1 引言

聚乙烯(PE)管道因耐腐蚀性好、价格低、可塑性好等优点而成为城市燃气管道的首选^[1]。聚乙烯燃气管道通常在现场进行焊接,在运输与焊接过程中外界环境、人为操作失误等可能会导致管道接头出现缺陷。此外,聚乙烯作为一种高分子有机材料,其自身的老化问题是不可避免的。上述缺陷的存在以及管道自身的老化威胁着燃气管道的使用安全。传统的管道检测手段包括X射线法、红外热成像、超声检测等,但它们在PE管道检测上均存在一定的局限性。X射线法对聚乙烯管道接头的检测效果不理想^[2],红外热成像需要外部加热源供热^[3],而超声检测对操作人员的要求较高并且检测过程中需要耦合剂^[4]。传统方法对PE燃气管道接头缺陷的检测效果较差,并且现价段对聚乙烯材料的老化还缺少一种较为有效的评估方法。

太赫兹(THz)波的电子能级低,不会对被测样品造成损坏,这一特性使其在无损检测领域展现出广阔的应用前景^[5]。国内外众多科研机构已将THz波应用于无损检测,并取得了许多有意义的成果:李铁军等^[6]对陶瓷基复合材料进行了成像检测,并建立了样品的THz波图像库,引入5个图像质量评价指标,通过指标融合处理得到了较高质量的图像,并利用SIFT(尺度不变特征变换)特性实现了THz波图像的检索,取得了较好的检测效果;赖慧彬等^[7]利用药片孔隙率、折射率与吲哚美辛质量分数之间的关系建立了数学模型,验证了THz光谱法测量片剂孔隙率的可行性;郭小弟等^[8]对带有不同缺陷的玻璃纤维复合材料样品的THz光谱特征进行深入研究后发现,在样品带有不同缺陷的情况下,材料整体的吸收系数与折射率不同;Dong等^[9]利用THz波成像技术检测夹有聚四氟乙烯薄片的多层玻璃纤维样品,从成像结果中可以看出,无论是单层还是多层夹层,都可以被清晰地检测出来,而且可以实现对薄片深度的准确定位;Ospald等^[10]搭建了连续波成像系统,并用其对航空复合材料中的缺陷进行检测,检测结果表明,THz技术对航空复合材料中的大部分缺陷具有较高的检测能力;Abina等^[11]对建筑隔热泡沫材料进行了检测,结果表明,THz波成像技术在隔热泡沫材料的无损检测中具有巨大的应用前景。目前,将THz光谱技术应用于PE燃气管道缺陷检测中的文献报道还较少,而THz光谱技术的许多特性使其有望成为一种有效的评估PE老化的方式。

本文基于THz-TDS系统对聚乙烯管道接头的老化与常见缺陷进行检测。模拟制作了管道接头老化与缺陷样品,提取并对比不同老化时间下聚乙烯样品的折射率与吸收系数,并利用反射式THz成像技术获取带有缺陷(磨痕、分层与夹杂金属)的聚乙烯管道接头样品的图像。

2 实验设备与参数提取方法

2.1 THz-TDS系统

实验主要包括两部分:聚乙烯管道老化样品的透射式THz-TDS测量以及管道接头缺陷的反射式THz成像检测。透射式THz-TDS的光路图如图1(a)所示,该系统的核心部件是钛宝石飞秒脉冲激光器,其中心波长为800 nm,脉宽小于100 fs,重复频率为80 MHz,输出功率为960 mW。利用该系统对PE老化样品进行检测,得到其THz时域光谱。图1(b)为z3反射式THz-TDS系统,利用该系统对聚乙烯管道缺陷样品进行成像检测,实验时利用二维平移台移动样品进行逐点扫描。

2.2 光学参数提取

太赫兹波在介质中传播时,相位、振幅等会发生改变,改变的大小可以用传播因子p表示^[12-13],即

p(ω,L)=exp-jn~(ω)ωLc,(1)

式中:ω为频率;L为传播的路径长度; n~(ω)为传播介质的复折射率;c为光速。因此,THz波在氮气中传播得到的参考信号可以表示为:

