CN108426852A - 一种多层介质材料内部缺陷的检测装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多层介质材料内部缺陷的检测装置，包括在时间ts内发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号的信号发生器、以及用于将所述低频信号通过n次倍频链路以获得在时间ts内发射频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号的太赫兹倍频链路器，其中n为大于或等于8的整数。本发明提供的一种多层介质材料内部缺陷的检测装置及其方法，可检测的材料更广泛、自由选择性强、适用范围广、实用性强，可降低检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及多层介质材料构件质量控制领域，尤其涉及一种多层介质材料内部缺陷的检测装置及其方法。
背景技术
随着科技的发展，越来越多的多层介质材料被应用于航空航天、高压电力输运等关乎国家安全和民生的大工程中。该类材料的质量关乎整套大***的可靠运行，但是，由于制造工艺的原因，这类多层介质材料内部往往会存在整体脱粘或局部脱粘，有的甚至会形成气缝，完全分离，例如航天发动机桶段等；有的由于材质不均匀会出现冗余应力，例如风力叶片；有的会存在异物，使得材料电绝缘性变差，造成击穿，例如特高压变电绝缘包裹层。从而影响了材料的整体性能并造成巨大安全隐患，特别是对于可靠性要求高，长存储使用周期的大型装备和***，这种缺陷对***整体可靠性评估十分关键，并且迄今为止，没有针对大型多层介质材料整体性脱粘评估的高效装备和方法。
对于多层介质材料内部的缺陷检测，特别是航空航天等关键领域，现行的X射线技术对于薄层状介质材料对比度差，对于较厚的多层介质结构可以有效检出，但是由于检测速度慢，无法做到区域全覆盖，对使用人员存在一定程度的辐射伤害，设备笨重，不适合户外便携检测；热波技术不适用于绝热介质材料；超声扫描成像技术对于许多缠绕纤维成型结构和材料无能为力。
近年来发展的三维太赫兹成像技术有飞行时间成像、计算机辅助层析成像、衍射层析成像、菲涅耳透镜成像、全息成像等方法。飞行时间成像可以给出物体表面形貌或不同层面的三维结构，但它无法显示物体内部非层状的结构分布。计算机辅助层析成像中，太赫兹波焦点的直径需要小于层析成像所要求的空间分辨率，而其焦深需要大于被成像物体的尺寸。衍射层析成像中，低频区域的像的空间频率较低，而在高频区成像使用的太赫兹波信噪比较低，所以在低频区和高频区都存在质量较差的问题。菲涅耳透镜三维成像的横向分辨率受成像***的衍射限制，纵向分辨率受载波的光谱分辨率的限制；另外，待测物体的两个物平面的间距大于成像***的景深，才能使得各自的像不发生互相干扰，因此，成像质量也受成像***的景深的影响。三维全息术不能对很复杂的目标成像，也不能提取物体的光谱信息，在任何情况下它都不能提供重建目标的准确的折射率数据。
发明内容
本发明的目的在于以在不损坏多层介质材料的情况下对其内部缺陷进行检测，提供一种实用性强、适用性范围广的多层介质材料内部缺陷的检测装置及其方法。
本发明提供的一种多层介质材料内部缺陷的检测装置，包括在时间ts内发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号的信号发生器、以及用于将所述低频信号通过n次倍频链路以获得在时间ts内发射频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号的太赫兹倍频链路器，其中n为大于或等于8的整数。
作为一种优选方案，还包括锯齿波电源；所述锯齿波电源与所述信号发生器连接，用于输出连续的锯齿波电压信号以驱动所述信号发生器输出所述低频信号；所述太赫兹倍频链路器与所述信号发生器连接，用于将所述信号发生器发射的所述低频信号进行n次倍频形成所述太赫兹高频信号。
作为一种优选方案，还包括第一抛物面镜和第二抛物面镜，所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜分别位于所述太赫兹倍频链路器与一待测样品之间、且相对设置，所述第一抛物面镜用于反射所述太赫兹倍频链路器发射的所述太赫兹高频信号并经过所述第二抛物面镜会聚聚焦至所述待测样品上，聚焦后的所述太赫兹高频信号在所述待测样品表面及内部发生反射。
作为一种优选方案，还包括太赫兹分束器，所述太赫兹分束器设置在所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜之间、且所述太赫兹分束器与所述太赫兹高频信号的传输方向呈135°角设置，在所述待测样品表面及内部发生反射的太赫兹高频信号经过所述第二抛物面镜后由所述太赫兹分束器反射至与所述第二抛物面镜发射的路径垂直的方向。
