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Diese Erfindung bezieht sich auf eine Scanvorrichtung, die ausgerichtet ist, Scanpulse an eine Probe zu senden und Reflexionen dieser Pulse von der Probe zu empfangen.
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Ultraschall ist eine oszillierende Schalldruckwelle, die genutzt werden kann, Objekte zu detektieren und Abstände zu messen. Eine gesendete Schallwelle wird reflektiert und gebrochen, wenn sie auf Materialien mit unterschiedlichen Schallimpedanzeigenschaften trifft. Wenn diese Reflexionen und Brechungen ermittelt und analysiert werden, können die resultierenden Daten genutzt werden, um Bilder der Umgebung zu erzeugen, durch die die Schallwelle gelaufen ist.
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Ultraschall kann auch genutzt werden, um einen physikalischen Gegenstand zu scannen. Die meisten Ultraschallfrequenzen werden durch Luft stark abgeschwächt und Luft-Objekt Grenzflächen neigen dazu, einen großen Impedanzversatz zu zeigen. Eine gewisse Art an Koppelungsmittel wird benötigt, wenn die Ultraschallsignale das Objekt ausreichend durchdringen sollen. Meist ist das Koppelungsmittel eine Flüssigkeit wie Wasser oder eine Art Gel.
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Ultraschall kann genutzt werden, um spezielle strukturelle Eigenschaften in einem Objekt zu identifizieren. Zum Beispiel kann Ultraschall bei zerstörungsfreiem Prüfen durch Detektieren von Größe und Position von Fehlern in einer Probe genutzt werden. Zerstörungsfreies Prüfen wird typischerweise in einer industriellen Umgebung durchgeführt, in der es unpraktisch ist, ein flüssiges Koppelungsmittel zu benutzen.
US 5,773,811 beschreibt einen Scanner, der genutzt werden kann, um Materialfehler im Lauf von zerstörungsfreien Untersuchungsvorgängen zu identifizieren. Es nutzt ein Gelpaket, um Ultraschallenergie an das Substrat zu koppeln. Das ist praktischer als das Nutzen von unverpacktem Gel, aber es kann schwierig sein, die Tiefe der Eigenschaften unter der Substratoberfläche genau zu bestimmen. Trockenkoppelungsmittel sind ebenfalls erhältlich, wie in dem Matrixcodelesesystem von
US 8,453,928 . Jedoch neigen Probeoberflächen in Matrixcodeleseanwendungen dazu, sehr flach zu sein, wohingegen Oberflächen bei zerstörungsfreien Prüfungsanwendungen oft uneben sind. Zerstörungsfreie Prüfungsanwendungen fordern ebenfalls den Scanner, zu größeren Tiefen zu scannen als Matrixcodeleseanwendungen.
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Eine verbesserte Scanvorrichtung wird benötigt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird hier eine Scanvorrichtung angegeben, die einen Empfänger- und einen Senderschaltkreis enthält, wobei beide Schaltkreise so flexibel sind, dass sie sich an die Oberflächenkonturen eines Objektes anpassen können, wenn eine Oberfläche des Gerätes dagegen gepresst wird, und die eine anpassungsfähige Trägerschicht enthält, welche hinter dem Sender- und Empfängerschaltkreisen in der Scanvorrichtung gelegen ist und ausgerichtet ist, sich an die flexiblen Schaltkreise anzupassen, wenn die Scanvorrichtung gegen das Objekt gedrückt wird.
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Die Scanvorrichtung kann ein Trockenkoppelungsmittel enthalten, das vor den Sender- und Empfängerschaltkreisen in der Scanvorrichtung platziert ist.
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Das Trockenkoppelungsmittel kann ausgerichtet sein, dass es als Übertragungsmedium zum Leiten von Scansignalen in das Objekt wirkt.
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Das Trockenkoppelungsmittel kann die Oberfläche des Scanmoduls bilden.
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Das Trockenkoppelungsmittel kann flexibel sein, so dass sich das Trockenkoppelungsmittel an die Oberflächenkonturen des Objektes anpasst, wenn die Oberfläche des Scanmoduls gegen ein zu scannendes Objekt gedrückt wird.
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Die flexiblen Schaltkreise können ausgerichtet sein, dass sie sich an die Oberflächenkonturen des Objektes anpassen, indem sie sich in Übereinstimmung mit dem Trockenkoppelungsmittel biegen, wenn es sich an die Oberflächenkonturen des Objektes anpasst.
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Diese flexiblen Schaltkreise können ausgerichtet sein, sich nach innen zu biegen übereinstimmend mit jeglichem einwärtigen Auslenken des Trockenkoppelungsmittels in die Scanvorrichtung.
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Die anpassungsfähige Trägerschicht kann komprimierbar sein.
