CN114001666A - 一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，其包括三维移动单元、六足位移台、激光轮廓仪、太赫兹镜头、主控制器和上位机，三维移动单元将检测点XY坐标信息实时发送给主控制器，激光轮廓仪用于实时测量检测点与太赫兹镜头的距离和法线角度并发送给主控制器，主控制器根据接收到的距离和角度信息调整三维移动单元和六足位移台，矫正太赫兹镜头的Z向位移和XYZ角度，用于调整任一检测点位于太赫兹镜头焦点处且太赫兹波垂直入射于该检测点，上位机与主控制器连接，用于将获取的检测点坐标信息和该检测点的太赫兹信号一一对应进行三维成像。激光轮廓仪用以矫正太赫兹镜头的Z向位移和XYZ角度，保证太赫兹波垂直入射每一个检测点。
Description
技术领域：
本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置。
背景技术：
太赫兹是频率在0.1T～10T之间的一段电磁波，其具有独特的穿透性与指纹频谱特性，在成像与无损检测领域具有广阔的应用前景。在可见光波段，成像主要依靠物体漫反射，而在 THz波段，成像主要依靠反射，此时，光线在被测物上的入射角和被测物体表面的凹凸变化都会对成像结果造成很大影响。
图1太赫兹波垂直入射到物体表面与非垂直入射情况下的回波收集情况示意图。当太赫兹垂直入射时，太赫兹镜头能完全获取反射后的入射信号，被测物成像的轮廓会很清晰；当太赫兹非垂直入射时，入射信号经反射后无法完全被太赫兹镜头接收，此时虽然可以对被测物进行成像，但是其信号衰减很大，图像对比度下降，物体轮廓也会出现失真。通过将多个摆放在不同地点照射角度不同的THz源信号直接照射到被测物表面上是这个问题一种可能的解决方法，这样成像的结果接近于被测物漫反射的效果。上述方法效果不是十分理想且需要使用多个信号源。若只有单一信号源，也可以通过增加成像时间的方式达到同样效果，即通过将单一信号源交替摆放在不同位置不同角度成像然后通过软件算法把不同位置的成像结果拟合叠加实现多个信号源的效果。但是这两种方法分别会大大增加太赫兹成像的经济成本与时间成本，限制该技术在无损检测领域的推广与应用。
发明内容：
目前基于逐点扫描的太赫兹成像技术仅在对平面被测物成像时具有良好的应用效果，且受限于扫描平台的行程，被测物的尺寸不能太大，针对这种情况，本发明提出了一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，可以在工业场景下进行应用。
为了实现上述目的，本发明涉及的适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，包括三维移动单元、六足位移台、激光轮廓仪、太赫兹镜头、主控制器和上位机，激光轮廓仪和太赫兹镜头均固定在六足位移台的运动平台上，被测物置于激光轮廓仪和太赫兹镜头下部，三维移动单元用于调整激光轮廓仪和太赫兹镜头与被测物在X、Y和Z三个方向上的相对距离，六足位移台用于调整所述激光和太赫兹波入射到被测物的角度保证激光轮廓仪发出的激光和太赫兹镜头发出的太赫兹波平行入射到被测物表面，主控制器分别与三维移动单元、六足位移台、激光轮廓仪和太赫兹镜头连接，三维移动单元将检测点XY坐标信息实时发送给主控制器，激光轮廓仪用于实时测量检测点与太赫兹镜头的距离和法线角度并发送给主控制器，主控制器根据接收到的距离和角度信息调整三维移动单元和六足位移台，矫正太赫兹镜头的Z 向位移和XYZ角度，用于调整任一检测点位于太赫兹镜头焦点处且太赫兹波垂直入射于该检测点，上位机与主控制器连接，用于将获取的检测点坐标信息和该检测点的太赫兹信号一一对应进行三维成像。
具体地，太赫兹镜头上部固定在六足位移台的运动平台上，激光轮廓仪固定在太赫兹镜头一侧。
