利用太赫兹时域光谱对覆盖层下钢板锈蚀厚度的无损检测.docx资源-CSDN文库

版权申诉

145 浏览量 2023-02-23 20:45:42 上传评论收藏 1.43MB DOCX 举报

资源推荐

资源详情

资源评论

摘要

由于锈蚀层分布不均匀和覆盖层材料的影响，现有无损检测技术很难实现对钢板锈蚀厚度

的精确检测。基于太赫兹（THz）波对非极性材料的高透射性及对极性金属材料的反射

性，介绍了一种利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）实现对覆盖层下钢板锈蚀厚度的无损检

测方法。实验表明：在有效频率 0.2~1.2 THz 内，锈蚀产物和覆盖层材料环氧树脂、橡

胶、水泥净浆的折射率分别为 2.80，1.94，2.18 和 2.04。THz 透射谱中样品和参考信号

的延迟时间差与材料的折射率呈线性关系。THz 反射信号可以识别钢板表面锈蚀层，且能

够准确测定大于 40 μm 的锈蚀层厚度。覆盖层材料下的钢板锈蚀可以从 THz 反射信号中

幅值的数量和衰减进行判断，通过幅值对应延迟时间差实现准确率大于 90%的覆盖层和锈

蚀层的厚度测定，证明了 THz-TDS 用于覆盖层下钢板锈蚀厚度检测的实用性和准确性。

Abstract

Due to the unevenness of the corrosion layer and effect of the coatings, it is difficult to

accurately detect the corrosion thickness of steel plates by the existing nondestructive

testing (NDT) approaches. Based on the properties of the high transmission to non-polar

materials and reflection on the surface of polar metal materials of terahertz (THz) wave, a

nondestructive terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is utilized to detect the

corrosion thickness under coatings in this paper. The experimental results show that in

the effective frequency range of 0.2-1.2 THz, the refractive index of corrosion products,

epoxy resin, rubber and cement paste is 2.80, 1.94, 2.18 and 2.04, respectively. The

delay time difference between the sample and the reference signals in transmission THz-

TDS exhibits a linear relationship with the refractive index. The reflected THz signal can

identify the corrosion layer on steel plate surface, and accurately measure the corrosion

layer with thickness greater than 40 μm. The corrosion of steel plates under coatings can

be judged by the number and attenuation of signal amplitude in reflection THz-TDS. The

thicknesses of the coatings and corrosion layer are determined with accuracy greater

than 90% by the delay time difference corresponding to the signal amplitudes. The

application and accuracy of THz-TDS for NDT corrosion thickness detection of steel

plates under coatings are therefore proved.

