隔熱板的太赫茲無損檢測

隔熱板的太赫茲無損檢測趙畢強(qiáng);魏旭立;楊振剛瀏勁松;王可嘉【摘要】為了研究太赫茲無損檢測技術(shù)對復(fù)合材料與金屬板黏合面粘接質(zhì)量的檢測能力，在隔熱板上制造了不同特征的人工缺陷，并使用德國SynViewScan300連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)對樣件進(jìn)行了檢測.結(jié)果表明,太赫茲波能夠穿透復(fù)合材料，并獲得復(fù)合材料與金屬板的黏合面處的2維太赫茲圖像，從圖像中能夠清晰地分辨出不同特征的缺陷.該研究結(jié)果為檢測復(fù)合材料黏合質(zhì)量及脫黏狀況提供了有效的辦法.【期刊名稱】《激光技術(shù)》【年(卷)，期】2015(039)002【總頁數(shù)】5頁(P185-189)【關(guān)鍵詞】激光技術(shù);無損檢測;粘接質(zhì)量;人工缺陷;連續(xù)太赫茲波成像【作者】趙畢強(qiáng);魏旭立;楊振剛瀏勁松;王可嘉【作者單位】華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074;華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074;華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074;華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074;華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢430074【正文語種】中文【中圖分類】TN247Keywords:lasertechnique;nondestructiveinspection;adhesivequality;artificialdefect;continuousTHzwaveimaging*通訊聯(lián)系人。E-mail*通訊聯(lián)系人。E-mail大大大大大大大大大大大大大大大大大大大大大.cn無損檢測是利用聲、光、磁和電等手段，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息［1］，進(jìn)而判定被檢對象所處技術(shù)狀態(tài)的技術(shù)手段。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，隔熱材料、蜂窩材料、電子填充材料等新型材料的不斷出現(xiàn)，給傳統(tǒng)檢測手段帶來了巨大挑戰(zhàn)。特別是在機(jī)械制造、安檢和航天等領(lǐng)域，迫切需要新型無損檢測技術(shù)的出現(xiàn)［2］。在航天、汽車等領(lǐng)域，高分子復(fù)合材料作為構(gòu)件與襯底黏合時，其黏合面脫粘或灌膠不到位是影響構(gòu)件性能和引發(fā)事故的主要原因之一［3］。因此，利用無損檢測技術(shù)有效地探測和識別樣件內(nèi)部和粘合面的缺陷尤為重要。由于復(fù)合材料低密度的物理特性，采用常規(guī)的X射線、超聲檢測等方法幾乎無法識別其內(nèi)部缺陷［4-5］。而太赫茲波能夠透過泡沫、塑料、高分子復(fù)合材料等可見光與紅外波、甚至超聲波都難以穿透的材料［6］，從而實(shí)現(xiàn)對材料內(nèi)部的無損檢測。本文中針對高分子復(fù)合材料與襯底黏合質(zhì)量的問題，首先設(shè)計(jì)并制作了攜帶不同特征缺陷的人工孔洞結(jié)構(gòu)，以模擬隔熱板在實(shí)際制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷情況，然后利用連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)對樣件黏合面進(jìn)行了成像檢測，評估其黏合質(zhì)量和脫粘狀況。實(shí)驗(yàn)中所用儀器為德國SynView公司生產(chǎn)的調(diào)頻連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)SynViewScan300［7］，裝置實(shí)物圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用調(diào)頻連續(xù)波的方式實(shí)現(xiàn)距離向分辨。在方位向上，采用透鏡將太赫茲光束聚焦，并通過轉(zhuǎn)動和擺動反射面來實(shí)現(xiàn)2維波束掃描。