一种太赫兹膜厚测量装置及电子设备的制作方法

1.本发明涉及太赫兹设备技术领域，尤其是涉及一种太赫兹膜厚测量装置及电子设备。


背景技术：

2.镀膜是汽车、船舶、航空制造等行业必不可少的工艺步骤。在涂装生产过程中，油漆系统一般是包括底漆、中涂、色漆、清漆的多层结构，喷涂过程繁琐，监测工艺复杂。镀膜厚度是涂装质量最重要的控制因素之一，会直接影响到产品的防腐、防锈、美观等性能。随着涂装技术和现代工业的快速发展，工业化程度不断提高，涂层质量的控制有着更高的要求和更多的需求。传统涂层测厚技术有磁感应测厚法、涡流测厚法、超声测厚法、射线测厚法等。传统涂层测厚技术在实际应用中存在着一些缺陷，例如具有辐射性、无法识别多涂层的单层厚度、非接触式无法识别涂层缺陷、不能实时快速在线检测等。太赫兹测厚度技术能够完成非接触式的无损检测，对人体安全无辐射，相比于传统涂层测厚技术具有明显优势。
3.在太赫兹测厚过程中，测量仪与被测镀膜之间的距离及位置关系都会对厚度测量结果产生影响，因此需要在测厚过程中获取测量仪与被测镀膜之间的距离及偏角数据。但目前在获取距离及偏角数据时存在偏差，进而会导致膜厚测量数据不精确。
4.因此，现有的太赫兹膜厚测量仪在无法准确获取被测镀膜的位置数据的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种太赫兹膜厚测量装置及电子设备，以缓解现有的太赫兹膜厚测量仪在无法准确获取被测镀膜位置数据的问题。
6.第一方面，本发明提供的一种太赫兹膜厚测量装置，其特征在于，包括：光谱仪主机、太赫兹探头和位置探测机构；
7.所述太赫兹探头与所述光谱仪主机通信连接，所述太赫兹探头固定在所述光谱仪主机的前端；
8.所述太赫兹探头前端设置有太赫兹窗口片，所述太赫兹窗口片上设置有太赫兹出射窗口，所述位置探测机构设置在所述太赫兹窗口片上；
9.所述位置探测机构包括激光设备、psd位置探测器、镜头和adc变换芯片；
10.所述激光设备设置在所述太赫兹出射窗口的四周，所述psd位置探测器设置在所述太赫兹窗口片上，所述镜头设置在所述psd位置探测器前方；
11.所述光谱仪主机产生太赫兹信号，通过所述太赫兹探头将太赫兹信号的发射到被测膜层上，太赫兹信号经过膜层的反射后由所述太赫兹探头接收太赫兹反射信号，光谱仪主机采集太赫兹反射信号并进行处理；所述位置探测机构通过激光设备发射红光，红光到达膜层处形成激光斑，psd位置探测器通过镜头采集激光斑的信号，并将激光斑的信号传输到adc变换芯片中进行光电信号转换，得到膜层的位置数据。
12.进一步的，所述psd位置探测器为二维psd；
13.所述二维psd的靶面尺寸为7*7mm；
14.所述二维psd位于所述太赫兹出射窗口正下方，与所述太赫兹窗口片相固定。
15.进一步的，所述psd位置探测器为两个一维psd；
16.所述两个一维psd分别位于所述太赫兹出射窗口的正下方和右侧，与所述太赫兹窗口片相固定。
17.进一步的，所述激光设备包括四个红光激光器；
18.所述四个红光激光器分别设置在所述太赫兹出射窗口的上方、下方、左侧和右侧。
19.进一步的，所述镜头的焦距为16mm，所述镜头的光学尺寸为2/3英寸。
20.进一步的，所述adc变换芯片为4通道adc变换芯片。
21.进一步的，所述光谱仪主机上设置有飞秒激光器、光纤分束器、光纤准直器、光学延迟线、角锥镜及其移动单元、补偿光纤、驱动器、时域电信号的放大器、数模转换器和中央控制器。
22.进一步的，所述太赫兹探头上设置有太赫兹发射天线、太赫兹准直透镜、太赫兹反射分束器、太赫兹汇聚透镜、太赫兹接收天线和前置放大器。
23.第二方面，本发明还提供一种电子设备，包括机械臂、控制计算机和第一方面提供的太赫兹膜厚测量装置；
24.所述控制计算机与所述机械臂电连接，所述太赫兹膜厚测量装置固定在所述机械臂上；
25.所述控制计算机与所述太赫兹膜厚测量装置通信连接；
26.所述控制计算机通过控制机械臂的运转从而控制太赫兹膜厚测量装置与被测膜层的相对位置，所述控制计算机还用于接收测量数据并对测量数据进行处理得到测量厚度值。
