CN108603750B - 一种确定测量对象层厚或者距离的太赫兹测量方法和太赫兹测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量层厚和/或者距离的方法和太赫兹测量设备，其中，从太赫兹收发装置4中沿着光轴C向待测量对象2,102发射至少一束太赫兹光束7a，并且检测经过所述待测量对象2,102的至少一层壁3并被反射回来的太赫兹反射光7，其中对所述检测到的反射的太赫兹反射光7b的测量信号A进行分析，并通过在壁3的边界层2a和2b处反射回来的反射光7的传播时间差来确定壁厚。本发明中，还规定了利用不同的光轴C进行多次测量，其中发射的所述太赫兹光束7a的所述光轴C在测量中或者两次测量中间会进行调整，并利用其中的一次测量结果确定所述壁厚d。优选地，所述光轴会连续并且/或者周期性地在调整角度范围α内进行调整，并且在上述过程中，记录多次测量结果，并使用其中振幅最大的测量结果作为确定所述壁厚的测量。

Description

一种确定测量对象层厚或者距离的太赫兹测量方法和太赫兹 测量设备

技术领域

本发明涉及测量待测量对象的层厚或者距离的一种方法和太赫兹测量设备。

背景技术

通过这种方法和设备，沿着光轴往由塑料等比空气或者真空的折射指数要高很多的太赫兹辐射可穿透材料制成的测量对象上发射太赫兹辐射。这种材料尤其可以是塑料材料，也可以是比如木材、陶瓷或者纤维增强材料比如炭纤维增强塑料或者玻璃纤维增强塑料。一部分的入射太赫兹辐射在进入所述材料层的时候就被反射出去了，穿透所述材料层的太赫兹辐射的一部分在随后的一个边界层处被反射回去了，比如在进入空气时在所述材料层的背风侧或者后侧被反射回去。由此可以检测到所述边界层处反射的辐射振幅的测量峰值并评估两次峰值之间的时间差作为所述材料层的两次变化之间的运行时间。由此可以计算出测量点处的材料层厚。此外，还可以确定测量对象和收发装置之间的距离，这样也可以确定所述待测量对象的外部尺寸比如外径。

这种类型的太赫兹厚度测量尤其可以在塑料物体生产后实施以检查其质量，比如通过在生产后立刻将生产线终端的所述测量对象经传输装置直接传输到或者传输经过所述测量装置中以检查产品质量。

然而由此很明显尤其是在对生产线终端的测量对象进行连续测量的时候，并不总能让所述太赫兹测量设备相对所述待测量对象严格调整呈直线。在所述测量对象没有严格对中的情况下，比如所述测量设备中的所述塑料管没有位于其中心，入射太赫兹光束及其光轴不再垂直射到所述待测量物体的表面上，那么边界层反射的光也不会沿着所述光轴反射回到所述收发装置上，而由于侧向反射的原因，所述信号强度或者振幅强度也会显著减少。

因此为了实现定位要做许多工作，比如通过机械引导所述待测量物体；此外，在塑料物品生产后立刻测量有时候由于塑料材料还很软也是不可能的。

发明内容

本发明是基于实现对待测量对象的稳定太赫兹测量以及精确确定层厚和/或者距离的目标的。

本发明所述的太赫兹测量设备是特别用于实现本发明中所述方法的，而本发明中的方法是特别使用或者利用本发明所述太赫兹测量设备实施的。

因此，一种测量设备，其中有至少一个太赫兹收发装置，其中收发装置的光轴是可调整的，并且在对测量对象的测量中是不断调整的。

由此，根据一种实施方式，通过额外的一个检测所述待测量对象的表面的传感器来感应测量对象-传感器可以是不须接触的也可以是接触型的-其中一个控制器设备会接受所述传感器的传感器信号，并将之用于调整所述收发装置中的光轴。

