TECHNISCHES GEBIET
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Diese Erfindung betrifft ein
Ultraschall-Untersuchungssystem, das mit einer Feldsonde, die aus einer Anzahl von
Feld-Element-Oszillatoren besteht, die in wenigstens einer
Reihe angeordnet sind, einer Speichereinheit zum Speichern
von Ultraschalldaten, die durch Ultraschallabtastung einer
Oberfläche eines Gegenstandes durch die Feldsonde erhalten
wurden, einer Berechnungseinrichtung zur Korrektur der
Ultraschalldaten, um Variationen in den Element-Oszillatoren
auszugleichen, und einer Anzeigeeinheit, um ein
Ultraschallbild zu zeigen, das auf den Daten basiert, die in der
Speichereinheit gespeichert sind, ausgestattet ist. Ein
derartiges System ist aus EP-A-0 228 720 bekannt.
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Derartige Typen von Ultraschall-Untersuchungssystemen
haben eine weit verbreitete Anwendung bzw. Nutzen in einer
Vielzahl von Gebieten gefunden, da sie im Inneren liegende
Defekte bzw. Fehler eines Gegenstandes ohne zerstörung des
Gegenstandes feststellen können. Die Anwesenheit oder
Abwesenheit innerer Fehler in einem Gegenstand wird häufig
über einen vorbestimmten Bereich oder ein vorbestimmtes
Gebiet des Gegenstandes überprüft. In diesem Fall wird der
vorbestimmte Bereich oder das vorbestimmte Gebiet des
Gegenstandes durch eine Ultraschallwelle abgetastet, die von
einer Sonde eines Ultraschall-Untersuchungssystems
ausgesendet wird, um die Untersuchung des Gegenstandes
durchzuführen. Als derartige Proben werden Feldsonden verwendet, die
individuell aus einer Anzahl von piezoelektrischen Elementen
bestehen, die in einer Reihe angeordnet sind.
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Ein Ultraschall-Untersuchungssystem, das eine derartige
Feldsonde verwendet, wird im folgenden beschrieben.
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Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer
Abtasteinheit eines herkömmlichen
Ultraschall-Untersuchungssystems, während Fig. 2 bzw. Fig. 3 eine Draufsicht bzw.
Seitenansicht der Feldsonde darstellt. Bei jeder Figur der
Zeichnungen ist ein Wassertank 1, um eine Untersuchung darin
durchzuführen, Wasser 2, das in dem Wassertank 1 beinhaltet
ist, und ein Gegenstand 3, der auf einer Bodenwand des
Wassertanks 1 plaziert ist, gezeigt. Mit der Ziffer 4 ist eine
Abtasteinrichtung bezeichnet, die aus den folgenden
Elementen aufgebaut ist: einem Abtastgrundteil 5, auf dem der
Wassertank 1 angebracht ist, Rahmen 6, die auf dem
Abtastgrundteil 5 befestigt sind, einem Arm 7, der auf den Rahmen
6 angebracht ist, einer Halteeinrichtung 8, die auf dem Arm
7 plaziert ist, einer Stange 9, die an der Halteeinrichtung
8 angebracht ist, und der Feldsonde, die mit der
Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Der Rahmen 6 kann den Arm 7 entlang
einer Y-Achse durch einen nicht gezeigten Mechanismus
antreiben, während der Arm 7 die Halteeinrichtung 8 entlang
einer X-Achse durch einen Mechanismus antreiben kann, der
ebenso nicht gezeigt ist. Weiter kann die Halteeinrichtung 8
die Feldsonde 10 entlang der Z-Achse treiben (in einer
Richtung, die senkrecht zu der X-Achse und Y-Achse ist), und
zwar durch einen Mechanismus (nicht gezeigt), der mit der
Stange 9 zusammenwirkt.
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Die Feldsonde 10 ist aus einer Anzahl von winzigen
piezoelektrischen Elementen gebildet bzw. aufgebaut, die im
folgenden "Feld-Element-Oszillatoren" genannt werden, die in
einer Reihe angeordnet sind. Die Richtung ihrer Anordnung
stimmt mit der X-Achse überein. Nachdem ein Puls angelegt
wurde, strahlt jeder Feld-Element-Oszillator eine
Ultraschallwelle ab und wandelt ihre Reflexionswelle von dem
Gegenstand 3 in ein entsprechendes elektrisches Signal um.
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Die einzelnen bzw. individuellen Feld-Element-Oszillatoren
werden mit den Nummern 10&sub1;-10n in Fig. 2 und Fig. 3
bezeichnet. Übrigens zeigen Punkte Abtastpunkte an, YP einen
Abtastabstand entlang der Y-Achse und XP einen Abtastabstand
entlang der X-Achse. Weiter bezeichnet AP den Abstand
zwischen den einzelnen Feld-Oszillatoren 10&sub1;-10n. Bei der Ziffer
11 ist ein Gehäuse gezeigt, das die Feldsonde 10 und
dergleichen unterbringt.
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Die Funktion der Feldsonde 10, die in jeder der oben
beschriebenen Figuren gezeigt ist, wird nun unter Bezugnahme
auf die Fig. 4 und die Fig. 5 umrissen. In Fig. 4 werden
Feld-Element-Oszillatoren T&sub1;-T&sub9;, die in einer Reihe
angeordnet sind, Verzögerungselemente D&sub1;-D&sub9;, die mit den
Feld-Element-Oszillatoren T&sub1;-T&sub9; jeweilig verbunden sind, und ein Puls
p, der in die einzelnen Feld-Element-Oszillatoren T&sub1;-T&sub9;
eingegeben werden soll, gezeigt. Die Verzögerungselemente D&sub1;,
D&sub9; werden so eingestellt, daß sie dieselbe Verzögerungszeit
(t&sub1;&sub9;) aufweisen. In ähnlicher Weise werden die
Verzögerungselemente D&sub2;, D&sub8; auf dieselbe Verzögerungszeit (t&sub2;&sub8;), die
Verzögerungselemente D&sub3;, D&sub7; auf dieselbe Verzögerungszeit
(t&sub3;&sub7;) und die Verzögerungselemente D&sub4;, D&sub6; auf dieselbe
Verzögerungszeit (t&sub4;&sub6;) eingestellt. Die so eingestellten
einzelnen Verzögerungszeiten erfüllen die Beziehung der folgenden
Ungleichung:
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t&sub1;&sub9; < t&sub2;&sub8; < t&sub3;&sub7; < t&sub4;&sub6; < t&sub5; ... (1),
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wobei t&sub5; die Verzögerungszeit des Verzögerungselements D&sub5;
ist.
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Nun wird angenommen, daß der Puls p eingegeben wird,
nachdem die Verzögerungszeit der einzelnen
Verzögerungselemente D&sub1;-D&sub9; auf vorbestimmte Werte eingestellt wurde, während
die Beziehung der Ungleichung (1) aufrechterhalten wird.
Ultraschallwellen werden dann von den jeweiligen
Feld-Element-Oszillatoren
T&sub1;-T&sub9; in Übereinstimmung mit den oben
eingestellten Verzögerungszeiten abgestrahlt, so daß die
Ultraschallwellen von den Feld-Element-Oszillatoren T&sub1;-T&sub9;
zuerst abgestrahlt werden und die Ultraschallwellen von den
Feld-Element-Oszillatoren T&sub5; zuletzt abgestrahlt werden. Die
Ultraschallwellen, die, wie oben beschrieben, abgestrahlt
werden, bewegen sich vorwärts, während sie sich radial
ausbreiten. Es gibt einen Punkt, bei welchem die maximale
Amplitude von Schwingungen der Ultraschallwelle von jedem
Feld-Element-Oszillator übereinstimmt. Dieser Punkt ist
durch den Buchstaben F in Fig. 4 angezeigt. Da die Stärke
der Ultraschallwelle bei diesem Punkt F weit größer ist im
Vergleich zu der Stärke der Ultraschallwelle bei anderen
Punkten, wird ein Zustand entwickelt, als ob die
Ultraschallwelle von den einzelnen Feld-Element-Oszillatoren
T&sub1;-T&sub9; bei dem Punkt F zusammengelaufen wären, wie durch
gestrichelte Linien gezeigt. Mit anderen Worten, falls
geeignete Verzögerungen auf die Abstrahlung der
Ultraschallwellen von den Feld-Element-Oszillatoren, die in einer Reihe
angeordnet sind, angewendet werden, können die
Ultraschallwellen, die von den einzelnen Feld-Element-Oszillatoren
abgestrahlt werden, in einen Zustand verbracht werden, der
dem Zustand ähnelt, daß diese Ultraschallwellen bei dem
Punkt F zusammengelaufen sind bzw. konvergiert sind. Dieser
Punkt F wird der "Brennpunkt" genannt. Dies wird nun näher
beschrieben. Die Ultraschallwellen B, die bei dem Brennpunkt
F zusammenlaufen, wie durch die gestrichelten Linien
angedeutet ist, werden durch die Feld-Element-Oszillatoren T&sub1;-T&sub9;
ausgegeben. Falls die einzelnen Verzögerungszeiten kleiner
eingestellt werden als ihre entsprechenden Verzögerungs
zeiten, die oben beschrieben wurden, während die Beziehung
der Formel (1) aufrechterhalten wird, wird bewirkt, daß der
Brennpunkt F auf einen weiter entfernten bzw. längeren
Brennpunkt F' bewegt wird, wie durch alternierende lange und
kurze gestrichelte Linien (Strahlen B') angezeigt ist. Es
ist deshalb möglich, daß die Position des Brennpunktes
gewählt wird, indem die Verzögerungszeiten der
Verzögerungselemente D&sub1;-D&sub9; eingestellt werden. Wendet man dies auf
die Untersuchung des Gegenstandes 3 an, so wird ermöglicht,
die Tiefe der zu untersuchenden Stelle zu wählen.
