DE4304139A1

DE4304139A1 - Meßanordnung zum Kalibrieren von Ultraschallstoßwellen-Sensoren

Info

Publication number: DE4304139A1
Application number: DE4304139A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Dr Niewisch; Ulrich Dipl Ing Schaetzle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-02-11
Filing date: 1993-02-11
Publication date: 1994-08-18
Also published as: JPH06269457A; US5488853A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zum Kalibrieren von Ultraschallstoßwellen-Sensoren.

In der Lithotripsie sind zum Messen der von einem Ultra schallstoßwellen-Generator erzeugten und zum Zertrümmern von Konkrementen im menschlichen Körper verwendeten Ultra schallstoßwellen genau kalibrierte Sensoren erforderlich. Bevorzugte Ultraschallstoßwellen-Sensoren sind PVDF- Hydrophone. Zum Kalibrieren können diese Ultraschallstoß wellen-Sensoren in einem vorgegebenen Referenzschallfeld einer piezokeramischen Referenzschallquelle angeordnet werden. Solche Referenzschallquellen sind jedoch in dem Schalldruck ihrer Referenzstoßwellen auf maximal 1 bar beschränkt. Da in der Lithotripsie Stoßwellen mit einem Schalldruck von typischerweise 1000 bar eingesetzt werden, müssen die beim Kalibrieren ermittelten Kennwerte auf Werte in einem um drei Zehnerpotenzen größeren Bereich extrapoliert werden. Dies kann zu verhältnismäßig großen Extrapolationsfehlern führen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Meß anordnung zum Kalibrieren von Ultraschallstoßwellen-Sen soren anzugeben, die einfach und robust aufgebaut ist und bei der Schalldrücke der Referenzstoßwellen von wenigstens 100 bar erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 1. Die Folie trennt das schall tragende Medium von dem Meßraum. Der Meßraum ist mit einem gasförmigen Stoff mit einer niedrigeren Schallimpedanz als das schalltragende Medium gefüllt. Dadurch wird eine auf die Folie treffende Meßstoßwelle wegen des Schallimpedanz sprungs schallweich reflektiert, und die Folie wird dop pelt so weit ausgelenkt wie ohne Impedanzsprung. Man er reicht somit eine höhere Empfindlichkeit der Meßanordnung. Im Betrieb der Meßanordnung folgt die Folie der Auslenkung der Moleküle im schalltragenden Medium durch die Meßstoß welle. Diese Auslenkung wird über die optischen Mittel zum Bestrahlen des Reflektorbereichs der Folie mit Licht und zum Aufnehmen des von dem Reflektorbereich reflektierten Lichtanteils in ein intensitätsmoduliertes Lichtsignal umgewandelt. In der diesen optischen Mitteln zugeordneten Auswerteeinheit wird durch Auswerten des intensitätsmodu lierten Lichtsignals der zugehörige Schalldruck der Meß stoßwelle ermittelt. Dabei macht man sich die Tatsache zunutze, daß der Schalldruck proportional zur zeitlichen Ableitung der Auslenkung der Moleküle im schalltragenden Medium ist. Der ermittelte Schalldruck kann nun als Refe renz für die zu kalibrierenden Ultraschallstoßwellen-Sen soren verwendet werden.

Messungen haben ergeben, daß mit einer solchen Meßan ordnung Meßstoßwellen mit Schalldrücken von wenigstens 100 bar (= 10⁷ Pa) gemessen werden können. Dadurch liegen für die bevorzugte Anwendung der Meßanordnung in der Lithotripsie die Druckbereiche für das Kalibrieren einer seits und für die Steinzertrümmerung andererseits nur um etwa eine Zehnerpotenz auseinander, und die Extrapolation ist vorteilhaft nur über diesen entsprechend kleineren Bereich auszuführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Meßanordnung gemäß der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich nung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Sensorkopfes einer Meß anordnung gemäß der Erfindung im Querschnitt und