作为一种优选方案，还包括太赫兹混频器，所述太赫兹混频器包括第一信号输入端、第二信号输入端和信号输出端；所述第一信号输入端与所述信号发生器连接，用于接收所述信号发生器发射出的部分太赫兹高频信号；所述第二信号输入端用于接收由所述分束器反射的太赫兹高频信号；所述太赫兹混频器将接收的所述太赫兹高频信号和所述低频信号混频得到中频信号。中频信号经过快速傅里叶变换处理，获得z方向目标一维像，能够反映缺陷的深度位置。
作为一种优选方案，还包括第三抛物面镜，所述第三抛物面镜用于将所述分束器反射的太赫兹高频信号聚焦至所述太赫兹混频器的第二信号输入端。
作为一种优选方案，还包括二维扫描装置，所述二维扫描装置用于控制经过第二抛物面镜聚焦的所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向。
作为一种优选方案，还包括数据采集装置和成像处理装置；所述数据采集装置与所述太赫兹混频器连接，用于采集所述太赫兹混频器混频得到的中频信号；所述成像处理装置与所述数据采集装置连接，用于接收所述中频信号并经过处理得到与所述二维扫描装置每一扫描位置对应的z方向的一维成像数组，所述二维扫描装置控制所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，得到多个所述一维成像数组构成一个三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据所述三维成像数据阵列输出与所述待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
作为一种优选方案，所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为NT，其中N为大于或等于1的整数；所述二维扫描装置的x和y方向扫描精度为0.1～20mm；T为10～500微秒；N为1～1024；所述锯齿波电源发射周期为T0，其中T0＝T，ts＝0.8T。
作为一种优选方案，所述二维扫描装置的x和y方向扫描精度为0.5mm；T为150微秒；N为256。
作为一种优选方案，n为8～96的整数，优选为8、16或24。
作为一种优选方案，所述多层介质材料为由玻璃纤维、陶瓷、树脂、无机化合物或橡胶材质通过压合、缠绕或模铸工艺形成的具有多层界面结构的构件。
作为一种优选方案，所述多层介质材料的形状为平面层状、圆柱层状、或无规则形状；所述多层介质材料内部缺陷为各层介质内部或之间形成的空洞、掺杂的异物、密度不均匀和/或层间脱粘。
作为一种优选方案，所述锯齿波电源发射周期为T，ts＝0.8T；所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为NT，其中N为大于等于1的整数；所述二维扫描装置定义与所述待测固体火箭发动机的表面平行的面为以x和y方向构成的x-y平面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；其中，所述二维扫描装置的x和y方向扫描精度为0.5mm；T为10～500微秒；N为1～1024。
本发明还提供了一种多层介质材料内部缺陷的检测方法，基于上述检测装置，包括以下步骤：
步骤S1：由所述锯齿波电源输出连续的锯齿波电压信号驱动信号发生器发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号，所述低频信号由9.375GHz变化至13.75GHz的时间为ts；所述太赫兹倍频链路器接收所述低频信号并进行n次倍频，发射在周期ts内频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号，其中n为大于或等于8的整数；
步骤S2：所述太赫兹倍频链路器发射的所述太赫兹高频信号发散传播至自由空间，经过所述第一抛物面镜准直成平行光，先通过所述太赫兹分束器，再经过所述第二抛物面镜会聚聚焦至所述待测样品，经过所述待测样品的各介质层界面反射，太赫兹高频信号经过所述第二抛物面镜原路返回至所述太赫兹分束器，经过所述太赫兹分束器反射至与原路反射垂直的方向；
步骤S3：所述信号发生器发射的所述低频信号一部分传输至所述太赫兹混频器中；所述太赫兹混频器接收所述太赫兹分束器反射的太赫兹高频信号和所述信号发生器发射的低频信号混频得到中频信号；
步骤S4：所述二维扫描装置控制经过第二抛物面镜聚焦的所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
步骤S5：所述数据采集装置接收所述中频信号并传输至所述成像处理装置中，经过所述成像处理装置处理得到与所述二维扫描装置每一扫描位置对应的z方向的一维成像数组，所述二维扫描装置控制所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，得到的多个所述一维成像数组构成一个三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据所述三维成像数据阵列输出与所述待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