还可以选择的是，根据一种优选的实施方式，发射的太赫兹辐射的光轴可以不断地或者周期性地在一个调整范围内调整，并在所述调整范围中不同的调整位置实施测量。调整尤其可以通过旋转或者转动的方式进行，这样所述光轴就会按照一个调节角度调整，并在调节角度范围内的不同角度位置进行测量。此外，也可以进行平移调整。测量后，对比测量范围内实施的若干次测量的振幅，并将接收到的太赫兹辐射振幅最高的测量结果用作最佳测量结果或者入射角度最接近垂直入射的测量。该测量结果可以直接用作所述测量方法的测量结果或者用于调整所述光轴。

因此，使用这种连续在调整范围比如调整角度内调整光轴的方法，可以获得如下优点：

仅需很小的工作量就能实现太赫兹辐射严格垂直或者基本垂直入射、信号好且测量结果精确的测量。

按照这种方法，不需要对测量对象本身进行任何调整或者跟踪，调整或跟踪一些塑料产品，尤其是涉及到生产刚结束材料还处于柔软状态时本身需要很多技术工作。因此，根据本发明，尤其是连续的塑料产品或者不断生产的塑料产品，比如塑料管或者塑料板可以直接通过所述测量设备在连续生产结束后测量。

此外，利用光轴在调整范围内的周期性调整不需要比如每次将测头调整到预定的难以适应的具体位置就能实现连续调整；后续确定了哪次测量结果振幅最高足以确定该次测量结果可以直接使用。另外，通过这种方法，在不同的调整位置或者测量位置进行测量后不需要立即停止所述调整电机；相反，调整电机无须停止即可在周期性的调整中实施测量，因为太赫兹辐射的传播时间特别短，并且在一次测量中光轴是不需要机械转变的。

光轴的调整可以通过不同的实施方式实现：

因此，一来，测量机器头部及其光轴可以整体比如通过角度调整电机或者比如平移调整电机调整。还可以选择的是，所述太赫兹光线的收发器保持固定，所述太赫兹光线可以通过比如包括至少一个可调整镜子如金属镜、棱镜或者其他反射表面镜子阵列的光学装置调整，这样要调整对象的体积不会太大。因此，举个例子，光束通道中的可调整镜子可以按照调整角度的一半连续调整。通过这种方法，为了显示出所述太赫兹光束的光轴，还可以额外将可视范围的一束激光添加到所述太赫兹光束中。

调整可以是单轴的也可以是双轴的。当调整仅发生在一个轴上时，调整可以按照尤其是垂直于传输方向比如沿着平行于传输方向的一个调整轴调整。此外，除了调整轴线，还可以变化比如测头和待测量对象之间的距离。如果是沿着两条轴线调整，取决于待检测的被测量对象，比如相对所述两条轴线之间的调整角度或者方向可以不同；因此，垂直于待检测测量对象运输方向的调整角度可以大些，因为垂直于运输方向的位置不正确或者定位错误比如待检测的塑料管的位置错误比待测量对象表面沿着运输方向的位置错误造成的角度错误更大些。

如果测量设备包括几个比如沿着圆周方向排列或者分布的太赫兹收发装置的话，各类测量结果或者所述测量中确定的值可以相互对比并用于其他的太赫兹收发设备中。因此，可以利用太赫兹信号的传播时间来确定待测量对象表面和所述收发装置或者其测头之间的距离，并且据此推断出比如塑料管的对称轴相距所述测量设备的轴心之间的位置或者偏差。

根据本发明，尤其可以确定待测量对象的层厚和/或者距离，另外像外部尺寸也可以确定。所述待测量对象的层可以是测量对象的外壁，也可以是空白空间比如管子的内部间隙如空气填充层。

所述太赫兹辐射可以利用频率为01太赫兹到50太赫兹之间，尤其是在05太赫兹到20太赫兹之间的太赫兹辐射。这样的话，所述太赫兹辐射可以尤其是通过收发双极子完全电子收发传播及接收。