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Die Scanvorrichtung kann eine relativ starre Oberfläche enthalten, die hinter der anpassungsfähigen Trägerschicht in der Scanvorrichtung positioniert ist, wobei die anpassungsfähige Trägerschicht konfiguriert ist, sich an die Form der flexiblen Schaltkreise durch Kompression gegen die starre Oberfläche anzupassen, um jegliches Biegen der flexiblen Schaltkreise aufzunehmen.
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Der starre Rahmen kann ausgerichtet sein, das Scanmodule zu halten, so dass die flexiblen Schaltkreise zwischen dem Trockenkoppelungsmittel und der anpassungsfähigen Trägerschicht liegen.
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Die Rückseite des starren Rahmens kann die feste Oberfläche bilden, gegen die die anpassungsfähige Trägerschicht komprimiert wird.
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Die Vorderseite des festen Rahmens kann offen sein, so dass das Trockenkoppelungsmittel die Oberfläche des Scanmoduls bildet.
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Der Sender- und der Empfängerschaltkreis können jeweils ausgerichtet sein, Ultraschallsignale zu senden und zu empfangen.
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Der Sender- und der Empfängerschaltkreis können ausgerichtet sein, als Ultraschallwandler zu wirken.
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Die Scanvorrichtung kann ausgerichtet sein, das Objekt zu scannen, indem Ultraschallsignale an das Objekt gesendet und Reflexionen dieser Ultraschallsignale von dem Objekt empfangen werden, wobei die anpassungsfähige Trägerschicht ausgerichtet ist, im Wesentlichen alle reflektierten Signale, die es erreichen, zu absorbieren.
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Die Dicke der anpassungsfähigen Trägerschicht kann abhängig sein von einer Kompressibilität eines Materials, aus dem es gebildet ist.
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Das Trockenkoppelungsmittel kann weniger komprimierbar sein als die anpassungsfähige Trägerschicht.
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Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Scanvorrichtung angegeben, um eine Probe zu einer gewissen Tiefe zu scannen. Sie enthält eine Sendeeinheit, ausgerichtet, Scanpulse an die Probe zu senden, eine Empfängereinheit, ausgerichtet, Reflexionen des Scanpulses von der Probe zu empfangen, eine Detektionseinheit, ausgerichtet, Reflexionen, die von der gewissen Tiefe in der Probe zu der Scanvorrichtung gelaufen sind, zu erfassen, und ein Trockenkoppelungsmittel, das als Übertragungsmedium wirkt, um den Scanpuls in die Probe zu leiten, wobei das Trockenkoppelungsmittel hierbei ausreichend dick ist, dass eine Reflexion, die aus der gewissen Tiefe gelaufen ist, an der Scanvorrichtung ankommt vor einer Reflexion, die eine zweite Reflexion des Scanpulses von der Grenzfläche zwischen dem Trockenkoppelungsmittel und der Probe darstellt.
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Die Detektionseinheit kann ausgerichtet sein, den empfangenen Reflexionen ein Zeitfenster zu setzen, so dass die Reflexion, die aus der speziellen Tiefe lief, erfasst wird und die Reflexion, die die zweite Reflexion darstellt, nicht erfasst wird.
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Das Trockenkoppelungsmittel kann zwischen 1 mm und 10 mm dick sein. Das Trockenkoppelungsmittel kann zwischen 1 und 5 Millimeter dick sein.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Herstellungsvorgang einer Scanvorrichtung angegeben, die das Gestalten der Vorrichtung enthält, einschließlich: Festlegen einer speziellen Tiefe in einer Probe, die die Scanvorrichtung scannen können soll; und Auswählen einer Dicke für ein Trockenkoppelungsmittel, das genutzt werden soll, um Scanpulse in die Probe in Abhängigkeit von der speziellen Tiefe zu leiten; und materielles Herstellen der so gestalteten Vorrichtung.
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Der Herstellungsvorgang kann das Auswählen der Dicke für das Trockenkoppelungsmittel beinhalten, die ausreichend ist, dass eine Reflexion, die von der speziellen Tiefe in der Probe gelaufen ist, an der Scanvorrichtung ankommt vor einer Reflexion, die eine zweite Reflexion des Scanpulses von der Grenzfläche zwischen dem Trockenkoppelungsmittel und der Probe darstellt.
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Der Herstellungsvorgang kann Gestalten einer Detektionseinheit beinhalten, so dass sie dazu ausgerichtet sein kann, eine Reflexion, die von der speziellen Tiefe lief, zu erfassen und die Reflexion, die die zweite Reflexion des Scanpulses an der Grenzfläche zwischen dem Trockenkoppelungsmittel und der Probe darstellt, nicht zu erfassen.
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Der Herstellungsvorgang kann Gestalten der Detektionseinheit beinhalten, so dass sie Setzen eines Zeitfensters enthält.
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Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen:
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1 zeigt ein Beispiel der Schichten, die in einer Scanvorrichtung enthalten sind;
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2 zeigt ein Beispiel der Schichten, die in einer Scanvorrichtung enthalten sind;
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3 zeigt ein Beispiel eines Scanpulses, der durch ein Trockenkoppelungsmittel intern reflektiert wird;
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4 zeigt ein Beispiel eines Herstellungsvorgangs; und
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5 zeigt ein Beispiel einer Scanvorrichtung.
