CN108872397A - 一种超声探头系统、其制备方法以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声探头系统、其制备方法以及应用，其包括超声信号耦合层、超声耦合剂补液装置、声电转换装置和残余耦合剂清理组件，超声信号耦合层贴附在声电转换装置的前端面，超声耦合剂补液装置包括超声耦合剂存储容器、超声耦合剂传输组件与超声信号耦合层固定组件，超声耦合剂传输组件用于将超声耦合剂容器中的超声耦合剂传输至超声信号耦合层内，超声信号耦合层固定组件固定超声信号耦合层，声电转换装置用于超声信号的发射与接收，残余耦合剂清理组件清理残余在被测试对象表面的耦合剂。本发明还提供了探头系统的制备方法以及应用。本发明探头系统和方法符合工程实际，能实际应用。

Description

一种超声探头系统、其制备方法以及应用

技术领域

本发明属于电池测试技术，尤其是涉及一种可扫描电池内部状态的洁净的超声波探头系统、其制备方法以及应用。

背景技术

当下，随着电池行业的发展，电池的质量问题备受关注。传统的电池检测方法只能得到电池整体的电学上的外特性，无法判断电池内部的情况。为了精准估计电池的内部状态，目前仅存在利用超声波探头测量的方法，通过接收穿过电池后的超声信号变化推断电池内部的荷电状态，健康状态。

但是，目前此方法仅能得到电池内探头所覆盖范围内的局部信息，并不能得到电池整体的内部状态。且在目前已有的电池内部状态的超声波测量方法中，被测电池需整体浸泡在超声耦合剂中，且一对超声波探头仅能测量电池某一固定范围的内部状态，然而局部的电池内部状态的超声波测量结果并不能代替整个电池的内部状态，且用此方法获取整个电池内部状态的测量结果需要的超声波探头数量较大，不但会使得测量系统变得复杂，且得不到整个电池的内部状态的相关数据，同时影响测量数据的环境因素也变得更难以控制。

超声检测技术作为传统的无损检测方法中应用范围最广、使用频率最高的一种无损检测技术，具有穿透能力强、灵敏度高、检测成本低、速度快、对人体与环境无害等优点，可以用于产品制造中质量控制、原材料检验、工艺改进等多个方面，现广泛应用于航空工程、船舶、铁路、汽车、核能工程、土木工程、先进材料制造等各种领域。

依照超声检测时超声波的产生与传递方式，超声检测技术可分为空气耦合、电磁耦合、以及液体耦合。

空气耦合的优点是无需耦合剂，可以快速扫描，然后由于超声信号在空气介质中衰减过大，因此只能使用较低频率的超声信号，作用距离短，频率带宽窄，灵敏度低。

电磁耦合优点是不需要耦合剂，检测速度快，然而转换效率低，灵敏度偏低。

液体耦合方式具有工艺简单，技术成熟，可使用极高频超声检测，检测灵敏度高等优点。然而由于需要液体作为耦合介质，因此待测样品需要浸泡在耦合液中，或是使用连续充液装置通过不断在探头前端灌入大量的液体来维持耦合环境。这极大的限制了液体耦合方式的运用场景。对于类似于高精尖复合板检测、动力锂离子电池检测等对测试环境洁净度要求高，对测量精度要求高的超声测试情景，市场上暂无任何可行的，高精度，干净，无耦合液残留的液浸式超声检测手段与器械。

因此，需要开发一种新型的能获取整个电池内部状态的检测装置或者检测方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超声探头系统、其制备方法以及应用，其目的在于，通过对工程中问题进行分析，从而设计一种几乎无污染的液浸式超声扫描探头系统，扫完后无耦合液残留，对样品表面无污染，从而满足高洁净度环境要求下的样品超声测试需求，其结构简单、合理、不存在大量浪费耦合液的情况，本发明提供的制备超声波探头系统的方法工艺简单，易于工程应用，本发明提供的超声探头在检测锂离子电池健康状态中的的测试方法能实际在工程中应用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超声探头系统，其包括超声信号耦合层，超声耦合剂补液装置，声电转换装置以及残余耦合剂清理组件，其中，

超声信号耦合层紧密贴附在声电转换装置的前端面，

超声耦合剂补液装置包括超声耦合剂存储容器、超声耦合剂传输组件与超声信号耦合层固定组件，其中，超声耦合剂传输组件用于将超声耦合剂容器中容置的超声耦合剂传输至声电转换装置前端的超声信号耦合层内，超声信号耦合层固定组件用于将超声信号耦合层固定在声电转换装置前端面而不发生相对移动，声电转换装置包括换能陶瓷片、阻尼块、金属壳体组成，用来实现超声信号的发射与接收，残余耦合剂清理组件用于将扫描后残余在被测试对象表面的耦合剂清理干净，以保持被测试对象表面的洁净。超声耦合液为无毒不易挥发的低粘性液体，内加少量入表面改性剂以保证同超声信号耦合层间的良好的浸润性。

