利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置的制作方法

本實用新型涉及利用太赫茲波進行無損檢測這一技術領域，具體而言，涉及一種利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置。

背景技術：

隨著科技的發展，越來越多的絕緣材料被應用于航空航天、高壓電力輸運等關乎國家安全和民生的大工程中。該類材料的質量關乎整套大系統的可靠運行，但是，由于制造工藝的原因，這類材料內部往往會存在或多或少的氣泡或其他缺陷，從而影響了材料的性能并造成安全隱患。

對于層狀絕緣材料內部的缺陷檢測，特別是航空航天等關鍵領域，現行的X射線技術對于薄層狀材料對比度差，同時對使用人員存在一定程度的輻射傷害；紅外技術對大部分絕緣材料無法穿透，無法檢測內部缺陷；熱波技術不適用于絕熱材料；微波技術由于波長的衍射極限限制，只適合檢出厘米級大小的缺陷，而通常大部分絕緣材料中的缺陷在毫米量級，無法滿足要求；超聲掃描成像技術能夠檢出缺陷，但是必須將樣品放置在耦合劑中，例如放置在水中，并且對于比較柔軟的絕緣材料，耦合效率低。

近年來發展的三維太赫茲成像技術有飛行時間成像、計算機輔助層析成像、衍射層析成像、菲涅耳透鏡成像、全息成像和調頻連續波反射成像等方法。飛行時間成像可以給出物體表面形貌或不同層面的三維結構，但它無法顯示物體內部非層狀的結構分布。計算機輔助層析成像中，太赫茲波焦點的直徑需要小于層析成像所要求的空間分辨率，而其焦深需要大于被成像物體的尺寸，且計算機輔助層析成像無法對金屬等材料進行透視研究。衍射層析成像中，低頻區域的像的空間頻率較低，而在高頻區成像使用的太赫茲波信噪比較低，所以在低頻區和高頻區都存在質量較差的問題。菲涅耳透鏡三維成像的橫向分辨率受成像系統的衍射限制，縱向分辨率受載波的光譜分辨率的限制；另外，待測物體的兩個物平面的間距大于成像系統的景深，才能使得各自的像不發生互相干擾，因此，成像質量也受成像系統的景深的影響。三維全息術不能對很復雜的目標成像，也不能提取物體的光譜信息，在任何情況下它都不能提供重建目標的準確的折射率數據。

技術實現要素：

本實用新型提供一種利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置，以在不損壞層狀絕緣材料的情況下對其內部的缺陷進行檢測。

為了達到上述目的，本實用新型提供了一種利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置，包括：太赫茲發射源、兩個透鏡、太赫茲探測器、二維掃描裝置和成像處理裝置，其中：

所述太赫茲發射源用于發射頻率范圍在325GHz～500GHz之間變化的連續調頻太赫茲波，所述太赫茲發射源發射的太赫茲波由325GHz變化至500GHz的周期為t_s；

兩個透鏡均為準直透鏡并且平行設置在所述太赫茲發射源與一待測樣品之間，用于將所述太赫茲發射源發射的太赫茲波會聚至所述待測樣品的表面，太赫茲波在所述待測樣品表面發生發射；

所述太赫茲探測器設置在所述太赫茲發射源的下端，其內部具有一頻率為定值的本振信號，在所述待測樣品表面反射后的太赫茲波再次經過兩個透鏡后由所述太赫茲探測器接收并與其內部的本振信號混頻后得到一中頻信號；

所述二維掃描裝置用于控制所述太赫茲發射源在距離待測樣品表面的一設定距離處以設定的掃描精度對所述待測樣品的表面進行掃描，所述二維掃描裝置在每一掃描位置處停留的時間為Nt_s,其中N為大于等于1的整數，所述二維掃描裝置定義與所述待測樣品表面平行的表面為x-y平面以及定義與x-y平面垂直的方向為z方向；

所述成像處理裝置與所述太赫茲探測器連接，所述成像處理裝置用于接收所述中頻信號并對其進行處理，以得到對應其中一個掃描位置的一維成像數組，當所述二維掃描裝置控制所述太赫茲發射源遍歷所述待測樣品表面的所有掃描位置之后，得到的多個一維成像數組構成一三維成像數據陣列，所述成像處理裝置根據該三維成像數據陣列輸出與該待測樣品對應的x-y方向成像圖、x-z方向成像圖和y-z方向成像圖。

在本實用新型的一實施例中，所述待測樣品為層狀絕緣材料。

在本實用新型的一實施例中，所述二維掃描裝置的掃描精度為0.5mm。

在本實用新型的一實施例中，t_s為240微秒。

在本實用新型的一實施例中，N的值為50～300。

在本實用新型的一實施例中，本振信號的頻率為13.530GHz～20.822GHz。

在本實用新型的一實施例中，本振信號的頻率為10.833GHz～16.667GHz。

本實用新型提供的利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置通過對比太赫茲波強度和相位信息，重構缺陷在材料中的大小、位置和深度，非常適合檢測絕緣材料內部的缺陷，能夠以非接觸方式并在不破壞、不拆卸、不關機的情況下檢測絕緣層內部是否存在氣泡缺陷，對進一步評估材料質量對整體系統安全性的影響提供方法和數據支持。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型提供的利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置的結構示意圖；

