CN111442733A - 一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,所述无损检测方法包括以下内容:通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像;根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测;根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测。使用太赫兹时域光谱无损检测可以对橡胶材料进行无损检测分析,通过检测图像、B‑scan图和检测波形检测分析橡胶材料的厚度,并通过橡胶材料的折射率、吸收率对橡胶材料的厚度进行准确的计算;通过分析检测灰度图、时域波形图和B‑scan图可以定性确定分层位置,并且通过折射率的计算准确判断分层的大小。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹光谱检测技术领域,尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法。
背景技术
橡胶(Rubber)是一种具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性,在很小的外力作用下能产生较大形变,除去外力后能恢复原状。橡胶属于完全无定型聚合物,它的玻璃化转变温度低,分子量往往很大,大于几十万。目前市面上使用最多的橡胶有丁晴橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶等,这三种橡胶广泛应用于医疗卫生、商品储存、电气通讯、土木建筑等各方面。
目前对于橡胶材料检测方法很多都是有损伤的,无损的只有超声波检测方法,但超声波对橡胶材料的吸收太大,所以只能检测表面或者亚表面的缺陷,对橡胶内部的缺陷检测不完全;因此,如何对橡胶材料进行无损检测,是现阶段需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,解决了现有检测方法会对橡胶材料造成损伤或者对橡胶内部的缺陷检测不完全的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,所述无损检测方法包括以下内容:
通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像;
根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测;
根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测。
所述无损检测方法还包括根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料厚度进行计算以及分层大小进行判断的步骤。
所述通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像包括以下内容:
将待检测橡胶材料放到检测平台通过太赫兹时域光谱检测装置采用反射式成像得到橡胶材料的灰度成像图;
根据太赫兹光波在橡胶材料的飞行时间算法仿真得到橡胶材料的B-scan图。
所述根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测包括以下步骤:
根据颜色深浅变化对橡胶材料表面的灰度成像图进行阶梯分层;
根据太赫兹光谱在橡胶材料各阶梯层中的飞行时间,分析出各阶梯区域的厚度变化。
根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料厚度进行计算包括通过分析太赫兹光谱时域的飞行时间差结合橡胶材料的折射率以及吸收系数计算各阶梯区域的厚度。
所述根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测包括以下步骤:
对橡胶材料的各检测区域进行成像得到灰度成像图和B-sacn图;
并在各检测区域的灰度成像图上选取特征点;
分析各检测区域特征点的时域波形图和B-scan图。
所述分析各检测区域的时域波形图包括以下内容:
根据检测区域上选取的特征点位置,分析时域波形图中太赫兹光谱该点的散射和衰减情况;
根据检测区域特征点的时域波形图分析太赫兹光谱波峰分布情况。
所述特征点的B-scan图包括特征点的行B-scan图和列B-scan图;所述行B-scan图用于分析检测区域分层情况;所述列B-scan图用于分析检测区域脱胶和分层情况。
所述分析各检测区域特征点的B-scan图包括以下内容:
根据检测区域上选取的特征点分析该特征点行B-scan图中横向纹路变化情况,进而判断分层变化情况;
根据检测区域上选取的特征点分析该特征点列B-scan图中纵向纹路变化情况,确定脱胶和分层位置。