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Eine Scanvorrichtung kann mit einer anpassungsfähigen Trägerschicht versehen werden, die helfen soll, ihre scannende Oberfläche an nicht flache, unebene Oberflächen anzupassen. Die Vorrichtung enthält geeigneterweise ein Scanmodul mit einem Sender- und einem Empfängerschaltkreis. Das Scanmodul kann ausgerichtet sein, Ultraschallpulse durch die Sende- und Empfängerschaltkreise zu senden und zu empfangen, auch wenn jegliche geeignete Scansignale genutzt werden können. Beide Schaltkreise sind flexibel, so dass sie sich an die Oberflächenkonturen eines Objektes anpassen können. Die anpassungsfähige Trägerschicht ist hinter den Sender- und Empfängerschaltkreisen angeordnet. Sie ist ausgerichtet, sich an die Form der Schaltkreise anzupassen, wenn sie sich entsprechend biegen, wenn sie gegen eine nicht flache Oberfläche gedrückt werden.
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Ein Beispiel einer Scanvorrichtung ist in 1 gezeigt. Die Vorrichtung wurde zur Vereinfachung der Illustration in ihre Bestandteile zerlegt. Die Vorrichtung allgemein ist mit 101 gezeigt. Die Vorrichtung enthält ein Trockenkopplungsmittel 102. Das Trockenkopplungsmittel bildet die Scanoberfläche. Es ist ausgerichtet, als ein Übertragungsmedium für die Scansignale zu wirken. In einem Beispiel sind die Scansignale Ultraschallsignale, die dazu neigen, durch Luft stark abgeschwächt zu werden. Es ist wichtig, dass sich das Trockenkopplungsmedium an jegliche Unebenheit in der Oberfläche der Probe anpassen kann, so dass der Ultraschall auf seinem Weg in die Probe nicht auf Luft trifft. Geeigneterweise ist das Trockenkopplungsmedium sowohl flexibel als auch weich. Vorzugsweise ist das Trockenkopplungsmedium komprimierbar, so dass es sich nach Innen in die Vorrichtung verformt, wenn der Anwender die Scanoberfläche gegen die Probe drückt.
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Die Empfänger- und Senderschaltkreise 103, 104 sind hinter dem Trockenkopplungsmittel platziert. Sie können aus sehr dünnen gedruckten Leiterplatten gebildet werden. In einem Beispiel enthalten die Sender- und Empfängerschaltkreise eine Vielfalt von langgestreckten Elektroden, die in parallelen Linien auf einer flexiblen Basisschicht angeordnet sind. Die Sender- und Empfängerschaltkreise können zusammen laminiert sein. Sie können so angeordnet sein, dass ihre jeweiligen Elektroden in rechten Winkeln überlappen, um ein sich überschneidendes Muster zu bilden. Die Schnittpunkte bilden ein Array von Scanelementen. Die Sender- und Empfängerschaltkreise können dazwischen eine Schicht von akustischem Material 108 enthalten, um einen Ultraschallwandler zu bilden.
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Die Sender- und Empfängerschaltkreise sind flexibel, so dass sie fähig zum Biegen und Auslenken in Einklang mit jeglicher Bewegung des Trockenkoppelungsmittels sind. Wenn das Trockenkoppelungsmittel nach innen gedrückt wird, so dass es in den Raum eindringt, der normalerweise von den flexiblen Schaltkreisen besetzt ist, werden sich die flexiblen Schaltkreise nach innen biegen, um das auszugleichen.
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Eine anpassungsfähige Trägerschicht 105 ist hinter den Sender- und Empfängerschaltkreisen platziert. Es ist konform mit den flexiblen Sender- und Empfängerschaltkreisen. Geeigneterweise ist das Trockenkoppelungsmittel kompressibel. In einem bevorzugten Beispiel ist die anpassungsfähige Trägerschicht weniger komprimierbar als das Trockenkoppelungsmittel, so dass das Trockenkoppelungsmittel nicht fähig zur Annahme einer Biegung ist, die von den anderen Schichten der Vorrichtung nicht angeglichen werden können. Die anpassungsfähige Trägerschicht kann weicher sein als das Trockenkoppelungsmittel.
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Das Trockenkoppelungsmittel, die flexiblen Schaltkreise und die anpassungsfähige Trägerschicht werden durch einen Rahmen 106, der relativ starr ist im Vergleich zu den anderen Schichten, am Platz gehalten. Er bildet eine feste Oberfläche 107 hinter der anpassungsfähigen Trägerschicht. Tatsächlich ermöglicht die anpassungsfähige Trägerschicht den Sender- und Empfängerschaltkreisen, sich nach innen zu biegen, wenn die Vorrichtung gegen eine nicht ebene Oberfläche gedrückt wird, und schützt sie davor, gegen den starren Rahmen beschädigt zu werden, wenn sie das tun.
