高压功率放大器在复合材料线聚焦空耦超声传感器应用
案例：高压功率放大器在复合材料线聚焦空耦超声传感器应用
实验名称：基于气体基压电复合材料的线聚焦空耦超声传感器研制与应用
研究方向：
目前，国内外关于晶硅太阳能电池缺陷检测的方法主要有：光致荧光法、电致发光法和超声谐振技术等。采用光致荧光谱法，对比光致荧光信号的强度能充分反映出晶硅材料表面缺陷的深度。采用电致发光法辨别出了晶硅的内部和外部缺陷，对裂纹、断栅进行了识别和定位。提出了使用超声谐振技术对全尺寸晶硅片进行缺陷检测，通过谐振频率的漂移量和带宽来确定裂纹的尺寸。虽然利用上述方法能够部分实现对晶硅材料不同类型缺陷的检测，但由于相关检测设备价格昂贵、检测速度慢、检测精度低等，导致这些方法很少被应用到实际工程检测之中。近年来，超声导波技术逐渐成为了一种常用的无损检测方法，因其具有检测范围大、检测效率高等优势，被广泛地应用到了晶硅材料的缺陷检测中。
实验内容：
制作气体基线聚焦压电复合材料的具体制备流程中的压电复合材料是将压电陶瓷柱涂覆环氧胶后填入树脂基框架中常温固化所得。采用精细研磨的工艺去除多余的压电柱部分，使其上下表面均达到镜面等级。采用溅射镀膜的工艺对上下表面附着金属电极，最后得到的气体基线聚焦压电复合材料实物。对制作出的气体基线聚焦压电复合材料进行清洗、引线，最终装配成气体基线聚焦空耦传感器。其最小谐振频率ｆｍ为１５０ｋＨｚ，最大谐振频率ｆｎ为１７３ｋＨｚ，与仿真计算结果较为接近，且传感器的中心频率约为１５０ｋＨｚ。由此可计算出在传感器的中心频率下，聚焦声场的ｄＬ和ｄＦ分别为１．８８ｍｍ和１０．４５ｍｍ，与仿真结果较为接近。为了测得气体基线聚焦压电复合材料的声阻。
测试系统：
采用基于空耦超声传感器的Lamb波检测技术，对有裂纹缺陷的单晶硅太阳能电池片进行非接触式检测。电池片基本结构如图１１所示，其尺寸为１２５ｍｍ×１２５ｍｍ×２２０μｍ。电池片上表面覆有一层减反射膜，减反射膜上表面有负电极，其中两条较粗的平行电极为主电极，与其垂直的若干平行电极为栅电极，栅电极均与主电极相连，形成负电极。电池片内单晶硅的上部分为Ｎ型区域，下部分为Ｐ型区域，Ｐ型区域下方覆有一层铝膜作为正电极。
选择空气耦合超声检测系统为实验系统，系统中运动平台控制传感器的移动和扫描，函数发生器AFG3021B负责产生激励信号，高压功率放大器ATA-2021B高压放大器用于对激励信号进行放大，DPO4054数字示波器负责激励信号的显示以及接收信号的采集，并最终送入计算机中进行数据处理和分析。
结论：
（１）通过仿真分析与结构建模，采用压电柱切割、三维打印、精细研磨、溅射镀膜等工艺实现了气体基线聚焦压电复合材料的制作，最终制得的传感器具有低声阻抗特性，更适用于空耦检测环境；
（２）利用空耦Ｌａｍｂ波检测技术，成功将气体基线聚焦空耦传感器应用于单晶硅太阳能电池片裂纹缺陷的非接触式检测，并实现了对电池片中裂纹缺陷的定位。
图：缺陷检测实测信号 图：接受信号与参考信号的相关系数
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