基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的金屬表面均勻度檢測(cè)研究

于淼 劉偉 王可心 吳育衡 滿潤昕

摘要：為確保金屬保護(hù)涂層質(zhì)量和服役狀況，需要對(duì)金屬基材表面預(yù)處理情況進(jìn)行檢測(cè)。本文利用反射式太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）針對(duì)金屬基材表面均勻度展開了研究。對(duì)樣品的待測(cè)金屬表面進(jìn)行了逐點(diǎn)檢測(cè)，獲得了金屬待測(cè)表面和基準(zhǔn)面間各點(diǎn)的飛行時(shí)間差，提取了均勻度表征模型。繪制了表面均勻度空間分布三維形貌圖，獲得了表面均勻度空間分布情況，并提出了一種利用標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法評(píng)價(jià)鋼材表面均勻度。研究結(jié)果表明，太赫茲時(shí)域光譜針對(duì)金屬表面均勻度的檢測(cè)精度可達(dá)1μm，對(duì)節(jié)約涂料和避免涂層過早失效有重要意義。

關(guān)鍵詞：太赫茲時(shí)域光譜；無損檢測(cè)；飛行時(shí)間；金屬表面均勻度；三維形貌圖

中圖分類號(hào)：O433.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.011

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20173434004）

涂層處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、石油冶煉、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域，使防護(hù)金屬材料免受高溫失效和腐蝕侵害等惡劣服役條件的影響，改善使用性能，增加服役壽命[1-4]。研究人員對(duì)涂層材料和涂覆工藝進(jìn)行了大量的研究和嚴(yán)密的檢測(cè)，而忽視了涂覆前金屬基材表面條件對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)量的影響。涂覆系統(tǒng)的抗腐蝕防護(hù)能力與服役壽命，很大程度上取決于金屬基材在涂覆前的表面預(yù)處理情況。長期應(yīng)用證明[5]，70%的提早失效現(xiàn)象，是由于金屬基材表面條件達(dá)不到涂覆標(biāo)準(zhǔn)所導(dǎo)致的。

金屬結(jié)構(gòu)的表面預(yù)處理效果對(duì)涂料用量、涂層的附著情況、涂層的力學(xué)性能及孔隙率等方面有著直接的影響。分析金屬基材表面均勻度，是涂覆前的必要環(huán)節(jié)，且對(duì)節(jié)約涂料和避免涂層過早失效有重要的意義。

目前，國內(nèi)外比較成熟的表面均勻度測(cè)量評(píng)估方法主要分為兩類：（1）接觸式指針探頭掃描法[6]；（2）非接觸式光學(xué)測(cè)量法[7]。接觸式指針探頭掃描法具有操作簡便、成本低等優(yōu)勢(shì)，通過在試件表面機(jī)械式移動(dòng)微小的探針來測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的高度。然而，指針探頭在接觸過程中有可能對(duì)產(chǎn)品表面造成損傷，并且其測(cè)量精度受到指針探頭尺度的制約。光學(xué)測(cè)量法具有較高的靈敏度，在測(cè)量過程中對(duì)樣品不會(huì)造成物理損傷。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（THz-TDS）是一種新型的相干探測(cè)技術(shù)，由于其高頻、寬帶、高分辨率、高信噪比、波譜信息豐富等特點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)、通信、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域[8-10]?；谔掌潟r(shí)域光譜的無損檢測(cè)技術(shù)，可通過非接觸式檢測(cè)，分析脈沖太赫茲波與介質(zhì)間的相互作用關(guān)系，提取樣品的太赫茲時(shí)頻信息，進(jìn)一步對(duì)特征參量分析處理[11-12]，可為獲取金屬基材表面預(yù)處理效果提供可靠的依據(jù)。

本文采用反射式THz-TDS系統(tǒng)，對(duì)涂覆工藝前的金屬基材表面預(yù)處理情況進(jìn)行了無損檢測(cè)，利用上位機(jī)軟件控制二維電控平移臺(tái)與THz-TDS系統(tǒng)，針對(duì)金屬表面情況進(jìn)行二維掃描，通過對(duì)反射波形的分析，提取有效頻段、相位、到達(dá)時(shí)間和波形等信息，對(duì)金屬基材的表面狀況進(jìn)行了檢測(cè)。