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Fig. 5 zeigt schematisch die Funktion der Feldsonde 10,
die in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Figur zeigen
die Nummern 10&sub1;-10n dieselben Feld-Element-Oszillatoren, wie
jene, die in Fig. 2 gezeigt sind, und nicht gezeigte
Feldelemente werden mit den entsprechenden
Feld-Element-Oszillatoren 10&sub1;-10n verbunden. Bei der gezeigten Ausführungsform
werden m Stücke der Feld-Element-Oszillatoren 10&sub1;-10m zuerst
gewählt und die Verzögerungszeiten für Ultraschallwellen,
die von diesen Oszillatoren abgestrahlt werden sollen,
werden passend eingestellt, wodurch die Ultraschallwellen
offensichtlich bei einem einzigen Brennpunkt zusammenlaufen
bzw. konvergieren, wie oben beschrieben wurde. Dieser
Brennpunkt bzw. diese offensichtlichen Ultraschallstrahlen werden
durch Symbole F&sub1; bzw. B&sub1; in Fig. 5 bezeichnet. Die Feld-
Element-Oszillatoren werden als nächstes gewählt, deren
Nummer um eins erhöht ist, und zu der gleichen Anzahl, d.h.
m Stücke der Feld-Element-Oszillatoren 10&sub2;-10m+1 werden
Verzögerungszeiten desselben Musters, wie jene, die an die
Feld-Element-Oszillatoren 10&sub1;-10m bei der vorhergehenden
Verzögerungsoperation angelegt wurden, angelegt. Der sich
ergebende Brennpunkt wird durch ein Symbol F&sub2; angezeigt,
wohingegen die Ultraschallstrahlen, die so abgestrahlt
werden, durch ein Symbol B&sub2; angezeigt werden. Die Feld-
Element-Oszillatoren, deren Nummer aufeinanderfolgend eine
nach der anderen zunimmt, werden dann ausgewählt und am Ende
werden die Feld-Element-Oszillatoren 10n-m+1-10n gewählt und
die Verzögerungszeiten desselben Musters werden dann an die
Feld-Element-Oszillatoren 10n-m+1-10n angelegt, um einen
Brennpunkt Fn-m+1 und Ultraschallstrahlen Bn-m+1 zu erhalten.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren hat folglich die
Feldsonde 10 eine Ultraschallabtastung von dem Brennpunkt F&sub1;
bis zu dem Brennpunkt Fn-m+1 durchgeführt. Da dieses Abtasten
elektronisch bei einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt
wird, wird es im folgenden "elektronisches Abtasten"
genannt. Übrigens zeigt in Fig. 5 "AP" den Abstand zwischen
Feld-Element-Oszillatoren an, während "SP" einen
Abtastabstand bezeichnet. Bei der gezeigten Ausführungsform
gleichen sie sich.
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Nachfolgend wird eine Beschreibung einer Steuereinheit
des Ultraschall-Untersuchungssystems gegeben, das die
Feldsonde verwendet.
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Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Steuereinheit, in
der die oben beschriebene Feldsonde 10, Motoren 7M, 8M zum
jeweiligen Antrieb des Armes 7 entlang der Y-Achse und der
Halteeinrichtung 8 entlang der X-Achse und
Kodiereinrichtungen bzw. Encoder 7E, 8E zur Ausgabe von Antriebssignalen zu
den entsprechenden Motoren 7M, 8M und zur Detektion und
Ausgabe der Abstände bzw. Entfernungen, in die sie getrieben
wurden, gezeigt. Übrigens werden der Motor 8M und die
Kodiereinrichtung bzw. der Encoder 8E verwendet, um die
Feldsonde 10 bei einem geeigneten Ort innerhalb des Wassertanks
1 zu positionieren, und sie nehmen nicht an der
Ultraschallabtastung entlang der X-Achse teil, wobei das Abtasten
später beschrieben wird. Mit der Nummer 20 ist ein
Signalprozessor bezeichnet, der aus einer CPU (zentrale
Verarbeitungseinheit) 20a, einem Bildspeicher 20b zur
Bildverarbeitung, einem Interface bzw. einer Schnittstelle 20c, um
Eingabe-/Ausgabe-Operationen zwischen dem Signalprozessor 20
und externen Schaltungsanordnungen durchzuführen, einer
Tastatur 20d usw. besteht. Obwohl der Signalprozessor 20
zusätzlich mit Speicherbauelementen, wie z.B. einem RAM oder
ROM, ausgestattet ist, wurde davon abgesehen, sie zu zeigen.
Die Nummer 21 bezeichnet eine Anzeige.
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Mit der Nummer 22 ist eine Sende-Steuereinheit
bezeichnet, die in Übereinstimmung mit Befehlen von der CPU 20a die
Verzögerungszeiten und die Auswahl und das Umschalten bzw.
Wechseln von Feld-Element-Oszillatoren steuert, wobei die
Verzögerungszeiten, die Auswahl und das Umschalten bzw.
Wechseln, oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und Fig. 5
beschrieben worden ist. Es sind ebenso Pulseinrichtungen
bzw. Pulser 23 gezeigt, um einen Puls p auszugeben. Diese
Pulseinrichtungen bzw. Pulser 23 sind für jeweilige Feld-
Element-Oszillatoren vorgesehen. Die Nummer 24 bezeichnet
Empfänger, um reflektierte Ultraschallsignale von den
entsprechenden Feld-Element-Oszillatoren zu empfangen und
diese dann zu verstärken. Diese Empfänger 24 werden ebenso
entsprechend den jeweiligen Feld-Element-Oszillatoren
bereitgestellt. Mit der Nummer 25 ist eine
Empfangssteuereinrichtung bezeichnet, die eine Steuerung der zuvor
erwähnten Verzögerung, eine Auswahl und ein Umschalten bzw. ein
Wechseln bezüglich der Signale von den jeweiligen Feld-
Element-Oszillatoren durchführt. Es ist ebenso ein
Wellenformaddierer 26 gezeigt, um alle Empfangssignale zu
addieren, die zur selben Zeit infolge der Verzögerungen bei der
Empfangssteuereinrichtung 25 ausgegeben werden. Die Nummer
27 stellt einen Hauptverstärker dar, um jedes Ausgangssignal
von der Wellenformaddiereinrichtung 26 zu verstärken. Der
Grad der Verstärkung durch den Hauptverstärker 27 wird durch
einen Befehl von der CPU 20a bestimmt, deren Befehl wiederum
basierend auf einem Eingangssignal von einer externen Anlage
bzw. Einrichtung, wie z.B. dem Keyboard 20d, bestimmt wird.
Das Bezugszeichen 28 bezeichnet eine
Spitzenwertfeststelleinrichtung bzw. einen Spitzenwertdetektor, die bzw. der mit
der Funktion ausgestattet ist, daß nur Signale innerhalb
eines vorbestimmten Tiefenbereichs gesammelt werden und nur
der Spitzenwert unter den Signalen innerhalb des Bereichs
gehalten und ausgegeben wird. Mit dem Bezugszeichen 28 ist
ein A/D-Konverter bezeichnet, um den Spitzenwert zu
konvertieren, der in der Spitzenwertfeststelleinrichtung 28
gehalten worden ist, und zwar in den ihm entsprechenden
digitalen Wert. Der Betrieb der Steuereinheit wird unter
Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
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Fig. 7 ist ein detaillierteres Blockschaltbild der
Steuereinheit, so daß die Beschreibung des Betriebs der
Steuereinheit, die in Fig. 6 gezeigt ist, erleichtert werden
kann. In Fig. 7 sind Elemente, die entweder identisch sind
oder äquivalent sind, zu jenen, die in Fig. 6 gezeigt sind,
durch gleiche Bezugsnummern oder Symbole gekennzeichnet.
