基于THz-TOF的塑料管材厚度测量方法

屈薇薇 李欣宇 邓 琥 邱义敏 刘耀文

（西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621010）

塑料管道与传统金属管、水泥管道相比具有质量轻、耐腐蚀、易安装、使用年限长等优点［1］，广泛应用于流体运输、燃气和电缆设备保护等领域。然而，因原材料缺乏、生产技术创新少、生产过程中无高精度测量装置等原因，导致厚度不均匀、不达标的塑料管材流入市场［2］。这些质量问题极易使塑料管材在使用过程中出现变形、膨胀、弯曲、遇较大压力爆开漏气漏液等情况。随着聚合物精密挤出成型技术的发展，塑料管材制品对厚度的精度要求越来越高，厚度成为塑料管材质量控制的重要参数。在常规的塑料管材生产中，将粉末状或者粒状的固体物料在螺杆的推送下进入螺筒，进而在螺筒的热环境下熔融形成黏稠流体，最后在螺杆的压力作用下挤出出口形成管材［3-4］。然而实际管材的厚度尺寸与设定值存在一定的偏差，因此需要对管材厚度进行精准测量。

传统塑料管材厚度测量方法有X射线测量［5］、超声波测量［6-7］和游标卡尺测量等。X射线具有辐射危害。超声波的传播速度会受到介质温度、湿度的影响，为了消除或者减小环境因素对测量精度的影响，需要附加额外的传播速度测量装置和补偿装置［8-9］。游标卡尺是最经济的测量方式，但在塑料管材生产线的高温、非完全固体的环境下无法做到实时、非接触式测量，且游标卡尺能够测量的范围受到测量爪的限制。太赫兹波作为一种新兴、特殊的辐射源，其频率为0.1 ～10 THz，电磁波谱介于微波和红外线之间，由于太赫兹光具有相干性，能够获取材料的光学常数特征，且大多数非金属材料能够被太赫兹波轻松穿透，例如塑料、橡胶等不透明物体，因此可以基于太赫兹透射式测量方法对塑料管材厚度进行测量［10］。与X射线相比，太赫兹波具有能量低的特点，不会电离破坏被测物体，威胁人体健康；与微波相比，太赫兹具有不受环境温度影响的优点；与游标卡尺相比，太赫兹测量可做到实时、无损、非接触式测量。

陆庆华等［11］使用近红外光谱法、X射线法、拉曼光谱法、太赫兹光谱法对药物薄膜包衣厚度进行了测量，结果表明太赫兹测量简单、快速、无损，测量效果最优，说明太赫兹测量可用于厚度的高精度测量。Park等［12］采用太赫兹飞行时间（Terahertz time-offlight，THz-TOF）系统，在对样品信息未知的情况下，成功测量了环氧模塑料化合物的折射率和厚度。李丽娟［13］建立了太赫兹单点厚度提取模型，并利用太赫兹时域光谱（Terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）系统分析了胶层厚度的均匀性，检测精度达到100μm，该检测精度与游标卡尺精度相当。郝元等［14］通过THz-TDS系统测量出标准聚乙烯样品折射率，利用折射率对未知厚度样品进行厚度测量，测量的相对误差在2% 以下，但需要提前测量标准聚乙烯的折射率。寇宽等［15］通过太赫兹时域光谱分析得到塑料管材厚度，在误差分析中，选用千分尺粗略测量或者大概估计聚乙烯厚度，再在厚度范围内选取一定的变化量迭代计算其误差，进而得到准确的聚乙烯厚度，该方法迭代次数较多，计算量较大。本文提出了一种基于THz-TOF的塑料管材厚度测量方法，以期为塑料管厚度测量提供一种简便、快捷、高精度的无损检测方法。

1 THz-TOF系统及测量原理

1.1 系统结构

基于全光学激励和探测接收的非接触式THz-TOF系统如图1所示，系统原理如图2所示。THz-TOF系统主要由飞秒激光器、延时装置、太赫兹发射器、太赫兹探测器组成。实验采用飞秒激光器发射波长为800 nm、脉宽为80 fs、重复频率为80 MHz的飞秒脉冲激光。激光经过半波片调整光束偏振态，使光束分为两束相互垂直且强度不同的光束，强度较强的光束为泵浦光，另一束为探测光。采用光电导天线作为太赫兹源［16］，泵浦光经多个反射镜组成的延时装置后，聚焦到光电导天线，受到激发后辐射出太赫兹脉冲，太赫兹垂直透射过样品，获取样品的太赫兹信息，并将携带的信息聚焦到太赫兹探测源中。同时，探测光经过聚焦透镜聚焦到探测天线上，驱动太赫兹探测源，实现对太赫兹信号的扫描［17］。由于太赫兹发射速度大于探测器扫描速度，故通过添加延时装置控制泵浦光和探测光的光程，以便探测太赫兹脉冲的整个波形［18］。最后，将探测到的太赫兹信号经锁相放大器传输至计算机，通过上位机软件对波形进行采集。

