DE102017124348A1 - Method and device for detecting broken piezo material of an ultrasonic transducer of an ultrasonic assembly - Google Patents

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Abstract

Ein gebrochenes piezoelektrisches Material in einem Ultraschallwandler einer Ultraschallbaugruppe einer Ultraschallvorrichtung wird erkannt durch das Messen einer Test-Piezo-Kopplungskonstante mit einem Test-Scan der Ultraschallbaugruppe. Die Test-Piezo-Kopplungskonstante wird mit einer vorher gemessenen Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante verglichen. Das piezoelektrische Material wird als gebrochen bestimmt, wenn die Test-Piezo-Kopplungskonstante um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante.A refracted piezoelectric material in an ultrasonic transducer of an ultrasonic assembly of an ultrasonic device is detected by measuring a test piezo-coupling constant with a test scan of the ultrasonic assembly. The test piezo-coupling constant is compared with a previously measured baseline piezo-coupling constant. The piezoelectric material is determined to be broken if the test piezo-coupling constant is smaller than the baseline piezo-coupling constant by more than a predetermined value.

Description

Gebietarea

Die vorliegende Erfindung betrifft Ultraschallvorrichtungen mit einer Ultraschallbaugruppe, und genauer, die Erkennung von gebrochenem piezoelektrischem Material eines Ultraschallwandlers der Ultraschallbaugruppe.The present invention relates to ultrasonic devices having an ultrasonic assembly, and more particularly, to detecting broken piezoelectric material of an ultrasonic transducer of the ultrasonic assembly.

Hintergrundbackground

Dieser Abschnitt beinhaltet Hintergrundinformationen bezüglich vorliegender Offenbarung, die nicht notwendigerweise Stand der Technik bilden.This section contains background information regarding this disclosure that does not necessarily form the prior art.

Bestimmte Ultraschallvorrichtungen haben eine Ultraschallbaugruppe, die durch eine Energieversorgung angeregt wird, die oft auch zur Steuerung der Ultraschallvorrichtung verwendet wird. Eine Ultraschallbaugruppe umfasst einen Ultraschallwandler und jegliches Bauteil, das mittels Ultraschall an den Ultraschallwandler gekoppelt ist, üblicherweise einen Booster oder Verstärker und eine Ultraschall-Sonotrode. Beispiele solcher Ultraschallvorrichtungen umfassen Ultraschallschweißgeräte wie jene, die zum Zusammenschweißen von Metallteilen, jene, die zum Zusammenschweißen von Kunststoffteilen, und jene, die zum Abdichten der Enden von Metall- oder Kunststoffröhren verwendet werden (wobei letztere im Wesentlichen die gleichen sind wie die, die zum Zusammenschweißen von Metall- oder Kunststoffteilen verwendet werden).Certain ultrasound devices have an ultrasound assembly that is energized by a power supply that is often also used to control the ultrasound device. An ultrasonic assembly includes an ultrasonic transducer and any component ultrasonically coupled to the ultrasonic transducer, typically a booster or amplifier and an ultrasonic sonotrode. Examples of such ultrasonic devices include ultrasonic welding equipment such as those used for welding together metal parts, those used for welding together plastic parts, and those used for sealing the ends of metal or plastic tubes (the latter being substantially the same as those used for welding Welding together metal or plastic parts are used).