圖2a～圖2d為本實用新型一實施例的待測樣品不同深度處的x-y方向成像圖。

附圖標記說明：1-太赫茲發射源；2-透鏡；3-太赫茲探測器；4-二維掃描裝置；5-成像處理裝置；6-待測樣品；

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

圖1為本實用新型提供的利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置的結構示意圖，如圖所示，本實用新型提供的利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置包括：太赫茲發射源1、兩個透鏡2、太赫茲探測器3、二維掃描裝置4和成像處理裝置5，其中：

太赫茲發射源1用于發射頻率范圍在325GHz～500GHz之間變化的連續調頻太赫茲波，太赫茲發射源1發射的太赫茲波由325GHz變化至500GHz的周期為t_s；

兩個透鏡2均為準直透鏡并且平行設置在太赫茲發射源1與一待測樣品6之間，用于將太赫茲發射源1發射的太赫茲波會聚至待測樣品6的表面(此時太赫茲波不經過太赫茲探測器3)，經過兩個透鏡2后的太赫茲波變為準直信號并且該準直信號與待測樣品6垂直，太赫茲波在待測樣品6表面發生發射；

太赫茲探測器3設置在太赫茲發射源1的下端，其內部具有一頻率為定值的本振信號，在待測樣品6表面反射后的太赫茲波再次經過兩個透鏡2后由太赫茲探測器3接收并與其內部的本振信號混頻后得到一中頻信號；

二維掃描裝置4用于控制太赫茲發射源1在距離待測樣品6表面的一設定距離處以設定的掃描精度對待測樣品6的表面進行掃描，二維掃描裝置4在每一掃描位置處停留的時間為Nt_s,其中N為大于等于1的整數，二維掃描裝置4定義與待測樣品6表面平行的表面為x-y平面以及定義與x-y平面垂直的方向為z方向；

成像處理裝置5與太赫茲探測器3連接，成像處理裝置5用于接收中頻信號并對其進行處理，以得到對應其中一個掃描位置的一維成像數組，當二維掃描裝置4控制太赫茲發射源1遍歷待測樣品表面的所有掃描位置之后，得到的多個一維成像數組構成一三維成像數據陣列，成像處理裝置5根據該三維成像數據陣列輸出與該待測樣品6對應的x-y方向成像圖、x-z方向成像圖和y-z方向成像圖。

一維成像數組是按照設定的時間窗口寬度(最大時間窗口寬度為t_s)和時間間隔進行數據采集的。進入太赫茲探測器3的信號有兩個，一個是固定振幅和頻率的本振信號，由于傳播路程不變，因此到達太赫茲探測器3的時間也不變，該信號可以用一個振幅相位頻率不變的正弦函數描述，另一個是太赫茲發射源1發出并經過待測樣品6反射到太赫茲探測器3，同樣也可以用一個正弦函數描述，只不過這個正弦函數的振幅隨著待測樣品6不同位置的反射率變化，頻率是周期變化的。兩個正弦信號在太赫茲探測器3中進行相干疊加，會出現合頻項和差頻項，根據實際物理意義，利用低通濾波器保留差頻項。由于本振信號都是不變的，因此差頻項的幅值正比于反射點的反射率，差頻項的頻率值，也就是頻率差正比于電磁波從反射點到達太赫茲探測器3的時間，同時正比于反射點到太赫茲探測器3的路程。因此太赫茲探測器3輸出的頻率差就可以轉化為距離單位(深度單位)，做為橫坐標，太赫茲探測器3輸出的振幅值作為縱坐標。