进一步的，其采用同所用超声耦合剂具有极好浸润性的柔性多孔材料作为超声信号耦合层，柔性多孔材料包括玻璃纤维膜、海绵，超声信号耦合层材料厚度在0.1mm～20.0mm之间。使用过程中，耦合层通过在表面浸润形成的稳定的一层极薄的超声耦合剂液层同待测物体表面接触，传递超声波。

进一步的，超声耦合剂传输组件留有宽度小于0.1mm的窄缝或是直径小于0.2mm的细小管道，超声耦合剂容器中的超声耦合剂在表面张力作用下自发逐渐流入窄缝或细小管道中，以不断将超声耦合剂输送到超声信号耦合层内，及时对超声信号耦合层中损失的耦合剂执行补充，最终保证超声耦合层一直处于耦合剂浸润的状态。

进一步的，声电转换装置包括换能陶瓷片、阻尼块和金属壳体，声电转换装置通过前部超声换能片发射接收超声信号，通过换能片后方的阻尼块改变发射超声信号的品质因子，通过金属壳体来进行信号的屏蔽。

进一步的，残余耦合剂清理组件设置有吸气口，吸气通道以及抽风机，吸气口紧随探头运动路径之后，抽风机通过抽气在吸气通道内产生负压，探头运动过后在样品表面残留的微量超声耦合液经由吸气口、吸气通道被抽走，进而保证样品表面干燥洁净。

探头系统使用过程中，超声信号耦合层同待测样品表面保持一固定的微小的距离，通过浸润作用，超声信号耦合层与待测样品表面间形成一层稳定的耦合液膜。作为发射装置时，超声信号经由声电转化装置发出，依次经过超声信号耦合层、耦合液膜后到达样品，作为接收装置时顺序相反。滑动测试过程中，由于超声信号耦合层同超声耦合液间具有更好的浸润性，因此，大部分超声耦合液膜会跟随超声探头在待测样品表面移动。少许由于蒸发或是残留而损失的超声耦合液由超声耦合剂传输组件中存储的耦合液来补充，其原理为当超声耦合层内耦合液减少，耦合层表面趋于干燥的过程中，超声耦合剂容器内的超声耦合剂在表面张力的作用下，不断自发流向超声信号耦合层，维持其前端的湿润。当超声探头系统扫过样品表面后，位于超声探头系统后方的残余耦合剂清理组件将通过抽气的方式来对残留在样品表面的微量耦合液进行清除，保证样品表面的干净干燥无污染。

按照本发明的第二个方面，还提供了一种制备如上所述的超声波探头系统的方法，其特征在于，其包含如下步骤：

步骤一：将形状与声电转换装置前端形状契合的超声信号耦合层包套在声电转换装置前端，

步骤二：清除声电转换装置与超声信号耦合层之间的细小间隙，以尽量减少声电转换装置与超声信号耦合层两者之间的气体，

步骤三：将超声耦合剂补液装置中的超声耦合剂传输组件与超声信号耦合层紧密贴近，保证两者之间的良好接触，

步骤四：使用超声耦合剂补液装置中的超声信号耦合层固定组件将声电转换装置、超声信号耦合层固定，使两者之间不产生相对位移。

按照本发明的第三个方面，还提供了一种如上所述超声探头在检测锂离子电池健康状态中的的应用，包含以下步骤：

步骤一：将电池平放在有间隙的传送轴上，将两侧的电池限位栏的宽度调整为电池的宽度，使其能够保证电池的水平放置，

步骤二：在传送轴间隙电池的上下方各放置两排可扫描电池内部状态的超声波探头系统，探头间相互紧挨，传送方向上的第二排超声波探头数量比第一排少一个，且第二排各探头中心位置与第一排探头的接触点在传送方向上对齐，

