实验名称：基于气体基压电复合材料的线聚焦空耦超声传感器研制与应用

研究方向：超声传感器、超声波检测

测试目的：

对传感器进行激励接收性能测试，并采用空耦超声Lamb波检测技术，对含有裂纹缺陷的单晶硅太阳能电池片进行非接触式检测，通过分析接收信号的幅值信息并利用相关系数法，完成了对裂纹缺陷的检出和定位，实现了气体基线聚焦空耦传感器在缺陷检测中的应用。

测试设备：ATA-2041高压放大器、函数发生器、数字示波器

图：空气耦合超声检测实验系统示意图

实验过程：

先研制气体基线聚焦空耦传感器，再制作气体基线聚焦压电复合材料，对制作出的气体基线聚焦空耦传感器进行激励性能测试。

实验中选择中心位置加工有裂纹缺陷的单晶硅太阳能电池片作为被检测对象，其中裂纹方向与主电极方向平行，裂纹缺陷的长度为20mm，宽度为0.1mm，深度为整个电池片的厚度。为了能够在电池片中激励出特定的AO模态Lamb波，由单晶硅片中Lamb波的传播理论可知，在利用空气耦合的方式向电池片中激励Lamb波时，需要保证激励传感器和接收传感器沿对侧倾斜相同的角度。由单晶硅太阳能电池片的结构组成可知，电池片内单晶硅材料的有效厚度约为130-140μm。

图2：有缺陷单晶硅太阳能电池片试样

采用空气耦合的方式对有缺陷电池片进行检测，使用所示的空气耦合超声检测系统，将传感器布置于缺陷两侧，其中激励传感器为气体基线聚焦空耦传感器，接收传感器为气体基平面式空耦传感器，两传感器之间相距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为实验的初始位置，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，如图2所示，其中T代表激励传感器，R代表接收传感器。实验中的激励信号为5周期正弦信号，中心频率为150kHz，电压峰峰值为3v。

图3：缺陷检测实验接收信号

分别提取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，结果如图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。

实验结果：

1、通过仿真分析与结构建模，采用压电柱切割、三维打印、精细研磨、溅射镀膜等工艺实现了气体基线聚焦压电复合材料的制作，较终制得的传感器具有低声阻抗特性，更适用于空耦检测环境；

2、利用空耦Lamb波检测技术，成功将气体基线聚焦空耦传感器应用于单晶硅太阳能电池片裂纹缺陷的非接触式检测，并实现了对电池片中裂纹缺陷的定位。

安泰ATA-2041高压放大器：

图：ATA-2041高压放大器指标参数

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