DE69927788T2 - Kontakt-ultraschallwandler mit mehreren elementen - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kontakt-Ultraschallwandler mit vielen Elementen.
  • Ihr Anwendungsgebiet betrifft insbesondere die Medizin und die zerstörungsfreie Untersuchung von mechanischen Teilen, vor allem von Werkstücken mit einer komplexen Form oder einem ungleichmäßigen Oberflächenzustand, zum Beispiel aufgrund einer Schleifbearbeitung.
  • Stand der Technik
  • Auf zahlreichen industriellen Gebieten und insbesondere im Falle von Kernkraftwerken spielen Kontakt-Ultraschallwandler bei der Inspektion der Anlagen eine bedeutende Rolle.
  • Diese Technik besteht darin, die Ultraschallwandler im direkten Kontakt auf einem zu untersuchenden Teil zu verschieben. Für jede seiner Positionen emittiert der Wandler Ultraschallimpulse und zeichnet die durch die Struktur reflektierten Echos und eventuell die Fehler des Teils auf.
  • Jedoch machen zahlreiche geometrische Aspekte die Anwendung von Ultraschall schwierig: begrenzte Zugänglichkeit (insbesondere in den Verzweigungen), variable Oberflächenzustände, Profil- bzw. Formveränderungen. Die bei diesen Kontrollen benutzten Ultraschallwandler sind klassische Wandler, die keine Optimierung der Untersuchung ermöglichen.
  • Je nach Zone kann man zum Beispiel Empfindlichkeitsschwankungen beobachten, verbunden mit einem schlechten Kontakt zwischen dem Wandler und dem kontrollierten Teil, oder eine Lokalisierungsungenauigkeit aufgrund einer Desorientierung bzw. schlechten Ausrichtung des gegen das Teil gedrückten Wandlers, oder eine partielle Erfassung einer Schweißnaht, wenn der Wandler durch die Form der Oberfläche blockiert wird.
  • Bei den an Teilen mit komplexer Konfiguration durchgeführten Kontrollen gibt es zahlreiche Schwierigkeiten. Sie zeigen die Leistungsgrenze der klassischen Kontakt-Ultraschallwandler:
  • 1) Veränderung der Dicke der Kopplungsschicht
  • Beim Bestreichen einer Zone, die einen ungleichmäßigen Oberflächenzustand oder Formveränderungen aufweist, ist der Kontakt nicht optimal. Die zwischen der Oberfläche der untersuchten Probe und der emittierenden Oberfläche des Wandlers befindliche Schicht hat folglich eine variable Dicke. Die Verzögerung bei der Durchquerung dieser Schicht ist infolgedessen an verschiedenen Punkten der Oberfläche des Wandlers unterschiedlich.
  • Außerdem treten in diese Schicht zwischen den verschiedenen reflektierten Wellen komplexe Interferenzphänomene auf. Daraus resultiert eine Verschlechterung des Ultraschallbündels, das sich durch einen Empfindlichkeitsverlust der Kontrolle ausdrückt. Die Fähigkeit des Wandlers, eventuelle Fehler zu detektieren, ist also begrenzt.
  • 2) Desorientierungen des Wandlers
  • Im Falle der Kontrolle einer Probe, die Profil- bzw. Formveränderungen aufweist, variiert die Ausrichtung des sich auf der Probe abstützenden Wandlers während der Kontrolle. Die Richtung der Ausbreitung der Ultraschallwelle in der Probe kann folglich nicht beherrscht werden, da sie sich im Laufe der Verschiebung des Wandlers längs des Profils verändert.
  • Bei einer manuell durchgeführten Kontrolle kann die durch den Operator getätigte Verschiebung nicht vollkommen geradlinig sein, was wieder eine Desorientierung des übertragenen Ultraschallbündel verursacht. Die Information bezüglich der Lokalisierung des Fehlers in der Probe geht dann verloren, da die Ausbreitungsrichtung des Bündels in dieser Probe unbekannt ist.
  • 3) Begrenzte Zugänglichkeit
  • In bestimmten Fällen verbietet die Form eines zu kontrollierenden Teils die Verschiebung des Wandlers längs dieses Teils. Die zu kontrollierende Zone kann nur teilweise erfasst werden.
  • Es werden nun die bekannten Lösungen dieser Probleme untersucht.
  • Die Beherrschung des Ultraschallbündels erhält man, indem man das übertragene Bündel in dem untersuchten Teil fokussiert, mit einer festgelegten Fokussiertiefe und Ausrichtung.
  • Das Prinzip der Fokussierung besteht darin, Verzögerungen bzw. Nacheilungen an der emittierenden Oberfläche so anzuwenden, dass alle Beiträge den gewünschten Fokalpunkt in Phase erreichen.
  • Im Falle der monolithischen Wandler bzw. Einblockwandler erhält man die Verteilung der Nacheilungen physisch, indem man eine auf der Emissionsoberfläche ausgebildete Phasenverschiebungslinse anwendet. Ein solches System ist also starr und nicht geeignet für den Fall, wo die Oberfläche des Teils Formveränderungen aufweist.
  • Eine dynamische Formung des Ultraschallbündels erfordert die Benutzung von Wandlern mit vielen Elementen oder Multielemente-Wandlern. Die Nacheilungen werden jedem Element des Wandlers elektronisch zugeteilt, was ermöglicht, die Charakteristika des durch ein einziges Element erzeugten Ultraschallbündels zu modifizieren und folglich die Fokussierung des Bündels zu steuern und gleichzeitig die Deformierungen zu kompensieren, die durch Oberflächen von variabler Form verursacht werden.