步骤三：将电池上下方的超声波探头之间的间距调整为电池的厚度，保证探头与电池间的良好接触，

步骤四：在超声耦合剂容器中加入超声耦合剂，超声耦合剂不断浸润超声信号耦合层，使超声探头在其作用下与电池之间紧密贴合，保证超声信号的正常传递，

步骤五：电池上下方的超声探头分别作为超声信号的发射和接收端，开启测试后，采集超声信号的发射与接收，

步骤六：根据实际需要调整传送轴的传送速度，使电池在超声探头下匀速通过，

步骤七：对所有的测试数据进行收集，进行分析处理，最终得到电池整体的内部状态的的扫描图。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供了一种巧妙、几乎无污染的液浸式超声扫描探头系统，设计了残余耦合剂清理组件，扫描后无耦合剂残留，不污染电池表面，从而满足高洁净度环境要求下的样品超声测试需求。通过超声信号耦合层设计，减少了对超声耦合剂的浪费，任何时候都保证探头和待测对象间具有超声耦合剂浸润，在超声信号的发射和接收上都比空耦探头要更稳定，实现了比空耦聚焦探头更高的精度，在较大程度上能提高的超声扫描结果的精确性，也替代了需将电池整体浸泡在超声耦合剂中的液浸式直探头的超声探测结构。其探头结构简单，也便于维修和在工程中应用。

其测试锂离子电池的方法中，以较少的探头数实现了对电池整体的动态扫描，得到电池整体的内部详细数据。

本发明探头系统和方法可解决当前电池内部状态探测困难，精度差，无探测内部状态分布的有效手段的问题，同时结解决了现有技术中存在大量浪费耦合液的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中超声探头的主视图；

图2是本发明实施例中超声探头的立体结构示意图；

图3是本发明实施例中超声探头的主视图；

图4a为本发明实施例中可扫描电池内部状态的超声探测装置的结构示意图，利用该装置能扫描检测电池内部状态；

图4b为图4a装置的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种用于高洁净度环境要求下的超声波探头，该探头包括超声信号耦合层、超声耦合剂补液装置、声电转换装置以及残余耦合剂清理组件。

其中，超声信号耦合层紧密贴附在声电转换装置前端，，超声耦合剂补液装置分为三部分，分别为超声耦合剂存储器、超声耦合剂传输组件和超声信号耦合层固定组件。超声耦合剂传输组件用于将超声耦合剂存储器中的超声耦合剂传输到超声信号耦合层，保持超声信号耦合层与待测物体表面之间始终存在超声信号耦合剂，从而保证了声电转换装置顺利实现对待测物体的超声信号的发射与接收，超声耦合层固定组件将超声信号耦合层固定在声电转换装置前端，使其不发生移动。

超声信号耦合层密贴附在声电转换装置的前端，超声耦合层与超声耦合剂具有良好的浸润性，根据所用超声波探头的频率与类型的不同进行调整，超声耦合层材料厚度在0.1-20mm之间。

超声信号耦合层与超声耦合剂的良好浸润效果使得超声信号耦合层始终处于接近饱和且不渗漏液体的状态，在可扫描电池内部状态的超声波探头与待测物品表面接触时，轻微的压力可保证超声波探头与待测物品表面间形成薄的一层耦合层，耦合层一方面减小了探头在电池表面运动的阻力，另一方面帮助超声信号从探头传递至电池内部穿过电池并被另一探头接收。超声信号耦合层的存在避免了超声探头与电池表面之间超声耦合剂的频繁主动添加，也避免了类似于冲水式水浸探头所造成的大量液体泄露对待测物品造成的不良影响和污染。对电池进行扫描之后，由于超声耦合剂易挥发的性质，在电池表面停留的超声耦合剂极少且时间极短，这使得该探头可用于探测电池等不允许与大量液体接触的物品。

超声耦合剂传输组件所用材料同耦合液高度浸润且工作装填下留有宽度小于0.1mm的窄缝或是直径小于0.2mm的细小管道。超声耦合剂容器中的超声耦合剂在表面张力的作用下，不断输送到超声信号耦合层，对耦合层损失的耦合剂做补充，保证超声耦合层一直处于耦合剂浸润的状态。超声信号耦合层固定组件可将超声信号耦合层固定于声电转换装置前端，使其不发生相对滑动。

声电转换装置包括换能陶瓷片、阻尼块和金属壳体，通过前部超声换能片(也称为换能陶瓷片)发射接收超声信号，通过换能片后方的阻尼块改变发射超声信号的品质因子，通过金属壳体来进行信号的屏蔽。超声耦合剂为同所选耦合层相浸润的，具有一定挥发性、不导电且声阻小的超声传导液体，例如酒精、丙酮等。

残余耦合剂清理组件，残余耦合剂清理组件由吸气口，吸气通道以及抽风机组成。吸气口紧跟在探头运动路径之后，风机通过抽气在吸气通道内产生负压，探头运动过后在样品表面残留的微量超声耦合液，经由吸气口、吸气通道被抽走，保证样品表面干燥干净。

