ICS 19.100 CCS J 04 团 体 标 准 T/CSTM 00416—2023 无损检测 太赫兹时域光谱检测和评价方法 Non-destructive testing — Detection and evaluation method for terahertz time domain spectral 2023-03-24发布 2023-06-24 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 1 前 言 本文件参照 GB/T 1.1—2020 《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》 ， GB/T 20001. 4《标准编写规则 第4部分：试验方法标准》的规 定起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国材料与试验 标准化委员会无损检测技术及设备 标准化领域委员会（CSTM/FC94 ）提 出。 本文件由中国材料与试验 标准化委员会无损检测技术及设备 标准化领域委员会（CSTM/FC94 ）归 口。 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 2 引 言 太赫兹（ THz）无损检测技术作为一种新兴的无损检测技术，较超声检测而言，无需使用耦合剂， 为各种新型复合材料的无损检测提供了解决方案； 较射线检测而言， THz波的能量仅有毫电子伏特量级， 对人体没有伤害，符合无损检测绿色化的发展趋势；较激光错位散斑、红外无损检测而言，受检测环境 影响较小，适用于各种恶劣的检测环境；较涡流等电磁检测而言， THz波可穿透非极性材料，为非极性 材料无损检测提供了新思路。 太赫兹时域光谱无损检测技术在航空航天领域应用前景广泛。 不仅应用于航天飞机机体上的疲劳检 查、隐患排查，还可以应用于 复合材料、陶瓷材料、塑料材料等非金属材料的检测工作。此外，在建筑 物内的墙和地板的检测，瓷砖和纸张等产品的生产检测以及印刷电路板的脱层、密封性检测等领域，太 赫兹时域光谱无损检测技术同样有着广泛的应用前景。 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 3 无损检测 太赫兹时域光谱检测和评价方法 重要提示：使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本 文件并未指出所有可能的安全问 题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。 1 范围 本文件规定了太赫兹时域光谱检测方法的 方法概述 、一般要求、检测系统、 工艺规程 、检测方法、 数据分析与评价和 检测记录和报告 等。 本文件适用于对太赫兹具有一定透射性的非极性材料的自身缺陷、粘接缺陷等的检测、定性判断及 定量分析。非极性材料 包括陶瓷材料、塑料材料、层压结构复合材料、蜂窝结构复合材料等。 2 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文 件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T 20737 无损检测 通用术语和定义 3 术语和定义 GB/T 20737 界定的以及 下列术语和定义 适用于本文件。 3.1 太赫兹terahertz THz 太赫兹是波动频率单位之一， 等于（10～12）Hz。 3.2 太赫兹波 terahertz wave 频率在（0.1~10 ）THz｛波长为（3000～ 30）μm｝范围内的电磁波。 3.3 太赫兹时域光谱 terahertz time domain spectral THz-TDS 一种通过对太赫兹脉冲进行频谱分析，获取检测对象的太赫兹波的频域响应特性的方法。 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 4 3.4 飞行时间成像 flight time imaging 通过飞行时间差进行成像，可反映试件的厚度信息，适用于分层分析。 3.5 最大值、最小值和峰值成像 maximum-value, minimum-value, and peak -value imaging 通过最大值、最小值和峰值进行成像，可提取出试件对太赫兹波能量的衰减，反映被检对象对太赫 兹波的消光系数。 