Eref(ω)=E0(ω)exp-jn~a(ω)ωL/c,(2)

式中:E₀(ω)为从太赫兹发射探头发射出的初始信号; n~a为氮气的折射率。

样品信号E_sam(ω)可以表示为

Esam(ω)=E0ωtab(ω)·exp-jn~b(ω)ωd/ctba(ω),(3)

式中:t_ab与t_ba均为根据菲涅耳公式得到的透射系数;d为样品厚度; n~b为被测样品的复折射率。由于 n~a取1,因此样品的复折射率可以表示为

H(ω)=EsamωErefω=4n~bω1n~b(ω)]2·exp-jωdcn~(ω)-1=ρ(ω)exp[-jϕ(ω)],(4)

式中:ϕ(ω)为样品信号与参考信号的相位差;ρ(ω)为样品信号与参考信号的振幅比。ϕ(ω)和ρ(ω)都可以通过实验得到。将 n~b(ω)=n_b(ω)-jκ_b(ω)代入(4)式进行化简,其中n_b(ω)为样品的折射率,κ_b(ω)为样品的消光系数。在弱吸收情况下,样品的消光系数远小于其折射率(κ_b≪n_b),可以得到样品的折射率、消光系数与吸收系数:

nb(ω)=ϕ(ω)c/(ωd)+1,(5)κb(ω)=ln4nbωρ(ω)[nb(ω)+1]2cωd,(6)αb(ω)=2κb(ω)ωc=2dln4nbωρ(ω)[nb(ω)+1]2。(7)

图 1. THz-TDS系统。(a)透射式THz-TDS光路图;(b) z3反射式THz-TDS系统

Fig. 1. THz-TDS system. (a) Light path of transmissive THz-TDS system; (b) z3 reflective imaging system

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3 样品制作

3.1 老化样品的制备

老化实验用的样品为白色管道PE100,采用氙光灯模拟日光的方式对聚乙烯管材进行老化处理。根据国标GJB 150. 7A—2009在氙灯老化实验箱中进行人工老化加速实验^[14],光源为水冷式氙弧灯,波长为295~700 nm,辐射强度为0.27 W/m²。暴露102 min,喷淋18 min,2 h为一个循环。黑板温度为(60±5) ℃,箱内相对湿度保持在70%±5%。老化时间分别为10,24,75,100 h。实验箱如图2(a)所示,老化样品如图2(b)所示,老化时间从左到右递增。老化样品的总长度约为70 mm,两端的表面尺寸约为20 mm×20 mm。

3.2 聚乙烯管道缺陷样品

为了模拟聚乙烯管道常见缺陷,在管道PE100样品上人为制作缺陷^[15],如图3所示。缺陷的类型包括磨痕、分层、夹杂金属三种,其中:1号样品为采用120#砂纸打磨聚乙烯样品表面得到的模拟磨痕样品,样品表面尺寸约为20 mm×18 mm;2号样品为分层缺陷,分层厚度约为1 mm,图中白线上方为分层区域,样品表面尺寸约为20 mm×20 mm;3号样品表面的黑色虚线框中包含一外径为10 mm、内径为4 mm的金属环,样品表面尺寸约为18 mm×25 mm。

图 2. 老化实验装置及老化样品。(a)老化实验箱;(b)老化样品

Fig. 2. Aging test setup and aging samples. (a) Aging test chamber; (b) aging samples

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图 3. 缺陷样品

Fig. 3. Defect samples

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4 实验结果分析

4.1 老化检测

基于透射式THz-TDS系统对聚乙烯老化样品进行检测,实验结果如图4(a)所示,可以看出样品信号峰值相对于参考信号峰值存在约2 ps延时。对得到的时域信号进行快速傅里叶变化,得到的频域响应如图4(b)所示,可以看出:随着老化时间延长,THz波透过样品后的衰减幅度降低;此外,THz波的能量主要集中在0.2~2.0 THz频段。

