s(飞秒），功率>60mW(毫瓦）。飞秒激光器输出的1560nm的飞秒脉冲经 光纤到达分束器2后分为栗浦光和探测光，通过直流偏置装置13对光电导发射天线3施加偏 置电压，当探测光入射到发射天线上时，就会产生太赫兹脉冲，再经过太赫兹透镜4和分束 器5垂直入射到放置在二维平移装置7上的喷涂油漆的金属基材样品6,反射的太赫兹波再 次经过分束器5和另一个太赫兹透镜8后，与经过延迟线10的探测光同时达到光电导探测天 线9，最后经过锁相放大器11放大后传输到计算机12，锁相放大器的用于实现锁相功能以及 对信号的稳定的采集。各个装置置于稳定的环境中，以确保整个系统的性能不受外界的影 响，提高测量精度。
[0023] 本发明的漆膜厚度测量方法，其包括以下步骤：
[0024] (1)样品准备:所用的油漆样品为广州保赐利化工有限公司提供的丙烯酸白色自 喷漆，将待油漆均匀的喷涂在尺寸为7 X IOmm2的铝板上。
[0025] (2)样品测试:开启飞秒激发器、锁相控制器和计算机，设置系统软件程序面板上 的测量参数，激光预热1小时后进行测量;将喷涂油漆的金属基材样品放置于可实现二维平 移装置上，采集样品的太赫兹时域光谱数据;为了提高准确度与精确度，每种样品重复测量 至少三次，取平均值作为最终的样品信号。
[0026] (3)谱图分析:从油漆样品的太赫兹脉冲光谱图（图2)可以看到，漆膜的上、下表面 反射峰之间存在明显的时间差。
[0027] (4)数据处理:从获得的样品的太赫兹脉冲光谱数据中提取反射峰之间的时间差 At，根据预先建立的样品的折射率数据库中样品的折射率η信息，利用漆膜厚度测量模型 中几何厚度d与反射峰之间的时间差At之间的关系计算出样品的漆膜厚度：
[0029]其中，c是真空中的光速。
[0030] 将实验获得的漆膜厚度测量结果与商用涂层测厚仪得到的数据进行对比，发现两 者具有良好的一致性，证实此方法合理可靠。
[0031] 进一步地，为了在油漆样品折射率未知的情况下也能利用本发明提出的基于太赫 兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法，本发明抽象出漆膜的折射率测量方法。
[0032] 折射率是油漆的固有特性，即使是同一几何厚度(d)的不同油漆，折射率差异会使 涂层的光学厚度(nd)发生相应的变化，进而导致反射峰的时间差（At)也不同。因为每种油 漆样品的光学厚度和几何厚度之间的线性关系是确定的，先用SIN-EC770接触式涂层测厚 仪(精度±lum)测量待测漆膜的几何厚度，然后用最小二乘法进行对数据拟合，得到如下的 拟合直线的表达式：
[0033] y = αχ
[0034] 其中y是光学厚度，X是几何厚度，α是斜率常数。
[0035]如图3所示，根据上述方法，制备厚度逐渐增加的三种油漆样品，从获得的太赫兹 脉冲光谱数据中提取出光学厚度，利用数据处理软件得到不同样品的拟合直线。从图中可 以明显地看出不同油漆样品的折射率存在差异，主要是因为油漆中添加的特殊成分对太赫 兹波在样品中的传播有一定的影响。
[0036] 更进一步地，利用本发明提出的基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法， 通过二维平移装置移动样品，测量不同点的太赫兹脉冲光谱数据，可以获得漆膜厚度的分 布均匀性。实验制备了双层漆膜样品，各层厚度不宜过厚，也不宜过薄，过厚会使太赫兹波 的损耗增大，影响测量精度，过薄会因为反射的太赫兹脉冲重叠或者设备的分辨力不足而 无法实现厚度检测。
[0037] 如图4所示，底层为底漆，顶层为白色色漆，对获得的太赫兹脉冲光谱数据中进行 处理，可以得到双层漆膜厚度的分布均匀性。
[0038] 本发明依据太赫兹光在不同介质的分界面处会产生反射回波，并且基于其可以透 过非极性物质，而不能透过金属的性质，提出了基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量 方法，建立了漆膜厚度测量模型，与现有的技术相比，突出的优点在于:本发明为漆膜厚度 测量提供了一种新的手段;能够非接触检测出单层及多层漆膜厚度和分布的均匀性，为实 现漆膜质量的在线监控及管理提供了技术支持，更好的服务涂装工业。
【主权项】
1. 一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法，包括W下步骤： 1) 建立漆膜厚度测量模型，当太赫兹波垂直入射至表面覆盖有油漆的样品时，几何厚 度d与反射峰的延迟时间差A t之间的关系符合下述方程：n是油漆的折射率，C是真空中的光速； 2) 利用太赫兹时域光谱装置测量表面覆盖有油漆的待测样品的太赫兹脉冲光谱； 3) 根据太赫兹脉冲光谱，获得获得反射峰的延迟时间差； 4) 根据所建立漆膜厚度测量模型，计算待测样品的漆膜厚度。2. 根据权利要求1所述的漆膜厚度测量方法，其特征在于，所述的太赫兹光谱测量装置 是反射型的太赫兹时域光谱装置。3. 根据权利要求1所述的漆膜厚度测量方法，其特征在于，当油漆折射率未知时，采用 下列的方法获得折射率：油漆样品折射率未知的情况下，在基材上喷涂不同几何厚度的待 测油漆漆膜的几何厚度d，利用涂层测厚仪测量各个几何厚度d，根据光学厚度nd与反射峰 的延迟时间差的线性关系，利用太赫兹时域光谱装置测量各个几何厚度d待测油漆漆膜的 反射峰的延迟时间差，获得样品的光学厚度，利用最小二乘法拟合光学厚度与几何厚度之 间的线性关系，计算出样品的折射率。
【专利摘要】本发明涉及一种基于太赫兹脉冲光谱的漆膜厚度测量方法，包括：建立漆膜厚度测量模型；利用太赫兹时域光谱装置测量表面覆盖有油漆的待测样品的太赫兹脉冲光谱；根据太赫兹脉冲光谱，获得获得反射峰的延迟时间差；根据所建立漆膜厚度测量模型，计算待测样品的漆膜厚度。本发明公开的基于太赫兹脉冲光谱技术的漆膜厚度测量方法，为漆膜厚度测量提供了一种新的手段；在对不同的测量点进行非接触检测之后，可以检测出单层及多层漆膜厚度和分布的均匀性。
【IPC分类】G01B11/06
【公开号】CN105588516
【申请号】CN201610098960
【发明人】何明霞, 林玉华, 田震, 赖慧彬, 李鹏飞
【申请人】天津大学
【公开日】2016年5月18日
【申请日】2016年2月23日