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高靈敏度空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)
日本探頭株式會(huì)社（Japan Probe Co.， Ltd）是具有30多年歷史的專業(yè)生產(chǎn)超聲波探頭、超聲波發(fā)射接收器和檢測(cè)系統(tǒng)的廠家，日本探頭株式會(huì)社（Japan Probe Co.， Ltd）利用自己的高新技術(shù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不能用耦合劑無(wú)損檢測(cè)的方法研究，經(jīng)過(guò)多年努力和發(fā)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(cè)系統(tǒng)（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing簡(jiǎn)稱NAUT）”。NAUT可以廣泛應(yīng)用于以下材料檢測(cè)：復(fù)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。
非接觸式超聲與常規(guī)超聲檢測(cè)類似，其區(qū)別是非接觸式超聲不需要聲耦合劑涂抹在待檢測(cè)工件上，就能很好的將超聲波從發(fā)射探頭通過(guò)空氣傳播到待測(cè)工件中。常用聲耦合劑包括機(jī)油、膠體、水等，這些耦合劑需要清理，通常會(huì)使得整套系統(tǒng)變得笨重，使得工作場(chǎng)所變得很臟亂。對(duì)于NAUT來(lái)說(shuō)，周圍環(huán)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(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)。
在研制此系統(tǒng)時(shí)，為了使超聲波有效的發(fā)射到空氣中，穿過(guò)檢測(cè)工件，并將接收信號(hào)進(jìn)行成像處理，必須解決三個(gè)問(wèn)題：一，研制聲阻抗匹配層材料，實(shí)現(xiàn)探頭和空氣的耦合；第二，研制超高功率發(fā)射接收，實(shí)現(xiàn)向空中發(fā)射高功率的超聲波；第三，研制前置放大器，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的低噪音增幅。通過(guò)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(cè)系統(tǒng)（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing），打開(kāi)了21世紀(jì)的超聲無(wú)損檢測(cè)的新紀(jì)元，我們將它命名為NAUT21，目前，NAUT21檢測(cè)系統(tǒng)在復(fù)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(cè)上得到了很好的應(yīng)用?，F(xiàn)在廣銷日本、英國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家，并受到客戶的一致好評(píng)。
所有的C掃描成像都是使用空氣耦合超聲穿透法通過(guò)兩軸電動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。空氣耦合超聲波穿透法：超聲波從空氣中發(fā)射到被檢查材料內(nèi)部，透過(guò)的超聲波到達(dá)接收探頭。通過(guò)透射的超聲波峰值的大小來(lái)判斷被檢查材料內(nèi)部是否存在缺陷。如下圖1所示。
（a）NAUT21 平面檢測(cè)（b）NAUT21-R曲面檢測(cè)
圖1 高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的外觀圖
圖2 非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)原理
檢測(cè)方法為穿透式，將工件放置在兩探頭中間，探頭對(duì)稱放置在工件兩側(cè)，以保證超聲波垂直入射到工件中，所有的信號(hào)在采集過(guò)程中都是原始波形，不使用信號(hào)處理。在C掃描成像中，紅色代表超聲穿透能量高，藍(lán)色代表超聲穿透能量低。
以下部分是NAUT21空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)部分具體參數(shù)。
（a）正面圖像（b）背面圖像
| MUX-16多通路轉(zhuǎn)換器 |
（c）JPR-600C的擴(kuò)展應(yīng)用例
圖3 JPR－600C超聲波發(fā)射接收器外觀圖
