基于太赫茲時域光譜技術的金屬表面均勻度檢測研究

于淼 劉偉 王可心 吳育衡 滿潤昕

摘要：為確保金屬保護涂層質量和服役狀況，需要對金屬基材表面預處理情況進行檢測。本文利用反射式太赫茲時域光譜技術（THz-TDS）針對金屬基材表面均勻度展開了研究。對樣品的待測金屬表面進行了逐點檢測，獲得了金屬待測表面和基準面間各點的飛行時間差，提取了均勻度表征模型。繪制了表面均勻度空間分布三維形貌圖，獲得了表面均勻度空間分布情況，并提出了一種利用標準偏差的方法評價鋼材表面均勻度。研究結果表明，太赫茲時域光譜針對金屬表面均勻度的檢測精度可達1μm，對節約涂料和避免涂層過早失效有重要意義。

關鍵詞：太赫茲時域光譜；無損檢測；飛行時間；金屬表面均勻度；三維形貌圖

中圖分類號：O433.4文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.011

基金項目：航空科學基金（20173434004）

涂層處理技術廣泛應用于航空航天、石油冶煉、醫療衛生等領域，使防護金屬材料免受高溫失效和腐蝕侵害等惡劣服役條件的影響，改善使用性能，增加服役壽命[1-4]。研究人員對涂層材料和涂覆工藝進行了大量的研究和嚴密的檢測，而忽視了涂覆前金屬基材表面條件對復合材料的質量的影響。涂覆系統的抗腐蝕防護能力與服役壽命，很大程度上取決于金屬基材在涂覆前的表面預處理情況。長期應用證明[5]，70%的提早失效現象，是由于金屬基材表面條件達不到涂覆標準所導致的。

金屬結構的表面預處理效果對涂料用量、涂層的附著情況、涂層的力學性能及孔隙率等方面有著直接的影響。分析金屬基材表面均勻度，是涂覆前的必要環節，且對節約涂料和避免涂層過早失效有重要的意義。

目前，國內外比較成熟的表面均勻度測量評估方法主要分為兩類：（1）接觸式指針探頭掃描法[6]；（2）非接觸式光學測量法[7]。接觸式指針探頭掃描法具有操作簡便、成本低等優勢，通過在試件表面機械式移動微小的探針來測量每個點的高度。然而，指針探頭在接觸過程中有可能對產品表面造成損傷，并且其測量精度受到指針探頭尺度的制約。光學測量法具有較高的靈敏度，在測量過程中對樣品不會造成物理損傷。太赫茲時域光譜技術（THz-TDS）是一種新型的相干探測技術，由于其高頻、寬帶、高分辨率、高信噪比、波譜信息豐富等特點，近年來廣泛應用于國防、工業、通信、醫療等多個領域[8-10]。基于太赫茲時域光譜的無損檢測技術，可通過非接觸式檢測，分析脈沖太赫茲波與介質間的相互作用關系，提取樣品的太赫茲時頻信息，進一步對特征參量分析處理[11-12]，可為獲取金屬基材表面預處理效果提供可靠的依據。

本文采用反射式THz-TDS系統，對涂覆工藝前的金屬基材表面預處理情況進行了無損檢測，利用上位機軟件控制二維電控平移臺與THz-TDS系統，針對金屬表面情況進行二維掃描，通過對反射波形的分析，提取有效頻段、相位、到達時間和波形等信息，對金屬基材的表面狀況進行了檢測。

1試驗原理

1.1反射式THz-TDS系統原理

太赫茲時域光譜檢測系統包括飛秒脈沖激光器、太赫茲發射器、太赫茲探測器、延遲線機構等，其工作原理如圖1所示，飛秒激光器發出的飛秒激光脈沖經分束器分為兩束，一束為泵浦光，一束為探測光。泵浦光入射到光導電天線，發射太赫茲波脈沖。太赫茲脈沖在樣品中反射后攜帶了樣品信息，與經由延遲線機構的探測光共線經過太赫茲探測器，利用等效采樣原理，獲得太赫茲電場強度的變化量，實現信號測量。

1.2等效采樣原理

利用太赫茲時域光譜進行無損檢測時，THz脈沖的時間分辨率可達皮秒量級，在超快電光采樣系統中，光電導天線探測回波脈沖的頻率相對較低，難以實現實時采樣，因此需要應用等效采樣原理實施有效檢測[13]。