测量和评估可以在时域或者也可以在傅里叶转换成频域后在频域中实施。

附图说明

本发明的一些实施方式随后通过附图的方式示出了。其中：

图1为在没有或者尚未调整角度位置时不准确对中情况下测量以管子为例的待测量对象的测量设备的剖面图；

图2是在所述测量设备适当对中情况下应用太赫兹壁厚测量方法测量塑料制待测量对象的层厚或者壁厚的测量原理；

图3是图2中的测量设备不经过精确对中情况下进行测量的测量原理图；

图4是按照本发明的一种实施方式测量层厚的方法的测量情景；

图5是不经精确角度调整的测量设备的实施方式；

图6是对应图5的一种实施方式，其中通过对所述测量设备的角度调整进行后续补整；

图7,8为镜面阵列平移调整的实施方式；

图9和图10为太赫兹测量设备的测头的平移调整的实施方式；

图11,12为所述测量设备的支撑圈的平移调整的实施方式。

具体实施方式

太赫兹测量设备1是用于测量待测量对象2的，本实施例中待测量对象为塑料管，所塑料管形状为圆柱体或者管状，所述塑料管壁的壁厚为d。所述太赫兹测量设备1可以位于尤其是和生产线终端比如挤压机在同一条直线上，而所述塑料管比如沿着生产和运输的方向被纵向引导经过所述太赫兹测量设备1。

理想情况下，所述塑料管被轴向或者居中引导，比如其管轴B位于所述太赫兹测量设备1的所述对称轴A上，但是比如按照图1，有可能塑料管位置没有居中，例如管子位置错误，其中管子轴B偏离了对称轴A。这种位置错误可能是由于所述塑料管的下垂或者由于刚挤压出的塑料管的弹性材料的震动导致的。

所述太赫兹太赫兹测量设备1包括若干沿着所述太赫兹测量设备1圆周分布并朝内对中的太赫兹收发装置4，图1中太赫兹收发装置4是对准对称轴A的。

所述每个太赫兹收发装置4都包括一个如图1所示的太赫兹发射机用于发射频率范围在0.01太赫兹到50太赫兹，特别是0.05太赫兹到20太赫兹，尤其是0.1太赫兹到10太赫兹之间的太赫兹光束7a的太赫兹发射机；和一个用于接收反射回来的上述频率范围的太赫兹光束7b的接收器6。确定壁厚是在控制装置8中进行的，其中可以是每个所述太赫兹收发装置4都有对应的控制装置8也可以是所述若干个太赫兹收发装置4共用一个控制装置8。图2到图4更详细的示出了所述测量原理：

图2示出了位置正确对中时的测量。根据图2a，所述太赫兹收发装置4往所述塑料管2中心发射太赫兹光束7a；根据图2b，相应地将太赫兹光线7a垂直发射到作为待测量对象的塑料板102上。所述两种测量对象2和102的塑料材料对于所述太赫兹光线7来说是可穿透的；但是，真空或者空气折射系数为n＝1，但是塑料材料的折射系数约为n＝1.5。因此，在表面边界处，比如所述管壁外侧2a和所述管壁内侧2b或者所述板外侧102a或者所述板内侧102b，所述太赫兹光线7会被部分反射回去。图2c示出了接收到的太赫兹光线的振幅A的测量图，其中可以看出在时间t1处出现了测量峰值p1，在时间t2处出现了测量峰值p2，而t2和t1之间的时间差表示了太赫兹光线7两次穿过壁厚为d，折射系数为n的管壁3的传播时间差，例如

d＝c(t2-t1)2n

在图3所示的未精确对中的情况下，其中图1中大多数的太赫兹手法装置4都是这种情况，那么随后如图3a所示，太赫兹收发装置4的所述光轴C没有经过所述塑料管的管轴B或者如图3b所示不和所述塑料板102垂直的话，这样所述反射的太赫兹光束7b就不会完全沿着所述光轴C反射回去，而是以β±0的错误位置角度和所述光轴C呈偏离关系反射回去。那么如图3c所示，很明显所述测量信号振幅很弱，而且如果错误位置角度大点的话，所述振幅很可能消失。除了信号较弱之外，随后还可能会发生测量错误。

根据本发明，所述太赫兹收发装置4的光轴相对所述表面2a或者表面102a之间的角度位置或者位置错误是要经过确定并修正的，或者通过在不同的角度位置进行测量和对比来确定垂直测量结果。

