阅读说明：本技术 基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统 (insulating material thickness detection method and system based on terahertz propagation characteristics ) 是由 程志强 刘荣海 孔旭晖 郭新良 郑欣 杨迎春 许宏伟 虞鸿江 焦宗寒 周静波 陈 于 2019-10-15 设计创作，主要内容包括：本申请公开了基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统,方法包括利用斩波器对脉冲太赫兹波源发出的脉冲太赫兹波降噪滤波,固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；利用反射式太赫兹波强度检测装置检测照射待测物体后的反射太赫兹脉冲,利用透射式太赫兹波强度检测装置检测照射待测物体后的透射太赫兹脉冲；利用太赫兹信息前端预处理设备提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；利用数据处理终端计算材料的厚度。本申请在朗伯定律的基础上,将反射的太赫兹脉冲强度考虑到厚度检测误差影响因素里。通过检测待测物体的反射太赫兹脉冲和透射太赫兹脉冲,实现检测误差的修正,从而获得更高精度的检测结果。(The application discloses an insulating material thickness detection method and system based on terahertz propagation characteristics, wherein the method comprises the steps of utilizing a chopper to reduce noise and filter a pulse terahertz wave emitted by a pulse terahertz wave source, and fixing the irradiation frequency and the transmission signal frequency of a pulse terahertz wave light source signal; detecting a reflected terahertz pulse after irradiating the object to be detected by using a reflective terahertz wave intensity detection device, and detecting a transmitted terahertz pulse after irradiating the object to be detected by using a transmissive terahertz wave intensity detection device; extracting transmission terahertz pulse and reflection terahertz pulse data by utilizing terahertz information front-end preprocessing equipment; the thickness of the material is calculated using a data processing terminal. According to the terahertz pulse intensity measuring method and device, on the basis of the Lambert law, the reflected terahertz pulse intensity is considered in the influence factors of thickness detection errors. The correction of detection errors is realized by detecting the reflection terahertz pulse and the transmission terahertz pulse of the object to be detected, so that a detection result with higher precision is obtained.)

基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统

技术领域

本申请涉及太赫兹光谱技术领域，特别涉及一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统。

背景技术

绝缘材料以其优异的机械性能、电气绝缘性能和良好的耐腐蚀、耐老化等特性，被广泛应用于机械、建筑、电力传输、航空航天等领域。以电力行业为例，在输变电设备中应用比较广泛的绝缘材料主要有陶瓷、三元乙丙橡胶、环氧树脂和硅橡胶等。由于绝缘材料在抗裂化、憎水性、防污性、耐漏电起痕和耐电蚀损性等方面具有十分突出的优点，所以其在电力行业中占有举足轻重的地位。绝缘材料在电气设备中的作用是把电势不同的带电部分隔离开来，防止发生短路、漏电、击穿等电力事故。如果绝缘产品的生产质量得不到保证，不仅会造成巨大的财产损失，严重时会威胁操作人员的人身安全。因此，应当对绝缘材料的生产质量进行严格把控。

作为衡量绝缘材料的电气性能的指标之一，绝缘耐压强度在检验产品是否符合国家标准的测试中发挥着至关重要的作用。大量研究表明，绝缘材料的绝缘耐压强度与材料厚度的均匀度存在着必然的联系，并且绝缘材料的电气性能往往取决于其上最薄点厚度的大小。所以，如何实现绝缘材料厚度的精确测量是保证产品生产质量的一个关键问题。

现阶段已经应用于层厚精确测量的无损检测方法有超声波法、涡流法和X射线检测法。超声波法主要用于致密材料的壁厚测量，无法对衰减较大的绝缘材料层厚进行精确测量，且该方法存在测量盲区和测量下限。涡流法主要用于导电材料的层厚测量，不适用于绝缘材料层厚的测量。X射线检测法虽然可以检测样品的内部几何尺寸，但在实际应用的过程中存在电离辐射，会对操作人员的身体健康产生影响。因此，缺少一种非接触、快速、安全可靠的绝缘材料厚度检测方法。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统，以解决缺少非接触、快速、安全可靠的绝缘材料厚度检测方法的问题。