测试时，一对用于高洁净度环境要求下的超声波探头分别紧贴于电池上下相对两面的相对位置，超声耦合剂补液装置可使声电转换装置前端的超声信号耦合层长期保持湿润，耦合层通过因浸润而形成的一层极薄的超声耦合剂液层同待测物体表面接触，传递超声波使其与电池表面始终贴合紧密，且易于滑动。残余耦合剂清理组件将扫描后残余在测试物体表面的耦合剂清理干净，保持测试物体表面的洁净。这种用于高洁净度环境要求的超声波探头不仅结构简单，便于测试；能保证整个过程受外界影响较小，材料更换方便快捷，测量数据精确可靠。

为了更详细的说明本发明装置，下面结合附图进一步详细说明。

图1是本发明实施例中超声探头的主视图；图2是本发明实施例中超声探头的立体结构示意图；图3是本发明实施例中超声探头的主视图；由图可知，本实施例中，一种用于高洁净度环境要求下的超声探头包括超声信号耦合层1、超声耦合剂补液装置2、超声耦合剂3、声电转换装置4、残余耦合剂清理组件5，超声信号耦合层1采用同所用超声耦合剂具有极好浸润性的玻璃纤维膜制备，其紧密贴附在声电转换装置4前端，厚度譬如为0.1mm，超声耦合剂补液装置2包含超声耦合剂存储容器与超声耦合剂传输组件，圆柱形容器用于存储超声耦合剂，超声耦合剂传输组件上的细槽与超声耦合剂存储容器连通，将超声耦合剂不断的传输到超声信号耦合层1，且传输组件向内弯转部分起到了固定超声信号耦合层1的作用，由于耦合层的储液能力以及耦合液的流动性，使用过程中，耦合层通过表面浸润形成一层稳定且极薄的超声耦合剂液层同待测物体表面接触，通过声电转换装置3发射接收超声信号，在扫描过程中，残余耦合剂清理组件5通过风机抽气在吸气通道内产生负压，探头运动过后在样品表面残留的微量超声耦合液，经由吸气口、吸气通道被抽走，保证样品表面干燥干净。

本发明还提供了一种制备如上所述的超声波探头系统的方法，其包含如下步骤：

步骤一：将形状与声电转换装置前端形状契合的超声信号耦合层包套在声电转换装置前端，

步骤二：清除声电转换装置与超声信号耦合层之间的细小间隙，以尽量减少声电转换装置与超声信号耦合层两者之间的气体，

步骤三：将超声耦合剂补液装置中的超声耦合剂传输组件与超声信号耦合层紧密贴近，保证两者之间的良好接触，

步骤四：使用超声耦合剂补液装置中的超声信号耦合层固定组件将声电转换装置、超声信号耦合层固定，使两者之间不产生相对位移。

图4a为本发明实施例中可扫描电池内部状态的超声探测装置的结构示意图，利用该装置能扫描检测电池内部状态，图4b为图4a装置的侧视图，由图可知，该装置包括电池限位栏7、超声探头系统8以及设置在传送带中的传送轴6，电池水平放置在传送装置上，在传送带中的传送轴6的间隙上下方安置两排可扫描电池内部状态的超声波探头8，在电池被传动轴运输的过程中，超声波探头对电池进行扫描，电池限位栏7保证电池在扫描过程中不发生左右移动，扫描过程中超声扫描探头前端的超声信号耦合层中的超声耦合剂不断流失，超声耦合剂补液装置2可以不断提供超声耦合剂，保持声电转换装置3前端的超声信号耦合层的湿润，使得在扫描过程中超声波探头与电池间一直存在一层稳定的超声耦合剂液层，第二排超声波探头的位置与第一排超声波探头的位置交错，在电池在传送带运输过程中，对第一排超声波探头扫描的盲区进行数据补充，完善最终的扫描结果。

采用如上所述的探测装置进行电池健康状态扫描的检测方法如下：

步骤一：将电池平放在有间隙的传送轴上，将两侧的电池限位栏的宽度调整为电池的宽度，使其能够保证电池的水平放置。

步骤二：在传送轴间隙电池的上下方各放置两排可扫描电池内部状态的超声波探头，探头间相互紧挨。传送方向上的第二排超声波探头数量比第一排少一个，且第二排各探头中心位置与第一排探头的接触点在传送方向上对齐。