1 zeigt ein Modell einer Ultraschallbaugruppe 102 und eine Energieversorgung 104 einer üblichen Ultraschallvorrichtung 100. Es versteht sich, dass die Ultraschallvorrichtung 100 jede Art von Ultraschallvorrichtung sein kann, die eine Ultraschallbaugruppe aufweist, die durch eine Energieversorgung angeregt wird. Übliche Bauteile von Ultraschallbaugruppen 102 umfassen einen Ultraschallwandler 106, einen Booster oder Verstärker 108 und eine Ultraschall-Sonotrode 110. Ultraschall-Sonotroden haben häufig eine oder mehrere Ultraschall-Sonotroden-Spitzen 112. Der Verstärker 108 und die Ultraschall-Sonotrode 110 sind mittels Ultraschall (direkt oder durch ein anderes Bauteil) mit einem Ultraschallwandler 106 verbunden. In dem Beispiel der 1 ist der Verstärker 108 am Ultraschallwandler 106 angebracht, was eine Ultraschallverbindung zwischen dem Verstärker 108 und dem Ultraschallwandler 106 herstellt, und die Ultraschall-Sonotrode 110 ist am Verstärker 108 angebracht, was eine Ultraschallverbindung zwischen der Ultraschall-Sonotrode 110 und dem Verstärker 108 herstellt und dadurch eine Ultraschallverbindung zwischen der Ultraschall-Sonotrode 110 und dem Ultraschallwandler 106 über den Verstärker 108 erzeugt. Es versteht sich, dass Ultraschallwandler im Stand der Technik auch als Ultraschallkonverter bekannt sind und beide Begriffe austauschbar verwendet werden. Die Energieversorgung 104 wird durch eine Steuerung 114 gesteuert, die einen Speicher 116 umfasst. Es versteht sich, dass die Steuerung 114 Teil der Energieversorgung 104 oder von der Energieversorgung 104 unabhängig sein kann. Die Ultraschallvorrichtung 100 wird oft einen Amboss (nicht gezeigt) umfassen, auf den ein zu verarbeitendes Werkstück gestützt wird und mit einer Ultraschall-Sonotroden-Spitze 112 in Kontakt steht, wenn es verarbeitet wird. Werden beispielsweise zwei Metall- oder Kunststoffteile miteinander verschweißt, werden sie auf den Amboss gestützt und durch die Ultraschall-Sonotroden-Spitze während des Schweißvorgangs aneinander gepresst, die gegen eines der Teile ultraschallvibriert, um die zwei Teile mittels Ultraschall miteinander zu verschweißen. 1 FIG. 12 shows a model of an ultrasound assembly 102 and a power supply 104 of a conventional ultrasound device 100. It is understood that the ultrasound device 100 can be any type of ultrasound device having an ultrasound assembly that is energized by a power supply. Typical components of ultrasound assemblies 102 include an ultrasound transducer 106, a booster or amplifier 108, and an ultrasound sonotrode 110. Ultrasonic sonotrodes often have one or more ultrasound horn tips 112. Amplifier 108 and ultrasound sonotrode 110 are ultrasonically driven (FIG. directly or through another component) connected to an ultrasonic transducer 106. In the example of 1 For example, the amplifier 108 is attached to the ultrasound transducer 106, which establishes an ultrasound connection between the amplifier 108 and the ultrasound transducer 106, and the ultrasound sonotrode 110 is attached to the amplifier 108, thereby establishing an ultrasound connection between the ultrasound sonotrode 110 and the amplifier 108 generates an ultrasonic connection between the ultrasonic sonotrode 110 and the ultrasonic transducer 106 via the amplifier 108. It is understood that ultrasonic transducers are also known in the art as ultrasonic converters and both terms are used interchangeably. The power supply 104 is controlled by a controller 114, which includes a memory 116. It is understood that the controller 114 may be part of the power supply 104 or independent of the power supply 104. The ultrasonic device 100 will often include an anvil (not shown) upon which a workpiece to be processed is supported and in contact with an ultrasonic sonotrode tip 112 as it is processed. For example, when two metal or plastic parts are welded together, they are supported on the anvil and pressed together by the ultrasonic sonotrode tip during the welding process, which is ultrasonically vibrated against one of the parts to ultrasonically weld the two parts together.

Das piezoelektrische Material von Ultraschallwandlern kann manchmal brechen, wie beispielsweise durch Rissbildung im piezoelektrischen Material. Dies führt zu einem Effizienz- und Verstärkungsverlust des Ultraschallwandlers, der schädlich für den Ultraschallprozess ist. Wenn sich ein Riss im piezoelektrischen Material entwickelt, gibt es normalerweise keine visuelle Möglichkeit, diesen Riss zu entdecken, ohne den Ultraschallwandler zu zerlegen, insbesondere wenn der Ultraschallwandler ein Gehäuse hat. Es ist daher wünschenswert zu erkennen, wenn das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers gebrochen ist. Es ist außerdem wünschenswert, dass ein Warnsignal bereitgestellt wird, wenn piezoelektrisches Material des Ultraschallwandlers als gebrochen erkannt wird.The piezoelectric material of ultrasonic transducers may sometimes break, such as cracking in the piezoelectric material. This leads to an efficiency and gain loss of the ultrasonic transducer which is detrimental to the ultrasonic process. When a crack develops in the piezoelectric material, there is usually no visual way to detect this crack without disassembling the ultrasonic transducer, especially when the ultrasonic transducer has a housing. It is therefore desirable to recognize when the piezoelectric material of the ultrasonic transducer is broken. It is also desirable that a warning signal be provided when piezoelectric material of the ultrasonic transducer is detected as broken.

ZusammenfassungSummary

Dieser Abschnitt beinhaltet eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und stellt keine ausführliche Offenbarung des gesamten Umfangs und aller Merkmale dar.This section contains a general summary of the disclosure and does not fully disclose the full scope and all features.

