太赫兹时域系统用于复合材料无损检测的使用建议书.doc

. . . .编 号 密 级 内部 阶段标记 太赫兹时域光谱系统用于复合材料无损检测的使用建议书西安方元明科技发展有限公司2014年05月29日西安方元明科技发展有限公司2012年02月29日太赫兹时域光谱系统用于复合材料无损检测的使用建议书1.概述32. 国内外太赫兹时域光谱系统的现状介绍32.1太赫兹无损检测技术概述32.2国外太赫兹时域光谱系统的发展现状32.3国内太赫兹时域光谱系统的发展现状43. 产品介绍43.1 工作原理43.2实现功能53.3技术参数53.4使用条件64. 产品优势64.1太赫兹技术应用于无损检测的优势64.2 T-Gauge太赫兹时域光谱系统的优势75. 必要性分析76. 费效比分析87. 应用案例97.1太赫兹时域光谱系统应用于航天飞机复合材料无损检测97.2 太赫兹时域光谱系统应用于雷达天线罩复合材料无损检测101. 概述 本建议书通过介绍太赫兹时域光谱系统的国内外技术现状、工作原理、技术参数、使用条件、案例等，说明了太赫兹时域光谱系统在复合材料无损检测中的优势和必要性。2. 国内外太赫兹时域光谱系统的现状介绍2.1太赫兹无损检测技术概述太赫兹波指频率在0.1THz-10.0THz（30um-3mm）范围的电磁波。因此它具有很多优异的性质。具有特别的穿透力，能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，还可以无损穿透墙壁、沙尘烟雾，使得其能在某些特殊领域发挥作用。探测安全性高，太赫兹光子能量小，只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。抗背景噪声干扰能力强，太赫兹具有很高的空间分辨率和时间分辨率。利用取样测量技术，太赫兹探测器能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。大容量、高保密的宽带信息载体。太赫兹波的频带宽、测量信噪比高，适合于大容量与高保密的数据传输，而且太赫兹波处于高载波频率范围，是目前手机通信频率的1000倍左右，可提供10GB/s的无线传输速率。正因为太赫兹波具有这些特点， 被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。利用太赫兹波对大部分干燥、非金属、非极性材料(如泡沫、陶瓷、玻璃、树脂、涂料、橡胶和复合物等)有较好的穿透能力，并结合各种成像技术，就可以对材料中的缺陷进行检测，因此无损检测正成为太赫兹技术的主要应用之一。作为一种新兴的亚表面定量检测技术，太赫兹无损检测广泛适用于航天飞机外挂燃料箱防热材料、泡沫夹芯雷达天线罩板块等多种材料与结构的检测。它的研究对于确保这些构件的安全可靠使用具有重要意义，国外多家政府机构、高等院校和公司都对该技术给予了很大关注, 有关的新理论、新方法和新应用不断涌现。在太赫兹无损检测中, 通常采用已知波形的太赫兹辐射照射被测物体，太赫兹波与被测物体相互作用后在辐射源处或其附近被接收，利用物体的介电性质或者物体中的不连续性对太赫兹信号的影响，通过测定并分析太赫兹信号的改变从而得到该物体的内部结构。目前，国内外使用太赫兹时域光谱(TDS)技术作为太赫兹无损检测的实现手段，下文将对太赫兹时域光谱系统做详细介绍。2.2国外太赫兹时域光谱系统的发展现状国外太赫兹技术研究成果已经商业化，国际上生产并销售太赫兹时域光谱系统的厂家主要集中在欧美国家，例如TeraView公司、美国API公司、美国Zomega公司等，目前美国API公司生产的T-Gauge太赫兹时域系统带宽为0.02-2THz,输出频率可以达到1kHz，是世界上速度最快的时域太赫兹系统，该系统可实现移动中的测量，已经用于无损检测，工业在线质量控制，安检成像等应用中。2.3国内太赫兹时域光谱系统的发展现状中国太赫兹技术及研究起步稍晚，目前处于实验室研发阶段，也有应用型的产品问世。国内太赫兹技术主要侧重于THz产生源和THz探测这两个方面的研究。例如苏州纳米所2012年底研制出太赫兹探测器，中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室（四室）太赫兹器件研究组研制出的太赫兹肖特基二极管和应用于太赫兹频段的石英电路，性能与国际同类产品相当。但是国内还没有太赫兹时域光谱系统的商业化产品，这也是国内太赫兹技术需要攻克的技术难题之一。3. 产品介绍3.1 工作原理图1：T-Gauge太赫兹时域光谱系统（控制器、电缆、探头）T-Gauge（T-Ray5000）太赫兹时域光谱系统使用一个紧凑型传感器技术计量基础重量、密度、钳厚度、分层厚度和水分。TCU5200脉冲太赫兹控制器是T-Gauge时域太赫兹系统的核心。