步骤三：将电池上下方的超声波探头之间的间距调整为电池的厚度，保证探头与电池间的良好接触。

步骤四：在超声耦合剂容器中加入超声耦合剂，超声耦合剂不断浸润超声信号耦合层，使超声波探头在其作用下与电池之间紧密贴合，保证超声信号的正常传递。

步骤五：电池上下方的超声波探头分别作为超声信号的发射和接收端，在开启测试后，接通超声信号的发射与接收设备。

步骤六：根据要求调整传送轴的传送速度，电池将在超声波探头下匀速通过。

步骤七：对所有的测试数据进行收集，进行分析处理，最终得到电池整体的内部状态的的扫描图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声探头系统，其特征在于，其包括超声信号耦合层，超声耦合剂补液装置，声电转换装置以及残余耦合剂清理组件，其中，

超声信号耦合层紧密贴附在声电转换装置的前端面，

超声耦合剂补液装置包括超声耦合剂存储容器、超声耦合剂传输组件与超声信号耦合层固定组件，其中，超声耦合剂传输组件用于将超声耦合剂容器中容置的超声耦合剂传输至声电转换装置前端的超声信号耦合层内，超声信号耦合层固定组件用于将超声信号耦合层固定在声电转换装置前端面而不发生相对移动，

声电转换装置用于实现超声信号的发射与接收，

残余耦合剂清理组件用于将扫描后残余在被测试对象表面的耦合剂清理干净，以保持被测试对象表面的洁净。

2.如权利要求1所述超声探头系统，其特征在于，其采用同所用超声耦合剂具有极好浸润性的柔性多孔材料作为超声信号耦合层，柔性多孔材料包括玻璃纤维膜、海绵，超声信号耦合层材料厚度在0.1mm～20.0mm之间。

3.如权利要求2所述超声探头系统，其特征在于，超声耦合剂传输组件留有宽度小于0.1mm的窄缝或是直径小于0.2mm的细小管道，超声耦合剂容器中的超声耦合剂在表面张力作用下自发逐渐流入窄缝或细小管道中，以不断将超声耦合剂输送到超声信号耦合层内，及时对超声信号耦合层中损失的耦合剂执行补充，最终保证超声信号耦合层一直处于耦合剂浸润的状态。

4.如权利要求3所述超声探头系统，其特征在于，声电转换装置包括换能陶瓷片、阻尼块和金属壳体，声电转换装置通过前部超声换能片发射接收超声信号，通过换能片后方的阻尼块改变发射超声信号的品质因子，通过金属壳体来进行信号的屏蔽。

5.如权利要求4所述超声探头系统，其特征在于，残余耦合剂清理组件设置有吸气口，吸气通道以及抽风机，吸气口紧随探头运动路径之后，抽风机通过抽气在吸气通道内产生负压，探头运动过后在样品表面残留的微量超声耦合液经由吸气口、吸气通道被抽走，进而保证样品表面干燥洁净。

6.一种制备如权利要求书1-5之一所述的超声波探头系统的方法，其特征在于，其包含如下步骤：

步骤一：将形状与探头本体前端形状契合的超声信号耦合层包套在探头前端，

步骤二：清除探头本体与超声信号耦合层之间的细小间隙，以尽量减少探头本体与超声信号耦合层两者之间的气体，

步骤三：将超声耦合剂补液装置中的超声耦合剂传输组件与超声信号耦合层紧密贴近，保证两者之间的良好接触，

步骤四：使用超声耦合剂补液装置中的超声信号耦合层固定组件将探头本体、超声信号耦合层固定，使两者之间不产生相对位移。

7.如权利要求1-5之一所述超声探头系统在检测锂离子电池中的的应用，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：将电池平放在有间隙的传送轴上，将两侧的电池限位栏的宽度调整为电池的宽度，使其能够保证电池的水平放置，

步骤二：在传送轴间隙电池的上下方各放置两排可扫描电池内部状态的超声波探头系统，探头间相互紧挨，传送方向上的第二排超声波探头数量比第一排少一个，且第二排各探头中心位置与第一排探头的接触点在传送方向上对齐，

步骤三：将电池上下方的超声波探头之间的间距调整为电池的厚度，保证探头与电池间的良好接触，

步骤四：在超声耦合剂容器中加入超声耦合剂，超声耦合剂不断浸润超声信号耦合层，使超声探头在其作用下与电池之间紧密贴合，保证超声信号的正常传递，

步骤五：电池上下方的超声探头分别作为超声信号的发射和接收端，开启测试后，采集超声信号的发射与接收，

步骤六：根据实际需要调整传送轴的传送速度，使电池在超声探头下匀速通过，

步骤七：对所有的测试数据进行收集，进行分析处理，最终得到电池整体的内部状态的的扫描图。