  • 1) Multielemente-Eintauchwandler
  • Die Kontrolle eines Teils mit einem variablen Profil kann mit einem Multielemente-Wandler realisiert werden, der in eine Kopplungsflüssigkeit eingetaucht wird, zum Beispiel in Wasser. In diesem Fall befindet sich der Wandler nicht mehr in direktem Kontakt mit dem Teil, sondern ist von diesem durch eine ausreichend dicke Wasserschicht getrennt, so dass die Interferenzphänomene zwischen den verschiedenen in der Kopplungsschicht (Wasserschicht im vorliegenden Beispiel) sukzessiv reflektierten Ultraschallwellen stark reduziert werden.
  • Bei der Kontrolle eines Teils mit komplexer Form erhält man die Fokussierung des Ultraschallbündels, indem man die Wege – im Wasser und in dem Material, aus dem dieses Teil gemacht ist – der durch die verschiedenen Elemente des Wandlers in Richtung Fokalpunkt emittierten Ultraschallwellen berechnet, und dies für jede Position des Wandlers.
  • Diese Lösung ist mit großen Schwierigkeiten verbunden. Die Berechnung des angepassten Nacheilungsgesetzes erfordert die genaue Kenntnis der Form des Teils sowie die Position und die Ausrichtung des Wandlers in Bezug auf das Teil.
  • Außerdem ist diese Kontrollart auf dem industriellen Gebiet nicht immer anwendbar. Das lokale Eintauchen des Teils kann eventuell schwer realisierbar sein, insbesondere aus Gründen der beschränkten Zugänglichkeit.
  • 2) Multielemente-Kontaktwandler
  • Es werden auch Multielemente-Kontaktwandler verwendet. Jedoch kommt es auch hier wieder zu Verschlechterungen des übertragenen Felds, verursacht durch einen unangepassten Kontakt bei der Kontrolle von Teilen mit einer komplexen Form.
  • Zwar wurden algorithmische Techniken entwickelt, um diese Verschlechterung zu kompensieren, aber sie sind nicht sehr zufriedenstellend, denn sie erfordern das Vorhandensein bekannter Fehler in dem Teil.
  • Eine kürzlich entwickelte Lösung besteht dann, einen Multielemente-Kontaktwandler zu verwenden, dessen Emissionsfläche verformbar ist, so dass sie sich genau an die Oberfläche des Teils anpassen kann. In diesem Fall ist der Kontakt optimal und die Kopplungsschicht zwischen der Emissionsfläche und dem kontrollierten Teil bleibt ausreichend dünn und homogen, so dass sie die Transmission der Welle nicht stört.
  • Zu nennen ist insbesondere der durch die Dokumente [1], [2] und [4] (die – wie auch die in der Folge genannten Dokumente – am Ende der vorliegenden Beschreibung erwähnt werden) bekannten Wandler, der steife bzw. starre piezoelektrische Platten (aus Keramik) umfasst, eingebettet in ein elastisches Substrat, das passiv ist gegenüber Ultraschall.
  • Jedoch erfordert die Beherrschung des übertragenen Ultraschallbündels hinsichtlich einer Optimierung der Kennzeichnung der Fehler auch hier wieder die genaue Kenntnis der Geometrie des kontrollierten Teils sowie der Position und der Ausrichtung des Wandlers in Bezug auf dieses Teil.
  • JP 10042395 A beschreibt einen Multielemente-Ultraschallwandler.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die Kontrollleistung durch Ultraschall bei einem Objekt (mechanisches Teil oder Teil des menschlichen Körpers) von komplexer Form zu verbessern hinsichtlich der Detektion, Lokalisierung und Charakterisierung von Fehlern, welche dieses Objekt eventuell aufweisen könnte.
  • Die Verbesserung dieser Leistung erfordert die Beherrschung des in das Objekt übertragenen Ultraschallbündels bzw. -strahls, insbesondere bezüglich der Fokussiertiefe und der Ausrichtung dieses Strahls.
  • Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung einen Kontakt- Ultraschallwandler mit vielen Elementen zum Gegenstand, wobei jedes Element Sender und Empfänger von Ultraschallwellen ist und der Wandler dazu bestimmt ist, in Bezug auf ein zu untersuchendes Objekt verschoben zu werden, wobei er eine verformbare Emissionsoberfläche aufweist, die zur Herstellung des Kontakts mit der Oberfläche des Objekts dient und von der aus die Ultraschallwellen in Richtung Objekt abgestrahlt werden, wobei Steuereinrichtungen vorgesehen sind, um Erregungsimpulse der Emissionselemente zu erzeugen, und dieser Wandler dabei Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Ultraschallemissionselemente während der Verschiebung des Wandlers in Bezug auf das Objekt umfasst,
    und Verarbeitungseinrichtungen vorgesehen sind, die dazu dienen:
    • – aufgrund der so bestimmten Positionen Verzögerungsgesetze festzulegen, die den Emissionselementen ermöglichen, ein fokussiertes Ultraschallbündel zu erzeugen, dessen Charakteristika in Bezug auf das Objekt beherrscht werden, und
    • – diese Verzögerungsgesetze auf die Erregungsimpulse anzuwenden,
    wobei die Ultraschallempfangselemente dazu bestimmt sind, Signale zu liefern, welche die Realisierung von das Objekt betreffenden Bildern ermöglicht,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Ultraschallemissionselemente in Bezug auf das Objekt umfassen:
    • – erste Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Emissionselemente in Bezug auf einen unverformbaren Teil des Wandlers durch Messung der Verformung der Emissionsoberfläche und zur Lieferung der repräsentativen Signale der so bestimmten Positionen,
    • – zweite Einrichtungen zur Bestimmung der Position und Ausrichtung dieses unverformbaren Teils des Wandlers in Bezug auf das Objekt und zur Lieferung der repräsentativen Signale der so bestimmten Position und Ausrichtung, und
    • – dritte Einrichtungen zur Lieferung der jeweiligen Positionen der Ultraschallemissionselemente in Bezug auf das Objekt aufgrund der durch diese ersten und zweiten Einrichtungen gelieferten Signale.
