CN110243296A - 珍珠珠层厚度的无损测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种珍珠珠层厚度的无损测量装置及方法,该装置由太赫兹时域光谱系统主机、太赫兹发射探头、太赫兹接收探头、珍珠测试平台等组成,其中,上述主机用于实现太赫兹时域波形测量功能;太赫兹发射探头用于产生脉冲太赫兹波,并聚焦入射至待测珍珠;太赫兹接收探头用于采集被待测珍珠反射回来的太赫兹时域波形信号,该波形信号中包含太赫兹波分别在珍珠外表面和内部珠核界面反射形成的反射峰,通过测算两个反射峰的时间间隔,即可测算得到珍珠层的厚度。本发明的显著技术优势为:能够在无损条件下测得珍珠层的厚度,精度可达到微米量级,并且对操作人员无辐射伤害。本发明可应用于珍珠的质量评价。
Description
技术领域
本发明涉及一种珍珠珠无损测量装置,具体涉及一种利用太赫兹时域光谱技术实现珍珠珠层厚度无损测量装置及方法。
背景技术
珍珠的珠层厚度是《珍珠分级》国家标准(GB/T18781-2008)中评定珍珠质量的重要指标。该标准中标明的测量珍珠层厚度的方法为直接测量法,即把切割制备好的珍珠样品置于显微镜下测量其厚度。这属于有损测量,无法满足珍珠商贸活动中对珍珠的珠层厚度进行无损检测的需求。
为了实现珍珠厚度的无损测量,目前主要由X射线检测和光学相干层析成像两种方法。其中,X射线检测方法利用X射线对珍珠进行透视成像,根据成像结果中珍珠外径和内核的轮廓,配合图像测量处理软件,即可测量得到珠层的厚度。该方法的优势在于可以快速扫描整颗珍珠,但不足之处在于:对于珠层较薄的珍珠(例如:海水养殖的珍珠),X射线成像无法清晰的分辨出珠层和珠核的分界线;另外,由于X射线对人体有电离辐射伤害,不适宜长时间测量使用。光学相干层析成像方法的优势在于测量过程安全无辐射伤害,但不足之处在于:受限于光在珍珠内部的穿透深度,无法对珠层较厚的珍珠进行有效的厚度测量。
目前,如何在无损、无电离辐射的安全条件下,实现对较薄(微米级)和较厚(毫米级)的珍珠珠层厚度的准确测量,是珍珠相关产业界和学术界面临的技术难题。
发明内容
本发明提出一种珍珠珠层厚度的无损测量装置及方法,利用太赫兹时域光谱技术实现珍珠厚度无损测量,可以有效的解决目前珍珠珠层厚度无损测量技术中面临的上述难题,并能够实现对较薄(微米级)和较厚(毫米级)的珍珠珠层厚度的准确测量,分辨率可达到微米量级。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种珍珠珠层厚度的无损测量装置,由太赫兹时域光谱系统主机、太赫兹发射探头、太赫兹接收探头、珍珠测试平台组成,所述珍珠测试平台由旋转台和三维位置调节机构组成,旋转台下面连接三维位置调节机构,上面放置待测珍珠样品,可实现待测珍珠样品的360°旋转和三维位置的微米级调节;所述太赫兹发射探头和太赫兹接收探头分别置于待测珍珠样品上方,所述太赫兹发射探头发射汇聚的太赫兹光束至待测珍珠样品表面;太赫兹接收探头采集被待测珍珠样品反射回来的太赫兹时域波形信号;所述太赫兹时域光谱系统主机连接太赫兹发射探头、太赫兹接收探头,用于实现太赫兹时域波形测量。
所述太赫兹时域光谱系统主机连接通过所述珍珠测试平台,通过精确调整待测珍珠样品与太赫兹发射探头之间的相对位置,使采集得到的太赫兹时域波形信号具有最大信噪比。
进一步,所述太赫兹发射探头发射汇聚的太赫兹光束在待测珍珠样品表面的太赫兹光斑直径不大于3mm。
进一步,所述太赫兹接收探头与太赫兹发射探头之间具有一个夹角θ,夹角θ范围为0≤θ<180°。
