DE3147741A1

DE3147741A1 - Arrangement for non-destructive materials testing using ultrasound

Info

Publication number: DE3147741A1
Application number: DE19813147741
Authority: DE
Inventors: Günther 8523 Baiersdorf Gräbner; Dietmar 8520 Erlangen Hiller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-12-02
Filing date: 1981-12-02
Publication date: 1983-06-09

Abstract

The ultrasonic testing system contains a transmitter (2) and an ultrasonic transducer (4) for the transmitted signal and an ultrasonic transducer (6) for the received signal, and a receiver (7) having a signal processing unit to which a display device (8) is assigned. According to the invention, a reaction (10) of the received signal on the transmitter (2) is provided. Virtually any signal shapes can be set or programmed using this system. <IMAGE>

Description

Anordnung zur zerstörungsfreien WerkstoffprüfungArrangement for non-destructive testing of materials

mit Ultraschall Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall, die einen Sender und einen Ultraschallwandler für das Sendesignal sowie einen Ultraschallwandler für das Empfangssignal und einen Empfänger enthält, dem eine Anzeigevorrichtung zugeordnet ist. Der Empfänger ist im allgemeinen mit einer Einrichtung zur Signalverarbeitung versehen.with ultrasound The invention relates to an arrangement for Non-destructive material testing with ultrasound, which has a transmitter and an ultrasonic transducer for the transmitted signal and an ultrasonic transducer for the received signal and a Contains receiver to which a display device is assigned. The recipient is generally provided with a device for signal processing.

Bei den bekannten Ultraschall-Untersuchungsmethoden mit Sende- und Empfangsbetrieb tritt das Problem auf, daß das Sendesignal in dem aus Ultraschallwandlern, Ankopplung und dem zu untersuchenden Medium bestehenden System Verzerrungen erleidet. Diese äußern sich beispielsweise in einer Impulsverbreiterung, starkem Überschwingen oder auch einem Nachklingen des Impulses. Daraus können sich Schwierigkeiten bei der Auswertung der Empfangssignale beispielsweise hinsichtlich der Auflösung sowie der Fehlerarterkennung durch Pulsphasenlage ergeben.In the known ultrasonic examination methods with transmission and In reception mode, the problem arises that the transmission signal in the ultrasonic transducer, Coupling and the system to be investigated suffers from distortions. These express themselves, for example, in a pulse broadening, strong overshoot or even a reverberation of the impulse. This can lead to difficulties the evaluation of the received signals, for example in terms of resolution and the type of fault detection by the pulse phase position.

Es ist bekannt, auf der Senderseite ausgewählte, schmalbandige Impulse zu verwenden, damit der schädliche Einfluß der Wandlercharakteristik vermieden wird und das Signal dem zu erwartenden Befund angepaßt werden kann. Dies erfordert jedoch einen verhältnismäßig aufwendigen Sender, der auf wenige Signalformen zugeschnitten ist, und Phasenverzerrungen im System werden bei der Auswahl des Sendersignals nicht berücksichtigt. Es werden somit nicht alle Freiheitsgrade ausgewertet und das Ergebnis kann nur zufällig optimal werden. Ferner können die Verzerrungen auf der Empfängerseite durch Rechner gestützte Algorithmen, beispielsweise Entfaltung, Optimalfilterung oder auch Korrelation, entfernt werden.It is known to have narrow-band pulses selected on the transmitter side to be used so that the detrimental influence of the transducer characteristic is avoided and the signal can be adapted to the expected finding. However, this requires a relatively complex transmitter that is tailored to a few signal shapes and phase distortion in the system will not be considered when selecting the transmitter signal considered. It therefore not all degrees of freedom are evaluated and the result can only be optimal by chance. Furthermore, the distortions computer-aided algorithms on the receiving end, e.g. unfolding, Optimal filtering or correlation can be removed.

Dies erfordert jedoch teilweise beträchtliche Aufbereitungszeiten bis zum endgültigen Vorliegen des Empfangssignals Eine Signalverbesserung erhält man bekanntlich auch durch digitale Filterung, beispielsweise inverse Filterung. Ein programmierbares digitales Filter wird gesteuert von einem Computer oder Mikroprozessor, der die Wiener-Lösung für das Filter berechnet. Diese digitale Filterung erfordert jedoch einen verhältnismäßig großen Hardwareaufwand (Electronic Letters, 310 Januar 1980, Vol. 16, Nr. 3, Seiten 88 und 89). Eine Signalverbesserung erhält man ferner durch analoge Filterung, beispielsweise Pulskompression, die jedoch ein verhältnismäßig unflexibles Verfahren darstellt (Ultrasonics, Juli 1979, Seiten 175 bis 182).However, this sometimes requires considerable processing times A signal improvement is obtained until the received signal is finally available as is well known, one can also use digital filtering, for example inverse filtering. A programmable digital filter is controlled by a computer or microprocessor, which calculates the Wiener solution for the filter. This digital filtering requires but a relatively large amount of hardware (Electronic Letters, January 310 1980, Vol. 16, No. 3, pages 88 and 89). A signal improvement is also obtained through analog filtering, for example pulse compression, which, however, is a relatively represents an inflexible process (Ultrasonics, July 1979, pages 175 to 182).

