[發明專利]基于菲涅爾矩陣THz波傳播模型的涂層厚度檢測方法

有效

• 申請號: 201710927705.1
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107764195B
• 公開（公告）日: 2019-12-20
• 發明（設計）人: 任姣姣;李麗娟;張丹丹;喬曉利;顧健;林雪竹;侯茂盛;郭麗麗;劉濤;徐子鵬;陳奇
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06
• 代理公司: 22201 長春吉大專利代理有限責任公司
• 代理人: 杜森垚

本發明公開了一種基于菲涅爾矩陣THz波傳播模型的涂層厚度檢測方法，從電磁場理論模型出發，根據對涂層厚度進行檢測時使用的反射式THz時域光譜系統建立正入射THz波在多層介質結構中的反射式傳播一維電場模型，在此基礎上引入菲涅耳系數矩陣與相位矩陣，提出菲涅爾系數矩陣THz波傳播模型，并對該模型進行驗證；利用基于菲涅爾系數矩陣THz波傳播模型的最小二乘厚度優化方法實現涂層厚度的定量檢測，對涂層厚度通過迭代優化進行求解，使得仿真結果與測量結果差值的最小殘差平方和最小，實現對厚度參數的高精度優化；引入THz發射器與被測件之間的距離參數D_TS，并對THz發射器與被測件之間的距離誤差進行可視化處理，進一步提高涂層厚度檢測的準確性。

技術領域

本發明屬于無損檢測領域，具體涉及一種基于菲涅爾矩陣THz波傳播模型的涂層高精度厚度檢測方法。

背景技術

隨著科學技術的不斷發展和機械結構加工工藝的不斷進步，工程上對現代部件的性能提出了更高的要求，由于現代部件的性能提高通常依賴于材料的特殊屬性，為保證部件的可靠性需要使用相應的技術手段對材料進行保護和強化，通常使用涂層提高部件的耐用性和可靠性等產品性能。考慮到在實際工程應用中部件可能會遇到的復雜環境，僅憑一層涂層可能無法滿足實際工程需求，通常會對部件進行多層涂層處理，這就導致現代部件很多都具有非常復雜的多層結構。

隨著具有多層結構的現代部件在工業生產中的各個部門越來越廣泛地應用，僅對部件的總體厚度進行檢測已無法滿足需求。無論是民用的如汽車、船體、管材等產品還是軍用的機體、彈體等產品，為了保證對各部件成本和質量的控制，對多層結構部件的各層厚度檢測受到廣泛關注和迫切需求。目前工業環境常用的厚度檢測方法有：超聲測厚法、渦流測厚法、X射線熒光測厚法、光學相干斷層掃描測厚以及熱輻射測厚法，但這些方法在對多層結構部件的檢測方面均有其局限性，例如渦流檢測和熱輻射檢測并不適用于多層涂層檢測、光學相干斷層掃描法對材料的穿透能力太差、超聲檢測需要使用耦合劑，而可以解決上述問題的X射線由于具有一定危險性導致其使用也存在諸多局限。

新興的THz無損檢測則十分適用于多層結構部件的各層厚度的檢測，通過太赫茲技術，可以非接觸、無損傷、非電離地對涂層的厚度進行檢測，尤其是如塑料、陶瓷、泡沫材料和復合材料等非金屬基底材料的涂層檢測。在此之前，對非金屬基底材料的涂層檢測一直是一個難題，需要進行破壞性檢測，這會消耗大量時間且并不適用于工業中的產品檢測。通過THz無損檢測技術，可以對多層結構部件的各層厚度進行精確測量，實現對產品的成本和質量的精確控制。

由于THz波測厚法是通過THz波在各不同介質分界面的反射回波的飛行時間差來對涂層的厚度進行測量，當涂層為厚度較薄的薄層時(事實上通常涂層均為厚度較薄的薄層)，通常會由于飛行時間差過小致使涂層的上下表面回波很難被及時有效地分辨出來，這會導致出現涂層厚度檢測精度低、效率差甚至是不可檢的現象。

發明內容

本發明的目的在于對實測的涂層THz回波波形進行有效分析，實現涂層厚度的高精度檢測，為此本發明提供了一種基于菲涅爾矩陣THz波傳播模型的涂層高精度厚度檢測方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于菲涅爾矩陣THz波傳播模型的涂層高精度厚度檢測方法，包括以下步驟：

步驟一、從電磁場理論模型出發，根據對涂層厚度進行檢測時使用的反射式THz時域光譜系統建立正入射THz波在多層介質結構中的反射式傳播一維電場模型，在此基礎上引入菲涅耳系數矩陣與相位矩陣，提出菲涅爾系數矩陣THz波傳播模型，并對該模型進行驗證；

步驟二、利用基于菲涅爾系數矩陣THz波傳播模型的最小二乘厚度優化方法實現涂層厚度的定量檢測，對涂層厚度通過迭代優化進行求解，使得仿真結果與測量結果差值的最小殘差平方和最小，實現對厚度參數的高精度優化；