一种珍珠珠层厚度的无损测量方法,首先,将珍珠样品放置到珍珠测试平台上,然后,调节珍珠测试平台的X/Y/Z位置,使太赫兹接收探头测得的太赫兹时域波形信号具有最大信噪比,最后,将太赫兹时域光谱系统主机测得的待测珍珠样品反射回来的太赫兹时域波形信号中,包含的太赫兹波分别在待测珍珠样品外表面和内部珠核界面反射形成的反射峰,通过测算两个反射峰的时间间隔Δt,利用公式:公式中:c为真空中的光速,n为珍珠外层在太赫兹频段的折射率,θ是太赫兹发射和接收探头之间的夹角,即可测算出珍珠层的厚度。
进一步,上述过程中,将太赫兹发射探头和太赫兹接收探头改造为共光路垂直入射方式,即:太赫兹波以垂直方式入射至珍珠表面,上述公式中θ=0。
进一步,通过调节珍珠测试平台的旋转角度,改变太赫兹入射到待测珍珠样品上的测试点位置,重复调节珍珠测试平台的X/Y/Z位置和从上述太赫兹时域波形信号中,提取两个反射峰的时间间隔Δt,然后利用上述公式计算得到待测珍珠样品圆周测试点的厚度值,从而可实现待测珍珠样品圆周一周的厚度分布曲线。
本发明的有益效果是:
1.与X射线检测技术相比:本发明使用太赫兹波检测,对操作人员安全无辐射电离伤害;并且具有更高的分辨率,能够更加有效的检测珠层较薄(微米级)的珍珠样品。
2.与光学层析成像技术相比:得益于太赫兹波对珍珠层具有良好的穿透性,因此本发明能够对珠层较厚的珍珠进行更加有效的厚度测量。
附图说明
图1是本发明的珍珠珠层厚度的无损测量装置装置示意图;
图2是太赫兹波聚焦入射到珍珠样品,然后被珍珠反射回来的太赫兹信号的时域波形图;其中:主峰A和次峰B分别是太赫兹在珍珠外表面反射、以及珍珠层与内部珠核交界面反射形成的反射峰,Δt表示主峰A和次峰B之间的时间间隔Δt;
图3是利用本发明提供的方法,对典型珍珠样品旋转一周测试得到的珠层厚度曲线;
图中:1-太赫兹发射探头,2-太赫兹接收探头,3-太赫兹时域光谱系统主机,4-珍珠测试平台,5-待测珍珠。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明的珍珠珠层厚度的无损测量装置,由太赫兹收发探头1、太赫兹接收探头2、太赫兹时域光谱系统主机3、珍珠测试平台4等组成。
其中,太赫兹时域光谱系统主机3用于实现太赫兹时域波形测量功能;太赫兹发射探头1用于产生脉冲太赫兹波;太赫兹接收探头2用于探测太赫兹时域波形信号;珍珠测试平台4用于放置待测珍珠样品,支持样品的360°旋转和三维位置的微米级调节。
珍珠样品的测量放置方式:太赫兹发射探头1发射汇聚的太赫兹光束至待测珍珠5表面;在待测珍珠5表面的太赫兹光斑直径不大于3mm;太赫兹接收探头2与太赫兹发射探头1之间的夹角θ范围为0≤θ<180°;太赫兹接收探头2采集被待测珍珠5反射回来的太赫兹时域波形信号;通过精确调整待测珍珠5与太赫兹发射探头1之间的相对位置,使采集得到的太赫兹时域波形信号具有最大信噪比。
珍珠厚度的测算方法:上述待测珍珠5反射回来的太赫兹时域波形信号中,包含太赫兹波分别在待测珍珠5外表面和内部珠核界面反射形成的反射峰,通过测算两个反射峰的时间间隔(Δt),即可测算出珍珠层的厚度公式中:c为真空中的光速,n为珍珠外层在太赫兹频段的折射率,θ是太赫兹发射和接收探头之间的夹角。
对于光电技术领域的专业人员,通过简单的光路改造,将太赫兹发射探头和太赫兹接收探头改造为共光路垂直入射方式,即:太赫兹波以垂直方式入射至珍珠表面,相当于上述公式中θ=0,该方案也在本发明的保护范围内。
作为一种实施示例,太赫兹收发探头和太赫兹时域光谱系统主机可选用华太极光光电技术有限公司生产的TA-CR200型太赫兹光谱系统(包含了太赫兹收发探头和主机);珍珠测试平台具有X/Y/Z三轴位移调节和旋转调节功能,可以使用Thorlabs公司的三维平移台PT3A/M和旋转位移台PR01/M组装搭建。
本发明采用珍珠珠层厚度的无损测量装置测量珍珠珠层厚度的方法,实施步骤如下:
(1)将TA-CR200型太赫兹光谱系统的太赫兹收发探头与主机通过光纤和线缆连接。
(2)将珍珠样品放置到测试平台上。
(3)手动调节测试平台的X/Y/Z位置,使太赫兹接收探头测得的太赫兹时域波形信号具有最大信噪比;
(4)从上述太赫兹时域波形信号中,提取两个反射峰(图2中的主峰A和次峰B)的时间间隔Δt,然后利用公式即可计算得到珍珠当前测试点的厚度值。公式中:c为真空中的光速,θ为太赫兹收发探头之间的夹角,n为珍珠层在太赫兹频段的折射率。本实施案例中:θ=90°,n=2.236(参考文献:郭昌盛.珍珠粉的太赫兹波谱定量检测研究.中国计量学院,2012.)。
(5)调节测试平台的旋转角度,改变太赫兹入射到珍珠上的测试点位置,重复上述步骤(3)/(4),即可实现珍珠圆周一周的厚度分布曲线,如图3所示。
以上所述仅为本发明的优选实例而已,但本发明的保护范围并不局限于此,对于本领域,的熟悉的技术人员来说,本发明可以有各种的更改和变化,都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种珍珠珠层厚度的无损测量装置,由太赫兹时域光谱系统主机、太赫兹发射探头、太赫兹接收探头、珍珠测试平台组成,其特征在于:所述珍珠测试平台由旋转台和三维位置调节机构组成,旋转台下面连接三维位置调节机构,上面放置待测珍珠样品,可实现待测珍珠样品的360°旋转和三维位置的微米级调节;所述太赫兹发射探头和太赫兹接收探头分别置于待测珍珠样品上方,所述太赫兹发射探头发射汇聚的太赫兹光束至待测珍珠样品表面;太赫兹接收探头采集被待测珍珠样品反射回来的太赫兹时域波形信号;所述太赫兹时域光谱系统主机连接太赫兹发射探头、太赫兹接收探头,用于实现太赫兹时域波形测量。
2.根据权利要求1所述的珍珠珠层厚度的无损测量装置,其特征在于:所述太赫兹时域光谱系统主机连接所述珍珠测试平台,通过精确调整待测珍珠样品与太赫兹发射探头之间的相对位置,使采集得到的太赫兹时域波形信号具有最大信噪比。
3.根据权利要求1所述的珍珠珠层厚度的无损测量装置,其特征在于:所述太赫兹发射探头发射汇聚的太赫兹光束在待测珍珠样品表面的太赫兹光斑直径不大于3mm。
4.根据权利要求1所述的珍珠珠层厚度的无损测量装置,其特征在于:所述太赫兹接收探头与太赫兹发射探头之间具有一个夹角θ,夹角θ范围为0≤θ<180°。
5.一种采用权利要求1-3任一所述的珍珠珠层厚度的无损测量的测量方法,其特征在于:首先,将珍珠样品放置到珍珠测试平台上,然后,调节珍珠测试平台的X/Y/Z位置,使太赫兹接收探头测得的太赫兹时域波形信号具有最大信噪比,最后,将太赫兹时域光谱系统主机测得的待测珍珠样品反射回来的太赫兹时域波形信号中,包含的太赫兹波分别在待测珍珠样品外表面和内部珠核界面反射形成的反射峰,通过测算两个反射峰的时间间隔Δt,利用公式公式中:c为真空中的光速,n为珍珠外层在太赫兹频段的折射率,θ是太赫兹发射和接收探头之间的夹角,即可测算出珍珠层的厚度。
6.根据权利要求5所述的测量方法,其特征在于:上述过程中,将太赫兹发射探头和太赫兹接收探头改造为共光路垂直入射方式,即:太赫兹波以垂直方式入射至珍珠表面,上述公式中θ=0。
7.根据权利要求5所述的测量方法,其特征在于:通过调节珍珠测试平台的旋转角度,改变太赫兹入射到待测珍珠样品上的测试点位置,重复调节珍珠测试平台的X/Y/Z位置和从上述太赫兹时域波形信号中,提取两个反射峰的时间间隔Δt,然后利用上述公式计算得到待测珍珠样品圆周测试点的厚度值,从而可实现待测珍珠样品圆周一周的厚度分布曲线。
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