郭小弟，王 強，谷小紅，陳錫愛，范昕煒

基于太赫茲時域光譜的玻璃纖維缺陷深度檢測及數(shù)據(jù)分析

郭小弟1，王 強2，谷小紅1，陳錫愛1，范昕煒2

（1.中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學 質(zhì)量與安全工程學院，浙江 杭州 310018）

太赫茲波對很多介電材料和非極性的液體具有透射性且THz波輻射的光子能量低，近年來在無損檢測領(lǐng)域得到了較快的發(fā)展和應用?；谕干涫絋Hz-TDS系統(tǒng)在室溫下對包含不同深度缺陷信息的車載氣瓶玻璃纖維增強復合材料檢測，獲得了0.2～1.8THz范圍內(nèi)樣品的時域波形，分析其峰峰值、最大值、延遲時間、折射率和吸收系數(shù)，結(jié)果表明，隨著樣品缺陷深度的增加，峰峰值、最大值和延遲時間都有明顯的變化規(guī)律，同時樣品的折射率和吸收系數(shù)也不同?？梢酝ㄟ^分析時域波形的變化以及折射率和吸收系數(shù)的變化，獲得缺陷的深度信息。

THz-TDS；玻璃纖維；無損檢測；復合材料

0 引言

玻璃纖維增強復合材料是以合成樹脂為基體，玻璃纖維及其制品（玻璃布、帶、氈等）為分散質(zhì)制成的一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料，又稱玻璃鋼[1]。其主要特點是質(zhì)量輕、絕緣性好、密度小、強度高和耐腐蝕。通常情況下，玻璃纖維增強復合材料的比強度為鋼的4～5倍，成為金屬制品絕好的替代品。因此，復合材料優(yōu)良的機械性能使得其廣泛應用于車載纖維纏繞氣瓶、壓力容器和壓力管道等對安全系數(shù)要求較高的行業(yè)。同時，復合材料的安全性能也成了大家關(guān)注的焦點。

傳統(tǒng)的復合材料無損檢測多采用超聲波檢測、聲發(fā)射檢測和熱成像技術(shù)。馬雯等人[2]采用超聲C掃描及燒蝕密度法測定了玻璃纖維復合材料的超聲衰減系數(shù)與平均孔隙率；周偉等人[3]采用聲發(fā)射技術(shù)，研究復合材料損傷演化特性及纖維預斷缺陷對復合材料力學性能的影響；Dattoma等人[4]利用紅外熱成像技術(shù)實現(xiàn)了對風電葉片復合材料結(jié)構(gòu)膠滲透、浸水和脫粘等典型缺陷的識別。

太赫茲時域光譜（terahertz time-domain spectroscopy，簡稱THz-TDS）技術(shù)是基于超快激光的遠紅外波段光譜測量新技術(shù)[5]，物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)等信息可以通過THz輻射的特征吸收分析來反應。近些年來，國內(nèi)外很多學者做了大量的實驗研究，取得了相應的成果。廖曉玲等人[6]利用反射式THz-TDS系統(tǒng)對碳纖維復合材料成像研究，驗證了反射式THz-TDS成像系統(tǒng)對復合材料表面缺陷無損檢測的可行性；郭小弟等人[7]采用太赫茲波技術(shù)對玻璃纖維復合材料表面缺陷進行無損檢測；Ospald等人[8]采用太赫茲時域光譜技術(shù)對航空復合材料表面缺陷、內(nèi)嵌缺陷和蜂窩結(jié)構(gòu)進行測試，檢測效果明顯；Matheis等[9]應用太赫茲頻率調(diào)制連續(xù)波系統(tǒng)對玻璃纖維增強塑料無損檢測，結(jié)果表明THz頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)可清晰檢測出樣品分層、蜂窩狀等缺陷。

本文采用透射式THz-TDS系統(tǒng)對車載氣瓶玻璃纖維纏繞材料進行安全測試分析，獲得不同缺陷深度玻璃纖維樣品0.2～1.8THz的太赫茲時域光譜，從光譜最大值、峰峰值、延遲時間、折射率和吸收系數(shù)5個方面加以分析，探索不同缺陷深度樣品的太赫茲時域光譜數(shù)據(jù)，總結(jié)其變化規(guī)律與缺陷深度的關(guān)系。

1 實驗裝置與樣品制備

1.1 實驗裝置

本文采用的透射式THz-TDS系統(tǒng)裝置圖1所示，該系統(tǒng)由美國Coherent公司制造的鈦藍寶石飛秒激光器和美國Zomega公司研制的THz系統(tǒng)組成[10]，鈦寶石飛秒脈沖激光器是該系統(tǒng)的核心部件，其中心波長為800nm，脈寬小于100fs，重復頻率為80MHz，輸出功率960mW。利用該系統(tǒng)可以測試車載氣瓶玻璃纖維纏繞材料不同深度缺陷的THz時域光譜。

