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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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I. TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen akustischen
mikroskopischen Sensor, und genauer einen mehräugigen akustischen mikroskopischen
Sensor, der eine Mehrzahl von akustischen Messwandlern aufweist.
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II. BESPRECHUNG
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Schweißen ist
ein gebräuchlicher
Vorgang zum Anbringen eines Metallelements an einem anderen. Dieser
Vorgang umfasst im Allgemeinen das Erhitzen einer Grenzfläche zwischen
den Objekten, die geschweißt
werden sollen, wodurch die Grenzfläche zu einer Verbindung oder
einer Schweißlinse
geschmolzen wird. Da dieser Vorgang seine Anwendung in vielen unterschiedlichen
Herstellungsarten wie etwa der Automobilherstellung findet, ist
eine Untersuchung, die sicherstellt, dass die Schweißlinse bestimmte
Qualitätsanforderungen
erfüllt,
ein Muss. Im Besonderen ist es erwünscht, den Bereich, die Größe und die
Gestaltung der Schweißlinse
zu untersuchen und zu bestimmen, ob darin etwaige Mängel vorhanden
sind. Nicht untersuchte Schweißstellen können zu
Schweißstellenbrüchen führen, nachdem das
geschweißte
Objekt an einen Endnutzer verkauft oder vertrieben wurde.
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Idealerweise
wird eine Schweißstelle
entweder während
oder kurz nach dem Schweißvorgang untersucht,
damit die zusätzliche
Untersuchung die Schweißzeit
nicht erhöht,
und um zu gestatten, dass Schweißprobleme identifiziert werden,
wenn sie auftreten. Darüber
hinaus wird eine nicht zerstörende Prüfung bevorzugt,
so dass geschweißte
Teile, die die Untersuchung bestehen, immer noch an den Endnutzer
verkauft oder vertrieben werden können.
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Zu
diesem Zweck wurden in der Schweißumgebung visuelle Untersuchungssysteme
eingesetzt. Im Besonderen kann eine Person wie etwa ein Qualitätskontrolleur
die Größe der Schweißlinse messen oder
ein geschweißtes
Objekt zerstörend
prüfen,
um seine inneren Eigenschaften zu bestimmen. Doch diese Verfahren
weisen mehrere Nachteile auf. Erstens kann die visuelle Untersuchung
einer Schweißstelle
aufgrund des hellen Lichts und der strengen Bedingungen, die durch
das Schweißen
erzeugt werden, nicht während
des Schweißvorgangs
durchgeführt
werden. Statt dessen muss das geschweißte Objekt offline untersucht
werden, was die Zeit und die Kosten für die Herstellung vermehrt.
Zweitens muss der innere Aufbau der Schweißlinse betrachtet werden, um
die Schweißstelle
richtig hinsichtlich Mängeln
zu untersuchen. Dies erfordert in vielen Fällen, dass das geschweißte Objekt
zerstörend
geprüft wird,
was das geschweißte
Objekt nutzlos macht. Neben den vermehrten Kosten, die mit dem Aussondern eines
Objekts zum Zweck der Untersuchung verbunden sind, ist es praktisch
unmöglich,
alle Objekte zerstörend
zu prüfen.
Daher führt
das zerstörende
Prüfen
zu einer geringeren Anzahl von geprüften Proben und vermehrten
Kosten für
die Herstellung.
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Die
akustische Mikroskopie ist eine mögliche Lösung für dieses Untersuchungsproblem.
Typischerweise verwenden akustische Mikroskope einen einzelnen Messwandler,
um einen Prüfgegenstand oder
ein Ziel zu analysieren. Die Verwendung einer derartigen Vorrichtung
zum Untersuchen von Schweißstellen
weist mehrere Nachteile auf. Erstens kann ein akustisches Mikroskop,
das einen einzelnen Messwandler einsetzt, zu jeder beliebigen gegebenen
Zeit nur einen Bereich des Ziels untersuchen. Daher würde die
Untersuchung eines vollständigen Querschnitts
eines Ziels erfordern, dass der Messwandler ständig umpositioniert wird, um
sicherzustellen, dass alle Punkte am Ziel untersucht werden. Um einen
ausführlichen
Querschnitt zu erhalten, müssten
viele Ablesungen genommen werden, was zu einem großen Zeitaufwand
führt.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Nachteile entwickelt.