Aus den Echoanzeigen auf dem Bildschirm des Ultraschallprüf systems müssen genaue Aussagen über den Zustand des Prüfobjekts getroffen werden. Dazu gehört nicht nur die Angabe des Ortes der Reflexionsstelle, sondern auch deren eingehende Beschreibung nach Größe, Art und Lage. Die Analyse des Ultraschallechos muß somit neben der Form und Art einer Reflexionsstelle auch deren genaue Abmessungen wiedergeben können. Um ein Ultraschallsignal von beispielsweise 2 MHz gut darstellen zu können, muß die Abtastrate des A/D-Wandlers der Elektronik etwa 20 MHz betragen.From the echo displays on the screen of the ultrasonic testing system precise statements about the condition of the test object must be made. That includes not only the indication of the place of the reflection point, but also the detailed one Description by size, type and location. The analysis of the ultrasonic echo must therefore in addition to the shape and type of a reflection point, also show its exact dimensions can. In order to be able to display an ultrasonic signal of, for example, 2 MHz, the sampling rate of the A / D converter of the electronics must be around 20 MHz.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mit Ultraschall anzugeben, bei der ein Sendesignal mit einer Band- breite von beispielsweise 2 MHz und einer Mittenfrequenz von beispielsweise 2 MHz so gestaltet wird, daß unabhängig vom verwendeten Ultraschallwandler ein Signal mit vorbestimmten, optimalen Eigenschaften empfangen und angezeigt werden kann. Diese Anordnung muß somit in der Lage sein, ein Signalerkennungsproblem zu lösen, um von einem gegebenen Objekt, beispielsweise einer Fehlstelle, bei gegebenen Ultraschallwandlern ein optimales Empfangssignal zu erhalten.The invention is now based on the object of providing an arrangement for non-destructive Specify material testing with ultrasound, in which a transmission signal with a band broad of, for example, 2 MHz and a center frequency of, for example, 2 MHz is that regardless of the ultrasonic transducer used, a signal with predetermined, optimal properties can be received and displayed. This arrangement must thus being able to solve a signal detection problem to get from a given Object, for example a flaw, is an optimal one for given ultrasonic transducers Receive signal.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Anordnung beruht auf dem Prinzip der gezielten Anregung von Ultraschallsignalen. Das Sendersignal wird so geformt, daß die Eigenschaften des Empfangssignals in bestimmter Hinsicht optimal sind. Mit diesem System können nahezu beliebige Signalformen eingestellt bzw. programmiert werden. Durch die Signalverarbeitung mit dem Rechner oder Mikrocomputer innerhalb der Rückkopplung erhält man ein sehr flexibles System. Der Hardwareaufwand auf der Senderseite ist verhältnismäßig einfach, da das System im wesentlichen Nurlesespeicher ROM bzw.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. This arrangement is based on the principle of targeted Excitation of ultrasonic signals. The transmitter signal is shaped so that the properties of the received signal are optimal in certain respects. With this system you can Almost any signal shape can be set or programmed. Through the signal processing with the calculator or microcomputer within the feedback one gets a very flexible system. The hardware outlay on the sender side is relatively simple, since the system is essentially read-only memory ROM or

programmierbare Nurlesespeicher PROM und Speicher mit wahlfreiem Zugriff RAN sowie eine Ablaufsteuerung und Digital-Analogwandler und Verstärker enthält. Der Sende/Empfangsbetrieb ist als Echtzeitbetrieb durchführbar.programmable read-only memories PROM and random access memories RAN as well as a sequence control and digital-to-analog converter and amplifier contains. The send / receive operation can be carried out as real-time operation.