Weiterhin wurde darauf verzichtet, die Motoren 7M, 8M, die
Kodiereinrichtungen 7E, 8E und die Tastatur 20d zu zeigen.
Zusätzlich sind zwei Feldsonden gezeigt. Dies bedeutet, daß
die Feldsonde eine aufgeteilte Sende-Empfangs-Feldsonde
darstellt, dessen eine Feldsonde 10 dem Senden dient und die
andere dem Empfang. Eine derartige Feldsonde wird im
Hinblick auf eine Verbesserung der Auflösung in der in die
Tiefe gerichteten Richtung verwendet. Übrigens sind in dem
Fall einer kombinierten Sende-Empfangs-Feldsonde des Typs,
bei dem dieselben Feld-Element-Oszillatoren sowohl zum
Senden als auch Empfangen verwendet werden, der Aufbau und
der Betrieb der Steuereinheit ebenso derselbe, wie in dem
Fall der getrennten Sende-Empfangs-Feldsonde.
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Fig. 7 zeigt ebenso eine Taktpuls-Erzeugungseinrichtung
22a, eine Sendestrahl-Zusammenlaufschaltung 22b und ein
sendeseitiges Matrixumschalt-Schaltungsnetzwerk 22c. Sie
bilden die Sende-Steuereinrichtung bzw.
Übertragungs-Steuereinrichtung 22, die in Fig. 6 gezeigt ist. Weiter bildet
eine Empfangsstrahl-Zusammenlaufschaltung bzw.
Empfangsstrahl-Konvergenzschaltung 25, 26 einen Teil der Empfangs-
Steuereinrichtung 25 und des Wellenformaddierers 26, die
beide in der Fig. 6 gezeigt sind.
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Es wird nun angenommen, daß das Senden und der Empfang
von einzelnen Ultraschallstrahlen durch acht Feld-Element-
Oszillatoren durchgeführt wird. Die
Sendestrahl-Zusammenlaufschaltung bzw. Sendestrahl-Konvergenzschaltung 22b gibt
nach einem vorbestimmten Verzögerungsmuster Signale aus, die
an acht Pulsgeneratoren der Pulsgeneratoren 23 angelegt
werden sollen, und zwar basierend auf einem Taktpuls von der
Taktpuls-Erzeugungseinrichtung bzw. dem Taktpulsgenerator
22a. Nachfolgend zu einem Befehl aus der CPU 20a bestimmt
das sendeseitige Matrixumschalt-Schaltungsnetzwerk 22c zu
welchen Feld-Element-Oszillatoren, in anderen Worten zu
welchen Pulserzeugungseinrichtungen, die acht Signale, die
in dem vorbestimmten Verzögerungsmuster von der Sendestrahl-
Zusammenlaufschaltung 22b ausgegeben werden, angelegt werden
sollen, und führt eine Umschaltung in übereinstimmung mit
der Auswahl durch. Bei den Pulserzeugungseinrichtungen 23
werden Signale in dem oben beschriebenen vorbestimmten
Verzögerungsmuster von den oben ausgewählten acht
aufeinanderfolgenden Pulserzeugungseinrichtungen ausgegeben, wodurch
die Feld-Element-Oszillatoren, die jeweilig an diese
Pulserzeugungseinrichtungen angeschlossen sind, angeregt werden,
um den gewünschten Ultraschallstrahl auszugeben.
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Auf der anderen Seite empfangen die
Feld-Element-Oszillatoren auf der Empfangsseite die Ultraschallwelle, so daß
Signale, die der Ultraschallwelle entsprechen, zu den
entsprechenden Vorverstärkern der Vorverstärker 24 ausgegeben
werden, wobei die entsprechenden Vorverstärker mit den acht
Feld-Element-Oszillatoren verbunden sind. Diese Signale
werden deshalb verstärkt. In Übereinstimmung mit einem
Befehl von der CPU 20a, führt das empfangsseitige
Matrixumschalt-Schaltungsnetzwerk 25 die Signale, die durch die
entsprechenden Vorverstärker verstärkt worden sind, eines
nach dem anderen zu den entsprechenden der
Verzögerungselemente, die in der Empfangsstrahl-Zusammenlaufschaltung 25,
26 enthalten sind, und erzeugt Verzögerungsmuster.
Infolgedessen werden die so empfangenen acht Signale mit demselben
Zeitablauf in den Ausgangsstufen von den entsprechenden
Verzögerungselementen der
Empfangsstrahl-Zusammenlaufschaltung 25, 26 ausgegeben und dann aufaddiert.
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Bei dem Hauptverstärker 27 wird das so addierte Signal
in übereinstimmung mit einem Verstärkungsgrad, der durch
einen Befehl von der CPU 20a eingestellt ist, verstärkt. Das
so verstärkte Signal wird durch die
Spitzenwertfeststelleinrichtung 28 einem A/D-Umwandler bzw. A/D-Konverter 29
zugeführt, so daß es in einen digitalen Wert umgewandelt
wird. Der so umgewandelte Wert wird dann bei einer Adresse
des Bildspeichers 2db gespeichert, wobei die Adresse als
Ergebnis einer Adressen-Arithmetikoperation bei der CPU 20a
bestimmt worden ist.
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Die Betriebsweise des Sendens und des Empfangs eines
einzigen Ultraschallstrahls durch acht
Feld-Element-Oszillatoren wurde oben beschrieben. Durch geeignetes Umschalten
und Steuern des sendeseitigen
Matrixumschalt-Schaltungsnetzwerks 22c und des empfangsseitigen
Matrixumschalt-Schaltungsnetzwerkes 25 können die einzelnen
Feld-Element-Oszillatoren 10&sub1;-10n der Feldsonde 10 in Gruppen ausgewählt
werden, wobei jede aus acht Feld-Element-Oszillatoren besteht,
während aufeinanderfolgend bzw. nach und nach die Nummern
der acht Feld-Element-Oszillatoren einzeln erhöht wird.
Infolgedessen kann ein elektronisches Abtasten entlang der
X-Achse durchgeführt werden. Nachdem die elektronische
Abtastung abgeschlossen ist, wird der Motor 7M in
Ubereinstimmung mit einem Befehl von der CPU 20a angetrieben, so daß
der Arm 7, nämlich die Feldsonde 10, um den vorbestimmten
Abtastabstand YP entlang der Y-Achse verschoben wird
(mechanisches Abtasten). In diesem Zustand wird eine elektronische
Abtastung einer zweiten Reihe, entlang der X-Achse gesehen,
mittels Ultraschallwellen durchgeführt, und zwar in einer
Art und Weise, die der oben beschriebenen elektronischen
Abtastung ähnelt. Indem ein derartiger Betrieb wiederholt
wird, kann eine Ultraschallabtastung der X-Y-Ebene des
Gegenstandes 3 durchgeführt werden. Während der
Ultraschallabtastung werden Signale der reflektierten Wellen, die bei
den einzelnen Empfängern 24 empfangen werden, jeweilig
nacheinanderfolgend bei vorgeschriebenen Adressen in dem
Bildspeicher 20b gespeichert. Basierend auf den in dem
Bildspeicher 20b gespeicherten Daten wird ein Ultraschallbild des
Gegenstandes 3 durch das obige Ultraschallabtasten auf der
Anzeige 21 gezeigt. Eine Überprüfung auf irgendwelche
Defekte bzw. Fehler in dem Gegenstand 3 kann durchgeführt werden,
indem das so gezeigte Ultraschallbild beobachtet wird.
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Die Abtastzeit in jeder einzelnen Zeile entlang der X-
Achse ist extrem kurz, so daß mechanische Abtasten entlang
der Y-Achse ohne Unterbrechung in dem Verlauf der
Untersuchung durchgeführt werden kann. Weiter kann die Anzahl der
Feld-Element-Oszillatoren in jeder Gruppe, die ausgewählt
werden soll, wie gewünscht, eingestellt werden.
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Ein detaillierterer Aufbau der den Sendestrahl
konvergierenden Schaltung 22b, des sendeseitigen Matrixumschalt-
Schaltungsnetzwerkes 22c, der Pulserzeugungseinrichtung 23,
der Vorverstärker 24, des
Empfangs-Matrixumschalt-Schaltungsnetzwerkes 25 und der den Empfangsstrahl
konvergierenden Schaltung 25, 26, alles ist in der Fig. 7 gezeigt, ist
in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift
(Kokai) Nr. HEI 2-69654 offenbart.
