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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung dreidimensionaler
Körper mittels Ultraschall, mit einer Vorrichtung zum Senden
von Ultraschallsignalen und zum Empfangen der von dem Körper
reflektierten Ultraschallsignale und mit einer Auswerteeinrichtung,
der die von der Vorrichtung empfangenen Ultraschallsignale und Angaben
zu den zugehörigen gesendeten Ultraschallsignalen zur Auswertung
zugeführt werden. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur
Erfassung dreidimensionaler Körper mittels Ultraschall,
bei dem Ultraschallsignale von einer Vorrichtung in Richtung auf
den zu untersuchenden Körper abgegeben und von diesem reflektiert
werden und bei dem die reflektierte und von einer Empfangseinrichtung
aufgenommenen Ultraschallsignale zusammen mit Angaben zu den zugehörigen
gesendeten Ultraschallsignalen ausgewertet werden.
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Vorrichtungen
und Verfahren, bei denen mittels einer Ultraschallabtastung dreidimensionale
Körper in ihrer räumlichen Ausdehnung und Erstreckung betrachtet
werden können, sind vielfach bekannt. Ein Beispiel für
ein Verfahren zur automatisierten, zerstörungsfreien Werkstoff-
und Geometrieprüfung von Werkstücken mit komplexen
Oberflächen mittels eines Ultraschallmessverfahrens ist
etwa in der
DE
10 2005 040 180 A1 angegeben.
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Mit
Ultraschall werden Schallwellen mit Frequenzen oberhalb der menschlichen
Hörschwelle von 20 kHz bezeichnet. Neben der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung
findet die Auswertung von Ultraschallmessungen auch in der medizinischen
Diagnostik, bei Abstandssensoren oder etwa beim Echolot Anwendung.
Da es um Schallwellen, wenn auch um hochfrequente Schallwellen,
geht, gehören diese Messverfahren zum Bereich der Akustik. Üblicherweise
wird ein Ultraschallprüfkopf zur Schallerzeugung eingesetzt
und ein anderer oder der gleiche Ultraschallprüfkopf zum
Empfang der in oder an dem zu prüfenden Bauelement oder
Objekt reflektierten Ultraschallechos verwendet. Diese Anordnung
wird auch als „Impuls-Echo-Technik” bezeichnet.
Aus einer Auswertung der Laufzeit dieser Ultraschallechos kann dann
die Lage der Reflektoren im Verhältnis zum Ultraschallprüfkopf
festgestellt werden. Diese Reflektoren können beispielsweise
Fehlstellen bei einer Werkstoffprüfung oder Organe bei
einer medizinischen Untersuchung sein.
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Um
nun eine dreidimensionale Formgebung durch eine Auswertung reflektierter
Ultraschallechos feststellen zu können, muss also eine
Vielzahl von Ultraschallwellen zunächst erzeugt, dann an
den festzustellenden Reflektoren reflektiert und wieder empfangen
und schließlich ausgewertet werden.
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Folglich
wird ein Scan-Vorgang benötigt, um derartige statische
oder dynamische dreidimensionale Ultraschallaufnahmen auswerten
zu können.
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Dieses
Scannen ist erforderlich, um eine ortsaufgelöste Darstellung
der inneren Reflektoren im Inneren des zu untersuchenden Bauelements oder
menschlichen Körpers oder sonst zu untersuchenden Objektes
zu erhalten. Die Visualisierung der auf diese Weise aufgenommenen
Ultraschalldaten wird als Bildgebung bezeichnet. Man kann dafür
verschiedene Scan- beziehungsweise Bildzerlegungsprinzipien einsetzen.
Diese sind üblicherweise eng verknüpft mit den
bei der Ultraschallmessung verwendeten Sensoren und der sonstigen
Ultraschallhardware.
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Mechanisch
und technologisch relativ einfach und kostengünstig ist
dabei der Einsatz sogenannter Einzelschwinger. Ein Einzelschwinger
kann automatisiert auf einer beispielsweise mäanderförmigen
Bahn auf der Objektoberfläche geführt werden. Die
von ihm im Laufe der Zeit der durchgeführten Messung nacheinander
ausgesandten Ultraschallwellen werden reflektiert und wieder aufgenommen und
die auf diese Weise nacheinander bekannt werdenden Daten können
dann ausgewertet werden. Die Bewegung der Schallkeule durch den
Messbereich erfolgt also translatorisch. Dies ist technologisch
einfach und kostengünstig, jedoch ein außerordentlich
langsames Messverfahren.
