DE102014112368A1 - Measuring device for characterizing a test specimen by means of ultrasound - Google Patents
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Abstract
Eine Messvorrichtung zum Charakterisieren eines Prüflings mittels Ultraschall besitzt mindestens einen Messkopf (1) mit ersten und zweiten Piezoelementen (3, 4). Mit den ersten Piezoelementen (3) können im Prüfling transversale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden, während mit den zweiten Piezoelementen (4) longitudinale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden können. Die ersten und zweiten Piezoelemente (3) sind nebeneinander in einem regelmässigen Muster am Messkopf (1) angeordnet und besitzen gleiche Aussenform, so dass der Messkopf (1) mit beiden Arten von Piezoelementen beliebig bestückt werden kann.A measuring device for characterizing a test specimen by means of ultrasound has at least one measuring head (1) with first and second piezo elements (3, 4). Transverse oscillations can be generated or detected in the device under test with the first piezo elements (3), while longitudinal vibrations can be generated or detected with the second piezo elements (4). The first and second piezoelectric elements (3) are arranged side by side in a regular pattern on the measuring head (1) and have the same external shape, so that the measuring head (1) can be equipped with either type of piezoelectric elements.
Description
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Charakterisieren eines Prüflings mittels Ultraschall. Die Messvorrichtung besitzt mindestens einen Messkopf mit mindestens einem Piezoelement. Jedes Piezoelement besitzt einen Anschlagkörper zum Anlegen an den Prüfling sowie einen piezoelektrischen Aktuator zum Erzeugen und/oder Detektieren von Schwingungen im Anschlagkörper. The invention relates to a measuring device for characterizing a test specimen by means of ultrasound. The measuring device has at least one measuring head with at least one piezoelectric element. Each piezoelectric element has a stop body for application to the test specimen and a piezoelectric actuator for generating and / or detecting vibrations in the stop body.
HINTERGRUND BACKGROUND
Die Charakterisierung von Prüflingen mittels Ultraschall erlaubt es, verschiedene Eigenschaften des Prüflings nichtinvasiv zu erfassen. Insbesondere kann diese Technik z.B. dazu verwendet werden, die innere Struktur des Prüflings oder gewisse Materialeigenschaften desselben (z.B. Schallgeschwindigkeit oder Elastizitätsmodul) zu bestimmen. Die Technik kann insbesondere zur Qualitätsprüfung an Beton eingesetzt werden. The characterization of specimens by means of ultrasound makes it possible to non-invasively record various properties of the specimen. In particular, this technique may e.g. be used to determine the internal structure of the specimen or certain material properties thereof (e.g., sonic velocity or elastic modulus). The technique can be used in particular for quality testing of concrete.
Eine Vorrichtung geeignet zur Ultraschallcharakterisierung besitzt in der Regel mindestens einen Messkopf, in welchem mindestens ein Piezoelement angeordnet ist. Das Piezoelement besitzt einen piezoelektrischen Aktuator zum Erzeugen und/oder Detektieren einer Schwingung sowie einen Anschlagkörper, der an den Prüfling angelegt werden kann. A device suitable for ultrasonic characterization usually has at least one measuring head, in which at least one piezoelectric element is arranged. The piezoelectric element has a piezoelectric actuator for generating and / or detecting a vibration as well as a stop body, which can be applied to the specimen.
Das Piezoelement kann zum Erzeugen einer longitudinalen Schwingung oder einer transversalen Schwingung (Schwerwelle) im Prüfling ausgestaltet werden. The piezo element can be designed to generate a longitudinal oscillation or a transverse oscillation (heavy wave) in the test object.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION
Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher auf möglichst einfache Weise sowohl transversale als auch longitudinale Schwingungen im Prüfling erzeugt und/oder gemessen werden können. It has as its object to provide a device of the type mentioned, with which in the simplest possible way both transversal and longitudinal vibrations generated in the test specimen and / or can be measured.
