Page 45 - 电力与能源2023年第六期
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骆国防,等:太赫兹波在电网绝缘材料厚度检测中的应用研究 591
不会因为离子化而损伤被测物质,不受材料性质
2 太赫兹波测厚原理
和检测环境的影响,可以渗透很多非极性材料,可
以对涂层材料进行非电离、非接触、非破坏检测, 太赫兹波测厚主要是利用太赫兹时域光谱技
尤其是对塑料、陶瓷、泡沫材料和高分子复合材料 术,通过探测太赫兹波在不同介质分界面反射回
[4]
等 非 金 属 基 底 物 质 上 的 涂 层 厚 度 的 检 测 。 此 波的飞行时间差,来对材料的厚度进行测量。
2.1 透射式测厚原理
外,太赫兹脉冲宽度为几个皮秒,通过合适的采样
2012 年,韩国又石大学的 Park 等人提出了利
技术,可以大幅度抑制噪声干扰,提高检测分辨
用透射模式下的时延差法来测量样品的厚度。太
率。为此,本文采用太赫兹波技术对变压器绝缘
赫兹波在样品和空气中的传播速度不同,因此透
纸和室温硫化硅橡胶(RTV)涂层进行厚度检测
过样品后的太赫兹脉冲到达探测器的时间及透过
试验研究,以验证太赫兹波技术在绝缘材料厚度
空气到达探测器的时间存在差异,根据时域波形
检测中的可行性和适用性。
上太赫兹脉冲峰值的时间延迟差异,便可精确计
[2]
1 太赫兹波技术 算样品的厚度 。典型的空气与硅橡胶太赫兹脉
冲透射波形如图 2 所示。
太 赫 兹 波 通 常 是 指 频 率 介 于 0.1~10 THz
(波长 30 μm~3 mm)的电磁波,如图 1 所示。太
[4]
赫兹波介于红外和微波之间 ,是宏观电子学向
微观光子学的过渡阶段,包含着丰富的物理特性
和化学特性 ;相比于其他波段,太赫兹波具有高
[5]
透射性、低能量性、相干性、指纹性、瞬态性及吸水
[6]
性等特点 ,使其在材料科学、生物医学、安全检
测、无损检测等领域具有不可估量的应用价值。
图 2 空气与硅橡胶太赫兹脉冲透射波形
cΔt
d = (1)
n 1 - 1
式中 d——被检样品厚度; c——空气中光的传
c
播速度,=3×10 m·s ,太赫兹波在空气中的传
-1
8
播速度可近似为光速; Δt——太赫兹波透过样品
和不透过样品时的时延差; n 1——被测样品的折
射率。
2.2 反射式测厚原理
图 1 太赫兹波在电磁波中的分段 反射式测厚原理根据样品中的反射信号计
算,典型的太赫兹反射信号如图 3 所示。正峰和
太赫兹波成像主要有 5 种,包括脉冲波成像、
负峰的时间差分别为 Δt 1,Δt 2,通过测量正峰和负
连续波成像、层析成像、近场成像及实时成像,其
峰的时间差,便可精确计算出被检样品的厚度。
中在电网设备方面应用较多的是脉冲波成像和连
根据被检样品前后表面反射波的时延差,便在反
[6]
续波成像 。太赫兹时域光谱(THz-TDS)主要
射模式下计算被检样品的厚度。
采用太赫兹脉冲成像技术,对试样进行多点检测,
cΔt
形成一个带有透射波或反射波信息的二维矩阵 d = (2)
2n 1
点;通过对试样图谱的幅值、平均值、相位等信息 2.3 测厚原理的选择
[7]
进行数据处理,得到被分析物的二维图像 。 对于同种材质的绝缘材料,其折射率基本恒