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空气耦合超声C扫描检测技术应用

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空气耦合超声C扫描检测技术应用

1  引言

        超声波检测技术作为五大常规无损检测技术之一,是目前国内外应用最广泛且发展较快的一种无损检测技术。众所周知,常规超声检测时探头与工件之间需使用液体或固体耦合剂或者使用液浸法来改善探头与工件之间声能的传递,但是一些试样缺陷检测不能使用耦合剂,因为耦合剂会使试样受潮、变污及损坏,如火箭固体燃料内部气孔检测,锂电池内部电解液分布及气孔检测,航空航天复合材料内部脱胶、分层及夹杂等检测,高铁或汽车刹车垫的结合状态检测及高级木板和塑料泡沫内部检查等。因此,空气耦合超声检测技术应运而生,它是一种以空气作为耦合剂的非接触新型无损检测技术,从而能实现真正的非接触检测,且不存在换能器的磨损,可快速扫查,加上C扫描技术使得检测变得更直观,因而具有广阔的应用前景。

       空气耦合超声检测技术早在20世纪60年代就被提出来了,但由于空气对超声波的衰减、气固界面巨大阻抗差异造成超声波的大量反射和超声波换能器的转换效率低这三个主要方面因素使得其研究及应用发展缓慢,随着空气耦合理论、材料学以及数字信号处理技术的不断发展,空气耦合超声检测技术有了新的突破。美国等国家相继开发出了空气耦合超声检测系统,而国内关于空气耦合超声方面的研究相对较少,主要原因是整套检测系统基本都依赖进口。

        针对国内这种情况,苏州博昇科技有限公司自主研发了一套商用的PRACUT111空气耦合超声C扫描自动化检测系统。该系统具有周期性正负方波高功率超声波发射器、高灵敏度空气耦合超声波换能器、高增益和高信噪比信号放大器及数据分析处理软件,并对锂电池、钛合金与CFRP复合板、CFRP板、蜂窝复合材料板、钢铁复合板、装甲复合板、硅片复合板、铝合金板和覆铜皮ABS板进行了快速非接触式无损检测。

2  空气耦合超声检测基本原理及系统结构
2.1  基本原理

       空耦超声检测方式有穿透式、脉冲反射式、斜入射式和导波检测等,而穿透式是空耦超声检测中应用最普遍的一种。其检测原理图如图1所示,发射探头和接收探头分别至于被检工件两侧,两探头的中心轴线要重合,且与工件两表面垂直,当工件内无缺陷时,超声波就无阻地从发射探头传播到接收探头;当工件内有缺陷时,缺陷的大小和形状都将对超声波产生不同程度的反射和衰减,接收端将根据信号的衰减程度来判断缺陷大小和形状。

图1   空耦超声穿透式检测原理图

2.2 系统结构

      PR-ACUT-101系统结构如图2所示,整个系统由工控机、集高功率发射电源和信号处理模块一体的主机、安装有发射和接收探头的自动扫描架、前置放大器和工件放置架组成。该系统参数如表1所示,典型A扫描信号如图3所示。

表1  PR-ACUT-101系统参数

3  空耦超声检测技术的应用

3.1  锂电池

     由于制造工艺等原因,锂电池在制造过程中会出现电解液分布不均、气泡等缺陷。目前大多数厂家采用循环充放电技术来测试锂电池,这种检测技术周期长,一般最快也需要2-3个月,效率低,而空气耦合超声检测技术检测时间短,效率高,且检测效果较好。图4(a)为4mm厚铝壳锂电池实物图,用400K球聚焦探头对其进行了空耦C扫描检测,图4(b)为良好品空耦C扫描图,图4(c)为不良品空耦C扫描图,图中浅绿色代表此处电解液相对于其他处应该分布要少一些。