1　引言

由于具有储量丰富、价格低廉、机械性能优良等优点，钢板在土木工程领域被广泛应用于

超高层、大跨钢结构、钢制桥梁等结构建筑。受使用龄期和外界温度、湿度、氯离子

（Cl

）侵蚀等因素

［1-2］

的影响，钢板表面会发生锈蚀。然而，锈蚀过程通常发生在钢板覆

盖层材料下

［3-4］

，现有无损检测（NDT）技术

［5-7］

很难实现对钢板锈蚀程度的准确测定。

因此，研发一种能够透过覆盖层并对钢板锈蚀程度实现高精度测量的无损检测技术具有较

重要的工程实际意义。

太赫兹（THz）波是频率范围在 100 GHz~10 THz 之间的电磁波，波长范围为 0.03~3

mm。THz 波在非极性材料界面发生透射和反射，并在金属类极性材料界面处发生反射，

该性能特点较好满足了钢结构覆盖层无损检测中对缺陷识别和成像的技术需求

［8-9］

。因

此，学者对太赫兹时域光谱（THz-TDS）在锈蚀无损检测方面的应用进行了研究。Zhao

等

［10］

对不同锈蚀程度的钢板进行 THz 反射谱测定，探究反射信号强度与锈蚀程度的函数

关系。Akihisa 等

［11］

利用 THz-TDS 对涂层下不同锈蚀产物 Fe

和 Fe

进行物相识

别。Fuse 等

［12］

利用锈蚀区域反射的 THz 信号强度，实现覆盖层下锈蚀区域的识别和锈

蚀程度的表征。Mikhnev 等

［13］

基于 THz 波干涉增强技术，提高涂层下锈蚀区域的识别敏

感度。上述文献均证明 THz-TDS 用于锈蚀检测的可行性，然而却局限于对锈蚀区域或锈

蚀程度的定性表征，其测定结果受其他因素影响较大。由于锈蚀厚度很大程度上影响钢板

截面的强度和刚度，因此实现锈蚀厚度的定量检测具有工程实际意义。在对锈蚀厚度的测

定方面，Fuse 等

［14］

通过 THz 反射信号幅值对锈蚀层厚度进行了表征，但计算厚度值误

差较大；同时，该团队通过 THz 反射信号中延迟时间差计算环氧树脂层和锈蚀层的厚度，

但未系统展开

［15］

。Dong 等

［16］

对 THz 反射信号进行反卷积特征识别，实现了锈蚀、水泡

和分层损伤的成像，然而锈蚀厚度的准确度受到涂层的影响，还需进一步的验证工作。另

一方面，一些学者证明通过反射 THz 信号中的延迟时间差可以实现对钢板覆盖层材料厚度

的准确测定

［17-19］

。

因此，基于现有研究现状的不足及 THz-TDS 对钢板覆盖层材料厚度测量的可行性，本文

提出利用反射 THz 信号中延迟时间差计算钢板表面层厚度的方法，用于覆盖层下锈蚀层厚

度的无损测定。首先，对锈蚀产物和常见覆盖层材料环氧树脂、橡胶以及水泥净浆进行

THz 透射谱测定；其次，通过 THz 反射光谱对不同锈蚀周期的钢板样品进行锈蚀层厚度测

定，并与游标卡尺测定厚度标准值进行对比；最后，对锈蚀和未锈蚀钢板样品分别以环氧

树脂、橡胶以及水泥净浆进行覆盖，进行 THz 反射光谱测定。

2　理论

2.1　光学参数提取理论

基于菲涅耳公式，对 THz-TDS 信号中材料光学参数进行提取

［20-21］

。通过透射式 THz-

TDS 得到参考信号和样品信号，分别记为 Eref(t)Eref(t)和 Esam(t)Esam(t)，经傅里叶变

换后得到样品和参考频谱信号 Esam(w)Esam(w)和 Eref(w)Eref(w)。样品的光谱响应函数

为

H(w)=Esam(w)Eref(w)=A(w)exp[−jφ(w)]=H(w)=Esam(w)Eref(w)=A(w)exp-

jφ(w)=4n˜b(1+n˜b)2exp[−jπw(n˜b−1)dc]4n˜b(1+n˜b)2exp-jπw(n˜b-1)dc，（1）

式中：A(w)A(w)为样品与参考信号的振幅比；j 为虚部单位；φ(w)φ(w)为虚部频率谱；

n˜bn˜b 为样品的复折射率，n˜b=n(w)−jk(w)n˜b=n(w)-jk(w)，其中，n(w)n(w)为折射

率，k(w)k(w)为消光系数；cc 为光速；dd 为穿透厚度；w 为频率。进一步，可得样品的

折射率 n(w)n(w)和吸收系数 α(w)α(w)，分别描述了样品的色散和吸收特性，并记为

n(w)=ϕ(w)cwd+1n(w)=ϕ(w)cwd+1，（2）

