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 汪宏 廖曉玲 劉延雷

 （杭州市特種設(shè)備檢測(cè)研究院杭州  310051）

摘要：以太赫茲(THz)反射成像技術(shù)和THz時(shí)域光譜透射技術(shù)對(duì)公稱(chēng)外徑D=10mm聚乙烯電熔接頭（包含夾雜、分層等缺陷）進(jìn)行檢測(cè)，獲得接頭在不同掃描縱深(Z1=3mm，Z2=5mm，Z3= 7mm)的層析圖像和時(shí)域波形。結(jié)果表明：圖像可清晰顯示樣品的夾雜（金屬絲）和埋藏缺陷，且不同縱深的層析圖像都揭示了管道內(nèi)壁因流體沖刷產(chǎn)生的機(jī)械損傷位置；對(duì)THz時(shí)域波形進(jìn)行分析計(jì)算獲得樣品的分層厚度；以樣品分層厚度反推THz波的強(qiáng)度，為T(mén)Hz時(shí)域光譜裝置校準(zhǔn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：  太赫茲波聚乙烯管道成像檢測(cè)  無(wú)損檢測(cè)  電熔接頭  時(shí)域光譜

中圖分類(lèi)號(hào)：X924.2  

文章編號(hào)：1673-257X(2016)04-0033-05 DOI：10.3969/j  .issn．1673 -257X．2016. 04. 005

 現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展促使非金屬材料越來(lái)越多的被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。以聚乙烯管道為例，由于管道連接處在焊接過(guò)程中分子結(jié)構(gòu)和性能可能發(fā)生變化，管道接頭成為系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)�，F(xiàn)有聚乙烯及其復(fù)合管道檢測(cè)技術(shù)、設(shè)備和方法等無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的檢測(cè)需求，因此相關(guān)光學(xué)檢測(cè)方法在復(fù)合材料缺陷無(wú)損檢測(cè)方面受到關(guān)注。

 太赫茲(Tera hertZ，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)Hz)光譜技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其對(duì)大多數(shù)非極性物質(zhì)都呈透明性質(zhì)，且具有穿透能力強(qiáng)、光子能量低、可得到高分辨率的清晰圖像、可進(jìn)行時(shí)間分辨的光譜測(cè)量等優(yōu)勢(shì)�；�于太赫茲光譜的優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在物質(zhì)鑒別、安全檢測(cè)、質(zhì)量控制、復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，Stoik等利用THz光譜透射成像技術(shù)對(duì)不同厚度的碳纖維及其夾雜缺陷開(kāi)展了研究；Wietzke等嘗試對(duì)THz光譜技術(shù)應(yīng)用于聚乙烯焊接質(zhì)量檢測(cè)、塑料件分層缺陷等開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

 本文基于THz光譜技術(shù)對(duì)聚乙烯管道電熔焊接接頭缺陷無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行研究，嘗試以THz反射成像技術(shù)和時(shí)域光譜(Time Domain Spectrum，簡(jiǎn)稱(chēng)TDS)技術(shù)分別對(duì)聚乙烯管道電熔接頭的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)。從反射系統(tǒng)中獲得樣品在不同縱深處的層析圖像，對(duì)樣件內(nèi)壁沖刷缺陷的位置分布、輪廓及夾雜異物的基本屬性進(jìn)行分析；采用TDS技術(shù)獲得樣品在0.3～1.5THz頻段的時(shí)域波形，結(jié)合該波形對(duì)樣品中空氣分層的區(qū)域、厚度等進(jìn)行定量分析。

  1實(shí)驗(yàn)裝置和樣品制備

  1.1樣品規(guī)格

 如圖1所示，實(shí)驗(yàn)用聚乙烯電熔接頭公稱(chēng)外徑D=140mm，管壁厚d=7mm，接頭處厚度

  Z max=21mm，取長(zhǎng)×寬(mm)=110×24的樣品。如圖1(a)所示，樣品左端數(shù)字2標(biāo)示處存在L1=10mm，d1=2.4mm的分層缺陷，且A、B面之間有焊接加熱用金屬絲；如圖l(b)中數(shù)字1所示，樣品A面存在L1=10mm，d2=1mm的切口；如圖1(c)所示，聚乙烯管道內(nèi)壁含沖刷形成的機(jī)械損傷。

1.2實(shí)驗(yàn)原理及裝置

 ●1.2.1反射式太赫茲成像

 如圖2所示，實(shí)驗(yàn)用儀器為SynviewScan300THz調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated ContinuousWave，簡(jiǎn)稱(chēng)FMCW)成像系統(tǒng)，系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

 如圖2所示為FMCW成像系統(tǒng)的成像原理，F(xiàn)MCW成像基于比較發(fā)射波長(zhǎng)和反射波長(zhǎng)的差異來(lái)測(cè)量距離，波長(zhǎng)差異越大，則距離越大，且T x和R x頻率差異與距離成比例，信號(hào)強(qiáng)度和折射率成比例。

