基于时域光谱技术的陶瓷金属胶粘结构胶层厚度估计方法与流程

1.本发明涉及太赫兹无损检测技术领域，尤其涉及一种基于时域光谱技术的陶瓷金属胶粘结构胶层厚度估计方法。


背景技术：

2.在航空航天领域，随着新型陶瓷材料普遍应用，陶瓷部件与金属结构件的柔性装配成为连接陶瓷金属构件的关键技术。胶层连接技术因应力分布均匀、连接效率高、质量轻、抗疲劳和密封性好等优点而得到广泛应用。但胶层厚度不均匀导致应力分布不平衡，影响构件间的连接强度。分析胶层厚度均匀性，保证实现胶层功能是必要的，同时对节约胶料和减少涂胶污染也有重要的意义。胶层均匀性的评估最重要的步骤是获取精确的厚度，因此对陶瓷金属胶粘结构的中间胶层厚度精确估计具有十分重要的意义。
3.常规的无损检测技术包括超声及工业ct方法，只能够采用透射方式进行检测，只适合可穿透的材料，但是对于陶瓷金属胶粘结构，因为金属基底的存在只能采用反射方式进行检测，而且由于中间胶层厚度是微米级，对检测精度要求苛刻，因此亟需一种新型的无损检测技术对陶瓷部件内部胶层厚度进行探测。
4.太赫兹时域光谱技术(thz—tds)是近年来基于超短脉冲技术基础上发展的一种全新的太赫兹光谱测量技术，在反射模式下，可以通过分析太赫兹短脉冲信号到达样品不同界面的到达时间，估计出精确的时间差，从而可以计算得到各层的厚度，因此成为陶瓷金属胶粘结构最佳的检测手段。然而，一方面，胶层厚度较薄，回波信号可能部分或完全重叠，另一方面，太赫兹信号需要穿透较厚的陶瓷介质，会对信号产生散射和衰减，使得回波信号的信噪比降低，这两个问题均影响胶层厚度估计的准确性。2019年陈奇等人利用维纳反卷积方法对太赫兹回波信号进行处理，以提高信号时间分辨能力，但是该方法对厚度较薄的胶层效果较差，小波变换等方法，2020年zhai min等人运用基于改进协方差的自回归光谱外推法重建多层涂层厚度，取得了理想的效果，但是该方法对高信噪比信号区域要求苛刻，不适合需穿透陶瓷介质测量胶层厚度的情况。因此提出一种适合陶瓷金属胶接结构的无损检测方法是十分必要的。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于时域光谱技术的陶瓷金属胶粘结构胶层厚度估计方法，以适合陶瓷金属胶接结构的无损检测。
6.基于上述目的，本发明提供了一种基于时域光谱技术的陶瓷金属胶粘结构胶层厚度估计方法，包括如下步骤：
7.s1、采用反射式太赫兹时域光谱检测，在垂直入射的条件下获得未放置被测样品时的参考时域信号；
8.s2、放置被测样品采用反射式太赫兹时域光谱检测，获得样品太赫兹时域信号；
9.s3、设置稀疏反卷积算法的参数，并定义脉冲响应函数的软阈值算子；
10.s4、通过软阈值函数对脉冲响应值进行迭代计算至收敛，获得全局最小解的脉冲响应值，从而估计得到满足条件的脉冲响应函数；
11.s5、对满足条件的脉冲响应函数求取胶层上表面和下表面峰值之间的时间差；
12.s6、根据时间差和胶层的折射率计算得到胶层厚度。
13.优选地，反射式太赫兹时域光谱检测使用反射式太赫兹时域光谱检测系统，系统包括飞秒脉冲激光器、分束镜、光导电天线、太赫兹探测源和延迟台；
14.飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲经分束镜分为两束，一束为泵浦光，一束为探测光，泵浦光入射到光导电天线发射太赫兹波脉冲，太赫兹脉冲在样品中反射后携带了样品信息，与经由延迟台的探测光共线经过太赫兹探测器，获得太赫兹电场强度的变化量，实现信号测量。
15.优选地，设置稀疏反卷积算法的参数包括：
16.设置稀疏反卷积算法的初始值i＝0，最大迭代次数为n，正则化参数λ，脉冲响应初始值为f0＝0，步长τ＝1/‖h
t
h‖2，软阈值算子定义为：
[0017][0018]
其中h为参考时域信号，h
t
为h的转置。
[0019]
优选地，计算脉冲响应值的迭代公式为：
[0020]fi+1
＝s
λτ
(f
i-τh
t
(hf
i-y(n)))，
[0021]
其中，y(n)为样品太赫兹时域信号，计算至收敛为若计算得到到的f
i+1
《fi,则保留f
i+1
，否则i＝i+1，继续计算f
i+1
，直至所有的fi值满足条件或者迭代次数达到n。
[0022]
优选地，计算胶层厚度的公式为：
[0023][0024]
其中，d为胶层厚度，c为光速，n为中间胶层的折射率，δt为胶层上表面和下表面峰值之间的时间差。
[0025]
