基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，包括飞秒激光器、第一反射镜、分束器、光学延迟线、第二反射镜、太赫兹发射器、第一抛物面镜、IR滤波器、样品台、太赫兹探测器、第三反射镜、第四反射镜、太赫兹时域系统控制器和计算机；还包括检测方法：分别采集太赫兹波透过空气和被测塑料薄膜的信号，设定塑料薄膜初始厚度，代入薄样品的太赫兹传输函数模型计算其折射系数，随后运用傅里叶变换将折射系数信号变换到准空间，并求准空间中信号幅度的峰值；不断修改厚度值，直至准空间信号幅度峰值达到最小，得出塑料薄膜的厚度；本发明专利技术能够解决目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题，可实时快速准确地检测塑料薄膜厚度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种塑料薄膜厚度检测装置及方法，具体是一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法，属于塑料薄膜的无损、快速检测领域。
技术介绍
目前，大多数塑料薄膜及涂覆产品的生产中还没有有效地进行在线监测的手段；甚至有的领域对于几十微米或者不到十微米的的薄膜的厚度检测仍然采用千分尺进行，这不可避免地将引入很大的测量和读数误差，造成测量精度较低。然而现在工农业生产的高速发展，对塑料薄膜的厚度测量提出了更高的要求，传统的测量方法已远远不能满足发展的需求，因此有必要寻找新的高精度在线测量方法。目前有学者采用基于电容传感器的方法进行薄膜的厚度检测，然而此方法容易受到生产线上各种干扰及温度的影响，测量精度仍有待提高；也有采用红外透射法进行薄膜厚度测量，红外透射法基于郎伯比尔定量进行厚度的测量，然而在进行测量的过程中需要两束单色红外光并行工作，而实际生产线的限制使得两束红外光不能同时照射在同一区域，因此厚度测量的准确性受到很大影响。太赫兹(1THz＝1012Hz)波通常是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波辐射，处于微波与红外光之间。太赫兹波技术具有以下特点：1)太赫兹时域光谱技术采用光脉冲取样探测方法，可以获得太赫兹波的瞬态电场，即同时得到幅度和相位信息；2)太赫兹辐射对陶瓷、塑料、干木片等很多物质透射率高，可以用于这些材料的质量控制；3)太赫兹辐射是一种非常安全的电磁辐射，频率为1THz的电磁波的光子能量只有4mev，是X射线的百万分之一，对人体危害极小，可以用于无损检测；4)利用太赫兹时域光谱技术可以获得亚皮秒、飞秒时间分辨率，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，信噪比可以达到1010；5)太赫兹波波长较长，受物质颗粒散射影响很小。太赫兹波对塑料等材料的高透射性，因此可广泛应用到塑料薄膜的无损、快速检测领域。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置及方法，能够解决目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题、以及克服传统方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，进一步实时快速准确的进行塑料薄膜厚度的检测。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，飞秒激光器发射激光经第一反射镜之后照射到分束器上，被分成两束，其中一束激光经光学延迟线和第二反射镜后照射到太赫兹发射器上产生太赫兹波，产生的太赫兹波经第一抛物面镜后被聚，透过IR滤波器后聚焦到样品台上，透过样品后被第二抛物面镜重新聚焦到太赫兹探测器上；另一束激光经第三反射镜和第四反射镜后透过第二抛物面镜上预留的小孔与第二抛物面镜聚焦后的太赫兹波共线地照射到太赫兹探测器上；太赫兹探测器的输出的信号经太赫兹时域系统控制器被传送到计算机进行进一步的数据处理；所述的计算机通过太赫兹时域系统控制器控制光学延迟线；所述太赫兹时域系统控制器通过一束调制激光控制IR滤波器。所述的太赫兹发射器和太赫兹探测器均为DSTMS有机晶体，分别基于DSTMS有机晶体的非线性产生和探测太赫兹波，其中，太赫兹发射器所产生的太赫兹波的频率范围0.1THz-12THz。所述的IR滤波器由太赫兹时域系统控制器产生的波长975nm、重复频率1KHz的激光调制，以配合太赫兹探测器中的锁相放大器采集太赫兹信号。一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测方法，包括以下步骤，1)使用上述检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的塑料薄膜的信号，作为时域的参考信号和样品信号，并分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱信号；2)建立太赫兹波与薄膜样品相互作用的太赫兹传输函数模型；3)根据被测塑料薄膜的厚度先验知识，确定待测样品厚度的变化范围[a,b]，并确定容许误差tol；4)若b-a＞tol，则继续步骤5)，否则塑料薄膜厚度跳转到步骤9)；5)确定初始的厚度搜索空间[a0,b0]，其中a0＝a，b0＝b，计算初始试探点p0＝a0+0.382(b0-a0)，q0＝a0+0.618(b0-a0)；首先将p0和