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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Fehlern oder Defekten an Bauteilen unter Einsatz von Ultraschallwandlern. Dabei sollen insbesondere dreidimensionale Untersuchungen möglich sein.
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Bisher ist es üblich Anordnungen zu nutzen bei denen mindestens ein Ultraschallwandler entlang einer Oberfläche eines zu untersuchenden Bauteils bewegt wird, um eine dreidimensionale Detektion zu ermöglichen. Dies erfordert aber eine Mechanik, mit der eine definierte Bewegung entlang der Oberfläche erreichbar ist. Außerdem muss gesichert werden, dass auf der jeweiligen untersuchten Oberfläche gleiche Ein- und Auskoppelverhältnisse eingehalten werden.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit zu einer dreidimensionalen Erkennung von Fehlern und Defekten ist der Einsatz von so genannten Phased-Array-Systemen, bei denen mehrere Ultraschallwandlerelemente in einer Linien-, Matrix-, Ring- oder segmentierte Ringanordnung eingesetzt und einzeln zeitlich versetzt betrieben werden. Die Anzahl der dabei eingesetzten Ultraschallwandlerelemente ist dabei – besonders bei Matrixanordnungen – sehr hoch, was zu einem erhöhten Steuer- und Auswerteaufwand führt. Jedes einzelne Ultraschallwandlerelement benötigt bei dieser Variante eine eigene Anschlussleitung und auch eine eigene Sende- und Empfangselektronik. Wird dabei in konventioneller Weise der Schall beim Emittieren und Empfangen in einer Richtung fokussiert, müssen für eine vollständige Erfassung eines ganzen Raumes sehr viele Schüsse in alle Richtungen des Raumes erfolgen, was zusätzlich zu einem sehr hohen Zeitbedarf führt. Dagegen kann man nach dem Verfahren, wie es in
DE 10 2004 059 856 A1 beschrieben ist, bereits aus den empfangenen Signalen einer einzigen Emission von Ultraschallwellen die Lage der Echos im ganzen Raum berechnen.
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Aus dem Stand der Technik sind auch biplanare Arrays von Ultraschallwandlern bekannt, bei denen die Ultraschallwandlerelemente aus einer piezoelektrischen Schicht mit in Reihen und Spalten angeordneten Kontaktstreifen an den Oberflächen gebildet werden. Ein Beispiel dazu ist in
EP 2 191 171 B1 beschrieben. Die Anzahl der notwendigen Anschlussleitungen und Sende- und Empfangskanälen reduziert sich bei dieser Variante zwar auf die Anzahl der der Reihen und Spalten, aber die Schallwellen können nicht mehr in den vollständigen Raum geschwenkt und im Volumen eines Bauteils oder einer Probe fokussiert werden, sondern nur noch entlang der zwei Ebenen, die sich aus der Orientierung der Reihen und Spalten ergeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Fehler oder Defekte in oder an Bauteilen dreidimensional zu detektieren, wobei dies mit reduziertem Aufwand und ausreichender Genauigkeit erfolgen soll.
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Die Grundidee der Erfindung liegt in der Auswahl der Ultraschallwandlerelemente während einer Emission von Ultraschallwellen während eines Zeitintervalls, die verändert wird. Die Emission erfolgt mit ausgewählten Ultrschallwandlerelementen. Die Detektion erfolgt ebenfalls mit ausgewählten Ultraschallwandlerelementen, wobei diese andere als die zur Emission genutzten Ultraschallwandlerelemente sein können, wobei der Sonderfall, dass beim Emittieren und Empfangen die gleiche Auswahl aktiv ist, mit eingeschlossen sein soll.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Detektion von Fehlern oder Defekten an Bauteilen unter Einsatz von Ultraschallwandlerelementen werden von mindestens einem Ultraschallwandlerelement einer Reihen- und Spaltenanordnung, bei der jeweils mindestens zwei Ultraschallwandlerelemente in einer Reihe und mindestens zwei Ultraschallwandlerelemente in einer Spalte angeordnet sind, über vorgebbare Zeitintervalle Ultraschallwellen emittiert und in das Bauteil eingekoppelt.
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In Zeitintervallen, innerhalb derer keine Ultraschallwellen von dem mindestens einen Ultraschallwandlerelement emittiert werden, erfolgt eine Detektion von Ultraschallwellen, die innerhalb des jeweiligen Bauteils reflektiert oder gestreut worden sind, mit mehreren aus allen Ultraschallwandlerelementen ausgewählten Ultraschallwandlerelementen. Bedingt durch die Struktur der Kontaktelektroden sind dabei jeweils ein oder mehrere Ultraschallwandlerelemente einer Reihe oder Spalte aktiv.
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Dabei wird dieser Vorgang über mehrere Zeitintervalle wiederholt durchgeführt und es werden dabei jeweils mehrere unterschiedlich angeordnete Ultrschallwandlerelemente für eine Detektion ausgewählt.