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US 5,533,401 A1 offenbart
einen akustischen Sensor, der eine Mehrzahl von akustischen Messwandlern
umfasst, von denen jeder selektiv einen Strahl von akustischer Energie
erzeugt, die ein Ziel an einem anderen Punkt schneidet als ein Rest dieser
Mehrzahl. Die Messwandler wirken auch als Empfänger, um von jedem Strahl von
akustischer Energie reflektierte akustische Energie zu empfangen, wodurch
alle akustischen Strahlen parallel sind. Das Dokument offenbart
auch die Verwendung von sphärischen
Linsen oder gekrümmten
Elementen mit den Messwandlern, um die ausgestrahlten Strahlen zu
fokussieren. Die Brennweiten der verschiedenen Messwandler sind
unterschiedlich. Zusätzlich
stellt die Vorrichtung eine Längsabtastung
bereit.
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US 3,895,685 A1 offenbart
eine Vorrichtung nach der Technik, wobei das Ziel eine Schweißlinse ist
und die Sender der Reihe nach gepulst werden.
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USA
3,575,044 A1 offenbart ein Verfahren zur Verwendung eines akustischen
Mikroskops, das die Schritte des Bereitstellens akustischer Sensoren, des
Bewegens der akustischen Sensoren in einer ersten Richtung über eine
Fläche
einer Schweißlinse,
um eine erste Längsabtastung
zu erhalten, des quergerichteten Verschiebens der akustischen Sensoren,
des Bewegens der akustischen Sensoren in einer zweiten Richtung über die
Fläche
der Schweißlinse,
um eine zweite Längsabtastung
zu erhalten, und des Kombinierens der ersten Längsabtastung und der zweiten
Längsabtastung,
um eine dritte Längsabtastung
zu erhalten, umfasst. Darüber
hinaus offenbart die Vorrichtung die Verwendung einer Mehrzahl von
akustischen Messwandlern.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Auflösung jedes beliebigen erzeugten
Bilds zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch Bereitstellen eines akustischen Mikroskops
nach Anspruch 1 und durch Bereitstellen eines Verfahrens zur Verwendung
eines akustischen Mikroskops nach Anspruch 4 erfüllt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen, die die beste Weise zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
veranschaulichen, die gegenwärtig
ins Auge gefasst ist,
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ist 1 eine
quergeschnittene Draufsicht auf einen akustischen Sensor nach der
vorliegenden Erfindung;
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ist 2 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines akustischen Mikroskops nach
der vorliegenden Erfindung;
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ist 3 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines akustischen Mikroskops nach
der vorliegenden Erfindung;
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ist 4 ein
erstes Längsabtastungsbild, das
durch ein akustisches Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung
erzeugt wird;
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ist 5 eine
quergeschnittene Draufsicht auf ein akustisches Mikroskop nach einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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ist 6 eine
quergeschnittene Seitenansicht eines akustischen Mikroskops nach
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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ist 7 ein
drittes Längsabtastungsbild, das
von einem akustischen Mikroskop nach der vorliegenden Erfindung
erzeugt wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf 1 und 2 wird nun
ein akustisches Mikroskop 20 beschrieben. In 1 beinhaltet
ein akustischer Sensor 10 eine Mehrzahl von akustischen
Messwandlern 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26, die an einem Ende durch eine Befestigungsvorrichtung 30 getragen
und in einer parallelen Beziehung gehalten werden. Jeder akustische Messwandler 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26 ist vorzugsweise entweder zylinderförmig fokussiert
oder kugelförmig
fokussiert und kann seine eigenen unabhängigen akustischen Parameter
aufweisen, was ihm gestattet, unabhängig vom Rest tätig zu sein. Diese
Parameter beinhalten den Brennradius, die Öffnung und andere akustische
Eigenschaften. Die Unabhängigkeit
dieser Eigenschaften gestattet jeder Linse, ein Bild mit hoher Auflösung bereitzustellen.