具体地，所述三维移动单元包括安装底座、被测物传送带、龙门支架、X向位移台、Z向位移台和转接板，龙门支架安装在安装底座上，被测物传送带置于龙门支架下侧，被测物置于被测物传送带上，在被测物传送带的带动下沿Y方向移动，沿龙门支架横梁固定X向位移台， Z向位移台与X向位移台连接，六足位移台的固定平台通过转接板固定在Z向位移台底部，所述被测物传送带、X向位移台、Z向位移台均与主控制器连接。
具体地，所述三维移动单元包括安装底座、Y向位移台、龙门支架、X向位移台、Z向位移台和转接板，Y向位移台固定在安装底座两侧，龙门支架两支架底部分别与两侧的Y向位移台连接，被测物置于安装底座上，Z向位移台与X向位移台连接，六足位移台的固定平台通过转接板固定在Z向位移台底部，所述Y向位移台、X向位移台、Z向位移台均与主控制器连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中太赫兹镜头具有XYZ三个方向的旋转自由度，使得太赫兹波在每个检测点都可以实现垂直入射，确保了检测成像的精度；
2、本太赫兹扫描成像装置采用龙门式架构，具有6个维度的自由度，其中5个自由度分配给了太赫兹镜头，1个自由度分配给了被测物，在有限的空间内可以有效的提升检测成像的范围，而且特别适合在工业流水线上应用。
3、太赫兹镜头侧面配备有激光轮廓仪，可以跟随太赫兹镜头同步运动，并对被测物表面每个检测点与太赫兹镜头的距离和法线角度进行实时测量，用以矫正太赫兹镜头的Z向位移和 XYZ角度，保证太赫兹波每一个检测点都是垂直入射且到第一反射面所走过的光程都是相等的。
4、本发明装置具备控制中枢、执行机构、反馈环节，设置好初始参数后可以实现闭环自动化控制，大大提升了检测效率。
附图说明：
图1为太赫兹波垂直入射到物体表面与非垂直入射情况下的回波收集情况示意图。
图2为实施例1涉及的一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置。
图3为实施例2涉及的一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图2所示，本发明涉及的一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，包括三维移动单元、六足位移台8、激光轮廓仪9、太赫兹镜头10、主控制器11和上位机12，激光轮廓仪9和太赫兹镜头10上部均固定在六足位移台8的运动平台上，被测物置于激光轮廓仪9 和太赫兹镜头10下部，三维移动单元用于调整激光轮廓仪9和太赫兹镜头10与被测物在X、Y 和Z三个方向上的相对距离，六足位移台8用于调整所述激光和太赫兹波入射到被测物的角度保证激光轮廓仪9发出的激光和太赫兹镜头10发出的太赫兹波平行入射到被测物表面，主控制器11分别与三维移动单元、六足位移台8、激光轮廓仪9和太赫兹镜头10连接，三维移动单元将检测点XY坐标信息实时发送给主控制器11，激光轮廓仪9用于实时测量检测点与太赫兹镜头的距离和法线角度并发送给主控制器11，主控制器根据接收到的距离和角度信息调整三维移动单元和六足位移台8，矫正太赫兹镜头的Z向位移和XYZ角度，用于调整任一检测点位于太赫兹镜头10焦点处且太赫兹波垂直入射于该检测点，上位机12与主控制器11连接，用于将获取的检测点坐标信息和该检测点的太赫兹信号一一对应进行三维成像。
具体地，太赫兹镜头10上部固定在六足位移台8的运动平台上，激光轮廓仪9固定在太赫兹镜头10一侧，激光轮廓仪9随太赫兹镜头10同步移动，便于保证激光轮廓仪9发出的激光和太赫兹镜头10发出的太赫兹波平行。
具体地，主控制器11用于采集激光轮廓仪9发来的激光入射角度，确定回波信号最强时六足位移台8的旋转角度，该旋转角度下所述激光和太赫兹波垂直入射到被测物上某一检测点，同时在该角度下控制三维移动单元在Z方向上运动，当采集的太赫兹反射峰信号最强时，所述检测点置于焦点位置。
