CN109668855B - 一种空鼓病害的太赫兹无损检测方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于露天无损检测技术领域，公开了一种空鼓病害的太赫兹无损检测方法，具体步骤为：首先制备具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品；其次，检测d＝0mm的砂岩空鼓样品的太赫兹回波Eflake的传播时间Tflake；再次，分别检测具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品的携带了样品信息的太赫兹回波峰Ewall的传播时间Twall；然后，建立空鼓厚度d与时间差△T之间的关系；最后，检测待测实物的空鼓病害。本发明的检测方法简单，不仅能够实现对空鼓病害的定性无损检测，而且能够实现对空鼓病害的定量检测；还能够用于石质文物空鼓病害的无损检测。
Description
技术领域
本发明属于无损检测技术领域，特别涉及一种空鼓病害的太赫兹无损检测方法及其应用。
背景技术
石质文物是指以天然石材为基础的历史遗迹，包括石质古迹建筑、石窟、石碑等多种类型，具有极高的史料价值和艺术价值，是一类需要长期保存的特殊地质工程。但随着全球环境污染的加剧，在自然因素和人为因素的共同影响下，石质文物(特别是露天石质文物)正以惊人的速度产生病害，这些病害已经危及文物的安全保存，影响其历史价值和人文价值。空鼓作为石质文物表面劣化常见的一种病害，具有一定的隐蔽性，不像其他病害能从石质文物表面上很直观地观察清楚。空鼓是指从表面形态来看石材表层一定厚度的片板状体发生隆起变形，并在片板后面形成空腔、开裂，随着时间的推移在自身重力的影响下自由脱落。由于文物不可再生的特性，决定了其保护修复前对病害探查分析技术必须是无损的。
无损检测是利用声、光、磁和电等手段，在不损害被检对象或对被检测对象的使用性能不造成影响的前提下，检测被检对象内部存在的缺陷及夹杂，对被检对象的性能进行评判及改进。相较于目前无损检测领域应用较多的射线检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测和超声检测，THz波的典型波长(300μm)远大于尘埃等微小结构的尺寸，因此在大多数物体中的散射远小于可见光和近中红外光，同时THz波的光子能量低于大多数化学键的键能，所以对大多数非极性材料具有较好的穿透性。
太赫兹时域光谱技术(THz－TDS)是近年来基于超短脉冲技术基础上发展的一种全新的太赫兹光谱测量技术。目前，使用THz－TDS系统对材料进行光谱分析，主要是为了获得被测材料在太赫兹波段的复介电常数、色散和吸收等物理和化学参数，并利用这些参数研究物质成分、结构及其相互作用关系，但仍未开展应用THz－TDS系统对石质文物空鼓病害检测的相关研究。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种空鼓病害的太赫兹无损检测方法及其应用。
为了实现上述目的，本申请采用的技术方案为：
一种空鼓病害的太赫兹无损检测方法，包括如下步骤：
(1)建立空鼓厚度d与时间差△T之间的关系：
将厚度为1.71mm～1.75mm的两个岩石片上下叠加在一起，并通过改变两个岩石片之间的距离，制备成具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品；
采用太赫兹时域光谱技术，检测空鼓厚度d＝0mm的砂岩空鼓样品的太赫兹回波Eflake的传播时间Tflake；
采用太赫兹时域光谱技术，分别检测具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品的携带了样品信息的太赫兹回波峰Ewall的传播时间Twall；
当d＝0mm时，检测不到Twall，即砂岩空鼓样品不存在空鼓病害；
当d≠0mm时，△T＝Twall-Tflake；并将上述得到的Twall和Tflake均带入△T＝Twall-Tflake中，得到一系列△T；
再以d为横坐标，以△T为纵坐标，线性拟合，得到空鼓厚度d与时间差△T之间的关系：
△T＝5.72142*d+25.46917，且R2＝0.99259 (1)；
(2)待测实物的空鼓病害检测
再采用太赫兹时域光谱技术检测待测实物的Twall；
如果不能检测到Twall，说明d＝0mm，即无空鼓病害；
如果能够检测到Twall，说明石质文物有空鼓病害，并将Twall带入△T＝Twall-Tflake中得到△T，再将△T带入式(1)中，得到待测实物的空鼓厚度d。