Diese Aufgabe wird von der Messvorrichtung gemäss Anspruch 1 erfüllt. Demgemäss besitzt der Messkopf unterschiedliche erste und zweite Piezoelemente. Die Piezoelemente unterscheiden sich voneinander zumindest dadurch, dass die ersten Piezoelemente zum Erzeugen und/oder Detektieren von transversalen Schwingungen und die zweiten Piezoelemente zum Erzeugen und/oder Detektieren von longitudinalen Schwingungen im Prüfling ausgestaltet sind. Dies erlaubt es, beide Schwingungsmodi zu erzeugen, wobei aber die einzelnen Piezoelemente in ihrem Aufbau einfach gehalten werden können. This object is fulfilled by the measuring device according to claim 1. Accordingly, the measuring head has different first and second piezo elements. The piezo elements differ from each other at least in that the first piezo elements are designed to generate and / or detect transversal oscillations and the second piezo elements to generate and / or detect longitudinal oscillations in the test specimen. This makes it possible to generate both modes of vibration, but the individual piezo elements can be kept simple in their construction.
Die Messvorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, die Piezoelemente jeweils in Resonanz zu betreiben. In diesem Falle unterscheidet sich die Resonanzfrequenz für die transversale Schwingung der ersten Piezoelemente von jener für die longitudinale Schwingung der zweiten Piezoelemente mit Vorteil um höchstens 20%, insbesondere um höchstens 10%. Damit kann erreicht werden, dass die Messungen mit den transversalen und longitudinalen Schwingungen jeweils im gleichen spektralen Bereich stattfinden. Darüber hinaus kann die Elektronik zum Anregen und/oder Messen der beiden Schwingungsmodi jeweils für denselben Frequenzbereich optimiert werden. The measuring device can be designed to operate the piezo elements in each case in resonance. In this case, the resonance frequency for the transverse oscillation of the first piezoelectric elements advantageously differs from that for the longitudinal oscillation of the second piezoelectric elements by at most 20%, in particular by at most 10%. It can thus be achieved that the measurements with the transverse and longitudinal oscillations take place in the same spectral range in each case. In addition, the electronics for exciting and / or measuring the two vibration modes can each be optimized for the same frequency range.
Unter dem Ausdruck „ein Piezoelement wird in Resonanz betrieben“, ist dabei zu verstehen, dass das Piezoelement mit einem periodischen Signal angesteuert wird, dessen Frequenz höchstens um 10%, insbesondere höchstens um 5%, von einer Resonanzfrequenz des Piezoelements abweicht. The term "a piezo element is operated in resonance", is to be understood that the piezoelectric element is driven by a periodic signal whose frequency deviates at most by 10%, in particular at most by 5%, from a resonant frequency of the piezoelectric element.
Unter „Resonanzfrequenz“ bzw. „Eigenfrequenz“ ist vorteilhaft die tiefste (fundamentale) Resonanzfrequenz des Piezoelements für die jeweilige Schwingungsart zu verstehen, d.h. die Piezoelemente werden vorzugsweise in ihrer tiefsten Resonanz betrieben. By "resonance frequency" or "natural frequency" is advantageously the lowest (fundamental) resonant frequency of the piezoelectric element for each type of vibration to understand, i. the piezoelectric elements are preferably operated in their lowest resonance.
In einer weiteren Ausführung erstrecken sich die piezoelektrischen Aktuatoren jeweils zwischen einem ersten und einem zweiten Ende. Dabei ist das zweite Ende mit dem jeweiligen Anschlagkörper verbunden. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende definiert die Länge des piezoelektrischen Aktuators. In diesem Falle ist die Länge der piezoelektrischen Aktuatoren der ersten Piezoelemente vorteilhaft geringer als die Länge der piezoelektrischen Aktuatoren der zweiten Piezoelemente. Hätten die beiden Typen von Aktuatoren dieselben Längen, so wäre die fundamentale transversale Eigenfrequenz der piezoelektrischen Aktuatoren der ersten Piezoelemente deutlich tiefer als die fundamentale longitudinale Eigenfrequenz der piezoelektrischen Aktuatoren der zweiten Piezoelemente, was aus den bereits erwähnten Gründen nachteilig ist. Durch die kürzere Ausgestaltung der Aktuatoren der ersten Piezoelemente kann diesem Frequenzunterschied entgegengewirkt werden. In a further embodiment, the piezoelectric actuators each extend between a first and a second end. In this case, the second end is connected to the respective stop body. The distance between the first and second ends defines the length of the piezoelectric actuator. In this case, the length of the piezoelectric actuators of the first piezoelectric elements is advantageously smaller than the length of the piezoelectric actuators of the second piezoelectric elements. Had the two types of actuators the same lengths, the fundamental transverse natural frequency of the piezoelectric actuators of the first piezoelectric elements would be significantly lower than the fundamental longitudinal natural frequency of the piezoelectric actuators of the second piezoelectric elements, which is disadvantageous for the reasons already mentioned. Due to the shorter design of the actuators of the first piezoelectric elements, this frequency difference can be counteracted.
