i＝1，2，…，24)，代入公式(4)得到每个数据采集点的钢丝直径d的计算值，如以下表8所示；由B面测得的钢丝帘布厚度δBi(i＝1，2，…，24)，代入公式(4)得到每个数据采集点的钢丝直径d的计算值，如以下表9所示。

表8钢丝直径计算值(依据δ_Ai) 单位：mm

表9钢丝直径计算值(依据δ_Bi) 单位：mm

综合上述对比分析结果，A面的平均厚度在1.302～1.320mm之间，B面的平均厚度在1.303～1.320mm之间。A面和B面的测试结果，都达到了分辨率0.01mm、厚度±0.1mm的精度要求，结果非常稳定。

同时，针对钢丝帘线的直径d、帘布上敷胶厚度δ1、下敷胶厚度δ2的多组数据来看，本申请所述的反射式在线测量方法所测得数据精确度相当地高，能够满足轮胎用钢丝帘布的生产质量要求。

如上所述，结合附图和描述给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明的结构的方案内容，依据本发明的技术实质对以上描述所作的任何部件形状、尺寸、连接方式和安装结构的修改、等同变化与修饰及各组成部件位置和结构的轻微调整，均仍属于本发明技术方案的权利范围。

Claims (2)

1.一种钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法，其特征在于：在线测量过程中，同一组太赫兹波的发射装置与接收装置位于被测量对象的同一侧；

利用太赫兹波反射特性，计算出不同层面反射波到达的时间差与强度变化，得出符合以下公式的钢丝帘布厚度δ，

其中，ΔT—不同层面接收反射波的时间差值，单位为ps；

0.29979—太赫兹波在空气中的传输速度，单位为mm/ps；

RI—被测物品的折射率；

所述测量过程包括下述实施步骤，

标定胶层折射率RI步骤，选取钢丝帘布测试样品，选取无钢丝的部位进行太赫兹波测量以得到时间差值ΔT；再使用标准量具测量该部位的胶层实际厚度δ，带入式(1)中得到胶层折射率RI，以做为生产现场的在线测量依据；

在线测量步骤，钢丝帘布厚度δ与钢丝帘线直径d和上、下层敷胶厚度δ1、δ2的关系为，

δ＝δ1+d+δ2 (2)，

由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由胶层上表面反射波和下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT，由公式(1)可计算出厚度δ；

太赫兹波由胶层上表面反射波和钢丝上表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT1，由式(1)可计算出上敷胶厚度δ1；

太赫兹波由钢丝下表面反射波和胶层下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔT2，由式(1)可计算出下敷胶厚度δ2；

依据上述测量结果，以检验钢丝帘布生产质量的各厚度参数。

2.根据权利要求1所述钢丝帘布厚度的太赫兹波反射式在线测量方法，其特征在于：在钢丝帘线直径d不确定的前提下，d＝δ-δ1-δ2 (4)；

由公式(1)，从胶层上、下表面分别发射太赫兹波，由胶层上表面反射波和钢丝上表面反射波到接收装置的时间差ΔT1，计算出上敷胶厚度δ1；

由钢丝下表面反射波和胶层下表面反射波到接收装置的时间差ΔT2，计算出下敷胶厚度δ2；

依据上述测量结果，由公式(4)检验得出钢丝帘线直径d的实际值。