基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种塑料薄膜厚度检测装置及方法，具体是一种基于太赫兹时域光谱 技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法，属于塑料薄膜的无损、快速检测领域。
【背景技术】
[0002] 目前，大多数塑料薄膜及涂覆产品的生产中还没有有效地进行在线监测的手段； 甚至有的领域对于几十微米或者不到十微米的的薄膜的厚度检测仍然采用千分尺进行，该 不可避免地将引入很大的测量和读数误差，造成测量精度较低。然而现在工农业生产的高 速发展，对塑料薄膜的厚度测量提出了更高的要求，传统的测量方法已远远不能满足发展 的需求，因此有必要寻找新的高精度在线测量方法。
[0003] 目前有学者采用基于电容传感器的方法进行薄膜的厚度检测，然而此方法容易受 到生产线上各种干扰及温度的影响，测量精度仍有待提高；也有采用红外透射法进行薄膜 厚度测量，红外透射法基于郎伯比尔定量进行厚度的测量，然而在进行测量的过程中需要 两束单色红外光并行工作，而实际生产线的限制使得两束红外光不能同时照射在同一区 域，因此厚度测量的准确性受到很大影响。
[0004] 太赫兹（iraz= 1012Hz)波通常是指频率范围在0. 1T化到10T化的电磁波福射， 处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有W下特点：
[0005] 1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可W获得太赫兹波的瞬态电 场，即同时得到幅度和相位信息；
[0006] 2)太赫兹福射对陶瓷、塑料、干木片等很多物质透射率高，可W用于该些材料的质 量控制；
[0007] 3)太赫兹福射是一种非常安全的电磁福射，频率为1T化的电磁波的光子能量只 有4mev，是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可W用于无损检测；
[000引 4)利用太赫兹时域光谱技术可W获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测 量技术，能够有效地抑制背景福射噪声的干扰，信噪比可W达到i0w;
[0009] 5)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。
[0010] 太赫兹波对塑料等材料的高透射性，因此可广泛应用到塑料薄膜的无损、快速检 测领域。
【发明内容】
[0011] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料 薄膜厚度检测装置及方法，能够解决目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题、W及克服 传统方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，进一步实时快速准确的进行塑 料薄膜厚度的检测。
[0012] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于太赫兹时域光谱技术的 塑料薄膜厚度检测装置，
[0013] 飞秒激光器发射激光经第一反射镜之后照射到分束器上，被分成两束，其中一束 激光经光学延迟线和第二反射镜后照射到太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波 经第一抛物面镜后被聚，透过IR滤波器后聚焦到样品台上，透过样品后被第二抛物面镜重 新聚焦到太赫兹探测器上；
[0014] 另一束激光经第=反射镜和第四反射镜后透过第二抛物面镜上预留的小孔与第 二抛物面镜聚焦后的太赫兹波共线地照射到太赫兹探测器上；太赫兹探测器的输出的信号 经太赫兹时域系统控制器被传送到计算机进行进一步的数据处理；
[0015] 所述的计算机通过太赫兹时域系统控制器控制光学延迟线；所述太赫兹时域系统 控制器通过一束调制激光控制IR滤波器。
[0016] 所述的太赫兹发射器和太赫兹探测器均为DSTMS有机晶体，分别基于DSTMS有 机晶体的非线性产生和探测太赫兹波，其中，太赫兹发射器所产生的太赫兹波的频率范围 0.1THZ-12THZ。
[0017] 所述的IR滤波器由太赫兹时域系统控制器产生的波长975nm、重复频率化Hz的激 光调制，W配合太赫兹探测器中的锁相放大器采集太赫兹信号。
[0018] 一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测方法，包括W下步骤，
[0019] 1)使用上述检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的塑料薄膜的信号，作 为时域的参考信号和样品信号，并分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱信号；
[0020] 2)建立太赫兹波与薄膜样品相互作用的太赫兹传输函数模型；
[0021] 3)根据被测塑料薄膜的厚度先验知识，确定待测样品厚度的变化范围[a,b]，并 确定容许误差tol;
[002引 4)若b-a>tol，则继续步骤5)，否则塑料薄膜厚度z= 跳转到步骤9);
[002引 W确定初始的厚度捜索空间[a。，b。]，其中a〇=a,b。=b，计算初始试探点P0= a〇+0. 382 化〇-a〇)，q〇=a〇+0. 618 化〇-a〇);
[0024] 首先将p。和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求 出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰 值peak(P。）；
[0025] 然后将q。和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求 出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰 值peak(q。），并设置i: = 0 ;
[0026] 6)若peak(Pi)《peak(Qi)转步骤7)，否则转步骤8);
[0027] 7)计算左试探点：
[00測若Iqi-a; I《tol，令塑料薄膜的厚度Z=Pi,转步骤9);
[0029]否则令aw:= ai，bw:= Qi'qw:= Pi，Pw:= a^+O.382〇Vi-aw)，peak(qw): =peak(Pi)，将Pw和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤。建立的模型，求 出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰 值peak(Pw)，并令i: =i+1，转步骤 6);
[0030] 8)计算右试探点：
[003"1] 若Ibf-PiI《tol，令塑料薄膜的厚度Z=Qi，转步骤9);
[003引 否则令aw: =Pi，bw: =bi，Pw: =Qi，Qw: =a^+O. 6180Vi-aw)，peak(Pw): =peakhi)，将Qw和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求 出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰 值peak(Qw)，并令i: =i+1，转步骤 6);
[0033] 9)停止计算，输出塑料薄膜厚度值Z。
[0034] 本检测方法采用黄金分割算法进行迭代优化，每次迭代只需计算一次被优化函数 的值。
[0035] 与现有的电容传感器薄膜厚度检测法和红外透射薄膜厚度检测法相比，
[0036] 本发明基于太赫兹波对塑料等材料的高透射性，从而保证太赫兹波对塑料薄膜厚 度检测的灵敏度，此外基于薄膜样品与太赫兹波的相互作用模型可W很好的抑制多重反射 造成的影响，同时避免了进行标定，解决了目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题、W及 克服了传统方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，能够实时快速准确的进 行塑料薄膜厚度的检测。
【附图说明】
[0037] 图1是本发明原理示意图；
[003引图2是本发明太赫兹波与薄膜样品相互作用示意图。
[0039] 图中：1、飞秒激光器，2、第一反射镜，3、分束器，4、光学延迟线，5、第二反射镜，6、 太赫兹发射器，7、第一抛物面镜，8、IR滤波器，9、样品台，10、第二抛物面镜，11、太赫兹探测 器，12、第S反射镜，13、第四反射镜，14、太赫兹时域系统控制器，15、计算机。