  • Dank der Erfindung ist die genaue Kenntnis der Form des Objekts nicht mehr notwendig, da sie durch den Wandler vermessen wird. Dieser Letztere ist also fähig, autonom zu arbeiten, da er sich an die reale Form der durchgeführten Kontrolle anpasst, durch Messung, Analyse und Kompensation der Verformung der Emissionsoberfläche dieses Wandlers.
  • Man kann diesen Wandler also als "intelligent" betrachten.
  • Nach einer ersten speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Wandlers werden die vielen Elemente durch eine elastische piezoelektrische Polymerschicht und ein Gitter aus aneinandergrenzenden Elektroden gebildet, hergestellt durch metallische Abscheidung.
  • Nach einer zweiten speziellen Realisierungsart sind die vielen Elemente starre piezoelektrische Elemente, eingebettet in ein elastisches Substrat, das passiv ist gegenüber Ultraschallwellen.
  • Nach einer dritten speziellen Realisierungsart sind die vielen Elemente starr und mechanisch so miteinander verbunden, dass sie eine gelenkige Struktur bilden.
  • Vorzugsweise umfassen die ersten Einrichtungen:
    • – Einrichtungen zum Messen des Abstands von der Rückseite jedes Elements einer Teilgruppe der Ultraschallemissionselemente in Bezug auf unterschiedliche und fixe Punkte des unverformbaren Teils des Wandlers, und
    • – zusätzliche Verarbeitungseinrichtungen zur Bestimmung der Position jedes Ultraschallemissionselements aufgrund der so bestimmten Abstände.
  • Nach einer ersten speziellen Realisierungsart der Erfindung umfassen die Abstandsmesseinrichtungen:
    • – Ultraschall-Zusatzsender, jeweils befestigt an den Rückseiten der Elemente der Teilgruppe und dazu bestimmt, nacheinander Ultraschallwellen abzustrahlen,
    • – Ultraschall-Zusatzempfänger, befestigt an dem unverformbaren Teil und dazu bestimmt, die durch die Zusatzsender abgestrahlten Ultraschallwellen zu detektieren, und
    • – Einrichtungen zum Messen des Abstands jedes Zusatzsenders in Bezug auf jeden Empfänger einer die Ultraschallwellen mit der größten Intensität empfangenden Gruppe von Zusatzempfängern.
  • Nach einer zweiten speziellen Realisierungsart der Erfindung umfassen die Abstandsmesseinrichtungen:
    • – eine Mikrowellenquelle,
    • – eine Vielzahl starr mit dem unverformbaren Teil verbundener Mikrowellenantennen, gekoppelt mit dieser Quelle und dazu vorgesehen, nacheinander Mikrowellen abzustrahlen und ebenfalls nacheinander Mikrowellen zu empfangen,
    • – Mikrowellensonden, jeweils befestigt an den Rückseiten der Elemente der Teilgruppe und dazu vorgesehen, die durch die Antennen abgestrahlten Mikrowellen zu streuen, wobei diese Sonden jeweils mit nichtlinearen Vorrichtungen versehen sind, die dazu dienen, die jeweils durch die Sonden gestreuten Mikrowellen mit unterschiedlichen Frequenzen zu modulieren, und
    • – Empfangseinrichtungen der Mikrowellen, gekoppelt mit den Antennen und dazu bestimmt, den Abstand von jeder Sonde zu jeder Antenne zu messen, durch Messung der Phase der durch diese Sonde gestreuten und durch diese Antenne empfangenen Mikrowellen, wobei diese Empfangseinrichtungen außerdem dazu dienen, die Sonden durch synchrone Detektion mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen voneinander zu unterscheiden.
  • Vorzugsweise dienen die zusätzlichen Verarbeitungseinrichtungen dazu, durch eine Interpolationsmethode ein Profil zu bestimmen, das sich am besten für die Rückseiten der Elemente der Teilgruppe eignet und um aufgrund dieses Profils die Position der Emissionsoberfläche jedes Ultraschallemissionselements in Bezug auf den unverformbaren Teil des Wandlers zu bestimmen.
  • Die zweiten Einrichtungen können einen gelenkigen mechanischen Arm umfassen, der mit dem unverformbaren Teil des Wandlers fest verbunden ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die nachfolgende, nur erläuternde und keinesfalls einschränkende Beschreibung von Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Die 1 ist eine schematische Ansicht der Emissionsoberfläche einer linearen Anordnung von Ultraschall-Sender-Empfänger-Elementen,
  • die 2 illustriert schematisch ein Verformungsbeispiel der Anordnung der 1 auf einem beliebigen Profil,
  • die 3 illustriert schematisch ein in der Erfindung anwendbares Triangulationsprinzip,
  • die 4 ist eine schematische Ansicht einer ersten speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Wandlers mit Hilfs-Ultraschallsensoren,
  • die 5 zeigt schematisch das Prinzip einer in der Erfindung anwendbaren Streumethode ("scattering method"),
  • die 6 ist eine schematische Darstellung einer zweiten speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Wandlers mit Mikrowellenantennen, und
  • die 7 bis 9 zeigen schematisch drei Schritte eines in der Erfindung anwendbaren Algorithmus.
