沈宇平 朱绪祥 孙中明
苏州博昇科技有限公司 江苏 苏州 215127
摘要：空气耦合超声检测相比于传统超声具有非接触、无需耦合剂、可检非常薄的工件、可适应复杂的工件曲面等诸多优点。本文介绍了苏州博昇科技开发的空气耦合超声自动检测系统及其相关应用，该系统具有高功率超声波发射器、高灵敏度空耦换能器和高增益信号放大器，可对各种材料进行快速非接触无损检测。
关键词：空气耦合；非接触；无损检测；Ｃ扫描；
１、应用背景
空气耦合超声(下文简称空耦)检测相比传统压电超声检测有很多优点：（1）非接触，换能器离工件的距离可在几毫米到100毫米之间；（2）不需要水或者其它粘稠耦合剂，空气直接就充当了耦合剂的角色，这对于很多检测尤其是不能碰到水的工件尤为重要；（3）可检测非常薄的工件；（4）可适应复杂的工件曲面，对表面形状复杂的工件，压电超声换能器需要经过繁琐的加工打磨才能保证检测的有效性，但是对空气耦合超声来说只要改变换能器夹具的空间位置即可。相比于射线检测，空耦系统对工件内气隙非常敏感。空耦检测可应用到航天复合材料、锂电池等常规方法难以检测的领域。
目前国内有关空耦检测的研究比较少，主要原因是受制于无国产化的空耦超声仪器系统。由于超声波存在空气中的快速衰减和界面处的强烈反射等特性，长期以来空耦检测技术无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信噪比和分辨率，空耦检测系统开发的难度较大。
本文介绍了苏州博昇科技开发的空气耦合超声自动检测系统及相关应用。该系统具有高功率超声波发射器、高灵敏度空耦换能器和高增益信号放大器，可对各种材料进行快速非接触式无损检测，为广大科技工作者以及商业用户提供新型有效的检测手段。
２、仪器系统原理
本实验采用的苏州博昇科技有限公司设计制造的PR-ACUT-100空气耦合超声自动化检测系统。该仪器的功能框图如图1所示。
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图1. 苏州博昇科技PR-ACUT-100原理示意图
该仪器运行频率范围50KHz到1.2MHz，工作电压可达Vpp1200V，可采用同轴双侧透射式和单侧单探头反射式检测方法。本文所述的应用实例检测时采用的换能器为焦距40mm的点聚焦探头，频率为300KHz，带宽为200KHz，直径为30mm；机械扫查系统为两轴平面丝杆系统，重复定位精度为±0.02mm。整个系统如图2所示。
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图2. 苏州博昇科技PR-ACUT-100空耦扫查检测系统
3、铝板检测
使用该系统测试铝板打平底孔后的空耦检测信号。材料为铝合金5052，厚度3mm。在铝合金试板上加工平底孔人工缺陷。扫查方式为单探头反射式。图3为铝合金试板的实物照片和C扫描图。可以清楚的观察到C扫描图上的孔能与试板上的孔做到一一对应，且具有清晰的边缘轮廓。图4是该空气耦合超声系统的典型A扫描信号。图5是换能器来回通过一排平底孔的单探头反射B扫描信号，从图可见通过平底孔时非常明显的相移。
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图3. 铝合金试板的实物照片和C扫描图
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图4. 典型A扫描信号 图5. 典型的B扫描信号
4、ABS板检测
测试ABS板打盲孔覆盖铜皮后的空耦检测信号。在6mm厚的ABS塑料板上打3个不同深度的盲孔及9个不同直径φ1-φ9mm盲孔，然后用0.8mm厚的铜皮将所有盲孔覆盖上，放到空气耦合系统扫描架上进行扫描。扫查方式为双侧同轴透射式。图6是ABS板打孔覆盖铜皮后的空气耦合超声双侧同轴透射C扫描图像。实验结果显示PR-ACUT-100系统能扫查出所有人工伤，最小人工伤为Φ1mm.
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打孔的ABS板 ABS板打孔后覆上铜皮 空耦超声C扫描
图6. ABS板打孔覆盖铜皮后的空耦C扫描
5、结论
空气耦合超声具有非接触、无需耦合剂、良好的曲面适应性等优点，具有广阔的应用前景。本文应用苏州博昇科技有限公司开发的空气耦合超声自动检测系统，采用单探头反射法和双侧探头同轴透射法，测试了铝板和ABS板。经测试该系统的C扫描图像可以找出所有人工伤。该空耦检测系统为广大科技工作者以及商业用户提供了新型有效的检测手段。
参考综合性文献：
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