Der Rechner erhält als Eingangsdaten die Bedienungen des Benutzers und die digitalisierten Ultraschallempfangssignale. Er gibt seine digitalen Ausgangssignale für das Sendesignal auf den Sendespeicher, aus dem die Daten mit einer höheren Ausleserate ausgelesen werden können, als es der Nyquist-Abtastfrequenz des zu sendenden Ultraschallsignals entspricht. Die Aus- gangssignale werden über den Digitalanalogwandler dem Sender vorgegeben, der dann im wesentlichen nur noch eine Verstärkerfunktion hat.The computer receives the operator's operations as input data and the digitized ultrasonic reception signals. It gives its digital output signals for the transmission signal on the transmission memory, from which the data is read out at a higher rate can be read out as it is the Nyquist sampling frequency of the ultrasonic signal to be transmitted is equivalent to. From- output signals are transmitted via the digital to analog converter given to the transmitter, which then essentially only has an amplifier function Has.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach der Erfindung als Blockschaltbild schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing taken, in which an embodiment of an arrangement for non-destructive testing of materials according to the invention is illustrated schematically as a block diagram.

Die Ausgangssignale eines Senders 2 werden in einem Ultraschallwandler 4 für die Sendesignale umgewandelt in Ultraschallimpulse, die in ein Meßobjekt 5 eingeschallt werden. Die an einer Kontur oder Störungsstelle des Meßobjekts reflektierten Echo signale werden in einem Ultraschallwandler 6 für die Empfangssignale einem Empfänger 7 vorgegeben, der mit einer Einrichtung zur Signalverarbeitung versehen ist. Die verarbeiteten Signale können auf einem Bildschirm 8 sichtbar gemacht werden.The output signals of a transmitter 2 are in an ultrasonic transducer 4 for the transmission signals converted into ultrasonic pulses, which are transmitted to a measurement object 5 be sonicated. Which reflected at a contour or fault point of the test object Echo signals are in an ultrasonic transducer 6 for the received signals Preset receiver 7, which is provided with a device for signal processing is. The processed signals can be made visible on a screen 8.

Die Empfangssignale des Ultraschallwandlers 7 werden über eine Rückwirkung 10 mit einem Senderteil A und einem Verarbeitungsteil B dem Sender 2 wieder zugeführt.The received signals of the ultrasonic transducer 7 are a reaction 10 with a transmitter part A and a processing part B supplied to the transmitter 2 again.

Die Rückwirkung 10 verarbeitet die digitalisierten Empfangssignale zu digitalisierten Sendesignalen, wobei dem Benutzer die Möglichkeit bleibt, durch die Eingabe von Bedienungen auf die Art der Verarbeitung Einfluß zu nehmen.The feedback 10 processes the digitized received signals to digitized transmission signals, whereby the user has the option to go through the input of operator inputs to influence the type of processing.

Zu diesem Zweck werden die Empfangssignale vom Ultraschallwandler 6 über einen Analog-Digitalwandler 14 in einen schnellen Speicher 16 eingelesen, der zusammen mit dem Analog-Digitalwandler 14 als Transientrecorder wirkt. Aus dem Speicher 16 werden die Signale in einen Rechner 18 eingegeben, dem auch ein Bedienfeld 20 zugeordnet ist, das beispielsweise eine Tastatur sein kann, die als Bedienungsperipherie für.den Rechner 18 wirkt. Der Rechner 18 gibt digitale Werte für ein Sendesignal auf einen Sendespeicher 22, dem eine Steuereinheit 24 für die Ablaufsteuerung zugeordnet ist. Der schnelle Sendespeicher 22 liefert seine Ausgangssignale über einen Digital-Analogwandler 26 zum Sender 2, der somit im wesentlichen nur noch eine Verstärkerfunktion hat. Der schnelle Sendespeicher 22 wird versorgt vom Rechner 18, der wiederum als Eingangsdaten die Bedienungen des Benutzers vom Bedienfeld 20 und die digitalisierten Ultraschallmeßdaten vom Speicher 16 erhält.For this purpose, the received signals from the ultrasonic transducer 6 read into a high-speed memory 16 via an analog-digital converter 14, which acts together with the analog-to-digital converter 14 as a transient recorder. From the Memory 16 are the signals in a Computer 18 entered, the a control panel 20 is also assigned, which can for example be a keyboard, which acts as operating peripherals for the computer 18. The computer 18 is digital Values for a transmission signal to a transmission memory 22 to which a control unit 24 is assigned for the sequence control. The fast transmission memory 22 delivers its Output signals via a digital-to-analog converter 26 to the transmitter 2, which is thus essentially only has an amplifier function. The fast transmission memory 22 is supplied from the computer 18, which in turn, as input data, the operations of the user from Control panel 20 and the digitized ultrasonic measurement data from memory 16 receives.

