基于太赫兹时域光谱技术的金属表面均匀度检测研究

于淼 刘伟 王可心 吴育衡 满润昕

摘要：为确保金属保护涂层质量和服役状况，需要对金属基材表面预处理情况进行检测。本文利用反射式太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）针对金属基材表面均匀度展开了研究。对样品的待测金属表面进行了逐点检测，获得了金属待测表面和基准面间各点的飞行时间差，提取了均匀度表征模型。绘制了表面均匀度空间分布三维形貌图，获得了表面均匀度空间分布情况，并提出了一种利用标准偏差的方法评价钢材表面均匀度。研究结果表明，太赫兹时域光谱针对金属表面均匀度的检测精度可达1μm，对节约涂料和避免涂层过早失效有重要意义。

关键词：太赫兹时域光谱；无损检测；飞行时间；金属表面均匀度；三维形貌图

中图分类号：O433.4文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.011

基金项目：航空科学基金（20173434004）

涂层处理技术广泛应用于航空航天、石油冶炼、医疗卫生等领域，使防护金属材料免受高温失效和腐蚀侵害等恶劣服役条件的影响，改善使用性能，增加服役寿命[1-4]。研究人员对涂层材料和涂覆工艺进行了大量的研究和严密的检测，而忽视了涂覆前金属基材表面条件对复合材料的质量的影响。涂覆系统的抗腐蚀防护能力与服役寿命，很大程度上取决于金属基材在涂覆前的表面预处理情况。长期应用证明[5]，70%的提早失效现象，是由于金属基材表面条件达不到涂覆标准所导致的。

金属结构的表面预处理效果对涂料用量、涂层的附着情况、涂层的力学性能及孔隙率等方面有着直接的影响。分析金属基材表面均匀度，是涂覆前的必要环节，且对节约涂料和避免涂层过早失效有重要的意义。

目前，国内外比较成熟的表面均匀度测量评估方法主要分为两类：（1）接触式指针探头扫描法[6]；（2）非接触式光学测量法[7]。接触式指针探头扫描法具有操作简便、成本低等优势，通过在试件表面机械式移动微小的探针来测量每个点的高度。然而，指针探头在接触过程中有可能对产品表面造成损伤，并且其测量精度受到指针探头尺度的制约。光学测量法具有较高的灵敏度，在测量过程中对样品不会造成物理损伤。太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的相干探测技术，由于其高频、宽带、高分辨率、高信噪比、波谱信息丰富等特点，近年来广泛应用于国防、工业、通信、医疗等多个领域[8-10]。基于太赫兹时域光谱的无损检测技术，可通过非接触式检测，分析脉冲太赫兹波与介质间的相互作用关系，提取样品的太赫兹时频信息，进一步對特征参量分析处理[11-12]，可为获取金属基材表面预处理效果提供可靠的依据。

本文采用反射式THz-TDS系统，对涂覆工艺前的金属基材表面预处理情况进行了无损检测，利用上位机软件控制二维电控平移台与THz-TDS系统，针对金属表面情况进行二维扫描，通过对反射波形的分析，提取有效频段、相位、到达时间和波形等信息，对金属基材的表面状况进行了检测。

1试验原理

1.1反射式THz-TDS系统原理

太赫兹时域光谱检测系统包括飞秒脉冲激光器、太赫兹发射器、太赫兹探测器、延迟线机构等，其工作原理如图1所示，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，利用等效采样原理，获得太赫兹电场强度的变化量，实现信号测量。

1.2等效采样原理

利用太赫兹时域光谱进行无损检测时，THz脉冲的时间分辨率可达皮秒量级，在超快电光采样系统中，光电导天线探测回波脉冲的频率相对较低，难以实现实时采样，因此需要应用等效采样原理实施有效检测[13]。

