成都英萨传感技术研究有限公司

刘柯江，李东杰，饶宇

（成都英萨传感技术研究有限公司   成都  611730）

关键词：压电换能器 超声波 双张检测 叠片机

引言

随着“中国制造2025”的推进，工业自动化程度越来越高。而自动化的实现过程首先是通过传感器将产线的数据进行采集，然后后端对数据进行分析，最后通过指令来控制产线的运行。常用的传感器，大部分可以归结为声、光、电、力等。在印刷机、薄膜薄片生产或使用设备中，薄膜或薄片可能会有两张或多张贴合，不易察觉，在设备生产过程中，可能会出现卡顿、引起设备堵塞等情况，在这种调节下，就需要传感器对其察觉，检测，以保证设备及时发现这种情况，进一步停止设备，或对双张进行干预。传统的双张检测主要以机械厚度控制厚度，或光电式检测原理，是通过光线透过的能量大小，来经行单双张或多张识别。

传统双张检测有以下几种方案^[1]：

超声波双张检测具有非接触式检测，对检测设备和检测材质无损耗，检测距离远，检测材质范围较广且无需调整，对不透明材质、灰尘等也无影响^[3]等优势，因此应用越来越广。

1　压电换能器简介

超声波换能器，是将能量转换成超声波的器件，超声波换能器种类很多，按照能量转换的机理和利用换能材料，可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器、机械型超声换能器等，目前压电式换能器的理论研究和实际应用最广泛，其优点包括：1）机电转换效率高；2）容易加工成型；3）通过改变成分可制成发射型、接收型、收发一体型换能器；4）成本低，性能稳定。

压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的发展为前提条件的，1880年居里兄弟发现了晶体的压电现象，当压电材料在一定方向受到电压作用时，可产生形变；反过来，压电材料在一定方向受力产生机械形变时，会产生电压。1961年法国物理学家郎之万研制成功了第一个真正实用的压电换能器，并将其应用在潜艇的探测中^[4]。空气中的超声应用进展缓慢，主要原因是气体和固体的声阻抗率分别为 0.0004 MRay和 1~35 MRay，难以将超声波辐射出去^[5]，限制了超声波探测。近年来，由于材料科学和微加工技术的发展， 空气耦合超声传感器研究有了较大的进展，应用领域也越来越广泛，例如：位置点传感器、涂层或布匹厚度测量、表面缺陷检测、液位测量等。空气超声传感器还被应用于工业控制域、机械手的视觉传感器和生物医学领域^[6]。

超声波在传播过程中，由一种介质传播经过另一种介质，两种介质阻抗不同时，会发生反射和透射。如果阻抗差异较大，则反射强于透射；如果阻抗差异不大，则透射强于反射。超声波反射和透射的示意如下图所示。

图1 超声波反射透射示意图

Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic reflection and transmission

由此产生了两种不同的测量原理以及应用。1）利用反射原理，可以测量目标到声源的距离。该原理是利用了声波从声源发出后到达不同介质的目标时，会产生反射，声源记录接收到反射波的时刻，根据发射时刻和接收时刻的时间差，乘以声速的一半，即可以得到待测目标的距离信息^[7]；2）利用不同介质透射能量的不同，可以实现无损探伤、薄膜气孔检测，纠偏检测，双张检测等。

除此之外超声波还可以测速，一种是利用多普勒原理，通过频率偏移来解算目标速度；另一种是流体测速，利用声波在传播过程中，若介质存在速度，介质速度与超声波传播速度有一个叠加，然后通过时间偏差即可解出流体速度。

2　超声波双张检测原理

 超声波双张检测原理就是利用上节中提到的超声波在不同介质间透射的强度不同，从而接收到的能量不同，根据接收能量来判断是否存在目标^[8]，以及是一张目标还是两张目标。其示意图如下图所示。

图2 双张介质时双张检测器示意图

Fig.2 Schematic diagram of double detector for double medium

超声波双张检测传感器由发射换能器、接收换能器以及控制和处理模块组成。为方便说明，图中只画出了发射换能换能器和接收换能器。两者中心对齐，并留有一定的距离，以保证待检测物能够顺利通过。该距离不应过小，以免待测物距离发射换能器距离或接收换能器太近，影响检测效果。另一方面，距离也不应过大，以免超声波在空气中的衰减的影响过大。一般该距离有3cm-9cm，在此距离内，超声波的空气衰减可以忽略。

当没有目标介质进入两个换能器之间时，由于没有阻挡，发射的能量全部被接收器接收，此时判定为无介质。

当进来的目标介质为一张时，待测物会透射部分能量进入到接收端。这受限于待测特的厚度及密度。图中所示，透射能量为发射能量的10%，此时接收到能量会远小于没有阻挡时的能量，但能检测到接收到能量，此时判断为单张。

当进来的目标介质为二张时，待测物在第一层介质透射能量为发射的10%，然后在两层介质间的空气中传播，然后再能过第二层介质，此时，第二次透射1%的能量到接收端。此时接收到的能量几乎没有，判断为多张。因为一般多张都为双张，而且此时为异常情况，因此，该检测传感器才被称为双张检测器。

当检测物厚度增加时，可以通过将传感器以一定角度倾斜安装，可以增加检测灵敏度，推荐的两种安装方式如下所示。

图3 双张检测安装示意图

Fig.3 Double inspection installation diagram

3　双张检测在叠片机上的应用

双张在锂电池叠片机的应用，如图4箭头指示方向，锂电池电极片在叠片过程中，如果两张电极片贴合在一起，会对产品和设备产生严重影响，在过程中，电极片不易透光，距离较远，且常会有多种规格的电极片，因此光电、电容等检测方式不适合，超声波双张检测材质范围较宽，无需来回切换设定，就能很好的解决这一问题。

其作业流程是：移动爪抓取电极片，移动到下托盘上方（步骤a），然后移动爪移动到合适位置，双张检测进行单双张判断（步骤b），若检测到单张则进行叠片（步骤c），若检测到双张则电极片单独取走，若是空气则重新抓取电极片，预防和控制了电极片叠片过程中多张重叠的风险。

图4 双张检测在锂电池叠片机上应用示意图

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

4　结 论

压电超声传感器随着智能制造，应用会越来越广泛，双张检测，可以经行非接触式检测，且不受检测材质颜色影响，检测范围较宽，应用会越来越广。

参考文献

[1]       闫飞. 光电技术在双张检测中的应用[J]. 印刷质量与标准化, 2011.11

[2]       徐淑琴. 单张纸胶印机双张检测控制装置的发展探头[J]. 今日印刷, 2011.12: 65-67

[3]       侯和平,刘凯,张海燕,刘澎. 印刷机新型双张检测控制器的研究与系统开发[J]. 传感技术学报, 2012, 4

[4]       林书玉. 超声换能器的原理及设计[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 2-4

[5]       王兆球, 张淑仪. 高频空气声换能器研究现状和展望. 应用声学, 1992, 11(2):1

[6]       吴诚. 气介型压电超声传感器的研制[D]. 2007: 2-5

[7]       胡萍. 超声波测距仪的研制[J]. 计算机与现代化,2003(10): 54-57

[8]       杨幸芳,徐宏伟. 单张纸胶印机空双张在线检测系统的设计[J]. 包装工程, 2010,6(10):1