Fig. 2 ein Gesamtaufbau der Meßanordnung schematisch dargestellt sind.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine dünne Folie 2 aus einem elastischen Material, vorzugsweise einem Kunst stoff mit dem Handelsnamen Mylar, in ihrem Randbereich an einem Gehäuse 13 befestigt, beispielsweise geklebt. Eine Oberfläche 20 der Folie 2 grenzt an ein schalltragendes Medium 3, das im allgemeinen flüssig und vorzugsweise Wasser ist. Das Gehäuse 13 umschließt einen Meßraum 4, der mit einem gasförmigen Stoff, vorzugsweise Luft, mit einer niedrigeren Schallimpedanz als das Medium 3 gefüllt ist. Die diesem Meßraum 4 zugewandte andere Oberfläche 21 der Folie 2 ist wenigstens teilweise mit einem lichtreflek tierenden Reflektorbereich 22 ausgebildet. Vorzugsweise ist die Folie 2 dazu mit einer reflektierenden Schicht insbesondere aus Aluminium (Al) bedampft. In dieser An ordnung wird ein mögliches Zersetzen des Aluminiums durch das Medium 3, insbesondere durch Wasser, verhindert. Die Folie 2 kann aber auch selbst aus einem reflektierenden Material bestehen.

In dem Meßraum 4 ist diesem Reflektorbereich 22 der Folie 2 gegenüber das Ende eines optischen Faserbündels 50 ange ordnet, das als Mittel 5 zum Bestrahlen wenigstens des Reflektorbereichs 22 mit Licht und zum Aufnehmen des von dem Reflektorbereich 22 reflektierten Lichtanteils vorge sehen ist. Das Faserbündel 50 ist in einer mit dem Gehäuse 13 verbundenen Halterung 15 so befestigt, daß sein Ende in einem vorgegebenen Arbeitspunktabstand x0 von dem Reflek torbereich 22 gehalten wird. Vorzugsweise ist die Mittel achse am Ende des Faserbündels 50 senkrecht zum Reflektor bereich 22 gerichtet. Damit erhält man optimale Refle xionsbedingungen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine Positioniereinrichtung 6 zum Einstellen des Arbeitspunkt abstandes x0 der optischen Mittel 5 vom Reflektorbereich 22 der Folie 2 vorgesehen. Als Positioniereinrichtung 6 ist vorzugsweise eine Mikrometerschraube mit einer als Halterung 15 für die Mittel 5 vorgesehenen stehenden, durchbohrten Spindel vorgesehen, die vorzugsweise zugleich zum Druckausgleich zwischen dem Meßraum 4 und dem Raum außerhalb des Gehäuses 13 beiträgt. Es kann auch eine motorgetriebene Spindel vorgesehen sein.

Zum Druckausgleich zwischen Meßraum 4 und Außenraum ist vorzugsweise zusätzlich eine Bohrung 14 durch das Gehäuse vorgesehen. Diese Bohrung 14 kann allerdings auch in der Positioniereinrichtung 6 ausgebildet sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zum Überlast schutz der Folie 2 die Mittel 5 mit einer Anschlagsein richtung für die Folie 2 ausgebildet. Als Anschlagsein richtung ist vorzugsweise das flächig ausgebildete Ende des Faserbündels 50 vorgesehen, das dazu mit einer ent sprechend großen Querschnittsfläche von im allgemeinen zwischen 5 mm² und 50 mm² versehen ist.

Die Folie 2, die Mittel 5 und der Meßraum 4 bilden vor zugsweise eine bauliche Einheit mit dem Gehäuse 13. Man erhält so einen kompakten, robusten Sensorkopf, der ein fach im Medium 3 bewegt werden kann. Der Durchmesser der Folie 2 bestimmt sich aus der Schallgeschwindigkeit und dem auszuwertenden Zeitbereich und beträgt typischerweise zwischen 10 mm und 50 mm.

