CN109781656A - 基于太赫兹的水蒸气检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于太赫兹的水蒸气检测系统及检测方法，水蒸气检测系统包括激光器、太赫兹发射单元、待检测蒸汽容器以及太赫兹探测单元，太赫兹发射单元和太赫兹探测单元相对设置，待检测蒸汽容器设置于太赫兹发射单元和太赫兹探测单元之间，且待检测蒸汽容器内容纳有热蒸汽；其中，激光器用于发射泵浦光和探测光，泵浦光传输至太赫兹发射单元，使得太赫兹发射单元辐射出太赫兹波并传输至所述待检测蒸汽容器，探测光和经过待检测蒸汽容器后的带有水蒸气信息的太赫兹波传输至太赫兹探测单元，太赫兹探测单元对探测光和太赫兹波进行分析和处理以得到待检测蒸汽容器周围水蒸气的频域光谱。通过上述方式，能够实现对蒸汽容器水蒸气泄露的检测。
Description
技术领域
本申请涉及太赫兹时域光谱检测技术领域，特别是涉及一种基于太赫兹的水蒸气检测系统及检测方法。
背景技术
小型容器(例如蒸汽烤箱等蒸汽容器)的水蒸气泄露的检测是一个比较困难的过程，因水蒸气无色无味，在大气环境下如果没有明显温差，难以判别。
其中，蒸汽烤箱的蒸汽泄露问题的解决方式为：在所有生产工序完成之后再做老化试验，观察蒸汽烤箱外部是否有液滴出现。如果出现泄露现象，烤箱外部“冒汗”，则需要拆开外部机箱，对内胆边缘结合处所有部位再涂覆一层硅胶。这种程序会造成蒸汽泄露的烤箱的后道工序的浪费，并且无法确切定位泄露位置，浪费硅胶。此外现有技术中，对于蒸汽烤箱的蒸汽泄露的检测有如下方式：1、采用气压检测—用设备把内胆密封，充气，测气压变化。2、水箱检测—把内胆密封，放入水箱，查看气泡的变化。
上述两种对蒸汽烤箱的水蒸气检测的方案均面临检测慢、效果不明显的问题，且检测完毕后需要将内胆以及使用的设备进行干燥，增加了工艺程序，更重要是的整个检测过程要人工参与，不能节省劳动力。
发明内容
本申请提供一种基于太赫兹的水蒸气检测系统及检测方法，能够解决现有技术中蒸汽容器水蒸气检测的问题。
本申请采用的一个技术方案是：提供一种基于太赫兹的水蒸气检测系统，所述水蒸气检测系统包括激光器、太赫兹发射单元、待检测蒸汽容器以及太赫兹探测单元，其中，所述太赫兹发射单元和所述太赫兹探测单元相对设置，所述待检测蒸汽容器设置于所述太赫兹发射单元和所述太赫兹探测单元之间，且所述待检测蒸汽容器内容纳有热蒸汽；其中，所述激光器用于发射激光，所述激光至少分为泵浦光和探测光，所述泵浦光传输至所述太赫兹发射单元，使得所述太赫兹发射单元辐射出太赫兹波并传输至所述待检测蒸汽容器，以检测所述待检测蒸汽容器周围的水蒸气，所述探测光和经过所述待检测蒸汽容器后的带有水蒸气信息的所述太赫兹波传输至所述太赫兹探测单元，所述太赫兹探测单元对所述探测光和所述太赫兹波进行分析和处理以得到所述待检测蒸汽容器周围水蒸气的频域光谱。
本申请采用的一个技术方案是：提供一种基于太赫兹的水蒸气检测方法，所述水蒸气检测方法包括：发射激光脉冲，所述激光脉冲至少分为泵浦光和探测光；将所述泵浦光沿其传输路径入射至太赫兹发射单元，以使得所述太赫兹发射单元辐射出太赫兹波；控制所述太赫兹波的传输方向，以使得所述太赫兹波对待检测蒸汽容器周围的水蒸气进行检测；接收所述探测光和经过所述待检测蒸汽容器后的带有水蒸气信息的所述太赫兹波，并对所述探测光和所述太赫兹波进行分析和处理以得到所述待检测蒸汽容器周围水蒸气的频域光谱。
本申请的有益效果是：提供一种基于太赫兹的水蒸气检测系统及检测方法，通过采用太赫兹的时域光谱系统实现对待检测的蒸汽容器周边的水蒸气泄露进行检测，且同时结合太赫兹的频域光谱信息可以提高待检测蒸汽容器周边水蒸气的检测灵敏度。
附图说明
图1是本申请基于太赫兹的水蒸气检测系统一实施方式的结构示意图；
图2是本申请太赫兹波传输路径中没有明显水蒸气时的时域光谱图；