  • Detaillierte Darstellung von speziellen Realisierungsarten
  • Betrachtet wird ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler. Es handelt sich um einen Wandler mit vielen Elementen, dessen Emissionsoberfläche verformbar ist.
  • Diese Emissionsoberfläche ist dazu bestimmt, auf der Oberfläche eines zu untersuchenden Objekts verschoben zu werden und dabei den Kontakt mit dieser Oberfläche des Objekts aufrechtzuerhalten.
  • Zudem umfasst dieser Wandler erfindungsgemäß ein Messinstrumentarium der Verformung der Emissionsoberfläche, das die Position der piezoelektrischen Elemente in Bezug auf den starren Teils des Wandlers liefert, und man misst die Position (3 Koordinaten) und die Ausrichtung (3 Komponenten) des starren Teils des Wandlers in Bezug auf das Objekt.
  • Aus Gründen der Klarheit wird in der Folge davon ausgegangen, dass der Ultraschallwandler ein Wandler mit einer linearen Anordnung 2 (1) ist, der sich nur in der Einfallebene der Ultraschallwellen verformt, das heißt der Ebene (x, z) der 1 und 2.
  • Die Emissionsoberfläche dieses Wandlers ist nur in einer Richtung, nämlich Ly in der 1, in unabhängige Elemente 4 zerschnitten.
  • Die geometrischen Parameter einer solchen Anordnung 2 sind in der 1 dargestellt, mit folgenden Bezeichnungen:
  • Lx:
    Länge in der Einfallebene (x, z)
    Ly:
    Breite in der zur Einfallebene senkrechten Ebene (y, z)
    p:
    Abstand zwischen den jeweiligen Mitten von zwei benachbarten Elementen
    dx:
    Breite eines Elements.
  • Die Werte dieser Parameter werden in Abhängigkeit von der Anwendung und von akustischen Charakteristiken gewählt, nämlich der Mittenfrequenz und der Bandbreite des Signals.
  • Diese lineare Wandler (das heißt mit einer Dimension) ermöglicht, die Verformungen der Oberfläche in der Einfallebene (x, z) der 2 zu kompensieren.
  • Dieses Konzept kann bei der Realisierung von Ultraschallwandlern des Matrix-Typs angewendet werden, bei denen die den beiden Richtungen x und y entsprechende Emissionsoberfläche die Beherrschung des Ultraschallstrahls in allen Richtungen des dreidimensionalen Raums ermöglicht.
  • In Bezug auf die verformbare Art des Wandlers können mehrere Techniken angewendet werden. Sie werden durch die Art des verwendeten piezoelektrischen Materials definiert werden.
  • So kann die Emissionsoberfläche durch eine elastische piezoelektrische Polymerschicht gebildet werden, typisch aus PVDF, und aus einem Gitter aus aneinandergrenzenden Elektroden, hergestellt durch Metallabscheidung (s. Artikel [1] und [2]).
  • In den Dokumenten [1), (2) und [4] wird auch eine Technik beschrieben, die darin besteht, eine Gruppe von starren piezoelektrischen Elementen zu verwenden, eingegossen in ein gegenüber Ultraschall passives (das heißt inertes) Substrat.
  • Schließlich besteht eine durch die Firma Metalscan entwickelte Technik darin, eine Gruppe von starren Ultraschallelementen zu verwenden, die mechanisch so zusammengebaut werden, dass sie eine gelenkige Struktur bilden.
  • Unabhängig von der angewendeten Technik (vorhanden oder speziell entwickelt) muss diese lokale Verformungen mit einem sehr kleinen Krümmungsradius ermöglichen, typisch 15 mm bis 20 mm, und auf Ultraschallwandler des Matrix-Typs übertragbar sein.
  • In der 2 ist ein Realisierungsbeispiel einer solchen linearen und verformbaren Multielemente-Anordnung dargestellt, nämlich diejenige, die von der Firma Metalscan vorgeschlagen wird.
  • Die Trapezform und die Dimensionen der Ultraschall-Sender-Empfänger-Elemente 6 wurde so entwickelt, dass sie den für die erwünschte Verformung notwendigen Ausschlag ermöglichen.
  • In der 2 trägt das kontrollierte Objekt das Bezugszeichen 8. Jedes Element hat eine aktive Seite 10 in Kontakt mit der Oberfläche des Objekts und eine Rückseite 12, "Backing" genannt.
  • Der Wandler der 2 umfasst auch ein unverformbares Gehäuse 14, mit dem Multielemente-Anordnung 6 fest verbunden ist.
  • Nach der Erfindung integriert man ein Messsystem der Verformung der (alle Aktivflächen der Elemente umfassenden) Vorderseite des Wandlers in das Innere dieses Wandlers. Diese Verformung erhält man mittels eines spezifischen Instrumentariums, das in der Folge beschrieben wird.
  • Im Falle einer eindimensionalen Anordnung wird die Position eines Elements durch seine beiden Koordinaten (x, z) bestimmt, gemessen in einem dem Wandler zugeordneten Bezugssystem.
  • Die zur Erlangung der Positionskoordinaten jedes Elements in dem Bezugssystem des Wandlers gewählte Technik besteht in der Abtastung der verformbaren Oberfläche mittels Messung der Koordinaten einer bestimmten Anzahl von Elementen.
  • Anschließend wird eine polynominale Interpolationstechnik angewandt, um die Koordinaten aller Elemente zu bestimmen.
  • Die Messung, die diese Abtastung ermöglicht, beruht auf dem Prinzip der Triangulation (3).
