基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属表面粗糙度检测装置及检测方法，具体是一种基于反射型太 赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置及方法，属于太赫兹技术应用领域。
【背景技术】
[0002] 金属的表面粗糙度是指金属表面的相对不规则的平整程度，由机械加工中的工 艺、服役过程中的机械损伤或者腐蚀等造成。一般在机械加工中，机械师利用手指感受工件 与标准光滑试件之间的区别来评价金属表面粗糙度，此方法主观性比较大，相同的工件不 同的人可能会有不同的判断。
[0003]此外，还有一种检测方法是采用探针法，此法利用位移传感器来评价粗糙度值，可 以较客观准确进行粗糙度评价，测量的准确性主要由位移传感器的特性决定，但是此法不 适用于带喷漆或者其他镀层的金属表面粗糙度的检测。
[0004] 太赫兹（ΙΤΗζ= 012Ηζ)波通常是指频率范围在0.ITHz到ΙΟΤΗζ的电磁波辐射，处 于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：
[0005] (1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以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)太赫兹福射是一种非常安全的电磁福射，频率为ITHz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，可以用于无损检测；
[0007] (3)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、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辐射噪声的干扰，信噪比可以达到10，
[0008] (4)太赫兹辐射对陶瓷、油漆、塑料、木材、介电材料等很多物质透射率高，可以用 于这些材料的质量控制和无损检测中，与微波技术和毫米波技术相比，太赫兹波长长，因此 空间分辨率高，这是利用太赫兹波进行的无损检测的基本条件；
[0009] (5)太赫兹波的典型波长是300μm，远小于尘埃等微小结构的尺寸，因此太赫兹 波在多数物体中的散射远小于可见光和近红外光，同时太赫兹波的光子能量低于大多数化 学键的键能，因此太赫兹波在大多数介电物质中都是透明的。
[0010] 金属材料在太赫兹波段具有较高的介电常数，因此太赫兹波在金属表面几乎全部 反射。当金属表面光滑时，太赫兹波将完全反射与镜面反射方向，此时太赫兹探测器可以获 得最大的反射太赫兹波信号；而当金属表面粗糙不平时，太赫兹波将向各个方向反射，此时 如果位于镜面反射的方向的太赫兹探测器检测到的反射太赫兹波则会变小，利用此原理可 以进行金属表面粗糙度的检测。
[0011] 当金属表面有油漆等镀层材料时，因为太赫兹波对这类材料的透射率相对较高， 仍可以进行镀层底下的金属粗糙度的检测和评估，并且太赫兹波用于金属表面粗糙度的检 测具有无损、非接触、快速等特点。
【发明内容】
[0012] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于反射型太赫兹时域光谱的金 属表面粗糙度检测装置及方法，能够解决目前金属表面粗糙度检测主观性强、准确度不高 以及带有镀层的金属粗糙度检测困难等问题。
[0013] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于反射型太赫兹时域光谱 的金属表面粗糙度检测装置，它包括：
[0014] 飞秒激光器、分束器、光学延迟线、反射镜、第一光纤親合器、第一光纤、第二光纤、 太赫兹发射器、样品台、太赫兹探测器、第二光纤耦合器和计算机；
[0015] 飞秒激光器发出的激光照射到分束器上，被分成两束：
[0016] 其中一束经光学延迟线和反射镜后经第一光纤耦合器和第一光纤照射到太赫兹 发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波按照设定的入射角照射到样品台上的样品上，太 赫兹波经样品反射后照射到太赫兹探测器上；
