一种基于太赫兹时域光谱技术来无损检测油漆中缺陷的方法与流程

1.本发明属于太赫兹无损检测领域，具体涉及一种基于太赫兹时域光谱技术来无损检测油漆中缺陷的方法。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，thz，10
12
hz)是波动频率单位之一，通常用于表示电磁波频率。太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术是近二十年发展起来的物理表征和无损分析的新技术。太赫兹脉冲在穿透试样的过程中，会在试样的内部边界发生反射和透射，从而可以实现无侵入式重建试样的内部图像。
3.自从第一个太赫兹成像系统被提出以来，各种各样的太赫兹成像系统已经被开发出来，包括暗场成像，近场挖掘，光电成像，太赫兹波计算机断层扫描(ct)和飞行时间三维成像(3d)。最近，各种太赫兹成像系统已被证明在军事、安全和医疗应用具有巨大的潜力。太赫兹波的频率范围为筛选非法药物和爆炸物、鉴定生物材料、检测癌症组织提供了一系列可能性。
4.目前油漆涂层缺陷的检测方法主要为传统人工检测、基于图像处理的漆膜缺陷识别和利用超声表面波进行涂层界面缺陷识别等方法。传统人工检测方法是利用肉眼和检测人员的经验对漆面质量进行检测，基于图像处理的漆膜缺陷识别是利用计算机视觉技术对漆膜缺陷进行识别和分类。但是这两种方法都只能对油漆表面的缺陷进行识别，无法检测漆膜内部以及涂层界面处产生的缺陷。利用超声表面波可以对涂层材料界面处的缺陷进行探查，然而由于波在界面上相互耦合产生波形转换和新的波形，并在薄膜涂层内多次反射和缺陷处发生衍射，使得分析漆膜内部缺陷变得尤为复杂，难以得到即时的检测图像。超声法大多数是接触式的并且需要使用耦合剂，因此难以在工业生产中直接使用，因此需要一种非接触、可即时得到漆膜内部缺陷情况的无损检测技术。


