利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统。本发明专利技术的方法包括：使太赫兹波垂直入射至非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第一和第二反射信号，接收第一和第二反射信号，获得两次反射信号的接收时间差ΔT1；使太赫兹波以角度θi入射至非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第三和第四反射信号，接收第三和第四反射信号，获得两次反射信号的接收时间差ΔT2，其中0°<θi<90°；根据接收时间差ΔT1和ΔT2，得到非金属材料的折射率n；根据非金属材料的折射率n，得到非金属材料的厚度d。本发明专利技术的方法能够直接测量非金属材料的折射率和厚度，测量的误差小，准确性高。

Method and system for measuring thickness of non-metallic materials by terahertz wave

The invention provides a method and a system for measuring the thickness of non-metallic materials by terahertz wave. The method of the invention includes: making the terahertz wave vertically to the surface of the nonmetallic material, the terahertz wave forms the first and second reflection signals through the surface and bottom reflection of the non-metallic material, receives the first and second reflection signals, and obtains the receiving time difference of the two reflection signal Delta T1; the terahertz wave is incident with angle theta I. To the surface of nonmetallic materials, the terahertz wave forms third and fourth reflection signals, respectively, through the surface and bottom reflection of non-metallic materials, receiving third and fourth reflection signals, and obtaining the receiving time difference of two reflection signals Delta T2, of which 0 degrees < theta i< 90 degrees; the non metal materials are obtained according to the receiving time difference Delta T1 and delta T2. The refractive index is n. According to the refractive index n of non-metallic materials, the thickness of non-metallic material D is obtained. The method of the invention can directly measure the refractive index and thickness of non-metallic materials, and has small error and high accuracy.