控制器集成了超短脉冲激光、高速延迟线和数据采集电路，可以获得10ms波形采集时间，TCU5000是速度最快、功能最齐全的时域太赫兹系统。控制单元发送准确的控制光学信号到发射头和接收头上，使发射头和接收头产生并接收太赫兹信号，被测量的太赫兹信号以1khz的速度被处理并输出。通过使用超短脉冲飞行时间TOF来进行测量检测，T-Gauge系统可以更好地适应环境，并且对更多种类的金属和类金属物质进行检测和分析。T-Gauge的放射性功率非常低，具备超大检测能力的同时不含有对人体有害的放射和环境污染，在使用安全上无电离辐射。3.2实现功能一台T-Gauge太赫兹时域光谱系统内部集成了超快激光器、高分辨率高速波形扫描仪以及独立的数据采集系统。通过扫描复合材料，可以很容易在电脑上得到复合材料的分层和水侵入等缺陷的太赫兹成像，并做出及时修补复合材料缺陷的措施。 图2：雷达天线罩 图3：检测出雷达天线罩玻璃纤维和泡沫结构复合材料的分层斑点3.3技术参数参数规格备注带宽0.02 to 2THz3THz可选偏振消光比20:1信噪比70 dB频率快速扫描范围320 ps快速扫描速率100 Hz1000Hz有效外部监测接口DVIA/D动态范围16 Bit电流要求4 Amp110V,60Hz尺寸17.5x22x7 inchesW x D x H重量16 kg353.4使用条件T-Gauge系统是便携式系统，拉杆式，通过电缆连接，可移动，在使用时根据客户需求选择相应的电缆长度，电缆长度有2m，5m，10m，20m，30m。4. 产品优势4.1太赫兹技术应用于无损检测的优势太赫兹检测与其他无损检测技术相比，在检测非金属材料内部缺陷方面具有独特优势。l 太赫兹波可以穿过不透明的材料，检测到可见光探测不到的内部缺陷。它还可以用于绝热材料，对于这种材料热成像失效。l 和X射线相比，它对人体不构成辐射危害，还能为软材料提供更好的对比度。l 与超声波相比，它可以根本不接触物体表面便实现成像，而且在有些材料中声波极度衰减，太赫兹波对于这些材料却适用。l 太赫兹检测和微波检测比较起来有许多共同之处，比如太赫兹辐射和微波都能够穿透非金属材料、从金属材料反射，两种技术的工作方式也类似；但二者之间存在着一些重要的区别。首先，太赫兹成像一般工作在100GHz3THz频段，微波成像处于4090GHz频段，太赫兹成像更高的频率提高了理论上的最大分辨率（分辨率高1050倍），从而能够检测到微波技术不能分辨的小缺陷；第二，脉冲太赫兹方法产生具有很宽频带的脉冲，而不像连续波微波系统那样单一的频率。太赫兹成像的短脉冲消除了会困扰微波连续波技术的距离模糊和驻波图，并且这种方法为比较高级的信号处理技术留有应用的空间。4.2 T-Gauge太赫兹时域光谱系统的优势l 有更紧凑的封装，易于客户集成。l 配对的光纤耦合传感探头，光纤耦合模块允许可自由定位的太赫兹传感器头放在距离系统30米远的地方，甚至可以安装在扫描台上，用于成像。l 集成的数据处理器。l 集成前置触摸面板，方便操作。l 可产生处理后或原始数据。l 单线缆连接收发头。l 多传感探头有效选项，客户可根据自己的需要进行选择。l 可数字输入进行数据标记。5. 必要性分析所谓复合材料就是由两种或者两种以上的不同物质再通过不同的方式而组合的材料，这种复合材料可以发挥不同材料的特点，同时也可以解决单一材料所存在的缺陷，从而提高了材料的使用。一般复合材料的特点都是具有较轻的重量、较高的强度，并且在加工时极易成型，具有弹性优良等特点，所以它已经逐渐代替了金属合金以及木材等，主要应用在电子、汽车以及航空航天、建筑等广泛的领域当中，尤其在近些年得到了更为快速的发展。但是，因为复合材料的各项异性，会在制造工艺中存在不稳定的现象，所以也会造成某些缺陷的产生，尤其在使用过程中，会因为撞击、疲劳等一些化学因素的影响，极易对复合材料产生缺陷，因此，检测技术就显得尤为重要了，同时在检测的方法当中无损检测的发展研究更是具有非常重要的作用。无损检测技术是一种不破坏零件或材料，可直接在现场进行检测的技术。目前最常用的无损检测方法主要有5 种：超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测和涡流检测。不同的方法有不同的特点，适用于不同的场合、材料和工件。太赫兹波能够透过泡沫、陶瓷、塑料、高分子复合材料、磁性材料等这些可见光与红外波、甚至超声波都无法透过的材料。传统的射线检测法中使用的X 射线和射线，不仅对上述材料几乎是透明的，而且对其中的缺陷( 如孔洞、夹渣、错位、裂缝等) 也是几乎透明的，因此难以对孔洞和夹渣等缺陷进行清晰成像，无法实现无损检测。太赫兹波对这些材料是半透明的，可以实现无损检测。