CN108592805A - 多层胶片厚度的太赫兹波反射式在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述多层胶片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在线测量方法，即先对多层胶片的每个胶层样品进行静态离线测量以标定每个胶层固有材料所导致的实际折射率，以建立后续在线测量厚度的计算对标，利用太赫兹的非接触、高反射性、高精度、无损伤等特性，实现对多层胶片的现场动态测量，以期达到厚度检测的准确度、稳定性的相关标准，进而为多层胶片厚度均匀性检测提供了一种有效的新方法。所述反射式在线测量方法，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n层胶片总厚度δ。

Description

多层胶片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，针对应用于轮胎的多层胶片厚度在生产现场实现在线动态测量，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，均会使用到多层胶片这种基础材料部件。轮胎用多层胶片厚度的准确性和均匀性，对轮胎生产成本和轮胎使用性能存在重要影响。厚度不准确，增加原材料的消耗和成本；厚度不均匀，影响轮胎的寿命和高速行驶的动平衡性能。

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，在产品制造质量与材料性能检测方面体现出巨大优势。

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，对于多层胶片工业化生产的质量检测存在较大的局限性。具体地，首先，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，多层胶片现场检测过程中通常需要测量多个部位的厚度以提高测量精度，因此多层胶片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。

有鉴于此特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述多层胶片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在线测量方法，即先对多层胶片的每个胶层样品进行静态离线测量以标定每个胶层固有材料所导致的实际折射率，以建立后续在线测量厚度的计算对标，利用太赫兹的非接触、高反射性、高精度、无损伤等特性，实现对多层胶片的现场动态测量，以期达到厚度检测的准确度、稳定性的相关标准，进而为多层胶片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，所述多层胶片厚度的太赫兹波反射式在线测量方法，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n层胶片总厚度δ，

所述测量过程包括下述实施步骤：

标定每个胶层的折射率，选取每个胶层的测试样品进行太赫兹波测量以得到时间差值ΔTi；再使用标准量具测量出该胶层测试样品的实际厚度δi，带入下式(5)中得到该胶层测试样品的折射率RIi，测试样品折射率RIi作为后续生产现场在线测量此类胶层厚度的依据；

在线测量步骤，构成胶片总厚度与每个胶层厚度的关系为，δ＝δ1+δ2+…δn，

由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由每个胶层的上表面反射波和每个下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔTi，由公式(5)计算出的每个胶层样品的折射率RIi，代入公式(11)中，最终得到多层胶片的总厚度δ。

综上内容，所述多层胶片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，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，促进提高多层胶片的生产质量、保证轮胎使用性能要求。

2、生产现场的多层胶片厚度测量，胶片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，可完成胶片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。

4、将太赫兹技术用于轮胎用胶片检测设备的整体方案，有利于提高轮胎产品品质、降低生产成本、提高市场竞争能力提供技术支撑。

附图说明

图1是反射式测量单层胶片厚度的原理图；

图2是反射式测量双层胶片厚度的原理图；

图3是反射式测量三层胶片厚度的原理图；

图4是标定每个胶层折射率RIi的离线测量厚度的多点取值示意图；

图5是在线测量多层胶片的多部位多点测量取值示意图；

图6是双层胶片的测量波形图；

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。

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。

如图1所示，根据采用太赫兹波反射式测量单层胶片厚度的原理，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和时间差，获得胶片上层表面和下层表面反射波的强度，根据两个反射峰之间的时间差，得到样品的厚度。

对于单层样品，在技术理论上可以利用以下公式(1)计算得到样品的厚度。

其中，v₁的计算如下：

公式(1)、(2)中：

δ₁——厚度，mm；

v₁——太赫兹在单层胶片中的传播速度，mm/ps；

ΔT₁——飞行时间差值，相邻峰值信号之间的时间差，ps；

v_空气——太赫兹在空气中的速度，0.29979mm/ps；

RI——被测材料的折射率，对于橡胶材料，值为2.5左右，介于2～3.5之间。

基于上述技术理论分析，所述多层胶片厚度的太赫兹波反射式在线测量方法包括下述实施步骤：

第一步，标定每个胶层的折射率，选取每个胶层的测试样品进行太赫兹波测量以得到时间差值ΔTi；再使用标准量具测量出该胶层测试样品的实际厚度δi，带入下式(12)中得到该胶层测试样品的折射率RIi，测试样品折射率RIi作为后续生产现场在线测量此类胶层厚度的依据；