图3是本申请太赫兹波传输路径中有水蒸气时的时域光谱图；
图4是本申请太赫兹波传输路径中有水蒸气时的频域光谱图；
图5是本申请水蒸气吸收谱线的示意图；
图6是本申请基于太赫兹的水蒸气检测方法一实施方式的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
可以理解的是，本申请基于太赫兹的水蒸气检测系统，主要应用于蒸汽容器的水蒸气泄露的检测，其中蒸汽容器可以为包括但不限于蒸汽烤箱及蒸汽锅炉等，且本申请利用太赫兹波对水蒸气敏感的特点，检测待检测蒸汽容器中水蒸气泄露引起周围空气湿度的微小变化，从而达到非破坏性的水蒸气泄露检测目的，根据实验验证采用采用基于脉冲太赫兹的水蒸气检测系统，其对水蒸气的检测灵敏度可高达3ppm。
参阅图1，图1为本申请基于太赫兹检测的水蒸气检测系统一实施方式的结构示意图。如图1所示，本申请提供的基于太赫兹的水蒸气检测系统100包括激光器110、太赫兹发射单元120、待检测蒸汽容器130以及太赫兹探测单元140。
其中，激光器110可以选用飞秒激光器，具体可以采用钛宝石锁模激光器，且该飞秒激光器可以产生波长800nm左右的飞秒激光脉冲。且激光器110产生的激光脉冲经过分束器150后分为两束，其中一束作为泵浦光，另一束作为探测光。可选地，该分束器150的分光比的范围可以设置在1:9至1:1之间，当然也可以根据实际需求选择不同分光比的分束器150。其中，光功率强的脉冲激光作为泵浦光，反之光功率较弱的脉冲激光作为探测光。
太赫兹发射单元120至少包括光延迟器121及脉冲太赫兹源122，其中，光延迟器121可以选用光纤延迟线或光纤拉伸器中的一种，此处不做具体限定。且光延迟器121用于对所述泵浦光进行延时，并将延时后的所述泵浦光传输至脉冲太赫兹源122，从而激发脉冲太赫兹源122辐射脉冲太赫兹波。
其中，脉冲太赫兹源122可以选用光电导天线、非线性晶体、太赫兹量子联级激光器中的一种。本申请实施例中的脉冲太赫兹源122选用光电导天线，其中，光电导天线由绝缘体(图未示)、半导体(图未示)以及镀在半导体表面的金属电极(图未示)构成。当一束泵浦光(飞秒激光脉冲)入射至该光电导天线表面的金属电极间隙当中，由于飞秒激光脉冲的单光子能量大于半导体材料的能隙宽度，因此半导体表面产生大量的电子-空穴对，这些自由光生载流子在外加偏压电场以及半导体内部自建电场的合成作用下加速运动，形成一种随时间快速变化的瞬变电流，这个定向移动的瞬变电流向外辐射太赫兹波，产生的太赫兹波可以照射待检测蒸汽容器130。
可选地，本申请的太赫兹发射单元120还可以包括控制机构123，该控制机构123可以为升降台，且控制机构12还可以包括电机(图未示)、控制器(图未示)以及载物台(图未示)。其中，载物台用于固定脉冲太赫兹源122，控制器用于控制电机带动载物台在设定方向上进行运动，实现脉冲太赫兹源122和待检测蒸汽容器130之间相对位置的调节，进而使得脉冲太赫兹源122对待检测蒸汽容器130水蒸气泄露的位置进行精准定位。
可选地，待检测蒸汽容器130设置于太赫兹发射单元120和太赫兹探测单元140之间，该待检测蒸汽容器130可以为包括但不限于蒸汽烤箱、蒸汽烤炉等蒸汽容器。可以理解的是蒸汽容器的水蒸气泄露会严重影响到周边电子元器件的使用寿命。本实施例中以蒸汽烤箱为例进行介绍，继续参见图1，假设图1中所示的待检测蒸汽容器为蒸汽烤箱，蒸汽烤箱的内胆由铝合金材料钣金合成，相邻两块钣金件咬合处常常会出现水蒸气的泄露，且泄露的水蒸气会影响外部电子元器件的使用寿命，因此，必须在出厂之前严格杜绝。可选地，在对该待检测蒸汽容器130进行水蒸气泄露检测之前需要在该待检测蒸汽容器130(本实施例中的蒸汽烤箱)中充满热蒸汽。
可选地，通过控制太赫兹发射单元120中的控制机构123实现对蒸汽烤箱的各边缘结合处进行实时检测。其中，若蒸汽烤箱的边缘结合处未完全密封，则必然会有水蒸气泄露出来，又因为太赫兹波对水蒸气特别敏感，即在太赫兹波段存在特征吸收，从而可以实现对空气中水蒸气含量的测量。
