1、 赫兹成像技术检测复合材料摘要:目的 本文的目的是提出了各种情况下的复合材料的太赫兹成像技术的能力，也提出了一种新的缺陷检测算法。方法本文首先讨论了应用在复合材料检测的太赫兹技术。然后介绍了太赫兹辐射源（光电导天线）和太赫兹时域成像系统的一般结构。接下来得到了复合防腐涂层、玻璃和增强碳纤维层合板的太赫兹成像结果。然后提出了信号处理和基于时域识别方案和 A 扫描信号的均衡和 C 扫描阈值方法。这样处理后的数据,被参数化与缺陷识别数据库做准备。所提出的方法使用玻璃纤维层压板分层示范性的检验结果进行了验证。最后，对太赫兹时域检测和低能量的数字射线照相做了对比。结果说明太赫兹成像技术适合于复合材料结构
2、的检验。得到了复合防腐涂层、玻璃和增强碳纤维层合板的太赫兹成像结果。提出了信号处理算法的应用能够准确的缺陷检测和有效的数据收集识别数据库的目的。结论本文洞察各种复合结构的太赫兹成像的可能性，提出的信号处理和缺陷检测方案适用于广泛的复合材料结构。关键词 无损检测、复合材料、图像处理、信号处理1.引言复合材料具有高耐腐蚀、足够的刚度和高强度重量比的特性，所以在现代工业得到广泛使用。复合材料应用在风力涡轮机、坦克、汽车、海洋和航空结构。超声波、涡流法、微波技术、光学方法和温度记录是常用的对复合材料进行无损检测的技术。由于异构结构的复合材料(多层性质和纤维波纹 )中发现的缺陷不同于金属中的缺陷。断层的
3、探测和识别使得任务更加复杂。先进的无损检测技术如太赫兹光谱或低能量数码摄影(DR)成为可能非常精确表征缺陷位置,因为高空间分辨率。特别是,太赫兹技术能够评估复合材料层合板的内部分层。2.太赫兹技术用于检查复合材料太赫兹电磁辐射能够非侵入式的、非电离和非接触式的检测介质材料,如:塑料、枯木、炸药陶瓷、泡沫材料和复合材料,尤其是不导电的增强纤维。T-Rays 对折射率敏感。任何影响折射率的缺陷都可以观察到，比如：。空隙;。分层;。夹杂物;。非均质分布材料(纤维/基体分布);。表面粗糙度;。纤维波纹;。内部层之间的分层(在分层结构 )在大多数情况下,缺陷是基于脉冲太赫兹时域光谱(TDS)反射和透射成
4、像被检测的。该方法非常适合评估分层材料。每个不同层之间引起入射太赫兹脉冲的反射和衰减的传播。传播脉冲和它们的回声(延迟层反射 )延迟的差异能够表征厚度特征和内部结构的状态。非常短的脉冲(皮秒)包含宽的频率带宽(0.05-3 太赫兹),因此,有可能把一个单点宽带测量。太赫兹 TDS 系统的主要组件:。两个传感器(发射机和接收机 );。超快速激光;。光学延迟线。太赫兹脉冲是通过光电导天线(PCA)产生的(Gregory et al .,2005)。这种设备的简化视图如图 1 所示。太赫兹发射机的主要部分是一个电极间隙的双三角形天线,然后用飞秒激光脉冲照射。这样的激励和外部的直流偏压引起脉冲电流通过
5、金属天线的一部分。瞬变的光电流会辐射 THz 波。由此产生的领结天线辐射 THz 波通过高电阻率半球形硅透镜平行辐射出,然后由高密度聚乙烯表面镜头聚焦。脉冲太赫兹的简化方案 TDS 系统如图 2 所示,使用设备测量得到的视图如图 3 所示。Picometrix TRay4000 成像系统提供 3 GHz 的频率分辨率和更少超过 500 微瓦平均功率的太赫兹光束。TDS 的横向分辨率技术是小于 200 微米和深度分辨率小于 50 微米(Zimdars et al .,2005)。Figure1.Terahertz photoconductive transmitterFigure2. Schem
6、e of pulsed terahertz TDS systemFigure 3. View of pulsed terahertz TDS system3.太赫兹时域光谱技术测量和数据分析的结果太赫兹时域成像与超声技术相似提供各种数据收集类型：A-scan,B-scan C-scan。所有类型都在图 4 上。A-scan 是一个单点(x,y) 测量获得的信号- 时间相关波形 S(x=常量,y=常量，tD)由反射或透射脉冲组成。脉冲携带了关于检查结构振幅和相位以及检查时间距离的信息。B-scan 的 S(x,y=常量，tD)是由一系列 A-scans 获得一行(1 d) 扫描组成(图 4)。F