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Ein
Sektorscanner oder auch Wobbler ist bereits etwas leistungsfähiger.
Er überstreicht mit einem einzelnen schallerzeugenden Element
einen bestimmten Sektor in einem Messvolumen und wertet die dabei
entstehenden Resultate aus. Die Bewegung der Schallkeule durch den
Messbereich wird hier mittels eines Schwenkvorgangs realisiert.
Für zeitaufgelöste zweidimensionale Schnittbilder, beispielsweise
im medizinischen Bereich, ist dies gut geeignet und auch heutzutage
noch aufgrund des relativ günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses
nachwievor konkurrenzfähig. Schon bei der Durchführung mehrachsiger
Schwenkvorgänge treten durch die Aufnahmegeschwindigkeit
allerdings rasch Grenzen auf. Auch derartige Sensoren arbeiten mechanisch durch
Bewegen eines Schallerzeugers und können ein Messvolumen
nur langsam erfassen.
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Alternativ
kann der Scanvorgang durch elektronisches Verschalten einer Schallerzeugergruppe erfolgen.
Elektronisch scannende Systeme basieren auf sogenannten Array-Sensoren,
welche gleich mehrere einzeln anzusteuernde Schallerzeuger umfassen
und daher recht aufwändig aufgebaut sind. Die einzelnen
Elemente sind zumeist linien- oder matrixförmig angeordnet.
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Bei
einer Aufnahme mit dem Lineararray senden die einzelnen Schallerzeuger
beziehungsweise kleinere Gruppen von Schallerzeugern kaskadiert
Ultraschallimpulse aus. Auf diese Weise kann eine Ebene oder ein
Volumen unterhalb des Sensors gescannt werden, ohne dass der Sensor
bewegt werden muss.
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Beim
phased array senden die einzelnen Schallerzeuger mit kurzem zeitlichen
Versatz Ultraschallsignale aus. Der zeitliche Versatz kann derart gesteuert
werden, dass sich resultierende Wellenfronten aus den Einzelimpulsen
mit variabler Winkellage ergeben. Auf diese Weise kann ein elektronisches
Schwenken realisiert werden.
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Diese
Technologie erlaubt hohe Mess- beziehungsweise Scangeschwindigkeiten
und damit unter Umständen auch eine echtzeitfähige
Aufnahme. Durch die Notwendigkeit der separaten Ansteuerung der
vielen einzelnen Schallerzeuger ist sowohl die Sensoreinrichtung
insgesamt als auch das zugehörige Auswertungssystem sehr
kostenintensiv.
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Moderne
Ultraschallsysteme erlauben sogar eine Erfassung und Darstellung
von bewegten dreidimensionalen Volumenbildern. Allerdings sind dafür sehr
kostenintensive Hardwarekomponenten zur Erzeugung des Ultraschalls
einerseits und zur Aufnahme des Ultraschalls andererseits erforderlich,
sowie außerdem eine üblicherweise auch technisch
komplexe Sensorik etwa in Form der erwähnten Array-Sensoren.
Derartige Ultraschallsysteme werden heutzutage aus Kostengründen
fast ausschließlich stationär, und zwar im Rahmen
der medizinischen Diagnostik eingesetzt.
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Es
besteht jedoch ein erhebliches Interesse daran, dreidimensionale
Ultraschallbilder in Echtzeit auch bei anderen Anwendungsfällen
erhalten zu können. Dies ist jedoch in der Praxis bisher
nicht möglich, da die Kosten für die aufwändigen
und komplexen Systeme für die entsprechenden Anwendungsfälle
nicht rentabel sind. Es wäre daher wünschenswert,
wenn es günstigere Systeme zur Feststellung derartiger
dreidimensionaler Ultraschallbilder gäbe. Es wäre
in zahlreichen Anwendungsfällen eine deutliche Kostenreduzierung
erforderlich, um in gewerblichem Maßstab derartige Prüfungen
vornehmen zu können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Erfassung dreidimensionaler Körper mittels Ultraschall
vorzuschlagen mit dem zu geringeren Kosten als bei den hochtechnologischen
Ultraschallmessverfahren qualitativ brauchbare Auswertungen trotz
relativ schneller Messvorgänge erfolgen können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen
Vorrichtung dadurch gelöst, dass ein Bildzerlegungselement
in den Strahlengang der Ultraschallsignale von der Vorrichtung zum
Senden und zum Empfangen von Ultraschallsignalen zum Körper
und zurück eingefügt wird.
