實驗名稱：基于氣體基壓電復合材料的線聚焦空耦超聲傳感器研制與應用

　　研究方向：超聲傳感器、超聲波檢測

　　測試目的：

　　對傳感器進行(xing)激勵接收性能測(ce)試，并采用(yong)空耦超聲Lamb波檢測技術，對含有裂紋缺陷的單晶硅太陽能電池片進行非接觸式檢測，通過分析接收信號的幅值信息并利用相關系數法，完成了對裂紋缺陷的檢出和定位，實現了氣體基線聚焦空耦傳感器在缺陷檢測中的應用。

測試設備：ATA-2041高壓放大器、函數發生器、數字示波器

圖：空氣耦合(he)超聲檢測實(shi)驗系統(tong)示意圖

　　實驗過程：

　　先研(yan)制(zhi)氣(qi)體(ti)基(ji)線(xian)(xian)聚(ju)焦(jiao)空耦傳感器，再制(zhi)作(zuo)(zuo)氣(qi)體(ti)基(ji)線(xian)(xian)聚(ju)焦(jiao)壓電(dian)復(fu)合材(cai)料(liao)，對制(zhi)作(zuo)(zuo)出(chu)的氣(qi)體(ti)基(ji)線(xian)(xian)聚(ju)焦(jiao)空耦傳感器進行激勵性能測試(shi)。

　　實驗中(zhong)選擇(ze)中(zhong)心位置加工有裂紋(wen)缺(que)(que)陷的(de)單晶(jing)硅(gui)太陽能電池(chi)片(pian)作為(wei)被檢測對(dui)象(xiang)，其中(zhong)裂紋(wen)方向與主電極方向平行，裂紋(wen)缺(que)(que)陷的(de)長度為(wei)20mm，寬度為0.1mm，深度為整個電池片的厚度。為了能夠在電池片中激勵出特定的AO模態Lamb波，由單晶硅片中Lamb波的傳播理論可知，在利用空氣耦合的方式向電池片中激勵Lamb波時，需要保證激勵傳感器和接收傳感器沿對側傾斜相同的角度。由單晶硅太陽能電池片的結構組成可知，電池片內單晶硅材料的有效厚度約為130-140μm。

圖2：有缺陷單晶硅太陽能電池片試樣

　　采用空氣耦合的(de)方式對有缺陷(xian)(xian)電(dian)池片(pian)進行檢測，使用所示的(de)空氣耦合超(chao)聲檢測系統，將傳(chuan)(chuan)感(gan)器布置(zhi)于缺陷(xian)(xian)兩(liang)側，其中激勵傳(chuan)(chuan)感(gan)器為氣體(ti)基(ji)線(xian)聚(ju)焦空耦傳(chuan)(chuan)感(gan)器，接(jie)收(shou)傳(chuan)(chuan)感(gan)器為氣體(ti)基(ji)平面式空耦傳(chuan)(chuan)感(gan)器，兩(liang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器之間(jian)相距(ju)70mm。調整旋轉平臺，使Lamb波的傳播路徑與缺陷長度方向垂直。設定傳感器的橫向掃描范圍為40mm，以兩傳感器連線距裂紋近端10mm為實驗的初始位置，以1mm為步長平行移動激勵和接收傳感器，采集每個位置處的接收信號，如圖2所示，其中T代表激勵傳感器，R代表接收傳感器。實驗中的激勵信號為5周期正弦信號，中心頻率為150kHz，電壓峰峰值為3v。

圖3：缺陷檢測實驗接收信號

　　分別提取Lamb波經歷無缺陷區域和缺陷中心區域時的接收信號，并對無缺陷處的直達波幅值和透射過缺陷的直達波幅值進行對比，結果如圖3所示。可以看出，當傳感器分別處于電池片的無缺陷位置和缺陷中心位置時，接收傳感器接收到的直達波幅值發生了明顯的變化。這是由于裂紋缺陷的存在導致電池片內的Lamb波在傳播到裂紋的邊界時，聲波在電池片和空氣的接觸面上發生了巨大的反射所造成的。

　　實驗結果：

　　1、通過仿真(zhen)分析與結構建模，采用(yong)壓電柱切割、三維(wei)打印、精細研磨(mo)、濺射(she)鍍膜等工藝實現了氣體(ti)基線聚焦壓電復合材料的制作，最終制得的傳感器具有低聲(sheng)阻(zu)抗特性(xing)，更適用(yong)于空耦(ou)檢測(ce)環境(jing)；

　　2、利用(yong)空耦Lamb波(bo)檢測(ce)(ce)技術，成(cheng)功將氣體基線聚焦空耦傳感器應用(yong)于單晶硅太陽能電(dian)池片裂(lie)紋缺(que)陷的非(fei)接觸式檢測(ce)(ce)，并實現了對電(dian)池片中裂(lie)紋缺(que)陷的定(ding)位。

　　安(an)泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器指標參數

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