成像系統(tǒng)的原理如圖2a所示，耿氏振蕩器產(chǎn)生的電磁波經(jīng)倍頻后產(chǎn)生瞬時頻率隨時間在0.23THz~0.32THz范圍內(nèi)呈線性變化的太赫茲連續(xù)波，并由透鏡聚焦到樣件上，反射的太赫茲波信號被探測器接收，并與發(fā)射信號混頻?；祛l器輸出的中頻信號可以得到目標(biāo)物體的距離，也就是說通過探測回波信號與發(fā)射信號的差頻信號就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的深度上的成像［8-9］。另一方面，通過2維移動反射和接收單元，可以獲得某一深度下太赫茲光強(qiáng)的2維圖像。SynViewScan300成像裝置的工作原理與調(diào)頻連續(xù)波(frequencymodulatedcontinuouswave，F(xiàn)MCW)探測雷達(dá)系統(tǒng)探測距離的原理［10］類似。理想情況下，鋸齒形FMCW的發(fā)射與回波的時頻曲線如圖2b所示。發(fā)射波與回波的延時為：假設(shè)發(fā)射-接收系統(tǒng)與目標(biāo)的距離為l，光速為c,則有：于是可得：式中43為調(diào)頻帶寬，ts為掃頻時間，3b為發(fā)射信號與回波信號的差頻。可見不同距離的目標(biāo)對應(yīng)著不同的差頻信號。由于差頻信號的頻率正比于距離，因此差頻信號的頻譜被稱為距離譜［10］。對于SynViewScan300系統(tǒng)，不同距離的目標(biāo)也就是指待測樣品的不同深度層。那么反射波與發(fā)射波混頻得到的差頻信號就對應(yīng)著不同深度h下各層的反射信號。通過對差頻信號做快速傅里葉變換(fastFouriertransformation,FFT)處理就可以得到距離譜。由于待測樣品的折射率n往往高于空氣的折射率值，距離譜的橫坐標(biāo)z軸代表了太赫茲波的光程差nh。目前雷達(dá)測距的主流方法有兩種:一種是調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)測距，另一種是脈沖雷達(dá)測距。它們的基本思路都是由電磁波的發(fā)射與反射信號的延時推測距離值(即(2)式),脈沖雷達(dá)可以直接測量發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間差，而調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)則是通過差頻信號來反推時間差。與脈沖測距的原理相似，太赫茲波飛行時間斷層成像根據(jù)每一層反射回的脈沖來實(shí)現(xiàn)斷層成像。太赫茲波飛行時間成像是在反射型太赫茲時域光譜系統(tǒng)上2維逐點(diǎn)掃描來實(shí)現(xiàn)斷層成像，其特點(diǎn)是需要利用飛秒激光與介質(zhì)作用的非線性效應(yīng)產(chǎn)生太赫茲脈沖，并通過掃描延遲線來獲取太赫茲脈沖的時域波形。飛秒激光器體積較大、維護(hù)復(fù)雜、逐點(diǎn)掃描耗時長。而采用電子源的SynViewScan300系統(tǒng)，裝置集成度高、工作穩(wěn)定，且具有掃描速率快的優(yōu)勢。SynViewScan300系統(tǒng)發(fā)射信號的調(diào)頻時間為240pm,調(diào)頻帶寬為90GHz。由FFT的原理可知，距離精度為Al=c/(2Aw)，即1.67mm。成像系統(tǒng)在直接FFT變換的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)以提高距離精度(即縱向精度)，基本思路是先找出頻率所在區(qū)間，再細(xì)分區(qū)間以確定頻率值(FFT/chirpz法)[10]。這種改進(jìn)的辦法可以使縱向精度提高到1mm。樣件由復(fù)合材料和金屬板襯底由粘結(jié)劑粘接組成。將白色高分子復(fù)合材料壓制成一個長方體(如圖3a所示)，其尺寸為150mmx150mmx28mm,外表面為一層青色涂層。金屬板為300mmx300mmx2mm的鋁質(zhì)薄板。粘接劑的厚度為3mm。為了模擬隔熱板在生產(chǎn)過程中可能會出現(xiàn)的脫粘和缺陷情況，在鋁板上制作了3個不同特征的缺陷，如圖4a所示，缺陷標(biāo)號后為其2維坐標(biāo)。1號和3號缺陷分別為半徑6mm和5mm的鉆孔，2號缺陷由兩個半徑4mm部分重疊的鉆孔組成。3種缺陷的設(shè)計(jì)過程如下：(1)1號缺陷先將鋁塊切割掉再將其重新鑲?cè)肟變?nèi)，保留粘接劑；(2)2號缺陷取出孔內(nèi)的鋁塊，保留粘接劑；(3)3號缺陷將鋁塊和粘接劑均從孔內(nèi)取出。為了與正常粘接情況作對比分析，在樣件上其它位置選取了一個無缺陷點(diǎn)，標(biāo)記為4號。