图1 THz-TOF系统实物图Fig.1 THz-TOF system

图2 THz-TOF系统原理图Fig.2 Schematic diagram of THz-TOF system

1.2 测量原理

运用构建的THz-TOF系统对塑料管材厚度进行测量。测量示意图如图3所示。

图3 太赫兹透射式测量示意图Fig.3 Schematic diagram of terahertz transmission measurement

记太赫兹波在空气中进行传播时接收器接收到信号的时间为t0。太赫兹源激励产生THz波透射穿过厚度为d的样品，部分波直接透过样品被接收器接收，如图3实线所示，接收器接收到信号的时间为t1；另一部分波到达样品底部Ⅱ后进行一次反射，该反射波到达样品表面Ⅲ后进行了二次反射，如图3中虚线所示，二次反射波穿透表面Ⅳ后被接收器所接收，接收到信号的时间为t2。相对于空气，太赫兹波在样品中的传播稍有延迟，延迟时间Δt1与样品厚度d和太赫兹波在样品中的传播速度v有关，如公式（1）所示：

式中c为光速。

飞行时间Δt2为太赫兹波在样品中透射和反射信号接收时间t1和t2之差，即：

根据太赫兹传播理论，透射塑料管材厚度与样品折射率n、飞行时间Δt2之间的关系为：

折射率n和太赫兹波在样品中的传播速度v的关系为：

综合式（1）、式（2）、式（3）和式（4）可以得到塑料管材厚度计算模型为：

式中：d为塑料管材样品厚度；n为样品的折射率；c为光速。

2 实验及数据分析

2.1 空气条件测量实验

空气中的水蒸气对太赫兹波具有吸收性，会影响实验数据的测量，故实验在环境温度21℃、相对湿度小于3% 下进行。在空气条件下进行测量实验时，得到如图4所示的参考时域波形图，参考信号主波峰时间t0为7.95 ps。

图4 空气的THz-TOF时域波形图Fig.4 THz-TOF time domain waveform of air

2.2 样品厚度测量实验

从建材市场购得3种材质未知的排水管作为样品A、样品B、样品C，通过游标卡尺分别对3种样品进行10次测量，求取厚度平均值分别为2.396 mm，4.692 mm和5.379 mm。

通过THz-TOF分别对3种样品进行测量，THz-TOF时域波形如图5所示。由于塑料管厚度不均，对各样品分别进行了6次测量，每次测量将样品旋转30°，得到6处不同位置的时域波形。图5（a）、图5（b）和图5（c）分别对应样品A、样品B和样品C的测量结果。第一个波峰时间为直接透射后信号接收时间t1，第二个波峰时间为两次反射再透射后信号接收时间t2，6条不同颜色的波形曲线分别为样品不同位置的THz-TOF时域波形，上方局部图为t1附近波形的放大结果，下方局部图为t2附近波形的放大结果。可以看出不同测量位置时波形存在一定波动，这是由于样品本身厚度不均造成的。根据图5（a），在样品A的6次测量中，其中一次t1为18.36 ps，t2为55.08 ps。计算得到Δt1和Δt2分别为10.41 ps和36.72 ps，由此可通过公式（5）计算得到样品管材厚度d为2.385 mm。样品A的其他测量数据如表1所示。根据图5（b）、图5（c），通过同样的分析方式得到样品B、样品C的测量数据如表2、表3所示。最后对6次计算结果取均值，得到样品A的厚度为2.367 mm；样品B厚度为4.676 mm；样品C的厚度为5.322 mm。

表1 样品A测量数据Table 1 M easurement data of sam ple A

表2 样品B测量数据Tab le 2 M easurement data of sam p le B

表3 样品C测量数据Table 3 M easurement data of sam ple C

图5 3种样品的THz-TOF时域波形图Fig.5 THz-TOF time domain waveform of three samples

2.3 测量误差分析

本次实验将50分度游标卡尺测量厚度作为参考厚度，该游标卡尺测量精度为0.02 mm，达到了国标GB15558.1中对管壁平均厚度测量精度0.1 mm的要求。THz-TOF系统由机械装置、光学部件等部分组成，各部分均存在响应时间不同、噪声影响以及精度不同造成的测量误差［19］。同时，在实验操作、测量点选取和数据处理等方面存在人为因素，同样会影响最终测量结果，误差分析如表4所示。在塑料管材生产过程中，管材厚度并不完全均匀，采用多次多位置测量求取平均值作为样品厚度的实际值，测得3种样品厚度d*分别为2.396 mm，4.692 mm，5.379 mm。THz测量误差Δd分别为0.029 mm，0.016 mm，0.057 mm；相对误差η分别为1.21%，0.34%和1.06%，最大相对误差为1.21%，达到了国标GB15558.1中4% 的要求。

表4 误差分析表Table 4 Error analysis

3 结论

本文根据太赫兹在塑料管材中的传输延时时间和飞行时间，搭建了太赫兹飞行时间系统，实现了对3种材质未知的塑料管材厚度的测量，最大相对误差为1.21%，满足国标4%的要求。THz-TOF系统可用于塑料管材生产过程中厚度的在线检测。

由于电极性介质和电导体对太赫兹波的吸收能力强、穿透性差，因此THz-TOF无法获得相应的透射波峰，并不适用于金属等材料的厚度测量。此外，由于太赫兹在塑料管材中存在频散现象，且透射率高、反射率较低，在某些塑料管材中会存在反射波峰不明显的问题，可以在后续数据分析中运用优化算法进行数据处理，智能识别反射波峰以配合系统更好地完成工作。