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Bei
einem gattungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
in dem Strahlengang eine Bildzerlegung vorgenommen wird, derart,
dass der Strahlengang der Ultraschallsignale sequenziell nacheinander
freigegeben und überstrichen wird, und so eine sequenzielle Erfassung
und Übertragung der Ultraschallsignale erfolgt.
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Diese
Erfindung schafft ein neuartiges Messverfahren der Ultraschalltechnik,
welches es ermöglicht, dass Innere von Objekten ort- und
zeitaufgelöst zu erfassen. Es können also bewegte
dreidimensionale Ultraschallbilder von inneren Strukturen in Echtzeit
aufgenommen und visualisiert werden. Dabei werden technologisch
einfache Komponenten eingesetzt und relativ kostengünstig
Ultraschallaufnahmen auf einem Geschwindigkeitsniveau durchgeführt
werden, dass dem moderner Array-Systeme kaum nachsteht. Die Auswertbarkeit
von Ultraschallprüfungen wird dabei gegenüber
herkömmlichen Verfahren deutlich verbessert.
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Betrachtet
man sich das erfindungsgemäße Verfahren genau,
so setzt es ein physikalisches Element ein, das aus einem ganz anderen
Bereich der Technik kommt und dessen Anwendbarkeit auf dem Gebiet
der akustischen Messungen noch nie in Betracht gezogen worden ist.
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Das
erfindungsgemäße Ultraschallmessverfahren setzt
nämlich zwischen dem Ultraschallprüfkopf zur Aussendung,
der Reflexion an dem zu messenden Objekt und dem Empfang an dem
aufnehmenden Ultraschallprüfkopf als Bildzerlegungssystem
eine Anordnung ein, die an das Prinzip der sogenannten Nipkow-Scheibe
erinnert. Diese Nipkow-Scheibe ist eine rotierende Blendenscheibe, also
eine runde Scheibe, welche mit Löchern oder Bohrungsgruppen
versehen ist, die auf einer Spiralbahn auf dem Scheibenumfang verteilt
liegen. Bei optischen Messverfahren lässt man jetzt durch
diese Löcher bei sich drehender Scheibe optische Bildsignale,
also Lichtstrahlen, hindurchtreten. Durch diese Art der Lochanordnung
können bei einer rotierenden Scheibe optische zweidimensionale
Bilder (Projektionen) in hintereinanderliegende Bildzeilen beziehungsweise
in elektrische Signalsequenzen zerlegt werden.
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Diese
Art einer zweidimensionalen mechanischen Bildzerlegung aus der Optik
ist in der Frühzeit der Fernsehtechnik in der Praxis eingesetzt
worden, um eine Übertragung optischer Bilder mittels Funk realisieren
zu können. Sie wurde sowohl zur Bildaufnahme als auch zur
Bildwiedergabe genutzt. Eine erstmalige Beschreibung dieser drehenden
Scheibe erfolgte bereits Ende des 19. Jahrhunderts in der
DE 30 105 B durch
Paul Nipkow.
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Für
die Erfindung wird die Grundidee einer Nipkow-Scheibe aufgegriffen
und diese erstmals in abgewandelter Form auf dem Gebiet der Akustik
für Ultraschallmessungen eingesetzt.
