DE4132342A1 - Ultrasonic sensor with grid electrode - is esp. for pressure measurement using sound shock waves and has electrodes before and after polymer foil in sound propagation direction - Google Patents
Ultrasonic sensor with grid electrode - is esp. for pressure measurement using sound shock waves and has electrodes before and after polymer foil in sound propagation directionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Sensor, ins besondere zur Druckmessung bei akustischen Stoßwellen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an ultrasonic sensor, ins especially for pressure measurement with acoustic shock waves, according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger Ultraschall-Sensor ist beispielsweise in der EP-A-03 81 796 beschrieben. Bei diesem Ultraschall-Sensor tritt das Problem auf, daß die in den Ultraschall-Sensor ein fallenden Schallwellen, nachdem sie die Polymerfolie durch laufen haben, an der in Schallausbreitungsrichtung hinter der Polymerfolie befindlichen Elektrode wieder in Richtung auf die Polymerfolie reflektiert werden. Dies hat zur Folge, daß das von dem Ultraschall-Sensor erzeugte elektrische Signal Arte fakte enthält, die durch die beschriebenen Reflexionen bedingt sind.Such an ultrasonic sensor is for example in the EP-A-03 81 796. With this ultrasonic sensor the problem arises that in the ultrasonic sensor falling sound waves after passing through the polymer film have run on the in the direction of sound propagation behind the Polymer film located electrode back towards the Polymer film can be reflected. As a result, the electrical signal Arte generated by the ultrasonic sensor contains facts caused by the described reflections are.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall- Sensor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die schädlichen Auswirkungen von Reflexionen an der in Schallaus breitungsrichtung hinter der Polymerfolie angeordneten Elek trode zumindest vermindert sind.The invention has for its object an ultrasonic Train sensor of the type mentioned so that the harmful effects of reflections at the in Schallaus Elek. arranged behind the polymer film trode are at least reduced.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruches 1 gelöst. Infolge des Umstandes, daß die in Schall ausbreitungsrichtung hinter der Polymerfolie angeordnete Elek trode als Gitterelektrode ausgeführt ist, sind schädliche Reflexionen weitgehend vermindert, so daß das Ausgangssignal des Ultraschall-Sensors keine nennenswerten Artefakte enthält, die durch die genannten Reflexionen bedingt sind. Die Inten sität der Artefakte nimmt theoretisch in dem gleichen Maße ab, wie die Fläche der hinter der Polymerfolie angeordneten Elek trode infolge deren Ausbildung als Gitterelektrode abnimmt. Die Ausbildung der Elektrode als Gitterelektrode bietet den zusätzlichen Vorteil, daß im Gegensatz zu plattenförmigen Elektroden Beschädigungen der Elektrode infolge von Kavita tionserscheinungen nicht auftreten. Dieser Vorteil ist ins besondere dann wesentlich, wenn Druckmessunqen im Fokusbereich fokussierter Stoßwellen vorgenommen werden sollen. Im Hinblick auf die Kavitationsunempfindlichkeit kann es somit zweckmäßig sein, auch die in Schallausbreitungsrichtung vor der Polymer folie angeordnete Elektrode als Gitterelektrode auszubilden. Mit den Merkmalen des Anspruches 2 ergibt sich eine theore tische Abschwächung der Artefakte um 14 dB (Gitterverhältnis 1 : 5) bzw. 20 dB (Gitterverhältnis 1 : 10). Unter dem Gitterver hältnis soll das Verhältnis der Fläche der Gitterstruktur zur Gesamtfläche der Gitteranordnung verstanden werden, wobei die Fläche der Gitterstruktur der Fläche der Gitteranordnung ver mindert um die Summe der Flächen der Gitteröffnungen ent spricht. Der Anspruch 3 hat eine Ausführungsform der Erfindung zum Gegenstand, die den Vorteil bietet, daß die von einer Ul traschall- bzw. Stoßwellenquelle ausgehenden elektromagneti schen Störungen gegen das Bezugspotential abgeleitet werden und somit die Messung nicht nennenswert beeinträchtigen kön nen.This object is achieved with the features of the An Proverb 1 solved. Due to the fact that the sound Direction of propagation Elek arranged behind the polymer film trode is designed as a grid electrode, are harmful Reflections largely reduced, so that the output signal the ultrasonic sensor does not contain any