下面提供了一些不同的实施方式，实现了光轴垂直对中测量。

按照第一选项A，所述表面2a或者102a由充当位置传感器的一个进一步的传感器覆盖。所述位置传感器可以不接触也可接触所述待测量对象2或者102检测其精确位置，这样就可以自动调整并校准测头4a以及相应的所述光轴C的位置以垂直射向所述表面2a或者表面102a。

按照选项B，在调整角度范围α内可以进行若干次测量，并根据所述若干次测量结果确定所述光轴C射到所述测量表面2a或者102a的合适位置，比如垂直入射。按照这种方法，也有若干种实施方式：

图4中，测头4a在一条或者两条轴线上的角度位置是电机可调的，这样的话所述测头4a的所述光轴C就可以在一个或者两个方向上调整。由此，除了调整轴线，还可以改变所述测头4a到所述测量对象2或者102的距离d4。

因此，根据图4中的实施方式，每个太赫兹收发装置4的所述测头4a可以分别通过以α的调整角度范围绕着一条轴线调整并同时按照图4c所示测量信号，由此连续测量中强度I最高的峰值即为最佳角度位置，因此，按照图4c，三次测量中第二次的测量结果，峰值p1b和p2b即为最佳测量结果。那么，在扫描呈现所述峰值p1b和p2b的第二次测量的轴线就可以获得最佳角度位置或者所述垂直角度位置并随后检查通过。一般情况下，在调整角度范围α内的一次完整的转动过程或者扫描就可以获得或者足够精确得到相对所述测量对象2或者102的所述最优找正位置或者所述垂直角度位置，那么其后就不再需要进一步地测量了，可以直接使用强度最大的测量结果。

这种改变角度位置比如在调整角度范围α内调整所述光轴C的扫描活动可以接连在两条轴线上进行。

所述太赫兹光线7的入射位置，比如所述光轴C和所述表面2a或者102a的交叉点，还可以分别通过测量出的所述位置传感器的调整后的或者所述太赫兹光线7的或者所述光轴C的调整后的角度或者平移位置结合所述太赫兹传播时间信号计算并确定。

因此，例如在如图1所示的阵列中，由太赫兹收发装置4进行的运行时间测量除了调整所述太赫兹收发装置4或者有时也是可调整的测头4a以外，还可以通过传播时间测量确定所述测量对象2到所述太赫兹收发装置4之间的距离，这样就可以确定测量对象的绝对位置，由此确定所述管轴B相对所述太赫兹测量设备1的对称轴A的位置偏差，并基于此还可以找正或者修正其他太赫兹收发装置4的位置。因此，在图1示出的太赫兹测量设备中有若干个圆周方向分布的太赫兹收发装置4的实施方式中，并不需要所有的太赫兹收发装置4都进行这种为了位置补整或者修正而进行的角度位置补整或者确定位置错误。

图5和图6示出了进一步的一个实施方式，其中对所述太赫兹收发装置4的所述光轴C的角度位置的补整不是通过调整所述测头4a，而是通过用一面或者多面镜子10,11比如一面固定镜子10和一面可调整镜子11让所述太赫兹光束7转向。通过调整所述可调整镜子11，可以相应地调整所述光轴C，以补整所述角度位置。因此，在这种实施方式中，以所述调整角度范围α的一半调整所述可调整镜子，这样所述光轴就能就能扫描整个调整角度范围α来确定最佳角度位置，然后再利用按照图4c的图表进行连续测量，其中所述最佳测量结果立刻可以用作相关测量结果。

根据图5和图6，举例说明，所述固定镜子10设计为棱镜或者半透明的镜子，这样在这个位置或者在另一位置，可以在所述太赫兹光束7中添加光学激光束12作为位标器。这种添加可作视觉检测之用，此外，原则上所述太赫兹测量设备1可以包括一架用于检测所述位标器生产的点并确定所述测量对象2,102的位置的光学相机。