Gemäß einem Aspekt vorliegender Offenbarung umfasst ein Verfahren zur Erkennung von gebrochenem piezoelektrischem Material in einem Ultraschallwandler einer Ultraschallbaugruppe einer Ultraschallvorrichtung das Vergleichen einer Test-Piezo-Kopplungskonstante mit einer Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante und Bestimmen, dass das piezoelektrische Material gebrochen ist, wenn die Test-Piezo-Kopplungskonstante um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante. Die Test-Piezo-Kopplungskonstante wird mit einem Test-Scan, der durch eine Energieversorgung der Ultraschallvorrichtung durchgeführt wird, in der Luft gemessen und verglichen mit der Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante, die zuvor gemessen wurde.According to an aspect of the present disclosure, a method of detecting broken piezoelectric material in an ultrasonic transducer of an ultrasonic assembly includes An ultrasonic device comparing a test piezo-coupling constant with a baseline piezo-coupling constant and determining that the piezoelectric material is refracted when the test piezo-coupling constant is smaller than the baseline piezo-coupling constant by more than a predetermined value. The test piezo-coupling constant is measured in the air with a test scan performed by a power supply of the ultrasonic device and compared with the baseline piezo-coupling constant previously measured.

Gemäß einem Aspekt wird die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante aufgestellt, indem mit der Energieversorgung der Ultraschallvorrichtung ein Basislinien-Scan der Ultraschallbaugruppe in Luft durchgeführt wird, wenn bekannt ist, dass das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers gut ist, und indem die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante mit dem Basislinien-Scan der Ultraschallbaugruppe gemessen wird. Gemäß einem Aspekt ist die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante im Speicher einer Steuerung als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante gespeichert, während die Steuerung die Test-Piezo-Kopplungskonstante mit der Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante vergleicht und feststellt, dass das piezoelektrische Material gebrochen ist, wenn die Test-Piezo-Kopplungskonstante um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante. Gemäß einem Aspekt stellt die Steuerung ein Warnsignal bereit, wenn piezoelektrisches Material als gebrochen festgestellt wird.In one aspect, the baseline piezo-coupling constant is established by performing a baseline scan of the ultrasound assembly in air with the ultrasound device power supply when it is known that the piezoelectric material of the ultrasound transducer is good, and by baseline piezo-coupling constant is measured with the baseline scan of the ultrasound assembly. In one aspect, the baseline piezo-coupling constant is stored in the memory of a controller as the baseline piezo-coupling constant, while the controller compares the test piezo-coupling constant to the baseline piezo-coupling constant and determines that the piezoelectric material is fractured. if the test piezo-coupling constant is smaller than the baseline piezo-coupling constant by more than a predetermined value. In one aspect, the controller provides a warning signal when piezoelectric material is determined to be broken.

Weitere Bereiche der Anwendbarkeit werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und konkrete Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur zu Zwecken der Veranschaulichung und sollen nicht den Umfang vorliegender Erfindung einengen.Other areas of applicability will be apparent from the following description. The description and specific examples in this summary are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present invention.

Figurenlistelist of figures

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Umsetzungen und sollen nicht den Umfang vorliegender Erfindung einengen.

  • 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer typischen Ultraschallvorrichtung aus dem Stand der Technik;
  • 2 zeigt im Diagramm einen gemäß dem Stand der Technik üblichen Scan einer Ultraschallbaugruppe der Ultraschallvorrichtung gemäß 1; und
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerungsroutine gemäß eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung zum Erkennen, ob piezoelektrisches Material eines Ultraschallwandlers einer Ultraschallvorrichtung gebrochen ist.
The drawings described herein are for illustrative purposes only of selected embodiments and not all possible implementations, and are not intended to limit the scope of the present invention.
  • 1 shows a simplified diagram of a typical ultrasonic device of the prior art;
  • 2 shows in the diagram a conventional according to the prior art scan of an ultrasonic assembly of the ultrasonic device according to 1 ; and
  • 3 FIG. 12 shows a flowchart of a control routine according to an aspect of the present disclosure for detecting whether piezoelectric material of an ultrasonic transducer of an ultrasonic device is broken.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen übereinstimmende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Beispielhafte Ausführungsformen werden an dieser Stelle mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen eingehender erläutert.Exemplary embodiments will be explained in more detail hereunder with reference to the accompanying drawings.