在本實用新型中，待測樣品6可以為層狀絕緣材料，也可以為其他材料，也即，使用本實用新型能夠在不損壞材料本身的情況下對多種材料內部的缺陷進行檢測。

其中，二維掃描裝置4的掃描精度可以設為0.5mm，即在待測樣品6表面每0.5mm×0.5mm的面積上掃描一次。

其中，太赫茲發射源1發射的太赫茲波由325GHz變化至500GHz的周期為t_s可以為240微秒，也可以設置為其他數值，可以根據實際檢測需要而定。

其中，N的值可以為50～300，也即，在待測樣品6表面的每一掃描位置處掃描的次數為50～300次，也可以設置為其他數值，可以根據實際檢測需要而定。

本實用新型中使用的本振信號的頻率為13.530GHz～20.822GHz，也可以為10.833GHz～16.667GHz，可以根據實際檢測需要而定。

圖2a～圖2d為本實用新型一實施例的待測樣品不同深度處的x-y方向成像圖，從連續成像得到的201張不同層面的圖中獲取其中有典型性的4張。圖2a～圖2d對應不同的深度處，從整體的成像結果來看，圖中呈現出的大大小小的亮斑即為待測樣品6中的氣泡缺陷。這些缺陷具有不同的形狀、不同的大小，并且無規律地分布在待測樣品6中。圖中用圓圈標記出的缺陷為較大的缺陷。這些缺陷為環形亮斑，其長度及寬度約為2mm，相比于那些細小的白色光點，這些缺陷顯得十分耀眼。這些大的氣泡缺陷是待測樣品6應用時的主要隱患，若缺陷的體積過大，會導致材料結構不穩定，在強烈沖擊下甚至會有解體的危險，對使用者造成不可挽回的經濟損失，甚至嚴重危害人身安全。圖中的白色光點與上述環形亮斑相比，體積明顯縮小。從圖中可以看出，這些白色光點的數量明顯要多于環形亮斑，但是由于它們的體積十分微小，所以并不會對待測樣品6的性能造成較大影響，屬于缺陷的合理范圍內。在圖中，我們還能看出一條白色與黑色相間的條紋，這是由干涉產生的條紋，并不屬于材料的缺陷。但是這些明條紋如果太過密集，會對結果造成嚴重的干擾，不易觀察分析缺陷的信息，目前干涉條紋的問題還很難解決。

下面具體分析每幅圖呈現出來的信息：

(1)當探測相對深度為12/201時(如圖2a所示)，可以看到，待測樣品6的左上角有一個明顯的環形亮斑，此處即為待測樣品6中的大缺陷，將這個缺陷標記為缺陷1。在這個層面中，除了上述提到的大缺陷外，其他部分并未發現明顯大缺陷(結果中黑白相間的波紋是系統的干涉條紋)。

(2)當探測相對深度為58/201時(如圖2b所示)，可以看到在這個層面中，右下角多出了一個明顯的大缺陷，將其標記為缺陷2，而上述提到的缺陷1仍然存在。與圖2a中相比，缺陷1的形狀、大小發生了變化。這就體現了太赫茲成像分層檢測的結果。上述實驗表明，在12/201和58/201兩個不同的深度處，缺陷1的形狀不同，我們可以推測這個缺陷可能是某個不規則的幾何體。缺陷2的出現說明了待測樣品6中的缺陷可能無規則分布在各個層面中，使用本實用新型則可以清楚的將這些隱藏在深處的缺陷掃描出來，并在深度方向對其進行定位。除了以上兩個明顯的缺陷，實驗結果還顯示在缺陷2的右邊出現了一塊模糊的區域，這時我們無法斷定其是否為缺陷，暫時將他命名為假定缺陷3。

(3)當探測相對深度為96/201時(如圖2c所示)，可以看出，(2)中最后分析出的假定缺陷3確實是真實存在的缺陷，圖2c中成像結果明顯比圖2b清晰，說明在這個深度附近缺陷3的截面面積比(2)中大，進而我們可以推斷缺陷3的主要位置是在96/201深度附近。而缺陷1和缺陷2依然存在，并且大小形狀再次發生變化，由此可以得出與(2)中相同的結論，同時可看出缺陷1具有很長的深度，目前已經貫穿了84個單位層面，也說明了缺陷1的不規則性。

(4)當探測相對深度為138/201時(如圖2d所示)，可以觀察到缺陷1、缺陷2、缺陷3的面積再次發生了改變。可以看出，在(32～138)/201的層面范圍中，左上角的缺陷一直存在，且形狀發生變化。對此可以推斷這個缺陷是個類似球形的空洞，而且很深，所以此處缺陷一直延留在不同的層面上。圖2a和圖2b中缺陷的數目不同，這表明了在這個樣品中，缺陷分布在不同的深度。

綜合上述分析可以得出結論：此待測樣品6中具有很多大大小小的缺陷(主要是氣泡)。由于本實用新型可以顯示待測樣品6中不同層面的成像結果，因此不僅可以定性的描述缺陷分布的位置和深度及單個缺陷的縱深，更能建立合適的參考系定量的對缺陷的幾何位置進行計算表示。

本實用新型提供的利用太赫茲成像檢測層狀絕緣材料內部缺陷的裝置通過對比太赫茲波強度和相位信息，重構缺陷在材料中的大小、位置和深度，非常適合檢測絕緣材料內部的缺陷，能夠以非接觸方式并在不破壞、不拆卸、不關機的情況下檢測絕緣層內部是否存在氣泡缺陷，對進一步評估材料質量對整體系統安全性的影響提供方法和數據支持。

本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本實用新型所必須的。

本領域普通技術人員可以理解：實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布于實施例的裝置中，也可以進行相應變化位于不同于本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合并為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和范圍。