基于太赫兹时域光谱的玻璃纤维缺陷深度检测及数据分析

郭小弟，王 强，谷小红，陈锡爱，范昕炜

基于太赫兹时域光谱的玻璃纤维缺陷深度检测及数据分析

郭小弟1，王 强2，谷小红1，陈锡爱1，范昕炜2

（1.中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018；2.中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018）

太赫兹波对很多介电材料和非极性的液体具有透射性且THz波辐射的光子能量低，近年来在无损检测领域得到了较快的发展和应用。基于透射式THz-TDS系统在室温下对包含不同深度缺陷信息的车载气瓶玻璃纤维增强复合材料检测，获得了0.2～1.8THz范围内样品的时域波形，分析其峰峰值、最大值、延迟时间、折射率和吸收系数，结果表明，随着样品缺陷深度的增加，峰峰值、最大值和延迟时间都有明显的变化规律，同时样品的折射率和吸收系数也不同。可以通过分析时域波形的变化以及折射率和吸收系数的变化，获得缺陷的深度信息。

THz-TDS；玻璃纤维；无损检测；复合材料

0 引言

玻璃纤维增强复合材料是以合成树脂为基体，玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡等）为分散质制成的一种性能优异的无机非金属材料，又称玻璃钢[1]。其主要特点是质量轻、绝缘性好、密度小、强度高和耐腐蚀。通常情况下，玻璃纤维增强复合材料的比强度为钢的4～5倍，成为金属制品绝好的替代品。因此，复合材料优良的机械性能使得其广泛应用于车载纤维缠绕气瓶、压力容器和压力管道等对安全系数要求较高的行业。同时，复合材料的安全性能也成了大家关注的焦点。

传统的复合材料无损检测多采用超声波检测、声发射检测和热成像技术。马雯等人[2]采用超声C扫描及烧蚀密度法测定了玻璃纤维复合材料的超声衰减系数与平均孔隙率；周伟等人[3]采用声发射技术，研究复合材料损伤演化特性及纤维预断缺陷对复合材料力学性能的影响；Dattoma等人[4]利用红外热成像技术实现了对风电叶片复合材料结构胶渗透、浸水和脱粘等典型缺陷的识别。

太赫兹时域光谱（terahertz time-domain spectroscopy，简称THz-TDS）技术是基于超快激光的远红外波段光谱测量新技术[5]，物质成分、结构等信息可以通过THz辐射的特征吸收分析来反应。近些年来，国内外很多学者做了大量的实验研究，取得了相应的成果。廖晓玲等人[6]利用反射式THz-TDS系统对碳纤维复合材料成像研究，验证了反射式THz-TDS成像系统对复合材料表面缺陷无损检测的可行性；郭小弟等人[7]采用太赫兹波技术对玻璃纤维复合材料表面缺陷进行无损检测；Ospald等人[8]采用太赫兹时域光谱技术对航空复合材料表面缺陷、内嵌缺陷和蜂窝结构进行测试，检测效果明显；Matheis等[9]应用太赫兹频率调制连续波系统对玻璃纤维增强塑料无损检测，结果表明THz频率调制连续波技术可清晰检测出样品分层、蜂窝状等缺陷。

本文采用透射式THz-TDS系统对车载气瓶玻璃纤维缠绕材料进行安全测试分析，获得不同缺陷深度玻璃纤维样品0.2～1.8THz的太赫兹时域光谱，从光谱最大值、峰峰值、延迟时间、折射率和吸收系数5个方面加以分析，探索不同缺陷深度样品的太赫兹时域光谱数据，总结其变化规律与缺陷深度的关系。

1 实验装置与样品制备

1.1 实验装置

本文采用的透射式THz-TDS系统装置图1所示，该系统由美国Coherent公司制造的钛蓝宝石飞秒激光器和美国Zomega公司研制的THz系统组成[10]，钛宝石飞秒脉冲激光器是该系统的核心部件，其中心波长为800nm，脉宽小于100fs，重复频率为80MHz，输出功率960mW。利用该系统可以测试车载气瓶玻璃纤维缠绕材料不同深度缺陷的THz时域光谱。

