基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法及测量系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法及测量系统，其中方法包括测量激励信号在空气中传播得到的第一衰减信号的能量；测量所述激励信号经过多层介质薄膜后得到的第二衰减信号的能量，多层介质薄膜位于空气耦合超声换能器的信号发射换能器和信号接收换能器之间；根据第一衰减信号和第二衰减信号的能量差异，计算多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值；变换空气耦合超声换能器的位置，重复执行上述步骤，得到多层介质薄膜不同测量位置聚焦点处的面密度值，通过取平均值得到多层介质薄膜的面密度。利用本发明专利技术基于空气耦合超声手段测量多层弹性介质薄膜面密度，有利于实现涂炭铝箔表面碳层涂覆质量的无损、快速评价，提高制备质量和制备效率。

Measurement method and system of film surface density based on air coupled ultrasound

The invention discloses a film surface density measurement method and a measurement system based on air coupled ultrasound, wherein the method includes measuring the energy of the first attenuation signal obtained by the propagation of the excitation signal in the air; measuring the energy of the second attenuation signal obtained by the excitation signal passing through the multi-layer dielectric film, and the multi-layer dielectric film is located in the signal emission and energy exchange of the air coupled ultrasonic transducer Between the sensor and the signal receiving transducer; according to the energy difference between the first attenuation signal and the second attenuation signal, calculate the area density value at the focus point of the measurement position of the multilayer dielectric film; change the position of the air coupled ultrasonic transducer, repeat the above steps, get the area density value at the focus point of the different measurement positions of the multilayer dielectric film, and get the multilayer dielectric by taking the average value The surface density of the film. Using the air coupling ultrasonic method to measure the surface density of the multilayer elastic medium film is conducive to realizing the nondestructive and rapid evaluation of the coating quality of the carbon layer on the surface of the carbon coated aluminum foil, and improving the preparation quality and the preparation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法及测量系统
本专利技术涉及无损检测
，尤其涉及一种基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法及测量系统。
技术介绍
锂电池因其重量轻、能量比高、自放电率低等独特的有点，已经被广泛运用于从国防到民用的各个领域中。锂电池的优越性与其使用涂炭铝箔有着密切的关系。涂炭铝箔通过使用含碳的浆料在铝箔表面涂覆一层3微米左右厚度的碳层，可以增加锂电池活性物质粘接力，增加Li离子运动空隙进而提升充放电性能、降低内阻、增加电池容量。而涂炭铝箔的性能好坏主要通过表面碳层的涂覆材料和涂覆均匀度来衡量。由于锂电池生产制备的要求的限制，涂炭铝箔表面涂层的均匀度的测量十分困难。空气耦合超声检测技术是一种以空气作为耦合剂的无损的、无接触的检测方法。上述这些特点很好的满足了锂电池涂炭铝箔检测的要求，既不会破坏碳层结构，也不需要使用耦合剂，提高了检测的安全性和效率。此技术已经运用于一些薄膜结构的厚度检测当中，但是对于锂电池涂炭铝箔这种多层弹性介质结构的面密度测量仍缺乏相关有效的检测技术。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法及测量系统，通过空气耦合超声手段，实现对于多层弹性介质薄膜面密度的无损、无接触测量，并且测量结果满足精度要求。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，包括以下步骤：S1、测量激励信号在空气中传播得到的第一衰减信号的能量，所述激励信号由信号发生器发出，经过功率放大器后，由空气耦合超声换能器的信号发射换能器发射，在空气中传播后由所述空气耦合超声换能器的信号接收换能器接收，得到所述第一衰减信号；S2、测量所述激励信号经过多层介质薄膜后得到的第二衰减信号的能量，所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间；S3、根据所述第一衰减信号和所述第二衰减信号的能量差异，计算所述多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值；S4、变换所述空气耦合超声换能器的位置，重复执行S1～S3，得到所述多层介质薄膜不同测量位置聚焦点处的面密度值，通过取平均值得到所述多层介质薄膜的面密度。进一步的，所述激励信号的频率设置为所述空气耦合超声换能器的共振频率，设置所述激励信号的幅值小于所述空气耦合超声换能器的击穿电压，所述激励信号的循环数需满足使穿透后的信号幅值至少为噪声信号幅值的两倍，所述激励信号的触发方式为外部触发。进一步的，S1之前还包括步骤S0、设置PC中信号采集卡的采样率为所述空气耦合超声换能器的中心频率fC的两倍以上，带通滤波的上下限分别为fc+100kHz和fc-100kHz。进一步的，所述信号发射换能器和所述信号接收换能器相对设置，两者的轴线位于同一直线上，两者的距离为焦距LC的2倍；所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间的焦点处。进一步的，所述第一衰减信号A1和第二衰减信号F1的能量根据下式计算得到其中n表示信号采样点数，f(k)为第k个信号采样点的幅值。进一步的，S3中所述计算所述多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值具体过程如下：S31、计算所述激励信号经过所述多层介质薄膜后的信号衰减值，S32、利用以下公式计算聚焦点处的面密度值SD1，Z1为空气中声阻抗值，Z1＝ρ1c1，其中空气密度P为测量处压强，M为空气摩尔质量，R为气体常数，T为测量处温度，声速c1＝331.45+0.61T，ω为所述激励信号的频率，ω＝2πf。进一步，所述多层介质薄膜为涂炭铝箔。根据本专利技术的另一方面，提供了一种测量薄膜面密度的空气耦合超声系统，包括信号发生器，用于产生激励信号；功率放大器，与信号发生器相连；一对聚焦式空气耦合超声换能器，包括一个信号发射换能器和一个信号接收换能器，所述激励信号由所述信号发射换能器发射，经过空气和待测材料到达所述信号接收换能器；所述信号发射换能器与所述功率放大器连接；信号放大器，与所述信号接收换能器连接，用于将经衰减的信号放大；以及PC，分别与所述信号发生器和所述信号放大器相连，用于触发所述信号发生器发出激励信号和计算待测材料的面密度。进一步的，所述信号发射换能器和所述信号接收换能器相对设置，两者的轴线位于同一直线上，两者的距离为焦距LC的2倍；所述待测材料位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间的焦点处。进一步的，还包括扫描装置，用于将所述空气耦合超声换能器移位，以便测量待测材料的不同位置。利用本专利技术基于空气耦合超声手段测量多层弹性介质薄膜面密度，有利于实现涂炭铝箔表面碳层涂覆质量的无损、快速评价，提高制备质量和制备效率。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限定。在附图中，图1为本专利技术一实施例基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法流程图；图2为空气耦合超声换能器与待测的多层介质薄膜的相对位置示意图；图3为本专利技术另一实施例基于空气耦合超声的薄膜面密度测量系统连接图；图4为激励信号经空气传播时空气耦合超声换能器的声压分布仿真结果示意图；图5为激励信号在透过多层介质薄膜后空气耦合超声换能器的声压分布仿真结果示意图；图6为空气耦合超声换能器在未设置多层介质薄膜时的接收信号示意图；图7为空气耦合超声换能器设置多层介质薄膜时的接收信号示意图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。实施例一本实施例介绍一种基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1、测量激励信号在空气中传播得到的第一衰减信号的能量，激励信号由信号发生器发出，经过功率放大器后，由空气耦合超声换能器的信号发射换能器发射，在空气中传播后由空气耦合超声换能器的信号接收换能器接收，得到第一衰减信号。激励信号的循环数、幅值、频率、触发方式需在信号发生器上预先设置，在通常的实施方式中，设置激励信号的频率为空气耦合超声换能器的共振频率，幅值小于空气耦合超声换能器的击穿电压，循环数则需满足使穿透后的信号幅值至少为噪声信号幅值的两倍，触发方式为外部触发，一般是PC触发。本实施例中激励信号的幅值为5V，循环数为3，频率为空气耦合超声换能器中心频率fc。一对聚焦式空气耦合超声换能器包括一个信号发射换能器和一个信号接收换能器，其相对位置如图2所示，两者相对平行设置，轴线位于同一直线上，两者的距离为换能器焦距LC的2倍，即2LC。在本步骤中，激励信号在通过空气耦合超声换能器时，信号发射换能器和信号接收换能器之间仅有空气，信号经空气中传播后由信号接收换能器接收即可得到空气中经2Lc距离衰减后的第一衰减信号A1，本实施例中该信号如图6所示。图4显示了空气中换能器的声场分布，可以看到远场Lc处有明显聚焦现象。利用公式计算A1的能量EA1，其中n表示信号采样点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，包括S1、测量激励信号在空气中传播得到的第一衰减信号的能量，所述激励信号由信号发生器发出，经过功率放大器后，由空气耦合超声换能器的信号发射换能器发射，在空气中传播后由所述空气耦合超声换能器的信号接收换能器接收，得到所述第一衰减信号；S2、测量所述激励信号经过多层介质薄膜后得到的第二衰减信号的能量，所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间；S3、根据所述第一衰减信号和所述第二衰减信号的能量差异，计算所述多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值；S4、变换所述空气耦合超声换能器的位置，重复执行S1～S3，得到所述多层介质薄膜不同测量位置聚焦点处的面密度值，通过取平均值得到所述多层介质薄膜的面密度。