實(shí)驗(yàn)中采用SynViewScan300系統(tǒng)對該樣件進(jìn)行了檢測。研究太赫茲波對高分子復(fù)合材料的穿透特性，并根據(jù)2維圖像來分辨不同特征的缺陷，為粘合質(zhì)量的評估提供參考。樣件測試過程如圖3b所示，將樣件水平放置在金屬載物平臺上，鋁板上表面與聚焦透鏡間隔等于透鏡焦距(f=50mm)，太赫茲波從復(fù)合材料上方并垂直于載物平臺入射，光程差(opticalpathdifference,OPD)為50mm。圖4b為復(fù)合材料和鋁板粘接面附近的2維太赫茲圖像。與圖4a比較，在太赫茲圖像中能夠快速地識別出人工設(shè)計(jì)的1號、2號、3號缺陷，即圖4b中數(shù)字標(biāo)號上方的圓孔區(qū)域。根據(jù)太赫茲圖像，可以粗略得到1號、2號、3號缺陷的坐標(biāo)以及尺寸信息，并定性的分析缺陷的特征。圖5b所示為樣件無缺陷位置（即4號參考點(diǎn)）不同深度的反射信號曲線，即SynViewScan300系統(tǒng)成像結(jié)果的典型距離譜。其中縱坐標(biāo)為光強(qiáng)的相對值，橫坐標(biāo)為反射點(diǎn)與焦平面之間的光程差。z軸為0mm代表實(shí)際焦平面，在圖3b中對此也有分析。由于樣件的折射率大于1，故焦平面在粘接面以上。b—intensityofreflectionsignalatdifferentdepthatNo.4refe-rencepoint從圖5b反射信號曲線中可以明顯看到4個峰值，分別標(biāo)記為a峰、b峰、c峰、d峰。如圖5a所示，4處光強(qiáng)峰值的坐標(biāo)依次為za=27mm，zb=3mm，zc=-3mm，zd=-8mm。a峰對應(yīng)著高分子復(fù)合材料上表面的反射信號，c峰對應(yīng)著粘接劑上表面的反射信號，d峰對應(yīng)著鋁板上表面的反射信號。a峰與c峰之間光程差約為30mm，而高分子復(fù)合材料厚28mm，可得復(fù)合材料的折射率約為1.07。同樣，c峰與d峰之間光程差約為5mm，而粘接劑厚度為3mm，可得粘接劑的折射率約為1.67。在實(shí)驗(yàn)過程中，改變樣件的高度（即樣件在z方向上的位置）時，發(fā)現(xiàn)b峰的z軸位置（即其距離焦平面的光程差）變化程度快于其它3個峰。據(jù)此判斷b峰的成因如下:復(fù)合材料表面反射回的太赫茲波一部分被聚焦透鏡表面反射回樣品表面，這部分信號被樣品反射后也被探測單元接收，體現(xiàn)為曲線上的峰值，稱其為二次反射信號。由圖5b可以看到，a峰和b峰的光程差約為24mm，而樣件表面距離透鏡22mm，與之大致相符。從圖3b可知，與直接入射波相比，透鏡回波傳播的光程更接近聚焦透鏡的焦距，那么透鏡回波作用到樣品時被聚焦的更強(qiáng)，從而能夠解釋二次反射信號對應(yīng)的b峰的強(qiáng)度高于直接入射波信號對應(yīng)的a峰的強(qiáng)度。進(jìn)一步檢測了放置在不同高度下的光滑鋁板，發(fā)現(xiàn)只有樣件處于透鏡焦平面以上時，才會出現(xiàn)二次反射信號對應(yīng)的峰。因此可以通過調(diào)整聚焦透鏡的焦距可以改變b峰的位置，從而消除它對反射信號的影響。根據(jù)前面的分析，a峰和b峰分別對應(yīng)著復(fù)合材料表面的一次反射信號和二次反射信號。c峰對應(yīng)著粘接劑上表面的反射信號，d峰對應(yīng)著鋁板上表面或金屬載物平臺的反射信號。樣件上的缺陷導(dǎo)致了粘接劑以及鋁板的差異，因而只需要分析c峰和d峰的情況。由圖6可以看到，3個缺陷點(diǎn)（1號、2號、3號）與正常的參考點(diǎn)（4號）相比，a峰和b峰值出現(xiàn)的位置基本相同，表明不同（x,y）坐標(biāo)下復(fù)合材料上表面對應(yīng)的光程差相同，這說明樣件上的復(fù)合材料上表面與入射太赫茲波垂直。另外由圖6c可以看到，對應(yīng)著3號缺陷位置的反射信號曲線中c峰消失，而設(shè)計(jì)的3號缺陷無粘接劑。表明根據(jù)反射信號能夠識別出粘接劑脫粘這一缺陷情況。進(jìn)一步分析3處缺陷情況下反射信號曲線中的d峰。圖6a中d峰對應(yīng)著太赫茲波穿過粘接劑入射到重新鑲?cè)脘X板的鋁塊的反射信號；圖6b中d峰對應(yīng)著太赫茲波穿過粘接劑入射到金屬平臺的反射信號；圖6c中d峰對應(yīng)著太赫茲波穿過復(fù)合材料及空氣層入射到金屬載物平臺的反射信號。由圖4a中3個缺陷的設(shè)計(jì)過程可知，1號、2號缺陷及4號參考位置反射信號曲線中的d峰都對應(yīng)著太赫茲波透過復(fù)合材料和粘接劑入射到金屬表面的情況，并且粘接劑和金屬材料之間的空氣層的厚度滿足2號>1號>4號。