  • In dem vorliegenden Fall kann man die Koordinaten (x, z) eines Punkts der Rückseite eines Elements M durch die Messung von zwei Abständen d1, d2 erhalten, die es von zwei unterschiedlichen Punkten m1, m2 von bekannten Koordinaten (x1, z1), (x2, z2) trennen, wobei dieser Punkte m1 und m2 durch einen Abstand d voneinander getrennt sind.
  • Das Instrumentarium wird folglich durch eine Gruppe von Sensoren gebildet, die für jedes zur Abtastung ausgewählte Element Ei (2) ermöglichen, die Abstände Di1, Di2 zu messen, die es jeweils von zwei bestens bekannten Punkten m1, m2 auf dem Gehäuse 14 des Wandlers trennen.
  • Die verwendeten Abstandssensoren müssen zahlreiche Anforderungen erfüllen.
  • Zunächst dient die Messung der Abstände der Definition der auf die Anordnung anzuwendenden Nacheilungsgesetze, so dass die Auflösung ausreichend fein ist. Man wählt eine Auflösung in der Größenordnung von λ/10, wo λ die Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem untersuchten Material ist.
  • Zum Beispiel, wenn die Ultraschallfrequenz 2 MHz beträgt und das Material Stahl ist, erhält man eine longitudinale Wellenlänge von 2,95 mm. Die erforderliche Auflösung hat folglich die Größenordnung von ungefähr 0,3 mm.
  • Außerdem muss das komplette Instrumentarium in das Innere des Wandlers integriert werden, so dass die elementare Abmessung der Sensoren sehr klein sein muss, in der Größenordnung 1 mm.
  • Schließlich muss der Zugangsabstandsbereich dieser Sensoren mehrere Millimeter betragen.
  • Zwei diesen Kriterien entsprechende Sensorentechniken wurden ausgewählt.
  • Die erste Technik besteht dann, Ultraschallsender und -empfänger zu verwenden (4).
  • Ein Hilfs-Ultraschallsender 16 ist auf der Rückseite jedes für die Abtastung ausgewählten Elements befestigt, und Hilfs-Ultraschallempfänger 18, deren Positionen man kennt, sind auf der Innenseite des Gehäuses 14 des Wandlers diesen Sendern 16 gegenüber befestigt.
  • Jeder Sender 16 ist dynamisch – in Abhängigkeit von der Amplitude des empfangenen Signals – einem Paar Empfänger 18 zugeordnet.
  • Der Abstand eines Senders 16 von jedem zugeordneten Empfänger 18 wird durch Messung der Flugzeit der von diesem Sender 16 emittierten Ultraschallwelle ermittelt.
  • Die Verwendung von verschiedenen Empfängern 18, das heißt von verschiedenen Bezugspunkten auf dem Gehäuse, ist aufgrund der Richtfähigkeit bzw. Richtcharakteristik der Ultraschallwellen geboten.
  • Die akustischen Charakteristiken der Sender 16 und der Empfänger 18 (insbesondere Mittenfrequenz, Bandbreite) werden so gewählt, dass man die erwünsche Auflösung erhält.
  • Bei dieser Technik müssen die Sender 16 aus evidenten Gründen zur Vermeidung von Störungen nacheinander senden. Die Positionen der verschiedenen jeweils Sendern 16 zugeordneten Elementen erhält man folglich nicht mehr simultan sondern sequentiell.
  • Darauf bezog sich die schon weiter oben erwähnte dynamische Zuordnung: wenn ein Sender 16 aktiviert wird, werden die von ihm abgestrahlten Ultraschallwellen von allem Empfängern 18 empfangen, und man wählt dann unter diesen Empfängern 18 die beiden Empfänger aus, welche die Ultraschallwellen der höchsten Intensität empfangen haben, um diese beiden Empfänger dem betreffenden Sender 16 zuzuordnen.
  • Man sieht in der 4 auch:
    • – die Einrichtungen 20 zum Steuern der Hilfssender 16, die ermöglichen, diese nacheinander zu aktivieren,
    • – die Einrichtungen 22, welche die durch die Empfänger 18 gelieferten Signale empfangen, selektieren zwei von diesen Empfängern, um sie dynamisch jedem Sender 16 zuzuordnen, wie man gesehen hat, und bestimmen den Abstand zwischen der Rückseite des diesen Empfänger tragenden Elements in Bezug auf jeden dieser beiden zugeordneten Empfänger (daher die Position der Rückseite dieses Elements 6 in Bezug auf das Gehäuse 14), und
    • – die zusätzlichen Verarbeitungseinrichtungen 24, die – wie man weiter unten sehen wird – die Position der aktiven Seite jedes Elements 6 in Bezug auf das Gehäuse bestimmen.
  • Die zweite Technik beruht auf dem Prinzip der modulierten Phase, angewendet auf die Mikrowellenantennen.
  • Diese Technik, erklärt in dem Dokument [3], auf das Bezug genommen wird, beruht auf dem Prinzip der Streuung ("scattering").
  • Sie besteht darin, die Störung des elektromagnetischen Feldes zu messen, induziert durch das Vorhandensein einer Sonde 26 (5) in dem Feld einer Mikrowellenantenne 28. Das durch die Sonde gestreute Signal wird folglich in Höhe bzw. von dieser Antenne empfangen, wobei diese Antenne durch einen Zirkulator 34 mit einer Mikrowellenquelle 30 und einem Mikrowellenempfänger 32 verbunden ist.
