本发明涉及一种厚度测量方法，具体涉及一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统。
背景技术：
太赫兹波是频率为0.1thz～10thz的电磁波，其波长大致为0.03mm～3mm，波段介于微波与红外光之间。近年来，超快激光技术的迅速发展为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到了蓬勃发展。
目前，传统的基于太赫兹原理的厚度测量方法通常是在已知样品折射率的基础上进行的，其对材料进行一次测量从而获取两个反射信号之间的接收时间差，再结合该接收时间差和已知的折射率来计算材料的厚度，然而该方法无法在材料折射率未知时对材料的厚度进行测量。
为了克服上述缺陷，存在一种使用反向计算的方法，其通过对厚度已知的标准样品进行一次测量从而得到两次反射信号之间的接收时间差，再通过该接收时间差反向计算出样品的折射率；随后，通过对同种样品材料进行一次测量获得的两个反射信号之间的接收时间差以及上述反向计算出的折射率来得到材料的厚度，然而该方法存在因不同材料具有折射率差异等因素从而导致的测量误差。
技术实现要素：
本发明提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统，其能够直接测量非金属材料的折射率和厚度，从而避免了因不同材料具有折射率差异等因素导致的测量误差，保证了测量结果的准确性。
本发明提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法，其中，所述非金属材料具有表面和底面，所述方法包括如下步骤：
使太赫兹波垂直入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第一反射信号和第二反射信号，接收第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1；
使太赫兹波以角度θi入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第三反射信号和第四反射信号，接收第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2，其中0°<θi<90°；
根据接收时间差δt1和接收时间差δt2，得到所述非金属材料的折射率n；
根据所述非金属材料的折射率n，得到所述非金属材料的厚度d。
本发明的方法通过不同的入射角度θi对非金属材料进行两次测量，从而能够直接得到同一非金属材料的折射率和厚度，该方法既能够在材料折射率未知的情况下进行测量，还能够避免因不同材料具有折射率差异等因素导致的测量误差，保证了测量结果的准确性。
具体地，在第一次测量时，太赫兹波垂直入射至所述非金属材料的表面(即角度θi＝0°)，此时，太赫兹波经所述非金属材料的表面反射形成第一反射信号；同时，太赫兹波透过所述非金属材料的表面并在其底面反射从而形成第二反射信号；在接收第一反射信号和第二反射信号并获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1后，可以根据太赫兹波传播理论得到第一次测量厚度，即：
公式(1)中：d为非金属材料的厚度；c为真空中的光速(即太赫兹波在真空中的速度)；n为非金属材料的折射率，δt1为第一次测量的接收时间差。
在第二次测量时，太赫兹波以角度θi(0°<θi<90°)入射至所述非金属材料的表面，此时，太赫兹波经所述非金属材料的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经所述非金属材料的表面折射后再经其底面反射从而形成第四反射信号；在接收第三反射信号和第四反射信号并获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2后，可以根据太赫兹波传播理论得到第二次测量厚度，即：
公式(2)中：d为非金属材料的厚度；c为真空中的光速；n为非金属材料的折射率，θi为第二次测量的入射角度，δt2为第二次测量的接收时间差。
鉴于上述第一次测量和第二次测量针对同一非金属材料进行，即第一次测量的厚度与第二次测量的厚度相同，因此通过上述公式(1)和公式(2)能够得到所述非金属材料的折射率n，即：
进一步地，将上述公式(3)代入公式(1)能够得到所述非金属材料的厚度d，即：
在本发明中，可以理解的是，待测定的非金属材料为具有一定厚度的材料；本发明的方法对非金属材料的厚度均一性无严格要求，既可以测定厚度均一的非金属材料的厚度，也可以测定厚度不均一的非金属材料上的某一位置的厚度。
具体地，在测定厚度均一的非金属材料的厚度时，本发明对所述垂直入射(即第一次测量)和以角度θi入射(即第二次测量)时太赫兹波的发射距离(即太赫兹波发射源与入射点之间的距离)以及入射至所述非金属材料表面的位置(即入射点)不作严格限制；优选地，可以使太赫兹波以相同发射距离入射至所述非金属材料表面的同一位置，测量结果更加精确。
在测定厚度不均一的非金属材料上的某一位置的厚度时，应当使太赫兹波在第一次测量和第二次测量时以相同发射距离入射至所述非金属材料表面的同一位置，以便精确测量非金属材料该位置处的厚度。
本发明对测量所使用的太赫兹波无严格限定，可以为常规的太赫兹波，其频率可以为0.1thz～10thz，波长可以为0.03mm～3mm。
本发明对所述非金属材料的厚度无严格限定，非金属材料的厚度可以为0.5mm～50mm。