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(p0)；然后将q0和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(q0)，并设置i:＝0；6)若peak(pi)≤peak(qi)转步骤7)，否则转步骤8)；7)计算左试探点：若|qi-ai|≤tol，令塑料薄膜的厚度z＝pi，转步骤9)；否则令ai+1:＝ai，bi+1:＝qi，qi+1:＝pi，pi+1:＝ai+1+0.382(bi+1-ai+1)，peak(qi+1):＝peak(pi)，将pi+1和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(pi+1)，并令i:＝i+1，转步骤6)；8)计算右试探点：若|bi-pi|≤tol，令塑料薄膜的厚度z＝qi，转步骤9)；否则令ai+1:＝pi，bi+1:＝bi，pi+1:＝qi，qi+1:＝ai+1+0.618(bi+1-ai+1)，peak(pi+1):＝peak(qi)，将qi+1和步骤1)获得的参考和样品的频域谱信号代入步骤2)建立的模型，求出折射系数，然后将折射系数做傅里叶变换，变换到准空间，并计算准空间中信号幅度的峰值peak(qi+1)，并令i:＝i+1，转步骤6)；9)停止计算，输出塑料薄膜厚度值z。本检测方法采用黄金分割算法进行迭代优化，每次迭代只需计算一次被优化函数的值。与现有的电容传感器薄膜厚度检测法和红外透射薄膜厚度检测法相比，本专利技术基于太赫兹波对塑料等材料的高透射性，从而保证太赫兹波对塑料薄膜厚度检测的灵敏度，此外基于薄膜样品与太赫兹波的相互作用模型可以很好的抑制多重反射造成的影响，同时避免了进行标定，解决了目前塑料薄膜厚度检测准确性较差的问题、以及克服了传统方法测量精度低、响应速度慢及易受环境影响等缺点，能够实时快速准确的进行塑料薄膜厚度的检测。附图说明图1是本专利技术原理示意图；图2是本专利技术太赫兹波与薄膜样品相互作用示意图。图中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，其特征在于，飞秒激光器(1)发射激光经第一反射镜(2)之后照射到分束器(3)上，被分成两束，其中一束激光经光学延迟线(4)和第二反射镜(5)后照射到太赫兹发射器(6)上产生太赫兹波，产生的太赫兹波经第一抛物面镜(7)后被聚，透过IR滤波器(8)后聚焦到样品台(9)上，透过样品后被第二抛物面镜(10)重新聚焦到太赫兹探测器(11)上；另一束激光经第三反射镜(12)和第四反射镜(13)后透过第二抛物面镜(10)上预留的小孔与第二抛物面镜(10)聚焦后的太赫兹波共线地照射到太赫兹探测器(11)上；太赫兹探测器(11)的输出的信号经太赫兹时域系统控制器(14)被传送到计算机(15)进行进一步的数据处理；所述的计算机(15)通过太赫兹时域系统控制器(14)控制光学延迟线(4)；所述太赫兹时域系统控制器(14)通过一束调制激光控制IR滤波器(8)。

【技术特征摘要】
1.一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，其特征在于，
飞秒激光器(1)发射激光经第一反射镜(2)之后照射到分束器(3)上，被分成两束，
其中一束激光经光学延迟线(4)和第二反射镜(5)后照射到太赫兹发射器(6)上产生太
赫兹波，产生的太赫兹波经第一抛物面镜(7)后被聚，透过IR滤波器(8)后聚焦到样品
台(9)上，透过样品后被第二抛物面镜(10)重新聚焦到太赫兹探测器(11)上；
另一束激光经第三反射镜(12)和第四反射镜(13)后透过第二抛物面镜(10)上预
留的小孔与第二抛物面镜(10)聚焦后的太赫兹波共线地照射到太赫兹探测器(11)上；
太赫兹探测器(11)的输出的信号经太赫兹时域系统控制器(14)被传送到计算机(15)
进行进一步的数据处理；
所述的计算机(15)通过太赫兹时域系统控制器(14)控制光学延迟线(4)；所述太
赫兹时域系统控制器(14)通过一束调制激光控制IR滤波器(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，其
特征在于，所述的太赫兹发射器(6)和太赫兹探测器(11)均为DSTMS有机晶体，分别基
于DSTMS有机晶体的非线性产生和探测太赫兹波，其中，太赫兹发射器(6)所产生的太赫
兹波的频率范围0.1THz-12THz。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测装置，
其特征在于，所述的IR滤波器(8)由太赫兹时域系统控制器(14)产生的波长975nm、重
复频率1KHz的激光调制，以配合太赫兹探测器(11)中的锁相放大器采集太赫兹信号。
4.一种基于太赫兹时域光谱技术的塑料薄膜厚度检测方法，其特征在于，包括以下步
骤，
1)使用权利要求1所述检测装置分别测量太赫兹波透过空气和被检测的塑料薄膜的信
号，作为时域的参考信号和样品信号，并分别作傅里叶变换，得到参考和样品的频域谱信
号；
2)建立太赫兹波与薄膜样品相互作用的太赫兹传输函数模型；
3)根据被测塑料薄膜的厚度先验知识，确定待测样品厚度的变化范围[a,b]，并确定容
许误差tol；
4)若b-a＞...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹丙花，范孟豹，李超，盛恒，任万磊，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32