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Das herkömmliche Ultraschall -Untersuchungs system, das
oben beschrieben ist, kann prompt und genau die Gegenwart
oder Abwesenheit von Fehlern bzw. Defekten in dem Gegenstand
3 untersuchen. Es ist jedoch zu bemerken, daß der
Signalpegel von einer Datenabtastung zu einer anderen streuen kann,
wenn die Datenabtastung bei einzelnen Brennpunkten in
elektronischer Abtastung durchgeführt wird (d.h. einer Abtastung
entlang der X-Achse), und zwar mittels des oben
beschriebenen herkömmlichen Ultraschall-Untersuchungssystems. Dies ist
in Fig. 8 gezeigt, in der Abtastpunkte in der Richtung des
elektronischen Abtastens entlang der Abszisse aufgetragen
sind, während die Pegel des empfangenen Signals entlang der
Ordinate aufgetragen sind. Wie klar aus der Figur erkennbar
ist, streuen die Pegel der empfangenen Signale in einem
erheblichen Ausmaß. Die vorliegenden Erfinder führten eine
Untersuchung durch, um mögliche Ursachen für das Auftreten
einer derartigen Streuung zu bestimmen. Als Ergebnis wurde
gefunden, daß die primäre Ursache bzw. Hauptursache in der
Feldsonde 10, dem Pulser 23 und dem Empfänger 24 liegt. Dies
wird als nächstes unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 9 ist ein detailliertes Blockschaltbild der
Feldsonde, des Pulsers und des Empfängers, in welchem die
Nummern 10&sub1;-10n die einzelnen Feld-Element-Oszillatoren
bezeichnen, die die Feldsonde 10 bilden. Wie oben beschrieben
wurde, werden die einzelnen Feld-Element-Oszillatoren 10&sub1;-10n
mit entsprechenden Pulsern bzw. Pulseinrichtungen 23&sub1;-23n und
Empfängern 24&sub1;-24n verbunden. Jeder einzelne Kanal zum Senden
und Empfangen eines einzigen Ultraschallstrahles ist durch
die Kombination eines der Feld-Element-Oszillatoren, seiner
entsprechenden Pulseinrichtung und seines Empfängers und
einer Vielzahl von Leitungen, die sie verbinden, aufgebaut.
Bei einem derartigen Aufbau kann das Vorhandensein gewisser
Unterschiede in der Empfindlichkeit unter den einzelnen
Feld-Element-Oszillatoren 10&sub1;-10n, Pulseinrichtungen bzw.
Pulsern 23&sub1;-23n und Empfängern 24&sub1;-24n nicht vermieden werden.
Falls ein Feld-Element-Oszillator, eine Pulseinrichtung und
ein Empfänger, die alle eine niedrige Empfindlichkeit haben,
verbunden werden, wird der Pegel eines Signals, das über den
sich ergebenden Kanal empfangen werden soll, merklich
verringert sein. Falls ein Feld-Element-Oszillator, eine
Pulseinrichtung und ein Empfänger, die alle eine hohe
Empfindlichkeit aufweisen, wechselweise verbunden werden,
wird das Signal, das über den sich ergebenden Kanal
empfangen
werden soll, merklich höher sein. Infolgedessen streuen
die Signalpegel, die durch die einzelnen Kanäle empfangen
werden.
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Fig. 10 zeigt die Untersuchung eines Gegenstandes, der
einen Fehler beinhaltet, bzw. eines fehlerbehafteten
Gegenstandes mittels eines Ultraschall-Untersuchungssystems mit
einem derartigen Streuen im Empfangssignal, wie es oben
beschrieben wurde, wohingegen Fig. 11 ein Ultraschallbild
zeigt, das infolge einer Untersuchung, die in der Fig. 10
gezeigt ist, erhalten wurde. Fig. 10 zeigt den Gegenstand 3,
einen konkaven fehlerbehafteten Abschnitt 3f des
Gegenstandes 3 und die Feldsonde 10. Auf der anderen Seite zeigt Fig.
11 einen Schirm 21a der Anzeige 21, ein Ultraschallbild A
der Kontur des Gegenstandes 3 und ein Ultraschallbild 3f
des fehlerbehafteten Abschnittes 3f. Symbole G&sub1;-G&sub6; zeigen
Streifen, die entlang der Y-Achse infolge des Streuens von
Signalen auftreten, die durch die einzelnen Kanäle in dem
Ultraschall-Untersuchungssystem empfangen werden (in der
Praxis wird eine Anzahl von Streifen mit einer Vielzahl von
Breiten auftreten). Diese Streifen erschweren es, das
Gesamtbild zu überwachen und infolge der Beobachtung des
Ultraschallbildes den fehlerbehafteten Abschnitt zu
entdekken. Dort, wo der Unterschied im Pegel zwischen
Ultraschallsignalen von dem fehlerbehafteten Abschnitt und jenen von
einem fehlerfreien Abschnitt z.B. sehr klein ist, werden
Unannehmlichkeiten verursacht, weil ihre Grenzen wegen der
Störung durch die Streifen unklar werden.
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Um ein derartiges Streuen zu beseitigen, würde man an
ein Verfahren denken, die einzelnen Pulseinrichtungen 23&sub1;-23n
oder Empfänger 24&sub1;-24n jeweilig mit
Empfindlichkeitseinstelleinrichtungen zu versehen, so daß die Pegel der
empfangenen Signale gesteuert werden können. Dieses
Verfahren mag dort durchführbar sein, wo die Gesamtanzahl n der
Feld-Element-Oszillatoren klein ist. Wo die Gesamtanzahl n
von 100 bis 200 reicht, wird eine extrem lange Zeit alleine
für die Einstellung der Empfindlichkeit benotigt und
zusätzlich führt jeder der Versuch, die Einstellung der
Empfindlichkeit zu automatisieren, um die dafür benötigte Zeit zu
verringern, zu dem Bedarf nach einem erheblich mit
Schaltungen belasteten Gebiet und deren Steuerung wird äußerst
kompliziert. Darüber hinaus muß, selbst wenn derartige
Empfindlichkeits-Einstelleinrichtungen bereitgestellt werden, die
gesamte Empfindlichkeitseinstellung wieder durchgeführt
werden, wenn die Feldsonde ersetzt wird (ein derartiges
Ersetzen wird häufig durchgeführt). Zusätzlich besteht
weiterhin folgendes Problem, selbst wenn die oben beschriebenen
Empfindlichkeits-Einstelleinrichtungen bereitgestellt
werden. Nämlich besteht die Ursache zur Streuung in der
Empfindlichkeit ebenso in der Empfangs-Steuereinrichtung 25,
die in der Nähe der Empfangseinrichtung 24 bzw. des
Empfängers 24 bereitgestellt wird. Da die
Empfangs-Steuereinrichtung 25 eine Vielzahl von Eingangs-/Ausgangssignalleitungen
aufweist, variiert die Intensität eines Ultraschallsignals
in Abhängigkeit davon, welche der Signalleitungen des
Ultraschallsignals hindurchgeführt ist. Deswegen, selbst wenn
die Steuerung in der Empfindlichkeit bei der Stufe der
Pulseinrichtungen oder Empfangseinrichtungen bzw. Empfänger
vollständig beseitigt wird, tritt weiterhin infolge des
Durchführens der Signale durch aufeinanderfolgende
Signalleitungen Streuung auf.
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Bei dem Ultraschall-Untersuchungssystem gemäß EP-A-
0 228 720 wird eine Kalibrierungseinrichtung zur Korrektur
der Ausgangssignale bereitgestellt, die durch die
empfangenen Meßwandler erzeugt werden, um verschiedene Variationen
bei der Antwort der einzelnen Meßwandler auszugleichen. Die
Kalibrierungseinrichtung beinhaltet eine Einrichtung, um
Differenzwerte für jeden Meßwandler zu berechnen und zu
speichern, wobei die Differenzwerte die Differenz zwischen
den Ausgangsdatensignalen für jeden Meßwandler und den
größten
der Datenausgangssignale darstellen. Die Kalibrierungs-
Differenzdaten werden zu den empfangenen Daten zur
Kompensation der Variationen addiert. Jedoch führt eine Abwandlung
der Untersuchungsbedingung zu Inkonsistenzen beim
Nivellieren.
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Ein Ziel dieser Erfindung ist es, die obigen Probleme
der herkömmlichen Technik zu überwinden und infolgedessen
ein Ultraschall-Untersuchungssystem bereitzustellen, das
leicht den Einfluß des Streuens von empfangenen Signalen
beseitigen kann und ein klares Bild fehlerhafter Abschnitte
anzeigen kann, um eine genaue Untersuchung eines Objektes zu
erlauben.
