CN111964596B - 一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置，包括太赫兹时域光谱系统主机、太赫兹测量装置、石英窗口及金属板；太赫兹测量装置用于发射和接收太赫兹波，其通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机连接；太赫兹时域光谱系统主机对从太赫兹测量装置接收的太赫兹波进行记录，并显示和处理太赫兹时域信号；石英窗口通过连接件安装在太赫兹测量装置上，金属板放置于石英窗口下方，太赫兹测量装置、石英窗口及金属板相互平行，保证太赫兹测量装置发射的太赫兹波垂直入射石英窗口并被金属板反射。本发明同时公开了一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量方法。

Description

一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置及方法
技术领域
本发明属于太赫兹无损检测领域，具体涉及一种利用太赫兹脉冲对非金属、非极性材料的厚度和折射率进行测量的装置及方法。
背景技术
太赫兹波是频率为0.1THz～10THz的电磁波，介于微波与红外波段之间。太赫兹脉冲宽度在皮秒量级，具有较高的时间和空间分辨率，可用于如纸张、涂层，橡胶等非极性非金属材料的厚度测量。与传统测量手段(如超声、涡流、X射线检测方法)相比，基于太赫兹脉冲的厚度测量方法无需破坏和接触材料本体，同时由于太赫兹光子能量低，不会对环境和人体造成破坏，是一种高效、环保的无损厚度测量手段。
传统太赫兹厚度测量方法需要预先获得材料的折射率信息，然后利用太赫兹信号飞行时间差计算材料厚度。然而，由于材料的折射率在空间分布存在一定差异，在实际应用中难以反映材料真实的折射率信息，导致厚度测量精度降低。目前，在太赫兹厚度测量方法方面存在如下一种改进方法【专利号CN108020165B】。其通过对材料进行多角度测量，获得两次测量信号的飞行时间差，能够在材料折射率未知的情况下测量材料的厚度。该方法需要进行两次测量且需进行角度调整，增加了测量难度，同时也降低了检测效率。还有一种改进方法，其先通过计算太赫兹入射能量与反射能量比值推导材料折射率，然后利用太赫兹信号飞行时间差计算材料厚度【专利申请号CN110081826A】。该方法避免了多次测量，但没有将材料的吸收考虑在内，不适用于高吸收材料的测量。本专利针对目前利用太赫兹脉冲对材料厚度测量方法中存在的问题，提出一种新的卡规式厚度测量方法，通过一次测量能够同时获得材料的折射率和厚度信息。
发明内容
为了解决目前太赫兹厚度测量方法中存在的测量过程复杂、不适用于高吸收材料、计算复杂程度高等问题，本发明提供一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置及方法，能够对非极性、非金属材料厚度进行测量，无需材料折射率信息，无需重复测量，计算简单，能够准确快速的测量材料的厚度和折射率信息，厚度测量精度可达到微米量级，大大提高材料厚度测量精度和效率。用于测量材料应为平板型材料，即材料应具有平行的上表面与下表面。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
作为本发明的一方面，提供一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置，包括太赫兹时域光谱系统主机、太赫兹测量装置、石英窗口及金属板；太赫兹测量装置用于发射和接收太赫兹波，其通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机连接；太赫兹时域光谱系统主机对从太赫兹测量装置接收的太赫兹波进行记录，并显示和处理太赫兹时域信号；石英窗口通过连接件安装在太赫兹测量装置上，金属板放置于石英窗口下方，太赫兹测量装置、石英窗口及金属板相互平行，保证太赫兹测量装置发射的太赫兹波垂直入射石英窗口并被金属板反射。
进一步地，所述石英窗口和金属板之间的区域为测量区域，待测量材料放置于测量区域内，待测量材料应与石英窗口和金属板保持平行。
进一步地，所述太赫兹测量装置发射的太赫兹波将依次穿过石英窗口的上表面、下表面，并在金属板被全部反射。
进一步地，所述石英窗口为平板型石英材质薄片。