  • Ursprünglich zum Messen des Strahlungsfeldes durch eine Mikrowellenantenne bestimmt, ermöglicht diese Technik durch Reziprozität den Abstand zu messen, der die Sonde von der Antenne trennt. Wenn das Strahlungsdiagramm der Antenne vollständig bekannt ist, ermöglicht nämlich das Messen der Phase des am Ort der Sonde abgestrahlten Feldes den Abstand zu erfahren, der diese Sonde von der Antenne trennt.
  • Um seine Detektion in Höhe der Antenne zu verbessern, wird das durch die Sonde gestreute Signal mit Hilfe eine nichtlinearen Vorrichtung 36 moduliert, typisch eine Diode.
  • Diese Modulationstechnik ermöglicht außerdem die simultane Benutzung von verschiedenen, mit unterschiedlichen Frequenzen modulierten Sonden, wobei die Unterscheidung in Höhe des Empfängers durch eine einfache synchrone Detektion mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen erfolgt. So ist es möglich, simultan den Abstand zu messen, der eine Gruppe von Sonden von einer selben Antenne trennt.
  • Die Anwendung dieser Technik ist in der 6 schematisch dargestellt und besteht folglich darin, auf der Rückseite jedes zur Abtastung ausgewählten Elements 6 eine Sonde 26 anzubringen, moduliert durch eine nichtlineare Vorrichtung 36, und auf der Innenseite des Gehäuses 14, gegenüber modulierten Sonden 26, zwei Mikrowellenantennen 42 und 44 vorzusehen, deren Positionen auf dem Gehäuse bekannt sind.
  • Da diese Antennen nicht simultan benutzt werden können, sind zwei Erfassungssequenzen notwendig, um den Abstand zu erhalten, der jede Sonde von einem Element einer selben Antenne trennt.
  • Schließlich sei festgestellt, dass die Art des gemessenen Abstands von der Konfiguration des (typisch planen oder sphärischen) Strahlungsdiagramms dieser Antenne abhängt, was verschiedene Instrumentierungs-Konfigurationen zulässt.
  • In der 6 sieht man auch:
    • – die Einrichtungen 46 zum Steuern der nichtlinearen Vorrichtungen 36, die die Sonden mit unterschiedlichen Frequenzen modulieren,
    • – die Mikrowellenquelle 48, die nacheinander die Antennen 42 und 44 aktiviert, damit diese sukzessiv Mikrowellen abstrahlen, und die mit diesen Antennen 42 und 44 jeweils durch zwei Zirkulatoren 50 und 52 verbunden sind,
    • – den Mikrowellenempfänger 54, der die Signale verarbeitet, die er über die Zirkulatoren 50 und 52 nacheinander von den Antennen erhält, um den Abstand von der Rückseite jedes eine Sonde 26 tragenden Elements 6 in Bezug auf jede Antenne zu bestimmen (daher die Position der Rückseite dieses Elements 6 in Bezug auf das Gehäuse 14), wobei diese Bestimmung der Abstände durch Messen der Phase der durch die Sonden gestreuten Mikrowellen erfolgt und der Empfänger vorgesehen ist, die Sonden durch eine synchrone Detektion mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen voneinander zu unterscheiden, und
    • – die zusätzlichen Verarbeitungseinrichtungen 24, welche die Position jedes der Elemente in Bezug auf das Gehäuse 14 bestimmen, wie man sehen wird.
  • Aufgrund der Abtastung der Emissionsoberfläche der Anordnung aus Multielementen 6 (4 oder 6) muss man die Koordinaten aller dieser Elemente 6 erfassen.
  • Die Messung erfolgt auf der Rückseite ("backing") eines Elements, während die Berechnung des Nacheilungsgesetzes aufgrund der Position der aktiven Seite oder Emissionsseite des Elements, das heißt auf der Seite der Emissionsoberfläche des Wandlers, erfolgt.
  • Um diese letzte Information zu erhalten, ist ein Algorithmus entwickelt worden. Er umfasst drei Schritte.
    • 1) Mit Hilfe einer Interpolation zum Beispiel des kubischen "Spline"-Typs (type pistolet cubique) wird die Kurve C1 bestimmt, welche die beste Annäherung an das Profil ist, das durch die Messpunkte auf der Rückseite, oder Backing, verläuft (s. die 7, wo zum Beispiel sechs Messpunkte M1 bis M6 dargestellt sind).
    • 2) Wir nehmen hier hypothetisch an, dass die Achse jedes Elements (die Achsen haben in der 8 die Bezugszeichen X1 bis X6) rechtwinklig bleibt zu der lokalen Neigung der Oberfläche des untersuchten Teils und zu der lokalen Neigung, die durch das Ende des Backing der Gesamtheit der Elemente gebildet wird (die lokalen Neigungen sind mit T1 bis T6 bezeichnet. Aufgrund des Backing-Profils bestimmen wir also durch Messen der lokalen Abweichung die Ausrichtung jedes gemessenen Elements. Aufgrund dieser Abweichung und der Höhe H jedes Elements erhalten wir also die Koordinaten des entsprechenden Punkts an der Emissionsoberfläche (diese entsprechenden Punkte haben in der 8 die Bezugszeichen S1 bis S6).
    • 3) Anschließend wenden wir auf diese Abtastpunkte der Emissionsoberfläche eine Interpolation des kubischen "Spline"-Typs an.
  • Aufgrund der so erhaltenen Kurve C2 (9) können wir die Position der verschiedenen Elemente in dem Bezugssystem des Wandlers bestimmen, das heißt in Bezug auf das Gehäuse 14 dieses Wandlers in dem betrachteten Beispiel.
  • Betrachten wir nun die Instrumentierung zur Messung der Position und der Ausrichtung des Wandlers der 4 oder 6.