significant artifacts, caused by the reflections mentioned. The Inten theoretically the artifacts decrease to the same extent, like the area of the elec trode decreases due to their formation as a grid electrode. The formation of the electrode as a grid electrode offers the additional advantage that in contrast to plate-shaped Electrodes Damage to the electrode due to Kavita symptoms do not occur. This advantage is ins especially important when pressure measurements in the focus area focused shock waves to be made. With regard it can therefore be useful for insensitivity to cavitation be even in the direction of sound propagation in front of the polymer foil arranged electrode to form as a grid electrode. With the features of claim 2 results in a theory table attenuation of the artifacts by 14 dB (grid ratio 1: 5) or 20 dB (grid ratio 1:10). Under the grid ver ratio should be the ratio of the area of the lattice structure to the Total area of the grid arrangement can be understood, the Area of the lattice structure ver the area of the lattice arrangement decreases by the sum of the areas of the grid openings speaks. Claim 3 has an embodiment of the invention to the subject, which has the advantage that the Ul ultrasound or shock wave source outgoing electromagnetic interference against the reference potential can be derived and therefore cannot significantly impair the measurement nen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt. Es zeigen:An embodiment of the invention is in the accompanying Drawing shown. Show it:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Ultraschall-Sensor in schema tischer Darstellung im Längsschnitt, und Fig. 1 shows an ultrasonic sensor according to the invention in a schematic representation in longitudinal section, and
Fig. 2 in stark vergrößerter Darstellung eine Ansicht einer Einzelheit des erfindungsgemäßen Ultraschall-Sensors. Fig. 2 in a greatly enlarged view a view of a detail of the ultrasonic sensor according to the invention.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Polymerfolie bezeichnet, die frei tragend in einer Haltevorrichtung 2 befastigt ist. Die Halte vorrichtung 2 hat die Gestalt eines Hohlzylinders und ist mit einer ihrer Stirnflächen auf einer Grundplatte 3 befestigt. In der Haltevorrichtung 2 ist die Polymerfolie 1 derart be festigt, daß ihre Flachseiten rechtwinklig zur Mittelachse M der Haltevorrichtung verlaufen. Die Grundplatte 3 ist Teil eines insgesamt mit 4 bezeichneten Gehäuses, das in einem der Grundplatte 3 gegenüberliegenden Bereich eine konvex gewölbte, kuppelförmige Außenfläche 5 aufweist. Das die konvex gewölbte Außenfläche 5 aufweisende Gehäuseteil 6 sitzt auf einem mit der Grundplatte 3 verbundenen hohlzylindrischen Rahmen 7 und besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff geringer akustischer Impedanz, beispielsweise Polymethylpenten oder Polystyrol. Der Rahmen 7 und die Haltevorrichtung 2 sowie eventuell die Grund platte 3 bestehen ebenfalls aus einem derartigen Kunststoff.In FIG. 1, 1 denotes a polymer film which is fastened in a holding device 2 in a self-supporting manner. The holding device 2 has the shape of a hollow cylinder and is attached to one of its end faces on a base plate 3 . In the holding device 2 , the polymer film 1 is fastened such that its flat sides run at right angles to the central axis M of the holding device. The base plate 3 is part of a housing designated overall by 4 , which has a convex, domed outer surface 5 in a region opposite the base plate 3 . The housing part 6 , which has the convexly curved outer surface 5 , sits on a hollow cylindrical frame 7 connected to the base plate 3 and preferably consists of a plastic of low acoustic impedance, for example polymethylpentene or polystyrene. The frame 7 and the holding device 2 and possibly the base plate 3 also consist of such a plastic.
Die mit dem Ultraschall-Sensor zu messenden Schallwellen, ins besondere akustische Stoßwellan, fallen von der kuppelförmigen Außenfläche 5 her in Richtung auf die Grundplatte 3, vorzugs weise etwa parallel zur Mittelachse M, in den Ultraschall-Sen sor ein.The sound waves to be measured with the ultrasonic sensor, in particular acoustic shock wave, fall from the dome-shaped outer surface 5 towards the base plate 3 , preferably approximately parallel to the central axis M, into the ultrasonic sensor.