【技术实现步骤摘要】
利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统
本专利技术涉及一种厚度测量方法，具体涉及一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统。
技术介绍
太赫兹波是频率为0.1THz～10THz的电磁波，其波长大致为0.03mm～3mm，波段介于微波与红外光之间。近年来，超快激光技术的迅速发展为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到了蓬勃发展。目前，传统的基于太赫兹原理的厚度测量方法通常是在已知样品折射率的基础上进行的，其对材料进行一次测量从而获取两个反射信号之间的接收时间差，再结合该接收时间差和已知的折射率来计算材料的厚度，然而该方法无法在材料折射率未知时对材料的厚度进行测量。为了克服上述缺陷，存在一种使用反向计算的方法，其通过对厚度已知的标准样品进行一次测量从而得到两次反射信号之间的接收时间差，再通过该接收时间差反向计算出样品的折射率；随后，通过对同种样品材料进行一次测量获得的两个反射信号之间的接收时间差以及上述反向计算出的折射率来得到材料的厚度，然而该方法存在因不同材料具有折射率差异等因素从而导致的测量误差。
技术实现思路
本专利技术提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法和系统，其能够直接测量非金属材料的折射率和厚度，从而避免了因不同材料具有折射率差异等因素导致的测量误差，保证了测量结果的准确性。本专利技术提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法，其中，所述非金属材料具有表面和底面，所述方法包括如下步骤：使太赫兹波垂直入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第一反射信号和第二反射信号，接收第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差ΔT1；使太赫兹波以角度θi入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第三反射信号和第四反射信号，接收第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差ΔT2，其中0°&lt;θi&lt;90°；根据接收时间差ΔT1和接收时间差ΔT2，得到所述非金属材料的折射率n；根据所述非金属材料的折射率n，得到所述非金属材料的厚度d。本专利技术的方法通过不同的入射角度θi对非金属材料进行两次测量，从而能够直接得到同一非金属材料的折射率和厚度，该方法既能够在材料折射率未知的情况下进行测量，还能够避免因不同材料具有折射率差异等因素导致的测量误差，保证了测量结果的准确性。具体地，在第一次测量时，太赫兹波垂直入射至所述非金属材料的表面(即角度θi＝0°)，此时，太赫兹波经所述非金属材料的表面反射形成第一反射信号；同时，太赫兹波透过所述非金属材料的表面并在其底面反射从而形成第二反射信号；在接收第一反射信号和第二反射信号并获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差ΔT1后，可以根据太赫兹波传播理论得到第一次测量厚度，即：公式(1)中：d为非金属材料的厚度；c为真空中的光速(即太赫兹波在真空中的速度)；n为非金属材料的折射率，ΔT1为第一次测量的接收时间差。在第二次测量时，太赫兹波以角度θi(0°&lt;θi&lt;90°)入射至所述非金属材料的表面，此时，太赫兹波经所述非金属材料的表面反射形成第三反射信号；同时，太赫兹波经所述非金属材料的表面折射后再经其底面反射从而形成第四反射信号；在接收第三反射信号和第四反射信号并获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差ΔT2后，可以根据太赫兹波传播理论得到第二次测量厚度，即：公式(2)中：d为非金属材料的厚度；c为真空中的光速；n为非金属材料的折射率，θi为第二次测量的入射角度，ΔT2为第二次测量的接收时间差。鉴于上述第一次测量和第二次测量针对同一非金属材料进行，即第一次测量的厚度与第二次测量的厚度相同，因此通过上述公式(1)和公式(2)能够得到所述非金属材料的折射率n，即：进一步地，将上述公式(3)代入公式(1)能够得到所述非金属材料的厚度d，即：在本专利技术中，可以理解的是，待测定的非金属材料为具有一定厚度的材料；本专利技术的方法对非金属材料的厚度均一性无严格要求，既可以测定厚度均一的非金属材料的厚度，也可以测定厚度不均一的非金属材料上的某一位置的厚度。具体地，在测定厚度均一的非金属材料的厚度时，本专利技术对所述垂直入射(即第一次测量)和以角度θi入射(即第二次测量)时太赫兹波的发射距离(即太赫兹波发射源与入射点之间的距离)以及入射至所述非金属材料表面的位置(即入射点)不作严格限制；优选地，可以使太赫兹波以相同发射距离入射至所述非金属材料表面的同一位置，测量结果更加精确。在测定厚度不均一的非金属材料上的某一位置的厚度时，应当使太赫兹波在第一次测量和第二次测量时以相同发射距离入射至所述非金属材料表面的同一位置，以便精确测量非金属材料该位置处的厚度。本专利技术对测量所使用的太赫兹波无严格限定，可以为常规的太赫兹波，其频率可以为0.1THz～10THz，波长可以为0.03mm～3mm。本专利技术对所述非金属材料的厚度无严格限定，非金属材料的厚度可以为0.5mm～50mm。本专利技术对第二次测量时太赫兹波的入射角度θi不作严格限制，只要使0°&lt;θi&lt;90°即可；进一步地，角度θi可以为30°～60°。本专利技术对太赫兹波的发射距离不作严格限制，可以设置为常规的发射距离，例如可以设置为10cm～30cm。本专利技术对待测定的非金属材料不作严格限制，例如可以为聚乙烯、玻璃纤维、碳纤维、硅片、胶层、橡胶、纸板等；此外，本专利技术对待测定的非金属材料的形状不作严格限制，非金属材料可以为管状、片状、层状等。本专利技术还提供一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的系统，包括太赫兹波发射装置、太赫兹波接收装置、样品固定台和轨道，所述太赫兹波发射装置滑设在所述轨道上并且能够向置于所述样品固定台上的非金属材料发射太赫兹波，所述太赫兹波接收装置滑设在所述轨道上并且能够接收自所述非金属材料反射的太赫兹波信号。在本专利技术中，太赫兹波发射装置用于发射太赫兹波，其可以为本领域的常规装置；可以理解的是，太赫兹波发射装置的发射源应当朝向所述样品固定台，从而便于使太赫兹波发射装置发射的太赫兹波入射至置于所述样品固定台上的非金属材料的表面。在本专利技术中，太赫兹波接收装置用于接收自非金属材料反射的太赫兹波信号以获取不同反射信号之间的接收时间差，其可以为本领域的常规装置。本专利技术对太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置的设置方式不作严格限制；太赫兹波发射装置与太赫兹波接收装置既可以设置为两个独立的装置，也可以设置为一个集成装置；在能够实现各自功能的前提下，可根据实际情况合理设置。在本专利技术中，样品固定台用于固定待测量的非金属材料，其可以为本领域的常规结构。在本专利技术中，轨道用于支持太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置滑动，从而便于太赫兹波发射装置发射的太赫兹波以不同的角度θi入射至非金属材料的表面，同时便于太赫兹波接收装置良好地接收自非金属材料反射的太赫兹波信号。可以理解的是，在第一次测量时，太赫兹波发射装置和太赫兹波接收装置可以分别设置在非金属材料的法线位置，此时太赫兹波发射装置发射的太赫兹波能够垂直入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法，其特征在于，所述非金属材料具有表面和底面，所述方法包括如下步骤：使太赫兹波垂直入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第一反射信号和第二反射信号，接收第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差ΔT1；使太赫兹波以角度θi入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第三反射信号和第四反射信号，接收第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差ΔT2，其中0°<θi<90°；根据接收时间差ΔT1和接收时间差ΔT2，得到所述非金属材料的折射率n；根据所述非金属材料的折射率n，得到所述非金属材料的厚度d。

【技术特征摘要】
1.一种利用太赫兹波对非金属材料的厚度进行测量的方法，其特征在于，所述非金属材料具有表面和底面，所述方法包括如下步骤：使太赫兹波垂直入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第一反射信号和第二反射信号，接收第一反射信号和第二反射信号，获得第一反射信号与第二反射信号的接收时间差ΔT1；使太赫兹波以角度θi入射至所述非金属材料的表面，太赫兹波经非金属材料的表面和底面反射分别形成第三反射信号和第四反射信号，接收第三反射信号和第四反射信号，获得第三反射信号与第四反射信号的接收时间差ΔT2，其中0°&lt;θi&lt;90°；根据接收时间差ΔT1和接收时间差ΔT2，得到所述非金属材料的折射率n；根据所述非金属材料的折射率n，得到所述非金属材料的厚度d。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下述公式得到所述非金属材料的折射率n，3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据下述公式得到所述非金属材料的厚度d，

【专利技术属性】
技术研发人员：俞跃，郝元，王强，
申请(专利权)人：中国特种设备检测研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11