  • Diese mit dem Wandler verbundene Instrumentierung muss ermöglichen, im Laufe der Verschiebung dieses Wandlers seine Position und seine Ausrichtung in dem festen Bezugssystem des Objekts 8 zu erhalten.
  • Es gibt verschiedene für diesen Messtyp bestimmte Sensoren.
  • In den Beispielen der 4 und 6 verwendet man einen gelenkigen mechanischen Arm 56. Je nach dem, ob dieser Arm passiv oder aktiv ist, misst man oder kontrolliert man seine Ausrichtung im Laufe seiner Verschiebung im Kontakt mit dem Objekt.
  • In den Beispielen der 4 und 6 ist dieser Arm mit verschiedenen Sensoren 58 ausgerüstet, die ermöglichen, den Ultraschallwandler im Raum zu positionieren und seine Ausrichtung im Laufe seiner Verschiebung in Bezug auf das Objekt 8 zu messen.
  • Ein Beispiel für einen solchen Arm ist der mechanische Teil des "Sinus-Arms", vertrieben durch die Firma Metalscan (s. Dokument [5]).
  • In den 4 und 6 sieht man auch Einrichtungen 60, die in Abhängigkeit von durch die Einrichtungen 24 gelieferten Positionen und in Abhängigkeit von der durch die Sensoren 58 gelieferten Position und Ausrichtung die Positionen des Wandlers in Bezug auf das Objekt 8 bestimmen.
  • Man sieht auch Steuerungs- und Verarbeitungseinrichtungen 62, um:
    • – Erregungsimpulsen der Elemente 6 zu erzeugen,
    • – aufgrund der bestimmten Positionen Verzögerungs- bzw. Nacheilungsgesetze zu erstellen, die den Elementen 6 ermöglichen, ein fokussiertes Ultraschallbündel F zu erzeugen, dessen Charakteristiken in Bezug auf das Objekt 8 beherrscht werden, und
    • – diese Nacheilungsgesetze auf die Erregungsimpulse anzuwenden.
  • Die Elemente 6 liefern dann Signale an die Einrichtungen 62, vorgesehen um aufgrund dieser Signale Bilder bezüglich des Objekts 8 zu liefern. Diese Bilder werden auf einem Bildschirm 64 angezeigt.
  • Falls man einen passiven Arm benutzt (ohne Sensor), verschiebt der Benutzer den Wandler manuell, wobei seine Position und seine Ausrichtung durch die Sensoren 58 gemessen und an die Einrichtungen 60 geliefert werden.
  • Der Arm kann durch andere Einrichtungen ersetzt werden, zum Beispiel durch Trägheitssensoren, die auch fähig sind, die Position und Ausrichtung des Wandlers zu liefern.
  • Zudem verwenden die angegebenen Beispiele zugleich Ultraschallsender und -empfänger. Der Fachmann kann diese Beispiele an den Fall von Wandlern anpassen, die Elemente umfassen, die nur zum Senden von Ultraschall vorgesehen sind, und andere Elemente, die nur zum Empfangen von Ultraschall vorgesehen sind.
  • Diese Beispiele können auch an einen Wandler angepasst werden, der Lambwellen emittiert.
  • Zudem werden in diesen Beispielen Wandler benutzt, die eine lineare Anordnung von Ultraschallelementen umfassen, aber die Erfindung ist nicht auf solche Wandler beschränkt. Der Fachmann kann die angegebenen Beispiele an Matrix-Wandler anpassen, zum Beispiel von der Art derer, die in den Dokumenten [1], [2] und [4] beschrieben werden.
  • Insbesondere muss man dann jedem Hilfs-Ultraschallsender (s. 4) nicht nur zwei sondern drei Empfänger einer auf dem Gehäuse 14 befestigten Ultraschallempfänger-Matix zuordnen, oder im Falle eines Matrixwandlers, angepasst an den in der 6 dargestellten, nicht mehr zwei sondern drei Mikrowellenantennen benutzen.
  • Die in der vorliegenden Beschreibung genannten Dokumente sind die folgenden:
    • [1] D.J. Powell und G. Hayward, "Flexible ultrasonic transducer arrays for nondestructive evaluation applications PART I: The theoretical modeling approach", IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Bd. 43, Nr. 3, Mai 1996, Seiten 385 bis 392
    • [2] D.H. Powell und G. Hayward, "Flexible ultrasonic transducer arrays for nondestructive evaluation applications PART I: The theoretical modeling approach", IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Bd. 43, Nr. 3, Mai 1996, Seiten 393-402
    • [3] J. CH. Bolomey, "Die modulierte Streuungsmethode: ein Zugang zur Aufnahme bzw. Erstellung der Mikrowellenkarten in Echtzeit", L'onde électrique, 1982, Bd. 62, Nr. 5, Seiten 73-78
    • [4] Internationale Patentanmeldung WO 94/13411, internationales Veröffentlichungsdatum: 23. Juni 1994, für "Ultrasonic transducer", Erfindung von G. Hayward und K.J. Powel
    • [5] Veröffentlichung der Firma METALSCAN, Grenoble, Frankreich, Referenz SINU9506MTS, Juni 1995, "Systeme numérique de controle par ultrasons (digitales System zur Kontrolle durch Ultraschallwellen) SINUS O.L. O°MTS, Seiten 1-10.