本发明的有益效果在于：本发明利用太赫兹成像技术对多层介质材料的内部缺陷进行检测，由于太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高、释放的能量很小、不会在人体产生有害的光致电离等特点，本发明的检测装置针对检测的材料为介质类材料，例如玻璃纤维类、陶瓷类、树脂类、无机化合物类、橡胶类等材质。所述多层介质材料主要为上述材质通过压合、缠绕、模铸等工艺形成的具有多层界面的构件。所述构件的形状可以是平面层状，也可以是圆柱层状，或者是类似的无规则形状。所述内部缺陷为各层介质内部和之间形成的空洞、掺杂的异物、密度不均匀和层间脱粘，可以对多层介质结构内部缺陷有效检出，准确性高、重现性好，且不会对人体造成辐射伤害。同时，本发明的检测***结构紧凑，能够实现全天候全地域全时段使用，无需多余的配套耗材和防护装备，检测方便、快捷，太赫兹高频信号可检测的材料更广泛、自由选择性强、适用范围广、实用性强，可降低检测成本、提高生产效率。
附图说明
图1为本发明的一种多层介质材料内部缺陷的检测装置的结构示意图；
图2为本发明的待测样品1的实物图；
图2a为本发明的待测样品1对应的x-y方向成像图；
图2b为本发明的待测样品1对应的x-z方向成像图；
图3为本发明的待测样品2的实物图；
图3a为本发明的待测样品2对应的y-z方向成像图；
图4为本发明的待测样品3的实物图；
图4a为本发明的待测样品3对应的x-y方向成像图。
附图标记说明：
100-锯齿波电源； 101-信号发生器； 102-太赫兹倍频链路器；
103-第一抛物面镜； 104-第二抛物面镜； 105-第三抛物面镜；
106-太赫兹分束器； 107-太赫兹混频器； 108-数据采集装置；
109-成像处理装置； 110-二维扫描装置； 111-待测样品。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例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。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明提供的一种多层介质材料内部缺陷的检测装置，参考图1，包括在时间ts内发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号的信号发生器101、以及用于将所述低频信号通过n次倍频链路以获得在时间ts内发射频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号的太赫兹倍频链路器102，其中n为大于或等于8的整数。
本发明是用于检测多层介质材料的内部缺陷，针对检测的材料为介质类材料，例如玻璃纤维类、陶瓷类、树脂类、无机化合物类、橡胶类等材质。或者将上述材质通过压合、缠绕、模铸等工艺形成的具有多层界面的构件。构件形状可以是平面层状，也可以是圆柱层状，或者是类似的无规则形状。多层介质材料的总厚度在亚毫米到十几厘米，通常存在不同的介质，分为多层，是通过高压挤压或粘接等工艺手段压制为一个整体的构件，各层内部或之间可能存在脱开或脱粘、或存在异物空洞、或存在密度不均匀等现象，会导致材料结构整体性能指标降低从而影响材料质量的问题，本发明利用太赫兹成像技术对多层介质材料的内部脱粘缺陷进行检测，由于太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高、释放的能量很小、不会在人体产生有害的光致电离等特点，本发明的检测装置可以对较厚的多层介质结构进行有效检出，准确性高、重现性好，同时不会对人体造成辐射伤害。
本发明信号发生器101发射频率覆盖在9.375GHz～13.75GHz变化的低频信号作为基频信号，太赫兹倍频链路器102用于发射所需频率变化范围的连续调频的太赫兹高频信号。本发明可根据多层介质材料的厚度不同、不同分辨率的需要而选择不同倍次的太赫兹倍频链路器102，当检测较薄的多层介质材料时可选择高倍次的太赫兹倍频链路器102发射较高频率的太赫兹波，当检测厚度较大的多层介质材料可选择低倍次的太赫兹倍频链路器102发射较低频率的太赫兹波，还可选择倍次可调的太赫兹倍频链路器102发射不同频率的太赫兹波，基于此，本发明的检测装置可检测的材料更广泛、自由选择性强、适用范围广、实用性强，可降低检测成本。
