1、第 21 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.21，No.8Aug.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information TechnologyPMI异形曲面构件太赫兹时域光谱检测吕名扬1a,1b,2，任姣姣*1a,1b,2，张丹丹1a,1b,2，顾健1a,1b,2，李丽娟1a,1b,2，张霁旸1a,1b,2(1.长春理工大学 a.光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室；b.光电工程学院，吉林 长春 130022；2.长春理工大学中山研究院，广东 中山 528400)摘要：异形曲面构件在航空、航天
2、、船舶等领域应用广泛，其粘接质量成为影响工作安全的重要因素。太赫兹凭借其独特的物理特性，近乎是对聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)材料粘接质量进行检测的唯一手段。异形曲面构件上下表面曲率不一致，仅以上表面作为基准曲面进行路径规划时，无法对异形曲面构件粘接质量进行准确判断。对此，在下表面固定不同形状的金属片模拟粘接层中的缺陷，分别以异形曲面构件上下表面为基准曲面，采用机器人化太赫兹时域光谱检测系统进行检测。对上下表面 2 个基准曲面的太赫兹成像结果进行对比分析，结果表明，以下表面为基准曲面进行检测时，区域、处信号信噪比，较上表面为基准曲面检测时提高12.09 dB、10.39 dB；区域、处金属片实际检
3、测面积与理论面积比值，较上表面为基准曲面检测时提高 55.97%、80.81%，更好地满足了异形曲面构件的检测要求。这项工作将促进太赫兹成像在实践中的应用，并为相关领域的进一步研究提供支撑。关键词：异形曲面构件；粘接质量；基准曲面；太赫兹成像中图分类号：TN215；O433.4 文献标志码：Adoi：10.11805/TKYDA2022169Terahertz time-domain spectral detection of PMI special-shaped Terahertz time-domain spectral detection of PMI special-shaped cu
4、rved componentscurved componentsLYU Mingyang1a,1b,2，REN Jiaojiao*1a,1b,2，ZHANG Dandan1a,1b,2，GU Jian1a,1b,2，LI Lijuan1a,1b,2，ZHANG Jiyang1a,1b,2(1a.Key Laboratory of Photoelectric Measurement and Optical Information Transmission Technology of Ministry of Education；1b.College of Optoelectronic Engine
5、ering，Changchun University of Science and Technology，Changchun Jilin 130022，China；2.Zhongshan Institute of Changchun University of Science and Technology，Zhongshan Guangdong 528400，China)AbstractAbstract：The special-shaped surface components are widely used in aviation,aerospace,shipbuilding and oth
6、er fields,and their bonding quality has become an important factor affecting work safety.With its unique physical characteristics,terahertz technology is almost the only means to detect the bonding quality of Polymethaerylimide(PMI)materials.The curvatures of the upper and lower surfaces of the spec
7、ial-shaped surface components are inconsistent,which makes it impossible to accurately judge the bonding quality of the special-shaped surface components when only the upper surface is used as the reference surface for path planning.To tackle this problem,metal sheets of different shapes on the lowe
8、r surface are fixed to simulate the defects in the bonding layer.Taking the upper and lower surfaces of the special-shaped curved surface components as the benchmark surfaces respectively,the robotic terahertz time-domain spectrum detection system is employed for detection.The terahertz imaging resu