Die Polymerfolie 1 ist zwischen 10 µm und 100 µm dick und hat einen freien Durchmesser von etwa 10 bis 20 mm. Sie ist in einem zentralen Bereich 8 piezoelektrisch aktiviert, der einen Durchmesser von etwa 1 bis 2 mm aufweist. Die zylindrische Haltevorrichtung 2 weist eine Wandstärke von beispielsweise 0,5 mm auf und ist an ihrer von der Grundplatte 3 entfernten Stirnfläche mit einer plattenförmigen Elektrode 9 versehen, die mit Masse als Bezugspotential verbunden ist. Sie dient somit als Masseelektrode und bewirkt eine Abschirmung des Ultraschall-Sensors gegen die von einer Ultraschall- bzw. Stoßwellenquelle ausgehenden elektromaqnetischen Störungen. Die Elektrode 9 ist parallel zur Polymerfolie 1 in Schall ausbreitungsrichtung vor dieser angeordnet. Der Abstand zwi schen der Elektrode 9 und der Polymerfolie 1 beträgt vorzugs weise etwa 3 mm. Als Elektrode 9 ist eine dünne, beispiels weise 20 µm dicke Metallfolie, vorzugsweise Edelstahl, vor gesehen. Im gleichen Abstand von der Polymerfolie 1 wie die Elektrode 9 ist in die Haltevorrichtung 2 eine zweite Elek trode 10 eingespannt, die ebenfalls parallel zu der Polymer folie 1, aber in Schallausbreitungsrichtung hinter dieser angeordnet ist und als Signalelektrode dient. Wie die Elek trode 9 besteht auch die Elektrode 10 aus einer dünnen, bei spielsweise 20 µm dicken Metallfolie.The polymer film 1 is between 10 microns and 100 microns thick and has a free diameter of about 10 to 20 mm. It is piezoelectrically activated in a central area 8 , which has a diameter of approximately 1 to 2 mm. The cylindrical holding device 2 has a wall thickness of, for example, 0.5 mm and is provided on its end face remote from the base plate 3 with a plate-shaped electrode 9 which is connected to ground as a reference potential. It thus serves as a ground electrode and shields the ultrasound sensor against electromagnetic interference emanating from an ultrasound or shock wave source. The electrode 9 is arranged parallel to the polymer film 1 in the direction of sound propagation in front of this. The distance between the electrode's 9 and the polymer film 1 is preferably about 3 mm. A thin, for example 20 µm thick metal foil, preferably stainless steel, is seen as the electrode 9 . At the same distance from the polymer film 1 as the electrode 9 , a second electrode 10 is clamped in the holding device 2 , which is also parallel to the polymer film 1 , but is arranged behind it in the direction of sound propagation and serves as a signal electrode. Like the electrode 9 , the electrode 10 also consists of a thin, for example 20 μm thick metal foil.
Die Elektroden 9 und 10 stehen über flüssigkeitsdicht aus dem Innenraum des Gehäuses 4 nach außen geführte Leitungen 13 und 14 mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 15 in Verbin dung. Der Innenraum des Gehäuses ist mit einer Flüssigkeit 15 gefüllt, die als akustisches Ausbreitungsmedium dient und eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist. Als Flüssigkeit 15 eignet sich beispielsweise hochreines Wasser. Auch Silikonöl oder Glyzerin sind geeignet. Gelangt ein akustisches Signal, beispielsweise eine Stoßwelle, in die Flüssigkeit 15, entste hen im piezoelektrisch aktivierten Bereich 8 der Polymerfolie 1 dem Druckverlauf der Stoßwelle entsprechende Oberflächen ladungsschwingungen, die mittels der Elektroden 9 und 10 kapa zitiv aufgenommen werden und über die Leitungen 13 und 14 zu dem Verstärker 15 gelangen.The electrodes 9 and 10 are connected to the inputs of a differential amplifier 15 via liquid-tight lines 13 and 14 from the interior of the housing 4 to the outside. The interior of the housing is filled with a liquid 15 , which serves as an acoustic propagation medium and has a high dielectric constant. High-purity water, for example, is suitable as the liquid 15 . Silicone oil or glycerin are also suitable. If an acoustic signal, for example a shock wave, enters the liquid 15 , charge oscillations corresponding to the pressure profile of the shock wave occur in the piezoelectrically activated region 8 of the polymer film 1 , which are picked up capacitively by means of the electrodes 9 and 10 and via the lines 13 and 14 get to the amplifier 15 .