太赫兹探测单元140接收由探测光和经过待检测蒸汽容器130后的带有水蒸气信息的太赫兹波，并对探测光和太赫兹波进行分析和处理以得到待检测蒸汽容器130周围水蒸气的频域光谱。
可选地，本申请中的太赫兹探测单元140包括太赫兹探测器141和信号处理单元142。其中，太赫兹探测器141分别接收探测光和带有水蒸气信息的太赫兹波，信号处理单元142用于对接收到的探测光和太赫兹波进行处处理得到太赫兹波的时域光谱，并对太赫兹波的时域光谱进行计算得到带有水蒸气信息的频域光谱。
可选地，本申请中的太赫兹探测器141上可以为光电导天线及非线性晶体中的一种，此处不做具体限定。本实施例中采用光电导天线作为太赫兹探测器。
其中，探测光经过一系列的反射镜反射后最后也聚焦到太赫兹探测器141上，当探测光和经过待检测蒸汽容器130后的太赫兹波重合时，脉冲太赫兹波照射到光电导天线上，产生感应电动势，此时探测激光脉冲照射光电导天线间隙，产生光生载流子，并形成持续时间近似于光电导材料寿命的光电流脉冲。光电流脉冲的振幅与聚焦于光电导天线上的太赫兹脉冲强度近似成正比。因此探测出光电流脉冲的时域波形信息就可以反映出脉冲太赫兹波的时域波形。通过光学延迟线延迟太赫兹脉冲和探测激光脉冲的时间差，采样多个周期不同相对位置的瞬态光电流的时域波形，就可以合成一个周期的光电流时域波形。纳瓦量级的光电流需要低噪声和高灵敏度的微电流放大器放大成可测量的电压信号，并且送入与光束调制同步的锁相放大器中提高信噪比(SNR)后再进行检波处理。
进一步，信号处理单元142还可以包括依次连接的信号放大电路(图未示)、信号采集电路(图未示)以及图像分析装置(图未示)。其中，信号处理单元142具体用于对接收到的探测光和太赫兹波进行处理得到太赫兹波的时域光谱，并进一步对该太赫兹波的时域光谱进行快速傅里叶变换即可得到频域信息。
当然，可以理解的是，本申请中在进行水蒸气检测时，需要预先固定环境的温度、湿度等信息，避免在后续进行水蒸气检测的过程中因环境中的水蒸气影响探测结果。
在本申请实施例中，在采用基于太赫兹时域脉冲的方式检测水蒸气的有无时，可以参考依据如下现象进行判断：
1、太赫兹波的时域光谱在时间轴上是否有明显位移，因为水蒸气对太赫兹脉冲的折射率与空气不一样，会增加光程差，从而在太赫兹波的时域有位移，其中，判断位移的方式是看时域光谱中峰值是否有偏移、与横轴的交点是否会右移等。
2、时域脉冲的峰值功率会有变化，有水蒸气时，因为水蒸气的吸收，时域脉冲的峰值会比没有水蒸气时要降低。
3、观察太赫兹波频域谱的变化，将时域脉冲做快速傅里叶变换转换频域光谱，如果有水蒸气会有明显的吸收线和毛刺，同时也可以扣除无水蒸气时的频域能量分布，进一步求出水蒸气吸收线的位置。
请结合图2和图3，图2为本申请太赫兹波传输路径中没有明显水蒸气时的时域光谱图，图3为本申请太赫兹波传输路径中有水蒸气时的时域光谱图，对比图2和图3可以发现太赫兹波传输路径中没有明显水蒸气干扰时，其接收到的脉冲波形比较干净，几乎没有毛刺，在看图3中当传输路径中有明显水蒸气干扰时，接收到的脉冲波形则会有很多毛刺，其中毛刺噪声和吸收峰为水蒸气吸收引起的。
请进一步结合图4和图5，图4为本申请太赫兹波传输路径中有水蒸气时的频域光谱图。图5为本申请水蒸气吸收谱线的示意图。可选地，图4为对图3中太赫兹时域光谱做快速傅里叶变换得到的太赫兹波的频域光谱图，如图4，可以看到明显的吸收水线。进一步通过计算可以得到0-2THz范围内的水蒸气吸收谱线图。
可以理解的是，本申请通过采用太赫兹波检测蒸汽容器的结合处是否有水蒸气泄漏，综合运用太赫兹波的时域和频域信息，其对水蒸气检测的检测灵敏度可以达到3ppm，可以满足一般容器蒸汽泄露检测的要求。此外，本申请中太赫兹源相对于待检测蒸汽容器的相对位置可调，可以实现对待检测蒸汽容器的各个结合处进行检测。
