實驗名稱：基于氣體基壓電復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，并采用空耦超聲Lamb波檢測技術，對含有裂紋缺陷的單晶硅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并利用相關系數法，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復合材料，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硅太陽能電池片作為被檢測對象，其中裂紋方向與主電極方向平行，裂紋缺陷的長度為20mm，寬度為0.1mm，深度為整個電池片的厚度。為了能夠在電池片中激勵出特定的AO模態Lamb波，由單晶硅片中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。由單晶硅太陽能電池片的結構組成可知，電池片內單晶硅材料的有效厚度約為130-140μm。

圖2：有缺陷單晶硅太陽能電池片試樣

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，其中激勵傳感器為氣體基線聚焦空耦傳感器，接收傳感器為氣體基平面式空耦傳感器，兩傳感器之間相距70mm。調整旋轉平臺，使Lamb波的傳播路徑與缺陷長度方向垂直。設定傳感器的橫向掃描范圍為40mm，以兩傳感器連線距裂紋近端10mm為實驗的初始位置，以1mm為步長平行移動激勵和接收傳感器，采集每個位置處的接收信號，如圖2所示，其中T代表激勵傳感器，R代表接收傳感器。實驗中的激勵信號為5周期正弦信號，中心頻率為150kHz，電壓峰峰值為3v。

圖3：缺陷檢測實驗接收信號

分別提取Lamb波經歷無缺陷區域和缺陷中心區域時的接收信號，并對無缺陷處的直達波幅值和透射過缺陷的直達波幅值進行對比，結果如圖3所示。可以看出，當傳感器分別處于電池片的無缺陷位置和缺陷中心位置時，接收傳感器接收到的直達波幅值發生了明顯的變化。這是由于裂紋缺陷的存在導致電池片內的Lamb波在傳播到裂紋的邊界時，聲波在電池片和空氣的接觸面上發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復合材料的制作，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硅太陽能電池片裂紋缺陷的非接觸式檢測，并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高壓放大器指標參數

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審核編輯：湯梓紅