图 4. 老化不同时间样品的THz波形。(a)时域波形;(b)频域波形

Fig. 4. THz waveforms of samples with different aging time. (a) Time-domain waveform; (b) frequency-domain waveform

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图 5. 老化不同时间样品的折射率

Fig. 5. Reflective indices of samples with different aging time

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根据(5)、(7)式分别计算样品的折射率与吸收系数,结果如图5、6所示。从图4(b)可以看出2.0 THz之后的太赫兹信号的能量低信噪比较差,因此只分析0.2~2.0 THz频段内的折射率与吸收系数。从图5可以看出,样品的折射率在0.2~0.4 THz频段下降,在0.2~2.0 THz范围内基本上保持平稳。考虑到样品摆放、厚度测量等带来的误差,可以认为老化后的聚乙烯的折射率基本保持不变,即老化并未对材料的折射率造成影响。由图6可知:吸收系数在0.2~0.4 THz频段内下降,

图 6. 老化不同时间样品的吸收系数

Fig. 6. Absorption coefficients of samples with different aging time

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在0.4~2.0 THz频段基本保持稳定;聚乙烯材料在0.2~2.0 THz频段内不存在明显的吸收峰,并且随着老化时间延长,0.4~2.0 THz频段内的吸收系数呈下降趋势。聚乙烯材料的老化是一个漫长且复杂的过程,通过本文实验发现,老化会对聚乙烯的吸收系数造成一定的影响,这一发现对于下一步进行的老化时间预测建模研究具有重要意义。

4.2 反射式THz成像结果

采用z3反射式THz-TDS系统对图3所示的聚乙烯缺陷样品进行成像检测,采用时域最大值作为参数进行成像^[16],磨痕缺陷样品、分层缺陷样品和夹杂金属环样品待检测区域的表面尺寸分别为6 mm×6 mm、8 mm×8 mm、11 mm×11 mm。

对比图3中的磨痕样品与图7(a)所示的磨痕的太赫兹成像结果可知,通过太赫兹成像的结果可以分辨出样品是否存在缺陷,其中X、Y表示样品在载物台上的相对位置。THz波在磨痕表面会发生漫反射,导致最后成像的像素点与无磨痕区域相比较暗,但120#砂纸的磨痕较细,因此得到的太赫兹图像的整体对比度较低。分层缺陷的成像结果如图7(b)所示,由于空气与聚乙烯的折射率不同,故THz在传播过程中遇到空气夹层时会反射一部分THz波,夹层区域与完整区域上不同的THz波传播特性使夹层在成像结果中可以清晰地被分辨出来。图7(c)为夹杂金属环样品的成像结果,金属材料对THz波是不透明的,THz波在传播过程中遇到金属材料时会被全部反射,金属材料与聚乙烯材料的不同THz特性使其在成像时能够被清晰地显现出来。图7(c)中金属环的内外轮廓清晰,外径约为10 mm,内径约为4 mm,与实际的内外径一致。图7(c)左侧成像结果较暗,分析后认为这是由制作样品时PE材料与金属环未完全贴合,二者间存在空隙导致的。

图 7. 各样品的反射式成像结果。(a)磨痕缺陷样品;(b)分层缺陷样品;(c)夹杂金属环样品

Fig. 7. Reflective imaging results of samples. (a) Sample with scratch; (b) sample with delamination; (c) sample with metal ring

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5 结论

基于透射式THz-TDS系统对聚乙烯老化进行检测,实验结果表明,聚乙烯材料的老化不会对材料的折射率造成明显的影响,但会导致材料的吸收系数下降。利用THz-TDS系统对聚乙烯老化进行检测的最大优点在于其对材料本身不会造成损伤,有望实现对聚乙烯管道的老化进行现场检测,本文的研究为聚乙烯老化研究提供了一种新思路。利用反射式THz-TDS系统对磨痕缺陷样品、分层缺陷样品以及夹杂金属环样品进行成像检测,实验结果表明,反射式THz成像对磨痕的检测能力较差,但对分层及夹杂金属环具有较好的检测效果,成像结果中的缺陷尺寸与实际尺寸较为吻合。