Mit Vorteil besitzt die Messvorrichtung mehr zweite Piezoelemente (d.h. Piezoelemente zum Erzeugen und/oder Detektieren longitudinaler Schwingungen) als erste Piezoelemente (d.h. Piezoelement zum Erzeugen und/oder Detektieren transversaler Schwingungen), da bei ungefähr gleicher Dimensionierung und Ansteuerung der Piezoelemente mit jedem ersten Piezoelement in der Regel mehr Leistung in den Prüfling eingekoppelt (bzw. aus dem Prüfling ausgekoppelt) werden kann als mit jedem zweiten Piezoelement. Advantageously, the measuring device has more second piezo elements (ie piezo elements for generating and / or detecting longitudinal oscillations) as first piezo elements (ie piezo element for generating and / or detecting transversal Vibrations), since at about the same dimensioning and control of the piezoelectric elements with each first piezoelectric element usually more power coupled into the device under test (or decoupled from the device under test) can be as with every second piezoelectric element.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Piezoelemente derart am Messkopf angeordnet, dass jedes erste Piezoelement mindestens ein zweites Piezoelement als nächsten Nachbarn besitzt und umgekehrt. Durch diese Durchmischung der Piezoelemente wird es möglich, die longitudinalen und transversalen Schwingungen im ungefähr gleichen Raumbereich des Prüflings zu erzeugen bzw. zu detektieren. In a further advantageous embodiment, the piezoelectric elements are arranged on the measuring head such that each first piezoelectric element has at least one second piezoelectric element as the nearest neighbor and vice versa. By this mixing of the piezoelectric elements, it becomes possible to generate or detect the longitudinal and transverse vibrations in the approximately same spatial region of the test object.
In einer weiteren Ausführung besitzt der Messkopf für jedes Piezoelement einen mechanischen Halter, in welchem das Piezoelement gehalten ist. Dabei sind die Halter für die ersten und die zweiten Piezoelemente im Wesentlichen identisch, d.h. sie besitzen jeweils gleiche Form, derart, dass jeder Halter sowohl ein erstes aber auch ein zweites Piezoelement aufnehmen kann. Dies erlaubt es, jeden Halter wahlweise mit einem ersten oder einem zweiten Piezoelement zu bestücken. Auf diese Weise wird es möglich, denselben Messkopf z.B. nur mit ersten Piezoelementen, nur mit zweiten Piezoelementen oder mit einer Mischung der beiden Arten von Piezoelementen auszurüsten, so dass herstellerseitig mit nur wenigen Komponenten unterschiedliche Messköpfe hergestellt werden können. In a further embodiment, the measuring head has a mechanical holder for each piezoelectric element, in which the piezoelectric element is held. In this case, the holders for the first and the second piezo elements are substantially identical, i. they each have the same shape, such that each holder can accommodate both a first and a second piezoelectric element. This makes it possible to equip each holder optionally with a first or a second piezoelectric element. In this way it becomes possible to use the same measuring head, e.g. to equip only with first piezo elements, only with second piezo elements or with a mixture of the two types of piezo elements, so that different measuring heads can be manufactured by the manufacturer with only a few components.