等效采样技术相比实时采样，可以大大提高等效采样率，减缓了硬件实时采样率及数据存储速率和存储容量的压力。其基本原理是把高频、快速信号变成低频、慢速重复信号。

等效采样有效实施的条件为：（1）待测信号必须为稳定的周期信号；（2）采样信号必须稳定。如图2所示，在此研究系统中，使用光学延迟法连续改变采样信号与待测信号之间的相对时间延迟，以重构待测信号波形，相邻两激光脉冲的相对时间延迟为：

2均匀度模型

由于金属材料在太赫兹波段的介电常数，比其他介质材料高很多个数量级[14-15]，因此当太赫兹波入射到金属表面时，具有几乎全反射的特性[16-17]。当入射到光滑的金属表面时，其表面各点的飞行时间差近似一致；当金属表面不均匀时，其表面各点的飞行时间差会有明显差异[18]，根据此原理可以判别金属表面的均匀度。

2.1单点表面均匀度表征模型

基于太赫兹波在金属表面的反射特性，如图3所示，可以通过待测表面与基准面之间由于太赫兹波到达时间不同产生的飞行时间差，获取两表面间的空气介质层厚度，金属表面均匀度不同会导致空气介质层厚度的不同，即可利用飞行时间差表征待测表面均匀度。

2.2表面均匀度模型分析

本研究中，对样品的待测金属表面进行逐点检测，以获得各点的飞行时间差。利用各点飞行时间差提取均匀度表征模型，获得表面均匀度空间分布情况，绘制表面均匀度空间分布三维形貌图，分析金属表面均匀度。其中X、Y轴表示金属表面的空间位置，Z轴表示待测表面与基准面之间的空气介质层厚度，曲面形貌和色度变化反映样品待测金属表面均匀度。

3试验数据分析

3.1试验装置

试验装置采用德国Fraunhofer研究院的光纤耦合太赫兹光谱仪，该系统是高度集成的一体化系统，利用光电导天线产生并检测太赫兹脉冲，该THz-TDS系统脉冲宽度为0.1～4THz，信噪比>70dB，焦距65mm。利用上位机软件控制二维电控平移台与THz-TDS系统。图4为试验装置示意图。

3.2单点时域信号分析

试验在室温25℃、无尘的条件下进行，采用反射式THz-TDS系统对钢材表面进行单点检测，获得被测样品的单点太赫兹时域波形，如图5所示为三个不同检测点1～3的单点太赫兹反射时域波形。入射的太赫兹波首先到达金属基准面，发生第一次反射，太赫兹波接收器接收到第一个脉冲信号，称为主波信号，信号1出现在937.7044ps；信号2出现在937.6444ps；信号3出现在937.7344ps。之后，入射的太赫兹波到达待测表面，发生第二次反射，太赫兹波接收器接收到第二个脉冲信号，称为一次回波信号，信号1出现在957.3044ps；信号2出现在957.2794ps；信号3出现在957.2144ps。通过多次测量取平均值，得到信号1飞行时间差ΔT为19.6000ps；信号2飞行时间差ΔT为19.6350ps；信号3飞行时间差ΔT为19.4800ps；根据式（3）求得信号1单点空气介质层厚度d=2.9400mm；信号2单点空气介质层厚度d=2.9453mm；信号3单点空气介质层厚度d=2.9220mm。对于检测点信号1～3而言，飞行时间差ΔT均有所差异，由此可通过提取检测区域内各扫描点回波信号，计算全检测区域空气介质层厚度，进而表征基材表面均匀度。

3.3表面均匀度分析

金属基材作为涂层涂覆的载体，其表面均匀度影响涂层的使用性能，并决定涂层的服役寿命。因此，对金属基材表面均匀度的检测是涂覆前的必要环节，对于节约涂料和避免涂层过早失效有重要的意义。该试验模拟了涂覆前金属基材不均匀的表面条件。在无锈、均匀且无其他杂质的钢板表面进行了钻孔，钢板尺寸为100mm×100mm×15mm，孔的直径为2mm，深度3mm。孔底面由于人为加工，表面均匀度不一，试验样品如图6所示。