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Die Vorrichtung ist also fähig zum Anpassen an nicht flache Oberflächen. Sie ist speziell geeignet für Anwendungen, in denen Probenoberflächen gebogen oder uneben sein können. Ein Beispiel ist zerstörungsfreies Prüfen. Es ist ebenfalls speziell hilfreich, wenn die Vorrichtung (i) eine Matrixanordnung zum Senden und Empfangen des Scansignals nutzt und (ii) ein Trockenkoppelungsmittel zum Leitung von Scansignalen in die Probe.
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Ein Vorteil, eine Matrixanordnung zu haben, ist, dass diese 2-dimensional ist, so dass ein 3-dimensionaler Abschnitt der Probe gescannt werden kann, während die Vorrichtung stationär gegen die Probenoberfläche gehalten wird. Einige andere Scanner haben nur eine einzelne Zeile von Scanelementen. Der Scanner muss dann über die Probenoberfläche bewegt werden, um einen 2-dimensionalen Abschnitt zu scannen. Das ist unvorteilhaft, aber es bedeutet, dass die Vorrichtung natürlich anpassungsfähig an gekrümmte Oberflächen ist. Die hier beschriebenen Beispiele ermöglichen eine Vorrichtung, die eine Matrixanordnung enthält, um sich an eine nicht ebene Probenoberfläche anzupassen. Die Vorteile von ortsgebundenem Scannen und Scannen von gekrümmten Oberflächen kann hierdurch in einer einzigen Vorrichtung kombiniert werden.
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Das Benutzen eines Trockenkoppelungsmittels ist vorteilhaft bei zerstörungsfreien Testanwendungen, da es die Notwendigkeit, ein Flüssigkoppelungsmittel oder Gel zu benutzen, vermeidet. Ein Trockenkoppelungsmittel ist allerdings nicht notwendigerweise so anpassungsfähig an unebene Probenoberflächen wie eine Flüssigkeit. Das Vorhandensein eines flexiblen Trockenkoppelungsmittels ist hilfreich, aber es besteht ein Risiko, dass andere Bestandteile der Vorrichtung, insbesondere die Sender- und Empfängerschaltkreise, die notwendigerweise hinter dem Trockenkoppelungsmittel angeordnet sind, um die Scansignale zu erzeugen, beschädigt werden können, wenn das Trockenkoppelungsmittel um einen großen Betrag auslenkt, um eine gekrümmte Probe aufzunehmen. Das Benutzen einer Kombination von flexiblen Schaltkreisen mit einer anpassungsfähigen Trägerschicht erlaubt der Vorrichtung, effektiv mit gekrümmten Oberflächen zurechtzukommen.
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Ein Beispiel der Schichten, die in einer Scanningvorrichtung enthalten sein können, sind in 2 gezeigt. Das Trockenkoppelungsmittel 201 kann aus einem Elastomer oder jeglichem anderen passenden Material gebildet werden. Die Dicke des Trockenkoppelungsmittels kann an die Dicke der zu scannenden Probe angepasst werden. (Dies ist detaillierter weiter unten beschrieben.) Hinter dem Trockenkoppelungsmittel ist ein Wandlerverbund 202. Er besteht aus Sender- 203 und Empfänger- 204 Schaltkreisen, die jeweils aus Kupfer, welches auf einem Polyimidfilm abgeschieden ist, gebildet sind. Jede Kupferschicht kann eine Serie von Elektroden bilden. Die Elektroden können ebenso aus anderen Materialien gebildet sein – Gold zum Beispiel. Eine Schicht von piezoelektrischen Material 205 (PVDF in diesem Beispiel) liegt zwischen den Kupferschichten. Diese Schicht erzeugt Ultraschallsignale, wenn eine Hochspannungspulsfolge an die Senderelektrode entsendet wird, die die piezoelektrische Schicht veranlasst, zu Vibrieren zu beginnen und eine Ultraschallwelle auszugeben. In anderen Beispielen könnte der Wandler keine Klebe- oder Basisschichten enthalten. Die Elektroden könnten direkt auf der piezoelektrischen Schicht liegen.
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Die Anzahl der Sender- und Empfängerelektroden ist skalierbar. Daher können Wandler in jeglicher gewünschten Größe und Form gestaltet werden. Die Elektrodenbreite ist ebenso skalierbar, um den Betrag der Energie-Ausbeute pro Elektrode anzupassen. Die Elektrodenbreite kann auch in Abhängigkeit von dem gewünschten Fokus angepasst werden. Der Abstand zwischen den Elektroden kann ebenso verändert werden. Im Allgemeinen wird es bevorzugt, kleine Abstände zwischen benachbarten Elektroden zu haben, um Ultraschallenergie durch Anregen einer möglichst großen Fläche der piezoelektrischen Schicht zu maximieren. Die Dicke der Elektroden kann ausgewählt werden, um Faktoren wie Frequenz, Energie- und Strahlfokussierung zu kontrollieren. Die Dicke der Basisschicht kann ausgewählt werden, um Faktoren wie Signalform, Frequenz und Energie zu kontrollieren. Die PVDF Dicke kann ebenso angepasst werden, um Signalform, Frequenz und Energie zu ändern (welche ebenso von der Form des gesendeten Pulses abhängig sind.) Die Dicke des Trockenkoppelungsmittels kann angepasst werden, um eine bestimmte Zeitverzögerung zwischen Senden der Ultraschallpulse und Empfangen ihrer Reflexionen von der Probe zu erzeugen.