α(w)=2dln{4n(w)A(w)[n(w)+1]2}αw=2dln4nwAw[nw+1]2，（3）

式中：ϕ(w)ϕ(w)为样品与参考信号的相位差。通过上述理论公式可以得到透射材料的光

学参数，详细计算流程为：首先，可通过透射式 THz-TDS 得到样品和参考信号的时域波

形，进而对时域信号进行傅里叶变换得到样品和参考信号的频谱信号、振幅和相位。然

后，计算得到样品和参考信号的振幅比 A(w)A(w)和相位差 ϕ(w)ϕ(w)。最后，将上述参

数代入式（2）和式（3），求得测定材料的折射率和吸收系数。

2.2　钢板表面层厚度计算理论

光学参数的求解理论公式较多适用于透射式 THz-TDS。样品和参考反射表面之间位移导致

固有相移误差难以克服，这使得式（1）~式（3）在反射式 THz-TDS 中的应用存在局限

性。因此，基于 THz 波在非极性材料界面的反射和透射特性，及在极性金属材料界面的反

射特性，可将 THz-TDS 用于钢板材料覆盖层或锈蚀层的厚度测定。以文中钢板表面环氧

树脂单层和锈蚀钢板表面环氧树脂双层材料的测定为例，如图 1 所示，对 THz 信号的传输

路径进行了详细说明。首先，如图 1（a）所示，太赫兹仪器产生的 THz 信号由氮气环境

中入射到覆盖层环氧树脂上表面，并发生反射和透射。其中，反射 THz 信号被 THz 探测

器接收，记为反射信号 1；透射 THz 信号穿透环氧树脂层，并在钢板材料表面发生反射，

进而再次穿透环氧树脂层后被 THz 探测器接收，记为反射信号 2。被 THz 探测器接收的反

射信号 1 和 2 的时域谱如图 1（b）所示。由于反射信号 2 的传输路径与反射信号 1 相比

多了环氧树脂层厚度的 2 倍，因此两个反射信号幅值存在延迟时间差。同理，如图 1（c）

和图 1（d）所示，THz 信号分别在环氧树脂上表面、锈蚀层上表面以及钢板表面发生反

射，反射信号分别被 THz 探测器接收，并记为反射信号 1，2，3。相邻反射信号幅值对应

的延迟时间差与覆盖层环氧树脂层和锈蚀层的厚度有关。因此，基于现有延迟时间差与厚

度的简化公式

［17，22］

，可实现对各层厚度值的计算：

剩余12页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

版权申诉

罗伯特之技术屋

粉丝: 3642
资源: 1万+

利用太赫兹时域光谱对覆盖层下钢板锈蚀厚度的无损检测.docx

基于太赫兹时域光谱技术的多层涂层高效可靠测厚方法.docx

太赫兹时域光谱技术

论文研究-太赫兹时域光谱图像的模拟分析 .pdf

基于深度学习的太赫兹时域光谱识别研究.pdf

基于LabVIEW的太赫兹时域光谱数据处理.pdf

基于太赫兹时域光谱技术的煤岩界面识别

太赫兹时域光谱技术检测埃及文物 （18年诺奖科学家以前的论文）

多层胶接结构胶层均匀性的太赫兹时域表征方法.docx

论文研究-基于太赫兹时域光谱图像序列的运动检测研究 .pdf

调味料的太赫兹时域光谱

基于太赫兹时域光谱的胶层厚度均匀性检测 (2014年)

基于太赫兹时域光谱的半导体材料参数测量.pdf

大数据-算法-基于几何代数的太赫兹时域光谱信号分析及物质识别方法研究.pdf

对氯苯胺的太赫兹时域光谱研究

太赫兹时域光谱成像处理方法的研究

一种基于小波变换的太赫兹时域光谱分析方法_余倩

时域和频域特征提取Matlab编程实例.docx

相关实用应用程序（Windows可用）

免费可用的ChatGPT网页版.zip

ChatGPT使用总结：150个ChatGPT提示词模板（完整版）

chromedriver-win64.zip

全国计算机二级WPSoffice精选350道选择题题库（含答案）.pdf

农村公交与异构无人机协同配送优化

基于小波与卷积神经网络的多尺度时间序列分类.zip

哈尔滨工业大学-ChatGPT调研报告-2023.3.6-94页.pdf

李飞飞自传 我看见的世界 The World I see

4个亲测好用的ChatGPT4渠道

最新资源

太赫兹时域光谱技术检测埃及文物（18年诺奖科学家以前的论文）

李飞飞自传我看见的世界 The World I see