Eine schematisch in ihrem zeitlichen Amplitudenverlauf eingezeichnete Meßstoßwelle SW, die von einer nicht darge stellten Generatoreinrichtung erzeugt wurde, breitet sich in dem Medium 3 aus und trifft auf die Oberfläche 21 der Folie 2. Die der Stoßwellenamplitude entsprechenden Aus lenkungen der Moleküle des Mediums 3 übertragen sich auf die wegen ihrer geringen Dicke und damit ihrer geringen Masse frei mitbewegbare Folie 2. Typischerweise ist die Folie zwischen 1 µm und 100 µm dick und vorzugsweise zwi schen 10 µm und 50 µm. Wegen des Schallimpedanzsprungs zwischen dem Medium 3 und dem Gas im Meßraum 4 ist die Auslenkung der Folie 2 doppelt so groß wie die Auslenkung der Moleküle des Mediums 3. Dies muß bei der Auswertung des Signals entsprechend berücksichtigt werden. Die Aus lenkung x(t) der Folie 2 und ihres Reflektorbereiches 22 aus der Ruhelage x0 wird als Intensitätsänderung im reflektierten Lichtsignal in einer optisch an das Faser bündel 50 angeschlossenen Auswerteeinheit 10 registriert und als Maß für den Schalldruck p(t) der Meßstoßwelle SW ausgewertet. Dabei gilt der Zusammenhang, daß der Schall druck p(t) der zeitlichen Ableitung dx/dt der Auslenkung x(t) proportional ist. Man erhält als Kalibrierkenngröße den Schalldruck oder auch das aus der Intensität des re flektierten Lichts abgeleitete elektrische Signal eines nicht dargestellten Photokonverters in der Auswerteeinheit 10. Diese Kalibrierkenngröße wird nun mit dem unter glei chen Bedingungen am gleichen Meßort mit einer gleichen Meßstoßwelle SW vermessenen Signal des zu kalibrierenden Ultraschallstoßwellen-Sensors verglichen, und das Signal dieses Sensors wird entsprechend angepaßt.

Die Kennlinie eines solchen Aufbaus sieht im allgemeinen folgendermaßen aus. Die Intensität des reflektierten Lichts steigt mit von 0 wachsendem Abstand x0 des Endes des Faserbündels 50 zum Reflektorbereich 22 zunächst ent lang einer Vorderflanke bis zu einem Maximum an und nimmt dann entlang einer Rückflanke wieder monoton ab. Das Ma ximum liegt im allgemeinen zwischen etwa dem Durchmesser einer Faser und dem halben Durchmesser des gesamten Faser bündels 50. Vorderflanke und Rückflanke haben im allge meinen unterschiedliche Steilheiten, so daß durch die Wahl des Arbeitspunktes und des Meßbereichs auf der Vorder flanke oder der Rückflanke auch unterschiedliche Empfind lichkeiten für die Meßanordnung gewählt werden können.

Vorzugsweise wird der Arbeitspunktabstand x0 in die Rück flanke der Sensorkennlinie gelegt. Dadurch ist der Abstand x0 zwischen Folie 2 und den Mitteln 5 hinreichend groß, so daß ein Anschlagen der Folie 2 an die Mittel 5 weitgehend vermieden wird. Dies erhöht die Lebensdauer des Sensors.

In der Auswerteeinheit 10 sind eine Lichtquelle 7 und ein Lichtempfänger 8 angeordnet, die, vorzugsweise über einen optischen Koppler 11, optisch mit dem Faserbündel 50 ver bunden sind. Über die Stärke der Lichtquelle 7 kann auf einfache Art und Weise die Empfindlichkeit des Sensors erhöht werden. Als Lichtempfänger 8 ist vorzugsweise ein Photokonverter, beispielsweise eine Photodiode, mit nach geschaltetem Transimpedanzverstärker zur Strom-Spannungs- Wandlung vorgesehen.

Durch die Art einer Aufteilung der Sende- und Empfangs fasern im Faserbündel 50 kann die Form der Kennlinie des Sensors eingestellt werden. Eine räumliche Trennung der Sende- und Empfangsfasern im Faserbündel 50, beispiels weise durch einen Steg, hat beispielsweise eine flachere Vorderflanke und eine gleichmäßige statistische Verteilung der Fasern eine sehr steile Vorderflanke zur Folge.

Einen Gesamtaufbau der Kalibrieranordnung gemäß der Erfin dung zeigt Fig. 2. Es ist ein Sensorkopf 34 mit Folie 2, Meßraum 4 und optischen Mitteln 5 schematisch dargestellt. Dieser Sensorkopf 34 ist an einer vorgegebenen Meßposition MP innerhalb eines wenigstens zum Teil mit Wasser als Medium 3 gefüllten Behältnisses angeordnet. Es ist ferner eine Generatoreinrichtung 30 zum Erzeugen von Meßstoßwel len vorgesehen, die einen Generator 32 zum Erzeugen von ebenen Ultraschallwellen und ein Aufsteilrohr 31 enthält. An einem Ende des Aufsteilrohres 31 ist der Generator 32 angeordnet. In der dargestellten bevorzugten Ausführungs form bildet das Aufsteilrohr 31 selbst das Behältnis.

Durch nichtlineare Effekte innerhalb des Aufsteilrohres 31 steilt sich die ebene Ultraschallwelle des Generators 32 auf, d. h. es bildet sich in diesem Aufsteilrohr 31 eine Meßstoßwelle SW, die wieder schematisch angedeutet ist.