空鼓病害的太赫兹无损检测方法在石质文物空鼓病害检测方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请的检测方法简单，不仅能够实现对石质文物空鼓病害的定性无损检测，而且能够实现对石质文物空鼓病害的定量检测。
附图说明
图1太赫兹波反射测试原理图；
图2为不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品的时域光谱信息谱图；
图3为空鼓厚度d与△T之间的线性拟合图。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明的具体实施例，对本发明实施的技术方案进行清楚、完整地描述。
太赫兹波在不同介质中传播，由于介质分界面处折射率改变，太赫兹波发生透射和反射，原理如图1所示。相较太赫兹波焦斑(1mm～3mm)的小尺度，我们的两个岩石片可近似看作是分布均匀且各向同性的物质。当太赫兹波以角度θi入射，在空气——介质(空鼓前表面)交界面产生太赫兹回波，记作参考信号Eflake；透射过的太赫兹波，在空鼓后表面再次反射并由前表面透射而出，此时，探测器检测到携带了样品信息的太赫兹回波计作Ewall。根据太赫兹波的传播理论，建立反射式单点厚度提取模型:
其中，d为砂岩空鼓样品的空鼓厚度；Tflake和Twall分别为Eflaket、Ewall的传播时间；n0为空气的折射率；n为样品折射率；c为光在空气中的传播速度。
需要说明，以下实施例中采用的均为THz-TDS1008系统，该系统是一个紧凑、自包含高度集成、采用光导天线法产生并检测太赫兹脉冲的时域系统，主要由飞秒激光器、太赫兹发射元件、太赫兹探测元件以及时间延迟系统组成。该THz-TDS系统脉冲宽度为0.05THz～3.5THz，信噪比＞65dB，最大扫描范围500ps，频谱分辨率2GHz。实验中，我们选用反射式样品台，对样品进行光谱测试。
实施例1
(一)建立空鼓厚度d与时间差△T之间的关系：
(1)我们在云冈石窟景区采集到的砂岩样品用角磨机切成厚度为1.71mm～1.75mm的岩石片，并用砂质将两个岩石片打磨至光滑；最后将两个岩石片上下叠加在一起，并通过改变两个岩石片之间的距离，制备成具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品；
分别得到d0＝0mm(即没有空鼓病害的砂岩空鼓样品)、d1＝0.1mm、d2＝0.2mm、d3＝0.3mm、d4＝0.4mm、d5＝0.5mm、d6＝0.6mm、d7＝0.7mm、d8＝0.8mm、d9＝0.9mm、d10＝1.0mm、d11＝1.1mm、d12＝1.2mm、d13＝1.3mm、d14＝1.4mm、d15＝1.5mm、d16＝1.6mm、d17＝1.7mm、d18＝1.8mm、d19＝1.9mm、d20＝2.0mm、d21＝2.1mm、d22＝2.2mm、d23＝2.3mm、d24＝2.4mm、d25＝2.5mm、d26＝2.6mm、d27＝2.7mm、d28＝2.8mm、d29＝2.9mm和d30＝3.0mm的砂岩空鼓样品；
(2)将d0＝0mm的砂岩空鼓样品放置在THz-TDS反射样品台，采用太赫兹时域光谱技术，并将太赫兹波以θi入射到待检测的砂岩空鼓样品上表面，得到砂岩空鼓样品的太赫兹回波Eflake的传播时间Tflake＝344.08324ps；
(3)再分别将具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品放置在THz-TDS反射样品台，并将太赫兹波以θi入射到待检测的砂岩空鼓样品上表面，得到砂岩空鼓样品的携带了样品信息的太赫兹回波峰Ewall的传播时间Twall，具体信息如表1和图2。从图2能够看出，随着d的增加，携带了样品信息的太赫兹回波峰Ewall延迟也越大，也就说明携带了样品信息的太赫兹回波峰Ewall的传播时间Twall也在逐渐增减，进而△T在增加。反过来也就说明，△T大，说明空鼓厚度d也就越大。当进行实际检测石质文物时，通过比较不同石质文物之间的△T的大小，就能够判断出石质文物的哪个区域空鼓病害严重。
表1 THz-NDT系统不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品相关数据
(4)建立空鼓厚度d与时间差△T之间的关系
当d＝0mm时，说明不存在△T，即砂岩空鼓样品不存在空鼓病害；
当d≠0mm时，△T＝Twall-Tflake，并将上述得到的Twall和Tflake均带入△T＝Twall-Tflake中，得到一系列△T；