9、lts of the two detection methods are compared and analyzed.The results show that when the lower surface is used as the benchmark surface for detection,the signal to noise ratios at area II and III are improved by 12.09 dB and 10.39 dB than that when the upper surface is the benchmark surface;the rat
10、ios of the actual detection area to the theoretical area of the metal sheet at area II and III are improved by 55.97%and 80.81%than that when the upper surface is used as the benchmark surface for detection.This better meets the 文章编号：2095-4980（2023）08-0977-08收稿日期：2022-09-09；修回日期：2022-12-05基金项目：吉林省科技
11、发展计划资助项目(20220508032RC)a通信作者：任姣姣email:太赫兹科学与电子信息学报第 21 卷detection requirements of special-shaped curved surface components.This work will promote the application of terahertz imaging in practice and provide a basis for further research in related fields.KeywordsKeywords：special-shaped surface compon
12、ent；bonding quality；benchmark surface；terahertz imaging聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)属于低热传导性、低密度、多孔的非极性材料，具有耐高温、耐腐蚀、抗氧化等优点，广泛用于航天、航空、军工、船舶、汽车、铁路机车制造、雷达、天线等领域1-2。太赫兹(THz)凭借其独特的穿透特性，近乎是对 PMI 材料粘接质量进行检测的唯一手段3。在航空航天领域，胶粘样件多为上下表面曲率一致的等曲率异形构件，但在某些特定位置的胶粘样件为上下表面曲率不一致的不等曲率异形构件。采用等曲率异形构件的检测方法对不等曲率异形构件进行检测，由于上下表面曲率差异，以上表面为基准曲
13、面进行检测时，THz 接收器接收检测信号质量差，无法对不等曲率异形构件粘接质量进行准确判断。因此需要一种有效的检测方法，可以对异形曲面构件进行全扫描，能够完整地呈现被测异形曲面构件的检测信息，更好地实现 THz波对不等曲率异形构件粘接质量的检测。许多学者在曲面构件太赫兹检测领域进行了深入研究，陈奇等搭建以 UR10 机器人及太赫兹时域光谱系统为主体的太赫兹智能检测系统，通过机器人离线编程技术实现太赫兹无损检测，克服了二维扫查平台在曲面检测过程中误差大的问题4。王强等针对曲面结构件的检测弊端，设计制作了太赫兹波收发一体模块。采用光纤耦合方式与太赫兹自由空间光路连接，对传统太赫兹时域光谱系统进行改
14、进，搭建基于协作机器人的光纤耦合式太赫兹时域光谱检测系统，对太赫兹成像图中的损伤缺陷部位进行自动标注，实现对曲面结构件内部损伤缺陷的智能检测5。赵庆州等采用太赫兹时域光谱无损检测系统对平面样件和实际复合绝缘子样品进行试验，通过对比有无缺陷情况下检测波形特征，证明太赫兹方法是复合绝缘子内部缺陷检测的有效方法6。Lae-Hyong Kang 等通过 TCP/IP 通信协议将脉冲太赫兹时域光谱与 UR5 机械臂连接，在机械臂末端搭载太赫兹发射器对聚氯乙烯(PVC)管盖不同位置预置缺陷进行检测，并对时域和频域信号进行处理，成功验证了使用太赫兹波 3D 结构健康检测方法的有效性7。本文以不等曲率异形构件
15、为研究对象，在样件粘接层中固定不同形状的金属片，采用机器人化 THz 时域光谱检测系统，以不等曲率异形构件上下表面为基准曲面进行检测。对上下表面 2 个基准曲面的 THz 成像结果进行对比分析。结果表明，以下表面为基准曲面进行检测时，检测信号质量和金属片实际检测面积与理论面积比值均高于上表面，解决了以上表面为基准曲面进行路径规划时，不等曲率异形构件部分区域无法获取信号的问题，进一步提高了对异形曲面构件粘接质量检测准确率。1样品制备本文设计制作实际检测中等比例的不等曲率异形构件，样件材料选择目前强度和刚度最高的耐高温复合材料 PMI。图 1 为不等曲率异形构件的三视图，构件上下表面曲率不同，上表
16、面曲率为 00.009 mm-1，其中区域曲 率 为 00.002 mm-1，区 域 曲 率 为 0.0030.005 mm-1，区 域 曲 率 为 0.0060.009 mm-1。下 表 面 曲 率 为 00.014 mm-1，其中区域曲率为00.002 mm-1，区域曲率为0.0030.007 mm-1，区域曲率为0.0080.014 mm-1。为检验太赫兹波对异形曲面样件粘接层缺陷的识别能力，在样件下表面区域、处分别固定不同形状的金属片，如图 2 所示。其中左侧列金属片所在位置为区域，中间列金属片所在位置为区域，右侧列金属片所在位置为区域，金属片由上到下分别为三角形、圆形、正方形，三角形及正方形金属片边长均为 30 mm，圆形金属片直径为 30 mm，金属片厚度均为 0.03 mm，列与列间隔为 10 mm，行与行间隔为 35 mm。Fig.1 Three views of special-shaped surface with unequal curvature图1 不等曲率异形曲面构件三视图978第 8 期吕名扬等：PMI异形曲面构件太赫兹时域光谱检测2机器人化太赫兹时域光谱