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Ziel ist es, den gleichen Datensatz, wie bei einem konventionellen Matrixarray zu erhalten, das aus ebenso vielen einzelnen Elementen mit zugehörigen Empfangskanälen besteht, wobei hier allerdings nur einmal emittiert werden muss.
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Mit diesem Datensatz kann eine dreidimensionale Erfassung von Fehlern oder Defekten in einem Bauteil durchgeführt werden.
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Dabei können Fehler oder Defekte lokalisiert und/oder in ihrer jeweiligen Größe bzw. Ausdehnung erkannt werden.
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Die Anordnung der Ultraschallwandlerelemente ist bei der Emission und Detektion der Ultraschallwellen mit dem Bauteil fest verbunden, zumindest erfolgt keinerlei Bewegung. Allerdings kann durch mehrere Schüsse verbunden mit einer Relativbewegung eine Verbesserung der Ergebnisse erfolgen (Anwendung der Synthetic Apertur Focussing Technique SAFT).
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Ultraschallwandlerelementanordnung eingesetzt werden, bei der auf einer Oberfläche eines zur Emission von Ultraschallwellen ausgebildeten Substrats für jede Reihe von Ultraschallwandlerelementen eine gemeinsame diese überdeckende erste Elektrode und auf der gegenüberliegenden Oberfläche für jede Spalte eine gemeinsam diese überdeckende zweite Elektrode angeordnet oder ausgebildet ist. Die Reihen und Spalten sowie die ersten und zweiten Elektroden können dabei vorteilhaft senkrecht oder einem entsprechenden Winkel zueinander ausgerichtet sein.
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Die ersten oder zweiten Elektroden können an eine elektrische Spannungsquelle, die an eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit angeschlossen ist, und die jeweils anderen also die zweiten oder die ersten Elektroden an Masse, angeschlossen sein, wobei für eine Emission von Ultraschallwellen von mindestens einem Ultraschallwandlerelement mindestens eine erste oder mindestens eine zweite Elektrode mit einem elektrischen Impuls oder einem Wechselspannungsburst entsprechend dem Stand der Technik beaufschlagt wird. Dies kann mit einer geeigneten elektrischen Spannungsquelle und/oder mittels der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit erreicht werden.
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Für eine Emission von Ultraschallwellen sollte mindestens ein Ultraschallwandlerelement ausgewählt worden sein, das beliebig angeordnet sein kann. Bevorzugt sind dabei Ultraschallwandlerelemente, die im Zentrum, in Eckbereichen bzw. an Rändern angeordnet sind. Mit einem genutzten Auswertealgorithmus kann aber auch jedes beliebige andere Ultraschallwandlerelement zur Emission ausgewählt werden. Für das nachfolgend noch weiter zu beschreibende Beispiel wurde das Element in der Mitte gewählt.
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Ein einzelnes Ultraschallwandlerelement emittiert eine Kugelwelle, mit der die dreidimensionale Auswertung besonders einfach ist. Es ist allerdings auch möglich, mit mehreren bis hin zu allen Ultraschallwandlerelementen gleichzeitig zu emittieren, wobei die dabei entstehenden anderen Formen der sich im Raum ausbreitenden Welle im Auswertealgorithmus berücksichtigt werden sollten.
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Die jeweiligen Positionen der Ultraschallwandlerelemente sollten bekannt und eine zeitaufgelöste Detektion reflektierter oder gestreuter Ultraschallwellen möglich sein.
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Für eine zeitlich effektive Gestaltung der Datenaufnahme kann es vorteilhaft sein, für eine gleichzeitige Detektion von reflektierten oder gestreuten Ultraschallwellen in einem Zeitintervall jeweils Ultraschallwandlerelemente, die in einer Reihe oder Spalte angeordnet sind, auszuwählen.
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Die Auswertung der Daten kann ähnlich, wie in
DE 10 2004 059 856 A1 beschrieben, erfolgen. Dort ist das Prinzip in
1b gezeigt:
Man berechnet für jedes Raumelement des jeweiligen Bauteils die Laufzeit der Schallwellen vom jeweiligen emittierenden Ultraschallwandlerelement zu diesem Raumelement und zurück, bis die Schallwellen von den jeweils ausgewählten Ultraschallwandlerelementen detektiert werden. Dieser Laufzeit sind ein Punkt und damit ein Amplitudenwert des Empfangssignals des jeweiligen Ultraschallwandlerelementes zugeordnet. Von diesen Amplitudenwerten aller Kombinationen von emittierenden und empfangenden Ultraschallwandlerelementen kann ein Mittelwert gebildet werden. Ist ein Reflektor (z.B. ein Defekt) in diesem Raumelement vorhanden, dann sind die reflektierten Echos (Schallwellen) gleichphasig, die Werte addieren sich und es entsteht ein Fehlersignal. Ist kein Reflektor vorhanden, heben sich die Werte durch die unterschiedlichen Phasenlagen ähnlich, wie bei einem Rauschen gegenseitig näherungsweise auf.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 mehrere schematische Darstellungen einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu unterschiedlichen Zeitpunkten bei der zur Vereinfachung eine 3 × 3-Anordnung mit einem emittierenden Ultraschallwandlerelement in der Mitte gewählt wurde.