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Das Ultraschall-Untersuchungssystem gemäß der Erfindung
ist durch eine erste Berechnungseinrichtung, um einen
Mittelwert von Referenzdaten zu berechnen, die durch
Ultraschallabtastung eines Differenzmaterials von
defektfreier, gleichförmiger Qualität erhalten wurden, eine zweite
Berechnungseinrichtung, um einzelne Untersuchungsdaten, die
durch Ultraschall-Untersuchung des Gegenstands erhalten
wurden, den Mittelwert und das Inverse der Referenzdaten,
die den Untersuchungsdaten entsprechen, zu multiplizieren,
und eine Ausgabeeinrichtung, um die Ergebnisse der
Berechnung durch die zweite Berechnungseinrichtung zu der
Anzeigeeinheit auszugeben, gekennzeichnet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Bei einem Ultraschall-Untersuchungssystem, das mit
einer Feldsonde, die aus einer Anzahl von
Feld-Element-Oszillatoren besteht, die in wenigstens einer Reihe angeordnet
sind, einer Speichereinheit zum Speichern von
Ultraschalldaten, die durch Ultraschallabtastung einer Oberfläche eines
Gegenstandes durch die Feldsonde erhalten wurden, und einer
Anzeigeeinheit, um ein Ultraschallbild zu zeigen, das auf
den Daten basiert, die in der Speichereinheit gespeichert
sind, ausgestattet ist, führt die vorliegende Erfindung
gemäß einem Aspekt eine Ultraschallabtastung eines
Referenzmaterials von def ektfreier, gleichförmiger Qualität, z.B.
einer Grundwand oder dergleichen eines Wassertanks, in den
der Gegenstand zu plazieren ist, durch, wodurch
Referenzdaten gesammelt werden und ein Mittelwert der Daten wird
mittels einer ersten Berechnungseinrichtung berechnet. Wenn
der Gegenstand mittels Ultraschall abgetastet worden ist,
werden der Mittelwert und die Inversen der Referenzdaten,
die durch dieselben Kanäle gesammelt wurden, wie jene, die
verwendet wurden, um die verschiedenen Untersuchungsdaten
abzutasten, dann mittels einer zweiten Berechnungseinheit
multipliziert. Durch diese Multiplikation werden korrigierte
Untersuchungsdaten, die zur Verfügung stehen, wenn die
einzelnen Elemente die gleiche Empfindlichkeit aufweisen,
erhalten. Diese korrigierten Untersuchungsdaten werden zu der
Anzeigeeinheit ausgegeben, so daß ein klares Ultraschallbild
erhalten werden kann.
-
GB-A-2 071 849 offenbar ein
Ultraschall-Untersuchungssystem des oben diskutierten Typs, das eine
Kalibrierungseinrichtung zur Korrektur der Ausgangssignale beinhaltet,
die durch die Empfangseinrichtung erzeugt werden. Ein
Teststück wird abgetastet, wodurch der Maximalwert eines
Echosignals, das bei einem bestimmten Typ eines Testfehlers in
oder auf dem Teststück auftritt, für jeden Meßkanal gemessen
und gespeichert wird. Die gespeicherten Signale werden
nachfolgend verwendet, um einen Basis-Empfindlichkeitswert für
die Einrichtung bzw. Installation zu schaffen, und
Korrekturfaktoren werden für alle Kanäle aus den Unterschieden
bzw. Differenzen zwischen dem Basis-Empfindlichkeitswert und
den entsprechenden Echosignalen bestimmt. Als
Basis-Empfindlichkeitswert kann der minimale gespeicherte Wert genommen
werden. Infolgedessen offenbart GB-A-2 071 849 nicht eine
Einrichtung zur Multiplikation einzelner Untersuchungsdaten
mit einem Mittelwert und der Inversen der Referenzdaten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer
Abtasteinheit eines Ultraschall-Untersuchungssystems, Fig. 2
und 3 sind Draufsichten und Seitenansichten einer Feldsonde,
Fig. 4 und 5 sind schematische Erläuterungen der Funktion
der Feldsonde, Fig. 6 ist ein Blockschaltbild eines
herkömmlichen Ultraschall-Untersuchungssystems, Fig. 7 ist ein
detaillierteres Blockschaltbild des Systems der Fig. 6, Fig.
8 ist ein Wellenform-Diagramm empfangener Signale, Fig. 9
ist ein detailliertes Blockschaltbild einzelner Feldsonden,
Pulseinrichtungen und Empfangseinrichtungen, Fig. 10 ist
eine Seitenansicht eines Gegenstandes mit einem
defektbehafteten Abschnitte, Fig. 11 ist ein Schaltbild, das ein
Ultraschallbild des Gegenstandes zeigt, Fig. 12 ist ein
Blockschaltbild eines Ultraschall-Untersuchungssystems gemäß der
ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 13 ist eine
Querschnittsansicht eines Wassertanks, Fig. 14 ist ein Graph der
Bezugsdaten, Fig. 15 ist ein Blockschaltbild eines
Ultraschall-Untersuchungssystems gemäß einer zweiten
Ausführungsform dieser Erfindung, Fig. 16 ist ein Blockschaltbild eines
ersten bestimmten Beispiels einer
Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung, die in Fig. 15 gezeigt ist, Fig. 17 ist
ein Flußdiagramm, das die Betriebsweise des Systems, das in
Fig. 15 gezeigt ist, beschreibt, und Fig. 18 ist ein
Blockschaltbild eines zweiten bestimmten Beispiels einer
Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung, die in Fig. 15 gezeigt ist.
BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter unter
Bezugnahme auf einige der begleitenden Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 12 ist ein Blockschaltbild eines
Ultraschall-Untersuchungssystems gemäß der ersten Ausführungsform dieser
Erfindung. In dieser Zeichnung sind Elemente, die entweder
identisch oder äquivalent zu jenen sind, die in den Fig. 6
oder 7 gezeigt sind, durch gleiche Bezugsnummern oder
Symbole bezeichnet und ihre Beschreibung ist weggelassen. Die
Nummer 20a' bezeichnet eine CPU, die der CPU 20a äquivalent
ist. Die CPU 20a' unterscheidet sich in den
Verarbeitungsprozeduren von der CPU 20a. Mit der Nummer 20e ist ein
Speicher bezeichnet, der zusätzlich zu dem Bildspeicher 20b
vorgesehen ist.
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Der Betrieb dieser Ausführungsform wird im folgenden
unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und Fig. 14 beschrieben.
Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht eines Wassertanks mit
einer Feldsonde, die darin eingefügt ist. Es ist gezeigt der
Wassertank bei der Nummer 1, Wasser 2, das sich in dem
Wassertank 1 befindet, und die Feldsonde, die mit der Nummer 10
bezeichnet ist. Bei diesem Wassertank und der Feldsonde
handelt es sich um denselben bzw. um dieselbe, der bzw. die
in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist. Bei der vorliegenden
Ausführungsform werden vorbeschriebene Prozeduren bzw.
Verfahren (Vorbereitungsarbeit) vor jeder Ultraschall-
Untersuchung durchgeführt. Diese Vorbereitungsarbeit wird im
folgenden beschrieben.
-
Zuerst führt die CPU 20a' mittels der Feldsonde 10 eine
Ultraschallabtastung bezüglich der Bodenwand (die flach mit
einem Acrylmaterial ausgebildet ist) des Wassertanks 1, auf
dem der Gegenstand 3 nicht plaziert ist, entlang einer
Linie, die durch einen Pfeil in der Fig. 13 gezeichnet ist,
in derselben Art und Weise wie bei der
Ultraschall-Untersuchung des Gegenstandes 3 durch, wodurch Daten, die
A/Dkonvertierte Daten sind und die "Referenzdaten" genannt
werden, gesammelt und in einem geeigneten Speicher der
Signalverarbeitungseinrichtung 20 bzw. des Signalprozessors
20 gesammelt und gespeichert werden. Fig. 14 stellt einen
Graph dieser Referenzdaten dar, bei welcher Abtastpunkte in
der elektronischen Abtastrichtung entlang der Abszisse
aufgetragen werden, während Referenzdaten entlang der
Ordinate aufgetragen werden. K&sub1;, K&sub2;, K&sub3;, ... Kn bezeichnen
einzelne Referenzdaten. Der Graph wurde aufbereitet, indem
diese Referenzdaten aufeinanderfolgend mit einer geraden
Linie verbunden wurden. Wie von diesem Graph offensichtlich
wird, weisen diese Referenzdaten nicht dieselben Werte auf,
obwohl sie mittels der Ultraschallabtastung der Bodenwand
(Referenzmaterial) des Wassertankes 1 erhalten wurden, wobei
die Bodenwand gleichförmig mit demselben Material
ausgebildet worden ist, sondern sie beinhalten eine Streuung, die
auf die oben beschriebenen Unterschiede in der
Empfindlichkeit zurückzuführen sind. CPU 20a' berechnet einen
Mittelwert dieser Referenzdaten (n Stücke der Daten) in
übereinstimmung mit der folgenden Formel (1) und speichert ihn.
