DE3104443A1

DE3104443A1 - "verfahren zur erzeugung und/oder zum empfang von ultraschallsignalen"

Info

Publication number: DE3104443A1
Application number: DE19813104443
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 6470 Büdingen Abend; Ursula Ing.(grad.) 6450 Hanau Orthen
Original assignee: Nukem GmbH
Current assignee: Nukem GmbH
Priority date: 1981-02-09
Filing date: 1981-02-09
Publication date: 1982-10-14
Also published as: IT8219475A0; IT1150189B; FR2499805A1; JPS57189061A

Description

Dr. Hans-Herbert Stoffregen Hanau

NUKEM GmbH
Postfach 11 00 80
Rodenbacher Chaussee

6450 Hanau/Main 11

Hanau, den 06. Februar 1981 sto-ha 12 240

Verfahren zur Erzeugung und/oder zum Empfang
von Ultraschallsignalen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und/oder zum Empfang von Ultraschallsignalen unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls.

Bei der zerstörungfreien Werkstoffsprüfung mit Ultraschall werden zur Erzeugung von Ultraschallwellen piezoelektrische Quarzkristalle,, sogenannte Schwingquarze zu mechanischen Schwingung angeregt. Umgekehrt regen die von einem Werkstoff reflektierten oder durch diesen durchgetretenen Schallwellen den Schwingquarz zu erzwungenen mechanischen Schwingungen an, so daß von diesen entsprechende elektrische Signale gewonnen werden können.

Um den Schwingquarz in einem Prüfkopf anzuregen, bedarf es unter anderem einer mechanischen Ankoppelung des Sendeimpulses, Anpassungsschaltungen und Übertragungsstrecken, um mit dem Sender verbunden zu werden. Durch diese Maßnahmen ist das erzeugte Signal von mehreren zum Teil nur schwer zu

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definierenden Parametern abhängig, so daß trotz fest vorgegebener Sendeimpulse optimale Ergebnisse nicht erzielt werden können. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird nach der DE-OS 27 33 308 der Sender so modifiziert, daß die Sendeimpulse sowohl hinsichtlich der Anstiegsflanke als auch in der Impulsbreite jeweils für sich definiert regel- und einstellbar sind.' Dadurch soll erreicht werden, daß auf unnötige Anpaßelemente wie Spulen oder Kondensatoren verzichtet werden kann und die Erzeugung des akustischen Signals unter Berücksichtigung aller bereits aufgeführten störenden Parameter optimiert wird.

Eine genaue Erfassung der von dem Schwingquarz empfangenen Signale wird bei den bekannten Anordnungen jedoch dadurch erschwert, daß bezogen auf den Eingang der Verstärkerschaltung .des Empfängers im Empfänger ein hohes Grundrauschen auftritt, so daß bei zu kleinen Anregungsimpulsen ein zeitlicher Verlauf der Anregung im Schwingkristall nicht oder nur schwer bestimmt werden kann, bzw. die Amplitude nicht bestimmt werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine optimale Verarbeitung von Signalen erfolgt, daß insbesondere das Grundrauschen im Eingang der Verstärkerschaltung verringert und die Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der

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Anregung des piezoelektrischen Quarzkristalls verbessert wird, um eine verbesserte Auflösung zu erhalten, insbesondere eine bessere und sichere Bestimmung von Art und Ort von z. B. Fehlern in Werkstoffen vornehmen zu können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kristall durch Anlegung einer Gleichsspannung vordeformiert wird. Dabei wird während eier Meßdauer die Gleichspannung fortwährend angelegt. Vorzugsweise wird der Quarzkristall durch bipolare Impulse kleiner Amplitude angeregt, was nach den bekannten Verfahren nicht möglich ist. Dadurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß Frequenzuntersuchungen vorgenommen und Phasenverschiebungen der empfangenen Signale festgestellt werden können, wodurch eine Optimierung bei der Werkstoffprüfung erfolgt. Im weiteren erlaubt die angelegte Gleichspannung, daß die bipolaren Sendeimpulse über eine Kapazität eingespeist und der Piezokristall zur Schwingung um den definierten Vornpannungszu.'"· t and herum angeregt w i r-d.

Eine niedrige Anregungsleistung ergibt sich, .da es nicht notwendig ist, bei der Anregung von Ultraschallsignalen eines vorgespannten Schwingskristalls die vorhandenen Kapazitäten und Induktivitäten beim Aufbau der mechanischen Deformation des Kristalls aus dem Ruhezustand aufzuladen.

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Durch die niedrige zur Anregung des vorgespannten Kristalls benötigte Spannung ist es möglich, im Vergleich zum Stand der Technik mit geringem Aufwand eine genau definierte Anregungsfunktion z. B. eine Sinusfunktion, einzuhalten.