例如，层分辨率γ＝c/2B(c为光速，B为带宽)，当n＝8，B＝35GHz，γ≈4.3mm，发射的高频太赫兹波频率由75GHz变化至110GHz，可适用于对风力叶片等10mm以上的厚大的目标进行检测；当n＝16，B＝70GHz，γ≈2.1mm，发射的高频太赫兹波频率由150GHz变化至220GHz，可适用于对复合材料壳体等5mm～30mm的目标进行检测；当n＝24，B＝105GHz,γ≈1.4mm，发射的高频太赫兹波频率由225GHz变化至330GHz，可适用于对3～10mm的绝缘层材料进行检测。
本发明的太赫兹倍频链路器102将所述低频信号通过n次倍频链路，获得所需要的太赫兹高频信号，其中n为大于1的整数，优选为8～24的整数，更优选为8、16或24。
作为本发明的一种较优的实施例，本实施例中，参考图1，还包括锯齿波电源100；所述锯齿波电源100与所述信号发生器101连接，用于输出连续的锯齿波电压信号以驱动所述信号发生器101输出所述低频信号；所述太赫兹倍频链路器102与所述信号发生器101连接，用于将所述信号发生器101发射的所述低频信号进行n次倍频形成所述太赫兹高频信号。
具体地，所述信号发生器101由锯齿波电源100驱动，电压在一个周期T内从0伏变到A伏，在0-A伏的范围内，任一电压值，对应信号发生器101输出一个特定频率的电磁振荡信号，通常电压越高，输出频率越高，连续的锯齿波电压信号的输出驱动信号发生器101输出连续调频的电磁信号。作为一个实施例，本发明中采用的信号发生器101频率输出范围全周期输出频率为9GHz-18.75GHz，可以覆盖所需9.375GHz-13.75GHz的所需频率范围，输出功率大于10dBm，周期在10us～500us范围内可调，由于硬件性能指标的差异性，实际输出会略有偏差。
作为本发明的一种较优的实施例，本实施例中，参考图1，还包括第一抛物面镜103和第二抛物面镜104，所述第一抛物面镜103和所述第二抛物面镜104分别位于所述太赫兹倍频链路器102与一待测样品111之间、且相对设置，所述第一抛物面镜103用于反射所述太赫兹倍频链路器102发射的所述太赫兹高频信号并经过所述第二抛物面镜104会聚聚焦至所述待测样品111上，聚焦后的所述太赫兹高频信号在所述待测样品111表面及内部发生反射。
若待测样品111内部出现脱开、脱粘、异物、空洞等缺陷情况，则返回信号的强度和相位变化会与无缺陷区域不同，可以通过各介质层界面反射回的太赫兹高频信号探测各介质层界面的缺陷情况。
作为本发明的一种较优的实施例，本实施例中，参考图1，还包括太赫兹分束器106，所述太赫兹分束器106设置在所述第一抛物面镜103和所述第二抛物面镜104之间、且所述太赫兹分束器106与所述太赫兹高频信号的传输方向呈135°角设置，在所述待测样品111表面及内部发生反射的太赫兹高频信号经过所述第二抛物面镜104后由所述太赫兹分束器106反射至与所述第二抛物面镜104发射的路径垂直的方向。
太赫兹分束器106可任意改变第二抛物面镜104反射回的太赫兹高频信号的路线，可较方便被其他装置探测并接收到，装置设置更灵活，实用性强、适用范围广。太赫兹分束器106与所述太赫兹高频信号的传输方向呈135°角，可将太赫兹高频信号反射至与原路反射垂直的方向，有利于准确准直调节校准，方便优化***信号质量。
作为本发明的一种较优的实施例，本实施例中，参考图1，还包括太赫兹混频器107，所述太赫兹混频器107包括第一信号输入端、第二信号输入端和信号输出端；所述第一信号输入端与所述信号发生器101连接，用于接收所述信号发生器101发射出的部分太赫兹高频信号；所述第二信号输入端用于接收由所述分束器106反射的太赫兹高频信号；所述太赫兹混频器107将接收的所述太赫兹高频信号和所述低频信号混频得到中频信号。中频信号经过快速傅里叶变换处理，获得z方向目标一维像，能够反映缺陷的深度位置。
具体地，所述太赫兹倍频链路器102发射的所述太赫兹高频信号一部分发散传播至自由空间，经过所述第一抛物面镜103准直成平行光，另一部分传输至所述太赫兹混频器107中。所述太赫兹混频器107接收所述太赫兹分束器106反射的太赫兹高频信号和所述信号发生器101发射的太赫兹高频信号，混频后得到中频信号。其中，本发明实施例的信号发生器发射的低频信号频率优选在9.375GHz～13.75GHz之间变化，该频率选取该范围是为了当采用低倍次的太赫兹倍频链路器102时，可以不需要改变其他的配置，仅简单的更换或增加到n＝16或n＝24的倍频器件和混频器件即可实现相应的功能，操作简便。为了方便太赫兹混频器107接收发射的太赫兹高频信号，可以在太赫兹分束器106与太赫兹混频器107之间设置第三抛物面镜105，第三个抛物面镜103用于将太赫兹分束器106反射的太赫兹波会聚到太赫兹混频器107的信号接收端。还可在太赫兹分束器106和太赫兹混频器107之间设置第三抛物面镜105，所述第三抛物面镜105用于将所述太赫兹分束器106反射的太赫兹高频信号聚焦至所述太赫兹混频器107的第二信号输入端。