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Die anpassungsfähige Trägerschicht 206 sollte dick genug sein, um eine gute Anpassung an gekrümmte/unebene Oberflächen zu gewährleisten. Die Dicke hängt ebenso von der Flexibilität des Materials ab, aus dem die anpassungsfähige Trägerschicht gebildet wird. In vielen Ausführungsbeispielen wird sich die anpassungsfähige Trägerschicht an die Krümmung der flexiblen Schaltkreise und des davorliegenden Trockenkoppelungsmittels anpassen, indem es gegen die relativ starre Oberfläche, die durch den Rahmen bereitgestellt wird, gedrückt wird. Die anpassungsfähige Trägerschicht ist vorzugsweise dick genug, um jegliche Ultraschallreflexionen zu absorbieren, die durch die Sender-/Empfängerschaltkreise hindurch dringen. Die relativ starre Oberfläche hinter der anpassungsfähigen Trägerschicht reflektiert Ultraschallwellen. Daher ist es wichtig, dass das Ultraschallsignal genügend abgeklungen ist, bevor es diese erreicht. Die anpassungsfähige Trägerschicht ist daher vorzugsweise aus einem Material mit einer guten Dämpfung von Ultraschallsignalen gebildet.
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Die Dicke ist also ebenso abhängig von den dämpfenden Eigenschaften des Materials, aus dem die anpassungsfähige Trägerschicht gebildet wird. In einer unterschiedlichen Anordnung könnte es möglich sein, die anpassungsfähige Trägerschicht aus einem Material zu bilden, welches eine gute Reflexion von Ultraschall zeigt, so dass Reflexion von der anpassungsfähigen Trägerschicht einen Teil des übertragenen Pulses bildet.
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Die anpassungsfähige Trägerschicht ist geeigneterweise zwischen 1 und 10 Millimeter dick. In einem Beispiel ist die Dicke ca. 3 mm und die anpassungsfähige Trägerschicht ist aus Silikon gebildet (zum Beispiel ELRT 743LV-K). Dies ist nur ein Beispiel, da es eine große Bandbreite an Materialien (einschließlich viele Silikone) gibt, die für die anpassungsfähige Trägerschicht geeignet wäre.
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In den meisten Ausführungsbeispielen wird die Vorrichtung eine Scanoberfläche haben, die im Wesentlichen flach ist, wenn die Vorrichtung nicht in Benutzung ist. Normalerweise heißt das, dass die Oberfläche des Trockenkoppelungsmittel außerhalb der Vorrichtung flach ist, was wiederum normalerweise meint, dass die Sender- und Empfängerschaltkreise flach sind und ähnlich für die Oberfläche der anpassungsfähigen Trägerschicht, die die Sender- und Empfängerschaltkreise berührt. Die Sender- und Empfängerschaltkreise könnten jedoch in jeglicher gewünschten Form gestaltet werden, einschließlich konvexer und konkaver Gestaltungen. Die äußere Oberfläche des Trockenkoppelungsmittels könnte auch konvex oder konkav gebildet sein. Die Vorrichtung könnte dabei angepasst werden, um Proben mit speziell betonten Biegungen zu scannen. Die innere Oberfläche des Trockenkoppelungsmittels könnte die konkave/konvexe Form ihrer äußeren Oberfläche spiegeln oder kann im Wesentlichen flach sein. In der Praxis wird wahrscheinlich ein Trockenkoppelungsmittel mit einer einförmigen Dicke zu bevorzugen, besonders bei zerstörungsfreien Testanwendungen, bei denen die exakte Tiefenmessung wichtig ist. Dies wird eine passende Biegung in den Sender-/Empfängerschaltkreisen und der anpassungsfähigen Trägerschicht erfordern.
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Um den Gebrauch zu vereinfachen, ist das Trockenkoppelungsmittel vorzugsweise ausreichend flexibel und/oder komprimierbar, um sich an unebene oder gekrümmte Probenoberflächen anzupassen, wenn es gegen die Oberfläche durch einen menschlichen Anwender mit einem relativ geringen Kraftgrad gepresst wird. Der starre Rahmen ist nur „starr” in Bezug auf die Flexibilität der anderen Schichten, namentlich die anpassungsfähige Trägerschicht, die Sender-/Empfängerschaltkreise und das Trockenkoppelungsmittel. Vorzugsweise verformt oder biegt sich der starre Rahmen nicht, wenn er gegen die Probenoberfläche wird mit einem Kraftgrad gedrückt, der ausreichend ist, um die anderen Schichten an die Probenoberfläche anzupassen. Der starre Rahmen kann aus Gummi gemacht sein.