Die folgende Diskussion bezieht sich auf die Ultraschallvorrichtung 100 gemäß 1, es versteht sich jedoch, dass das Folgende für jede Ultraschallvorrichtung die eine Ultraschallbaugruppe hat, die durch eine Energieversorgung angeregt wird, Anwendung findet. In dieser Hinsicht versteht es sich, dass gemäß einem untenstehend beschriebenen Aspekt der vorliegenden Offenbarung das Verfahren zum Erfassen, dass das piezoelektrisches Material des Ultraschallwandlers 106 gebrochen ist, sich von Verfahren unterscheidet, die in Ultraschallvorrichtungen des Standes der Technik genutzt werden, und die Kennzeichnung von 1 und 2 als Stand der Technik bedeutet nicht, dass das untenstehend beschriebene Verfahren zum Stand der Technik gehört.The following discussion refers to the ultrasound device 100 according to 1 However, it should be understood that the following applies to any ultrasonic device having an ultrasonic assembly that is energized by a power supply. In this regard, it is understood that according to an aspect of the present disclosure described below, the method of detecting that the piezoelectric material of the ultrasonic transducer 106 is different from methods used in prior art ultrasonic devices, and the characterization of 1 and 2 As prior art does not mean that the method described below belongs to the prior art.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Piezo-Kopplungskoeffizient Kz gemessen, um festzustellen, ob das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers 106 gebrochen ist. Wie im Stand der Technik bekannt ist, beschreibt der Piezo-Kopplungskoeffizient die Effektivität, mit der das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, und umgekehrt. Der Piezo-Kopplungskoeffizient Kz wird mit einem Scan der Ultraschallbaugruppe 102 durch die Energieversorgung 104 gemessen, wie untenstehend im Detail erläutert. Genauer wird der Piezo-Kopplungskoeffizient KZ mit einem Test-Scan der Ultraschallbaugruppe 102 gemessen, wenn der Ultraschallwandler 106 geprüft werden muss, um festzustellen, ob sein piezoelektrisches Material gebrochen ist. Dieser Piezo-Kopplungskoeffizient Kz wird verglichen mit einem Piezo-Kopplungskoeffizient Kz, der vorher mit einem Basislinien-Scan der Ultraschallbaugruppe 102 gemessen wurde. Der Piezo-Kopplungskoeffizient Kz, der mit dem Test-Scan gemessen wurde, wird hier als Test-Piezo-Kopplungskoeffizient KZt bezeichnet, und auf den Piezo-Kopplungskoeffizient Kz, der mit dem Basislinien-Scan gemessen worden ist, wird hierin als der Basislinien-Piezo-Kopplungskoeffizient KZb Bezug genommen. Wenn der Test-Piezo-Kopplungskoeffizient Kzt um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als der Basislinien-Piezo-Kopplungskoeffizient KZb, wird das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers als gebrochen bestimmt.According to one aspect of the present disclosure, a piezo-coupling coefficient Kz is measured to determine whether the piezoelectric material of the ultrasonic transducer 106 is broken. As is known in the art, the piezo-coupling coefficient describes the effectiveness with which the piezoelectric material of the ultrasonic transducer converts electrical energy into mechanical energy, and vice versa. The piezo-coupling coefficient Kz comes with a scan of the ultrasonic assembly 102 through the energy supply 104 measured as explained in detail below. More specifically, the piezo-coupling coefficient K Z becomes a test scan of the ultrasonic assembly 102 measured when the ultrasonic transducer 106 must be checked to see if its piezoelectric material is broken. This piezo-coupling coefficient Kz is compared with a piezo-coupling coefficient Kz previously obtained with a baseline scan of the ultrasonic assembly 102 was measured. Here, the piezo-coupling coefficient Kz measured by the test scan is referred to as the test piezo-coupling coefficient K Zt , and the piezo-coupling coefficient Kz measured by the baseline scan is referred to herein as the base lines Piezo-coupling coefficient K Zb reference. When the test piezo-coupling coefficient Kzt is smaller than the base-line piezo-coupling coefficient K Zb by more than a predetermined value, the piezoelectric material of the ultrasonic transducer is determined to be broken.

Der Piezo-Kopplungskoeffizient Kz wird mit bestimmten, während des Scans der Ultraschallbaugruppe 102 gemessenen Parametern, gemessen und wird anhand dieser gemessenen Parameter berechnet. Der hier benutzte Begriff eines Scans der Ultraschallbaugruppe 102 ist ein Frequenzdurchlauf der Ultraschallbaugruppe 102 durch die Energieversorgung 104, in welchem Spannung und Stromstärke, die an den Ultraschallwandler 106 in jeder Frequenz des Frequenzdurchlaufs weitergegeben werden, gemessen werden. Die Frequenzschritte des Frequenzdurchlaufs sind abhängig von der erwünschten Wiedergabetreue, wobei Frequenzschritte von 1 Hz typisch sind. Wie in 2 zu sehen ist, hat ein typischer Scan der Ultraschallbaugruppe 102 eine Parallelresonanz-Frequenz, die bei der höchsten Impedanz vorliegt, und eine Reihenresonanz-Frequenz, die der geringsten Impedanz bei einer Frequenz unterhalb der Parallelresonanz entspricht. Der Frequenzdurchlauf erfolgt durch einen Frequenzbereich, der die Parallelresonanz-Frequenz und Reihenresonanz-Frequenz umfasst, und der Bereich kann für den Ultraschallwandler 106 heuristisch oder theoretisch bestimmt werden. Ein Frequenzbereich von +/- 10 % der Nennfrequenz des Ultraschallwandlers 106 reicht für gewöhnlich aus.The piezo-coupling coefficient Kz is determined with certain during the scan of the ultrasonic assembly 102 measured parameters, and is calculated on the basis of these measured parameters. The term used here is a scan of the ultrasound assembly 102 is a frequency sweep of the ultrasonic assembly 102 through the energy supply 104 in which voltage and current flowing to the ultrasonic transducer 106 be passed in each frequency of the frequency sweep, be measured. The frequency steps of the frequency sweep depend on the desired fidelity, with frequency steps of 1 Hz being typical. As in 2 can be seen has a typical scan of the ultrasound module 102 a parallel resonance frequency present at the highest impedance and a series resonance frequency corresponding to the lowest impedance at a frequency below the parallel resonance. The frequency sweep is performed by a frequency range including the parallel resonance frequency and the series resonance frequency, and the range may be for the ultrasonic transducer 106 be determined heuristically or theoretically. A frequency range of +/- 10% of the nominal frequency of the ultrasonic transducer 106 is usually enough.