-
Der Mittelwert kann als Daten betrachtet werden, die
verfügbar sind, wenn die Bodenwand des Wassertanks 1 mittels
Ultraschall bei der mittleren Empfindlichkeit allär
Empfindlichkeiten abgetastet wird.
-
Bezüglich jeder der Referenzdaten K&sub1;, K&sub2;, K&sub3;, ... Kn
berechnet die CPU 20a' als nächstes das Verhältnis des
Mittelwertes K zu dem Referenzdatum ( /Ki) und speichert den
Wert des Verhältnisses in dem Speicher 20e. Der Wert des
Verhältnisses ist das Inverse der Stärke eines jeden
Referenzdatums Ki zu dem Mittelwert K der jeweiligen
Referenzdaten, mit anderen Worten, das Inverse der Höhe der
Empfindlichkeit eines jeden Kanals, der verwendet wurde, um das
Datum bei dem entsprechenden Abtastpunkt auf der einzelnen
elektronischen Abtastlinie bei dem Ultraschallabtasten
relativ zu der mittleren Empfindlichkeit der einzelnen
Kanäle zusammeln. Die Vorbereitungsarbeit, die vor einer
Ultraschall-Untersuchung liegt, ist nun abgeschlossen.
-
Offensichtlich variiert der Wert eines jeden
Verhältnisses ( /Ki) nicht und bleibt immer konstant, selbst wenn
der Grad der Verstärkung durch den Hauptverstärker 27 sich
ändert, nachdem die Vorbereitungsarbeit vollendet ist.
-
Um eine Ultraschall-Untersuchung für den Gegenstand 3
durchzuführen, wird das Sammeln eines Untersuchungsdatums
bei jedem Abtastpunkt in derselben Art und Weise
durchgeführt wie bei dem konventionellen bzw. herkömmlichen System.
Die so gesammelten Untersuchungsdaten werden in dem
Bildspeicher 20b gespeichert. Man nehme hier an, daß die Daten,
die durch die einzelnen Kanäle mittels elektronischer
Abtastung einer einzelnen Linie gesammelt wurden, aus diesen
Untersuchungsdaten durch Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3;, ... Qi, ... Qn jeweilig
gekennzeichnet werden. Die CPU 20a' multipliziert jede
dieser Untersuchungsdaten Q&sub1;-Qn mit dem Wert des
Verhältnisses ( /Ki) des entsprechenden Kanals, wobei der Wert in dem
Speicher 20e in übereinstimmung mit der folgenden Formel (3)
gespeichert worden ist:
-
Da der Wert Qi', der in Übereinstimmung mit der Formel
(3) erhalten wurde, der Wert ist, der durch das
Multiplizieren des Untersuchungsdatums Qi mit dem Inversen der
Empfindlichkeit zu der Zeit der Sammlung des Referenzdatums durch
den entsprechenden Kanal erhalten wurde, wird der Wert Qi'
ein Wert, der zu dem Untersuchungsdatum äquivalent ist, das
bei der mittleren Empfindlichkeit gesammelt wurde. Die Daten
Qi', die durch die Formel (3) korrigiert wurden, werden, wie
oben beschrieben, ersetzt, jedesmal wenn die Berechnung der
Untersuchungsdaten Qi in dem Bildspeicher 20b durch die
Formel (3) vollendet ist. Übrigens kann die Berechnung durch
die Formel (3) während der Zeitintervalle der Abtastung, zu
der Zeit der elektronischen Abtastung oder, nachdem die
Abtastung entlang einer elektronischen Abtastlinie vollendet
worden ist, durchgeführt werden. Wenn unter diesen
Wahlmöglichkeiten die Berechnung durch die Formel (3) während
der Zeitabschnitte bzw. Intervalle des Abtastens zu der Zeit
der elektronischen Abtastung durchgeführt wird, ist es
unnötig, die Untersuchungsdaten Qi in dem Bildspeicher 20b
zuvor abzuspeichern. Es ist nur erforderlich, die Berechnung
durch die Formel (3) durchzuführen und das Ergebnis Qi' der
Berechnung in dem Bildspeicher 20b zu speichern, wenn die
Untersuchungsdaten Qi erhalten worden sind. Die
Verarbeitungszeit kann auf diese Art und Weise verkürzt werden. In
der oben beschriebenen Art und Weise werden alle
korrigierten Daten schließlich in dem Bildspeicher 20b gespeichert.
-
Dort, wo der Gegenstand 3 z.B. von jeglichen Fehlern
bzw. Defekten frei ist, werden alle Daten des Bildspeichers
20b gleich dem Mittelwert der gesamten Untersuchungsdaten.
Dort, wo es einen Defekt bzw. Fehler gibt, werden die Daten
von Abschnitten, die sich von dem fehlerbehafteten bzw.
defektbehafteten Abschnitt unterscheiden, gleich dem
Mittelwert
und nur das Datum, das dem defekten Abschnitt
entspricht, nimmt einen Wert an, der sich von dem Mittelwert
unterscheidet. Wenn ein Bild auf der Anzeige auf der Basis
der oben korrigierten Daten gezeigt wird, wird jeglicher
defekter Abschnitt in einer Gestalt dargestellt, die sich
klar von den anderen Abschnitten unterscheidet, wo der
Gegenstand 3 den defekten Abschnitt beinhaltet.
-
Wie oben beschrieben worden ist, werden gemäß dieser
Ausführungsform die Werte der Verhältnisse ( /Ki) des
Mittelwertes der Daten Ki, die durch Ultraschallabtastung eines
Referenzmaterials erhalten worden sind, zu den einzelnen
Daten Ki im voraus bezüglich einzelner Kanäle erhalten und zu
der Zeit einer Ultraschalluntersuchung werden
Untersuchungsdaten, die durch die einzelnen Kanäle gesammelt wurden, mit
den Werten der Verhältnisse der entsprechenden Kanäle
multipliziert, so daß korrigierte Daten erhalten werden. Selbst
wenn die Empfindlichkeit unter den einzelnen Kanälen nach
der Sammlung von Daten streut, treten derartige Streifen,
wie jene, die in der Fig. 11 gezeigt sind, nicht auf, so daß
das Entdecken eines fehlerbehafteten Abschnitts erleichtert
werden kann und der defekte Abschnitt in einer Gestalt
angezeigt werden kann, die sich klar von den anderen Abschnitten
unterscheidet.
-
Als ein Verfahren zur Korrektur derartiger
Empfindlichkeitsstreuungen, wie sie oben beschrieben wurde, könnte man
in Erwägung ziehen, ein Referenzmaterial bereitzustellen,
das aus demselben Material hergestellt ist wie der
Gegenstand und keine Defekte bzw. Fehler enthält, und die mittels
Ultraschall abgetasteten Daten (Referenzdaten) des
Referenzmaterials von den Untersuchungsdaten des Gegenstandes
abzuziehen. Dieses Verfahren erfordert jedoch das Speichern
von Referenzdaten bei allen Abtastpunkten, was zu dem
Problem führt, daß die Kapazität des Speichers groß sein muß.
Dieses Verfahren kann wirksam sein, wenn viele Gegenstände
desselben Aufbaus untersucht werden. Wenn sich jedoch
Einstellbedingungen, wie z.B. die Dicke eines Gegenstandes,
die Untersuchungspunkte auf dem Gegenstand und die
Verstärkungen bzw. Amplitudengänge der Empfangseinrichtungen
ändern, müssen die Referenzdaten in Übereinstimmung mit den
Veränderungen geändert werden, jedesmal wenn diese
Veränderungen durchgeführt werden. Infolgedessen wird eine
Menge Arbeit und Zeit für ihre Abwandlungen bzw.
Modifikationen benötigt. Im Gegensatz dazu benötigt diese
Ausführungsform Daten, die so gering sind wie jene, die durch das
Abtasten entlang einer elektronischen Abtastlinie gesammelt
werden, so daß eine kleine Speicherkapazität erfolgreich
verwendet werden kann. Weiter, selbst wenn die Bedingungen
auf der Seite des Gegenstandes oder des Untersuchungssystems
variieren, ist kein Bedürfnis vorhanden, die Referenzdaten
zu modifizieren, so daß, verglichen mit dem oben
beschriebenen Verfahren, die Leistungsfähigkeit der Untersuchung
beträchtlich verbessert werden kann.
-
Die obige Ausführungsform wurde beschrieben, indem die
Bodenwand des Wassertanks als ein Referenzmaterial
beispielhaft verwendet wurde. Die obige Ausführungsform ist jedoch
nicht auf ihre Verwendung beschränkt. Jegliches Material
kann verwendet werden, solange seine Qualität gleichförmig
ist. Weiter wurde die Beschreibung für das Beispiel gemacht,
daß die Werte der Verhältnisse in dem Speicher 20e
gespeichert werden. Stattdessen können Referenzwerte und ihre
Mittelwerte gespeichert werden. In diesem Fall wird es für
die Berechnung korrigierter Daten benötigt, drei Daten zu
nehmen, d.h. die Untersuchungsdaten, die Referenzdaten und
den Mittelwert, und dann die Berechnung damit durchzuführen.