Der Sensorkopf 34 ist über ein Faserbündel 50 mit einer Auswerteeinheit 10 optisch verbunden. Dadurch erreicht man eine potentialfreie und gegen elektromagnetische Störfel der vor allem des Generators 32 weitgehend unempfindliche Verbindung. Die Länge des Lichtwellenleiters beträgt typi scherweise 3 bis 10 m, damit der Lichtempfänger weit genug entfernt von der Störquelle Generator angeordnet werden kann.

In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform ist ein gesondertes Behältnis für das Mediums 3 vorgesehen. Das andere, vom Generator 32 abgewandte Ende des Aufsteil rohres 31 ist dann mit dem Inneren dieses Behältnisses verbunden, und das Aufsteilrohr 31 ist auch mit dem Medium 3 gefüllt.

Claims

1. Meßanordnung zum Kalibrieren von Ultraschallstoßwellen- Sensoren, insbesondere für die Lithotripsie, mit folgenden Merkmalen:

a) es ist ein schalltragendes Medium (3) vorgesehen zum Übertragen von Meßstoßwellen (SW), die von einer Gene ratoreinrichtung (30) erzeugt werden;
b) es ist ein Meßraum (4) vorgesehen, der mit einem gasförmigen Stoff mit einer niedrigeren Schallimpedanz als das Medium (3) gefüllt ist;
c) es ist eine Folie (2) vorgesehen mit einer ersten Ober fläche (20), die an das Medium (3) angrenzt, und einer zweiten Oberfläche (21), die an den Meßraum (4) an grenzt und wenigstens in einem Reflektorbereich (22) lichtreflektierend ausgebildet ist;
d) in dem Meßraum (4) sind von dem Reflektorbereich (22) beabstandete Mittel (5) zum Bestrahlen des Reflektor bereiches (22) mit Licht und zum Aufnehmen des reflek tierten und durch eine von einer Meßstoßwelle (SW) verursachten Auslenkung der Folie (2) intensitätsmodu lierten Lichtanteils angeordnet;
e) diesen Mitteln (5) ist eine Auswerteeinheit (10) zuge ordnet zum Auswerten der Intensitätsänderung des reflektierten Lichtanteils als Maß für den Schalldruck der Meßstoßwelle (SW).

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Positioniereinrich tung (6) zum Einstellen des Arbeitspunktes der Meßanord nung durch Verändern des Abstands (x0) der Mittel (5) von der Folie (2) vorgesehen ist.

3. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (5) mit einer Anschlagseinrichtung für die Folie (2) ausgebildet sind.

4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (2) zwischen 1 µm und 100 µm dick ist.

5. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Auswerteeinheit (10) eine Lichtquelle (7) und einen Lichtempfänger (8) enthält;
b) als Mittel (5) das Ende eines optischen Faserbündels (50) vorgesehen ist und
c) dieses Faserbündel (50) optisch mit der Lichtquelle (7) und dem Lichtempfänger (8) der Auswerteeinheit (10) verbunden ist.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittelachse des Faserbündels (50) im Bereich seines Endes wenigstens annähernd senkrecht zum Reflektorbereich (22) der Folie (2) gerichtet ist.

7. Meßanordnung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, da durch gekennzeichnet, daß das Faser bündel (50) in Sendefasern und Empfangsfasern unterteilt ist und durch eine räumliche Aufteilung dieser Sende- und Empfangsfasern im Faserbündel (50) die Empfindlichkeit der Meßanordnung einstellbar ist.

8. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sendefasern und die Empfangsfasern des Faserbündels (5) räumlich voneinander getrennt sind.

9. Meßanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Sendefasern und die Empfangsfasern des Faserbündels (5) gleichmäßig stati stisch verteilt sind.

10. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Behältnis für das Medium (3) vorgesehen ist und
b) die Generatoreinrichtung (30) mit einem Generator (32) zum Erzeugen wenigstens annähernd nichtfokussierter Ultraschallwellen und mit einem Aufsteilrohr (31) ausgebildet ist, wobei dieses Aufsteilrohr (31) mit einem Ende mit dem Inneren des Behältnisses verbunden ist und am anderen Ende des Aufsteilrohres (31) der Generator (32) angeordnet ist.

11. Meßanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß das Behältnis von dem Auf steilrohr (31) selbst gebildet ist.