作为本发明的一种较优的实施例，本实施例中，参考图1，还包括二维扫描装置110，所述二维扫描装置110用于控制经过第二抛物面镜104聚焦的所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，所述二维扫描装置110定义与所述待测样品111表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向。所述二维扫描装置110在每一扫描位置处停留的时间为Nts，其中N为大于等于1的整数，所述二维扫描装置110定义与所述待测样品111表面平行的面为以x和y方向构成的x-y平面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向。其中，二维扫描装置110的x和y方向扫描精度优选为0.1～20mm，通常设定为0.5mm，可以检测到的最小缺陷的x-y的尺寸是0.5mm×0.5mm，可以有效识别的缺陷面积为大于2mm×2mm；设定的周期越快，测量速度越快，由于响应时间的极限限制，本发明的T优选为10～500微妙，N优选为1～1024，更优选N＝256，ts<T，优选为ts＝0.8T。
具体地，所述二维扫描装置110可通过控制本发明的检测装置或控制待测样品111来进行扫描，保持第二抛物面镜104与待测样品111之间的距离在第二抛物面镜104的焦距附近，实现经过第二抛物面镜104聚焦的太赫兹信号与待测样品111之间的相对位置移动，实现x、y和z三个维度的数据采集。x，y两个可以针对待测样品的形状，设置为线性移动或转动移动。所述二维扫描装置110在每一扫描位置处停留的时间为NT，其中N为大于等于1的整数。以线性扫描为例，所述二维扫描装置110定义与所述待测样品111表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向。
作为本发明的一种较优的实施例，本实施例中，参考图1，还包括数据采集装置108和成像处理装置109；所述数据采集装置108与所述太赫兹混频器107连接，用于采集所述太赫兹混频器107混频得到的中频信号。
所述成像处理装置109与所述数据采集装置108连接，用于接收所述中频信号并经过处理得到与所述二维扫描装置110每一扫描位置对应的z方向的一维成像数组，所述二维扫描装置110控制所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，得到多个所述一维成像数组构成一个三维成像数据阵列，所述成像处理装置109根据所述三维成像数据阵列输出与所述待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。为了降低背景噪声，在实际应用中，在所述成像处理装置109与所述太赫兹混频器107之间需设置数据采集装置108，太赫兹混频器107输出的中频信号通过数据采集装置108进行设置所有的可调参数，实现多周期采集并输出平均信号，并生成可视化图像结果。成像处理装置可以同步控制数据采集装置108和二维扫描装置110进行同步协调工作。进一步，数据采集装置108还可与信号发生器101连接，用于驱动同步电源、信号发生器101、太赫兹倍频链路102和太赫兹混频器107之间的协调工作。成像处理装置109能够可视化显示***装置采集获取的三维数据，并以xy，yz和xz三个坐标维度显示。
本发明的一种多层介质材料内部缺陷的检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：由所述锯齿波电源输出连续的锯齿波电压信号驱动信号发生器发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号，所述低频信号由9.375GHz变化至13.75GHz的时间为ts；所述太赫兹倍频链路器接收所述低频信号并进行n次倍频，发射在周期ts内频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号，其中n为大于或等于8的整数；
步骤S2：所述太赫兹倍频链路器发射的所述太赫兹高频信号发散传播至自由空间，经过所述第一抛物面镜准直成平行光，先通过所述太赫兹分束器，再经过所述第二抛物面镜会聚聚焦至所述待测样品，经过所述待测样品的各介质层界面反射，太赫兹高频信号经过所述第二抛物面镜原路返回至所述太赫兹分束器，经过所述太赫兹分束器反射至与原路反射垂直的方向；
步骤S3：所述信号发生器发射的所述低频信号一部分传输至所述太赫兹混频器中；所述太赫兹混频器接收所述太赫兹分束器反射的太赫兹高频信号和所述信号发生器发射的低频信号混频得到中频信号；
步骤S4：所述二维扫描装置控制经过第二抛物面镜聚焦的所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