27.本发明提供的一种太赫兹膜厚测量装置，包括：光谱仪主机、太赫兹探头和位置探测机构；太赫兹探头与光谱仪主机通信连接，太赫兹探头固定在光谱仪主机的前端；太赫兹探头前端设置有太赫兹窗口片，太赫兹窗口片上设置有太赫兹出射窗口，位置探测机构设置在太赫兹窗口片上；位置探测机构包括激光设备、psd位置探测器、镜头和adc变换芯片；激光设备设置在太赫兹出射窗口的四周，psd位置探测器设置在太赫兹窗口片上，镜头设置在psd位置探测器前方；光谱仪主机产生太赫兹信号，通过太赫兹探头将太赫兹信号的发射到被测膜层上，太赫兹信号经过膜层的反射后由太赫兹探头接收太赫兹反射信号，光谱仪主机采集太赫兹反射信号并进行处理；位置探测机构通过激光设备发射红光，红光到达膜层处形成激光斑，psd位置探测器通过镜头采集激光斑的光信号，并将激光斑的光信号传输到adc变换芯片中进行光电信号转换，得到膜层的位置数据。
28.采用本发明提供的太赫兹膜厚测量装置，利用在太赫兹出射窗口的四周均匀安装若干激光器，使得激光斑的像正好在psd位置探测器的对角线上，满足各距离时像点位置探测范围的要求，psd位置探测器通过镜头采集激光斑的像，即采集激光信号，并由adc变换芯片对激光信号进行光电信号转换，得到被测膜层相对于测量装置的位置数据，包括距离和偏角数据。通过设置psd位置探测器，增强了对被测膜层的位置探测精度，从而避免了现在技术在获取测量装置与被测膜层之间的距离及偏角数据时存在误差的问题，进而也提升了对膜厚测量数据的精准度。
29.相应地，本发明提供的电子设备也同样具有上述技术效果。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
31.图1为本发明实施例提供的太赫兹膜厚测量装置示意图；
32.图2为本发明实施例中的位置探测机构示意图；
33.图3为本发明实施例1中二维psd设置位置示意图1；
34.图4为本发明实施例1中二维psd设置位置示意图2；
35.图5为本发明实施例2中一维psd设置位置示意图。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.在太赫兹测厚过程中，测量仪与被测镀膜之间的距离及位置关系都会对厚度测量结果产生影响，因此需要在测厚过程中获取测量仪与被测镀膜之间的距离及偏角数据。但目前在获取距离及偏角数据时存在偏差，进而会导致膜厚测量数据不精确。
39.因此，现有的太赫兹膜厚测量仪在无法准确获取被测镀膜的位置数据的问题。
40.为解决以上问题，本发明实施例提供一种太赫兹膜厚测量装置；
41.本发明实施例提供的一种太赫兹膜厚测量装置，如图1至图3所示包括：光谱仪主机、太赫兹探头和位置探测机构；太赫兹探头与光谱仪主机通信连接，太赫兹探头固定在光谱仪主机的前端；太赫兹探头前端设置有太赫兹窗口片1，太赫兹窗口片1上设置有太赫兹出射窗口2，位置探测机构设置在太赫兹窗口片1上；位置探测机构包括激光设备3、psd位置探测器4、镜头5和adc变换芯片；激光设备3设置在太赫兹出射窗口2的四周，psd位置探测器4设置在太赫兹窗口片1上，镜头5设置在psd位置探测器4前方；光谱仪主机产生太赫兹信号，通过太赫兹探头将太赫兹信号的发射到被测膜层上，太赫兹信号经过膜层的反射后由太赫兹探头接收太赫兹反射信号，光谱仪主机采集太赫兹反射信号并进行处理；位置探测机构通过激光设备3发射红光，红光到达膜层处形成激光斑，psd位置探测器4通过镜头5采集激光斑的光信号，并将激光斑的光信号传输到adc变换芯片中进行光电信号转换，得到膜层的位置数据。
42.采用本发明实施例提供的太赫兹膜厚测量装置，利用在太赫兹出射窗口2的四周
均匀安装若干激光器，使得激光斑的像正好在psd位置探测器4的对角线上，满足各距离时像点位置探测范围的要求，psd位置探测器4通过镜头5采集激光斑的像，即采集激光信号，并由adc变换芯片对激光信号进行光电信号转换，得到被测膜层相对于测量装置的位置数据，包括距离和偏角数据。通过设置psd位置探测器4，增强了对被测膜层的位置探测精度，从而避免了现在技术在获取测量装置与被测膜层之间的距离及偏角数据时存在误差的问题，进而也提升了对膜厚测量数据的精准度。
43.经试验，对被测膜层面偏角对测量过程和结果的影响进行计算测量分析后得到如下结论：
44.(1)测量距离越远，偏角对太赫兹分光器和汇聚镜头5的口径影响就越大，因此探测距离不宜太大。初步设计探测距离变化为150～350mm。