Eine derartige Berechnung kann jedoch innerhalb der
Zeitintervalle bzw. -abschnitte des Abtastens ausreichend
durchgeführt werden. Diese Ausführung wurde beschrieben, indem
beispielhaft der Speicher 20e zu der Speicherung der Werte
der Verhältnisse verwendet wird. Der Speicher 20e kann
jedoch vermieden werden, vorausgesetzt, daß der Bildspeicher
20b einen Umfang aufweist, der für ihre Speicherung
ausreicht. Weiter kann eine Feldsonde, die aus Feld-Element-
Oszillatoren aufgebaut ist, die in einer Matrix angeordnet
sind, ebenso als Feldsonde verwendet werden. In diesem Fall
wird die Anzahl der Referenzdaten gleich der Anzahl all der
Kanäle für die Ultraschallstrahlen sein.
-
Fig. 15 ist ein Blockschaltbild eines
Ultraschall-Untersuchungssystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. In der Figur sind Elemente, die
identisch oder gleich zu jenen sind, die in Fig. 6 oder Fig.
7 gezeigt sind, mit gleichen Referenznummern oder Symbolen
bezeichnet und ihre Beschreibung ist weggelassen. Bezeichnet
mit der Nummer 31 ist eine
Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung zwischen dem Hauptverstärker 27 und der
Spitzenwertfeststelleinrichtung bzw. Spitzenwertdetektor 28
angeordnet. Die Bezugsnummer 20a" bezeichnet eine CPU, die
ebenso, zusätzlich zu der Funktion der herkömmlichen CPU 20a
mit der Funktion ausgestattet ist, Signale zu produzieren,
die zu der Ausgleichseinrichtung 31 geführt werden sollen.
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Fig. 16 ist ein Blockschaltbild eines ersten besonderen
Beispiels der Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung 31, die
in der Fig. 15 gezeigt ist. In der Figur bezeichnen die
Symbole E&sub1;-E&sub8; Signalabschwächungseinrichtungen. Die
Abschwächungsfaktoren der einzelnen Signalabschwächer E&sub1; -E&sub8; können
z.B. wie folgt gewählt werden: E&sub1; = -8 dB, E&sub2; = -4 dB, E&sub3; = -2
dB, E&sub4; = -1 dB, E&sub5; = -0,8 dB, E&sub6; = -0,4 dB, E&sub7; = -2 dB und E&sub8;
= -0,1 dB. Mit den Symbolen S&sub1;-S&sub8; sind elektronische
Umschaltelemente bezeichnet, die auf den Eingangsseiten und
Ausgangsseiten der jeweiligen
Signalabschwächungseinrichtungen E&sub1;-E&sub8; vorgesehen sind. Es ist zu bemerken, daß diese
Umschaltelemente als mechanische Umschalter bzw. Schalter in
der Figur gezeigt sind, um ihr Verständnis zu erleichtern.
Symbole L&sub1;-L&sub8; stellen Signalleitungen dar, die die
Schnittstelle
bzw. das Interface 20c mit den einzelnen
Umschaltelementen verbinden. Uber diese Signalleitungen werden
digitale Signale ("1" oder "0") zu der Steuerung der
entsprechenden Umschaltelemente übertragen. In diesem besonderen
Beispiel wird jedes der Umschaltelemente S&sub1;-S&sub8; auf die
Position umgeschaltet, bei der die entsprechende
Abschwächungseinrichtung abgeschaltet wird bzw. unterbrochen
wird (die obere Position in der Figur), wenn das Signal "0"
zu der entsprechenden Signalleitung ausgegeben wird. Wenn
andererseits das Signal "1" zu jeder Signalleitung
ausgegeben wird, wird das entsprechende der Umschaltelemente
S&sub1;-S&sub8; zu der Position umgewechselt bzw. umgeschaltet, in der
die entsprechende Abschwächungseinrichtung mit dem Interface
bzw. der Schnittstelle verbunden ist.
-
Die Betriebsweise dieser Ausführungsform wird
nachfolgend unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm, das in der Fig.
17 gezeigt ist, beschrieben. Die Vorbereitungsarbeit wird
ebenso durchgeführt, bevor eine Ultraschall-Untersuchung an
einem Gegenstand vorgenommen wird. Diese Vorbereitungsarbeit
ist in dem Flußdiagramm gezeigt. Zuerst bringt die CPU 20a"
alle Signale der Signalleitungen L&sub1;-L&sub8; auf "0", wodurch die
Schaltelemente S&sub1;-S&sub8; der
Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung 31 alle auf die oberen Seiten umgeschaltet bzw.
gewechselt werden, um einem Signal zu erlauben, das von dem
Hauptverstärker 27 ausgegeben worden ist, an allen
Signalabschwächungseinrichtungen E&sub1;-E&sub8; vorbeizugelangen. Der
Abschwächungsfaktor der Empfindlichkeits -Ausgleichseinrichtung
31 wird nämlich auf 0 dB gesetzt (Verfahren H&sub1; in Fig. 17).
Der Grad der Verstärkung durch den Hauptverstärker 27 wird
danach auf einen geeigneten Wert (J dB) gesetzt (Verfahren
H&sub2;). Das Ultraschall-Untersuchungssystem wird in diesem
Zustand betrieben, um eine elektronische Abtastung entlang
einer Linie durchzuführen, während die Bodenwand des
Wassertanks 1 als Referenzmaterial verwendet wird. Die sich
ergebenden Daten werden zu einem geeigneten Speicher, z.B.
innerhalb des Signalprozessors, übertragen und darin
gespeichert (Verfahren H&sub3;).
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Die CPU 20a" findet einen Maximalwert (dmax) und einen
Minimalwert (dmin) aus den so gespeicherten Daten heraus und
berechnet ihre Differenz Δd in Übereinstimmung mit der
folgenden Formel (Verfahren H&sub4;)
-
Δ(dB) = 20 log di / dmin ... (5)
-
Um die Empfindlichkeiten der einzelnen Kanäle in
Übereinstimmung mit dem Abschwächungsfaktor eines jeden Kanals
zu bringen, wird als nächstes der Abschwächungsfaktor eines
jeden Kanals berechnet (Verfahren H&sub5;). Bei dieser
Ausführungsform wird die Berechnung unter Verwendung des
Minimalwertes dmin aus den Daten, die durch die Verarbeitung des
Verfahrens H&sub3; gesammelt wurden, in übereinstimmung mit der
folgenden Formel durchgeführt, um zu bestimmen, um wieviel
die Daten der einzelnen Kanäle abgeschwächt werden müssen,
wobei diese Daten durch Werte di dargestellt werden sollen,
mit anderen Worten, die Abschwächungsfaktoren Gi der
einzelnen Kanäle, um die Daten di der einzelnen Kanäle auf den
Minimalwert dmin zu bringen.
-
Gi (dB) = 20log di / dmin ... (5)
-
Die Abschwächungsfaktoren Gi der einzelnen Kanäle, die
in Übereinstimmung mit der Formel (5) bestimmt wurden,
werden in 8-Bit-Codes auf der Basis der Abschwächungsfaktoren
umgewandelt, die für die Signalabschwächungseinrichtungen
E&sub1;-E&sub8; jeweilig eingestellt wurden, und werden in dem Speicher
der Signalverarbeitungseinrichtung 20 gespeichert (Verfahren
H&sub6;). Die obigen 8-Bit-Codes werden auf die folgende Art und
Weise bestimmt. Wenn der Abschwächungsfaktor Gi von einem der
Kanäle z.B. 5,5 (dB) beträgt,
-
5,5 = 4 + 1 + 0,4 + 0,1 ... (6)
-
Es ist deshalb notwendig, die Abschwächungseinrichtungen E&sub2;,
E&sub4;, E&sub6;, E&sub8; zu verwenden - deren Abschwächungsfaktoren auf
einen Wert gesetzt wurde, der den Werten auf der rechten
Seite der Formel (6) jeweilig entspricht und nicht die
anderen Abschwächungseinrichtungen E&sub1;, E&sub3;, E&sub5;, E&sub7; zu verwenden. Zu
diesem Zweck ist es notwendig, die Ausgangssignale der
Signalleitungen L&sub2;, L&sub4;, L&sub6;, L&sub8; bei "1" einzustellen und jene
der Signalleitungen L&sub1;, L&sub3;, L&sub5;, L&sub7; bei "0" einzustellen. Der
8-Bit-Code kann deshalb als "01010101" geschrieben werden.