步骤S5：所述数据采集装置接收所述中频信号并传输至所述成像处理装置中，经过所述成像处理装置处理得到与所述二维扫描装置每一扫描位置对应的z方向的一维成像数组，所述二维扫描装置控制所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，得到的多个所述一维成像数组构成一个三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据所述三维成像数据阵列输出与所述待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。多层介质结构中的内部缺陷会导致太赫兹信号的强度和相位发生改变，区别于没有缺陷的区域。
试验例1
待测样品1：在阶梯形金属板上贴附阶梯形绝缘层材料(如图2所示)，尺寸16cm×4cm×2cm，绝缘材料的阶梯厚度为16mm、10mm、4mm。利用本发明的检测装置对待测样品进行检测，可获得待测样品对应的x-y方向成像图(如图2a所示)、x-z方向成像图(如图2b所示)。通过x-z方向成像图可以清楚看到各个界面的位置，可以清楚地看出各个界面的厚度以及各个界面均紧密贴合，未出现脱粘现象。
试验例2
待测样品2：一块厚2cm的塑料块中掏空出一个高1cm的孔洞，从而形成由塑料层、空气层、塑料层构成的多层塑料结构(如图3所示)。利用本发明的检测装置对待测样品进行检测，可获得待测样品对应y-z方向成像图(如图3a所示)。通过y-z方向成像图可以清楚看到各个界面的位置，可以清楚地看出各个界面的厚度。
试验例3
待测样品3：绝缘橡胶药块外贴附的玻璃纤维壳体(如图4所示)，玻璃纤维壳体大约5mm厚，绝缘橡胶药块大约4cm厚。利用本发明的检测装置对待测样品进行检测，可获得待测样品对应的x-y方向成像图(如图4a所示)。通过x-y方向成像图可以清楚看出在壳体与绝缘橡胶药块之间，存在若干圆形脱粘区域(图中圆圈代表区域)。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (15)
1.一种多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，包括在时间ts内发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号的信号发生器、以及用于将所述低频信号通过n次倍频链路以获得在时间ts内发射频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号的太赫兹倍频链路器，其中n为大于或等于8的整数。
2.如权利要求1所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括锯齿波电源；所述锯齿波电源与所述信号发生器连接，用于输出连续的锯齿波电压信号以驱动所述信号发生器输出所述低频信号；所述太赫兹倍频链路器与所述信号发生器连接，用于将所述信号发生器发射的所述低频信号进行n次倍频形成所述太赫兹高频信号。
3.如权利要求1或2所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括第一抛物面镜和第二抛物面镜，所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜分别位于所述太赫兹倍频链路器与一待测样品之间、且相对设置，所述第一抛物面镜用于反射所述太赫兹倍频链路器发射的所述太赫兹高频信号并经过所述第二抛物面镜会聚聚焦至所述待测样品上，聚焦后的所述太赫兹高频信号在所述待测样品表面及内部发生反射。
4.如权利要求3所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括太赫兹分束器，所述太赫兹分束器设置在所述第一抛物面镜和所述第二抛物面镜之间、且所述太赫兹分束器与所述太赫兹高频信号的传输方向呈135°角设置，在所述待测样品表面及内部发生反射的太赫兹高频信号经过所述第二抛物面镜后由所述太赫兹分束器反射至与所述第二抛物面镜发射的路径垂直的方向。
5.如权利要求4所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括太赫兹混频器，所述太赫兹混频器包括第一信号输入端、第二信号输入端和信号输出端；所述第一信号输入端与所述信号发生器连接，用于接收所述信号发生器发射出的部分太赫兹高频信号；所述第二信号输入端用于接收由所述分束器反射的太赫兹高频信号；所述太赫兹混频器将接收的所述太赫兹高频信号和所述低频信号混频得到中频信号。
6.如权利要求5所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括第三抛物面镜，所述第三抛物面镜用于将所述分束器反射的太赫兹高频信号聚焦至所述太赫兹混频器的第二信号输入端。
7.如权利要求6所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括二维扫描装置，所述二维扫描装置用于控制经过第二抛物面镜聚焦的所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向。