根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料分层大小进行判断包括根据列B-scan图中纵向纹路变化得到飞行时间差;通过橡胶材料的折射率计算分层高度大小。
本发明的有益效果是:一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,使用太赫兹时域光谱无损检测可以对橡胶材料进行无损检测分析,通过检测图像、B-scan图和检测波形检测分析橡胶材料的厚度,并通过橡胶材料的折射率、吸收率对橡胶材料的厚度进行准确的计算;通过分析检测灰度图、时域波形图和B-scan图可以定性确定分层位置,并且通过折射率的计算准确判断分层的大小。
附图说明
图1为方法的流程图;
图2为THz波在平面块材介质中传播示意图;
图3为不放入待测样品和放入待测样品的测量模型示意图;
图4为泵浦-探测实验的装置图;
图5为单块ZnTe晶体实现产生的太赫兹信号;
图6为单块ZnTe晶体实现探测的太赫兹信号;
图7为检测材料实物图;
图8为厚度检测灰度成像图;
图9为厚度检测B-scan飞行时间图;
图10为厚度检测波形图;
图11为分层检测实物图;
图12为局部区域检测灰度图;
图13为特征点6的时域波形图;
图14为特征点6的行B-scan图;
图15为特征点6的列B-scan图。
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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示,一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,所述无损检测方法包括以下内容:
S1、通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像;
S2、根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测;
S3、根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测。
所述无损检测方法还包括根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料厚度进行计算以及分层大小进行判断的步骤。
所述通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像包括以下内容:
将待检测橡胶材料放到检测平台通过太赫兹时域光谱检测装置采用反射式成像得到橡胶材料的灰度成像图,其中,检测步距为0.5mm;
根据太赫兹光波在橡胶材料的飞行时间算法仿真得到橡胶材料的B-scan图。
所述根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测包括以下步骤:
根据颜色深浅变化对橡胶材料表面的灰度成像图进行阶梯分层;
根据太赫兹光谱在橡胶材料各阶梯层中的飞行时间,分析出各阶梯区域的厚度变化。
根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料厚度进行计算包括通过分析太赫兹光谱时域的飞行时间差结合橡胶材料的折射率以及吸收系数计算各阶梯区域的厚度。
进一步地,太赫兹脉冲具有单光子能量较低的特点,不会对生物组织产生电离,所以说太赫兹时域光谱技术是很好的无损检测方法。又由于许多生物分子和化学物质振动和转动对应的吸收峰正好落在太赫兹范围内,因此人们对于太赫兹时域光谱技术在生物、化学和医学领域的应用十分关注。此外,太赫兹脉冲的相干特性可以同时获得电场的振幅和位相信息,方便样品光学信息的提取。最近几年来使用太赫兹透射式时域光谱***测量各种物质指纹吸收谱用于物质鉴别的工作很多。这些物质对太赫兹波的吸收很弱,太赫兹波穿透这些物质仍然具有很好的太赫兹时域波形;此外,从透射式太赫兹光谱中提取物质光学参数的算法较为成熟,因此太赫兹透射式时域光谱技术在各个领域的应用已十分广泛。但是同样存在许多对太赫兹波的吸收十分强烈的物质,如果仍然使用太赫兹透射式时域光谱***测量的话,需要制备很薄的样品,这给加工样品带来了很大的难度,因此太赫兹反射式时域光谱***对于准确测量这些物质的光学参数十分必要。近年来,利用太赫兹反射式***测量样品的工作有所增加,但是提取样品光学参数的算法还不成熟。根据采用太赫兹反射式时域光谱技术提取材料光学参数的模型,对比样品信号与参考信号的频谱得到样品对太赫兹波的传递函数,其中包含样品的复折射率信息,通过求解样品的复折射率得到样品的折射率和吸收系数。
如图2和图3所示,图3中的A模型图(不放入待测样品测量模型图)是培养皿上方不放入待测样品时的测量模型,其中培养皿的厚度设为L,复折射率为空气的折射率为na=1;B模型图(放入待测样品测量模型图)是培养皿上方放入待测样品时的测量模型,设液体的复折射率为假定太赫兹波以入射角θ1入射到培养皿底部,那么在培养皿底的上下表面之间会发生透射和反射。由菲涅尔公式可给出以θ1为入射角,以θ2为折射角,设入射介质和出射介质复折射率分别为和的界面透射系数和反射系数公式为:
Ea(ω)=E0rasPa(ω,ΔL),Eb(ω)=E0tasPs(ω,d)rsaPs(ω,d)tsa,Ec(ω)=E0tasPs(ω,d)rs1Ps(ω,d)tsa;
其中,ΔL=2Lsinθ1tanθ2是培养皿前后表面的两个反射信号在空气中的光程差;d=2L/cosθ2是太赫兹波在厚度为L的塑料培养皿中走的光程。由于塑料培养皿底部上下表面两次反射,在测得的太赫兹时域谱中将前后出现两个主峰。第一个主峰是培养皿底部下表面反射的,第二个主峰是培养皿底部上表面,即与待测液体接触的表面反射的。两个主峰之间的延迟时间主要是由于太赫兹波在培养皿中传输的光程差所决定。这样的太赫兹时域光谱***,可以为我们提供两种计算待测样品光学参数的方法。方法一是利用图3中的B模型图,以培养皿底部下表面的反射信号,即首个太赫兹主峰Ea(ω)为参考信号;以培养皿底部与待测样品接触的上表面,即第二个主峰Ec(ω)为样品信号,计算得到待测样品的光学参数。这种方法仅需要一次测量就能获得参考信号和样品信号,缩短实验时间,减少实验操作步骤,提高了实验效率。方法二是利用图3的A和B模型图两者的第二个主峰分别作参考信号Eb(ω)和样品信号Ec(ω),再通过算法获得液体样品光学参数。这种方法需要分别测量获得参考和样品信号,在实验操作上比前种方法复杂,但是算法程序相比前种方法简单。
使用方法一需要选择以Ea(ω)作参考信号,以Ec(ω)作样品信号。把式和式以及传播因子的表达式代入式Ea(ω)=E0rasPa(ω,ΔL)和式Ec(ω)=E0tasPs(ω,d)rs1Ps(ω,d)tsa中可得传递函数的表达式:
对上式进行变形,可将rs1表达式写成:
则样品的复折射率为:
其中rsa,tsa和tas均可由菲涅尔公式求得,是培养皿的复折射率。在计算中,HTheory(ω)由实验值HMeasure(ω)代替。通过待测液体的复折射率的实部和虚部可以得到其折射率、消光系数和吸收系数分别为:
THz-TDS已成为THz科学领域的一种重要技术手段,在物理、材料、化学、生物化合物样品分析鉴定,生物医学、安全检测等领域,表现出巨大的应用前景。目前,实验通常所用得THz时域谱***主要是由飞秒激光器,THz发射器、THz探测器和时间延迟控制***等四个主要部分组成。其基本原理为飞秒激光器发射的飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为两束,一束激光脉冲(产生脉冲)经过时间延迟***后入射到太赫兹发射器上产生太赫兹辐射,另一束激光脉冲(探测脉冲)和太赫兹脉冲一同入射到太赫兹探测器上,通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟可以得到太赫兹脉冲的整个波形。
泵浦-探测技术是其他THz时域光谱技术实验***的基础,主要用来测量材料在飞秒激光脉冲激发下的激发态随时间变化的时间分辩谱。泵浦-探测的基本原理是通过空间上的延迟来得到光束在时间上的延迟。利用pump-probe***既可以研究半导体载流子的超快动力学,又可以研究同一块样品既作为THz发生器又作为THz探测器的太赫兹时域光谱。实验光路如图4所示,此光路适合探测THz反射器和探测器在同一块样品的情形。其中,粗的实线代表泵浦(pump)光,细的实线代表探测(probe)光(一般的Ipump/Iprobe>10:1)。激光器发出的激光脉冲经分束器(BS)被分成两束,透射的强脉冲作为泵浦光,泵浦光经过斩波器和由电脑控制的一维电动平移台,经透镜,与反射的弱的探测光聚焦到样品的同一点上,泵浦光经过样品以后用光屏挡住,反射的探测光进入(a)与锁相放大器相连接的探测器和(b)电光取样***。信号经锁相放大和计算机数据采集***记录,进行取平均和数字化处理,最后由电脑进行记录。
M1-M7:反射镜,BS是分束片,L1为透镜,QWP为λ/4为波片,WP为Wollaston棱镜(a)为探测器,(b)为电光取样***。当用图4这套装置时,探测器探测到的是probe光的强度随时间的改变,这个装置适合探测利用非线性频率上转换得到的THz信号。
用中心波长400nm的光泵浦,中心波长800nm的光探测,研究了6H-SiC和N掺杂6H-SiC:N的载流子超快动力学过程,另外此***也适合探测利用非线性频率上转换得到的THz信号。如果用(b)代替(a),则平衡光电探测器探测到的是探测光偏振态的改变。这套装置适合探测自由空间电光取样得到的太赫兹信号。图5展示了使用单块ZnTe晶体完成的太赫兹电光取样的时域谱结果,插图部分是放大的太赫兹振荡部分的信号。图6是对图5中的太赫兹振荡部分谱进行傅里叶变换后得到的频域谱。
此实验要求泵浦光脉冲和探测光脉冲在时间上和空间上严格重叠,空间上的重叠采用刀片切光斑的方法来实现。把垂直相交的刀片放在样品架上,前后调节样品台,使两个光斑同时消失,同时出现,此时刀片刚好位于透镜焦点上。然后作用、上下移动样品台,调节反射镜(M4)即泵浦光的方向,使两束光同时消失,同时出现,这样就实现了泵浦光和探测光在空间上的重合。泵浦光和探测光时间上的重合则可以通过移动延迟线改变泵浦光和探测光的光程来实现。当泵浦光脉冲和探测光脉冲在时间上和空间上都重叠时,就可以探测到信号。泵浦-探测光路除了能探测频率上转换和电光取样的太赫兹信号之外,还有一个非常重要的作用,那就是找到等光程点,这一特点为我们搭建太赫兹发射器和探测器相分离的THz-TDS奠定了实验基础。