Claims (9)

  1. Kontakt-Ultraschallwandler mit vielen Elementen (6), wobei jedes Element ein Ultraschallsender und -empfänger ist und der Wandler dazu bestimmt ist, in Bezug auf ein zu untersuchendes Objekt (8) verschoben zu werden, wobei er eine verformbare Sendefläche aufweist, die zur Herstellung des Kontakts mit der Oberfläche des Objekts dient und von der aus die Ultraschallwellen in Richtung Objekt gesendet werden, wobei Steuereinrichtungen (62) vorgesehen sind, um Erregungsimpulse der Sendeelemente zu erzeugen, und dieser Wandler dabei Einrichtungen (16, 18, 20, 22, 24, 56, 58, 60; 24, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 56, 58, 60) zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Ultraschall-Sendeelemente während der Verschiebung des Wandlers in Bezug auf das Objekt umfasst, sowie Verarbeitungseinrichtungen, die dazu dienen: – aufgrund der so bestimmten Positionen, Verzögerungsgesetze zu festzulegen, die den Sendeelementen ermöglichen, ein fokussiertes Ultraschallbündel (F) zu erzeugen, dessen Charakteristika in Bezug auf das Objekt beherrscht werden, und – diese Verzögerungsgesetze auf die Erregungsimpulse anzuwenden, wobei die Ultraschall-Empfangselemente dazu bestimmt sind, Signale zu liefern, welche die Bildung bzw. Realisierung das Objekt betreffender Bilder ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Ultraschall-Sendeelemente in Bezug auf das Objekt umfassen: – erste Einrichtungen (16, 18, 20, 22, 24; 24, 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54) zur Bestimmung der jeweiligen Positionen der Sendeelemente in Bezug auf einen unverformbaren Teil (14) des Wandlers durch Messung der Verformung der Sendefläche, und zur Lieferung der repräsentativen Signale der so bestimmten Positionen, – zweite Einrichtungen (58, 60) zur Bestimmung der Position und Ausrichtung dieses unverformbaren Teils des Wandlers in Bezug auf das Objekt und zur Lieferung der repräsentativen Signale der so bestimmten Position und Ausrichtung, und – dritte Einrichtungen (60) zur Lieferung der jeweiligen Positionen der Ultraschall-Sendeelemente in Bezug auf das Objekt aufgrund der durch diese ersten und zweiten Einrichtungen gelieferten Signale.
  2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die vielen Elemente durch einen biegsamen piezoelektrischen Polymerstreifen und ein durch Metallabscheidung realisiertes Gitter aus nebeneinanderliegenden Elektroden gebildet wird.
  3. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die vielen Elemente steife piezoelektrische Elemente sind, eingebettet in ein biegsames Substrat, das gegenüber Ultraschallwellen passiv ist.
  4. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die vielen Elemente steif sind und mechanisch so miteinander verbunden sind, dass sie eine gelenkige Struktur bilden.
  5. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die ersten Einrichtungen umfassen: – Einrichtungen (16, 18, 20, 22; 38, 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54) zum Messen des Abstands von der Rückseite jedes Elements einer Teilgruppe der Ultraschall-Sendeelemente in Bezug auf unterschiedliche und fixe Punkte des unverformbaren Teils des Wandlers, und – zusätzliche Verarbeitungseinrichtungen (24) zur Bestimmung der Position jedes Ultraschall-Sendeelements aufgrund der so bestimmten Abstände.
  6. Wandler nach Anspruch 5, bei dem die Abstandsmesseinrichtungen umfassen: – Ultraschall-Zusatzsender (16), jeweils befestigt an den Rückseiten der Elemente der Teilgruppe und dazu bestimmt, nacheinander Ultraschallwellen auszusenden, – Ultraschall-Zusatzempfänger (18), befestigt an dem unverformbaren Teil und dazu bestimmt, die durch die Zusatzsender ausgesendeten Ultraschallwellen zu detektieren, und – Einrichtungen (22) zum Messen des Abstands jedes Zusatzsenders in Bezug auf jeden Empfänger einer die Ultraschallwellen mit der größten Intensität empfangenden Gruppe von Zusatzempfängern.
  7. Wandler nach Anspruch 5, bei dem die Abstandsmesseinrichtungen umfassen: – eine Mikrowellenquelle (48), – eine Vielzahl starr mit dem unverformbaren Teil verbundener Mikrowellenantennen (42, 44), gekoppelt mit dieser Quelle und dazu vorgesehen, nacheinander Mikrowellen auszusenden und ebenfalls nacheinander Mikrowellen zu empfangen, – Mikrowellensonden (38), jeweils befestigt an den Rückseiten der Elemente der Teilgruppe und dazu vorgesehen, die durch die Antennen abgestrahlten Mikrowellen zu streuen, wobei diese Sonden jeweils mit nichtlinearen Vorrichtungen (40) versehen sind, die dazu dienen, die jeweils durch die Sonden gestreuten Mikrowellen mit unterschiedlichen Frequenzen zu modulieren, und – Empfangseinrichtungen (54) der Mikrowellen, gekoppelt mit den Antennen und dazu bestimmt, den Abstand von jeder Sonde zu jeder Antenne zu messen, durch Messung der Phase der durch diese Sonde gestreuten und durch diese Antenne empfangenen Mikrowellen, wobei diese Empfangseinrichtungen außerdem dazu dienen, die Sonden voneinander zu unterscheiden durch Synchrondetektion mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen.
  8. Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die zusätzlichen Verarbeitungseinrichtungen (24) dazu bestimmt sind, durch eine Interpolationsmethode ein sehr gut an den Rückseiten der Elemente der Teilgruppe verlaufendes Profil zu bestimmen und aufgrund dieses Profils die Position der Sendefläche jedes Ultraschall-Sendeelements in Bezug auf den unverformbaren Teil des Wandlers zu bestimmen.
  9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die zweiten Einrichtungen einen gelenkigen mechanischen Arm (56) umfassen.
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