作为本发明的另一方面，本发明同时提供一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量方法，能够实现材料厚度及折射率的快速测量，包括以下步骤：
S1.安装并调试装置，将太赫兹测量装置通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机连接，将石英窗口通过连接件与太赫兹测量装置连接，将金属板置于石英窗口下方，保证石英窗口与金属板平行；
S2.调整太赫兹测量装置与金属板之间的距离，使太赫兹时域光谱系统主机记录的太赫兹时域信号的峰峰值达到最大；
S3.获取未放置样品时的太赫兹时域信号，计算未放置样品时石英窗口下表面反射信号PK2与金属板反射信号PK3的飞行时间差Δt1＝PK3-PK2；
S4.将测试材料放置在石英窗口与金属板之间，并与石英窗口平行，获取放置材料后太赫兹时域信号，计算放置测试材料后石英窗口下表面反射信号PK5与金属板反射信号PK8的飞行时间差Δt2＝PK8-PK5，同时计算测试材料上表面反射信号PK6与测试材料下表面反射信号PK7的飞行时间差Δt3＝PK7-PK6；
S5.根据测试材料厚度计算测试材料折射率。
进一步地，所述步骤S5中测试材料厚度由以下公式计算：
Figure BDA0002639462350000031
其中，c为真空中光速，na为空气折射率。
进一步地，所述步骤S5中，测试材料折射率由以下公式计算：
Figure BDA0002639462350000032
本发明的有益效果是：
(1)一次测量即可同时获得材料的厚度和信息，计算方法简单，测量精度可达微米量级；
(2)无需复杂的装置，仅需在太赫兹测量装置前安装一个石英片即可，且太赫兹测量装置与金属板间距离可调节；
(3)能够容易地推广到太赫兹工业厚度测量中，如对纸张，橡胶，涂层等厚度的在线测量。
附图说明
为了清楚地说明本申请技术方案的具体实施细节，下面对本方案所需要使用的附图说明进行简要介绍。
图1所示为本技术方案所采用的装置结构示意图；
图2所示为无测试材料时太赫兹波反射情况意图；
图3所示为无测试材料时太赫兹波时域信号；
图4所示为放置测试材料时太赫兹波反射情况示意图；
图5所示为放置测试材料时太赫兹波时域信号；
图6所示为本实施方案工作流程；
图中：
1-太赫兹时域光谱系统主机；2-太赫兹测量装置；3-石英窗口；4-连接件；5-金属板；6-待测量材料。
具体实施方式
已下描述中，所提出的诸如太赫兹时域光谱系统、太赫兹测量装置、连接件等，仅是为了说明而非做出限定，以便说明本技术方案的实施细节。为了突出本技术方案的主要技术细节，省略了对已为人熟知的系统、装置及方法的详细说明。
如图1所示，一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置，主要由太赫兹时域光谱系统主机1，太赫兹测量装置2，石英窗口3、连接件4及金属板5组成。
太赫兹测量装置2用于发射和接收太赫兹波，其通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机1连接。太赫兹时域光谱系统主机1能够对从太赫兹测量装置2接收的太赫兹波进行记录，并具有显示和处理太赫兹时域信号的能力。石英窗口3通过连接件4安装在太赫兹测量装置2上，金属板5放置于石英窗口3下方。太赫兹测量装置2、石英窗口3和金属板5应相互平行，保证太赫兹测量装置2发射的太赫兹波能够垂直入射石英窗口3，并被金属板5反射。
石英窗口3和金属板5之间的区域为测量区域，待测量材料放置于测量区域内，待测量材料应与石英窗口3和金属板5保持平行。
石英窗口3为平板型石英材质薄片。
如图2所示为无测试材料时太赫兹波反射情况示意图。太赫兹测量装置2发射的太赫兹波将依次穿过石英窗口3的上表面、下表面，并在金属板5被全部反射。太赫兹波各个界面依次产生反射信号并被太赫兹测量装置2接收，记录在太赫兹时域光谱系统主机1中，记录的太赫兹时域信号如图3所示。其中PK1为石英窗口3的上表面反射信号，PK2为石英窗口3的下表面反射信号，PK3为金属板5反射信号。
如图4所示为放置测试材料时太赫兹波反射情况示意图。太赫兹测量装置2发射的太赫兹波将依次穿过石英窗口3的上表面、下表面，测设材料5上表面、下表面，并在金属板5被全部反射。太赫兹波各个界面依次产生反射信号并被太赫兹测量装置2接收，记录在太赫兹时域光谱系统主机1中，记录的太赫兹时域信号如图5所示。其中PK4为石英窗口3的上表面反射信号，PK5为石英窗口3的下表面反射信号，PK6为测试材料上表面反射信号，PK7为测试材料下表面反射信号，PK8为金属板5反射信号。