1試驗(yàn)原理

1.1反射式THz-TDS系統(tǒng)原理

太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)系統(tǒng)包括飛秒脈沖激光器、太赫茲發(fā)射器、太赫茲探測(cè)器、延遲線機(jī)構(gòu)等，其工作原理如圖1所示，飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光脈沖經(jīng)分束器分為兩束，一束為泵浦光，一束為探測(cè)光。泵浦光入射到光導(dǎo)電天線，發(fā)射太赫茲波脈沖。太赫茲脈沖在樣品中反射后攜帶了樣品信息，與經(jīng)由延遲線機(jī)構(gòu)的探測(cè)光共線經(jīng)過太赫茲探測(cè)器，利用等效采樣原理，獲得太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度的變化量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)測(cè)量。

1.2等效采樣原理

利用太赫茲時(shí)域光譜進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，THz脈沖的時(shí)間分辨率可達(dá)皮秒量級(jí)，在超快電光采樣系統(tǒng)中，光電導(dǎo)天線探測(cè)回波脈沖的頻率相對(duì)較低，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣，因此需要應(yīng)用等效采樣原理實(shí)施有效檢測(cè)[13]。

等效采樣技術(shù)相比實(shí)時(shí)采樣，可以大大提高等效采樣率，減緩了硬件實(shí)時(shí)采樣率及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率和存儲(chǔ)容量的壓力。其基本原理是把高頻、快速信號(hào)變成低頻、慢速重復(fù)信號(hào)。

等效采樣有效實(shí)施的條件為：（1）待測(cè)信號(hào)必須為穩(wěn)定的周期信號(hào)；（2）采樣信號(hào)必須穩(wěn)定。如圖2所示，在此研究系統(tǒng)中，使用光學(xué)延遲法連續(xù)改變采樣信號(hào)與待測(cè)信號(hào)之間的相對(duì)時(shí)間延遲，以重構(gòu)待測(cè)信號(hào)波形，相鄰兩激光脈沖的相對(duì)時(shí)間延遲為：

2均勻度模型

由于金屬材料在太赫茲波段的介電常數(shù)，比其他介質(zhì)材料高很多個(gè)數(shù)量級(jí)[14-15]，因此當(dāng)太赫茲波入射到金屬表面時(shí)，具有幾乎全反射的特性[16-17]。當(dāng)入射到光滑的金屬表面時(shí)，其表面各點(diǎn)的飛行時(shí)間差近似一致；當(dāng)金屬表面不均勻時(shí)，其表面各點(diǎn)的飛行時(shí)間差會(huì)有明顯差異[18]，根據(jù)此原理可以判別金屬表面的均勻度。

2.1單點(diǎn)表面均勻度表征模型

基于太赫茲波在金屬表面的反射特性，如圖3所示，可以通過待測(cè)表面與基準(zhǔn)面之間由于太赫茲波到達(dá)時(shí)間不同產(chǎn)生的飛行時(shí)間差，獲取兩表面間的空氣介質(zhì)層厚度，金屬表面均勻度不同會(huì)導(dǎo)致空氣介質(zhì)層厚度的不同，即可利用飛行時(shí)間差表征待測(cè)表面均勻度。

2.2表面均勻度模型分析

本研究中，對(duì)樣品的待測(cè)金屬表面進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，以獲得各點(diǎn)的飛行時(shí)間差。利用各點(diǎn)飛行時(shí)間差提取均勻度表征模型，獲得表面均勻度空間分布情況，繪制表面均勻度空間分布三維形貌圖，分析金屬表面均勻度。其中X、Y軸表示金屬表面的空間位置，Z軸表示待測(cè)表面與基準(zhǔn)面之間的空氣介質(zhì)層厚度，曲面形貌和色度變化反映樣品待測(cè)金屬表面均勻度。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用德國Fraunhofer研究院的光纖耦合太赫茲光譜儀，該系統(tǒng)是高度集成的一體化系統(tǒng)，利用光電導(dǎo)天線產(chǎn)生并檢測(cè)太赫茲脈沖，該THz-TDS系統(tǒng)脈沖寬度為0.1～4THz，信噪比>70dB，焦距65mm。利用上位機(jī)軟件控制二維電控平移臺(tái)與THz-TDS系統(tǒng)。圖4為試驗(yàn)裝置示意圖。