試驗在室溫下（約292K）進行[11]，THz光路罩在充有氮氣的箱體內(nèi)，箱內(nèi)相對濕度為4.0%。在信號掃描過程中，實驗系統(tǒng)的信噪比為1000dB，譜分辨率超過40GHz。

1.2 樣品制備

車載氣瓶玻璃纖維纏繞材料來自河北石家莊某有限公司纏繞車間，出廠尺寸為480mm×400mm×10mm（長×寬×高），因?qū)嶒瀮x器等客觀因素限制，以懸臂式水刀切割機對樣品進行切割，最終切割成如圖2所示大小的樣品。纖維纏繞材料是由直徑10mm左右的纖維絲捻成，該尺寸遠小于太赫茲波的波長，這些10mm的纖維絲被捻成直徑約670mm的纖維線作為纏繞材料。按照工藝要求纏繞時樹脂的理論比例約占40%～60%。樣品結(jié)構(gòu)均勻，前后表面基本保持平行，以減少THz波透過樣品過程中多重反射的影響。

圖1 透射式THz-TDS系統(tǒng)裝置

圖2 玻璃纖維纏繞材料樣品（11為數(shù)據(jù)采集點編號）

2 實驗數(shù)據(jù)處理模型

數(shù)據(jù)處理模型在光譜分析中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，直接影響著實驗數(shù)據(jù)的分析精度。光學參數(shù)提取主要用到的是基于菲涅爾公式的參數(shù)提取模型[12-13]。該模型主要提取折射率和吸收系數(shù)兩個光學參數(shù)，分別描述樣品的吸收和色散特性。0()為太赫茲入射信號，在氮氣環(huán)境傳播距離后，得到參考信號r()，通過樣品時信號為s()，其帶有樣品的信息，則太赫茲波透過樣品時的傳遞函數(shù)為：

式中：b是樣品后表面接觸介質(zhì)氮氣的復折射率；()和()分別為樣品和參考信號的振幅模的比值和相位差。因此樣品的折射率和吸收系數(shù)為：

()＝()/()＋1 (2)

式中：為樣品的厚度；為角頻率；為真空中的光速；()是樣品的消光系數(shù)。

3 實驗結(jié)果分析與討論

車載氣瓶玻璃纖維樣品的THz時域波形如圖3所示，圖3(a)為THz波透過參照氮氣的時域波形，圖3(b)為THz波透過玻璃纖維樣品時的時域波形，其中包含了豐富的振幅和相位信息。

通過比較圖3(a)和3(b)可知，玻璃纖維樣品的信號相對于參照氮氣信號都有一定的幅值衰減和時間延遲，同時隨著樣品缺陷深度的增加，位于40～50ps的回波幅值越來越大。表1為參考波形和玻璃纖維樣品信號的峰峰值、最大值和最大值的位置。

為了更直觀地表達車載氣瓶玻璃纖維樣品的缺陷信息，將表1中THz時域波形的峰峰值和最大值以柱狀圖的形式表現(xiàn)為圖4和圖5所示。

圖3 玻璃纖維樣品的THz時域波形

表1 玻璃纖維樣品的THz時域波形參數(shù)

圖4 時域波形峰峰值

圖5 時域波形最大值

從圖4可知：參考波形的峰峰值明顯大于車載氣瓶玻璃纖維樣品的峰峰值；玻璃纖維缺陷深度在1～5mm時，隨著樣品缺陷深度的增加，時域波形峰峰值呈現(xiàn)減小的趨勢；玻璃纖維缺陷深度在6～10mm時，隨著樣品缺陷深度的增加，時域波形峰峰值變化平緩；隨著樣品缺陷深度的增加，時域波形峰峰值總體呈現(xiàn)減小的趨勢。

從圖5可知：參考波形的最大值明顯大于玻璃纖維樣品的最大值，玻璃纖維缺陷深度在1～4mm時，隨著玻璃纖維樣品缺陷深度的增加，時域波形的最大值呈現(xiàn)減小的趨勢；玻璃纖維缺陷深度在5～8mm時，隨著玻璃纖維樣品缺陷深度的增加，時域波形的最大值變化平緩；玻璃纖維缺陷深度在9～10mm時，隨著玻璃纖維樣品缺陷深度的增加，時域波形的最大值呈現(xiàn)增加的趨勢；隨著車載氣瓶玻璃纖維樣品缺陷深度的增加，時域波形最大值總體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