一方面，根据本申请的实施例，提供了一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法，包括：

利用斩波器对脉冲太赫兹波源发出的脉冲太赫兹波降噪滤波，固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；

利用反射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的反射太赫兹脉冲，利用透射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的透射太赫兹脉冲；

利用太赫兹信息前端预处理设备提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；

利用数据处理终端根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度。

进一步地，根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度的公式为：

其中，α表示材料对太赫兹波的吸收系数；I_S表示太赫兹波初始的入射强度；I_F表示反射太赫兹波脉冲数据；I表示透射太赫兹波脉冲数据；d表示材料厚度；θ表示太赫兹波入射到待测样品表面与法线之间的夹角。

进一步地，所述脉冲太赫兹波源的脉冲发射重复频率为5Hz-10Hz。

另一方面，根据本申请的实施例，提供了基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测系统，包括斩波器，脉冲太赫兹波源，反射式太赫兹波强度检测装置，透射式太赫兹波强度检测装置，太赫兹信息前端预处理设备和数据处理终端；

所述脉冲太赫兹波源，用于发出脉冲太赫兹波；

所述斩波器，用于对脉冲太赫兹波源发出的脉冲太赫兹波降噪滤波，固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；

所述反射式太赫兹波强度检测装置，用于检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的反射太赫兹脉冲；

所述透射式太赫兹波强度检测装置，用于检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的透射太赫兹脉冲；

所述太赫兹信息前端预处理设备，用于提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；

所述数据处理终端，用于根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度。

进一步地，所述反射式太赫兹波强度检测装置距待测样品的距离与所述透射式太赫兹波强度检测装置距待测样品的距离相等。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统，所述方法包括利用斩波器对脉冲太赫兹波源发出的脉冲太赫兹波降噪滤波，固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；利用反射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的反射太赫兹脉冲，利用透射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的透射太赫兹脉冲；利用太赫兹信息前端预处理设备提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；利用数据处理终端根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度。本申请在朗伯定律的基础上，将反射的太赫兹脉冲强度考虑到厚度检测误差影响因素里。通过检测待测物体的反射太赫兹脉冲和透射太赫兹脉冲，实现检测误差的修正，从而获得了更高精度的检测结果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本申请实施例示出一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法的流程图；

图2为朗伯定律原理图；

图3为根据本申请实施例示出一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测系统的结构示意图。

图示说明：

其中，1-脉冲太赫兹波源；2-斩波器；3-第一太赫兹波反射镜面；4-待测样品；5-第二太赫兹波反射镜面；6-反射式太赫兹强度检测装置；7-数据处理终端；8-太赫兹信息前端预处理设备；9-透射式太赫兹强度检测装置；10-第三太赫兹波反射镜面。

具体实施方式

由朗伯定律可知，当太赫兹波垂直照射于可透射样品之上时，透射光强I与材料厚度d就有较为简单的函数关系：

I＝I₀exp(-αd)；

其中，α表示材料对太赫兹波的吸收系数；I₀表示太赫兹波入射的初始强度；d表示被透射材料的厚度。而材料对太赫兹波的吸收系数α可以通过实验测得，当吸收系数α已知，便可以根据函数关系计算出材料的厚度。

然而这种计算方法没有考虑到太赫兹波在材料界面上发生反射的情况，得出的结果与物体的实际厚度之间存在一定的误差。为了减少误差对结果的影响，提出本申请的技术方案。

参阅图1，本申请实施例提供了一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法，包括：

步骤S1、利用斩波器对脉冲太赫兹波源发出的脉冲太赫兹波降噪滤波，固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；

在探测端只需寻找斩波器频率的信号即可，以消除周遭环境中其他太赫兹波的干扰。

步骤S2、利用反射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的反射太赫兹脉冲，利用透射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的透射太赫兹脉冲；

步骤S3、利用太赫兹信息前端预处理设备提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；

步骤S4、利用数据处理终端根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度。

太赫兹波是指位于微波和红外线之间的电磁波，在电磁波频谱中占有特殊的位置。一方面，利用太赫兹波来进行物体探测时，不会产生有害的光致电离，是一种有效的无损检测手段，具有信噪比高、检测快速等特点。而且太赫兹波脉冲宽度为皮秒量级，可有效用于进行时间分辨的研究。另一方面，一些非极性、非金属物质对太赫兹电磁辐射是透明的，更重要的是：太赫兹波对厚度很敏感，可以把它用于物体厚度的测量。