【技术特征摘要】
1.基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，包括S1、测量激励信号在空气中传播得到的第一衰减信号的能量，所述激励信号由信号发生器发出，经过功率放大器后，由空气耦合超声换能器的信号发射换能器发射，在空气中传播后由所述空气耦合超声换能器的信号接收换能器接收，得到所述第一衰减信号；S2、测量所述激励信号经过多层介质薄膜后得到的第二衰减信号的能量，所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间；S3、根据所述第一衰减信号和所述第二衰减信号的能量差异，计算所述多层介质薄膜的测量位置聚焦点处的面密度值；S4、变换所述空气耦合超声换能器的位置，重复执行S1～S3，得到所述多层介质薄膜不同测量位置聚焦点处的面密度值，通过取平均值得到所述多层介质薄膜的面密度。2.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，所述激励信号的频率设置为所述空气耦合超声换能器的共振频率，设置所述激励信号的幅值小于所述空气耦合超声换能器的击穿电压，所述激励信号的循环数需满足使穿透后的信号幅值至少为噪声信号幅值的两倍，所述激励信号的触发方式为外部触发。3.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，S1之前还包括步骤S0、设置PC中信号采集卡的采样率为所述空气耦合超声换能器的中心频率fC的两倍以上，带通滤波的上下限分别为fc+100kHz和fc-100kHz。4.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其特征在于，所述信号发射换能器和所述信号接收换能器相对设置，两者的轴线位于同一直线上，两者的距离为焦距LC的2倍；所述多层介质薄膜位于所述信号发射换能器和所述信号接收换能器之间的焦点处。5.根据权利要求1所述的基于空气耦合超声的薄膜面密度测量方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：米源，吴大伟，李晓牛，刘威，曹腾，张园豪，陈韦岑，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32