优选地，本方法还包括：
[0026]
重复步骤s2-s6，对陶瓷金属胶粘结构件进行逐点的二维扫描，然后对每一个点的信号进行稀疏反卷积处理，得到胶层上下表面回波信号，计算得到厚度，得到整个结构件的胶层厚度分布云图。
[0027]
本发明的有益效果：本发明提出了一种基于时域光谱技术的陶瓷金属胶粘结构胶层厚度估计方法，可实现航空航天用陶瓷结构件的胶粘质量检测，通过使用太赫兹时域光谱系统在反射模式下，对陶瓷金属胶粘结构件进行逐点的二维扫描，然后对每一个点的信号进行稀疏反卷积处理，从而得到胶层上下表面回波信号，计算得到厚度，从而得到整个结构件的胶层厚度分布云图，进而可以在非接触的情况下评价胶粘质量情况，指导胶粘工艺的改进。该方法解决了陶瓷金属胶粘结构件中胶层厚度无法测量的问题，为航空航天事业提供可靠的技术支持。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明，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。
[0029]
图1为本发明实施例的胶层厚度估计方法流程示意图；
[0030]
图2为本发明实施例的太赫兹时域光谱仪反射模式原理图；
[0031]
图3为本发明实施例的太赫兹在陶瓷金属胶粘结构中的传播模型示意图；
[0032]
图4为本发明实施例的1mm胶层样品算法处理之后的时域波形图；
[0033]
图5为本发明实施例的0.3mm胶层样品算法处理之后的时域波形图。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
[0035]
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0036]
如图1所示，本说明书实施例提供一种基于时域光谱技术的陶瓷金属胶粘结构胶层厚度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0037]
s1、采用反射式太赫兹时域光谱检测系统，系统组成示意图如图2所示。系统由飞秒脉冲激光器、分束镜、光导电天线、太赫兹探测源和延迟台等机构组成。太赫兹产生原理是飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲经分束器分为两束，一束为泵浦光，一束为探测光。泵浦光入射到光导电天线发射太赫兹波脉冲。太赫兹脉冲在样品中反射后携带了样品信息，与经由延迟线机构的探测光共线经过太赫兹探测器，获得太赫兹电场强度的变化量，实现信号测量，首先在垂直入射的条件下对未放置样品时得到参考时域信号，记作h；
[0038]
s2、放置待测样品进行测试实验，获取样品太赫兹时域信号，记作y(n)，太赫兹传播模型如图3所示；
[0039]
s3、设置稀疏反卷积算法的初始值i＝0，最大迭代次数为n，正则化参数λ，脉冲响应初始值为f0＝0，步长τ＝1/‖h
t
h‖2，软阈值算子定义为：
[0040][0041]
其中h为参考时域信号，h
t
为h的转置；
[0042]
s4、通过软阈值函数对脉冲响应值进行迭代计算至收敛，得到全局最小解的脉冲
响应值，迭代公式为：
[0043]fi+1
＝s
λτ
(f
i-τh
t
(hf
i-y(n)))，
[0044]
若计算得到到的f
i+1
《fi,则保留f
i+1
，否则i＝i+1，继续计算f
i+1
，直至所有的fi值满足条件或者迭代次数达到n，从而估计得到满足条件的脉冲响应函数f[n]。
[0045]
s5、对满足条件的脉冲响应函数f[n]求取胶层上表面和下表面峰值之间的时间差δt；
[0046]
举例来说，上表面和下表面峰值是确定好上下表面回波信号之后，手动选取最大值确定的。
[0047]
s6、根据下式计算得到胶层厚度：
[0048][0049]
其中，c是光速，n是中间胶层的折射率。
[0050]
举例来说，本实施例中分别制备两组样品，一组胶层厚度为1mm，另外一组胶层厚度为0.3mm，通过上述方法估计得到的脉冲响应函数f[n]，处理之后的时域波形图分别如图4和图5所示，之后计算得到胶层厚度并进行验证，验证结果表明本估计方法准确有效。
[0051]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0052]
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。