试验在室温下（约292K）进行[11]，THz光路罩在充有氮气的箱体内，箱内相对湿度为4.0%。在信号扫描过程中，实验系统的信噪比为1000dB，谱分辨率超过40GHz。

1.2 样品制备

车载气瓶玻璃纤维缠绕材料来自河北石家庄某有限公司缠绕车间，出厂尺寸为480mm×400mm×10mm（长×宽×高），因实验仪器等客观因素限制，以悬臂式水刀切割机对样品进行切割，最终切割成如图2所示大小的样品。纤维缠绕材料是由直径10mm左右的纤维丝捻成，该尺寸远小于太赫兹波的波长，这些10mm的纤维丝被捻成直径约670mm的纤维线作为缠绕材料。按照工艺要求缠绕时树脂的理论比例约占40%～60%。样品结构均匀，前后表面基本保持平行，以减少THz波透过样品过程中多重反射的影响。

图1 透射式THz-TDS系统装置

图2 玻璃纤维缠绕材料样品（11为数据采集点编号）

2 实验数据处理模型

数据处理模型在光谱分析中发挥着至关重要的作用，直接影响着实验数据的分析精度。光学参数提取主要用到的是基于菲涅尔公式的参数提取模型[12-13]。该模型主要提取折射率和吸收系数两个光学参数，分别描述样品的吸收和色散特性。0()为太赫兹入射信号，在氮气环境传播距离后，得到参考信号r()，通过样品时信号为s()，其带有样品的信息，则太赫兹波透过样品时的传递函数为：

式中：b是样品后表面接触介质氮气的复折射率；()和()分别为样品和参考信号的振幅模的比值和相位差。因此样品的折射率和吸收系数为：

()＝()/()＋1 (2)

式中：为样品的厚度；为角频率；为真空中的光速；()是样品的消光系数。

3 实验结果分析与讨论

车载气瓶玻璃纤维样品的THz时域波形如图3所示，图3(a)为THz波透过参照氮气的时域波形，图3(b)为THz波透过玻璃纤维样品时的时域波形，其中包含了丰富的振幅和相位信息。

通过比较图3(a)和3(b)可知，玻璃纤维样品的信号相对于参照氮气信号都有一定的幅值衰减和时间延迟，同时随着样品缺陷深度的增加，位于40～50ps的回波幅值越来越大。表1为参考波形和玻璃纤维样品信号的峰峰值、最大值和最大值的位置。

为了更直观地表达车载气瓶玻璃纤维样品的缺陷信息，将表1中THz时域波形的峰峰值和最大值以柱状图的形式表现为图4和图5所示。

图3 玻璃纤维样品的THz时域波形

表1 玻璃纤维样品的THz时域波形参数

图4 时域波形峰峰值

图5 时域波形最大值

从图4可知：参考波形的峰峰值明显大于车载气瓶玻璃纤维样品的峰峰值；玻璃纤维缺陷深度在1～5mm时，随着样品缺陷深度的增加，时域波形峰峰值呈现减小的趋势；玻璃纤维缺陷深度在6～10mm时，随着样品缺陷深度的增加，时域波形峰峰值变化平缓；随着样品缺陷深度的增加，时域波形峰峰值总体呈现减小的趋势。

从图5可知：参考波形的最大值明显大于玻璃纤维样品的最大值，玻璃纤维缺陷深度在1～4mm时，随着玻璃纤维样品缺陷深度的增加，时域波形的最大值呈现减小的趋势；玻璃纤维缺陷深度在5～8mm时，随着玻璃纤维样品缺陷深度的增加，时域波形的最大值变化平缓；玻璃纤维缺陷深度在9～10mm时，随着玻璃纤维样品缺陷深度的增加，时域波形的最大值呈现增加的趋势；随着车载气瓶玻璃纤维样品缺陷深度的增加，时域波形最大值总体呈现先减小后增加的趋势。