Wenn der obige Code durch das Dezimalsystem anstelle des
Binärsystems ausgedrückt wird, kann er neu als "85"
geschrieben werden. Wenn er durch das Hexadezimalsystem
ausgedrückt wird, kann er als "55" neu geschrieben werden.
Derartige Codes der individuellen Kanäle werden in dem Speicher
gespeichert. Diese Codes können in dem Speicher gespeichert
werden, in dem die Daten, die durch die Verarbeitung des
Verfahrens H&sub3; erhalten wurden, gespeichert sind, indem die
Daten ersetzt werden oder sie können an einem anderen Platz
gespeichert werden.
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Schließlich wird der Grad der Verstärkung des
Hauptverstärkers 27 zurückgesetzt (Verfahren H&sub7;). Diese Einstellung
kann durchgeführt werden, indem der Wert Δd, der in
übereinstimmung mit der Formel (4) berechnet wurde, zu dem zuvor
eingestellten Verstärkungsgrad J nachfolgend zu einem Befehl
von der CPU 20a" addiert wird. Durch diese Verarbeitung des
Verfahrens H&sub7; wird die Vorbereitungsarbeit für die
Ultraschall-Untersuchung des Gegenstandes vollendet.
-
Wenn die Ultraschalluntersuchung des Gegenstandes
durchgeführt wird, gibt die CPU 20a" die
Abschwächungsfaktoren
der jeweiligen Kanäle aus, wobei die
Abschwächungsfaktoren in dem Speicher gespeichert worden sind, und zwar zu den
entsprechenden Signalleitungen L&sub1;-L&sub8; nach dem Sammeln der
Daten durch die einzelnen Kanäle, so daß die entsprechenden
Umschaltelemente S&sub1;-S&sub8; umgeschaltet werden, um die jeweiligen
Abschwächungsfaktoren der Empfindlichkeits
-Ausgleichseinrichtung 31 auf die Abschwächungsfaktoren der jeweiligen
Kanäle einzustellen. Die Daten der einzelnen Kanäle, die zu
der Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung übergeleitet
worden sind, wobei die Abschwächungsfaktoren, wie oben
beschrieben, eingestellt wurden, sind Daten, die frei von
den Unterschieden in der Empfindlichkeit zwischen den
einzelnen Kanälen sind.
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Es werden nun die Gründe beschrieben, weshalb die
Signalabschwächungseinrichtung E&sub1;-E&sub8; als Empfindlichkeits-
Ausgleichseinrichtung 31 verwendet wird. Die
Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung 31 wird bereitgestellt, um die
Empfindlichkeiten der einzelnen Kanäle in übereinstimmung zu
bringen. Von diesem Blickwinkel aus ist es möglich, den
Maximalwert dmax als eine Referenz zu verwenden, anstatt dem
Minimalwert dmin als eine Referenz anders als bei der obigen
Ausführungsform zu verwenden und entsprechend eine Mehrzahl
von Signalverstärkern anstelle der jeweiligen
Signalabschwächungseinrichtungen E&sub1;-E&sub8; zu verwenden. Es ist jedoch zu
bemerken, daß ein Signalverstärker einer Umschaltung mit
hoher Geschwindigkeit anders als ein Signalabschwächer nicht
folgen kann, was zu dem unausweichlichen Erfordernis führt,
die Umschaltgeschwindigkeit zu verringern. Dies führt gewiß
zu einer erheblichen Verringerung bei der Leistungsfähigkeit
der Untersuchung. Darüber hinaus wird, wenn Signalverstärker
verwendet werden, Rauschen, das nach der Durchführung einer
Untersuchung auftritt, um einen von einem Kanal zum anderen
unterschiedlichen Verstärkungsgrad verstärkt. Dies führt zu
ungewünschten Ergebnissen. Es ist deshalb nachteilig,
Signalverstärker anstelle von Signalabschwächern zu verwenden.
-
Da der Minimalwert dmin als eine Referenz bei der
vorliegenden Ausführungsform verwendet wurde, war die
Beschreibung auf das Beispiel beschränkt, in dem der Grad der
Verstärkung durch den Wert Δd bei der Verarbeitung des
Verfahrens H&sub7; erhöht wird. Dieser Wert kann jedoch geeignet
hinsichtlich verschiedener Bedingungen bestimmt werden. Die
Verarbeitung zur Erhöhung des Grades der Verstärkung kann
weggelassen werden, vorausgesetzt, daß Daten eines
ausreichenden Pegels erhalten werden. Obwohl der Minimalwert dmin
als eine Referenz bei dem erläuterten Beispiel verwendet
wurde, ist es möglich, als eine Referenz einen Wert zu
verwenden, der kleiner ist als der Minimalwert dmin.
-
Ein anderes bestimmtes Beispiel der Empfindlichkeits-
Ausgleichseinrichtung 31 wird als nächstes beschrieben. Fig.
18 stellt ein Blockschaltbild des zweiten bestimmten
Beispiels der Empfindlichkeits-Ausgleichseinrichtung 31 dar. In
dieser Figur bezeichnet die Nummer 31a einen D/A-Umwandler,
um jedes korrigierte Datum umzuwandeln, das von der CPU 20a"
über das Interface bzw. die Schnittstelle 20c ausgegeben
wurde, und zwar in einen analogen Wert, wohingegen die
Nummer 31b eine Mischstufe bezeichnet, um ein Signal von dem
Hauptverstärker 27 zu empfangen und um es mit dem Wert aus
dem D/A-Umwandler zu multiplizieren.
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Wie oben in der Beschreibung des vorhergehenden
bestimmten Beispiels erwähnt worden ist, werden die
Abschwächungsfaktoren Gi der einzelnen Kanäle berechnet, indem gemäß
der Formel (5) im Verlauf der Vorbereitungsarbeit die
Berechnung durchgeführt wird. Bei dem vorhergehenden Beispiel
werden diese Abschwächungsfaktoren in 8-Bit-Codes
umgewandelt, die auf den Abschwächungsfaktoren basieren, die für
die Signalabschwächungseinrichtungen E&sub1;-E&sub8; jeweilig
eingestellt wurden. Bei dem vorliegenden bestimmten Beispiel
werden die Abschwächungsfaktoren, die in Ubereinstimmung mit
der Formel (5) erhalten wurden, so wie sie sind,
gespeichert,
und zwar in einem geeigneten Speicher des
Signalprozessors 20. Nach der Ultraschall-Untersuchung eines
Gegenstandes wird der Abschwächungsfaktor eines jeden Kanals aus
dem Speicher für das Signal ausgelesen, das aus dem
Hauptverstärker 27 ausgegeben wird, und zwar nachfolgend zu
seinem Empfang durch denselben Kanal. Der
Abschwächungsfaktor wird dann als ein analoger Wert (Gleichspannungs-
Signal) über den D/A-Umwandler 31a ausgegeben, und sowohl
der analoge Wert als auch das Signal werden bei der
Mischstufe 31b multipliziert. Infolgedessen ist es ebenso
möglich, jegliche Unterschiede in der Empfindlichkeit unter
den einzelnen Kanälen bei dem vorliegenden bestimmten
Beispiel zu beseitigen, wie in dem vorhergehenden bestimmten
Beispiel.
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Wie oben beschrieben wurde, werden gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung die Untersuchungsdaten mit den
Inversen von Verhältnissen von Referenzdaten zu ihren
jeweiligen Mittelwerten multipliziert, die von einem
Referenzmaterial durch jeweilige Kanäle erhalten wurden, um
korrekte Daten zu erhalten. Es ist deshalb möglich,
jeglichen schädlichen Einfluß zu beseitigen, der sich
aufgrund von Streuung in der Empfindlichkeit zwischen den
einzelnen Kanälen ergeben kann, und klar nur ein
Ultraschallbild eines defekt behafteten Abschnitts
anzuzeigen. Infolgedessen kann eine Untersuchung eines
Gegenstandes genau durchgeführt werden.
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Gemäß dem zweiten Aspekt dieser Erfindung werden die
Abschwächungsfaktoren der einzelnen Kanäle derartig
bestimmt, daß Referenzdaten, die von einem Referenzmaterial
durch die jeweiligen Kanäle erhalten wurden, auf einem
Minimalwert dieser Referenzdaten gebracht werden oder auf einen
vorbestimmten konstanten Wert, der kleiner ist als der
Minimalwert, und die Untersuchungsdaten werden Kanal um Kanal
auf der Grundlage dieser Abschwächungsfaktoren jeweils
korrigiert.
Deshalb kann der zweite Aspekt dieser Erfindung
dieselben vorteilhaften Wirkungen wie der erste Aspekt
dieser Erfindung ausüben.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Wie oben beschrieben wurde, kann die vorliegende
Erfindung auf Ultraschall-Untersuchungssysteme eines jeglichen
Typs angewendet werden, solange sie
Feld-Element-Oszillatoren verwenden.