技术实现要素：

5.本发明针对目前对油漆涂层缺陷检测方法的不足，提出了一种新型基于反射式太赫兹无损检测技术检测油漆涂层缺陷的方法，解决了现有检测方法对油漆涂层的破坏及无法即时获得检测结果等技术问题。
6.一种基于太赫兹时域光谱技术来无损检测油漆中缺陷的方法，包括如下步骤：
7.步骤1，通过太赫兹时域光谱系统对油漆涂层进行扫描成像，得到油漆涂层的太赫兹扫描图像并提取油漆涂层的时域波形；
8.步骤2，基于时域波形计算油漆涂层的复折射率；
9.步骤3，在太赫兹扫描图像中选取参考点，分析参考点的太赫兹时域波形，确定缺陷位置、形状、大小；
10.步骤4，逐点选取太赫兹时域波形在对应延迟时间的值，绘制涂层内部不同深度的三维层析图像，直观反应油漆涂层内部的缺陷分布；
11.步骤5，通过傅里叶变换(f(ω)＝∫f(t)e-iωt
dt)逐点将太赫兹时域波形转化为频域谱；选取某一太赫兹频率，提取在该频率下频域谱的值，绘制样本的单频二维图像。
12.进一步地，太赫兹反射式脉冲成像系统由太赫兹时域光谱系统与附加的成像模块组成。它包括：
13.飞秒激光器、分束器、反射镜、太赫兹产生器、抛物面反射镜、xyz三轴平移台、太赫兹接收器、延迟线、反射镜、锁相放大器和计算机；
14.飞秒激光器发出激光照射到分束器上，激光被分为两束；
15.其中一束经反射镜照射到太赫兹产生器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波经抛物面反射镜准直聚焦后按照设定的角度照射到xyz三轴平移台上的样品上，太赫兹经样品反射和抛物面反射镜准直聚焦后照射到太赫兹探测器上。
16.进一步地，步骤2中，计算出复折射率n＝n(ω)+ik(ω)；其中，n为实部，表示油漆涂层的折射率，k为虚部，表示消光系数，ω代表n和k随频率变化。
17.进一步地，步骤4中，三维层析图像中表示出涂层缺陷在不同层次上的分布情况以及试样在不同深度下缺陷的变化情况。
18.进一步地，步骤4中，根据三维层析图像绘制出任选截面的截面图，反映该截面处的后表面形貌、缺陷大小和位置，并显示该处的内部结构，检查油漆缺陷、裂纹、分层。
19.进一步地，截面图包含三维坐标系中xz平面截面图和yz平面截面图。
20.本发明提供了一种利用太赫兹时域光谱成像技术进行油漆缺陷识别的方法，达到了非接触式、无损检测的目的。通过分析样品的太赫兹时域波形、层析图像以及截面图，可以确定其缺陷位置、大小和形状，操作简单方便，实现效果好，缺陷检测准确。
附图说明
21.图1为本发明实施例中的检测油漆中缺陷的方法的流程图。
22.图2为反射型脉冲式太赫兹时域光谱成像系统的示意图
23.图3(a)为高光泽水性涂料样品图，(b)为样本和参考的太赫兹时域谱，(c)为利用公式计算出的复折射率n＝n(ω)+ik(ω)。
24.图4(a)是由时域数据得到的样本在反射模式下的典型thz图像，(b)-(d)为图3(a)中三个特征点处的波形图。
25.图5(a)是样品上像素点处的典型thz波形，(b)-(f)显示了缺陷在不同层次上的分布情况以及试样在不同深度下缺陷的变化情况，(g)和(h)是样品的截面图。
26.图6(a)-(d)分别是不同频率的太赫兹单频二维图。
27.图中，1-飞秒激光器，2-分束器，3-反射镜，4-反射镜，5-太赫兹产生器，61-抛物面反射镜，62-抛物面反射镜，63-抛物面反射镜，64-抛物面反射镜，8-xyz三轴平移台，9-太赫兹接收器，10-延迟线，11-反射镜，12-锁相放大器，13-和计算机。
具体实施方式
28.下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
29.以下的实施例包括但不限于所述的高光泽水性漆，所有用于家具、地板和汽车油漆在内的油漆均在本发明的保护范围之内。
30.一种基于太赫兹时域光谱技术来无损检测油漆中缺陷的方法，具体实施过程如下：
31.第一，选择合适的系统和环境：
32.(1)利用太赫兹反射式脉冲成像系统，该系统在本实验中由太赫兹时域光谱系统与附加的成像模块组成；
33.(2)太赫兹反射式脉冲成像是通过样品内层间折射率变化对太赫兹脉冲的反射来获取信息。太赫兹脉冲的第一次反射来自样品的外表面，随后被样品内部结构反射的其他脉冲也到达探测器。然后利用反射波的时间延迟计算样品的三维结构成像；
34.(3)所有的测量都在室温下进行，在氮气氛围下工作可以提高系统的信噪比。
35.第二，油漆涂料样品制备。
36.(1)将油漆刷在透明的塑料薄膜上。样本大小如图3(a)所示，成像区域为样本中部的圆区域(直径为36mm)(实线表示)；
37.(2)整个样品的厚度约为0.30mm。整个样品外表面光洁，肉眼无缺陷。
38.第三，具体实施步骤。将标本置于成像模块窗口。试样的位置由三轴平移台沿x、y方向移动。太赫兹波的光路被封闭在一个由净化氮气净化的腔内，以减少水的汽化吸收。
39.(1)油漆涂层的太赫兹基本性质。
40.图3(b)显示了样品和参考的太赫兹时域谱。
41.对于样品来说，与通过透明塑料薄膜衬底传输的参考信号相比，主透射脉冲的峰值强度由于吸收而降低。第一个瞬态脉冲是直接通过样品的主脉冲。第二次瞬变是由于样品内部的多次反射。由于主发射脉冲和第一次内反射在时间上有相对清晰的分离，所以只能在主发射脉冲上进行数据分析而不会失去有效性；
42.图3(c)为利用公式(1)计算出的复折射率n＝n(ω)+ik(ω)。
43.根据检测在0.2thz-2.5thz范围内，样品的折射率n有轻微下降，而消光系数k随频率的增加而增大。n和k在太赫兹范围内的波动很小，n的值约为2.1，k值在0.1cm-1
以下，说明涂料在太赫兹范围内的吸收很弱。
44.(2)反射模式下的thz图像如图4(a)。
45.本实施例中选取三个特征点，比较它们的太赫兹波形。其中点1和点2为缺陷，点3是一个正常区域，作为参考。从波形上看缺陷会造成太赫兹波形的扭曲。
46.(3)绘制样品的层析图像。
47.图5(b)-(f)显示了缺陷在不同层上的分布情况以及试样在不同深度下缺陷的变化情况。波形不同的延迟时间对应样品内部不同层。
48.具体的，以位于(x＝-3,y＝4)的缺陷为例，观察其变化。缺陷从(b)处出现，然后演变了(c)、(d)和(e)，到(f)时几乎消失了。在其他缺陷上也可以发现同样的情况，其坐标为(7,5)、(2.5,12)、(7.5,-10)、(-2.5,-1)等。
49.通过上述结果表明，太赫兹脉冲成像技术可以通过逐层扫描在三维空间中精确地确定缺陷的位置和形状。
50.(4)分析该漆料检测区域内的截面图，如图5(g)和(h)；
51.图5(g)为xz平面，y＝4，图4(h)为yz平面x＝-3。这两个平可以反映样品后表面形貌、缺陷大小、位置等信息，并显示样品的内部结构。从图5(g)和(h)，一个缺陷可以定位在x
＝-3，y＝4。这个结果与图3(b)-(f)一致，我们可以在x＝-3和y＝4处发现缺陷。
52.通过观察图5(g)和(h)，其后表面不平整，试样厚度不均匀，与图4的结论相吻合。
53.(5)更进一步的，通过对时域谱进行傅里叶变换，得到频域谱。选取某一太赫兹频率，提取在该频率下频域谱的值，绘制样本的单频二维图像。
54.选取合适频率，使得缺陷的边界和形状清晰，缺陷内部细节得以呈现。
55.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。