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In einem Beispiel kann die Dicke des Trockenkoppelungsmittels an eine spezielle Scantiefe angepasst werden. Die Scantiefe könnte die Dicke der Probe sein, wenn es gewünscht ist, die gesamte Probe zu scannen. Die Scantiefe könnte weniger als die Dicke der Probe sein, wenn nur ein gewisser Abschnitt der Probe gescannt werden soll.
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Die Dicke des Trockenkoppelungsmittels kann während des Herstellungsvorgangs ausgewählt werden als Teil des Gestaltens der Scanvorrichtung für eine spezielle Anwendung. Die Dicke des Trockenkoppelungsmittels beeinflusst die Verzögerung, die die Vorrichtung zwischen Senden von Scanpulsen zu der Probe und Empfangen ihrer Reflexionen sieht. Die Vorrichtung ist passender Weise ausgerichtet, Scanpulse mit einer speziellen Form zu senden, so dass sie Reflexionen dieser Pulse wiedererkennen und bestimmen kann, wie lange diese Reflexionen gebraucht haben, um durch die Probe zurück zu der Vorrichtung zu laufen. Reflexionen werden normalerweise durch Impedanzfehlanpassungen zwischen Materialien ausgelöst, auf die die Scanpulse an der Grenze zwischen einem Material/Substanz und einem anderen treffen. Die Zeit, die die Reflexionen brauchen, um zu der Vorrichtung zurück zu laufen, erlaubt es auszuarbeiten, wie tief die Materialgrenze in der Probe ist, die die Reflexion auslöste. Die Vorrichtung enthält passenderweise eine Detektionseinheit (welche zumindest teilweise durch einen Signalprozessor umgesetzt werden kann), um Reflexionen der gesendeten Pulse wiederzuerkennen.
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Das Trockenkoppelungsmittel wirkt als ein Übertragungsmedium zum Koppeln der Scansignale in die Probe. Das Trockenkoppelungsmittel wird vorzugsweise aus einem Material gebildet, das Scansignale gut verbreitet. Es wird unvermeidlich einige Impedanzfehlanpassungen zwischen dem Trockenkoppelungsmittel und der Probe geben, diese werden jedoch eine Reflexion des Scanpulses auslösen. Diese Reflexion ist im Allgemeinen nicht von Interesse. Die Vorrichtung kann sie effektiv missachten, indem das empfangene Signal in ein Zeitfenster gesetzt wird. Zumindest Teil der ersten Reflexion selbst kann durch die Grenze zwischen dem Trockenkoppelungsmittel und den Schalter/Empfängerschaltkreisen reflektiert werden, was jedoch zu innerer Reflexion des Scanpulses in dem Trockenkoppelungsmittel führt. Dies ist in 3 illustriert: die erste Reflexion wird durch die Grenze zwischen der äußeren Oberfläche des Trockenkoppelungsmittels und der Probe ausgelöst; diese Reflexion wird dann innerlich reflektiert durch die innere Oberfläche des Trockenkoppelungsmittels, um die zweite Reflexion des Scanpulses von der Grenze zwischen Trockenkoppelungsmittel und Probe zu bilden, die an der Vorrichtung empfangen wird. Diese zweite Reflexion ist ebenfalls nicht von Interesse; tatsächlich ist sie sogar problematisch, da sie als eine strukturelle Eigenschaft in der Probe darstellend interpretiert werden könnte.
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In bereits bestehenden Scansystemen ist diese zweite Reflexion von dem Trockenkoppelungsmittel generell nicht von Belang. Es kann direkt abgehandelt werden, indem das empfangene Signal in ein Zeitfenster gesetzt wird, so dass die Detektionseinheit nicht für Reflexionen in dem Signalanteil schaut, welcher die zweite Reflexion enthält. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Scanvorrichtung nur genutzt wird, um an relativ niedrigen Tiefen in der Probe zu schauen (zum Beispiel um Matrixcodes zu lesen, die mit Farbe bedeckt sind). Für eine Vorrichtung, die ausgerichtet ist, eine Probe in Tiefe zu scannen, kann die zweite Trockenkoppelungsmittel-Reflexion nicht durch Setzen eines Zeitfensters entfernt werden, ohne ebenso Reflexionen von Interesse zu verlieren.