Der Piezo-Kopplungskoeffizient Kz wird anhand der Informationen des Scans wie folgt berechnet: K Z = V n o m G S x 0 η π f P f S Z P Z S

Figure DE102017124348A1_0001
in der:

  • Kz ist der Piezo-Kopplungskoeffizient;
  • Vnom ist die Nennspannung der Energieversorgung;
  • Gs ist die Verstärkung der Ultraschallbaugruppe;
  • x0 ist die Nominalamplitude des Ultraschallwandlers;
  • η ist die Effizienz des Ultraschallwandlers;
  • fp ist die Parallelresonanz-Frequenz der Ultraschallbaugruppe;
  • fS ist die Reihenresonanz-Frequenz des Ultraschallbaugruppe;
  • Zp ist die Impedanz bei Parallelresonanz (VP/IP);
  • ZS ist die Impedanz bei Reihenresonanz (VS/IS);
  • VP ist die Spannung der Energieversorgung bei Parallelresonanz (gemessener Parameter);
  • IP ist die Stromstärke der Energieversorgung bei Parallelresonanz (gemessener Parameter);
  • Vs ist die Spannung der Energieversorgung bei Reihenresonanz (gemessener Parameter);
  • IS ist die Stromstärke der Energieversorgung bei Reihenresonanz (gemessener Parameter).
The piezo-coupling coefficient Kz is calculated from the information of the scan as follows: K Z = V n O m G S * x 0 * η π * f P * f S * Z P * Z S
Figure DE102017124348A1_0001
in the:
  • Kz is the piezo-coupling coefficient;
  • V nom is the rated voltage of the power supply;
  • Gs is the gain of the ultrasound assembly;
  • x 0 is the nominal amplitude of the ultrasonic transducer;
  • η is the efficiency of the ultrasonic transducer;
  • fp is the parallel resonance frequency of the ultrasonic assembly;
  • f S is the series resonance frequency of the ultrasonic assembly;
  • Zp is the parallel resonance impedance (V P / I P );
  • Z S is the impedance in series resonance (V S / I S );
  • V P is the voltage of the parallel resonance power supply (measured parameter);
  • I P is the current intensity of the parallel resonance power supply (measured parameter);
  • Vs is the voltage of the power supply with series resonance (measured parameter);
  • I S is the current intensity of the power supply with series resonance (measured parameter).

Die Effizienz des Ultraschallwandlers wird anhand des Frequenzscans wie folgt berechnet: η = ( 1 2 π c o t ( π ( f P f S ) 2 f P ) t a n δ ) ( 1 f P 2 f S 2 2 π f P f S Z S Z P )

Figure DE102017124348A1_0002
in der:

  • tan δ = der Piezo-Verlust-Koeffizient ist.
The efficiency of the ultrasonic transducer is calculated from the frequency scan as follows: η = ( 1 - 2 π * c O t ( π * ( f P - f S ) 2 * f P ) * t a n δ ) * ( 1 - f P 2 - f S 2 2 π * f P * f S * Z S Z P )
Figure DE102017124348A1_0002
in the:
  • tan δ = the piezo loss coefficient is.

Es versteht sich, dass die oben als gemessene Parameter identifizierten Parameter durch die Energieversorgung 104 unter Verwendung von Sensoren gemessen worden sind, mit welchen die Energieversorgung 104 in bekannter Weise konfiguriert ist.It is understood that the parameters identified above as measured parameters are determined by the power supply 104 have been measured using sensors with which the power supply 104 configured in a known manner.