Das System kann sowohl als programmierbarer als auch als optimierbarer Ultraschallsender betrieben werden. Beim Betrieb als programmierbarer Ultraschallsender kann der Anwender mit Hilfe einer geeigneten Bedienungsvorschrift interaktiv beim Einsatz diejenige Signalform wählen, welche für die Lösung der Aufgabe optimal erscheint. Im Betrieb als optimierbarer Ultraschallsender wird die Ausgangsfunktion des Meßsystems einschließlich des Meßobjekts 5 prinzipiell mit beliebigem Sendesignal gemessen. Mit Kenntnis dieses Ergebnisses wird das Sende signal in Richtung auf ein nach beliebigen Kriterien optimales Empfangssignal verändert. Dieser Vorgang kann analytisch oder auch nach einem Suchverfahrengeschehen, wobei für eine Optimierung bekannte Verfahren eingesetzt werden können.The system can be both programmable and optimizable Ultrasonic transmitters are operated. When operated as a programmable ultrasonic transmitter the user can interactively with the help of a suitable operating instruction Use the signal form that appears optimal for the solution of the task. In operation as an ultrasonic transmitter that can be optimized, the output function of the measuring system including the test object 5 measured in principle with any transmission signal. Knowing this result, the transmission signal is directed towards an after any Criteria optimal received signal changed. This process can be analytical or also happen according to a search method, with methods known for optimization can be used.

Durch die Optimierbarkeit des Systems kann erreicht werden, daß unterschiedliche Ultraschallwandler gleiche Signalformen liefern, was eine einfache Standardisierung von Prüfverfahren ermöglicht. Zu diesem Zweck muß lediglich jeder Wandlerfamilie ein eigener programmier- barer Speicher PROM zugeordnet werden.By optimizing the system it can be achieved that different Ultrasonic transducers deliver the same signal forms, which is a simple standardization made possible by test procedures. For this purpose, each converter family only needs own programming can be allocated to PROM.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Anordnung besteht darin, daß für eine On-line-Optimierung und -Programmierung als Rechner 18 im Verarbeitungsteil B ein Mikrocomputer vorgesehen ist, mit dem das System in nahezu beliebiger Betriebsart frei programmiert werden kann.There is a particularly advantageous further embodiment of the arrangement in that for an on-line optimization and programming as a computer 18 in the processing part B a microcomputer is provided with which the system can be operated in almost any operating mode can be freely programmed.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Anordnung besteht darin, daß für eine Off-line-Optimierung und -Programmierung die gerätemäßige Ausführung nur den kompakten Senderteil A enthält, aber dennoch die Leistung des gesamten Systems zur Verfügung steht, weil die Rückwirkung über den Rechner im Herstellerwerk geschlossen werden kann. In dieser Ausführungsform ist der programmierbare schnelle Sendespeieher 22 bereits mit vorbestimmten Signalformen vorprogrammiert. Man erhält eine sehr kompakte Ausführung des Ultraschallsenders, wobei aber der Vorrat an Sendefunktionen, die dem Anwender zur Verfügung stehen, begrenzt ist. Diese Sendefunktionen können aber vorher durch den Betrieb als optimierbarer Ultraschallsender optimiert werden, wobei in dieser Phase der Teil B des Systems aus Laborgeräten des Herstellers bestehen kann.There is a particularly advantageous further embodiment of the arrangement in that for an off-line optimization and programming the device-based execution contains only the compact transmitter part A, but still the performance of the entire system is available because the retroactive effect is closed via the computer in the manufacturer's works can be. In this embodiment, the programmable fast transmit memory 22 already preprogrammed with predetermined waveforms. You get a very compact design of the ultrasonic transmitter, but with the supply of transmission functions, available to the user is limited. These send functions can but be optimized beforehand by operating as an optimizable ultrasonic transmitter, In this phase, Part B of the system consists of laboratory equipment from the manufacturer can.

4 Patentansprüche 1 Figur Leerseite4 claims 1 figure Blank page

Claims

Claims arrangement for non-destructive material testing with Ultrasound, which has a transmitter (2) and an ultrasonic transducer (4) for the transmission signal as well as an ultrasonic transducer (6) for the received signal and a receiver (7) contains, to which a display device (8) is assigned, d a d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that a reaction (10) of the received signal on the transmitter (2) is provided.

2 Arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the reaction (10) contains a computer (18) into which the received signal is read in via a digital-to-analog converter (14) and a memory (16) and to which a control panel (20) is assigned and its output signals to a fast one Transmit memory (22) are specified, to which a sequence control (24) is assigned and its output signal is given to the transmitter (2) via a digital-to-analog converter (26) are.

3 Arrangement according to claim 1 or 2, d a d u r c h e k e n n z e i c h n e t that to generate the signal form in hardware as a transmit memory (22) a fast digital memory with sequence control and digital / analog converter is provided is.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, since d u r c h g e k It is noted that a microcomputer is provided as the computer (18).