[0017] 另一束激光经第二光纤耦合器和第二光纤后照射到太赫兹探测器上，使太赫兹探 测器上产生探测信号，并且信号传输到计算机中做进一步信号处理；
[0018] 其中，计算机为太赫兹发射器提供直流偏置电压。
[0019] 所述的太赫兹发射器和太赫兹探测器均带尾纤，以方便地调整太赫兹波照射到样 品台上的入射角，从而提高进行金属表面粗糙度检测时的灵敏度。
[0020] 所述的太赫兹发射器产生的太赫兹波频率范围为0. 1-3THZ。
[0021] -种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测方法，包括以下步骤：
[0022] 1)建立标准试件的粗糙度检测模型
[0023] 首先制作一系列不同粗糙度的标准试件，然后采用上述的检测装置测量每个标准 试件特定区域中多个点处的太赫兹时域反射信号，应用傅里叶变换得到频域谱；
[0024] 然后采用相关分析确定用于粗糙度检测的最优频率点，并将最优频率点处的太赫 兹光谱幅度作为太赫兹数据特征，并求出多个点处的太赫兹数据特征的平均值，然后采用 数据拟合的方法建立标准试件的粗糙度检测模型；
[0025] 2)计算待测试件的粗糙度值
[0026] 采用上述的检测装置测量待测试件多个点处的太赫兹时域光谱反射信号，应用傅 里叶变换得到频域谱；
[0027] 然后选择最优频率处的太赫兹数据特征，并调用步骤1)建立的标准试件的粗糙 度检测模型计算待测试件的粗糙度值。
[0028] 步骤1)中建立标准时间的粗糙度检测模型时，数据拟合方法选择多项式拟合算 法或者尚斯拟合算法。
[0029] 在测量带镀层的金属表面粗糙度，需要制作带有镀层的标准试件并建立对应的粗 糙度检测模型。
[0030] 与现有的主观探测和探针法相比：本发明利用反射型太赫兹时域光谱对金属材料 或者带有镀层的金属材料进行探测：
[0031] 金属材料在太赫兹波段具有较高的介电常数，因此太赫兹波在金属表面几乎全部 反射；当金属表面光滑时，太赫兹波将完全反射与镜面反射方向，此时太赫兹探测器可以获 得最大的反射太赫兹波信号；而当金属表面粗糙不平时，太赫兹波将向各个方向反射，此时 如果位于镜面反射的方向的太赫兹探测器检测到的反射太赫兹波则会变小，从而对金属表 面粗糙度进行准确检测；
[0032] 当金属表面有油漆等镀层材料时，太赫兹波对此类材料的透射率相对较高，仍可 以进行镀层底下的金属粗糙度的检测和评估，同时太赫兹波用于金属表面或者带有镀层的 金属表面粗糙度的检测具有无损、非接触、快速等优点。
【附图说明】
[0033] 图1是本发明中检测装置结构原理示意图。
[0034] 图中：1、飞秒激光器、2、分束器、3、光学延迟线、4、反射镜、5、第一光纤親合器、 6-1、第一光纤、6-2、第二光纤、7、太赫兹发射器、8、样品台、9、太赫兹探测器、10、第二光纤 親合器、11、计算机。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0036] 如图1所示：一种基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装置，它包 括：
[0037] 飞秒激光器1、分束器2、光学延迟线3、反射镜4、第一光纤親合器5、第一光纤 6-1、第二光纤6-2、太赫兹发射器7、样品台8、太赫兹探测器9、、第二光纤耦合器10和计算 机11 ;
[0038] 飞秒激光器1发出的激光照射到分束器2上，被分成两束：
[0039] 其中一束经光学延迟线3和反射镜4后经第一光纤耦合器5和第一光纤6-1照射 到太赫兹发射器7上产生太赫兹波，产生的太赫兹波按照设定的入射角照射到样品台8上 的样品上，太赫兹波经样品反射后照射到太赫兹探测器9上；
[0040] 另一束激光经第二光纤耦合器10和第二光纤6-2后照射到太赫兹探测器9上，使 太赫兹探测器9上产生探测信号，并且信号传输到计算机11中做进一步信号处理；
[0041 ] 其中，计算机11为太赫兹发射器7提供直流偏置电压。
[0042] 进一步，所述的太赫兹发射器7和太赫兹探测器9均带尾纤，以方便地调整太赫兹 波照射到样品台8上的入射角，从而提高金属表面粗糙度检测的灵敏度；并且太赫兹发射 器7产生的太赫兹波频率范围为0.l-3THz，此区间的频率更适合测量。
[0043] 本发明还公开了利用上述基于反射型太赫兹时域光谱的金属表面粗糙度检测装 置进行的检测方法，具体包括以下步骤：
[0044] 1)建立标准试件