为提高测量精度，可在如图4所示的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δi，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ΔTi，带入式(12)橡胶材料的折射率RIi，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，构成胶片总厚度与每个胶层厚度的关系为，δ＝δ1+δ2+…δn，

由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由每个胶层的上表面反射波和每个下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔTi，由公式(5)计算出的每个胶层样品的折射率RIi，代入公式(11)中，最终得到多层胶片的总厚度δ。

如图2所示，对于双层胶片，第一层胶层的太赫兹反射波时间差ΔT₁，折射率RI₁，传播速度V₁，厚度δ₁；第二层胶层的太赫兹反射波时间差ΔT₂，折射率RI₂，传播速度V₂，厚度δ₂。总厚度δ＝δ1+δ₂。

第一层胶层厚度的计算与单层样品一样。二层厚度的计算可根据公式(3)。

其中，v₂的计算根据如下公式：

因此，δ₂的计算公式可化为：

最终，双层胶片总厚度δ计算公式为公式(6)：

如图6所示的波形图中，第一个波峰(波幅明显为最大的)第一层胶层上表面的反射波形，第2点指向的是第一层下表面与第二层上表面贴合处的反射波形，第3点指向的是第二层胶层下表面的反射波形。

如图5所示，双层胶片平放时，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。

在双层胶片上选取测试部位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，依次地在双层胶片表面A沿直线进行扫描和数据采集，得到双层胶片表面A在测试部位Ⅰ、Ⅱ处的太赫兹反射波强度信息。

然后，在双层胶片表面B沿直线进行扫描和数据采集，得到双层胶片表面B在测试部位Ⅰ、Ⅱ处的太赫兹反射波强度信息。在双层胶片表面B上也是选取测试部位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。

在表面A和表面B对照选取共计24个数据采集点的数据均代入以上公式所测算的双层胶片总厚度如下表1所示。

表1双层胶片在线测量厚度数据对照

如图3所示，对于三层胶片来说，第一层胶层的太赫兹反射波时间差ΔT₁，折射率RI₁，传播速度V₁，厚度δ₁；第二层胶层的太赫兹反射波时间差ΔT₂，折射率RI₂，传播速度V₂，厚度δ₂；第三层胶层的太赫兹反射波时间差ΔT₃，折射率RI₃，传播速度V₃，厚度δ₃。总厚度δ＝δ₁+δ₂+δ₃。

第一、二层胶层合计厚度的计算与双层胶片一样。

第三层胶层厚度的计算可根据公式(7)。

其中，v₃的计算如下：

因此，δ₃的计算公式可化为：

最终，三层胶片总厚度δ计算公式为公式(10)：

对于n层胶片总厚度δ，推导出计算公式(11)：

如图5所示，将三层胶片平放时，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。

与双层胶片测量类似地，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，依次地在三层胶片表面A、表面B沿直线进行扫描和数据采集，得到三层胶片表面A、表面B在测试部位Ⅰ、Ⅱ处的太赫兹反射波强度信息，如下表2所示。

表2三层胶片在线测量厚度数据对照

综合上述对比分析结果，无论对于双层胶片还是对于三层胶片，每层胶层厚度与总厚度在A面、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。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，能够满足轮胎用多层胶片的生产质量要求。

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 (1)

1.一种多层胶片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n层胶片总厚度δ，

所述测量过程包括下述实施步骤，

标定每个胶层的折射率，选取每个胶层的测试样品进行太赫兹波测量以得到时间差值ΔTi；再使用标准量具测量出该胶层测试样品的实际厚度δi，带入下式(12)中得到该胶层测试样品的折射率RIi，测试样品折射率RIi作为后续生产现场在线测量此类胶层厚度的依据；

在线测量步骤，构成胶片总厚度与每个胶层厚度的关系为，δ＝δ1+δ2+…δn，

由发射装置发射太赫兹波，当太赫兹波由每个胶层的上表面反射波和每个下表面反射波到接收装置的时间，可测得ΔTi，由公式(5)计算出的每个胶层样品的折射率RIi，代入公式(11)中，最终得到多层胶片的总厚度δ。