等效采樣技術相比實時采樣，可以大大提高等效采樣率，減緩了硬件實時采樣率及數據存儲速率和存儲容量的壓力。其基本原理是把高頻、快速信號變成低頻、慢速重復信號。

等效采樣有效實施的條件為：（1）待測信號必須為穩定的周期信號；（2）采樣信號必須穩定。如圖2所示，在此研究系統中，使用光學延遲法連續改變采樣信號與待測信號之間的相對時間延遲，以重構待測信號波形，相鄰兩激光脈沖的相對時間延遲為：

2均勻度模型

由于金屬材料在太赫茲波段的介電常數，比其他介質材料高很多個數量級[14-15]，因此當太赫茲波入射到金屬表面時，具有幾乎全反射的特性[16-17]。當入射到光滑的金屬表面時，其表面各點的飛行時間差近似一致；當金屬表面不均勻時，其表面各點的飛行時間差會有明顯差異[18]，根據此原理可以判別金屬表面的均勻度。

2.1單點表面均勻度表征模型

基于太赫茲波在金屬表面的反射特性，如圖3所示，可以通過待測表面與基準面之間由于太赫茲波到達時間不同產生的飛行時間差，獲取兩表面間的空氣介質層厚度，金屬表面均勻度不同會導致空氣介質層厚度的不同，即可利用飛行時間差表征待測表面均勻度。

2.2表面均勻度模型分析

本研究中，對樣品的待測金屬表面進行逐點檢測，以獲得各點的飛行時間差。利用各點飛行時間差提取均勻度表征模型，獲得表面均勻度空間分布情況，繪制表面均勻度空間分布三維形貌圖，分析金屬表面均勻度。其中X、Y軸表示金屬表面的空間位置，Z軸表示待測表面與基準面之間的空氣介質層厚度，曲面形貌和色度變化反映樣品待測金屬表面均勻度。

3試驗數據分析

3.1試驗裝置

試驗裝置采用德國Fraunhofer研究院的光纖耦合太赫茲光譜儀，該系統是高度集成的一體化系統，利用光電導天線產生并檢測太赫茲脈沖，該THz-TDS系統脈沖寬度為0.1～4THz，信噪比>70dB，焦距65mm。利用上位機軟件控制二維電控平移臺與THz-TDS系統。圖4為試驗裝置示意圖。

3.2單點時域信號分析

試驗在室溫25℃、無塵的條件下進行，采用反射式THz-TDS系統對鋼材表面進行單點檢測，獲得被測樣品的單點太赫茲時域波形，如圖5所示為三個不同檢測點1～3的單點太赫茲反射時域波形。入射的太赫茲波首先到達金屬基準面，發生第一次反射，太赫茲波接收器接收到第一個脈沖信號，稱為主波信號，信號1出現在937.7044ps；信號2出現在937.6444ps；信號3出現在937.7344ps。之后，入射的太赫茲波到達待測表面，發生第二次反射，太赫茲波接收器接收到第二個脈沖信號，稱為一次回波信號，信號1出現在957.3044ps；信號2出現在957.2794ps；信號3出現在957.2144ps。通過多次測量取平均值，得到信號1飛行時間差ΔT為19.6000ps；信號2飛行時間差ΔT為19.6350ps；信號3飛行時間差ΔT為19.4800ps；根據式（3）求得信號1單點空氣介質層厚度d=2.9400mm；信號2單點空氣介質層厚度d=2.9453mm；信號3單點空氣介質層厚度d=2.9220mm。對于檢測點信號1～3而言，飛行時間差ΔT均有所差異，由此可通過提取檢測區域內各掃描點回波信號，計算全檢測區域空氣介質層厚度，進而表征基材表面均勻度。

3.3表面均勻度分析

金屬基材作為涂層涂覆的載體，其表面均勻度影響涂層的使用性能，并決定涂層的服役壽命。因此，對金屬基材表面均勻度的檢測是涂覆前的必要環節，對于節約涂料和避免涂層過早失效有重要的意義。該試驗模擬了涂覆前金屬基材不均勻的表面條件。在無銹、均勻且無其他雜質的鋼板表面進行了鉆孔，鋼板尺寸為100mm×100mm×15mm，孔的直徑為2mm，深度3mm。孔底面由于人為加工，表面均勻度不一，試驗樣品如圖6所示。