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In 2 ist
der akustische Sensor 10 zur Bildung des akustischen Mikroskops 20 durch
Anschlüsse 50 mit
einem Computer 38 kombiniert gezeigt. Wie hinsichtlich
der akustischen Messwandler 12 und 14 in 2 veranschaulicht,
sind an den Anschlüssen 50 elektrische
Kontakte 34 angebracht, zwischen denen sich flache Platten
eines piezoelektrischen Kristalls 32 befinden. Jeder akustische
Messwandler fokussiert Strahlen von akustischer Energie 42,
die durch jeden piezoelektrischen Kristall 32 erzeugt werden
(wie besprochen werden wird), durch die Verwendung einer Fokussierlinse 27.
Die Fokussierlinse 27 konvergiert den Strahl von akustischer Energie 42 zu
einem Brennpunkt. Durch das Fokussieren der Strahlen von akustischer
Energie kann eine größere Auflösung eines
Ziels erhalten werden. Die Brennweite der Fokussierlinse 27 beträgt vorzugsweise
das Zehnfache ihres Durchmessers.
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Es
wird bemerkt, dass die verbleibenden akustischen Messwandler 16, 18, 22, 24,
und 26 in der gleichen Weise wie die akustischen Messwandler 12 und 14 tätig sind.
Man sollte jedoch verstehen, dass die Grundsätze der vorliegenden Erfindung nicht
auf irgendeinen besonderen akustischen Messwandler beschränkt sind,
und dass die vorliegende Erfindung auf eine breite Vielfalt von
anderen ähnlichen
akustischen Messwandlern anwendbar sein kann.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird nun der allgemeine Betrieb
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In 3 ist eine
Schweißlinse 46 gezeigt, die
Metallplatten 45 und 47 verbindet. Wo die Schweißlinse 46 die
Metallplatten 45 und 47 nicht verbindet, trennen
Zwischenräume 48 die
Metallplatten 45 und 47. Beim Betrieb wird der
akustische Sensor 10 auf die Schweißlinse 46 gerichtet.
Der Computer 38 erzeugt zuerst einen kurzen Impuls eines Stromflusses
durch die Anschlüsse 50, über die
elektrischen Kontakte 34 und über die piezoelektrischen Kristalle 32 der
akustischen Messwandler 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26. Der Stromfluss über
die piezoelektrischen Kristalle 32 verursacht, dass jeder
Kristall schwingt, was wiederum Strahlen von akustischer Energie 42 erzeugt,
die an jedem jeweiligen akustischen Messwandler entstehen. Der kurze
Impuls des Stroms, der durch den Computer 38 erzeugt wird, stellt
sicher, dass jeder Strahl von akustischer Energie 42 ebenfalls
ein kurzer Impuls ist. Die kombinierten Strahlen von akustischer
Energie 42 von allen Messwandlern 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26 werden nachstehend als eine Front von akustischer
Energie bezeichnet. Es wird jedoch bemerkt, dass die kombinierten
Strahlen von akustischer Energie 42 nicht den gleichen
zeitlichen Raum einnehmen müssen,
um eine Front von akustischer Energie zu bil den. Daher können die
Strahlen von akustischer Energie 42 zu unterschiedlichen
Zeiten abgeschossen werden.
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Jeder
Strahl von akustischer Energie 42 bewegt sich in einer
Richtung vom akustischen Sensor 10 weg und zu den Metallplatten 45 und 47 und
zur Schweißlinse 46 hin.
