基于THz-TDS的聚乙烯管道厚度测量与缺陷检测技术研究

论文摘要

在聚乙烯材料管道生产制造与应用过程中,管道厚度精确测量与管道缺陷检测是影响管道质量与安全的两个重要技术问题,由于天然气易燃易爆等特点,极易产生安全隐患,因此对天然气管道的质量控制与缺陷检测就显得尤为重要。通过THz-TDS（太赫兹时域光谱系统）技术检测非金属材料厚度已经被应用在工程实践上。但在实践检验的过程中,出现了对现有太赫兹厚度检测技术的挑战及难题。其一,折射率求取过程中没有理论支持,人为选取折射率有效区间,加大了折射率求取的误差。其二,由于太赫兹波在聚乙烯材料中的传播存在明显的频散现象,同时其透射率高回波信号较弱,导致信噪比较低,在信号提取过程中放大了干扰信号的比重,造成信号失真、淹没,无法准确提取信号光程时间差。其三,太赫兹缺陷检测点扫描方法时间长,效率低,无法满足现场检测需要。针对问题一,采用巴特沃斯滤波器对折射率频率区间进行信噪比量化分析,得出有效折射率区间。针对问题二,采用基于自相关改进算法的高斯反卷积算法对时域信号进行特征提取与信噪比提高,完成从干扰中提取信号并提高信噪比的目的。针对问题三,采取CCD太赫兹光强成像方法对缺陷试块进行实验,并与点扫描成像法对比分析,发现CCD成像法更满足工程现场检测的性能要求。本文针对聚乙烯材料厚度求取过程中发现的关键技术问题以及聚乙烯材料缺陷快速成像方向进行了一系列系统的研究,主要研究内容与结论如下:（1）使用单点测厚模型,通过聚四氟乙烯样品对太赫兹非金属材料标准参考样品进行误差标定,起到定量化系统误差的目的,为后续太赫兹非金属材料厚度求取做理论基础。（2）使用巴特沃斯滤波器,针对厚度求取过程中折射率的有效区间选取完全依靠工程人员对折射率频谱图稳定区间的主观判定进而造成折射率求取过程中主观因素造成的误人为差加大进而导致厚度求取误差增大的问题。提出了一种通过对太赫兹时域信号进行不同频段的巴特沃斯带通滤波,通过建立信噪比模型,对滤波后的信号定量分析,进而筛选出不同样品误差最小的频率分布区间,以此作为依据来对折射率有效区间进行合理选取的方法。研究结果表明:这种方法有效降低了了因折射率主观选取造成的厚度测量误差。（3）采用基于改进自相关算法的高斯反卷积算法,针对由于太赫兹波在聚乙烯材料中的传播存在明显的频散现象,同时其透射率高回波信号较弱,导致信噪比较低,在脉冲响应函数提取过程中放大了干扰信号的比重,造成信号失真、淹没,无法准确提取信号的问题。本文通过对带通滤波后的时域信号采用改进型自相关算法进行自相关性分析,再结合高斯滤波反卷积运算,得到改进后的脉冲响应函数。旨在解决太赫兹非金属测量领域时域信号表征问题。改进算法实验结果显示加强了信号的清晰度,解决了因杂波信号干扰造成的脉冲响应信号失真或淹没情况,显著提高了脉冲响应信号信噪比。（4）本文针对太赫兹技术的成像方法的研究,通过采用THz-TDS点扫描法与CCD太赫兹光强成像法分别成像实验以及对带有缺陷的标准聚乙烯试块成像检测实验与量化分析,比较太赫兹两种成像方法在聚乙烯缺陷检测中的优缺点。结果表明:对于聚乙烯缺陷检测的有效性主要取决于太赫兹波的频率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 论文研究背景和意义
•     1.1.1 论文背景
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 THz波的简介
•     1.2.1 THz波的发射与探测
•     1.2.2 国内外研究现状
•   1.3 论文的主要内容和结构
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 论文章节安排
• 第二章 太赫兹检测原理及系统技术
•   2.1 太赫兹检测原理
•   2.2 光学参数提取
•   2.3 实验装置与实验步骤
•     2.3.1 实验装置
•     2.3.2 实验步骤
•     2.3.3 实验注意事项
•   2.4 本章小结
• 第三章 聚乙烯材料厚度测量误差标定及实验
•   3.1 样品制备与实验方法
•   3.2 单点测厚模型
•   3.3 误差标定实验结果
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于巴特沃斯滤波的聚乙烯材料厚度太赫兹检测
•   4.1 实验原理
•   4.2 样品制备与实验方法
•   4.3 折射率有效区间选取原理
•     4.3.1 滤波器原理
•     4.3.2 滤波器参数确定
•     4.3.3 滤波效果判别依据
•     4.3.4 滤波频段选取
•   4.4 折射率获取实验
•   4.5 厚度测量实验
•   4.6 本章小结
• 第五章 基于修正自相关算法的THz-TDS聚乙烯测厚反卷积算法
•   5.1 实验原理
•   5.2 算法改进原理
•     5.2.1 测量信噪比
•     5.2.2 基于盲目反卷积的厚度测量
•     5.2.3 基于带通滤波的信噪比改进方法
•     5.2.4 改进自相关算法
•   5.3 实验与结果分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 聚乙烯材料太赫兹缺陷检测与分析
•   6.1 实验原理
•     6.1.1 CCD光强成像原理
•     6.1.2 THz-TDS点扫描成像原理
•   6.2 实验样品制备与实验方法
•     6.2.1 聚乙烯划痕缺陷试块
•     6.2.2 聚乙烯孔洞试块
•   6.3 实验结果与分析
•     6.3.1 聚乙烯划痕缺陷试块
•     6.3.2 聚乙烯孔洞试块
•   6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蒋强

导师: 刘祚时

关键词: 太赫兹时域光谱,复折射率,信噪比,聚乙烯,高斯反卷积,自相关

来源: 江西理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,建筑科学与工程,电力工业,无线电电子学,无线电电子学

单位: 江西理工大学

基金: 国家重点研发项目“红外与太赫兹非金属检测关键技术与仪器研制”,课题的研究来源为国家质量监督检验检疫总局的质检公益性科研专项项目(编号:201410025)

分类号: TN713;TU996.7;O441.4

总页数: 64

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