进一步地，根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度的公式为：

其中，α表示材料对太赫兹波的吸收系数；I_S表示太赫兹波初始的入射强度；I_F表示反射太赫兹波脉冲数据；I表示透射太赫兹波脉冲数据；d表示材料厚度；θ表示太赫兹波入射到待测样品表面与法线之间的夹角。

推导过程如下：

参阅图2，将太赫兹波以θ的角度入射到待测样品表面，当考虑反射的太赫兹脉冲强度时，则在原函数关系的基础上有以下函数关系成立：

I＝(I_S-I_F)exp(-αd′)；

d＝d′*cosθ；

其中，I_S表示太赫兹波初始的入射强度；I表示透射的太赫兹波强度；I_F表示反射的太赫兹强度；θ为太赫兹波与待测样品表面的法线之间的夹角。

对上面两式进行整理可得

由于太赫兹波的初始入射强度I_S已知，材料对太赫兹波的吸收系数α可以在实验室里测得，通过检测太赫兹波的反射强度I_F和透射强度I，便可根据上述公式计算出材料的厚度d。

可选地，θ为45°。

进一步地，所述脉冲太赫兹波源的脉冲发射重复频率为5Hz-10Hz。脉冲发射重复频率为5Hz-10Hz可保证每两次脉冲太赫兹波之间不会相互干扰，而且可以与探测端的数据处理速度保持同步。

参阅图3，本申请实施例提供了基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测系统，包括斩波器2，脉冲太赫兹波源1，反射式太赫兹波强度检测装置6，透射式太赫兹波强度检测装置9，太赫兹信息前端预处理设备8和数据处理终端7；

反射式太赫兹波强度检测装置6和透射式太赫兹波强度检测装置9分别与太赫兹信息前端预处理设备8连接，太赫兹信息前端预处理设备8和数据处理终端7连接。

所述脉冲太赫兹波源1，用于发出脉冲太赫兹波；

所述斩波器2，用于对脉冲太赫兹波源1发出的脉冲太赫兹波降噪滤波，固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；

所述反射式太赫兹波强度检测装置6，用于检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体4后的反射太赫兹脉冲；

所述透射式太赫兹波强度检测装置9，用于检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体4后的透射太赫兹脉冲；

所述太赫兹信息前端预处理设备8，用于提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；

所述数据处理终端7，用于根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度。

为了更好地引导脉冲太赫兹的传输方向，本申请提供的检测系统还包括第一太赫兹波反射镜面3，第二太赫兹波反射镜面5和第三太赫兹波反射镜面10。第一太赫兹波反射镜面3用于将降噪过后的脉冲太赫兹波照射到待测物体4；第二太赫兹波反射镜面5用于将待测物体反射后太赫兹脉冲传输至反射式太赫兹波强度检测装置6；第三太赫兹波反射镜面10用于将待测物体透射后太赫兹脉冲传输至所述透射式太赫兹波强度检测装置9。

进一步地，所述反射式太赫兹波强度检测装置距待测样品的距离与所述透射式太赫兹波强度检测装置距待测样品的距离相等。避免因不同路径和传输距离产生的太赫兹衰减对检测精度影响。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种基于太赫兹传播特性的绝缘材料厚度检测方法及系统，所述方法包括利用斩波器对脉冲太赫兹波源发出的脉冲太赫兹波降噪滤波，固定脉冲太赫兹波光源信号的照射频率和透射信号频率；利用反射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的反射太赫兹脉冲，利用透射式太赫兹波强度检测装置检测降噪过后的脉冲太赫兹波照射待测物体后的透射太赫兹脉冲；利用太赫兹信息前端预处理设备提取透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据；利用数据处理终端根据所述透射太赫兹脉冲和反射太赫兹脉冲数据计算材料的厚度。本申请在朗伯定律的基础上，将反射的太赫兹脉冲强度考虑到厚度检测误差影响因素里。通过检测待测物体的反射太赫兹脉冲和透射太赫兹脉冲，实现检测误差的修正，从而获得了更高精度的检测结果。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。