Strahlen von akustischer Energie 42, die den Zwischenraum 48 schneiden,
werden dadurch reflektiert, während
Strahlen von akustischer Energie 42, die die Schweißlinse 46 schneiden, entweder
durch die Schweißlinse
verlaufen und durch einen Übergangsbereich 7 reflektiert
werden, oder irgendeinen Mangel wie etwa einen Lufteinschluss 57 schneiden
und dadurch reflektiert werden. Zum Beispiel schießen die
akustischen Messwandler 12, 14, 16, 24,
und 26 wie in 3 gezeigt Strahlen von akustischer
Energie 42 auf Bereiche außerhalb der Schweißlinse 46,
während
die akustischen Messwandler 18 und 22 Strahlen
von akustischer Energie zur Schweißlinse 46 schießen. Die
Strahlen von akustischer Energie von den akustischen Messwandlern 12, 14, 16, 24,
und 26 werden durch einen Übergangsbereich 5 reflektiert,
wo die Metallplatte 45 zum Zwischenraum 48 übergeht,
wodurch reflektierte akustische Energie 49 erzeugt wird.
Alternativ bewegt sich der Strahl von akustischer Energie 42 vom akustischen
Messwandler 18 durch die Schweißlinse 46 und prallt
er vom Übergangsbereich 7 ab,
wodurch erneut reflektierte akustische Energie 49 gebildet
wird. In der gleichen Weise schneidet der Strahl von akustischer
Energie 42 vom akustischen Messwandler 22 den
Lufteinschluss 57 und wird er dadurch reflektiert.
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Die
reflektierte akustische Energie 49 bewegt sich vom Übergangsbereich 5,
vom Übergangsbereich 7,
und vom Lufteinschluss 57 zurück, wodurch jeder verursachende
piezoelektrische Kristall 32 (siehe 2) zum Schwingen
gebracht wird und in den Anschlüssen 50 ein
induzierter Strom erzeugt wird. Die kurzen Impulse der Strahlen
von akustischer Energie 42 stellen sicher, dass jeder akustische
Messwandler 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26 das Erzeugen von akustischer Energie eingestellt
hat, wenn sich die reflektierte akustische Energie 49 zu jedem
akustischen Messwandler 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26 bewegt. Daher sind die akustischen Messwandler 12, 14, 16, 18, 22, 24,
und 26 im Sendemodus tätig,
wenn sie Strahlen von akustischer Energie 42 erzeugen,
und sind sie im Empfangsmodus tätig, wenn
sie die reflektierte akustische Energie 49 empfangen. Der
Computer 38 bestimmt durch Vergleichen der Rückkehrzeit
der reflektierten akustischen Energie 49 die Grenzen der
Schweißlinse 46 und
das Vorhandensein von Mängeln
wie etwa eines Lufteinschlusses 57.
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Anstelle
einer gleichzeitigen Erzeugung von Strahlen von akustischer Energie 42 können die akustischen
Messwandler 14, 16, 18, 22, 24,
und 26 der Reihe nach Strahlen von akustischer Energie 42 erzeugen.
Dies gestattet, dass zu jeder gegebenen Zeit nur ein Strahl von
akustischer Energie 42 abgeschossen und empfangen wird.
Wenn dieses Verfahren verwendet wird, erzeugt zuerst der akustische Messwandler 12 einen
Strahl von akustischer Energie 42 und empfängt er die
reflektierte akustische Energie 49. Nachdem diese reflektierte
akustische Energie empfangen wurde, erzeugt der akustische Messwandler 14 einen
Strahl von akustischer Energie 42 und empfängt er die
sich ergebende reflektierte akustische Energie 49. Diesem
Verfahren folgend erzeugt der Rest der akustischen Messwandler 16, 18, 22, 24,
und 26 durch den gleichen Vorgang der Reihe nach Strahlen
von akustischer Energie 42 und empfängt er die reflektierte akustische
Energie 49. Da zu jeder gegebenen Zeit nur ein akustischer Messwandler
akustische Energie sendet und empfängt, wird das Rauschen, das
durch die Interferenz gesonderter Strahlen von akustischer Energie 42 und reflektierter
akustischer Energie 49 erzeugt wird, stark verringert.