Gemäß einem Aspekt vorliegender Offenbarung wird der Basislinien-Piezo-Kopplungskoeffizient KZb aufgestellt durch die von der Steuerung 114 gesteuerte Energieversorgung 104, die einen Basislinien-Scan der Ultraschallbaugruppe 102 in Luft mit einem intakten Ultraschallwandler durchführt, und die Steuerung 114 misst die Piezo-Kopplungskonstante Kz mit diesem Basislinien-Scan mit dieser Piezo-Kopplungskonstante KZ als Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante KZb. Dieser Basislinien-Scan wird beispielsweise durchgeführt während der Erstmontage der Ultraschallvorrichtung 100 oder wenn die Ultraschallvorrichtung 100 erstmalig für den Betrieb aufgestellt wird, wie beispielsweise in einer Produktionsanlage. Anschließend, wenn festgestellt werden muss, ob das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers 106 gebrochen ist, wird ein Test-Frequenzscan der Ultraschallbaugruppe 102 durch die Energieversorgung 104 in Luft durchgeführt und die Test-Piezo-Kopplungskonstante Kztwird gemessen durch die Steuerung 114. Wenn der Wert der Test-Piezo-Kopplungskonstante KZt um eine vorher festgelegte Größe kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante KZb, stellt die Steuerung 114 fest, dass das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers gebrochen ist. In einem Aspekt gibt die Steuerung 114 ein Warnsignal aus, dass das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers gebrochen ist. Als Beispiel und nicht einschränkend kann das Warnsignal eine visuelle Anzeige sein, die von der Steuerung 114 beleuchtet wird, eine Nachricht auf einem Bildschirm einer Benutzerschnittstelle, wie beispielsweise die Benutzerschnittstelle 118, die in Phantomlinien in 1 gezeigt wird, eine Nachricht, die an ein Fernüberwachungssystem geschickt wird, das die Ultraschallvorrichtung 100 überwacht, oder eine beliebige Kombination von alldem.According to one aspect of the present disclosure, the baseline piezo-coupling coefficient K Zb is set by that of the controller 114 controlled power supply 104 Doing a baseline scan of the ultrasound assembly 102 in air with an intact ultrasonic transducer, and the controller 114 measures the piezo-coupling constant Kz with this baseline scan with this piezo-coupling constant K Z as the baseline piezo-coupling constant K Zb . This baseline scan is performed, for example, during initial assembly of the ultrasound device 100 or if the ultrasound device 100 first set up for operation, such as in a production plant. Subsequently, when it must be determined whether the piezoelectric material of the ultrasonic transducer 106 is broken, a test frequency scan of the ultrasonic assembly 102 through the energy supply 104 performed in air and the test piezo-coupling constant Kz is measured by the controller 114 , If the value of the test piezo-coupling constant K Zt is smaller than the baseline piezo-coupling constant K Zb by a predetermined amount , the controller sets 114 determines that the piezoelectric material of the ultrasonic transducer is broken. In one aspect, the controller gives 114 a warning signal that the piezoelectric material of the ultrasonic transducer is broken. By way of example and not limitation, the warning signal may be a visual indication provided by the controller 114 is illuminated, a message on a screen of a user interface, such as the user interface 118 in phantom lines in 1 a message is sent to a remote monitoring system containing the ultrasound device 100 monitors, or any combination of all.

Es versteht sich, dass eine oder mehrere der Konstanten in den obigen Gleichungen nicht in den Berechnungen des Test-Piezo-Kopplungskoeffizienten Kzt und des Basislinien-Piezo-Koeffizienten KZb verwendet werden muss/müssen, solange die Berechnungen zum Bestimmen des Test-Piezo-Kopplungskoeffizienten Kzt und des Basislinien-Piezo-Koeffizienten KZb dieselben Konstanten verwenden. Zum Beispiel sind Vnom, GS, x0, und tan δ alle Konstanten für eine gegebene Energieversorgung, eine Ultraschallbaugruppe und einen Ultraschallwandler und müssen nicht in den Berechnungen verwendet werden, um den Test-Piezo-Kopplungskoeffizienten Kzt und den Basislinien-Piezo-Koeffizienten KZb für diese gegebene Energieversorgung, die Ultraschallbaugruppe und den Ultraschallwandler zu bestimmen.It is understood that one or more of the constants in the above equations need not be used in the calculations of the test piezo-coupling coefficient Kzt and the baseline piezo-coefficient K Zb , as long as the calculations for determining the test piezoelectric Coupling coefficient Kzt and the baseline piezoelectric coefficient K Zb use the same constants. For example, V nom , G s , x 0 , and tan δ are all constants for a given power supply, an ultrasound assembly, and an ultrasound transducer and need not be used in the calculations to obtain the test piezo-coupling coefficient Kzt and the baseline piezoelectric To determine coefficients K Zb for this given power supply, the ultrasonic assembly and the ultrasonic transducer.