(5)再以d为横坐标，以△T为纵坐标，用origin线性拟合，如图3所示，得到空鼓厚度d与时间差△T的线性拟合关系：
△T＝5.72142*d+25.46917，且R2＝0.99259 (1)；
(二)待测实物的空鼓病害检测
需要说明待测实物可以是石质文物，也可以是其他存在空鼓病害的实物，例如墙面空鼓或者地面空鼓。本实施例时检测石质文物的空鼓病害。
再采用太赫兹时域光谱技术检测石质文物的△T判断石质文物是否存在空鼓病害，以及空鼓厚度的大小。
将太赫兹波以θi入射到待检测的石质文物表面，检测探测器是否接收到Twall信号，实现对石质文物空鼓病害的定性检测。
如果没有接收到Twall信号，说明待检测的石质文物表面没有空鼓病害；
如果接收到Twall信号，则说明待检测的石质文物表面有空鼓病害；
然后通过探测器得到的Twall和Tflake计算得到△T，再将△T带入△T＝5.72142*d+25.46917中，得到空鼓厚度的具体值，实现对石质文物空鼓病害的定量检测。例如本实施例检测到了到Twall信号，说明本实施例检测的石质文物表面有空鼓病害，且又因为△T为29.38649ps，所以将29.38649带入△T＝5.72142*d+25.46917中，得到d＝0.68468mm。
实施例2
采用太赫兹时域光谱技术检测墙面的△T判断墙面是否存在空鼓病害，以及空鼓厚度的大小。
将太赫兹波以θi入射到待检测的墙面表面，检测探测器是否接收到Twall信号，实现对墙面空鼓病害的定性检测。
如果没有接收到Twall信号，说明待检测的墙面表面没有空鼓病害；
如果接收到Twall信号，则说明待检测的墙面表面有空鼓病害；
然后通过探测器得到的Twall和Tflake计算得到△T，再将△T带入△T＝5.72142*d+25.46917中，得到空鼓厚度的具体值，实现对墙面空鼓病害的定量检测。
实施例3
采用太赫兹时域光谱技术检测地面的△T判断地面是否存在空鼓病害，以及空鼓厚度的大小。
将太赫兹波以θi入射到待检测的地面表面，检测探测器是否接收到Twall信号，实现对地面空鼓病害的定性检测。
如果没有接收到Twall信号，说明待检测的地面表面没有空鼓病害；
如果接收到Twall信号，则说明待检测的地面表面有空鼓病害；
然后通过探测器得到的Twall和Tflake计算得到△T，再将△T带入△T＝5.72142*d+25.46917中，得到空鼓厚度的具体值，实现对地面空鼓病害的定量检测。
综上所述，本发明的检测方法简单，不仅能够实现对空鼓病害的定性无损检测，而且能够实现对空鼓病害的定量检测。此外，本发明的方法能够用于石质文物的空鼓病害的无损检测。
以上公开的仅为本发明的较佳实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种空鼓病害的太赫兹无损检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立空鼓厚度d与时间差△T之间的关系：
将厚度为1.71mm～1.75mm的两个砂岩片上下叠加在一起，并通过改变两个砂岩片之间的距离，制备成具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品；
采用太赫兹时域光谱技术，检测空鼓厚度d＝0mm的砂岩空鼓样品的太赫兹回波Eflake的传播时间Tflake；
采用太赫兹时域光谱技术，分别检测具有不同空鼓厚度d的砂岩空鼓样品的携带了样品信息的太赫兹回波峰Ewall的传播时间Twall；
其中，△T＝Twall-Tflake；
当d＝0mm时，检测不到Twall，即砂岩空鼓样品不存在空鼓病害；
当d≠0mm时，将上述检测得到的Twall和Tflake均带入△T＝Twall-Tflake中，得到一系列△T；
再以d为横坐标，以△T为纵坐标，线性拟合，得到空鼓厚度d与时间差△T之间的关系：
△T＝5.72142*d+25.46917，且R2＝0.99259(1)；
(2)待测实物的空鼓病害检测
采用太赫兹时域光谱技术检测待测实物的Twall；
如果不能检测到Twall，说明d＝0mm，即待测实物无空鼓病害；
如果能够检测到Twall，说明待测实物有空鼓病害，并将Twall带入△T＝Twall-Tflake中得到△T，再将△T带入式(1)中，得到待测实物的空鼓厚度d。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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