實驗名稱：基于氣體基壓電複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：

　　對傳感器進行激勵接收性能測試，並采用空耦超聲Lamb波檢測技術，對含有裂紋缺陷的單晶矽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並利用相關系數法，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：空氣耦合超聲檢測實驗系統示意圖

　　實驗過程：

　　先研制氣體基線聚焦空耦傳感器，再制作氣體基線聚焦壓電複合材料，對制作出的氣體基線聚焦空耦傳感器進行激勵性能測試。

　　實驗中選擇中心位置加工有裂紋缺陷的單晶矽太陽能電池片作爲被檢測對象，其中裂紋方向與主電極方向平行，裂紋缺陷的長度爲20mm，寬度爲0.1mm，深度爲整個電池片的厚度。爲了能夠在電池片中激勵出特定的AO模態Lamb波，由單晶矽片中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。由單晶矽太陽能電池片的結構組成可知，電池片內單晶矽材料的有效厚度約爲130-140μm。

圖2：有缺陷單晶矽太陽能電池片試樣

　　采用空氣耦合的方式對有缺陷電池片進行檢測，使用所示的空氣耦合超聲檢測系統，將傳感器布置于缺陷兩側，其中激勵傳感器爲氣體基線聚焦空耦傳感器，接收傳感器爲氣體基平面式空耦傳感器，兩傳感器之間相距70mm。调整旋转平台，使Lamb波的传播路径与缺陷长度方向垂直。设定传感器的横向扫描范围为40mm，以两传感器连线距裂纹近端10mm为實驗的初始位置，以1mm为步长平行移动激励和接收传感器，采集每个位置处的接收信号，如圖2所示，其中T代表激励传感器，R代表接收传感器。實驗中的激励信号为5周期正弦信号，中心频率为150kHz，电压峰峰值为3v。

圖3：缺陷檢測實驗接收信號

　　分別提取Lamb波经历无缺陷区域和缺陷中心区域时的接收信号，并对无缺陷处的直达波幅值和透射过缺陷的直达波幅值进行对比，结果如圖3所示。可以看出，当传感器分别处于电池片的无缺陷位置和缺陷中心位置时，接收传感器接收到的直达波幅值发生了明显的变化。这是由于裂纹缺陷的存在导致电池片内的Lamb波在传播到裂纹的边界时，声波在电池片和空气的接触面上发生了巨大的反射所造成的。

　　實驗結果：

　　1、通過仿真分析與結構建模，采用壓電柱切割、三維打印、精細研磨、濺射鍍膜等工藝實現了氣體基線聚焦壓電複合材料的制作，最終制得的傳感器具有低聲阻抗特性，更適用于空耦檢測環境；

　　2、利用空耦Lamb波檢測技術，成功將氣體基線聚焦空耦傳感器應用于單晶矽太陽能電池片裂紋缺陷的非接觸式檢測，並實現了對電池片中裂紋缺陷的定位。

　　安泰ATA-2041高壓放大器：

圖：ATA-2041高壓放大器指标参数

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