本发明对第二次测量时太赫兹波的入射角度θi不作严格限制，只要使0°<θi<90°即可；进一步地，角度θi可以为30°～60°。
本发明对太赫兹波的发射距离不作严格限制，可以设置为常规的发射距离，例如可以设置为10cm～30cm。
本发明对待测定的非金属材料不作严格限制，例如可以为聚乙烯、玻璃纤维、碳纤维、硅片、胶层、橡胶、纸板等；此外，本发明对待测定的非金属材料的形状不作严格限制，非金属材料可以为管状、片状、层状等。
本发明还提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的系统，包括太赫兹波发射装置、太赫兹波接收装置、样品固定台和轨道，
所述太赫兹波发射装置滑设在所述轨道上并且能够向置于所述样品固定台上的非金属材料发射太赫兹波，
所述太赫兹波接收装置滑设在所述轨道上并且能够接收自所述非金属材料反射的太赫兹波信号。
在本发明中，太赫兹波发射装置用于发射太赫兹波，其可以为本领域的常规装置；可以理解的是，太赫兹波发射装置的发射源应当朝向所述样品固定台，从而便于使太赫兹波发射装置发射的太赫兹波入射至置于所述样品固定台上的非金属材料的表面。
在本发明中，太赫兹波接收装置用于接收自非金属材料反射的太赫兹波信号以获取不同反射信号之间的接收时间差，其可以为本领域的常规装置。
本发明对太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置的设置方式不作严格限制；太赫兹波发射装置与太赫兹波接收装置既可以设置为两个独立的装置，也可以设置为一个集成装置；在能够实现各自功能的前提下，可根据实际情况合理设置。
在本发明中，样品固定台用于固定待测量的非金属材料，其可以为本领域的常规结构。
在本发明中，轨道用于支持太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置滑动，从而便于太赫兹波发射装置发射的太赫兹波以不同的角度θi入射至非金属材料的表面，同时便于太赫兹波接收装置良好地接收自非金属材料反射的太赫兹波信号。
可以理解的是，在第一次测量时，太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置可以分别设置在非金属材料的法线位置，此时太赫兹波发射装置发射的太赫兹波能够垂直入射至所述非金属材料的表面。
在第二次测量时，太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置可以分别设置在非金属材料的法线的两侧；特别是，太赫兹波接收装置可以设置在第三反射信号与第四反射信号之间，从而便于同时良好地接收第三反射信号与第四反射信号。
本发明对轨道的形状不作严格限制；优选地，所述轨道可以设置为以所述样品固定台为圆心的圆弧形轨道。该圆弧形轨道能够使太赫兹波在第一次测量和第二次测量时以相同发射距离入射至所述非金属材料表面的同一位置，从而便于更加精准地测量非金属材料的厚度。
进一步地，所述圆弧形轨道的圆弧半径(即发射距离)可以设置为10cm～30cm。
本发明的实施，至少具有以下优势：
1、本发明的方法基于太赫兹检测原理对非金属材料的厚度及折射率进行测量，区别于传统太赫兹测厚原理那样需要已知被测材料的折射率才能进行厚度测量，本发明的方法能够在材料折射率未知的情况下直接对材料进行厚度测量，适用性更强。
2、本发明的方法能够直接测量出非金属材料的折射率以及厚度信息，从而避免了因不同材料具有折射率差异等因素从而导致的测量误差，测量结果的准确性高。
3、本发明的系统结构简单，通过两次对接收时间差的测量即可得到被测材料的折射率信息和厚度信息，两次测量操作简单，能够避免人为误差，对材料的测量更加严谨和精确。
附图说明
图1为本发明的系统在第一次测量时的结构示意图；
图2为本发明的系统在第二次测量时的结构示意图。
附图标记说明：
1：太赫兹波发射装置；2：太赫兹波接收装置；3：轨道；4：非金属材料；41：表面；42：底面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图和实施例，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
本实施例对折射率和厚度均为未知的聚乙烯管材(厚度大约为3cm左右)进行测量，具体方法如下：
1、第一次测量
使太赫兹波以发射距离30cm垂直(θi＝0°)入射至上述聚乙烯管材的表面，太赫兹波经聚乙烯管材的表面(即管材外壁)反射形成第一反射信号，同时，太赫兹波透过聚乙烯管材的表面并在其底面(即管材内壁)反射形成第二反射信号。
接收上述第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1。
2、第二次测量
使同一太赫兹波以发射距离30cm、入射角度60°(θi＝60°)入射至上述聚乙烯管材的表面的同一位置，太赫兹波经聚乙烯管材的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经聚乙烯管材的表面折射后再经其底面反射形成第四反射信号。
接收上述第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2。
3、计算折射率
按照下述公式计算聚乙烯管材的折射率：
其中：n：折射率；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
4、计算厚度
按照下述公式计算聚乙烯管材的厚度：
其中：d：厚度；c：真空中的光速；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