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In der linken oberen Darstellung von
1 ist eine Anordnung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, gezeigt. Die gezeigte Anordnung kann also ein biplanares Array von Ultraschallwandlerelementen sein. Es kann dabei auch so ausgebildet sein, wie es in
EP 2 191 171 B1 beschrieben ist.
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Dabei sind insgesamt neun Ultraschallwandlerelemente vorhanden, von denen jeweils drei in einer Reihe A, B und C und jeweils drei in einer Spalte 1, 2 und 3 angeordnet sind. Es wird auch deutlich, dass an einer Oberfläche die drei Ultraschallwandlerelelemente einer Reihe A, B und C jeweils von einer ersten Elektrode überdeckt und miteinander verbunden sind. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche sind die jeweils drei Ultraschallwanlderelelemente einer Spalte 1, 2 und 3 ebenfalls jeweils mit einer zweiten Elektrode überdeckt.
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Die ersten Elektroden sind bei diesem Beispiel mit einer elektrischen Spannungsquelle, die von einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit gesteuert betrieben wird, elektrisch leitend verbunden, so dass die in den drei Reihen angeordneten Ultraschallwandler mit der elektrischen Anregung jeweils einzeln und unabhängig voneinander beaufschlagbar sind, wenn die elektronische Steuer- und Auswerteeinheit die elektrische Spannungsquelle entsprechend ansteuert.
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Die zweiten Elektroden, die für die entsprechende Konfiguration benötigt werden, sind dabei an Massepotential der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen.
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In der mittleren oberen Darstellung von 1 ist der Fall verdeutlicht, bei dem durch entsprechende Schaltung lediglich ein Ultraschallwandlerelement mit elektrischer Anregungwährend eines Zeitintervalls beaufschlagt wird, so dass es als Ultraschallwellen emittierendes Ultraschallwandlerelement S fungiert und innerhalb dieses Zeitintervalls Ultraschallwellen emittiert, die in das Bauteil über eine Oberfläche, auf die die Ultraschallwandlerelementanordnung aufgesetzt ist, eingekoppelt werden. Bei diesem Beispiel ist das emittierende Ultraschallwellenwandlerelement S im Zentrum der Array-Anordnung, also am Kreuzungspunkt B2 angeordnet.
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Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung werden aus dem Bauteil reflektierte und gestreute Ultraschallwellen, nicht mit allen Ultraschallwandlern detektiert. Eine Detektion erfolgt in diesem Fall nach Ablauf eines ersten Zeitintervalls innerhalb dessen Ultraschallwellen vom Ultraschallwandlerelelement S emittiert worden sind, mit den drei Ultraschallwandlerelementen, die in der obersten Reihe A angeordnet sind. Alle anderen Ultraschallwandlerelemente in den beiden anderen Reihen B und C detektieren in diesem Zeitintervall keine Messsignale und es werden ausschließlich die Messsignale der Ultraschallwandlerelememente, die in der Reihe A angeordnet sind, bei der Auswertung berücksichtigt. Dies ist in der oberen rechten Darstellung von 1 verdeutlicht.
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Im Nachgang zur Detektion von Messsignalen mit den Ultraschallwandlerelementen der Reihe A wird wieder das eine Ultraschallwandlerelelement S am Kreuzungspunkt B2 aktiviert und es werden von diesem wieder über ein weiteres Zeitintervall Ultraschallwellen emittiert und in das Bauteil eingekoppelt.
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Nach dem Abschalten des Ultraschallwandlerelements S am Kreuzungspunkt B2 erfolgt in einem unmittelbar daran anschließenden Zeitintervall eine Detektion von reflektierten und gestreuten Ultraschallwellen aus dem Bauteil. Dabei werden die in der mittleren Reihe B angeordneten Ultraschallwandlerelemente ausgewählt und so genutzt, wie es vorab für die Ultraschallwandlerelemente der Reihe A beschrieben worden ist. Dies ist mit der zweiten Darstellung von links in der unteren Reihe von 1 veranschaulicht.
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Mit der rechts daneben gezeigten Darstellung soll verdeutlicht werden, dass sich an dieses Zeitintervall, in dem eine Detektion mit Ultraschallwandlerelementen der Reihe B durchgeführt worden ist, wieder ein Zeitintervall anschließt, in dem eine Emission und Einkopplung von Ultraschallwellen in des Bauteil erreicht wird, anschließt und das im Kreuzungspunkt B2 angeordnete Ultraschallwandlerelement S wieder innerhalb eines Zeitintervalls aktiviert wird.
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An dieses Zeitintervall schließt sich wieder ein Zeitintervall an, in dem eine Detektion erfolgt. In diesem Fall sind die Ultraschallwandlerelemente der Reihe C ausgewählt worden, deren Messsignale erfasst und/oder für die Auswertung genutzt werden. Dies ist in der rechten unteren Darstellung von 1 angedeutet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004059856 A1 [0003, 0021]
- EP 2191171 B1 [0004, 0025]