反射检测模式,透镜焦距为7.62cm(3inch),先将铜板放置在探测器聚焦处采集参考信号,再放样本进行样本信号检测。根据被测对象特点可设置水平、竖直两种检测形式。
反射成像模式,与透射模式不同,在扫描检测过程中,固定被测样本,水平方式下,将其放置于基准反射物一般为对太赫兹波反射较强金属平板之上,金属板上表面为反射聚焦处。通过二维移动平台控制反射接收装置移动,从而获取样本上每一点的太赫兹脉冲反射信号。竖直方式则根据被测样本的性质选择是否使用基准反射物,如被测样本本身对太赫兹信号反射强烈,在成像时,可不用加金属板,金属板仅作参考信号提取。
如图7和图8所示,颜色从深到浅分为5个级别,材料表面本为4个阶梯层,1区域是由于第一阶梯层区域表面破损,进而厚度较薄;通过分析区域颜色,可以定性的分析出材料厚度的不同。
如图9所示,可以看出太赫兹在橡胶材料中的飞行时间呈阶梯型变化与图4中的形态相符。可以分析出各个区域的厚度变化,并根据飞行时间图通过折射率和吸收率计算得到橡胶材料各区域的厚度。
如图10所示,图中从左到右分别对应图4中橡胶材料从左导游部的4个阶梯层,即从左到右分别对应第一阶梯层、第二阶梯层、第三阶梯层和第四阶梯层;随着橡胶厚度的增加,飞行时间增加,同时能量随之减少;其各阶梯区域时间延迟分别为:第一阶梯层251.5ps-40.7ps=210.8ps、第二阶梯层240.7ps-63ps=177.7ps、第三阶梯层206.6ps-101.9ps=104.7ps、第四阶梯层188.7ps-117.4ps=71.3ps;该橡胶材料的折射率约为1.2214,计算得到第一到第四阶梯层的厚度分别为16.2mm、13.6mm、8mm和5.4mm。
由分析可知,各层波形变化趋势基本相同。由于材料成分不均匀,材料表面粗糙破损,因此无法准确的判定材料的厚度。若需要准确定量的分析材料厚度,可以通过制作标准样块,将其检测结果作为数据参考,进而进行厚度检测与判定。
所述根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测包括以下步骤:
对橡胶材料的各检测区域进行成像得到灰度成像图和B-sacn图;
并在各检测区域的灰度成像图上选取特征点;
分析各检测区域特征点的时域波形图和B-scan图。
所述分析各检测区域的时域波形图包括以下内容:
根据检测区域上选取的特征点位置,分析时域波形图中太赫兹光谱该点的散射和衰减情况;
根据检测区域特征点的时域波形图分析太赫兹光谱波峰分布情况。
所述特征点的B-scan图包括特征点的行B-scan图和列B-scan图;所述行B-scan图用于分析检测区域分层情况;所述列B-scan图用于分析检测区域脱胶和分层情况。
所述分析各检测区域特征点的B-scan图包括以下内容:
根据检测区域上选取的特征点分析该特征点行B-scan图中横向纹路变化情况,进而判断分层变化情况;
根据检测区域上选取的特征点分析该特征点列B-scan图中纵向纹路变化情况,确定脱胶和分层位置。
根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料分层大小进行判断包括根据列B-scan图中纵向纹路变化得到飞行时间差;通过橡胶材料的折射率计算分层高度大小。
如图11和图12所示,根据灰度图分析其B-scan图,横向为Y轴方向,纵向为X轴方向,放大B-scan图比较实物图相应位置,可以看到第一阶梯层处胶层分层明显,经测量后在距离上表面3mm处出现分层;第三阶梯层内部也出现分层状态,具体通过分析比较相应波形,通过B-scan图可以看出材料分层区域,图中异常区域即可判定橡胶的分层区域。分层检测通过在灰度图上选择不同特征点,用时域波形图和B-scan图来分析不同特征点的截面的具体分层情况。
选取材料不同的地方进行测试,可以知道图9中的特征点1—6号都存在分层现象,选其中对特征点6为对象进行分析,其他各点分析与特征点6点类似。
如图13所示,通过时域波形图可以知道,Good为正常波形,另一个波形为特征6点的波形,在图中圈中的地方可以看到特征点6的波形有一个回波信号,说明在该处是界面交界处,则可以分析出在该点有分层现象。
如图14和图15所示,通过图中可以清晰的看到分层的状态,通过特征6点的行和列Bscan图可以看到与正常区域存在差异,通过特征6点Bscan图中边界的像素点可以计算得到内部缺陷尺寸。由于检测步距为0.5mm,检测得到该类橡胶的折射率为3.48,通过Bscan图像选取边界缺陷值,可以知道特征1到6点的分层尺寸分别为(长×宽×高):5.33×10.10×3.10mm、10.24×18.21×5.32mm、9.25×11.42×3.21mm、17.80×21.88×4.86mm、19.48×23.57×6.44mm、18.95×21.12×3.21mm。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明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,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述无损检测方法包括以下内容:
通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像;
根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测;
根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述无损检测方法还包括根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料厚度进行计算以及分层大小进行判断的步骤。
3.根据权利要求2所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述通过太赫兹时域光谱检测装置对待检测橡胶材料进行反射式成像得到检测图像包括以下内容:
将待检测橡胶材料放到检测平台通过太赫兹时域光谱检测装置采用反射式成像得到橡胶材料的灰度成像图;
根据太赫兹光波在橡胶材料的飞行时间算法仿真得到橡胶材料的B-scan图。
4.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述根据太赫兹时域光谱对橡胶材料厚度进行检测包括以下步骤:
根据颜色深浅变化对橡胶材料表面的灰度成像图进行阶梯分层;
根据太赫兹光谱在橡胶材料各阶梯层中的飞行时间,分析出各阶梯区域的厚度变化。
5.根据权利要求4所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料厚度进行计算包括通过分析太赫兹光谱时域的飞行时间差结合橡胶材料的折射率以及吸收系数计算各阶梯区域的厚度。
6.根据权利要求3所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述根据太赫兹时域光谱对橡胶材料脱胶及分层进行检测包括以下步骤:
对橡胶材料的各检测区域进行成像得到灰度成像图和B-sacn图;
并在各检测区域的灰度成像图上选取特征点;
分析各检测区域特征点的时域波形图和B-scan图。
7.根据权利要求6所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述分析各检测区域的时域波形图包括以下内容:
根据检测区域上选取的特征点位置,分析时域波形图中太赫兹光谱该点的散射和衰减情况;
根据检测区域特征点的时域波形图分析太赫兹光谱波峰分布情况。
8.根据权利要求6所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述特征点的B-scan图包括特征点的行B-scan图和列B-scan图;所述行B-scan图用于分析检测区域分层情况;所述列B-scan图用于分析检测区域脱胶和分层情况。
9.根据权利要求8所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:所述分析各检测区域特征点的B-scan图包括以下内容:
根据检测区域上选取的特征点分析该特征点行B-scan图中横向纹路变化情况,进而判断分层变化情况;
根据检测区域上选取的特征点分析该特征点列B-scan图中纵向纹路变化情况,确定脱胶和分层位置。
10.根据权利要求9所述的一种基于太赫兹时域光谱成像对橡胶复合材料的无损检测方法,其特征在于:根据橡胶材料的光学参数对橡胶材料分层大小进行判断包括根据列B-scan图中纵向纹路变化得到飞行时间差;通过橡胶材料的折射率计算分层高度大小。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112763452A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-07 | 西北工业大学 | 一种复合材料分层损伤的检测方法及*** |
CN113008170A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-22 | 长江存储科技有限责任公司 | 一种厚度测量方法和*** |
CN114354620A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-04-15 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种用于复杂型面热防护粘接层的太赫兹检测方法 |