45.(2)偏离角变大时，太赫兹接收天线上汇聚光斑的偏移量迅速增大，因此允许的偏角也不宜太大。初步设计的偏角控制范围为
±1°
，探测范围为
±
10
°
，探测精度为1
°
。
46.在一种可能的实施方式中，如图3、图5所示，激光设备3包括四个红光激光器；选用常见的650nm红光激光器，功率为10mw；四个红光激光器分别设置在太赫兹出射窗口2的上方、下方、左侧和右侧，这样设置可满足各距离时像点位置探测范围的要求，从而提高了测厚数据的精准度。若被测膜层的偏角为
±5°±1°
，psd的分辨率为0.002mm，完全探测距离的变化量。标定后psd的测量精度可以达到0.1％，7
×
7mm尺寸对应的像点位置为0.007mm，对角线方向为0.01mm，满足测量精度要求。
47.在一种可能的实施方式中，镜头5的焦距为16mm，镜头5的光学尺寸为2/3英寸。由于视场为7
×
7mm，因此采用焦距为16mm，光学尺寸为2/3英寸的标准镜头5。
48.在一种可能的实施方式中，adc变换芯片为4通道adc变换芯片，可满足4路信号的adc变换需求，探测速度不需要很高，1khz及以上的变换频率就足够，要求变换的精度较高，选择16bit的adc。
49.在一种可能的实施方式中，如图2所示，还包括滤色片6，滤色片6用于消除背景光的影响。选用窄带滤光片，中心波长为650nm，半宽度小于30nm。
50.在一种可能的实施方式中，光谱仪主机上设置有飞秒激光器、光纤分束器、光纤准直器、光学延迟线、角锥镜及其移动单元、补偿光纤、驱动器、时域电信号的放大器、数模转换器和中央控制器。利光谱仪主机利用以上部件产生太赫兹信号，并通过太赫兹探头将太赫兹信号发射到被测膜层上，实现太赫兹测厚作业。
51.在一种可能的实施方式中，太赫兹探头上设置有太赫兹发射天线、太赫兹准直透镜、太赫兹反射分束器、太赫兹汇聚透镜、太赫兹接收天线和前置放大器。太赫兹探头利用以上部件将光谱仪主机产生的太赫兹信号进行发射，并通过太赫兹接收天线对经过膜层反射后的太赫兹信号进行接收，最后由光谱仪主机进行太赫兹信号的采集。
52.实施例1：
53.在一种可能的实施方式中，如图3、图4所示，psd位置探测器4为二维psd41，二维psd41的靶面尺寸为7*7mm；二维psd41位于太赫兹出射窗口2正下方，与太赫兹窗口片1相固定。通过设置1个二维psd41，实现对光点位置的探测。可根据探测结果对膜层位置和角度进行调整，并精准探测到最终工作状态时的膜层测量距离和偏角，结构简单，位置探测精度更高，提升了测厚数据的准确性。
54.实施例2：
55.在一种可能的实施方式中，如图5所示，psd位置探测器4为两个一维psd42；两个一维psd42分别位于太赫兹出射窗口2的正下方和右侧，与太赫兹窗口片1相固定。通过设置2个一维psd42实现光点位置的探测，具有成本更低、探测精度更高的优势。
56.本发明实施例还提供一种电子设备，包括机械臂、控制计算机如上述实施例提供的太赫兹膜厚测量装置；控制计算机与机械臂电连接，太赫兹膜厚测量装置固定在机械臂上；控制计算机与太赫兹膜厚测量装置通信连接；控制计算机通过控制机械臂的运转从而控制太赫兹膜厚测量装置与被测膜层的相对位置，控制计算机还用于接收测量数据并对测量数据进行处理得到测量厚度值。通过控制计算机对机械臂的运转进行控制，将测量距离控制在150～350mm的范围内，测量偏角控制在
±
10
°
的范围内。与机械臂相结合，进行实时、自动地测量，弥补了传统测厚技术的检测缺陷。
57.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
58.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
59.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
60.对应于上述方法，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有机器可运行指令，计算机可运行指令在被处理器调用和运行时，计算机可运行指令促使处理器运行上述方法的步骤。
61.最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。