3.2單點(diǎn)時(shí)域信號(hào)分析

試驗(yàn)在室溫25℃、無塵的條件下進(jìn)行，采用反射式THz-TDS系統(tǒng)對(duì)鋼材表面進(jìn)行單點(diǎn)檢測(cè)，獲得被測(cè)樣品的單點(diǎn)太赫茲時(shí)域波形，如圖5所示為三個(gè)不同檢測(cè)點(diǎn)1～3的單點(diǎn)太赫茲反射時(shí)域波形。入射的太赫茲波首先到達(dá)金屬基準(zhǔn)面，發(fā)生第一次反射，太赫茲波接收器接收到第一個(gè)脈沖信號(hào)，稱為主波信號(hào)，信號(hào)1出現(xiàn)在937.7044ps；信號(hào)2出現(xiàn)在937.6444ps；信號(hào)3出現(xiàn)在937.7344ps。之后，入射的太赫茲波到達(dá)待測(cè)表面，發(fā)生第二次反射，太赫茲波接收器接收到第二個(gè)脈沖信號(hào)，稱為一次回波信號(hào)，信號(hào)1出現(xiàn)在957.3044ps；信號(hào)2出現(xiàn)在957.2794ps；信號(hào)3出現(xiàn)在957.2144ps。通過多次測(cè)量取平均值，得到信號(hào)1飛行時(shí)間差ΔT為19.6000ps；信號(hào)2飛行時(shí)間差ΔT為19.6350ps；信號(hào)3飛行時(shí)間差ΔT為19.4800ps；根據(jù)式（3）求得信號(hào)1單點(diǎn)空氣介質(zhì)層厚度d=2.9400mm；信號(hào)2單點(diǎn)空氣介質(zhì)層厚度d=2.9453mm；信號(hào)3單點(diǎn)空氣介質(zhì)層厚度d=2.9220mm。對(duì)于檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)1～3而言，飛行時(shí)間差ΔT均有所差異，由此可通過提取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)各掃描點(diǎn)回波信號(hào)，計(jì)算全檢測(cè)區(qū)域空氣介質(zhì)層厚度，進(jìn)而表征基材表面均勻度。

3.3表面均勻度分析

金屬基材作為涂層涂覆的載體，其表面均勻度影響涂層的使用性能，并決定涂層的服役壽命。因此，對(duì)金屬基材表面均勻度的檢測(cè)是涂覆前的必要環(huán)節(jié)，對(duì)于節(jié)約涂料和避免涂層過早失效有重要的意義。該試驗(yàn)?zāi)M了涂覆前金屬基材不均勻的表面條件。在無銹、均勻且無其他雜質(zhì)的鋼板表面進(jìn)行了鉆孔，鋼板尺寸為100mm×100mm×15mm，孔的直徑為2mm，深度3mm?？椎酌嬗捎谌藶榧庸ぃ砻婢鶆蚨炔灰唬囼?yàn)樣品如圖6所示。