車載氣瓶玻璃纖維樣品的時域波形波峰相比于參照氮氣的時域波形波峰時間延遲趨勢如圖6所示，玻璃纖維缺陷深度在1～7mm時，隨著玻璃纖維缺陷深度的增加，時域波形波峰時間延長呈現(xiàn)線性增加的趨勢；玻璃纖維缺陷深度在8～10mm時，隨著玻璃纖維缺陷深度的增加，時域波形波峰時間延長呈現(xiàn)平緩的趨勢，這與圖3(b)所示的位于40～50ps的回波幅值增加是相一致的；隨著玻璃纖維缺陷深度的增加，時域波形的時間延長總體呈現(xiàn)增加的趨勢。以10組實驗結(jié)果為觀測值，對玻璃纖維樣品時域波形波峰的時間延遲與樣品的缺陷深度關(guān)系進行線性擬合，結(jié)果如圖6所示。玻璃纖維樣品時域波形波峰的時間延遲()與樣品的缺陷深度之間的關(guān)系可表示為：

()＝4.5716＋1.4481 (1≤≤10) (4)

同時，均方根誤差RMSE為0.4292。

圖6 不同缺陷深度THz波波峰時間延遲趨勢圖

對樣品缺陷深度1mm的時域數(shù)據(jù)（如圖3）做快速傅里葉變換，按照公式(2)和(3)計算玻璃纖維樣品的折射率和吸收系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。在0.2～1.8THz范圍內(nèi)，樣品的折射率隨著頻率的增加而減小，折射率的每處顯著變化都與吸收譜的顯著變化相對應，這與Kromers-Kronig方程一致，說明在吸收峰附近，樣品呈反常色散現(xiàn)象，樣品的平均折射率為2.7319。樣品在1.59THz和1.68THz處有兩個比較明顯的吸收峰，經(jīng)分析認為是玻璃纖維樣品中纖維結(jié)構(gòu)、環(huán)氧樹脂等引起的。

圖7 缺陷深度為1mm的樣品折射率和吸收系數(shù)

4 結(jié)語

本文基于透射式THz-TDS系統(tǒng)研究車載氣瓶玻璃纖維纏繞材料在0.2～1.8THz范圍的時域波形，分析不同缺陷深度玻璃纖維樣品時域波形的峰峰值、最大值、樣品信號最大值相較于參照氮氣信號的延遲時間、折射率和吸收系數(shù)。實驗結(jié)果表明：車載氣瓶玻璃纖維纏繞材料的時域信號相對于參照氮氣信號都有一定的幅值衰減和時間延遲，同時隨著玻璃纖維樣品缺陷深度的增加，位于40～50ps的回波幅值越來越大；隨著玻璃纖維缺陷深度的增加，時域波形峰峰值總體呈現(xiàn)減小的趨勢，時域波形最大值總體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢；樣品信號的時間延遲與缺陷深度正相關(guān)，同時樣品的折射率和吸收系數(shù)也不同。通過分析時域波形以及折射率和吸收系數(shù)的變化，獲得樣品缺陷的深度信息。

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Defects Depth Inspection and Data Analysis of Glass Fiber Based on THz-TDS

GUO Xiaodi1，WANG Qiang2，GU Xiaohong1，CHEN Xiai1，F(xiàn)AN Xinwei2

（1.,,310018,; 2.,,310018,）

Terahertz wave is able to penetrate dielectric material and non-polar liquids, and its photon energy is low. It was widely used in nondestructive testing fields. The vehicle gas cylinder glass fiber reinforced composite material of including different defects depth information was detected nondestructively at room temperature by the transmission THz-TDS system. The time domain waveform of the sample was gained and its peak-to-peak value, maximum value, the delay time, refractive index and absorption coefficient were analyzed from 0.2THz to 1.8THz. The results show that with the increase of the sample defects depth, peak-to-peak value, maximum value and the delay time has obvious variation trend. Additionally, the refractive index and absorption coefficient of the sample are different. The method can be applied to gain the information of the defects depth by analyzing the variation of time domain wave, refractive index and absorption coefficient.

THz-TDS，glass fiber，nondestructive testing，composite material

TB322

A

1001-8891(2016)07-0602-05

2016-01-07；

2016-03-03.

郭小弟（1991-），男，碩士研究生，主要從事太赫茲光譜技術(shù)應用研究。E-mail：505126972@qq.com。

谷小紅（1977-），男，副教授，主要從事自動化裝置與檢測、信號處理。E-mail：xhgu@cjlu.edu.cn。

浙江省自然科學基金項目（LY14E040002，LQ14F05003）；質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項資助（201410025）。