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Bei
vereinfachten Ausführungsformen wird als Ultraschallprüfkopf
ein Einzelschwingerprüfkopf eingesetzt. Die Ultraschallstrahlen
fallen jeweils durch die Löcher der für Ultraschallverfahren
ertüchtigten Nipkow-Scheibe auf das zu prüfende
Objekt, werden von diesem reflektiert und fallen durch eben diese
Löcher dann wieder auf den Messkopf. Die Nipkow-Scheibe
dreht sich dabei. Dies hat zur Folge, dass der zu untersuchende
Gegenstand in Volumenscheiben zerlegt wird, die nacheinander durch
die Ultraschallstrahlen abgetastet werden, die durch die entsprechenden
nacheinander vor den Erzeuger dieser Strahlen tretenden Löcher
fallen, wobei die zeitliche Reihenfolge und die zugehörigen
Volumenscheiben exakt feststehen und zugeordnet werden können,
sodass eine hochpräzise Auswertung möglich wird.
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Mit
der Erfindung können verschiedene Vorteile realisiert werden.
Das neu entwickelte, gewissermaßen als „akustisches
Nipkow-System” schlagwortartig zu bezeichnende System ist
hinsichtlich der Aufnahmegeschwindigkeit wesentlich schneller als kostengünstige
mechanische Ultraschallscanner. Andererseits ist dieses System aufgrund
der technologischen Einfachheit sehr viel kostengünstiger
als elektronisch scannende Systeme, die eine möglicherweise
vergleichbar hohe Messgeschwindigkeit erreichen können.
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Da
bei der Bildzerlegung des erfindungsgemäßen Systems
keine diskreten Schritte mehr gerastert werden müssen,
kann entlang der Scanlinien eine höhere Ortsauflösung
als bei elektronischen Scannern erreicht werden. Das bedeutet, dass
die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
unter Umständen diesbezüglich sogar bessere Qualitäten
als die kostspieligen. hochtechnologischen Anlagen aus dem Stand
der Technik erreichen können.
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Für
den Betrieb der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Konzeption wird keine spezielle Ultraschallhardware mehr benötigt.
Es kann mit relativ einfachen Ultraschallprüfköpfen
und Anordnungen gearbeitet werden. Das bedeutet, dass die Sensoren relativ
kostengünstig werden und auch vom Anwender selbst in bestimmten
Fällen einfach nachgerüstet werden können.
Spezielle technologische Elemente werden dann im Wesentlichen nur
noch für den Bereich der Auswertung benötigt.
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Bei
industriellen Anwendungen, bei denen auf bestimmte mehrdimensionale
Auswertungen verzichtet wird, kann dieses System ebenfalls eingesetzt werden
und dort deutlich zu einer leichteren Interpretierbarkeit der Messindikation
und somit zu einer robusten Fehleridentifikation beitragen.
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Ein
Einsatz der Erfindung ist einerseits als Handgerät denkbar,
vor Allem, wenn eine entsprechende Wahl der Größen
der Nipkow-Scheibe erfolgt.
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Alternativ
ist es auch möglich, die Erfindung als stationärer
Teil einer größeren Anlage bei einer Prüfung
in einer Serienfertigung von Bauteilen einzusetzen.
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Bei
der Darstellung oder Visualisierung der ermittelten Daten können
Algorithmen und teilweise auch Programme und Unterprogramme mit
Nutzen eingesetzt werden, die auch im Rahmen der Computertomographie
Einsatz finden.
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Mit
der Erfindung wird erstmals eine Art mechanischer Bildzerlegung
bei der Übertragung von mit Ultraschall zu übermittelnden
Daten vorgenommen.
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Das
neuentwickelte, als akustisches Nipkow-Verfahren zu bezeichnende
Konzept kann zum Einen hinsichtlich der Aufnahmegeschwindigkeit schneller
als herkömmliche kostengünstige mechanische Ultraschallscanner
Daten erfassen und liefern. Zum Zweiten ist das erfindungsgemäße
Konzept aufgrund seiner technologischen Einfachheit sehr viel kostengünstiger
als teure elektronisch scannende Systeme zu realisieren, die eine ähnlich
hohe Messgeschwindigkeit erreichen können.
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Erfindungsgemäße
Ausführungsbeispiele können als schnelle automatisierte
Ultraschallprüfanlagen für eine Fließfertigung
genutzt werden. Außerdem wird als weitere erfinderische
Ausführungsform ein kompaktes Sensorkonzept vorgeschlagen,
um eine mobile, handgeführte Ultraschallprüfung
in der Fertigung oder im Feld oder auch bei einer Nutzung in der
medizinischen Diagnostik zu ermöglichen.
