空气耦合超声系统介绍

高灵敏度空气耦合超声波检测系统日本探头株式会社（Japan Probe Co., Ltd）是具有30多年历史的专业生产超声波探头、超声波发射接收器和检测系统的厂家，日本探头株式会社（Japan Probe Co., Ltd）利用自己的高新技术和丰富经验，针对不能用耦合剂无损检测的方法研究，经过多年努力和发展，终于研制成称之为“高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing 简称NAUT）”。NAUT可以广泛应用于以下材料检测：复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料、泡沫以及其他不能使用耦合剂的材料。 1.1 非接触式超声非接触式超声与常规超声检测类似，其最大的区别是非接触式超声不需要声耦合剂涂抹在待检测工件上，就能很好的将超声波从发射探头通过空气传播到待测工件中。常用声耦合剂包括机油、胶体、水等，这些耦合剂需要清理，通常会使得整套系统变得笨重，使得工作场所变得很脏乱。对于NAUT来说，周围环境空气就是其声耦合剂，高温低温工件及不适合用声耦合剂的工件也能进行超声波无损检测。在研制此系统时，为了使超声波有效的发射到空气中，穿过检测工件，并将接收信号进行成像处理，必须解决三个问题：第一，研制声阻抗匹配层材料，实现探头和空气的最佳耦合；第二，研制超高功率发射接收，实现向空中发射高功率的超声波；第三，研制前置放大器，实现接收信号的低噪音增幅。通过多年的努力，终于成功的研制成了“高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing ），打开了21世纪的超声无损检测的新纪元，我们将它命名为NAUT21，目前，NAUT21检测系统在复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料以及其他材料的检测上得到了很好的应用。现在广销日本、英国、韩国、美国、中国等国家，并受到客户的一致好评。1.2 NAUT21检测和分析所有的C扫描成像都是使用空气耦合超声穿透法通过两轴电动运动机构来实现。空气耦合超声波穿透法： 超声波从空气中发射到被检查材料内部，透过的超声波到达接收探头。通过透射的超声波峰值的大小来判断被检查材料内部是否存在缺陷。如下图1所示。 （a）NAUT21 平面检测 （b）NAUT21-R曲面检测图1 高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统的外观图图2 非接触空气耦合超声波检测原理 检测方法为穿透式，将工件放置在两探头中间，探头对称放置在工件两侧，以保证超声波垂直入射到工件中， 所有的信号在采集过程中都是原始波形，不使用信号处理。在C扫描成像中，红色代表超声穿透能量高，蓝色代表超声穿透能量低。2 产品参数以下部分是NAUT21空气耦合超声检测系统各个部分具体参数。2.1 超声波发射接收器 （a）正面图像 （b）背面图像MUX-16多通路转换器（c）JPR-600C的扩展应用例图3 JPR600C超声波发射接收器外观图图3（a）和（b）为JPR600C超声波发射接收器的正面图和背面图，为单通道。用户可根据实际检测需要选购多通道转换器，如图3（c）所示的与16通道转换器连接，可扩展为16通道。JPR600C具体参数见表2。表2 JPR600C具体参数发射脉冲形式矩形波：脉冲串，线性调频波脉冲电压10 600V 10V步进波数1 300发射频率30kHz10MHz30kHz100kHz1kHz 步进；100kHz1MHz10kHz 步进1MHz10MHz100kHz 步进启动时间20ns (10% 90%)衰减阻尼100, 200, 500, 1000 (可通过软件切换)工作方式脉冲回波法，透射法，内部或外部同步法内部同步 重复频率0.5，1.0，2.0，4.0，8.0kHz.外部同步 重复频率Max 8kHz外部同步输入+5V -0V下降（TTL（生存时间） DSUB 接口（9针）外部同步输出0v +5v上升 同轴电缆接口基本时钟100MHz线性调频波调频比: -4.04.0接收频率带宽300Hz30MHz增益0 80 dB（加置放大器总增益140dB）单步0.3dB输入阻抗10k输出阻抗50高通滤波器0.01，0.2，1.0MHz低通滤波器1.0，2.0，5.0MHz衰减100, 200, 500, 1000 (可通过软件切换)AD控制器频率范围 50MHzADC分辨率10bits采样频率100，50，20，10，5，2，1，0.5Ms/s(可通过软件切换控制)控制通过USB接口与计算机连接进行控制主要端口6针接口：专用电缆线与前置放大器连接BNC接口：脉冲输入（R）/ 输出 (T/R)同轴电缆接口：射频(RF) / 触发(TRIG)输出USB接口: 与计算机连接RS232接口：与多通道转换器连接，进行通道切换控制软件高级控制和分析软件包；LABVIEW函数库；可进行2次开发主要功能波形位置检出、声速计算、快速傅里叶变换（FFT）分析、FFT滤波器；波形保存，读出，平均计算（最大256），波形连续保存；可发射线性调频波，进行多频信号控制；进行脉冲压缩处理 (脉冲波 / 脉冲串/ 线性调频波)。电源100 240V AC尺寸320 (W)mm X280(D)mm X 88(H) mm重量4.9kg电力容量10 W使用温度540C2.2 前置放大器图4 前置放大器表3 PR60A具体参数：项 目规 格増 益(dB)40dB 通频带60dB (带通滤波器：100,200,400,800kHz)频率特性03MHz接口6针接口：专用电缆线与发射接收器连接BNC接口：与探头连接尺寸(mm)66(W)X100(D)X47(H)2.3 机械装置图4 机械部分No.项 目规 格1X轴行程400mm 自动2Y轴行程400mm 自动3Z轴行程150mm 手动4扫描速度1300mm/sec (1mm/sec step)5扫描间距0.1mm20mm (0.1mm step)6单轴精度0.02mm7两维空间定位精度0.05mm8分辨率0.02mm2.3 支持检测方法No.项 目1两侧2探透射法（垂直透射和斜角透射）2单侧2探透射法3单侧2探 导波检测法2.4 数据处理系统1. 支持Windows 7操作系统3.随意移动光标2. 高级的数据分析功能具体包括：分析A扫数据；统计特性；注释功能；原始数据滤波；C扫时，同时可显示声波波形 图6 C扫描成像例强大的调色板功能；2.5 探头库Japan Probe针对不同应用和材料开发了不同频率和外形的探头：点聚焦探头、线聚焦探头及平面探头（见图7）。同时根据特殊需求，可以制作专用探头。针对大多数应用案例，Japan Probe提出标准探头包，即两个0.4K20NR40空气耦合超声波探头