劉柯江，李東杰，饒宇

（成都英薩傳感技術(shù)研究有限公司   成都  611730）

關(guān)鍵詞：壓電換能器 超聲波 雙張檢測(cè) 疊片機(jī)

引言

隨著“中國(guó)制造2025”的推進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化程度越來(lái)越高。而自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)過(guò)程首先是通過(guò)傳感器將產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后后端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后通過(guò)指令來(lái)控制產(chǎn)線的運(yùn)行。常用的傳感器，大部分可以歸結(jié)為聲、光、電、力等。在印刷機(jī)、薄膜薄片生產(chǎn)或使用設(shè)備中，薄膜或薄片可能會(huì)有兩張或多張貼合，不易察覺(jué)，在設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)卡頓、引起設(shè)備堵塞等情況，在這種調(diào)節(jié)下，就需要傳感器對(duì)其察覺(jué)，檢測(cè)，以保證設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種情況，進(jìn)一步停止設(shè)備，或?qū)﹄p張進(jìn)行干預(yù)。傳統(tǒng)的雙張檢測(cè)主要以機(jī)械厚度控制厚度，或光電式檢測(cè)原理，是通過(guò)光線透過(guò)的能量大小，來(lái)經(jīng)行單雙張或多張識(shí)別。

傳統(tǒng)雙張檢測(cè)有以下幾種方案^[1]：

超聲波雙張檢測(cè)具有非接觸式檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)材質(zhì)無(wú)損耗，檢測(cè)距離遠(yuǎn)，檢測(cè)材質(zhì)范圍較廣且無(wú)需調(diào)整，對(duì)不透明材質(zhì)、灰塵等也無(wú)影響^[3]等優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用越來(lái)越廣。

1　壓電換能器簡(jiǎn)介

超聲波換能器，是將能量轉(zhuǎn)換成超聲波的器件，超聲波換能器種類很多，按照能量轉(zhuǎn)換的機(jī)理和利用換能材料，可分為壓電換能器、磁致伸縮換能器、靜電換能器、機(jī)械型超聲換能器等，目前壓電式換能器的理論研究和實(shí)際應(yīng)用最廣泛，其優(yōu)點(diǎn)包括：1）機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高；2）容易加工成型；3）通過(guò)改變成分可制成發(fā)射型、接收型、收發(fā)一體型換能器；4）成本低，性能穩(wěn)定。

壓電換能器的發(fā)展和應(yīng)用是以壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和壓電材料的發(fā)展為前提條件的，1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電現(xiàn)象，當(dāng)壓電材料在一定方向受到電壓作用時(shí)，可產(chǎn)生形變；反過(guò)來(lái)，壓電材料在一定方向受力產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓。1961年法國(guó)物理學(xué)家郎之萬(wàn)研制成功了第一個(gè)真正實(shí)用的壓電換能器，并將其應(yīng)用在潛艇的探測(cè)中^[4]。空氣中的超聲應(yīng)用進(jìn)展緩慢，主要原因是氣體和固體的聲阻抗率分別為 0.0004 MRay和 1~35 MRay，難以將超聲波輻射出去^[5]，限制了超聲波探測(cè)。近年來(lái)，由于材料科學(xué)和微加工技術(shù)的發(fā)展， 空氣耦合超聲傳感器研究有了較大的進(jìn)展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，例如：位置點(diǎn)傳感器、涂層或布匹厚度測(cè)量、表面缺陷檢測(cè)、液位測(cè)量等?？諝獬晜鞲衅鬟€被應(yīng)用于工業(yè)控制域、機(jī)械手的視覺(jué)傳感器和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域^[6]。

超聲波在傳播過(guò)程中，由一種介質(zhì)傳播經(jīng)過(guò)另一種介質(zhì)，兩種介質(zhì)阻抗不同時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和透射。如果阻抗差異較大，則反射強(qiáng)于透射；如果阻抗差異不大，則透射強(qiáng)于反射。超聲波反射和透射的示意如下圖所示。

圖1 超聲波反射透射示意圖

Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic reflection and transmission

由此產(chǎn)生了兩種不同的測(cè)量原理以及應(yīng)用。1）利用反射原理，可以測(cè)量目標(biāo)到聲源的距離。該原理是利用了聲波從聲源發(fā)出后到達(dá)不同介質(zhì)的目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射，聲源記錄接收到反射波的時(shí)刻，根據(jù)發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻的時(shí)間差，乘以聲速的一半，即可以得到待測(cè)目標(biāo)的距離信息^[7]；2）利用不同介質(zhì)透射能量的不同，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損探傷、薄膜氣孔檢測(cè)，糾偏檢測(cè)，雙張檢測(cè)等。