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Vergleicht
man nochmals in Rückschau den Grundgedanken der optischen
Nipkow-Scheibe mit der vorliegenden Erfindung, so zeigen sich in
der Akustik natürlich auch weitere technische Unterschiede.
So ist anders als in der Optik bei den Ultraschallsensoren der Ultraschallsignalgeber
und der Empfänger meist ein und dasselbe Element. Die Größe
des Ultraschallsensors begrenzt daher den Messbereich lateral.
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Die
zu untersuchenden Prüfobjekte und Körper werden
bei Ultraschallmessungen dreidimensional erfasst, wodurch die Bildzerlegung
anders als in der Optik einzelne zweidimensionale Ultraschallschnitte
erzeugt.
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Schließlich
wird anders als bei den Einsätzen der früheren
optischen Nipkow-Scheiben für die Darstellung des Bildes
nicht wiederum auf eine Nipkow-Scheibe zurückgegriffen,
sondern die Bilddarstellung erfolgt rechnergestützt.
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Die
verwendeten Scheiben oder Bänder oder anderen Bildzerlegungselemente
werden vorzugsweise mit Absorptionsschichten ausgestattet, um unerwünschte
Mehrfachreflektionen des Ultraschalls zwischen dem Messobjekt und
dem Bildzerlegungselement, etwa der Scheibe, zu vermeiden, die zu
Messfehlern und Ungenauigkeiten führen könnten.
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Das
Bohrungsmuster der jeweiligen Löcher auf dem Bildzerlegungselement
kann speziell im Hinblick auf den einzelnen Schallerzeuger der Ultraschallsensoren
aufgebaut werden.
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Für
die Scheiben hat sich insbesondere eine Herstellung aus einem Werkstoff
aus Polykarbonat und Neopren bewehrt.
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Bevorzugt
wird ein Scheibendurchmesser von 120 mm, außerdem eine
Zahl von 10 Bildzeilen pro Umdrehung, was auch dem Vorsehen von
10 Löchern entspricht, sowie schließlich ein Bohrungsdurchmesser
in einer Größenordnung um 3 mm.
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Der
Bohrungsdurchmesser wird bevorzugt abhängig von der Frequenz
der verwendeten Ultraschallsignale gewählt und kann dementsprechend auch
kleiner oder größer sein. Bohrungsdurchmesser
zwischen 2 mm und 4 mm sind daher ohne weiteres ebenfalls realistisch,
auch solche zwischen 1 mm und 5 mm und bei der Wahl von anderen
Frequenzen auch Bohrungsdurchmesser auch außerhalb dieses
Bereiches.
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Weitere
bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Im
Folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
beispielhafte Darstellung eines Messergebnisses mit einer Vorrichtung
aus 1;
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3 eine
schematische Darstellung einer Bildzerlegung gemäß der
Erfindung;
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4 eine
Vergleichsdarstellung eines Originals mit einem Messergebnis gemäß der
Erfindung;
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5 eine
Vergleichsdarstellung eines Originals mit einem Messergebnis gemäß der
Erfindung bei einem anderen Original; und
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6 eine
schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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Es
soll eine Erfassung der Form eines dreidimensionalen Körpers 10 erfolgen.
Der Körper 10, also das zu messende Objekt, ist
in der Darstellung in der 1 eine Zwei-Cent-Münze,
die mit ihrer Zahlseite nach oben auf den Boden eines mit Wasser gefüllten
Wasserbeckens 11 gelegt wird. Das Wasser im Wasserbecken 11 dient
zur besseren Übertragung des Ultraschalls.
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Ein
Ultraschallsensor 20 wird oberhalb des zu untersuchenden
Körpers 10 angeordnet und wird während
der Messung nicht bewegt. Unterhalb des Sensors ergibt sich ein
annähernd zylindrischer Messbereich. Der Ultraschallsensor 20 besteht
einerseits aus dem Ultraschallsender und andererseits aus dem Ultraschallempfänger.
Beide sind in einem gemeinsamen Bauteil zusammengefasst, das hier als
Ultraschallsensor 20 bezeichnet ist.