对于本实施例中的蒸汽烤箱来说，在蒸汽烤箱的内胆结构完成后，马上对其进行水蒸气泄露检测，可以避免有泄露的蒸汽内胆进入后续的生产工艺，从而造成后续的工艺浪费。进一步，本申请的水蒸气检测系统采用全光纤太赫兹时域光谱系统，系统的成本较低。
上述实施方式中，通过采用太赫兹的时域光谱系统实现对待检测的蒸汽容器周边的水蒸气泄露进行检测，且同时结合太赫兹的频域光谱信息可以提高待检测蒸汽容器周边水蒸气的检测灵敏度。
请参阅图6，图6为本申请基于太赫兹的水蒸气检测方法一实施方式的流程示意图。如图6所示，本申请的基于太赫兹的水蒸气检测方法具体包括如下步骤：
S100，发射激光脉冲，激光脉冲至少分为泵浦光和探测光。
进一步结合图1，本实施例中，可以采用飞秒激光器发射激光脉冲，具体可以采用钛宝石锁模激光器。且激光器110产生的激光脉冲经过分束器150后分为两束，其中一束作为泵浦光，另一束作为探测光。可选地，该分束器150的分光比的范围可以设置在1:9至1:1之间，当然也可以根据实际需求选择不同分光比的分束器150。其中，光功率强的脉冲激光作为泵浦光，反之光功率较弱的脉冲激光作为探测光。
S110，将泵浦光沿其传输路径入射至太赫兹发射单元，以使得太赫兹发射单元辐射出太赫兹波。
可选地，太赫兹发射单元120至少包括光延迟器121及脉冲太赫兹源122，其中，光延迟器121可以选用光纤延迟线或光纤拉伸器中的一种，此处不做具体限定。且光延迟器121用于对所述泵浦光进行延时，并将延时后的所述泵浦光传输至脉冲太赫兹源122，从而激发脉冲太赫兹源122辐射太赫兹波。可以理解的是，本实施例中的太赫兹发射单元120的各组成部分和本申请水蒸气检测系统中的元器件相同，详细描述参见上述实施方式，此处不再赘述。
S120，控制太赫兹波的传输方向，以使得太赫兹波对待检测蒸汽容器周围的水蒸气进行检测。
本实施例中，太赫兹发射单元120还可以包括控制机构123，其中，控制机构123用于调节脉冲太赫兹源122和待检测蒸汽容器130之间相对位置，使得脉冲太赫兹源122可以对待检测蒸汽容器的各个边缘结合处的水蒸气泄露进行检测，从而实现脉冲太赫兹源122对待检测蒸汽容器130水蒸气泄露的位置进行精准定位。
可选地，在对该待检测蒸汽容器130进行水蒸气泄露检测之前需要在该待检测蒸汽容器130(本实施例中的蒸汽烤箱)中充满热蒸汽。可选地，通过控制太赫兹发射单元120中的控制机构123实现对蒸汽烤箱的各边缘结合处进行实时检测。其中，若蒸汽烤箱的边缘结合处未完全密封，则必然会有水蒸气泄露出来，又因为太赫兹波对水蒸气特别敏感，即在太赫兹波段存在特征吸收，从而可以实现对空气中水蒸气含量的测量。
S130，同时接收探测光和经过待检测蒸汽容器后的带有水蒸气信息的太赫兹波，并对探测光和太赫兹波进行分析和处理以得到待检测蒸汽容器周围水蒸气的频域光谱。
继续结合图1，太赫兹探测单元140接收由探测光和经过待检测蒸汽容器130后的带有水蒸气信息的太赫兹波，并对探测光和太赫兹波进行分析和处理以得到待检测蒸汽容器130周围水蒸气的频域光谱。其中太赫兹探测单元140的具体结构和对太赫兹波的时域光谱的计算详见上文描述，此处不再赘述。
可选地，在本申请实施例中，在采用基于太赫兹时域脉冲的方式检测水蒸气的有无时，可以参考太赫兹波的时域光谱在时间轴上是否有明显位移、太赫兹时域脉冲的峰值功率会有变化以及太赫兹波频域谱的变化等信息来判断待检测蒸汽容器的边缘结合处是否发生水蒸气泄露。
上述实施方式中，通过采用太赫兹的时域光谱系统实现对待检测的蒸汽容器周边的水蒸气泄露进行检测，且同时结合太赫兹的频域光谱信息可以提高待检测蒸汽容器周边水蒸气的检测灵敏度。