除此之外超聲波還可以測(cè)速，一種是利用多普勒原理，通過(guò)頻率偏移來(lái)解算目標(biāo)速度；另一種是流體測(cè)速，利用聲波在傳播過(guò)程中，若介質(zhì)存在速度，介質(zhì)速度與超聲波傳播速度有一個(gè)疊加，然后通過(guò)時(shí)間偏差即可解出流體速度。

2　超聲波雙張檢測(cè)原理

 超聲波雙張檢測(cè)原理就是利用上節(jié)中提到的超聲波在不同介質(zhì)間透射的強(qiáng)度不同，從而接收到的能量不同，根據(jù)接收能量來(lái)判斷是否存在目標(biāo)^[8]，以及是一張目標(biāo)還是兩張目標(biāo)。其示意圖如下圖所示。

圖2 雙張介質(zhì)時(shí)雙張檢測(cè)器示意圖

Fig.2 Schematic diagram of double detector for double medium

超聲波雙張檢測(cè)傳感器由發(fā)射換能器、接收換能器以及控制和處理模塊組成。為方便說(shuō)明，圖中只畫出了發(fā)射換能換能器和接收換能器。兩者中心對(duì)齊，并留有一定的距離，以保證待檢測(cè)物能夠順利通過(guò)。該距離不應(yīng)過(guò)小，以免待測(cè)物距離發(fā)射換能器距離或接收換能器太近，影響檢測(cè)效果。另一方面，距離也不應(yīng)過(guò)大，以免超聲波在空氣中的衰減的影響過(guò)大。一般該距離有3cm-9cm，在此距離內(nèi)，超聲波的空氣衰減可以忽略。

當(dāng)沒(méi)有目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)入兩個(gè)換能器之間時(shí)，由于沒(méi)有阻擋，發(fā)射的能量全部被接收器接收，此時(shí)判定為無(wú)介質(zhì)。

當(dāng)進(jìn)來(lái)的目標(biāo)介質(zhì)為一張時(shí)，待測(cè)物會(huì)透射部分能量進(jìn)入到接收端。這受限于待測(cè)特的厚度及密度。圖中所示，透射能量為發(fā)射能量的10%，此時(shí)接收到能量會(huì)遠(yuǎn)小于沒(méi)有阻擋時(shí)的能量，但能檢測(cè)到接收到能量，此時(shí)判斷為單張。

當(dāng)進(jìn)來(lái)的目標(biāo)介質(zhì)為二張時(shí)，待測(cè)物在第一層介質(zhì)透射能量為發(fā)射的10%，然后在兩層介質(zhì)間的空氣中傳播，然后再能過(guò)第二層介質(zhì)，此時(shí)，第二次透射1%的能量到接收端。此時(shí)接收到的能量幾乎沒(méi)有，判斷為多張。因?yàn)橐话愣鄰埗紴殡p張，而且此時(shí)為異常情況，因此，該檢測(cè)傳感器才被稱為雙張檢測(cè)器。

當(dāng)檢測(cè)物厚度增加時(shí)，可以通過(guò)將傳感器以一定角度傾斜安裝，可以增加檢測(cè)靈敏度，推薦的兩種安裝方式如下所示。

圖3 雙張檢測(cè)安裝示意圖

Fig.3 Double inspection installation diagram

3　雙張檢測(cè)在疊片機(jī)上的應(yīng)用

雙張?jiān)阡囯姵丿B片機(jī)的應(yīng)用，如圖4箭頭指示方向，鋰電池電極片在疊片過(guò)程中，如果兩張電極片貼合在一起，會(huì)對(duì)產(chǎn)品和設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在過(guò)程中，電極片不易透光，距離較遠(yuǎn)，且常會(huì)有多種規(guī)格的電極片，因此光電、電容等檢測(cè)方式不適合，超聲波雙張檢測(cè)材質(zhì)范圍較寬，無(wú)需來(lái)回切換設(shè)定，就能很好的解決這一問(wèn)題。

其作業(yè)流程是：移動(dòng)爪抓取電極片，移動(dòng)到下托盤上方（步驟a），然后移動(dòng)爪移動(dòng)到合適位置，雙張檢測(cè)進(jìn)行單雙張判斷（步驟b），若檢測(cè)到單張則進(jìn)行疊片（步驟c），若檢測(cè)到雙張則電極片單獨(dú)取走，若是空氣則重新抓取電極片，預(yù)防和控制了電極片疊片過(guò)程中多張重疊的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 雙張檢測(cè)在鋰電池疊片機(jī)上應(yīng)用示意圖

Fig.4 Application diagram of double sheet detection in lithium battery laminating machine

4　結(jié) 論

壓電超聲傳感器隨著智能制造，應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，雙張檢測(cè)，可以經(jīng)行非接觸式檢測(cè)，且不受檢測(cè)材質(zhì)顏色影響，檢測(cè)范圍較寬，應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。

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