试验在室温25℃、无尘的条件下进行，采用反射式THz-TDS系统对钢材表面进行均匀度测量。对样品的待测金属表面进行逐点检测，以获得各点的飞行时间差。利用各点飞行时间差提取均匀度表征模型，获得表面均匀度空间分布情况，绘制表面均匀度空间分布三维形貌图，如图7所示。X、Y轴表示金属表面的空间位置，Z轴表示待测表面与基准面之间的空气介质层厚度，曲面形貌和色度變化反映样品待测金属表面均匀度。图中可直接反馈出金属表面均匀度的变化，从边缘蓝色区域到红色区域的形貌特征变化十分明显，表明红色区域空气介质层较厚，蓝色边缘处较薄。从色度的变化可以定量分析金属表面均匀度变化程度。试验所得空气厚度平均值为2.9427mm，最大空气层厚度为2.9655mm，最小空气层厚度为2.9220mm，根据式（4）和式（5）可知，此试验所测得的金属表面均匀度离散分布标准差SDu为10.2μm，表面均匀度分布极差Ru为43.5μm，说明该被测样品的表面均匀度较差。

4结论

采用THz-TDS系统分析金属表面均匀度具有高信噪比、高精度、无须接触检测，可远距离实时检测等优点，可用于涂覆前金属基材表面均匀度的实时检测，有利于节约涂料和避免涂层过早失效。本文针对金属基材表面均匀度进行检测，试验模拟了涂覆前金属基材表面特性，利用飞行时间差提取单点厚度模型，对钢材表面进行了逐点扫描检测，获得了表面均匀度空间分布情况，绘制了表面均匀度空间分布三维形貌图，由形貌特征直接观测到钢材表面均匀度，并提出一种利用标准偏差和极差评价钢材表面均匀度在空间中的离散分布和波动情况的方法。标准偏差和极差越小，表面均匀度越好。

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（责任编辑王昕）

作者简介

于淼（1995-）女，碩士研究生，助理工程师。主要研究方向：太赫兹科学与技术。

Tel：18626666308E-mail：902886408@qq.com

刘伟（1982-）女，博士，高级工程师。主要研究方向：特种传感技术、无损检测技术。

Tel：18510286413

E-mail：lw880623@126.com

王可心（1996-）女，硕士研究生。主要研究方向：太赫兹无损检测技术。

Tel：18503283972

E-mail：kexin960117@163.com

吴育衡（1997-）男，硕士研究生。主要研究方向：太赫兹无损检测技术。

Tel：18811322704

E-mail：wuyh@emails.bjut.edu.cn

满润昕（1997-）女，硕士研究生。主要研究方向：太赫兹无损检测技术。

Tel：17601507792

E-mail：manrunxin@163.com

Research on Metal Surface Uniformity Detection Based on Terahertz Time Domain Spectroscopy

Yu Miao1，*，Liu Wei1，Wang Kexin2，Wu Yuheng2，Man Runxin2

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Special Condition Monitoring Sensor Technology，AVIC Beijing Changcheng Aeronautic Measurement and Control Technology Research Institute，Beijing 101111，China 2. Beijing University of Technology，Beijing 100022，China

Abstract： In order to ensure the quality and service status of metal protective coatings， the surface pretreatment of metal substrates needs to be tested. In this paper， we use reflection terahertz time-domain spectroscopy to investigate the surface uniformity of metal substrates. The metal surface of the sample to be tested was tested point by point， and the difference in time of flight between each point of the metal to be measured and the reference surface was obtained. A uniformity characterization model was extracted. A three-dimensional topography of surface uniformity was drawn， and the spatial distribution of surface uniformity was obtained. A standard deviation method was proposed to evaluate the surface uniformity of steel. The results show that the accuracy of THz time-domain spectrum is up to 1μm， which is of great significance for saving coatings and avoiding premature coating failure.

Key Words： terahertz time-domain spectroscopy； non-destructive testing； time of flight； metal surface uniformity； three-dimensional topography