3 zeigt ein Flussdiagramm einer Steuerungsroutine, veranschaulichend umgesetzt in der Steuerung 114 für das oben beschriebene Verfahren zum Erkennen, ob das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers 106 gebrochen ist. Die Steuerungsroutine beginnt bei 300. Bei 302 prüft die Steuerungsroutine, ob das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers 106 getestet werden soll, um zu bestimmen, ob das piezoelektrische Material gebrochen ist. Wenn nicht, setzt die Steuerungsroutine zurück zu 302. Wenn das piezoelektrische Material getestet werden soll, fährt die Steuerungsroutine fort zu 304, wo die Test-Piezo-Kopplungskonstante Kzt mit einem Scan der Ultraschallbaugruppe 102 in Luft gemessen wird, wie oben beschrieben. Die Steuerungsroutine fährt dann fort zu 306, wo sie die Test-Piezo-Kopplungskonstante Kzt mit der vorher gemessenen Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante KZb vergleicht und zu 308 fortfährt. Bei 308 prüft die Steuerungsroutine, ob die Test-Piezo-Kopplungskonstante Kzt um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante KZb. Wenn nicht, stellt die Steuerungsroutine fest, dass das piezoelektrische Material nicht gebrochen ist und setzt zurück zu 302. Wenn die Test-Piezo-Kopplungskonstante Kzt um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante KZb, stellt die Steuerungsroutine fest, dass das piezoelektrische Material gebrochen ist und fährt fort zu 310, wo sie ein Warnsignal, wie oben beschrieben, bereitstellt, und endet dann bei 312. 3 shows a flowchart of a control routine, illustratively implemented in the controller 114 for the above-described method of detecting whether the piezoelectric material of the ultrasonic transducer 106 is broken. The control routine starts at 300. At 302 the control routine checks whether the piezoelectric material of the ultrasonic transducer 106 should be tested to determine if the piezoelectric material is broken. If not, the control routine returns to 302. If the piezoelectric material is to be tested, the control routine proceeds to 304, where the test piezo-coupling constant Kzt is one scan of the ultrasonic assembly 102 measured in air as described above. The control routine then proceeds to 306 where it compares the test piezo-coupling constant Kzt with the previously measured baseline piezo-coupling constant K Zb and proceeds to 308. at 308 the control routine checks whether the test piezo-coupling constant Kzt is smaller than the baseline piezo-coupling constant K Zb by more than a predetermined value. If not, the control routine determines that the piezoelectric material is not broken and goes back to 302. If the test piezo-coupling constant Kzt is smaller than the baseline piezo-coupling constant K Zb by more than a predetermined value, the Control routine determines that the piezoelectric material is broken and proceeds to 310, where it provides a warning signal, as described above, and then ends at 312.

Die vorangehende Beschreibung der Ausführungsformen dient nur zu Veranschaulichungszwecken und zur Beschreibung. Sie ist nicht dazu gedacht erschöpfend zu sein oder die Offenbarung zu begrenzen. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind allgemein nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können in einer gewählten Ausführungsform genutzt werden, selbst wenn diese nicht explizit gezeigt oder beschrieben wird. Diese kann ebenfalls auf verschiedene Weise variiert werden. Solche Variationen sollen nicht als Abweichung von der Offenbarung gelten, und alle derartigen Abwandlungen sind dazu gedacht, im Rahmen vorliegender Offenbarung enthalten zu sein.The foregoing description of the embodiments is for illustrative purposes and description only. It is not meant to be exhaustive or limit the revelation. Particular elements or features of a particular embodiment are not generally limited to this particular embodiment, but are interchangeable where applicable, and may be used in a selected embodiment, even if not explicitly shown or described. This can also be varied in different ways. Such variations are not to be regarded as a departure from the disclosure, and all such modifications are intended to be included within the scope of the present disclosure.

Der hier benutzte Begriff einer Steuerung, eines Steuerungsmoduls, eines Steuerungssystems oder ähnliches bezieht sich auf, ist Teil von oder umfasst eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine elektronische Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam, zugewiesen, oder Gruppen), der Code ausführt; eine programmierbare Logiksteuerung, ein programmierbares Steuerungssystem wie beispielsweise ein prozessorbasiertes Steuerungssystem das ein computerbasiertes Steuerungssystem umfasst, eine Prozesssteuerung wie beispielsweise ein PID-Regler, oder andere passende Hardware-Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen oder die beschriebene Funktionalität bei Programmierung mit hier beschriebener Software bereitstellen; oder eine Kombination von Teilen oder allem des Genannten, wie beispielsweise in einem Ein-Chip-System. Der Begriff Modul kann einen Speicher (gemeinsam, dediziert, Gruppen-) umfassen, der den vom Prozessor ausgeführten Code speichert. Wenn davon die Rede ist, dass eine solche Vorrichtung eine Funktion ausführt, dann versteht es sich, dass die Vorrichtung konfiguriert ist, um die Funktion mittels zum Beispiel geeigneter Logik, Software, Hardware oder einer Kombination davon auszuführen.As used herein, the term controller, control module, control system or the like refers to, forms part of or includes an application specific integrated circuit (ASIC); an electronic circuit; a combinational logic circuit; a field programmable gate array (FPGA); a processor (shared, assigned, or groups) that executes code; a programmable logic controller, a programmable control system such as a processor-based control system that includes a computer-based control system, process control such as a PID controller, or other suitable hardware components that provide the described functionality or provide the described functionality when programmed with software described herein ; or a combination of parts or all of the above, such as in a one-chip system. The term module may include a memory (shared, dedicated, group) that stores the code executed by the processor. When referring to such a device performing a function, it will be understood that the device is configured to perform the function by, for example, appropriate logic, software, hardware or a combination thereof.