7、igure 4. Data collection types in terahertz time domain method对表面检查需要获得一个 3 d 信号 S(x,y,tD)。对于给定 tD 的值的一片扫描构成了 C-scan - S(x,y,tD=常量)。检验标本的深度 z 对应于 tD 延迟时间的值,因此我们可以说,C-scan可以检测深度。脉冲太赫兹 TDS 非常适合不导电的复合材料的无损检测。在我们的实验中各种材料被检查。第一个实验检测由漆层,聚合物层、陶瓷层和钢板组成的复合材料样品(图 5)。这种结构应用于石油和化工行业作为阻止金属材料的腐蚀的保护涂层。评估试样包含金属/陶瓷层
8、界面的人工缺陷。缺陷导致在钢板反射脉冲附近产生额外的反射脉冲,因此很容易探测。Figure 5 View of composite protective coating其他类型的检查材料是增强纤维复合材料。最重要的一个关于纤维增强复合材料的信息,可以使用技术,提出了纤维取向和纤维/矩阵分布。模范 C-scan 信号获得规则和不规则的纤维结构如图 6 所示。B-scan 信号通过使用太赫兹技术反射检查分层的玻璃增强纤维复合材料，得到图像如图 7 所示。在测试程序前介绍了检查标本的机械损伤(影响)( 图 7)。表面波度和分层内部层之间产生的信号很容易检测。Figure 6.Regular vers
9、us irregular fiber oritentation evaluatedFigure 7. Results of glass-fiber composite evaluationFigure 8. Block scheme of signal processing and defect detection algorithm分层是最严重的问题之一,可以发生在层压制品。它会影响材料的结构完整性,减少机械刚度和抗压强度。这就是为什么必须使用有效的探伤过程。提出了缺陷检测算法的方框图如图 8 所示。对于每个位置(x,y),测量信号是一致在延迟时间域为了简化进一步的信号处理算法,降低表面粗糙
10、度的影响。应用时域均衡过程的详细描述,提出了在前面的论文作者(Lopato et al .,2009)。信号是一致的位置太赫兹脉冲的最小值。后,一些时间延迟值(tD1、tD2 tD3)选择和相应的 C-scan 信号阈值为了检测缺陷概率高的地区。接下来阈值 C-scans 参数化。选择功能,如:。缺陷区域;。形状系数;。位置深度检测标本中对应于计算延迟时间 tD 的价值。根据上述信息,创建一个缺陷参数的数据库。决定加入特定类的缺陷(如分层、空虚、夹杂物等) 都要与数据库记录对比。分类的质量取决于数据库的大小,因此一个广泛的阿特拉斯可能的缺陷必须做好准备。在图 9 中,获得了太赫兹 C-scan
11、 信号阈值操作和结果。可以观察、分层配置文件显著差异取决于深度检查,因此脉冲太赫兹 TDS 方法可能是一个非常有效的工具在多层复合材料的无损评价。Figure 9.Evaluation of laminated glass-fiber composite4. 太赫兹(THZ)和低能量摄影(DR)技术比较由于集肤效应,在太赫兹技术的情况下,仅仅表面导电纤维增强材料的检查是可能的。因此,对于碳纤维复合结构的太赫兹那么辐射无损检测应用程序降低表面粗糙度评价。这种限制可以通过低能量射线照相检验弥补。使用这两种技术获得的结果(脉冲太赫兹 TDS 和 DR)图10 和 11 中所示。Figure 10.R
12、esults of carbon-fiber composite evaluation using low energy X-ray beamFigure 11.Results of carbon-fiber composite evaluation using pulsed terahertz TDS碳纤维复合材料评估结果使用低能量 DR 如图 10 所示。纤维/基体分布和孔隙度是清晰可见。正如我们预测,脉冲太赫兹 TDS,只有纤维波纹是可以检测和内部部分标本信息是不可访问的(图 11)。太赫兹 TDS 成像需要耗时的扫描过程,因此,低能量 DR 是更快的检查方法5.结论两种技术都能准确评估复合结构。脉冲太赫兹 TDS针对介电复合材料,如加强的玻璃纤维。相对于其他常见的方法这种方法提供了非常广泛的和独特检测能力:高分辨率,不需要使用任何额外的耦合介质,光谱信息的可用性, 检查材料的介电参数估计, 最后还提供了一个缺陷深度信息。该算法(图 8)用于多层复合材料的无损评估是非常有效的工具。低能量 DR应 用更普遍 (应用程序中,低和不导电的材料),而且能够快速检查,但对比于脉冲太赫兹 TDS 它不安全,没有提供尽可能多的关于内部 结构信息 (如缺陷深度)。