8.如权利要求7所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，还包括数据采集装置和成像处理装置；
所述数据采集装置与所述太赫兹混频器连接，用于采集所述太赫兹混频器混频得到的中频信号；
所述成像处理装置与所述数据采集装置连接，用于接收所述中频信号并经过处理得到与所述二维扫描装置每一扫描位置对应的z方向的一维成像数组，所述二维扫描装置控制所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，得到多个所述一维成像数组构成一个三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据所述三维成像数据阵列输出与所述待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
9.如权利要求8所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为NT，其中N为大于或等于1的整数；所述二维扫描装置的x和y方向扫描精度为0.1～20mm；T为10～500微秒；N为1～1024；所述锯齿波电源发射周期为T0，其中T0＝T，ts＝0.8T。
10.如权利要求9所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述二维扫描装置的x和y方向扫描精度为0.5mm；T为150微秒；N为256。
11.如权利要求1～10任一项所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，n为8～96的整数。
12.如权利要求1～10任一项所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，n为8、16或24。
13.如权利要求1～10所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述多层介质材料为由玻璃纤维、陶瓷、树脂、无机化合物或橡胶材质通过压合、缠绕或模铸工艺形成的具有多层界面结构的构件。
14.如权利要求13所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置，其特征在于，所述多层介质材料的形状为平面层状、圆柱层状、或无规则形状；所述多层介质材料内部缺陷为各层介质内部或之间形成的空洞、掺杂的异物、密度不均匀和/或层间脱粘。
15.一种多层介质材料内部缺陷的检测方法，其特征在于，利用权利要求1～14所述的多层介质材料内部缺陷的检测装置进行检测，所述检测方法包括以下步骤：
步骤S1：由所述锯齿波电源输出连续的锯齿波电压信号驱动信号发生器发射频率在9.375GHz～13.75GHz之间变化的连续调频的低频信号，所述低频信号由9.375GHz变化至13.75GHz的时间为ts；所述太赫兹倍频链路器接收所述低频信号并进行n次倍频，发射在周期ts内频率在9.375nGHz～13.75nGHz之间变化的连续调频的太赫兹高频信号，其中n为大于或等于8的整数；
步骤S2：所述太赫兹倍频链路器发射的所述太赫兹高频信号发散传播至自由空间，经过所述第一抛物面镜准直成平行光，先通过所述太赫兹分束器，再经过所述第二抛物面镜会聚聚焦至所述待测样品，经过所述待测样品的各介质层界面反射，太赫兹高频信号经过所述第二抛物面镜原路返回至所述太赫兹分束器，经过所述太赫兹分束器反射至与原路反射垂直的方向；
步骤S3：所述信号发生器发射的所述低频信号一部分传输至所述太赫兹混频器中；所述太赫兹混频器接收所述太赫兹分束器反射的太赫兹高频信号和所述信号发生器发射的低频信号混频得到中频信号；
步骤S4：所述二维扫描装置控制经过第二抛物面镜聚焦的所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的面为以x和y方向构成的x-y面、以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
步骤S5：所述数据采集装置接收所述中频信号并传输至所述成像处理装置中，经过所述成像处理装置处理得到与所述二维扫描装置每一扫描位置对应的z方向的一维成像数组，所述二维扫描装置控制所述太赫兹高频信号对所述待测样品表面进行x、y方向的扫描，得到的多个所述一维成像数组构成一个三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据所述三维成像数据阵列输出与所述待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
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