 FMCW成像系統(tǒng)的發(fā)射器和接收器都是基于GaAs砷化鎵肖特基二極管倍頻器，采用全電子技術(shù)。其工作原理為：耿氏二極管發(fā)射中心頻率0.3THz的連續(xù)太赫茲波，經(jīng)調(diào)頻后被透鏡聚焦到樣件的不同深度，穿過(guò)樣品后的反射信號(hào)再次穿過(guò)被檢物體并與發(fā)射信號(hào)混頻在一起，作為接收器的肖特基二極管接收并探測(cè)該混頻信號(hào)。獲得的信號(hào)中含有檢測(cè)物體的相對(duì)距離信息，掃描探頭進(jìn)行一次二維掃描，可同時(shí)采集樣件不同深度的二維太赫茲圖像（獲得的二維圖像為太赫茲波等光程面），有效實(shí)現(xiàn)太赫茲無(wú)損檢測(cè)。

 如圖3所示，調(diào)頻連續(xù)波成像儀通過(guò)三角波調(diào)制技術(shù)，使發(fā)射頻率在0.23～0.32THz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，式(1)為三角波調(diào)頻原理

 ●1.2.2 THz-TDS檢測(cè)裝置

 實(shí)驗(yàn)用THz-TDS系統(tǒng)由美國(guó)Coherent公司制造的鈦藍(lán)寶石飛秒激光器和美國(guó)Zomega公司研制的THz系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)核心部件是鈦寶石飛秒脈沖激光器，中心波長(zhǎng)為800nm，脈寬小于100×10-15s，重復(fù)頻率為80MHz，輸出功率960mw。實(shí)驗(yàn)裝置光路如圖4所示，系統(tǒng)說(shuō)明。

2結(jié)果與分析

2.1反射式THz波檢測(cè)結(jié)果分析

 圖5為T(mén)Hz波反射裝置中層析成像的結(jié)果，圖5(a)～圖5(c)分別為縱深Z=3mm，5mm，7mm的樣品層析掃描圖。掃描時(shí)，縱深Z由樣品A面向B面推近，圖5(a)縱深Z=3mm，即成像面距A面3mm;同理，圖5(b)成像面距A面5mm，圖5(c)距A面7mm。圖5(a)～圖5(c)顯示了接頭中的金屬絲及B面（管道內(nèi)壁）的沖刷缺陷，不同深度的層析圖像對(duì)缺陷有不同程度的表達(dá)。如圖5(c)，可對(duì)接頭中金屬絲的方位及連續(xù)情況做出判斷，并管道內(nèi)壁沖刷缺陷的位置、輪廓等都有明確顯示。已知樣品接頭處Z max=21mm，綜上，反射式THz波通過(guò)非接觸式可檢測(cè)聚乙烯電熔接頭中深度達(dá)20mm的缺陷。

 圖5(d)為樣品側(cè)輪廓全貌，其中A、B面焊接處金屬絲清晰可見(jiàn)，且從圖中數(shù)字2標(biāo)注處可觀測(cè)到樣品分層概況。在THz波段內(nèi)，聚乙烯材料近乎透明，而金屬絲作為導(dǎo)電材料則將THz波原路反射，兩種材料所具有的THz波特性差異導(dǎo)致了樣品分層的顯著體現(xiàn)，為分層厚度的確定提供佐證。圖中數(shù)字1所示為樣品A面的機(jī)械損傷，該缺陷若僅從圖1(b)中觀察，存在寬1mm，長(zhǎng)10mm的縫，但從反射圖像中可知該樣品接頭處缺陷深度達(dá)10mm，且內(nèi)部缺陷寬度達(dá)2mm，掃描圖像與樣品實(shí)物相符。2.2 THz-TDS檢測(cè)

 樣品中未焊接完全部分的分界面即為“樣品一空氣一樣品”，空氣層的存在導(dǎo)致樣品未焊接完全部分的透射率低于完全焊接部分。另外，根據(jù)樣品分層厚度的不同，還對(duì)裝置的頻率性能提出了更高的要求，分層厚度越小，所需要的THz波發(fā)射強(qiáng)度就越大。聚乙烯電熔接頭處的分層界面導(dǎo)致THz波在分界面上反射，并最終在采集到的時(shí)域波形中體現(xiàn)為脈沖回波，采集數(shù)據(jù)如圖6所示。

 從圖6可知，樣品的THz波（左側(cè)Pointl）穿透樣品后幅值有明顯的衰減，衰減幅度近60%，時(shí)間上也有延遲。經(jīng)分析，該衰減和延遲是由樣品對(duì)THz波的吸收及樣品厚度引起的。據(jù)此，樣品的厚度可由式(2)得到

3結(jié)論

 1)基于THz波對(duì)聚乙烯材料的特性及聚乙烯電熔接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，驗(yàn)證了THz波反射、透射技術(shù)對(duì)于聚乙烯電熔接頭缺陷檢驗(yàn)的可行性。

 2)對(duì)聚乙烯電熔接頭中分層、夾雜及埋藏缺陷進(jìn)行檢測(cè)，介紹了幾種缺陷的檢測(cè)效果，THz波反射式層析圖像不僅清晰表達(dá)樣品中夾雜等缺陷，且對(duì)于管道內(nèi)壁缺陷成像具有良好效果。

 3) THz波對(duì)聚乙烯材料具有較強(qiáng)的穿透力(>20mm)，掃描速度非�？欤�可滿(mǎn)足聚乙烯電熔接頭一般缺陷的檢測(cè)要求，且其不需與被測(cè)件接觸，較傳統(tǒng)需要耦合劑的檢測(cè)方法更具優(yōu)勢(shì)。