作为一种实现方式，所述三维移动单元包括安装底座(地基)1、被测物传送带2、龙门支架4、X向位移台5、Z向位移台6和转接板7，龙门支架4通过地脚螺钉安装在安装底座(地基) 1上，被测物传送带2置于龙门支架4下侧且通过脚螺钉固定在安装底座(地基)1上，被测物3 置于被测物传送带2上，在被测物传送带2的带动下沿Y方向移动，沿龙门支架4横梁固定X向位移台5，Z向位移台6与X向位移台5连接，在X向位移台5的带动下Z向位移台6沿X方向移动，六足位移台8的固定平台通过转接板7固定在Z向位移台6底部，在Z向位移台6的带动下六足位移台8沿Z方向移动。所述被测物传送带2、X向位移台5、Z向位移台6均与主控制器11连接。
整个扫描成像装置的坐标系采用笛卡尔直角坐标系来构建，X向位移台5的移动方向为X 轴，由左至右为X正方向；被测物传送带2的移动方向为Y轴，由前至后为Y正方向；Z向位移台 6的移动方向为Z轴，由下至上为Z正方向。本扫描成像装置X向的扫描范围由X向位移台5的行程决定，在龙门支架4刚度满足要求的基础上，最大可以做到十几米；Y向的扫描范围则是由被测物传送带2的长度决定，且空间上没有限制，可以根据实际需要进行配置，非常适合工业化的检测应用场景；Z向的调节主要是为了适应被测物高低不平的表面，通过Z向的调节可以使得太赫兹镜头的最前端光学表面与被测物第一反射面的距离始终保持一致，这在纵向成像中是非常重要的一点。
本发明涉及的一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置工作过程：
(1)原点校准：将X向位移台5运动至最左端，记为X零点；被测物传动带2为循环运动，停在任意位置，记为Y零点；粗略测量被测物最高点与最低点距离传动带表面的距离，选取一高度位于二者中间的表面光滑且对立面平行度优于0.05mm的长方体金属块，置于太赫兹镜头 10下方的被测物传送带2上，调节Z向位移台6，使得金属块上表面位于太赫兹镜头10焦点处，此处记为Z零点；调节六足位移台XYZ方向的旋转，使得太赫兹镜头探测到的回波信号最强，此处记为XYZ旋转方向的零点，并记录下激光轮廓仪9反馈回的角度与距离，标记为0。
(2)坐标轴构建：X向位移台5由左至右移动，记为X正方向；被测物传动带2由前至后运动，记为Y正方向；Z向位移台6由下至上运动，记为Z正方向。
(3)运动控制：开启扫描成像装置，被测物传送带2带动被测物3沿Y方向移动，X向位移台5带动Z向位移台6与太赫兹镜头10、激光轮廓仪9沿X轴做往复运动；X、Y每移动到一个检测点，激光轮廓仪9反馈回来距离和角度数据，通过调节Z向位移台6调节距离数据，通过调节六足位移台调节角度数据，使得激光轮廓仪反馈回来的距离与角度数据始终为0，即保证检测点始终处于太赫兹镜头的焦点位置且太赫兹波在检测点始终垂直入射。
(4)成像模式：本发明所述太赫兹成像为逐点扫描成像，可以蛇形成像，即X、Y以设定好的步长同步运动；也可以列成像，即X以设定好的步长运动全行程后，Y再运动一个步长。X、 Y的运动步长可以根据检测的精度要求进行设定。
(5)数据采集与成像：X、Y每运动到一点，会将坐标信息上传至主控制器，主控制器将坐标信息传给上位机用于成像，同时会向激光轮廓仪9发出触发信号，激光轮廓仪9开始测量该点距离与角度，并将数据反馈给主控制器，主控制器控制Z向位移台6与六足位移台进行调整，使得距离与角度均为0，调节完成后主控制器开始控制太赫兹镜头10进行太赫兹信号采集。采集到的太赫兹信号将与XY坐标值一一对应，最终在上位机进行三维呈现。