美国哥伦比亚航天飞机失事后，美国航天局成功开发了对航天飞机绝热泡沫的无损检测，能够发现其中的孔洞与夹渣。此外，用于航天等领域的新材料，如高分子复合材料，将其作为涂层时，它与衬底的涂覆质量，用以往的方法几乎无法进行无损检测。太赫兹波能够对这些材料实现无损检测，评估其涂覆质量、脱黏状况和涂层厚度。6. 费效比分析在复合材料结构的生产过程中，为了确定其技术指标是否达到设计要求，在生产的各个环节中，都会通过不同的无损检测手段来检验产品质量，以确保产品的最终质量。其中有些方法也被移植应用于外场的检测，这些方法包括目视法、敲击法、声阻法、声谐振法、超声检测技术、射线检测技术等。目视法 目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。主要借助放大镜和内窥镜观测结构表面和内部可达区域的表面，观察明显的结构变形、变色、断裂、螺钉松动等结构异常。它可以检查表面划伤、裂纹、起泡、起皱、凹痕等缺陷；尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷和定位，如夹杂、气泡、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。 敲击法 敲击检测是胶接结构的最快捷和有效的检测方法之一，被广泛地应用于蜂窝夹芯结构、板板胶接结构的外场检测，检测速度快，准确性高。敲击检测分为：硬币敲击（Coin Tapping）；专用工具敲击，如空中客车公司推荐的敲击工具PN98A57103013;自动敲击检测工具，如日本三井公司生产的电子敲击检测仪WP-632 .声阻法 声阻仪是专为复合材料板-板胶接结构件与蜂窝结构件的整体性检测发展起来的便携式检测仪器。声阻法就是利用声阻仪，通过蜂窝胶接结构粘接良好区域与粘接缺陷区的表面机械阻抗有明显差异这一特点来实现检测的，主要用于检测铝制单蒙皮和蒙皮加垫板的蜂窝胶接结构的板芯分离缺陷检测。 它能检测结构件的脱粘缺陷，不能检测机械贴紧缺陷。声阻法被国内的西飞公司生产中粘接质量检测和美国波音公司飞机蜂窝部件的外场检测广泛采用。此方法操作简单，效果良好，能满足设计和使用要求。 声谐振法 声谐振法是利用胶接检测仪，通过声波传播特性的测试实现对胶接结构的无损检测。适用于检测曲率半径在500mm以上的金属蜂窝胶接结构，能检测单侧蒙皮和带垫板的金属蜂窝结构的脱粘缺陷。该方法被国内外的多家制造企业和航空公司作为外场检测的手段和规范。 超声检测技术 超声检测法是无损检测最主要的手段之一，主要包括脉冲反射法、穿透法、反射板法等，它们各有特点，可根据材料结构的不同选用合适的检测方法。 超声检测技术，特别是超声C扫描，由于显示直观、检测速度快，已成为飞行器零件等大型复合材料构件普遍采用的检测技术。由于大型超声C扫描系统需要喷水耦合，且多数为超声穿透法检测，只能在大的检测实验室进行。而使用中的飞机复合材料部件多为中空结构，超声穿透法对其无能为力。因而外场的复合材料超声检测多数为传统的人工超声波A扫描检测。 人工超声波A扫描检测可以逐点覆盖检测结构件的所有检测面，设备简单，实施方便；缺点是检测可靠性低，主要取决于检测者的技术水平和敬业精神。 射线检测技术 对于复合材料结构而言，射线检测仍然是最直接、最有效的无损检测技术之一，特别适合于检测纤维增强层板结构中的孔隙和夹杂等体积型缺陷和夹芯结构中的芯子变形、开裂、发泡胶发泡不足以及镶嵌物位置异常等缺陷的检测。射线检测对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性，但对复合材料结构中的分层缺陷不敏感。该方法被国内外的军方和多家航空公司作为外场检测的手段和规范。太赫兹技术具有光子能量小，不损害被检测材料等特点，被美国纽约州伦塞勒工学院太赫兹研究中心证实在无损检测中与其他方法相比，其效果最好。而且一套T-Gauge太赫兹时域光谱系统的价格为25万30万，只需要连接一台电脑就可以对复合材料的损坏情况进行监控，提高工作效率，因此费效比相比其它检测高。7. 应用案例7.1太赫兹时域光谱系统应用于航天飞机复合材料无损检测2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机事故经过调查被归因于燃料箱泡沫绝热中缺陷引起的泡沫材料分离。泡沫在太赫兹频带具有很低的吸收系数和折射率，因此，太赫兹波有可能穿过厚的泡沫材料并检测到深藏其中的缺陷，美国宇航局开始把太赫兹技术应用于航天飞机法神之前外挂箱绝热泡沫的质量控制。自从2003年美国哥伦比亚号航天飞机失事以后，美国宇航局开始使用Picometrix公司生产的太赫兹产品QA1000进行航天飞机外挂燃料箱的泡沫材料的无损检测，探测泡沫材料的缺陷。使用Picometrix公司QA1