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Der
Ultraschallsensor 20 verwendet in dem Ausführungsbeispiel
einen Standardprüfkopf mit 5 Megahertz für eine
manuelle Prüfung. Er kann mit konventioneller Schallerzeugungshardware
betrieben werden.
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Ein
Bildzerlegungselement 30 weist in diesem Falle eine rotierende
Scheibe 31 mit auf einer Spiralbahn über den Umfang
der Scheibe 31 verteilten Löchern 32 auf.
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Ein
Antrieb 33 lässt die Scheibe 31 des Bildzerlegungselements 30 um
eine senkrecht auf der Scheibe 31 stehende Achse in Richtung
des Pfeils 34 rotieren.
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Die
Scheibe 31 des Bildzerlegungselements 30 steht
im Wesentlichen auch senkrecht zur Abstrahlrichtung des Ultraschalls,
der vom Prüfkopf (und zugleich Ultraschallsensor 20)
in Richtung auf den Körper 10 abgestrahlt wird.
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Die
Scheibe 31 des Bildzerlegungselements 30 aus der 1 weist
zehn Löcher 32 mit jeweils etwa 3 mm Durchmesser
auf. Durch die Drehung in Richtung des Pfeils 34 wird das
Bildzerlegungselement 30 zu einer Art akustischen Nipkow-Scheibe.
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Betrachtet
man nun das zylindrische Messvolumen, das sich unterhalb des Ultraschallsensors 20 befindet,
so hat dieses etwa 30 mm Durchmesser. Werden die zehn Löcher 32 der
Scheibe 31 entsprechend so versetzt, dass jedes einen anderen
Abstand zur Drehachse besitzt, so kann man das zylindrische Messvolumen
bei jeder Umdrehung der Scheibe 31 in Richtung des Pfeils 34 in
zehn Volumenzeilen beziehungsweise vertikale Scheiben zerlegen.
Bei exakter mathematischer Betrachtung ist jede derartige vertikal
stehende Scheibe keine ebene Platte, sondern eine Art Ausschnitt
aus einer Zylinderschale. Die zehn Scheiben erscheinen dann in Folge
der Rotation der (Nipkow-)Scheibe 31 als ein aneinander
gereihtes Schnittbild.
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Die
Lochabstände der Löcher 32 sind so gewählt,
dass der Ultraschallsensor 20 immer nur eines dieser Löcher 32 zu
einem bestimmten Zeitpunkt durchschallt. Außerdem wird
bevorzugt darauf geachtet, dass das Ultraschallsignal bei Lochübergängen
kurz ausgeblendet wird.
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Während
einer Umdrehung der Scheibe 31 passieren also die Löcher 32 nach
Art von Lochblenden nacheinander den aufzunehmenden Körper 10. Der
Ultraschall von dem stehenden Prüfkopf und Ultraschallsensor 20 läuft
nur dann bis zum Körper 10, wenn er auf ein Loch 32 trifft.
Auch nur in diesem Falle läuft die Reflektion des Ultraschalls
zurück durch dieses Loch 32 zum Ultraschallsensor 20.
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Durch
die spiralförmige Anordnung der Löcher 32 erfolgt
eine Zeilenrasterung, die es ermöglicht, ein zweidimensionales
Bild aus Reflektionszeiträumen in eine Bildsequenz zu wandeln.
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Im
ersten Schritt wird also mittels des stationären Ultraschallsensors 20 eine
Ultraschallsequenz im Zeitbereich aufgenommen (so genannter BT-Scan),
während die (Nipkow-)Scheibe 31 rotiert. Die Zeilentrennung
und deren Volumenrekonstruktion erfolgen dann anschließend
rechnergestützt.
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In
der 2 ist schematisch die Extraktion einer einzelnen
Volumenzeile beziehungsweise Volumenscheibe aus der aufgenommenen
Ultraschalsequenz dargestellt.
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Jede
Bildspalte in der 2 entspricht einem Ultraschallsignal
mit einer grauwertkodierten Darstellung der Echo-Höhen.
Die Trennung der Volumenscheiben aus der Bildsequenz erfolgt durch
Vergleich des Maximalwertverlaufs der Ultraschallsignale mit einem
Schwellwert. Dies ist in der unteren Zeile der 2 zu
erkennen.