因此，按照本发明，可以在生产所述测量对象比如图1中示出的塑料管或者塑料板102时轮流连续修正所有太赫兹收发装置4的角度位置。

除了这种角度调整之外，还可以对发射出的所述太赫兹光线7a的所述光轴C进行平移。图7到图12示出了这种平移调整的不同的实施方式：

根据图7和图8，所述可调整镜子11不是转动调整而是平移调整。因此，所述固定镜子和所述可调整镜子11的表面总是呈现比如相互平行。因此，所述可调整镜子11是由按照图7的起始点位置平移调整，达到图8中的测量位置，其中发射出的所述太赫兹光线7a垂直射到所述待测量对象2的壁面上，而这又被确定为最大振幅或者最大检测信号。因此，在几次测量实施过程中，所述可调整镜子11又到达了若干测量位置。根据图7和图8示出的实施方式中，所述固定镜子10将发射出的所述太赫兹光线7a以直角重新导向了；在这种实施方式中向既和所述光轴C垂直也和所述待测量对象2的所述管轴2垂直的调整方向E调整所述可调整镜子11也是明智的，但是其中也可以进行其他方向的平移调整。按照图8，直到所述可调整镜子到达了将所述太赫兹光线7a垂直射到所述测量对象2上的测量位置，即可确定所述可调整镜子11的调整范围s。涉及到前面提到的实施方式的进一步的示例都同样可以应用到图7和图8的实施方式中。

按照图9和图10的实施方式，不仅镜子阵列中的可调整镜子11可以沿着导向设备17比如往垂直于所述光轴C且垂直于所述管轴B或者对应的测量对象2的对称轴的调整方向E平移，整个测头4a都可以，这样的话再次在不同的调整位置或者测量位置进行测量，并相互对比，然后用上面叙述的实施方式对测量结果进行相应的分析，这样按照图10，在调整距离为s时太赫兹光线实现了垂直入射。

在图11和图12的实施方式中，不仅单测头4a而且整个所述太赫兹收发装置4圆周分布在其上的太赫兹测量设备1或者支撑圈14都可以相对比如所述太赫兹测量设备的底架15或者基座15平移调整。按照这种方法，可以沿着垂直于所述管轴B和所述太赫兹测量设备1的所述对称轴A的两条轴线或者该平面进行调整，比如如图所示沿着调整方向E和沿着所述光轴C的调整方向或者该平面上的另一轴线进行调整。

此外，如以调整角度转动调整和平移调整的任何组合都是可以的。

Claims (14)

1.一种通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其中从太赫兹收发装置(4)沿着光轴C往待测量对象上发射至少一束太赫兹光束(7a)，并且检测穿过或者到达管壁(3)的至少一管壁(3)的表面并被反射回来的太赫兹光束(7b)，其中对检测到的反射的太赫兹光束(7b)的测量信号进行分析，并通过所述管壁(3)的外表面和/或内表面处反射的太赫兹光束(7b)的传播时间差t2-t1来确定层厚d和/或者距离，该方法特点在于使用不同的光轴C进行多次测量，在测量时或者两次测量之间调整发射的太赫兹光束(7a)的光轴C并使用所述多次测量中的一次来确定所述层厚d和/或者距离；

所述发射的太赫兹光束(7a)的所述光轴C连续且周期性在角度α范围内以及距离s范围内调整的，并且在调整时记录下多次测量结果，所述多次测量结果会被相互对比，其中振幅A最大或者检测信号最高的测量结果会被用作确定所述层厚d的测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特征在于通过传感器检测所述管壁(3)的表面，并且依据所述传感器的测量结果对发射的太赫兹光束(7a)的光轴C进行找正和重新调整到所述传感器确定的最近位置。

3.根据权利要求1所述的一种通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特征在于所述发射的太赫兹光束(7a)的所述光轴C周期性地沿着并不相互平行的两个方向调整，两个方向呈直角，且两个方向以角度α范围内以及距离s范围内调整。