3.6 功率谱成像 power spectral imaging 通过功率谱进行成像，可反映太赫兹波在被检对象中传播信号的综合信息。 4 方法概述 4.1 原理 太赫兹波在某些物质中会被色散和吸收效应调制，当被检测对象存在缺陷时，太赫兹波透过检测对 象时其幅值和相位会发生异常 变化；因此通过检测太赫兹波的幅值和相位可反应被检对象的缺陷。 太赫兹时域光谱技术是利用飞秒激光脉冲入射到光导天线上激发出载流子， 载流子在外加电场的作 用下发生定向运动并辐射出包含多个太赫兹频域信号的脉冲式电磁波； 通过测量太赫兹电场强度随时间 的变化曲线，并对时域曲线进行傅里叶变换，可计算出太赫兹频域强度及相位信息。当被测材料中出现 孔洞、脱粘、夹杂等缺陷，接收太赫兹光谱中会出现相位和时间信息的不同，通过对接收的信号进行成 像、特征识别等分析方法，鉴别材料的质量问题，并定性、定量分析缺陷。 根据发射器和接收器位置不同 可分为投射式检测 （如图 1所示 )和反射式检测 ，（如图 2所示）。 发射器 接收器 样品 图1 透射式检测原理示意图 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 5 发射器 接收器 样品 图2 反射式检测原理示意图 4.2 优点和局限性 4.2.1太赫兹时域光谱检测有以下优点： a) 无放射性； b) 非接触； c) 结果直观可视； d) 检测灵敏度较高。 4.2.2太赫兹时域光谱检测的局限性包括： a) 不能检测极性材料； b) 检测速度较慢。 4.3 干扰因素 检测材料表面的极性涂层、水等均对检测有较明显的影响。 5 一般要求 5.1 环境要求 环境要求如下： a) 应远离机械振动源、周围环境噪声在 1米范围内不高于 80分贝 ; b) 磁环境：满足 GB 9175 的要求; c) 工作温度： (18~25)℃; d) 工作相对湿度范围： 20%~90% 。 5.2 人员要求 人员要求如下： a) 应熟悉太赫兹时域光谱检测方法的基本原理； CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 6 b) 应熟悉被检对象的材料、结构特性，并了解其制作工艺； c) 应熟悉检测系统的操作、校准，掌握检测数据的分析方法。 6 检测系统 6.1 检测系统描述 典型的太赫兹时域光谱 检测系统主要有飞秒脉冲激光器、太赫兹发射元件、太赫兹探测元件和时间 延迟控制系统组 成(如图 3所示 )。飞秒激光脉冲通过分束器后被分为两束光，强度较大的一束作为抽运 光，通过可变延迟线激发 太赫兹发射元件产生超短太赫兹脉冲，较弱的一束作为探测光，经多次反射后 用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅， 通过扫描探测激光和太赫兹脉冲相对时间延迟得到太赫兹脉冲电 场强度随时间变化波形。 飞秒激光器 A 锁相放大器光束1 光束2半波片 分束镜 反射镜 反射镜反射镜 反射镜反射镜 反射镜反射镜 反射镜 反射镜光电玻璃 ZnTe 沃拉斯顿棱镜计算机抛物面镜 抛物面镜样品GaAs延时 装置 1/4波片 图3太赫兹时域光谱 检测系统 6.2 检测试块要求 6.2.1 粘接试块 若粘接剂材料特性与特氟龙等在太赫兹波段性质相近， 建议采用抽片法或抽膜法进行相关参考试件 制作。详细要求如下： a) 对于单层结构 的检测，应使用同被检对象材质相同的材料制作对比试块；试块厚度应不低于被 检对象最大厚度的 1.5倍；试件长度应不小于厚度的 5倍； b) 对于多层结构的检测，试块材料各层的材质以及各层之间的连接状态应与被检对象相同；各层 的厚度应不低于被检对象该层的最大厚度；试件长度应不小于厚度的 5倍； c）应保证试块内部均匀，无其他缺陷。 6.2.2 标准试块 标准试块用于评定和校准 THz-TDS检测系统。 一般应选择聚四氟乙烯材料， 厚度包括 5mm、20mm、50mm、 100mm试块宽度不小于 50mm，每个厚度的长度不小于 50mm。 6.3 检测设备 维护和校准 仪器使用单位应制定校准作业指导书，对设备进行周期性维护、检查和校准，以保证仪器功能，校 CSTMhQÆSÑ^Ou( 全国团体标准信息平台 T/CSTM 00416— 2023 7 准结果应有相应记录和报告。 现场检测时，应首先使用对比试块进行测试。 7 工艺规程 开展太赫兹时域光谱检测的单位应制定通用检测工艺规程，其