Aus demselben Grund besitzen die ersten und die zweiten Piezoelemente jeweils gleiche Aussenform, allenfalls mit Ausnahme der Form der Anschlagkörper. Letztere können sich unterscheiden – da sie nicht mit den Haltern des Messkopfs zusammenwirken, können sie in ihrer Form für die Übertragung des jeweiligen Schwingungsmodus optimiert werden. For the same reason, the first and the second piezoelectric elements each have the same external shape, with the possible exception of the shape of the stopper body. The latter can differ - since they do not interact with the holders of the measuring head, they can be optimized in their shape for the transmission of the respective vibration mode.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Piezoelemente derart in einem drehsymmetrischen Muster am Messkopf angeordnet, dass durch Drehung um 360°/n jedes Piezoelement in sich selbst oder in ein anderes Piezoelement überführbar ist. Dabei ist n > 2, wodurch der Messkopf besonders zum Ausmessen zylindrischer Prüflinge (z.B. Borkernen) geeignet ist. In a further advantageous embodiment, the piezoelectric elements are arranged in a rotationally symmetrical pattern on the measuring head in such a way that each piezoelectric element can be converted into itself or into another piezoelectric element by rotation through 360 ° / n. In this case, n> 2, whereby the measuring head is particularly suitable for measuring cylindrical specimens (for example boron cores).
Vorteilhaft ist die Symmetrie des Musters derart, dass bei einer Drehung um 360°/n jedes Piezoelement entweder in sich selbst oder in ein Piezoelement der jeweils anderen Art (d.h. ein erstes Piezoelement in ein zweites Piezoelement und umgekehrt) übergeführt werden kann. In diesem Falle sollte n gerade sein, damit eine abwechslungsweise Anordnung von ersten und zweiten Piezoelementen möglich ist. In einer bevorzugten Ausführung ist n = 6. The symmetry of the pattern is advantageous in such a way that, with a rotation of 360 ° / n, each piezo element can either be converted into itself or into a piezo element of the respective other type (i.e., a first piezo element into a second piezo element and vice versa). In this case, n should be straight, so that an alternating arrangement of first and second piezo elements is possible. In a preferred embodiment, n = 6.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen: Further embodiments, advantages and applications of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description with reference to FIGS. Showing:
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Der Aufbau der ersten Piezoelemente
In der Hülse
Der Aktuator
Weiter sind drei Elektroden
Alternativ zur Anordnung gemäss
Wie auch aus
In
Der Aufbau der zweiten Piezoelemente
Wie aus
Der Aktuator
Weiter sind zwei Elektroden
Wie aus
DIE ABSCHIRMUNG
Weiter ist ein elastischer Distanzhalter
Um zum Erzeugen von Schwingungen Spannungen an die Elektroden
Wie ein Vergleich der
Wie ebenfalls ein Vergleich der
In der Praxis zeigt es sich, dass (je nach verwendetem piezoelektrischen Material und Geometrie der Aktuatoren) sich die Längen in der Regel um mindestens einen Faktor 2 unterscheiden sollten. Konkret beträgt die Länge des Aktuators
Die fundamentale transversale Eigenfrequenz des Aktuators
Wie ersichtlich, können mit den ersten Piezoelementen jeweils nur transversale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden, während mit den zweiten Piezoelementen jeweils nur longitudinale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden können. Dies ist so zu verstehen, dass die Piezoelemente derart ausgestaltet sind, dass das Signal der jeweils anderen (unerwünschten) Schwingungsart eine Leistung von höchstens 10% von jener der gewünschten Schwingungsart besitzt. As can be seen, only transversal oscillations can be generated or detected with the first piezoelectric elements, while only longitudinal oscillations can be generated or detected with the second piezoelectric elements. This is to be understood that the piezoelectric elements are designed such that the signal of the other (unwanted) vibration mode has a power of at most 10% of that of the desired mode of vibration.
Wie in
Die Feder
Wie aus
In der dargestellten Ausführung sind im Messkopf
Wie weiter aus
Der gezeigte Messkopf
Die aussendenden Piezoelemente
Auf der gegenüber liegenden Seite des Prüflings
Die Signale aller Piezoelemente
Die Steuerung
Die elektronischen Komponenten der Schaltung gemäss
Die Messvorrichtung ist vorteilhaft dazu ausgestaltet, im Betrieb abwechslungsweise periodische Signalzüge an die ersten und die zweiten sendenden Piezoelemente
Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann. While preferred embodiments of the invention are described in the present application, it should be clearly understood that the invention is not limited to these and may be practiced otherwise within the scope of the following claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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