进一步，为了详细说明本技术方案的具体实施过程，对整个测量及计算过程进行详细描述，如图6所示为本实施方案的工作流程。
(1)安装并调试装置，将太赫兹测量装置2通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机1连接，将石英窗口3通过连接件4与太赫兹测量装置2连接，将金属板5置于石英窗口3下方，保证石英窗口3与金属板5平行。
(2)调整太赫兹测量装置2与金属板5之间的距离，使太赫兹时域光谱系统主机1记录的太赫兹时域信号的峰峰值达到最大。
(3)在未放置测试材料时，获取太赫兹时域光谱系统主机1记录的太赫兹时域信号。计算石英窗口3下表面反射信号PK2与金属板5反射信号PK3的飞行时间差Δt1＝PK3-PK2。
(4)将测试材料放置在石英窗口3与金属板5之间，并与石英窗口3平行，获取太赫兹时域光谱系统主机1记录的太赫兹时域信号。计算石英窗口3下表面反射信号PK5与金属板5反射信号PK8的飞行时间差Δt2＝PK8-PK5。同时，计算测试材料上表面反射信号PK6于测试材料下表面反射信号PK7的飞行时间差Δt3＝PK7-PK6。
(5)测试材料厚度由公式
Figure BDA0002639462350000061
计算，其中c为真空中光速，na为空气折射率。
(6)获得测试材料厚度后，由公式
Figure BDA0002639462350000062
可计算材料折射率。
(7)对于新测试材料的测量，重复步骤(4)到步骤(6)即可。

Claims (4)

1.一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置，其特征在于，包括太赫兹时域光谱系统主机、太赫兹测量装置、石英窗口及金属板；太赫兹测量装置用于发射和接收太赫兹波，其通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机连接；太赫兹时域光谱系统主机对从太赫兹测量装置接收的太赫兹波进行记录，并显示和处理太赫兹时域信号；石英窗口通过连接件安装在太赫兹测量装置上，金属板放置于石英窗口下方，太赫兹测量装置、石英窗口及金属板相互平行，保证太赫兹测量装置发射的太赫兹波垂直入射石英窗口并被金属板反射；所述石英窗口和金属板之间的区域为测量区域，待测量材料放置于测量区域内，待测量材料应与石英窗口和金属板保持平行。
2.如权利要求1所述的一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置，其特征在于，所述太赫兹测量装置发射的太赫兹波将依次穿过石英窗口的上表面、下表面，并在金属板被全部反射。
3.如权利要求1所述的一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量装置，其特征在于，所述石英窗口为平板型石英材质薄片。
4.一种基于太赫兹脉冲的卡规式厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.安装并调试装置，将太赫兹测量装置通过光纤线缆与太赫兹时域光谱系统主机连接，将石英窗口通过连接件与太赫兹测量装置连接，将金属板置于石英窗口下方，保证石英窗口与金属板平行；
S2.调整太赫兹测量装置与金属板之间的距离，使太赫兹时域光谱系统主机记录的太赫兹时域信号的峰峰值达到最大；
S3.获取未放置测试材料时的太赫兹时域信号，计算未放置测试材料时石英窗口下表面反射信号PK2与金属板反射信号PK3的飞行时间差Δt1＝PK3-PK2；
S4.将测试材料放置在石英窗口与金属板之间，并与石英窗口平行，获取放置测试材料后太赫兹时域信号，计算放置测试材料后石英窗口下表面反射信号PK5与金属板反射信号PK8的飞行时间差Δt2＝PK8-PK5，同时计算测试材料上表面反射信号PK6与测试材料下表面反射信号PK7的飞行时间差Δt3＝PK7-PK6；
S5.根据测试材料厚度计算测试材料折射率：
测试材料厚度由以下公式计算：
Figure FDA0003204181900000021
其中，c为真空中光速，na为空气折射率；
测试材料折射率由以下公式计算：
Figure FDA0003204181900000022
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