圖3（a）和（b）為JPR－600C超聲波發(fā)射接收器的正面圖和背面圖，為單通道。用戶可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要選購(gòu)多通道轉(zhuǎn)換器，如圖3（c）所示的與16通道轉(zhuǎn)換器連接，可擴(kuò)展為16通道。JPR－600C具體參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 JPR－600C具體參數(shù)
發(fā)射 | |
脈沖形式 | 矩形波：脈沖串，線性調(diào)頻波 |
脈沖電壓 | 10 ~ 600V 10V步進(jìn) |
波數(shù) | 1~ 300 |
發(fā)射頻率 | 30kHz?10MHz 30kHz?100kHz 1kHz 步進(jìn)； 100kHz?1MHz 10kHz 步進(jìn) 1MHz?10MHz 100kHz 步進(jìn) |
啟動(dòng)時(shí)間 | 20ns(10% ~ 90%) |
衰減阻尼 | 100， 200， 500， 1000Ω(可通過(guò)軟件切換) |
工作方式 | 脈沖回波法，透射法，內(nèi)部或外部同步法 |
內(nèi)部同步重復(fù)頻率 | 0.5，1.0，2.0，4.0，8.0kHz. |
外部同步重復(fù)頻率 | Max 8kHz |
外部同步輸入 | +5V -0V下降（TTL（生存時(shí)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(shí)鐘 | 100MHz |
線性調(diào)頻波 | 調(diào)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(guò)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(guò)軟件切換控制) |
控制 | 通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)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(fā)(TRIG)輸出 USB接口: 與計(jì)算機(jī)連接 RS232接口：與多通道轉(zhuǎn)換器連接，進(jìn)行通道切換控制 |
軟件 | 高級(jí)控制和分析軟件包；LABVIEW函數(shù)庫(kù)；可進(jìn)行2次開(kāi)發(fā) |
主要功能 | 波形位置檢出、聲速計(jì)算、快速傅里葉變換（FFT）分析、FFT濾波器； 波形保存，讀出，平均計(jì)算（max256），波形連續(xù)保存； 可發(fā)射線性調(diào)頻波，進(jìn)行多頻信號(hào)控制； 進(jìn)行脈沖壓縮處理(脈沖波 / 脈沖串/ 線性調(diào)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 |
圖4 前置放大器
表3 PR－60A具體參數(shù)：
項(xiàng)目 | 規(guī)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(fā)射接收器連接 BNC接口：與探頭連接 |
尺寸(mm) | 66(W)X100(D)X47(H) |
圖4 機(jī)械部分
No. | 項(xiàng)目 | 規(guī)格 |
1 | X軸行程 | 400mm 自動(dòng) |
2 | Y軸行程 | 400mm 自動(dòng) |
3 | Z軸行程 | 150mm 手動(dòng) |
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 |
No. | 項(xiàng)目 |
1 | 兩側(cè)2探透射法（垂直透射和斜角透射） |
2 | 單側(cè)2探透射法 |
3 | 單側(cè)2探導(dǎo)波檢測(cè)法 |
1. 支持Windows 7操作系統(tǒng)
3.隨意移動(dòng)光標(biāo)
2. 高級(jí)的數(shù)據(jù)分析功能
具體包括：
①分析A掃數(shù)據(jù)；
②統(tǒng)計(jì)特性；
③注釋功能；
④原始數(shù)據(jù)濾波；
⑤C掃時(shí)，同時(shí)可顯示聲波波形圖6 C掃描成像例
⑥強(qiáng)大的調(diào)色板功能；
Japan Probe針對(duì)不同應(yīng)用和材料開(kāi)發(fā)了不同頻率和外形的探頭：點(diǎn)聚焦探頭、線聚焦探頭及平面探頭（見(jiàn)圖7）。同時(shí)根據(jù)特殊需求，可以制作專用探頭。針對(duì)大多數(shù)應(yīng)用案例，Japan Probe提出標(biāo)準(zhǔn)探頭包，即兩個(gè)0.4K20NR40空氣耦合超聲波探頭， 頻率400kHz， 直徑20mm，鋁制外殼，頂部有Lemo0接口。
該探頭包不能滿足所有應(yīng)用需求，因?yàn)槭褂貌煌筋^檢測(cè)時(shí)受到材料聲阻抗的影響，導(dǎo)致檢測(cè)效果也不同。建議用戶應(yīng)根據(jù)不同檢測(cè)材料配備不同類型的探頭。
圖7 空氣耦合探頭種類
橫式
立式
多通道
空耦水浸兩用型
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手機(jī)版：
工商已核實(shí)