試驗在室溫25℃、無塵的條件下進行，采用反射式THz-TDS系統對鋼材表面進行均勻度測量。對樣品的待測金屬表面進行逐點檢測，以獲得各點的飛行時間差。利用各點飛行時間差提取均勻度表征模型，獲得表面均勻度空間分布情況，繪制表面均勻度空間分布三維形貌圖，如圖7所示。X、Y軸表示金屬表面的空間位置，Z軸表示待測表面與基準面之間的空氣介質層厚度，曲面形貌和色度變化反映樣品待測金屬表面均勻度。圖中可直接反饋出金屬表面均勻度的變化，從邊緣藍色區域到紅色區域的形貌特征變化十分明顯，表明紅色區域空氣介質層較厚，藍色邊緣處較薄。從色度的變化可以定量分析金屬表面均勻度變化程度。試驗所得空氣厚度平均值為2.9427mm，最大空氣層厚度為2.9655mm，最小空氣層厚度為2.9220mm，根據式（4）和式（5）可知，此試驗所測得的金屬表面均勻度離散分布標準差SDu為10.2μm，表面均勻度分布極差Ru為43.5μm，說明該被測樣品的表面均勻度較差。

4結論

采用THz-TDS系統分析金屬表面均勻度具有高信噪比、高精度、無須接觸檢測，可遠距離實時檢測等優點，可用于涂覆前金屬基材表面均勻度的實時檢測，有利于節約涂料和避免涂層過早失效。本文針對金屬基材表面均勻度進行檢測，試驗模擬了涂覆前金屬基材表面特性，利用飛行時間差提取單點厚度模型，對鋼材表面進行了逐點掃描檢測，獲得了表面均勻度空間分布情況，繪制了表面均勻度空間分布三維形貌圖，由形貌特征直接觀測到鋼材表面均勻度，并提出一種利用標準偏差和極差評價鋼材表面均勻度在空間中的離散分布和波動情況的方法。標準偏差和極差越小，表面均勻度越好。

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（責任編輯王昕）

作者簡介

于淼（1995-）女，碩士研究生，助理工程師。主要研究方向：太赫茲科學與技術。

Tel：18626666308E-mail：902886408@qq.com

劉偉（1982-）女，博士，高級工程師。主要研究方向：特種傳感技術、無損檢測技術。

Tel：18510286413

E-mail：lw880623@126.com

王可心（1996-）女，碩士研究生。主要研究方向：太赫茲無損檢測技術。

Tel：18503283972

E-mail：kexin960117@163.com

吳育衡（1997-）男，碩士研究生。主要研究方向：太赫茲無損檢測技術。

Tel：18811322704

E-mail：wuyh@emails.bjut.edu.cn

滿潤昕（1997-）女，碩士研究生。主要研究方向：太赫茲無損檢測技術。

Tel：17601507792

E-mail：manrunxin@163.com

Research on Metal Surface Uniformity Detection Based on Terahertz Time Domain Spectroscopy

Yu Miao1，*，Liu Wei1，Wang Kexin2，Wu Yuheng2，Man Runxin2

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Special Condition Monitoring Sensor Technology，AVIC Beijing Changcheng Aeronautic Measurement and Control Technology Research Institute，Beijing 101111，China 2. Beijing University of Technology，Beijing 100022，China

Abstract： In order to ensure the quality and service status of metal protective coatings， the surface pretreatment of metal substrates needs to be tested. In this paper， we use reflection terahertz time-domain spectroscopy to investigate the surface uniformity of metal substrates. The metal surface of the sample to be tested was tested point by point， and the difference in time of flight between each point of the metal to be measured and the reference surface was obtained. A uniformity characterization model was extracted. A three-dimensional topography of surface uniformity was drawn， and the spatial distribution of surface uniformity was obtained. A standard deviation method was proposed to evaluate the surface uniformity of steel. The results show that the accuracy of THz time-domain spectrum is up to 1μm， which is of great significance for saving coatings and avoiding premature coating failure.

Key Words： terahertz time-domain spectroscopy； non-destructive testing； time of flight； metal surface uniformity； three-dimensional topography