Die fortwährend während der Messung an den Schwingquarz angelegte Gleichspannung muß selbstverständlich unterhalb der Grenze liegen, bei der eine teilweise oder völlige Zerstörung des Kristalls erfolgen kann, um Undefinierte Signale zu vermeiden. Die Höhe der Gleichspannung hängt dabei sehr stark von der Größe und dem Material des Piezokristalls ab. Für eine fortwährende Anregung mittels Gleichspannung eignen sich in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung verwendete piezokeramische Werkstoffe, wie z. B. Bariumtitanat, Bleimetaniobat oder Bleizirkontitanat mit Kristalldicken im Bereich von z. B. 0,1 bis 4 mm. Als besonders bevorzugt hat sich eine Vorspannung zwischen 300 V und 500 V gezeigt.

Durch die dauernd angelegte Gleichspannung braucht zur Anregung des Schwingquarzes nur noch eine niedrige Spannung eingesetzt zu w.erden. So ist es möglich, bei Anregung Spannungen von z. B. 350 V im nicht vorgespannten Zustand auf 50 V. bei einem mit 300 V vorgespannten Schwingquarz·zu senken.

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Mittels eines erfindungsgemäßen vorgespannten Schwingquarzes wird erstmalig bei der Ultraschallerzeugung bzw. bei dem Ultraschall-Signalempfang eine nahezu symmetrische Verarbeitung bipolarer elektrischer Sendeimpulse bzw. die symmetrische Umwandlung der empfangenen Ultraschallsignale ermöglicht. Durch daü gezielte Einstellen des vorgespannten Zustandes ist es möglich, ein nahezu identisches Verhältnis ■von Sendeimpuls zur Schallintensität für positive und 'negative Ultraschallsignale zu erhalten.

Das erfindungsgemäße .Verfahren kann auf fast allen Anwendungsgebieten mit unterschiedlichsten Frequenzen eingesetzt werden. Möglich ist z. B. die Prüfung metallischer Werkstoffe mit Prüffrequenzen von 1,5 bis 15 MHz, die Prüfung von Beton mit Prüffrequenzen von 50 bis 200 kHz oder die Prüfung mit Stoßwellenprüfköpfen im Freciuenzbere'ich von 5 bis 35 MHz.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Rauschanteil,, der bisher bei ca. 30 % bei einer Eingangsempfindlichkeit

von 1 mV für 100 % BiI dschi rmhöhe liegt., um den Faktor 10 ss

verringert. Das bedeutet, daß auch kleine Fehler, deren Signale bisher durch den hohen Anteil an Grundrauschen nicht sichtbar waren, aufgefunden und ausgewertet werden können.

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Die Vorspannung des Piezokristalls vereinfacht die Frequenzanalyse, die in verstärktem Maße zur Fehlerart- und Fehlergrößenbestimmune sowie zur Gefüge- und Korngrößenbestimmung eingesetzt wird, da sowohl die negativen als auch die positiven Ultraschallsignale zur Amplituden- und Phasenauswertung herangezogen werden können.

Beispielhaft sei erwähnt, daß z. B. ein Prüfkopf mit einem Sphwingquarz aus Bleizirkontit.anat mit einer Prüffrequenz von 15 MHz, wie er zur Rißfehlerprüfung eingesetzt wird, mit einer maximalen Gleichspannung von 300 V beaufschlagt werden kann, wohingegen ein Prüfkopf mit einem Quarz gleichem Materials bei einer Prüffrequenz von 5 MHz gleichfalls zum Einsatz bei der Rißfehlerprüfung mit 500 V vorgespannt werden kann.

.In der als Anlage beigefügten zeichnerischen Darstellung sei ergänzend das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines schematischen Ersatzschaltbildes eines vorgespannten piezoelektrischen Quarzkristalls erläutert.

Mit den. Bezugszeichen 10 ist ein erfindungsgemäß eingesetzter piezoelektrischer Quarzkristall .bezeichnet. Der Kristall 10 wird über einen Widerstand 12 z. B. von einer Gleichspannung im Größenbereich 300 bis 500 V dauernd vorgespannt.

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Ein Sender 14 beaufschlagt den Piezokristall 10 dann mit einem Sendeimpuls, der z. B. Sinusform aufweist.

Die zur Vorspannung des Schwingquarzes 10 aufgebrachte Gleichspannung passiert den Kristallwiderstand 16, jedoch nicht parallele, serielle und Systemkapazitäten 18, 20 und 22 und die Leitungs- und E igen induktivitäten 24 und 26, die bei der Anregung mit Wechselspannung mit aufgeladen werden müssen, so daß Sende impulse gerini.'.orer Le ι ijturif?,

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Leerseite

Claims

Ansprüche :

Verfahren zur Erzeugung und/oder zum Empfang von Ultraschallsignalen unter Verwendung eines piezoelektrischen Kristalls,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall durch Anlegung einer Gleichspannung vordeformiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall durch bipolare Impulse angeregt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Anspruch■2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit einer Gleichspannung von vorzugsweise 300 V bis 500 V vorgespannt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,
daß durch die Verwendung eines Kristalls aus Bleizirkontitanat zur Durchführung des Verfahrens mit Prüffrequenzen von in etwa 15 MHz .bzw 5 MHz gearbeitet wird, wobei der Kristall durch Anlegung einer Vorspannung von in etwa 300 V bzw. 500 V vorgespannt wird.