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Unter
Bezugnahme auf 5 und 6 ist eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. In 5 steht
der akustische Sensor 10 in einem gleitenden Eingriff mit
Schienen 70, die wiederum an einer Halterung 74 an
einem Träger 72 angebracht
sind. Eine Magnetspule 76 ist an Punkten 78 am
Träger 72 angebracht
und durch eine Welle 80 am akustischen Sensor 10 angebracht.
Um die Schienen 70 unterzubringen, weist eine Befestigungsvorrichtung 130 wie
in 6 gezeigt Rillen 84 auf.
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Der
Träger 72 steht
in einem gleitenden Eingriff mit Schienen 86, um dem Träger 72 zu
gestatten, sich über
die Metallplatten 45 und 47 und die Schweißlinse 46 hin
und her zu bewegen. Ein Riemen 88 ist am Träger 72 angebracht
und steht mit einem Motorkettenrad 90, das an einem Motor 92 angebracht
ist, in Eingriff, um den Träger 72 entlang
der Schienen 86 zu bewegen. Der Motor 92 steht
in einer elektrischen Verbindung mit dem Computer 38, wodurch
der Computer 38 mit Informationen hinsichtlich der Position
des Trägers 72 entlang
der Schienen 86 versorgt wird.
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Beim
Betrieb befiehlt der Computer 38 dem Motor 92,
den Träger 72 entlang
der Schienen 86 in die Richtung 94 zu bewegen.
Während
sich der Träger 72 bewegt,
befiehlt der Computer 38 dem akustischen Sensor 10,
durch ein beliebiges der oben besprochenen Verfahren eine Folge
von Fronten von akustischer Energie abzuschießen. Da sich jede Front von
akustischer Energie verglichen mit der Geschwindigkeit des Trägers 72 entlang
der Schiene 86 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit fortbewegt,
bewegt sich jeder akustische Messwandler von der Zeit, zu der jeder
Strahl von akustischer Energie 42 erzeugt wird, bis zum
Empfang jeder reflektierten akustischen Energie 49 eine
sehr kurze Strecke. Daher empfängt
jeder akustische Messwandler reflektierte akustische Energie 49 von
jedem Strahl von akustischer Energie 42, der erzeugt wird.
Nachdem der Träger 72 einen
vollständigen
Durchlauf in der Richtung 94 ausgeführt hat, erzeugt der Computer 38 durch
Kenntnis der Entfernung entlang der Schienen 86, bei der
jeder Impuls von akustischer Energie erzeugt wurde, und durch Verwenden
der vorher besprochenen Verfahren die wie in 4 gezeigte Längsabtastung.
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Dann
befiehlt der Computer 38 der Magnetspule 76, den
akustischen Sensor 10 wie gezeigt entlang der Schienen 70 geringfügig abwärts zu einer neuen
Position zu bewegen. Dann wird der wie im vorhergehenden Absatz
dargestellte Vorgang in der Richtung 96 wiederholt, wodurch
erneut eine Längsabtastung
der Schweißlinse 46 erhalten
wird.
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Der
Computer 38 kombiniert dann die erste und die zweite Längsabtastung,
um die wie in 7 gezeigte Längsabtastung zu bilden. Da
der akustische Sensor 10 geringfügig abwärts bewegt wird, weist die
wie in 7 dargestellte Längsabtastung die doppelte Auflösung der
in 4 dargestellten auf. Daher wird bemerkt, dass
der akustische Sensor 10 zu jeder beliebigen Anzahl von
unterschiedlichen Zeiten viele unterschiedliche Schritte bewegt
werden kann, um eine gewünschte
Auflösung
zu erzielen.