实施例2
本实施例对折射率和厚度均为未知的玻璃纤维板(厚度大约为2.5mm左右)进行测量，具体方法如下：
1、第一次测量
使太赫兹波以发射距离20cm垂直(θi＝0°)入射至上述玻璃纤维板的表面，太赫兹波经玻璃纤维板的表面反射形成第一反射信号，同时，太赫兹波透过玻璃纤维板的表面并在其底面反射形成第二反射信号。
接收上述第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1。
2、第二次测量
使同一太赫兹波以发射距离20cm、入射角度30°(θi＝30°)入射至上述玻璃纤维板的表面的同一位置，太赫兹波经玻璃纤维板的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经玻璃纤维板的表面折射后再经其底面反射形成第四反射信号。
接收上述第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2。
3、计算折射率
按照下述公式计算玻璃纤维板的折射率：
其中：n：折射率；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
4、计算厚度
按照下述公式计算玻璃纤维板的厚度：
其中：d：厚度；c：真空中的光速；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
实施例3
本实施例对折射率和厚度均为未知的硅片(厚度大约为0.5mm左右)进行测量，具体方法如下：
1、第一次测量
使太赫兹波以发射距离10cm垂直(θi＝0°)入射至上述硅片的表面，太赫兹波经硅片的表面反射形成第一反射信号，同时，太赫兹波透过硅片的表面并在其底面反射形成第二反射信号。
接收上述第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1。
2、第二次测量
使同一太赫兹波以发射距离10cm、入射角度55°(θi＝55°)入射至上述硅片的表面的同一位置，太赫兹波经硅片的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经硅片的表面折射后再经其底面反射形成第四反射信号。
接收上述第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2。
3、计算折射率
按照下述公式计算硅片的折射率：
其中：n：折射率；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
4、计算厚度
按照下述公式计算硅片的厚度：
其中：d：厚度；c：真空中的光速；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
实施例4
本实施例对折射率和厚度均为未知的橡胶片(厚度大约为1mm左右)进行测量，具体方法如下：
1、第一次测量
使太赫兹波以发射距离20cm垂直(θi＝0°)入射至上述橡胶片的表面，太赫兹波经橡胶片的表面反射形成第一反射信号，同时，太赫兹波透过橡胶片的表面并在其底面反射形成第二反射信号。
接收上述第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1。
2、第二次测量
使同一太赫兹波以发射距离20cm、入射角度45°(θi＝45°)入射至上述橡胶片的表面的同一位置，太赫兹波经橡胶片的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经橡胶片的表面折射后再经其底面反射形成第四反射信号。
接收上述第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2。
3、计算折射率
按照下述公式计算橡胶片的折射率：
其中：n：折射率；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
4、计算厚度
按照下述公式计算橡胶片的厚度：
其中：d：厚度；c：真空中的光速；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
实施例5
本实施例对折射率和厚度均为未知的纸板(厚度大约为10mm左右)进行测量，具体方法如下：
1、第一次测量
使太赫兹波以发射距离25cm垂直(θi＝0°)入射至上述纸板的表面，太赫兹波经纸板的表面反射形成第一反射信号，同时，太赫兹波透过纸板的表面并在其底面反射形成第二反射信号。
接收上述第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1。
2、第二次测量
使同一太赫兹波以发射距离25cm、入射角度35°(θi＝35°)入射至上述纸板的表面的同一位置，太赫兹波经纸板的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经纸板的表面折射后再经其底面反射形成第四反射信号。
接收上述第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2。
3、计算折射率
按照下述公式计算纸板的折射率：
其中：n：折射率；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
4、计算厚度
按照下述公式计算纸板的厚度：
其中：d：厚度；c：真空中的光速；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
