空氣耦合超聲

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高靈敏度空氣耦合超聲波檢測系統

日本探頭株式會社（Japan Probe Co.， Ltd）是具有30多年歷史的專業生產超聲波探頭、超聲波發射接收器和檢測系統的廠家，日本探頭株式會社（Japan Probe Co.， Ltd）利用自己的高新技術和豐富經驗，針對不能用耦合劑無損檢測的方法研究，經過多年努力和發展，終于研制成稱之為“高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測系統（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing簡稱NAUT）”。NAUT可以廣泛應用于以下材料檢測：復合材料、鋰離子電池、剎車墊，陶瓷材料、混凝土、木材、橡膠、塑料、泡沫以及其他不能使用耦合劑的材料。

1.1非接觸式超聲

非接觸式超聲與常規超聲檢測類似，其區別是非接觸式超聲不需要聲耦合劑涂抹在待檢測工件上，就能很好的將超聲波從發射探頭通過空氣傳播到待測工件中。常用聲耦合劑包括機油、膠體、水等，這些耦合劑需要清理，通常會使得整套系統變得笨重，使得工作場所變得很臟亂。對于NAUT來說，周圍環境空氣就是其聲耦合劑，高溫低溫工件及不適合用聲耦合劑的工件也能進行超聲波無損檢測。

在研制此系統時，為了使超聲波有效的發射到空氣中，穿過檢測工件，并將接收信號進行成像處理，必須解決三個問題：一，研制聲阻抗匹配層材料，實現探頭和空氣的耦合；第二，研制超高功率發射接收，實現向空中發射高功率的超聲波；第三，研制前置放大器，實現接收信號的低噪音增幅。通過多年的努力，終于成功的研制成了“高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測系統（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing），打開了21世紀的超聲無損檢測的新紀元，我們將它命名為NAUT21，目前，NAUT21檢測系統在復合材料、鋰離子電池、剎車墊，陶瓷材料、混凝土、木材、橡膠、塑料以及其他材料的檢測上得到了很好的應用。現在廣銷日本、英國、韓國、美國、中國等國家，并受到客戶的一致好評。

1.2NAUT21檢測和分析

所有的C掃描成像都是使用空氣耦合超聲穿透法通過兩軸電動運動機構來實現。空氣耦合超聲波穿透法：超聲波從空氣中發射到被檢查材料內部，透過的超聲波到達接收探頭。通過透射的超聲波峰值的大小來判斷被檢查材料內部是否存在缺陷。如下圖1所示。

（a）NAUT21 平面檢測（b）NAUT21-R曲面檢測

圖1 高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測系統的外觀圖

圖2 非接觸空氣耦合超聲波檢測原理

檢測方法為穿透式，將工件放置在兩探頭中間，探頭對稱放置在工件兩側，以保證超聲波垂直入射到工件中，所有的信號在采集過程中都是原始波形，不使用信號處理。在C掃描成像中，紅色代表超聲穿透能量高，藍色代表超聲穿透能量低。

2產品參數

以下部分是NAUT21空氣耦合超聲檢測系統各個部分具體參數。

2.1超聲波發射接收器

（a）正面圖像（b）背面圖像

MUX-16多通路轉換器

（c）JPR-600C的擴展應用例

圖3 JPR－600C超聲波發射接收器外觀圖

圖3（a）和（b）為JPR－600C超聲波發射接收器的正面圖和背面圖，為單通道。用戶可根據實際檢測需要選購多通道轉換器，如圖3（c）所示的與16通道轉換器連接，可擴展為16通道。JPR－600C具體參數見表2。

表2 JPR－600C具體參數

發射
脈沖形式	矩形波：脈沖串，線性調頻波
脈沖電壓	10 ~ 600V 10V步進
波數	1~ 300
發射頻率	30kHz?10MHz 30kHz?100kHz　1kHz 步進； 100kHz?1MHz　10kHz 步進 1MHz?10MHz　100kHz 步進
啟動時間	20ns(10% ~ 90%)
衰減阻尼	100， 200， 500， 1000Ω(可通過軟件切換)
工作方式	脈沖回波法，透射法，內部或外部同步法
內部同步重復頻率	0.5，1.0，2.0，4.0，8.0kHz.
外部同步重復頻率	Max 8kHz
外部同步輸入	+5V -0V下降（TTL（生存時間））D－SUB 接口（9針）
外部同步輸出	0v +5v上升同軸電纜接口
基本時鐘	100MHz
線性調頻波	調頻比: -4.0～4.0
接收
頻率帶寬	300Hz?30MHz
增益	0 ~ 80 dB（加置放大器總增益140dB）單步0.3dB
輸入阻抗	10kΩ
輸出阻抗	50Ω
高通濾波器	0.01，0.2，1.0MHz
低通濾波器	1.0，2.0，5.0MHz
衰減	100， 200， 500， 1000Ω(可通過軟件切換)
AD控制器
頻率范圍	~ 50MHz
ADC分辨率	10bits
采樣頻率	100，50，20，10，5，2，1，0.5Ms/s(可通過軟件切換控制)
控制	通過USB接口與計算機連接進行控制
主要端口	6針接口：專用電纜線與前置放大器連接 BNC接口：脈沖輸入（R）/ 輸出 (T/R) 同軸電纜接口：射頻(RF) / 觸發(TRIG)輸出 USB接口: 與計算機連接 RS232接口：與多通道轉換器連接，進行通道切換控制
軟件	高級控制和分析軟件包；LABVIEW函數庫；可進行2次開發
主要功能	波形位置檢出、聲速計算、快速傅里葉變換（FFT）分析、FFT濾波器；波形保存，讀出，平均計算（max256），波形連續保存；可發射線性調頻波，進行多頻信號控制；進行脈沖壓縮處理(脈沖波 / 脈沖串/ 線性調頻波)。
電源	100 ~240V AC
尺寸	320 (W)mm X280(D)mm X 88(H) mm
重量	4.9kg
電力容量	10 W
使用溫度	5~40°C

2.2前置放大器

圖4 前置放大器

表3 PR－60A具體參數：

項目	規格
増益(dB)	40dB 通頻帶 60dB (帶通濾波器：100，200，400，800kHz)
頻率特性	0～3MHz
接口	6針接口：專用電纜線與發射接收器連接 BNC接口：與探頭連接
尺寸(mm)	66(W)X100(D)X47(H)

2.3機械裝置

圖4 機械部分

No.	項目	規格
1	X軸行程	400mm 自動
2	Y軸行程	400mm 自動
3	Z軸行程	150mm 手動
4	掃描速度	1～300mm/sec (1mm/sec step)
5	掃描間距	0.1mm～20mm (0.1mm step)
6	單軸精度	±0.02mm
7	兩維空間定位精度	±0.05mm
8	分辨率	0.02mm