劉柯江，李東杰，饒宇

（成都英薩傳感技術研究有限公司   成都  611730）

關鍵詞：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，工業自動化程度越來越高。而自動化的實現過程首先是通過傳感器將產線的數據進行采集，然后后端對數據進行分析，最后通過指令來控制產線的運行。常用的傳感器，大部分可以歸結為聲、光、電、力等。在印刷機、薄膜薄片生產或使用設備中，薄膜或薄片可能會有兩張或多張貼合，不易察覺，在設備生產過程中，可能會出現卡頓、引起設備堵塞等情況，在這種調節下，就需要傳感器對其察覺，檢測，以保證設備及時發現這種情況，進一步停止設備，或對雙張進行干預。傳統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，來經行單雙張或多張識別。

傳統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，對檢測設備和檢測材質無損耗，檢測距離遠，檢測材質范圍較廣且無需調整，對不透明材質、灰塵等也無影響^[3]等優勢，因此應用越來越廣。

1　壓電換能器簡介

超聲波換能器，是將能量轉換成超聲波的器件，超聲波換能器種類很多，按照能量轉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用最廣泛，其優點包括：1）機電轉換效率高；2）容易加工成型；3）通過改變成分可制成發射型、接收型、收發一體型換能器；4）成本低，性能穩定。

壓電換能器的發展和應用是以壓電效應的發現和壓電材料的發展為前提條件的，1880年居里兄弟發現了晶體的壓電現象，當壓電材料在一定方向受到電壓作用時，可產生形變；反過來，壓電材料在一定方向受力產生機械形變時，會產生電壓。1961年法國物理學家郎之萬研制成功了第一個真正實用的壓電換能器，并將其應用在潛艇的探測中^[4]。空氣中的超聲應用進展緩慢，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，由于材料科學和微加工技術的發展， 空氣耦合超聲傳感器研究有了較大的進展，應用領域也越來越廣泛，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。空氣超聲傳感器還被應用于工業控制域、機械手的視覺傳感器和生物醫學領域^[6]。

超聲波在傳播過程中，由一種介質傳播經過另一種介質，兩種介質阻抗不同時，會發生反射和透射。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

由此產生了兩種不同的測量原理以及應用。1）利用反射原理，可以測量目標到聲源的距離。該原理是利用了聲波從聲源發出后到達不同介質的目標時，會產生反射，聲源記錄接收到反射波的時刻，根據發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的距離信息^[7]；2）利用不同介質透射能量的不同，可以實現無損探傷、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速度；另一種是流體測速，利用聲波在傳播過程中，若介質存在速度，介質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中提到的超聲波在不同介質間透射的強度不同，從而接收到的能量不同，根據接收能量來判斷是否存在目標^[8]，以及是一張目標還是兩張目標。其示意圖如下圖所示。

圖2 雙張介質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。該距離不應過小，以免待測物距離發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，超聲波的空氣衰減可以忽略。

當沒有目標介質進入兩個換能器之間時，由于沒有阻擋，發射的能量全部被接收器接收，此時判定為無介質。

當進來的目標介質為一張時，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。

當進來的目標介質為二張時，待測物在第一層介質透射能量為發射的10%，然后在兩層介質間的空氣中傳播，然后再能過第二層介質，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用

雙張在鋰電池疊片機的應用，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，會對產品和設備產生嚴重影響，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范圍較寬，無需來回切換設定，就能很好的解決這一問題。

其作業流程是：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，預防和控制了電極片疊片過程中多張重疊的風險。

圖4 雙張檢測在鋰電池疊片機上應用示意圖

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

4　結 論

壓電超聲傳感器隨著智能制造，應用會越來越廣泛，雙張檢測，可以經行非接觸式檢測，且不受檢測材質顏色影響，檢測范圍較寬，應用會越來越廣。

參考文獻

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[4]       林書玉. 超聲換能器的原理及設計[M]. 北京: 科學出版社, 2004: 2-4

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