车载气瓶玻璃纤维样品的时域波形波峰相比于参照氮气的时域波形波峰时间延迟趋势如图6所示，玻璃纤维缺陷深度在1～7mm时，随着玻璃纤维缺陷深度的增加，时域波形波峰时间延长呈现线性增加的趋势；玻璃纤维缺陷深度在8～10mm时，随着玻璃纤维缺陷深度的增加，时域波形波峰时间延长呈现平缓的趋势，这与图3(b)所示的位于40～50ps的回波幅值增加是相一致的；随着玻璃纤维缺陷深度的增加，时域波形的时间延长总体呈现增加的趋势。以10组实验结果为观测值，对玻璃纤维样品时域波形波峰的时间延迟与样品的缺陷深度关系进行线性拟合，结果如图6所示。玻璃纤维样品时域波形波峰的时间延迟()与样品的缺陷深度之间的关系可表示为：

()＝4.5716＋1.4481 (1≤≤10) (4)

同时，均方根误差RMSE为0.4292。

图6 不同缺陷深度THz波波峰时间延迟趋势图

对样品缺陷深度1mm的时域数据（如图3）做快速傅里叶变换，按照公式(2)和(3)计算玻璃纤维样品的折射率和吸收系数，结果如图7所示。在0.2～1.8THz范围内，样品的折射率随着频率的增加而减小，折射率的每处显著变化都与吸收谱的显著变化相对应，这与Kromers-Kronig方程一致，说明在吸收峰附近，样品呈反常色散现象，样品的平均折射率为2.7319。样品在1.59THz和1.68THz处有两个比较明显的吸收峰，经分析认为是玻璃纤维样品中纤维结构、环氧树脂等引起的。

图7 缺陷深度为1mm的样品折射率和吸收系数

4 结语

本文基于透射式THz-TDS系统研究车载气瓶玻璃纤维缠绕材料在0.2～1.8THz范围的时域波形，分析不同缺陷深度玻璃纤维样品时域波形的峰峰值、最大值、样品信号最大值相较于参照氮气信号的延迟时间、折射率和吸收系数。实验结果表明：车载气瓶玻璃纤维缠绕材料的时域信号相对于参照氮气信号都有一定的幅值衰减和时间延迟，同时随着玻璃纤维样品缺陷深度的增加，位于40～50ps的回波幅值越来越大；随着玻璃纤维缺陷深度的增加，时域波形峰峰值总体呈现减小的趋势，时域波形最大值总体呈现先减小后增加的趋势；样品信号的时间延迟与缺陷深度正相关，同时样品的折射率和吸收系数也不同。通过分析时域波形以及折射率和吸收系数的变化，获得样品缺陷的深度信息。

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Defects Depth Inspection and Data Analysis of Glass Fiber Based on THz-TDS

GUO Xiaodi1，WANG Qiang2，GU Xiaohong1，CHEN Xiai1，FAN Xinwei2

（1.,,310018,; 2.,,310018,）

Terahertz wave is able to penetrate dielectric material and non-polar liquids, and its photon energy is low. It was widely used in nondestructive testing fields. The vehicle gas cylinder glass fiber reinforced composite material of including different defects depth information was detected nondestructively at room temperature by the transmission THz-TDS system. The time domain waveform of the sample was gained and its peak-to-peak value, maximum value, the delay time, refractive index and absorption coefficient were analyzed from 0.2THz to 1.8THz. The results show that with the increase of the sample defects depth, peak-to-peak value, maximum value and the delay time has obvious variation trend. Additionally, the refractive index and absorption coefficient of the sample are different. The method can be applied to gain the information of the defects depth by analyzing the variation of time domain wave, refractive index and absorption coefficient.

THz-TDS，glass fiber，nondestructive testing，composite material

TB322

A

1001-8891(2016)07-0602-05

2016-01-07；

2016-03-03.

郭小弟（1991-），男，硕士研究生，主要从事太赫兹光谱技术应用研究。E-mail：505126972@qq.com。

谷小红（1977-），男，副教授，主要从事自动化装置与检测、信号处理。E-mail：xhgu@cjlu.edu.cn。

浙江省自然科学基金项目（LY14E040002，LQ14F05003）；质检公益性行业科研专项资助（201410025）。