試驗(yàn)在室溫25℃、無塵的條件下進(jìn)行，采用反射式THz-TDS系統(tǒng)對(duì)鋼材表面進(jìn)行均勻度測(cè)量。對(duì)樣品的待測(cè)金屬表面進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)，以獲得各點(diǎn)的飛行時(shí)間差。利用各點(diǎn)飛行時(shí)間差提取均勻度表征模型，獲得表面均勻度空間分布情況，繪制表面均勻度空間分布三維形貌圖，如圖7所示。X、Y軸表示金屬表面的空間位置，Z軸表示待測(cè)表面與基準(zhǔn)面之間的空氣介質(zhì)層厚度，曲面形貌和色度變化反映樣品待測(cè)金屬表面均勻度。圖中可直接反饋出金屬表面均勻度的變化，從邊緣藍(lán)色區(qū)域到紅色區(qū)域的形貌特征變化十分明顯，表明紅色區(qū)域空氣介質(zhì)層較厚，藍(lán)色邊緣處較薄。從色度的變化可以定量分析金屬表面均勻度變化程度。試驗(yàn)所得空氣厚度平均值為2.9427mm，最大空氣層厚度為2.9655mm，最小空氣層厚度為2.9220mm，根據(jù)式（4）和式（5）可知，此試驗(yàn)所測(cè)得的金屬表面均勻度離散分布標(biāo)準(zhǔn)差SDu為10.2μm，表面均勻度分布極差Ru為43.5μm，說明該被測(cè)樣品的表面均勻度較差。

4結(jié)論

采用THz-TDS系統(tǒng)分析金屬表面均勻度具有高信噪比、高精度、無須接觸檢測(cè)，可遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可用于涂覆前金屬基材表面均勻度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有利于節(jié)約涂料和避免涂層過早失效。本文針對(duì)金屬基材表面均勻度進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)?zāi)M了涂覆前金屬基材表面特性，利用飛行時(shí)間差提取單點(diǎn)厚度模型，對(duì)鋼材表面進(jìn)行了逐點(diǎn)掃描檢測(cè)，獲得了表面均勻度空間分布情況，繪制了表面均勻度空間分布三維形貌圖，由形貌特征直接觀測(cè)到鋼材表面均勻度，并提出一種利用標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差評(píng)價(jià)鋼材表面均勻度在空間中的離散分布和波動(dòng)情況的方法。標(biāo)準(zhǔn)偏差和極差越小，表面均勻度越好。

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（責(zé)任編輯王昕）

作者簡介

于淼（1995-）女，碩士研究生，助理工程師。主要研究方向：太赫茲科學(xué)與技術(shù)。

Tel：18626666308E-mail：902886408@qq.com

劉偉（1982-）女，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：特種傳感技術(shù)、無損檢測(cè)技術(shù)。

Tel：18510286413

E-mail：lw880623@126.com

王可心（1996-）女，碩士研究生。主要研究方向：太赫茲無損檢測(cè)技術(shù)。

Tel：18503283972

E-mail：kexin960117@163.com

吳育衡（1997-）男，碩士研究生。主要研究方向：太赫茲無損檢測(cè)技術(shù)。

Tel：18811322704

E-mail：wuyh@emails.bjut.edu.cn

滿潤昕（1997-）女，碩士研究生。主要研究方向：太赫茲無損檢測(cè)技術(shù)。

Tel：17601507792

E-mail：manrunxin@163.com

Research on Metal Surface Uniformity Detection Based on Terahertz Time Domain Spectroscopy

Yu Miao1，*，Liu Wei1，Wang Kexin2，Wu Yuheng2，Man Runxin2

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Special Condition Monitoring Sensor Technology，AVIC Beijing Changcheng Aeronautic Measurement and Control Technology Research Institute，Beijing 101111，China 2. Beijing University of Technology，Beijing 100022，China

Abstract： In order to ensure the quality and service status of metal protective coatings， the surface pretreatment of metal substrates needs to be tested. In this paper， we use reflection terahertz time-domain spectroscopy to investigate the surface uniformity of metal substrates. The metal surface of the sample to be tested was tested point by point， and the difference in time of flight between each point of the metal to be measured and the reference surface was obtained. A uniformity characterization model was extracted. A three-dimensional topography of surface uniformity was drawn， and the spatial distribution of surface uniformity was obtained. A standard deviation method was proposed to evaluate the surface uniformity of steel. The results show that the accuracy of THz time-domain spectrum is up to 1μm， which is of great significance for saving coatings and avoiding premature coating failure.

Key Words： terahertz time-domain spectroscopy； non-destructive testing； time of flight； metal surface uniformity； three-dimensional topography