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Das Trockenkoppelungsmittel ist geeigneterweise dick genug, so dass die zweite Trockenkoppelungsmittel-Reflexion nach jeglichen Reflexionen, die von dem tiefsten interessierenden Punkt in der Probe empfangen werden würde, empfangen wird. In vielen Anwendungen wird das die „schwarze Wand” der Probe sein. Das passende Trockenkoppelungsmittel ist daher abhängig von der Scantiefe. Es ist ebenso abhängig von der relativen Geschwindigkeit, mit der die Scanpulse in dem Trockenkoppelungsmittel und der Probe laufen.
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Das Trockenkoppelungsmittel ist geeigneterweise dicker als 0,5 mm und vorzugsweise mindestens 1 mm dick. Das Trockenkoppelungsmittel ist vorzugsweise zwischen 1 mm und 10 mm dick, und noch besser zwischen 1,5 mm und 5 mm dick. Die Scantiefe liegt vorzugsweise zwischen 0 mm und 20 mm, und am besten zwischen 0 mm und 15 mm. Das Trockenkoppelungsmittel ist geeigneterweise dick genug für größte Tiefen, die die Vorrichtung scannen kann. Dies kann durch die Zeitfenster und/oder andere Einstellungen in der Vorrichtung festgelegt werden. Bemerke, dass die Konfiguration der Vorrichtung während Benutzung geändert werden kann, zum Beispiel durch den Anwender, der die Zeitfenster anpasst. Typischerweise wird es dem Anwender jedoch nicht möglich sein, eine maximale Tiefe aufzuheben, die die Vorrichtung scannen kann.
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Ein Weg, die zweite Reflexion abzuhandeln, wäre es, das Trockenkoppelungsmittel dicker als jegliche denkbare Probe zu machen. Die Ultraschallwelle breitet sich mehr aus und verliert Energie, je länger sie läuft. Jedoch ist das Trockenkoppelungsmittelpad vorzugsweise nicht dicker als nötig, um die zweite Reflexion zu verzögern.
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In einem Ausführungsbeispiel könnten Trockenkoppelungsmittel von verschiedenen Dicken mit der Scanvorrichtung angeboten werden. Der Anwender könnte dann das Trockenkoppelungsmittel befestigen, das am passendsten wäre für die erforderte Scantiefe. Ein Weg hierfür wäre ein Scanmodul, das das Trockenkoppelungsmittel, die Sender-Empfängerschaltkreise und die anpassungsfähige Trägerschicht enthält, die der Anwender an der Vorrichtung, wie erfordert, befestigen könnte. Dies würde Kosten erhöhen, jedoch wäre es ein bevorzugtes Vorgehen, um die passende Dicke des Trockenkoppelungsmittels während des Gestaltungs- und Herstellungsvorgangs auszuwählen.
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Ein Beispiel eines Gestaltungs- und Herstellungsvorgangs ist in 4 gezeigt. Der Vorgang beginnt in Schritt 401 mit Festlegen der erforderten Scantiefe. Schritt 402 ist ein optionaler Schritt mit Festlegen der Geschwindigkeit, mit der die Scanpulse in dem Trockenkoppelungsmittel und dem Material der erwarteten Probe laufen wird. Praktisch ist es wahrscheinlich, dass dieser Schritt vorher durchgeführt wurde, um ein Instrument wie eine Nachschlagstabelle zu entwickeln, damit eine erforderliche Scantiefe in eine entsprechende Dicke des Trockenkoppelungsmittels übersetzt wird. In Schritt 403 wird die passende Dicke des Trockenkoppelungsmittels ausgewählt. Die Vorrichtung wird in Schritt 404 hergestellt, um das Trockenkoppelungsmittel der gewählten Dicke zu enthalten. In Schritt 405 wird die Vorrichtung konfiguriert, dass sie Reflexionen aus der Scantiefe detektieren kann. Dies ist als separater Schritt in 4 gezeigt zur Vereinfachung der Illustration. Praktisch kann Schritt 405 als Teil von Schritt 404 durchgeführt werden.
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Ein Beispiel eines Handgeräts zum Darstellen unterhalb der Oberfläche eines Objektes, ist in 5 gezeigt. Das Gerät 501 könnte ein integriertes Display haben, aber in diesem Beispiel gibt es Bilder an ein Tablet 502 aus. Das Gerät könnte ebenso an jegliches passende Display einschließlich eines PC, Laptop, PDA etc. ausgeben. Die Verbindung mit einem separaten Gerät könnte über Kabel, wie gezeigt, oder kabellos sein. Das Gerät hat eine Matrize 503 zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen. Passenderweise wird die Matrize durch einen Ultraschallwandler zu Anwendung gebracht, der eine Vielzahl von Elektroden enthält, die in einem sich überschneidenden Muster angeordnet sind, um eine Anordnung von Wandlerelementen zu bilden. Wandlerelemente können zwischen Senden und Empfangen geschaltet werden. Die Handvorrichtung enthält eine Trockenkoppelungsschicht 504 zum Koppeln von Ultraschallsignalen in das Objekt. Die Trockenkoppelungsschicht verzögert ebenso die Ultraschallsignale, um Zeit für den Wandler zu gewinnen, um von Senden zu Empfangen zu schalten. Eine Trockenkoppelungsschicht bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen bildgebenden Systemen, die dazu neigen Flüssigkeiten zum Koppeln von Ultraschallsignalen zu benutzen. Dies kann unpraktisch in einer industriellen Umgebung sein. Wenn das Flüssigkoppelungsmittel in einer Blase enthalten ist, wie manchmal üblich, macht es dies schwierig, exakte Tiefenmessungen zu erhalten, was ist für zerstörungsfreie Testverfahren nicht ideal.