4.根据权利要求2所述的一种通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特征在于所述光轴C周期性地在一个方向上以角度α进行调整并且进一步地，发射所述太赫兹光束(7a)到待测量对象(2)上的测头的距离也是周期性调整的。

5.根据权利要求4所述的一种通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特征在于所述发射的太赫兹光束(7a)的所述光轴C是通过以所述角度α转动所述太赫兹收发装置(4)的测头的方式调整的。

6.根据权利要求5所述的一种通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特点在于所述太赫兹收发装置(4)包括包含一个用于改变发射及反射的太赫兹光束(7a)和太赫兹光束(7b)的方向的可调整镜子(11)的镜子阵列的太赫兹收发装置，所述可调整镜子调整作用是改变所述光轴C。

7.根据权利要求4所述的通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特点在于所述发射的太赫兹光束(7a)射到所述管壁(3)的塑料管外表面或者塑料板外表面上的位置是由传播时间确定并确认的。

8.根据权利要求6所述的通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特征在于所述发射的太赫兹光束(7a)的所述光轴C在测量过程中或者在两次测量之间会以垂直于所述光轴C的调整方向E平移调整。

9.根据权利要求1～6任一所述的通过太赫兹光束测量待测量对象层厚或者距离的方法，其特征在于生产设备生产的塑料产品，塑料管或者塑料板(102)，在被生产后，会在运输方向被连续导入到包含至少一个太赫兹收发装置(4)的太赫兹测量设备(1)中，并通过所述太赫兹收发装置(4)检查层厚d，

其中发射的所述太赫兹光束(7a)的所述光轴C会被找正成垂直于所述运输方向，并在垂直于所述运输方向的一个平面上调整，

其中层厚d是通过传播时间测量确定的，其中在所述太赫兹光束(7a)进入所述管壁(3)的一个塑料管外表面或者塑料板外表面时反射的第一个测量峰值p1和稍后在传输经过所述管壁(3)并离开所述管壁(3)时反射的第二个测量峰值p2的时间差确定的，层厚d是通过公式d＝c(t2-t1)/2n计算的，

其中c表示光在真空中的速度，n是塑料材料折射所述太赫兹光束(7a)的系数，而t2-t1表示所述第一个测量峰值p1和所述第二个测量峰值p2之间的时间差。

10.一种用于测量塑料制待测量对象的层厚或者距离的太赫兹测量设备，包括一个沿着光轴C往管壁(3)上发射太赫兹光束(7a)的一个发射器和接收从所述测量对象反射回来的所述太赫兹光束(7b)的接收器，一个用于通过在管壁(3)的第一个边界表面反射回来的所述太赫兹光束和在经过所述管壁(3)在第二个边界表面反射回来的所述太赫兹光束的传播时间差来确定所述层厚d的控制装置(8)，

其特征在于，太赫兹收发装置(4)的至少一部分设计是在角度α范围内以及距离s范围内调整所述光轴C的，并且所述控制装置(8)是设计用于在所述光轴C位于不同的调整位置的多次测量结果中对比确定所述层厚d的。

11.根据权利要求10所述的太赫兹测量设备，其特征在于所述太赫兹测量设备(1)的测头(4a)在至少一个转动轴上按照所述角度α调整。

12.根据权利要求11所述的太赫兹测量设备，其特征在于所述太赫兹测量设备包括包含至少角度α范围内以及距离s范围内调整的可调整镜子(11)用于调整所述发射的太赫兹光束(7a)的所述光轴C。

13.根据权利要求12所述的太赫兹测量设备，其特征在于所述太赫兹测量设备包括用于检测所述管壁(3)的塑料管外表面或者塑料板外表面的位置和/或者定位的传感器，并且所述控制装置(8)根据所述传感器确定的定位来追踪所述光轴C。

14.根据权利要求13中所述的太赫兹测量设备，其特征在于所述控制装置(8)周期性地在角度α范围内以及距离s范围内调整所述光轴C，并且连续记录在所述角度α范围内以及距离s范围内的测量信号，所述控制装置(8)利用振幅最大的测量结果作为垂直入射到所述管壁(3)的表面上的测量结果。

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