Die Elektrode 10 ist im Gegensatz zur Elektrode 9 nicht plattenförmig, sondern als Gitterelektrode ausgebildet. Die Elektrode 10 weist demzufolge eine Rasteranordnung von bei spielsweise quadratischen Gitteröffnungen 11 auf, die durch eine Gitterstruktur 12 voneinander getrennt sind (Fig. 2). Die Stege der Gitterstruktur 12 weisen beispielsweise eine Breite b von 0,05 mm auf. Die Seitenlänge B der Gitteröffnungen be trägt beispielsweise 1 mm. Dies ergibt ein Gitterverhältnis von 1 : 10,7, was einer theoretischen Abschwächung der durch Reflexion an der Elektrode 10 entstehenden Artefakte im elek trischen Ausgangssignal des Ultraschall-Sensors um ca. 20 dB im Vergleich zu einer plattenförmigen Elektrode entspricht. Die Gitterelektrode kann beispielsweise auf fotochemischem Wege hergestellt werden.In contrast to the electrode 9, the electrode 10 is not in the form of a plate, but rather as a grid electrode. The electrode 10 accordingly has a grid arrangement of, for example, square grid openings 11 which are separated from one another by a grid structure 12 ( FIG. 2). The webs of the lattice structure 12 have a width b of 0.05 mm, for example. The side length B of the lattice openings is, for example, 1 mm. This results in a grid ratio of 1: 10.7, which corresponds to a theoretical weakening of the artefacts resulting from reflection at the electrode 10 in the electrical output signal of the ultrasonic sensor by approximately 20 dB compared to a plate-shaped electrode. The grid electrode can be produced, for example, by photochemical means.
Infolge der Kuppelform des Gehäuses 4 kann der Ultraschall- Sensor übrigens leicht zur akustischen Koppelung an die bei Ultraschall- und Lithotripsiageräten meist vorhandene, die Vorlaufstrecke abschließende Gummimembran eingedrückt werden, um den Druckverlauf der von dem jeweiligen Gerät ausgehenden Ultraschall- bzw. Stoßwellen prüfen zu können.As a result of the dome shape of the housing 4 , the ultrasonic sensor can, by the way, easily be pressed in for acoustic coupling to the rubber membrane, which is usually present in ultrasonic and lithotripsy devices and closes the leading section, in order to be able to check the pressure profile of the ultrasonic or shock waves emanating from the respective device .
Grundsätzlich ist es auch möglich, die in Schallausbreitungs richtung vor dar Polymerfolie angeordnete Elektrode 9 als Git terelektrode auszubilden, was jedoch hinsichtlich der Vermei dung von Artefakten nur noch eine geringfügige Verbesserung bringt, da durch die Ausbildung der Elektrode 10 als Gitter elektrode keine nennenswerten Reflexionen mehr in Richtung auf die Elektrode 9 auftreten, die von dieser nochmals in Richtung auf die Polymerfolie 1 reflektiert werden könnten.In principle, it is also possible to design the electrode 9 arranged in the direction of sound propagation in front of the polymer film as a grid electrode, but this only brings a slight improvement in terms of avoiding artifacts, since the electrode 10 is no longer a significant reflection due to the design of the electrode 10 as a grid occur in the direction of the electrode 9 , which could be reflected by the latter again in the direction of the polymer film 1 .
Claims (4)
- a) einer freitragend an einer Haltevorrichtung (2) befestig ten Polymerfolie (1), die
- b) wenigstens in einem Bereich (8) piezoelektrisch aktiviert und mit Elektroden (9, 10) gekoppelt ist, wobei
- c) die Elektroden (9, 10) räumlich getrennt von dem piezo elektrisch aktivierten Bereich (8) derart angeordnet sind, daß in Schallausbreitungsrichtung gesehen eine der Elek troden (9) vor und eine der Elektroden (10) hinter der Polymerfolie (1) angeordnet ist,
- a) a self-supporting on a holding device ( 2 ) th polymer film ( 1 ), the
- b) piezoelectrically activated in at least one area ( 8 ) and coupled to electrodes ( 9 , 10 ), wherein
- c) the electrodes ( 9 , 10 ) spatially separated from the piezo-electrically activated area ( 8 ) are arranged such that seen in the direction of sound propagation one of the electrodes ( 9 ) in front and one of the electrodes ( 10 ) arranged behind the polymer film ( 1 ) is
- d) wenigstens die in Schallausbreitungsrichtung hinter der Polymerfolie (1) angeordnete Elektrode (10) ist als Gitter- Elektrode ausgeführt.
- d) at least the electrode ( 10 ) arranged behind the polymer film ( 1 ) in the direction of sound propagation is designed as a grid electrode.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008011682A1 (en) * | 2008-02-28 | 2009-09-03 | Robert Bosch Gmbh | Pressure distribution measuring device for component surface in ultrasound supported cleaning bath, has converter material connected with base and counter electrodes, where electrodes combined forms sensor element |
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| EP0381796A1 (en) * | 1989-02-10 | 1990-08-16 | Siemens Aktiengesellschaft | Ultrasonic sensor |
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1991
- 1991-09-27 DE DE19914132342 patent/DE4132342A1/en not_active Ceased
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