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高灵敏度空气耦合超声波检测系统
日本探头株式会社（Japan Probe Co.， Ltd）是具有30多年历史的专业生产超声波探头、超声波发射接收器和检测系统的厂家，日本探头株式会社（Japan Probe Co.， Ltd）利用自己的高新技术和丰富经验，针对不能用耦合剂无损检测的方法研究，经过多年努力和发展，终于研制成称之为“高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing简称NAUT）”。NAUT可以广泛应用于以下材料检测：复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料、泡沫以及其他不能使用耦合剂的材料。
1.1非接触式超声
非接触式超声与常规超声检测类似，其区别是非接触式超声不需要声耦合剂涂抹在待检测工件上，就能很好的将超声波从发射探头通过空气传播到待测工件中。常用声耦合剂包括机油、胶体、水等，这些耦合剂需要清理，通常会使得整套系统变得笨重，使得工作场所变得很脏乱。对于NAUT来说，周围环境空气就是其声耦合剂，高温低温工件及不适合用声耦合剂的工件也能进行超声波无损检测。
在研制此系统时，为了使超声波有效的发射到空气中，穿过检测工件，并将接收信号进行成像处理，必须解决三个问题：一，研制声阻抗匹配层材料，实现探头和空气的耦合；第二，研制超高功率发射接收，实现向空中发射高功率的超声波；第三，研制前置放大器，实现接收信号的低噪音增幅。通过多年的努力，终于成功的研制成了“高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing），打开了21世纪的超声无损检测的新纪元，我们将它命名为NAUT21，目前，NAUT21检测系统在复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料以及其他材料的检测上得到了很好的应用。现在广销日本、英国、韩国、美国、中国等国家，并受到客户的一致好评。
1.2NAUT21检测和分析
所有的C扫描成像都是使用空气耦合超声穿透法通过两轴电动运动机构来实现。空气耦合超声波穿透法：超声波从空气中发射到被检查材料内部，透过的超声波到达接收探头。通过透射的超声波峰值的大小来判断被检查材料内部是否存在缺陷。如下图1所示。
（a）NAUT21 平面检测（b）NAUT21-R曲面检测
图1 高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统的外观图
图2 非接触空气耦合超声波检测原理
检测方法为穿透式，将工件放置在两探头中间，探头对称放置在工件两侧，以保证超声波垂直入射到工件中，所有的信号在采集过程中都是原始波形，不使用信号处理。在C扫描成像中，红色代表超声穿透能量高，蓝色代表超声穿透能量低。
2产品参数
以下部分是NAUT21空气耦合超声检测系统各个部分具体参数。
2.1超声波发射接收器
（a）正面图像（b）背面图像
| MUX-16多通路转换器 |
（c）JPR-600C的扩展应用例
图3 JPR－600C超声波发射接收器外观图
图3（a）和（b）为JPR－600C超声波发射接收器的正面图和背面图，为单通道。用户可根据实际检测需要选购多通道转换器，如图3（c）所示的与16通道转换器连接，可扩展为16通道。JPR－600C具体参数见表2。
表2 JPR－600C具体参数
发射 | |
脉冲形式 | 矩形波：脉冲串，线性调频波 |
脉冲电压 | 10 ~ 600V 10V步进 |
波数 | 1~ 300 |
发射频率 | 30kHz?10MHz 30kHz?100kHz 1kHz 步进； 100kHz?1MHz 10kHz 步进 1MHz?10MHz 100kHz 步进 |
启动时间 | 20ns(10% ~ 90%) |
衰减阻尼 | 100， 200， 500， 1000Ω(可通过软件切换) |
工作方式 | 脉冲回波法，透射法，内部或外部同步法 |
内部同步重复频率 | 0.5，1.0，2.0，4.0，8.0kHz. |