实施例6
结合图1和图2所示，本发明的利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的系统，包括太赫兹波发射装置1、太赫兹波接收装置2、样品固定台(未图示)和轨道3，太赫兹波发射装置1滑设在轨道3上并且能够向置于样品固定台上的非金属材料4发射太赫兹波，太赫兹波接收装置2滑设在轨道3上并且能够接收自非金属材料4反射的太赫兹波信号。
在本发明中，太赫兹波发射装置1用于发射太赫兹波，其可以为本领域的常规装置；可以理解的是，太赫兹波发射装置1的发射源应当朝向样品固定台，从而便于使太赫兹波发射装置1发射的太赫兹波入射至置于样品固定台上的非金属材料4的表面41。
在本发明中，太赫兹波接收装置2用于接收自非金属材料4反射的太赫兹波信号并获取两次反射信号之间的接收时间差，其可以为本领域的常规装置。
本发明对太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2的设置方式不作严格限制，既可以设置为两个独立的装置，也可以设置为一个集成装置；在能够实现各自功能的前提下，可根据实际情况合理设置。
在本发明中，样品固定台用于固定待测量的非金属材料4，其可以为本领域的常规结构。可以理解的是，非金属材料4为具有一定厚度的材料，其具有表面41和底面42，对其厚度和材质不作严格限制；非金属材料4的厚度可以为0.5mm～50mm，非金属材料4可以为聚乙烯、玻璃纤维、碳纤维、硅片、胶体、橡胶、纸板等。
在本发明中，轨道3用于支撑太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2滑动，从而便于太赫兹波发射装置1发射的太赫兹波以不同的角度θi入射至非金属材料4的表面41，同时便于太赫兹波接收装置2良好地接收自非金属材料4反射的太赫兹波信号。
如图1所示，在第一次测量时，太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2可以分别设置在非金属材料4的法线位置，此时太赫兹波发射装置1发射的太赫兹波能够垂直入射至非金属材料4的表面41。
如图2所示，在第二次测量时，太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2可以分别设置在非金属材料4的法线的两侧；具体地，太赫兹波发射装置1与非金属材料4的法线之间的角度即为入射角度θi，太赫兹波接收装置2可以设置在第三反射信号与第四反射信号之间，从而便于同时良好地接收第三反射信号与第四反射信号。
本发明对轨道3的形状不作严格限制；优选地，轨道3可以为以样品固定台为圆心的圆弧形轨道。该圆弧形轨道能够使太赫兹波在第一次测量和第二次测量时以相同发射距离入射至非金属材料4表面41的同一位置，从而便于精确测量非金属材料4的厚度。
进一步地，圆弧形轨道的圆弧半径(即发射距离)可以设置为10cm～30cm。
利用上述系统对非金属材料4的厚度进行测量的方法如下：
1、第一次测量
如图1所示，将非金属材料4固定在样品固定台后，将太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2设置在非金属材料4的法线位置或法线位置附近，其中太赫兹波发射装置1发射源与入射至非金属材料4表面41的位置之间的距离(即发射距离)可以设置为10cm～30cm。
太赫兹波发射装置1发射的太赫兹波垂直(θi＝0°)入射至非金属材料4的表面41，太赫兹波经非金属材料4的表面41反射形成第一反射信号，同时，太赫兹波透过非金属材料4的表面41并在其底面42反射形成第二反射信号。
太赫兹波接收装置2接收上述第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差δt1。
2、第二次测量
随后，使太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2在轨道3上滑动，从而将太赫兹波发射装置1和太赫兹波接收装置2的位置分别调节至非金属材料4的法线位置的两侧，其中太赫兹波发射装置1的设置位置与非金属材料4的法线位置之间的角度为入射角度θi(0°<θi<90°)。
太赫兹波发射装置1发射的太赫兹波以入射角度θi入射至非金属材料4的表面41，太赫兹波经非金属材料4的表面41反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经非金属材料4的表面41折射后再经其底面42反射形成第四反射信号。
太赫兹波接收装置2设置在第三反射信号与第四反射信号之间，太赫兹波接收装置2接收上述第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差δt2。
3、计算折射率
按照下述公式计算非金属材料4的折射率：
其中：n：折射率；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
4、计算厚度
按照下述公式计算非金属材料4的厚度：
其中：d：厚度；c：真空中的光速；θi：第二次测量的入射角度；δt1：第一次测量的接收时间差；δt2：第二次测量的接收时间差。
本发明的系统结构简单，通过两次对接收时间差的测量即可得到被测材料的折射率信息和厚度信息，两次测量操作简单，能够避免人为误差，对材料的测量更加严谨和精确。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。