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Liegt
der Ultraschallsensor 20 genau zwischen zwei Löchern 32 des
Bildzerlegungselements 30, so wird kein Ultraschallecho
detektiert und der Maximalwert liegt unter dem Schwellwert. Daraus kann
auf einen Zeilenumbruch geschlossen werden.
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Sequenzbereiche,
deren Maximalwerte dagegen oberhalb des Schwellwertes liegen, werden als
ein zusammenhängendes Bild gespeichert. Jede Umdrehung der
hier betrachteten akustischen Nipkow-Scheibe 31 erzeugt
auf diese Weise zehn Ultraschallschnittbilder.
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Durch
Rekonstruktionsalgorithmen im Messrechner kann dann in Echtzeit
ein Schnittbildstapel erzeugt und in eine Volumendarstellung umgewandelt
werden. Auf diese Weise entsteht ein bewegtes dreidimensionales
Abbild des Messbereichs.
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In
der 3 ist schematisch vergrößert
das Messvolumen dargestellt. In der linken Darstellung sieht man
nochmals den in der Ausführungsform verwendeten 5 Megahertz-Ultraschallsensor 20 und
als Größenvergleich dabei die Zwei-Cent-Münze,
die als Körper 10 verwendet wurde. Aus den vorstehenden Erläuterungen
kann man bereits entnehmen, dass die laterale oder Ortsauflösung
neben der Charakteristik des Ultraschallsensors 20 auch
von der Anzahl und Größe der Blendenlöcher 32 und
auch von der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe 31 beziehungsweise
der Impulsfolgefrequenz des eingesetzten Ultraschallsystems abhängig
ist.
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Bei
dem Versuchsaufbau besitzt der Antrieb 33 eine Drehgeschwindigkeit
von zwei Umdrehungen pro Sekunde, sodass eine Messzeit für
ein Volumen von 0,5 Sekunden erreicht wird. Bei einer derartigen Geschwindigkeit
kann abhängig von der Leistungsfähigkeit des Ultraschallsystems
deutlich über 100 Ultraschallsignale in einer Bildzeile
aufgenommen werden.
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Der
Bilderstapel ist in dem mittleren Bild in der 3 zu
erkennen.
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Ein
Schnittbild an der Münzenoberseite zeigt, dass sowohl die
Zahl 2 als auch die dargestellte Weltkugel auf der Münzenvorderseite
klar zu erkennen sind. Verschiedene Darstellungsverzerrungen sind
ebenfalls aufgrund der stark gebogenen Scan-Bahnen der Blendenlöcher 32 zu
entnehmen. Da diese gebogenen Scan-Bahnen und andere automatisch
eintretenden Darstellungsverzerrungen jedoch systembedingt vorhersehbar
sind, können sie bei Anwendung einer entsprechend intelligenten Auswertung
problemlos konzipiert werden.
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In
der 4 ist eine nicht nur zweidimensionale, sondern
dreidimensionale Visualisierung des gesamten Messvolumens des Ultraschallsensors 20 dargestellt,
und zwar dort am Beispiel einer Ein-Cent-Münze. Die Oberfläche
der Münze als Körper 10 wurde mit ausreichender
lateraler und vertikaler Auflösung aufgenommen, um die „1”,
die Weltkugel und die Kanten erfassen zu können. Die Münze scheint
in der Darstellung frei über der Probeauflage zu schweben,
da zum Schallfeld orthogonale Flächen keine signifikanten
Echos bedingen und somit nicht visualisiert werden können.
Die Umrandung der Auflagefläche in der Darstellung der 4 stellt gleichzeitig
die seitlichen Grenzen des Messbereichs dar.
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Möglich
ist auch eine Messung innerer Merkmale von Körpern 10.
In 5 sind zwei Ultraschallschnittbilder eines Mikrochips
auf Höhe der innen liegenden Leiterbahnen dargestellt.