TWI788105B (zh) * | 2021-08-09 | 2022-12-21 | 筑波醫電股份有限公司 | 半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置 |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111220564B (zh) * | 2019-12-31 | 2023-04-04 | 长春理工大学 | 多层结构粘接加压参数太赫兹检测优化方法 |
CN111175245A (zh) * | 2020-01-11 | 2020-05-19 | 清华大学深圳国际研究生院 | 高温硫化硅橡胶中成分含量的检测方法 |
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104870931A (zh) * | 2012-10-19 | 2015-08-26 | 派克米瑞斯有限责任公司 | 利用反射太赫兹辐射计算材料属性 |
KR101699273B1 (ko) * | 2015-06-30 | 2017-01-24 | 한국표준과학연구원 | 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치 |
CN108020165A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-05-11 | 中国特种设备检测研究院 | 利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和*** |
CN108267419A (zh) * | 2017-12-08 | 2018-07-10 | 山东省科学院自动化研究所 | 太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法 |
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104870931A (zh) * | 2012-10-19 | 2015-08-26 | 派克米瑞斯有限责任公司 | 利用反射太赫兹辐射计算材料属性 |
KR101699273B1 (ko) * | 2015-06-30 | 2017-01-24 | 한국표준과학연구원 | 테라헤르츠파를 이용한 실시간 비접촉 비파괴 두께 측정장치 |
CN108020165A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-05-11 | 中国特种设备检测研究院 | 利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和*** |
CN108267419A (zh) * | 2017-12-08 | 2018-07-10 | 山东省科学院自动化研究所 | 太赫兹时域光谱检测复合材料胶接结构脱粘缺陷的方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
周小丹: "基于光学参数提取的太赫兹时域光谱定量无损检测技术", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》 * |
徐子鹏: "橡胶材料太赫兹无损检测技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
李景镇: "《光学手册 上》", 31 July 2010 * |
杨玉平 等: "《太赫兹成像技术》", 31 August 2008 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112763452A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-07 | 西北工业大学 | 一种复合材料分层损伤的检测方法及*** |
CN113008170A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-22 | 长江存储科技有限责任公司 | 一种厚度测量方法和*** |
TWI788105B (zh) * | 2021-08-09 | 2022-12-21 | 筑波醫電股份有限公司 | 半導體晶圓檢測方法及半導體晶圓檢測裝置 |
CN114354620A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-04-15 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种用于复杂型面热防护粘接层的太赫兹检测方法 |
CN114354620B (zh) * | 2021-12-17 | 2023-09-12 | 北京星航机电装备有限公司 | 一种用于复杂型面热防护粘接层的太赫兹检测方法 |
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