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Die Matrixanordnung 503 ist 2-dimensional, so dass es nicht nötig ist, sie über das Objekt zu bewegen, um ein Bild zu erhalten. Eine typische Matrixanordnung könnte 30 mm mal 30 mm messen, aber die Größe und Form der Matrixanordnung kann geändert werden, um zu der Anwendung zu passen. Das Gerät kann direkt gegen das Objekt durch den Anwender gehalten werden. Meist wird der Anwender bereits eine gute Idee haben, wo das Objekt untergründige Fehler oder Materialdefekte aufweisen könnte; Zum Beispiel könnte ein Bestandteil einen Stoß erlitten haben oder eine oder mehrere Bohr- oder Nietlöcher enthalten, die Spannungskonzentrationen verursachen könnten. Das Gerät verarbeitet passenderweise die reflektierten Pulse in Echtzeit, so dass der Anwender das Gerät einfach an jeglichen Bereich von Interesse platzieren kann.
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Das Handgerät enthält ebenso eine Einstellscheibe 505, die der Anwender benutzen kann, um die Pulsform und entsprechende Filteranpassung zu ändern. Die geeignetste Pulsform kann von der Art des strukturellen Materials, das dargestellt werden soll, abhängen und wo es sich in dem Objekt befindet. Der Anwender sieht das Objekt in verschiedenen Tiefen, indem er das Setzen von Zeitfenstern über das Display einstellt. Es ist vorteilhaft, die Vorrichtung an ein tragbares Display ausgeben zu lassen, wie Tablet 502, oder an ein integriertes Display, da der Anwender den Wandler einfach über das Objekt bewegen oder die Einstellung der Vorrichtung ändern kann, abhängig von dem, was er auf dem Display sieht, und er bekommt unmittelbare Ergebnisse. In anderen Anordnungen kann der Anwender zwischen einem feststehendem Display (wie ein PC) und dem Objekt hin und her gehen müssen, um jedes Mal erneut zu scannen, wenn ein neuer Aufbau oder Ort an dem Objekt zu testen ist.
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Die hierin beschriebene Vorrichtung und Vorgänge sind speziell geeignet zum Erfassen von Ablösungen und Aufblätterungen in Verbundstoffen wie kohlenstofffaserverstärktes Polymer (CFRP). Dies ist wichtig zur Instandhaltung von Flugzeugen. Es kann ebenso zum Erkennen von Abplatzen um Drilllöcher benutzt werden, was als Spannungskonzentrator wirken kann. Die Vorrichtung ist speziell für Anwendungen geeignet, in denen es erwünscht ist, eine kleine Fläche eines viel größeren Bestandteils darzustellen. Die Vorrichtung ist leichtgewichtig, tragbar und einfach zu benutzen. Sie kann einfach per Hand durch einen Anwender getragen und wo benötigt auf dem Objekt platziert werden.
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Die Ausdrücke „hinter”, „vorne” und ähnliche sind hier verwendet, um relative Positionen der verschiedenen Bestandteile in der Vorrichtung zu bezeichnen. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Schicht, die „hinter” oder „vor” einer anderen ist, direkt bei der anderen Schicht in der Vorrichtung angeordnet sein, so dass die zwei Schichten sich berühren; in anderen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere zwischengeschaltete Schichten liegen. Die „Vorderseite” des Gerätes wird durch die Scanoberfläche dargestellt. Die innere Richtung zeigt weg von der Scanoberfläche zu dem Inneren der Vorrichtung.
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Der Anmelder offenbart hierbei isoliert jedes individuelle hier beschriebene Merkmal und jegliche Kombination von zwei oder mehreren solcher Merkmale, soweit solche Merkmale oder Kombinationen fähig sind, basierend auf der vorliegenden Beschreibung als Ganzes im Licht des gewöhnlichen Allgemeinwissens einer Fachkraft ausgeführt zu werden, unabhängig, ob solche Merkmale oder Kombinationen von Merkmalen jegliche hier aufgezeigte Probleme lösen und ohne Begrenzung des Schutzumfangs der Ansprüche. Der Anmelder zeigt auf, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung aus jeglichem individuellen Merkmal oder einer Kombination von Merkmalen bestehen kann. In Anbetracht der vorangegangenen Beschreibung ist es für eine Fachkraft klar, dass verschiedene Veränderungen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung gemacht werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5773811 [0004]
- US 8453928 [0004]