而3號缺陷沒有粘接劑，太赫茲波透過空氣層直接入射到金屬載物平臺表面。根據(jù)對4個位置各自光程差的分析，d峰對應(yīng)的z軸坐標(biāo)應(yīng)滿足zd,2<zd,1<zd,4<zd,3o從圖6可得d峰對應(yīng)的坐標(biāo)分別為zd，1=-9mm,zd,2=-10mm,zd,3=-7mm,zd,4=-8mm，與前面的分析結(jié)論非常吻合?？梢姼鶕?jù)反射信號中峰位置的不同，可以分辨不同特征的缺陷。利用SynViewScan300連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)對覆蓋高分子復(fù)合材料的鋁質(zhì)襯底上的不同缺陷進(jìn)行了無損檢測。測試結(jié)果表明，太赫茲波能夠很好地透過高分子復(fù)合材料并獲得黏接面的2維太赫茲圖像。通過對特定深度下正常粘合點(diǎn)和缺陷點(diǎn)的太赫茲圖像，以及特定位置下反射信號隨深度變化的曲線進(jìn)行深入分析，很好地解釋了缺陷點(diǎn)和正常點(diǎn)對應(yīng)的信號特點(diǎn)，進(jìn)一步可以分辨出不同物理特征的缺陷。太赫茲無損檢測技術(shù)為復(fù)合構(gòu)件黏合面質(zhì)量的非破壞性檢測提供了一種可靠的方法。與傳統(tǒng)的檢測技術(shù)相比，太赫茲無損檢測還處于初步發(fā)展階段。隨著太赫茲波的產(chǎn)生、探測技術(shù)和成像系統(tǒng)的發(fā)展，以及檢測理論、圖像處理算法等方面的進(jìn)一步完善[11-12]，太赫茲無損檢測技術(shù)將更加成熟，并會更加廣泛地應(yīng)用在航天、機(jī)械制造以及安檢等工程領(lǐng)域。【相關(guān)文獻(xiàn)】ZHOUL,ZHANGZhW.Nondestructivetestinganditsnewtechnology[J].JournalofChongqingInstituteofTechnology,2006,20(8):46-48(inChinese).FUTH,LIUSP.Reviewofmanualscanultrasonicimagingmethodsforcompositematerials[J].NondestructiveTesting,2012,34(8):50-54(inChinese).WENMP,TIANY,YOUKX.Multipleultrasonicpulse-echomethodfortestingcompositecomponentbondingquality[J].JournalofTestandMeasurementTechnique,1996,10(2/3):679-682(inChinese).KARPOWICZN,ZHONGH,ZHANGC,etal.Compactcontinuous-wavesubterahertzsystemforinspectionapplications.AppliedPhysicsLetters,2005,86(5):054105.RECURB,YOUNUSA,SALORTS,etal.Investigationonreconstructionmethodsappliedto3-Dterahertzcomputedtomography.OpticsExpress,2011,19(6):5105-5117.WALKERJL,RICHTERJD.Nondestructiveevaluationoffoaminsulationfortheexternaltankreturntoflight//Proceedingsofthe47thAmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,StructuralDynamics,andMaterialsConference.Huntsville,AL,USA:AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,2006:20060050249.YANGZhG,LIUJS,WANGKJ.Experimentalresearchonnondestructiveinspectionformultilayercellularsamplesusingcontinuousterahertzwavesimagingsystem[J].JournalofOptoelectronics?Laser,2013,24(6):1158-1162(inChinese).AMWC,vonSPIEGELW,HENNEBERGERR,etal.FastactiveTHzcamerawithrangedetectionbyfrequencymodu-lat