本实施例涉及的一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，具有6个维度的自由度，其中5个自由度分配给了太赫兹镜头，1个自由度分配给了被测物，在有限的空间内可以有效的提升检测成像的范围。同时，由于镜头具有X、Y、Z三个方向的旋转自由度，使得太赫兹波在每个检测点都可以实现垂直入射，确保了检测成像的精度。太赫兹镜头侧面配备有激光轮廓仪，可以跟随太赫兹镜头同步运动，并对被测物表面每个检测点与太赫兹镜头的距离和法线角度进行实时测量，用以矫正太赫兹镜头的Z向位移和XYZ角度，保证太赫兹波每一个检测点都是垂直入射且到第一反射面所走过的光程都是相等的。
实施例2
本实施例除三维移动单元，其他均匀实施例1相同。
如图3所示，所述三维移动单元包括安装底座(地基)1、Y向位移台2′、龙门支架4、X向位移台5、Z向位移台6和转接板7。Y向位移台2′固定在安装底座(地基)1两侧，龙门支架 4两支架底部分别与两侧的Y向位移台2′连接，在Y向位移台2′的带动下龙门支架4沿Y方向移动，被测物3置于安装底座上，沿龙门支架4横梁固定X向位移台5，Z向位移台6与X向位移台5连接，在X向位移台5的带动下Z向位移台6沿X方向移动，六足位移台8的固定平台通过转接板7 固定在Z向位移台6底部，在Z向位移台6的带动下六足位移台8沿Z方向移动。所述Y向位移台 2′、X向位移台5、Z向位移台6均与主控制器11连接。
Claims (4)
1.一种适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，其特征在于，包括三维移动单元、六足位移台、激光轮廓仪、太赫兹镜头、主控制器和上位机，激光轮廓仪和太赫兹镜头均固定在六足位移台的运动平台上，被测物置于激光轮廓仪和太赫兹镜头下部，三维移动单元用于调整激光轮廓仪和太赫兹镜头与被测物在X、Y和Z三个方向上的相对距离，六足位移台用于调整所述激光和太赫兹波入射到被测物的角度保证激光轮廓仪发出的激光和太赫兹镜头发出的太赫兹波平行入射到被测物表面，主控制器分别与三维移动单元、六足位移台、激光轮廓仪和太赫兹镜头连接，三维移动单元将检测点XY坐标信息实时发送给主控制器，激光轮廓仪用于实时测量检测点与太赫兹镜头的距离和法线角度并发送给主控制器，主控制器根据接收到的距离和角度信息调整三维移动单元和六足位移台，矫正太赫兹镜头的Z向位移和XYZ角度，用于调整任一检测点位于太赫兹镜头焦点处且太赫兹波垂直入射于该检测点，上位机与主控制器连接，用于将获取的检测点坐标信息和该检测点的太赫兹信号一一对应进行三维成像。
2.根据权利要求1所述的适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，其特征在于，太赫兹镜头上部固定在六足位移台的运动平台上，激光轮廓仪固定在太赫兹镜头一侧。
3.根据权利要求1所述的适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，其特征在于，所述三维移动单元包括安装底座、被测物传送带、龙门支架、X向位移台、Z向位移台和转接板，龙门支架安装在安装底座上，被测物传送带置于龙门支架下侧，被测物置于被测物传送带上，在被测物传送带的带动下沿Y方向移动，沿龙门支架横梁固定X向位移台，Z向位移台与X向位移台连接，六足位移台的固定平台通过转接板固定在Z向位移台底部，所述被测物传送带、X向位移台、Z向位移台均与主控制器连接。
4.根据权利要求1所述的适用于大范围复杂曲面物体的太赫兹扫描成像装置，其特征在于，所述三维移动单元包括安装底座、Y向位移台、龙门支架、X向位移台、Z向位移台和转接板，Y向位移台固定在安装底座两侧，龙门支架两支架底部分别与两侧的Y向位移台连接，被测物置于安装底座上，Z向位移台与X向位移台连接，六足位移台的固定平台通过转接板固定在Z向位移台底部，所述Y向位移台、X向位移台、Z向位移台均与主控制器连接。
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