综上所述，本领域技术人员容易理解，本申请提供一种基于太赫兹的水蒸气检测系统及检测方法，通过采用太赫兹的时域光谱系统实现对待检测的蒸汽容器周边的水蒸气泄露进行检测，且同时结合太赫兹的频域光谱信息可以提高待检测蒸汽容器周边水蒸气的检测灵敏度。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹的水蒸气检测系统，其特征在于，所述水蒸气检测系统包括激光器、太赫兹发射单元、待检测蒸汽容器以及太赫兹探测单元，其中，所述太赫兹发射单元和所述太赫兹探测单元相对设置，所述待检测蒸汽容器设置于所述太赫兹发射单元和所述太赫兹探测单元之间，且所述待检测蒸汽容器内容纳有热蒸汽；
其中，所述激光器用于发射激光脉冲，所述激光脉冲至少分为泵浦光和探测光，所述泵浦光传输至所述太赫兹发射单元，使得所述太赫兹发射单元辐射出太赫兹波并传输至所述待检测蒸汽容器，以检测所述待检测蒸汽容器周围的水蒸气，所述探测光和经过所述待检测蒸汽容器后的带有水蒸气信息的所述太赫兹波传输至所述太赫兹探测单元，所述太赫兹探测单元对所述探测光和所述太赫兹波进行分析和处理以得到所述待检测蒸汽容器周围水蒸气的频域光谱。
2.根据权利要求1所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述太赫兹发射单元至少包括光延迟器及脉冲太赫兹源，其中，所述光延迟器用于对所述泵浦光进行延时，并将延时后的所述太赫兹波传输至所述脉冲太赫兹源。
3.根据权利要求2所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述脉冲太赫兹源为光电导天线、非线性晶体、太赫兹量子联级激光器中的一种。
4.根据权利要求2所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述太赫兹发射单元还包括控制机构，所述太赫兹源固定于所述控制机构上，用于调节所述太赫兹源和所述待检测蒸汽容器的相对位置。
5.根据权利要求1所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述太赫兹探测单元包括太赫兹探测器和信号处理单元，其中，所述太赫兹探测器分别接收所述探测光和所述带有水蒸气信息的所述太赫兹波，所述信号处理单元用于对接收到的所述探测光和所述太赫兹波进行处理得到所述太赫兹波的时域光谱，并对所述太赫兹波的时域光谱进行计算得到带有水蒸气信息的频域光谱。
6.根据权利要求5所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述太赫兹探测器为光电导天线及非线性晶体中的一种。
7.根据权利要求5所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括依次连接的信号放大电路、信号采集电路以及图像分析装置。
8.根据权利要求1所述的水蒸气检测系统，其特征在于，所述水蒸气检测系统还包括分束器，所述分束器设置于所述激光的发射光路上，将所述激光分为所述泵浦光和所述探测光。
9.一种基于太赫兹的水蒸气检测方法，其特征在于，所述水蒸气检测方法包括：
发射激光脉冲，所述激光脉冲至少分为泵浦光和探测光；
将所述泵浦光沿其传输路径入射至太赫兹发射单元，以使得所述太赫兹发射单元辐射出太赫兹波；
控制所述太赫兹波的传输方向，以使得所述太赫兹波对待检测蒸汽容器周围的水蒸气进行检测；
同时接收所述探测光和经过所述待检测蒸汽容器后的带有水蒸气信息的所述太赫兹波，并对所述探测光和所述太赫兹波进行分析和处理以得到所述待检测蒸汽容器周围水蒸气的频域光谱。
10.根据权利要求9所述的显微成像方法，其特征在于，所述太赫兹发射单元至少包括光延迟器及脉冲太赫兹源，其中，所述光延迟器用于对所述泵浦光进行延时，并将延时后的所述泵浦光传输至所述脉冲太赫兹源。
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