Räumlich verwandte Begriffe, wie „innen“, „außen“, „unterhalb“, „unter“, „darüber“, „höher“ und dergleichen können für eine leichtere Beschreibung genutzt werden, um ein Element oder einen Merkmalbezug zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie sie in den Figuren veranschaulicht sind. Räumlich verwandte Begriffe können unterschiedliche Ausrichtungen der genutzten oder betriebenen Vorrichtung umfassen, zusätzlich zu den in den Figuren gezeigten Ausrichtungen. Wenn zum Beispiel die Vorrichtung in den Figuren umgedreht ist, würden Elemente, die beschrieben sind mit „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen, dann „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen orientiert sein. Folglich kann der Begriff „unter“ sowohl eine Ausrichtung „über“ als auch „unter“ umfassen. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet sein (um 90° gedreht oder anders ausgerichtet) und die hier verwendeten räumlich verwandten Beschreibungsbegriffe entsprechend interpretiert werden.Spatially-related terms, such as "inside," "outside," "below," "below," "above," "higher," and the like, may be used for ease of description to refer to an element or feature reference to one or more other elements or to describe features as illustrated in the figures. Spatially related terms may encompass different orientations of the device used or operated, in addition to the orientations shown in the figures. For example, if the device in the figures is turned over, elements described will be oriented "below" or "below" other elements or features, then "above" the other elements or features. Thus, the term "under" may include both "over" and "under" orientation. The device may be otherwise oriented (rotated 90 ° or otherwise oriented) and the spatially related description terms used herein interpreted accordingly.

Claims (4)

Verfahren zur Erkennung von gebrochenem Piezomaterial in einem Ultraschallwandler einer Ultraschallbaugruppe einer Ultraschallvorrichtung, umfassend: Durchführen eines Test-Scans der Ultraschallbaugruppe in Luft mit einer Energieversorgung der Ultraschallvorrichtung, Messen einer Test-Piezo-Kopplungskonstante mit dem Test-Scan der Ultraschallbaugruppe, Vergleichen der Test-Piezo-Kopplungskonstante mit einer vorher gemessenen Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante und Bestimmen, dass das piezoelektrische Material gebrochen ist, wenn die Test-Piezo-Kopplungskonstante um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante.A method of detecting broken piezo material in an ultrasonic transducer of an ultrasonic assembly of an ultrasonic device, comprising: Performing a test scan of the ultrasonic assembly in air with a power supply of the ultrasonic device, Measuring a test piezo-coupling constant with the test scan of the ultrasonic assembly, Comparing the test piezo-coupling constant with a previously measured baseline piezo-coupling constant and Determining that the piezoelectric material is refracted when the test piezo-coupling constant is smaller than the baseline piezo-coupling constant by more than a predetermined value. Das Verfahren gemäß Patentanspruch 1, umfassend das Aufstellen der Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante durch das Durchführen eines Basislinien-Scans der Ultraschallbaugruppe in Luft mit der Energieversorgung der Ultraschallvorrichtung, wenn das piezoelektrische Material des Ultraschallwandlers als intakt bekannt ist und Messen der Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante mit dem Basislinien-Scan der Ultraschallbaugruppe.The method according to Claim 1 comprising establishing the baseline piezo-coupling constant by performing a baseline scan of the ultrasonic assembly in air with the power supply of the ultrasonic device when the piezoelectric material of the ultrasonic transducer is known to be intact and measuring the baseline piezo-coupling constant with the baseline scan the ultrasonic assembly. Verfahren gemäß Patentanspruch 2, umfassend das Speichern der Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante in einem Speicher einer Steuerung als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante und Vergleichen der Test-Piezo-Kopplungskonstante mit der Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante durch die Steuerung und Bestimmen, dass das piezoelektrische Material gebrochen ist, wenn die Test-Piezo-Kopplungskonstante um mehr als einen vorher festgelegten Wert kleiner ist als die Basislinien-Piezo-Kopplungskonstante.Method according to Claim 2 comprising, by the controller, storing the baseline piezo-coupling constant in a memory of a controller as the baseline piezo-coupling constant and comparing the test piezo-coupling constant with the baseline piezo-coupling constant, and determining that the piezoelectric material is refracted, if the test piezo-coupling constant is smaller than the baseline piezo-coupling constant by more than a predetermined value. Das Verfahren gemäß Patentanspruch 3, umfassend das Bereitstellen eines Warnsignals durch die Steuerung nachdem festgestellt wurde, dass das piezoelektrische Material gebrochen ist.The method according to Claim 3 comprising providing a warning signal by the controller after determining that the piezoelectric material is broken.
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