外部同步重复频率 | Max 8kHz |
外部同步输入 | +5V -0V下降（TTL（生存时间））D－SUB 接口（9针） |
外部同步输出 | 0v +5v上升同轴电缆接口 |
基本时钟 | 100MHz |
线性调频波 | 调频比: -4.0～4.0 |
接收 | |
频率带宽 | 300Hz?30MHz |
增益 | 0 ~ 80 dB（加置放大器总增益140dB）单步0.3dB |
输入阻抗 | 10kΩ |
输出阻抗 | 50Ω |
高通滤波器 | 0.01，0.2，1.0MHz |
低通滤波器 | 1.0，2.0，5.0MHz |
衰减 | 100， 200， 500， 1000Ω(可通过软件切换) |
AD控制器 | |
频率范围 | ~ 50MHz |
ADC分辨率 | 10bits |
采样频率 | 100，50，20，10，5，2，1，0.5Ms/s(可通过软件切换控制) |
控制 | 通过USB接口与计算机连接进行控制 |
主要端口 | 6针接口：专用电缆线与前置放大器连接 BNC接口：脉冲输入（R）/ 输出 (T/R) 同轴电缆接口：射频(RF) / 触发(TRIG)输出 USB接口: 与计算机连接 RS232接口：与多通道转换器连接，进行通道切换控制 |
软件 | 高级控制和分析软件包；LABVIEW函数库；可进行2次开发 |
主要功能 | 波形位置检出、声速计算、快速傅里叶变换（FFT）分析、FFT滤波器； 波形保存，读出，平均计算（max256），波形连续保存； 可发射线性调频波，进行多频信号控制； 进行脉冲压缩处理(脉冲波 / 脉冲串/ 线性调频波)。 |
电源 | 100 ~240V AC |
尺寸 | 320 (W)mm X280(D)mm X 88(H) mm |
重量 | 4.9kg |
电力容量 | 10 W |
使用温度 | 5~40°C |
2.2前置放大器
图4 前置放大器
表3 PR－60A具体参数：
项目 | 规格 |
増益(dB) | 40dB 通频带 60dB (带通滤波器：100，200，400，800kHz) |
频率特性 | 0～3MHz |
接口 | 6针接口：专用电缆线与发射接收器连接 BNC接口：与探头连接 |
尺寸(mm) | 66(W)X100(D)X47(H) |
2.3机械装置
图4 机械部分
No. | 项目 | 规格 |
1 | X轴行程 | 400mm 自动 |
2 | Y轴行程 | 400mm 自动 |
3 | Z轴行程 | 150mm 手动 |
4 | 扫描速度 | 1～300mm/sec (1mm/sec step) |
5 | 扫描间距 | 0.1mm～20mm (0.1mm step) |
6 | 单轴精度 | ±0.02mm |
7 | 两维空间定位精度 | ±0.05mm |
8 | 分辨率 | 0.02mm |
2.3支持检测方法
No. | 项目 |
1 | 两侧2探透射法（垂直透射和斜角透射） |
2 | 单侧2探透射法 |
3 | 单侧2探导波检测法 |
2.4数据处理系统
1. 支持Windows 7操作系统
3.随意移动光标
2. 高级的数据分析功能
具体包括：
①分析A扫数据；
②统计特性；
③注释功能；
④原始数据滤波；
⑤C扫时，同时可显示声波波形图6 C扫描成像例
⑥强大的调色板功能；
2.5探头库
Japan Probe针对不同应用和材料开发了不同频率和外形的探头：点聚焦探头、线聚焦探头及平面探头（见图7）。同时根据特殊需求，可以制作专用探头。针对大多数应用案例，Japan Probe提出标准探头包，即两个0.4K20NR40空气耦合超声波探头， 频率400kHz， 直径20mm，铝制外壳，顶部有Lemo0接口。
该探头包不能满足所有应用需求，因为使用不同探头检测时受到材料声阻抗的影响，导致检测效果也不同。建议用户应根据不同检测材料配备不同类型的探头。
图7 空气耦合探头种类
2.6空气耦合超声波检测系统类型
横式
立式
多通道
空耦水浸两用型
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