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Auf
der linken Seite ist zur besseren Interpretation ein XY-Scan des
Chips mit einem Ultraschallmikroskop aufgeführt. Auf der
rechten Seite ist eine Messung basierend auf einer Ausführungsform
der Erfindung mit Bildzerlegungselement 30 in Form einer
Nipkow-Scheibe wiedergegeben. In dieser Messung auf der rechten
Seite sind Lage und Größe des inneren IC-Bausteins
sowie der Vergussfixierungen wieder zu erkennen. Die einzelnen Leiterbahnen
sind hier allerdings nicht mehr trennbar und erscheinen als geschlossene
Echo-Textur.
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Des
Weiteren sind Darstellungsverzerrungen in radialer Richtung zu beobachten,
die durch die verschiedenen Bahngeschwindigkeiten der Blendenlöcher 32 bedingt
werden. Bei gleicher Messrate des Ultraschallsystems mit dem Ultraschallsensor 20 werden
daher Objekte zur Scheibenmitte aufgrund der geringeren Bahngeschwindigkeit
breiter dargestellt.
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In
der 6 ist eine andere Ausführungsform der
Erfindung wiedergegeben. Hier wird als Bildzerlegungselement 30 keine
Scheibe eingesetzt, sondern eine bandbasierte, jedoch ähnlich
funktionierende Lösung entwickelt.
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Diese
Lösung ist für einen handgeführten Ultraschallsensor
besonders gut geeignet.
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Ein
Gehäuse 12 ist in diesem Falle mit Öl
gefüllt. Auch diese Flüssigkeit dient zur Verbesserung der
Ultraschallübertragung.
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Auch
hier wird ein Ultraschallsensor 20 eingesetzt, der zugleich
einen Ultraschallschwinger darstellt, beziehungsweise aufnimmt.
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Das
zu beobachtende Objekt oder der Körper 10 liegt
in diesem Falle außerhalb des Gehäuses 12 und
ist nicht dargestellt. Der Ultraschallsensor 20 beziehungsweise
der Ultraschallschwinger wirkt hier durch seine Ultraschallstrahlen
durch ein akustisches Fenster 25 auf den Körper 10 ein.
Zwischen den Ultraschallsensor 20 und Ultraschallschwinger
und das akustische Fenster 25 und somit den dahinter liegenden
Körper 10 wird wiederum ein Bildzerlegungselement 30 eingeschaltet.
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Dieses
Bildzerlegungselement 30 weist hier ein Band 35 auf,
das um eine Reihe von Umlenkrollen 36 geführt
ist und durch einen Antrieb 33 gezogen und bewegt wird.
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Das
Band 35 weist wiederum Löcher 32 auf. Diese
sind in diesem Falle in gleichmäßigen Abständen
treppenartig auf dem Band 35 angeordnet. Die Löcher 32 liegen
also jedes in einem anderen Abstand von den Kanten des Bandes 35 sukzessive
hintereinander.
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Da
das Band 35 zwischen dem Sensor 20 und dem akustischen
Fenster 25 und dem dahinter liegenden Körper 10 geführt
und bewegt wird, vollziehen die Blendenlöcher 32 sukzessive
eine lineare Bewegung durch das Ultraschallfeld und erlauben dadurch
eine verzerrungsfreie Bildgebung des Messbereichs.
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Bei
einer ausreichenden Bahngeschwindigkeit des Bandes 35 lassen
sich damit sogar vierdimensionale Ultraschallinformationen generieren, also
nicht nur Angaben über den exakten Ort, sondern auch zeitabhängige
Bewegungen eines Objektes.
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Der
praktische Einsatz erfolgt durch Aufsetzen des Gehäuses 12 mit
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
auf den (Prüf-)Körper 10 mit einer dazwischenliegenden
Koppelschicht aus beispielsweise Öl, Wasser oder Gel.
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Um
Reflektionsverluste bei der Ultraschallübertragung möglichst
zu minimieren, sollten das akustische Fenster 25 sowie
das innere und das äußere Koppelfluid hinsichtlich
der akustischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt sein.
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- 10
- Körper
- 11
- Wasserbecken
- 12
- Gehäuse
- 20
- Ultraschallsensor
- 25
- akustisches
Fenster
- 30
- Bildzerlegungselement
- 31
- Scheibe
- 32
- Löcher
- 33
- Antrieb
- 34
- Pfeil
- 35
- Band
- 36
- Umlenkrollen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005040180
A1 [0002]
- - DE 30105 B [0021]