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 疊片機

引言

隨著“中國制造2025”的推進，工業(yè)自動化程度越來越高。而自動化的實現(xiàn)過程首先是通過傳感器將產(chǎn)線的數(shù)據(jù)進行采集，然后后端對數(shù)據(jù)進行分析，最后通過指令來控制產(chǎn)線的運行。常用的傳感器，大部分可以歸結(jié)為聲、光、電、力等。在印刷機、薄膜薄片生產(chǎn)或使用設(shè)備中，薄膜或薄片可能會有兩張或多張貼合，不易察覺，在設(shè)備生產(chǎn)過程中，可能會出現(xiàn)卡頓、引起設(shè)備堵塞等情況，在這種調(diào)節(jié)下，就需要傳感器對其察覺，檢測，以保證設(shè)備及時發(fā)現(xiàn)這種情況，進一步停止設(shè)備，或?qū)﹄p張進行干預(yù)。傳統(tǒng)的雙張檢測主要以機械厚度控制厚度，或光電式檢測原理，是通過光線透過的能量大小，來經(jīng)行單雙張或多張識別。

傳統(tǒng)雙張檢測有以下幾種方案^[1]：

超聲波雙張檢測具有非接觸式檢測，對檢測設(shè)備和檢測材質(zhì)無損耗，檢測距離遠，檢測材質(zhì)范圍較廣且無需調(diào)整，對不透明材質(zhì)、灰塵等也無影響^[3]等優(yōu)勢，因此應(yīng)用越來越廣。

1　壓電換能器簡介

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、機械型超聲換能器等，目前壓電式換能器的理論研究和實際應(yīng)用最廣泛，其優(yōu)點包括：1）機電轉(zhuǎn)換效率高；2）容易加工成型；3）通過改變成分可制成發(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，可產(chǎn)生形變；反過來，壓電材料在一定方向受力產(chǎn)生機械形變時，會產(chǎn)生電壓。1961年法國物理學(xué)家郎之萬研制成功了第一個真正實用的壓電換能器，并將其應(yīng)用在潛艇的探測中^[4]。空氣中的超聲應(yīng)用進展緩慢，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。近年來，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展，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，例如：位置點傳感器、涂層或布匹厚度測量、表面缺陷檢測、液位測量等?？諝獬晜鞲衅鬟€被應(yīng)用于工業(yè)控制域、機械手的視覺傳感器和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域^[6]。

超聲波在傳播過程中，由一種介質(zhì)傳播經(jīng)過另一種介質(zhì)，兩種介質(zhì)阻抗不同時，會發(fā)生反射和透射。如果阻抗差異較大，則反射強于透射；如果阻抗差異不大，則透射強于反射。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)生了兩種不同的測量原理以及應(yīng)用。1）利用反射原理，可以測量目標(biāo)到聲源的距離。該原理是利用了聲波從聲源發(fā)出后到達不同介質(zhì)的目標(biāo)時，會產(chǎn)生反射，聲源記錄接收到反射波的時刻，根據(jù)發(fā)射時刻和接收時刻的時間差，乘以聲速的一半，即可以得到待測目標(biāo)的距離信息^[7]；2）利用不同介質(zhì)透射能量的不同，可以實現(xiàn)無損探傷、薄膜氣孔檢測，糾偏檢測，雙張檢測等。

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

2　超聲波雙張檢測原理

 超聲波雙張檢測原理就是利用上節(jié)中提到的超聲波在不同介質(zhì)間透射的強度不同，從而接收到的能量不同，根據(jù)接收能量來判斷是否存在目標(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)時雙張檢測器示意圖

Fig.2 Schematic diagram of double detector for double medium

超聲波雙張檢測傳感器由發(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。兩者中心對齊，并留有一定的距離，以保證待檢測物能夠順利通過。該距離不應(yīng)過小，以免待測物距離發(fā)射換能器距離或接收換能器太近，影響檢測效果。另一方面，距離也不應(yīng)過大，以免超聲波在空氣中的衰減的影響過大。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)沒有目標(biāo)介質(zhì)進入兩個換能器之間時，由于沒有阻擋，發(fā)射的能量全部被接收器接收，此時判定為無介質(zhì)。

當(dāng)進來的目標(biāo)介質(zhì)為一張時，待測物會透射部分能量進入到接收端。這受限于待測特的厚度及密度。圖中所示，透射能量為發(fā)射能量的10%，此時接收到能量會遠小于沒有阻擋時的能量，但能檢測到接收到能量，此時判斷為單張。

當(dāng)進來的目標(biāo)介質(zhì)為二張時，待測物在第一層介質(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，然后再能過第二層介質(zhì)，此時，第二次透射1%的能量到接收端。此時接收到的能量幾乎沒有，判斷為多張。因為一般多張都為雙張，而且此時為異常情況，因此，該檢測傳感器才被稱為雙張檢測器。

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

圖3 雙張檢測安裝示意圖

Fig.3 Double inspection installation diagram

3　雙張檢測在疊片機上的應(yīng)用

雙張在鋰電池疊片機的應(yīng)用，如圖4箭頭指示方向，鋰電池電極片在疊片過程中，如果兩張電極片貼合在一起，會對產(chǎn)品和設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響，在過程中，電極片不易透光，距離較遠，且常會有多種規(guī)格的電極片，因此光電、電容等檢測方式不適合，超聲波雙張檢測材質(zhì)范圍較寬，無需來回切換設(shè)定，就能很好的解決這一問題。

其作業(yè)流程是：移動爪抓取電極片，移動到下托盤上方（步驟a），然后移動爪移動到合適位置，雙張檢測進行單雙張判斷（步驟b），若檢測到單張則進行疊片（步驟c），若檢測到雙張則電極片單獨取走，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程中多張重疊的風(fēng)險。

圖4 雙張檢測在鋰電池疊片機上應(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)用會越來越廣泛，雙張檢測，可以經(jīng)行非接觸式檢測，且不受檢測材質(zhì)顏色影響，檢測范圍較寬，應(yīng)用會越來越廣。

參考文獻

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