DE8430523U1

DE8430523U1 - Sensor zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts mittels Ultraschall

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Publication number: DE8430523U1
Application number: DE19848430523
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1984-10-17
Publication date: 1986-07-24

Description

Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und' München VPA 84 P ή 4 5 1 OE

^Sensor zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts mittels Ultraschall^

Die Neuerung bezieht sich auf einen Sensor mit einem im Bereich eines Ultraschallfeldes angeordneten, zu untersuchenden Objekt mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Es ist bekannt (P. Kleinschmidt, V. Mägori: "Ultrasonic Remote Sensors for Noncontact Objert Detection", Siemens Forschungs- und Entwicklungs-Berichte Bd. 10 (1981), Nr. 2, Springer-Verlag 1981), die von einem Ultraschallgeber in einem Freifeld auf das zu untersuchende Objekt abgestrahlten Schallwellen hinsichtlich der vom Objekt verursachten Echos zu untersuchen. Bei dieser Anordnung geben die Amplituden- und Laufzeitunterschiede der reflektierten Echosignale Aufschluß über die Entfernung des Objekts vom Ultraschallsender. Die Anordnung ist ganz darauf abgestellt, kontaktlose. Untersuchungen des Objekts vorzunehmen, wodurch eine entsprechende Anordnung von Ultraschallgeber und -empfänger sowie das entsprechende Auswerteverfahren vorgegeben ist.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor

zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts mittels Ultraschall zu schaffen, bei dem die Objektuntersuchung bei mechanischem Kontakt des Objekts mit dem Sensorsystem durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der Sensor der eingangs genannten Art neuerungsgemäß die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 auf. Mit dem neuerungsgemä-

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ßen Sensor wird in vorteilhafter Weise der Übertragungsweg des Ultraschalls in einen festen, als Objektträger dienenden Körper verlegt, der beispielsweise Bestandteil einer Greifzange eines Handhabungsautomaten sein kann. Um die erforderliche Detektion des auf dem Objektträger aufliegenden Objekts durchführen zu können, ist der Objektträger mit den zungenartigen Gebilden verseilen, die vom Ultraschallgeber zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Der Ultraschallgeber ist in üblicher Weise fest an den Objektträger angekoppelt, so daß sich die von ihm hervorgerufenen mechanischen Schwingungen im Objektträger fortpflanzen können. Die zungenartigen Gebilde sind hierzu mit solchen konstruktiven Abmessungen zu versehen, daß ihre Eigenresonanzen in vorteilhafter Weise im Bereich der Grund- bzw. Oberwellenfrequenzen der Sendefrequenz des Ultraschallgebers liegen.

Weiterhin sind die zungenartigen Gebilde so an der Oberfläche des Objektträgers angeordnet, daß sich ihre mechanischen Schwingungen primär hinsichtlich der Schwingungsamplitude von einem auf dem Objektträger aufliegenden Objekt beeinflussen lassen. Somit ist erreicht, daß sich, für den Fall, daß sich die Schwingungen ungestört an den zungenartigen Gebilden ausbilden können, andere Übertragungsverhältnisse für die Ultraschallfrequenzen im Objektträger einstellen, als wenn diese Schwingungen durch ein Objekt oder Teilen davon gestört werden. Die im Objektträger auftretenden Resonanzen beeinflussen das Übertragungsverhalten des Objektträgers bekannterweise erheblich. Werden die verschiedenen zungenartigen Gebilde in ihren Abmessungen geringfügig variiert und beispielsweise rasterförmig über die Oberfläche des Objektträgers verteilt, so werden an jedem der zungenartigen Gebilde sich andere Resonanzen einstellen, wodurch sich unterschiedliche Beein-, flussungen der verschiedenen Ultraschallfrequenzen, abhängig von der Lage oder der Kontur eines aufliegenden Objekts, ergeben. Mit der angeschlossenen Auswerteeinheit

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ist somit nur noch eine Analyse der empfangenen Frequenzen, insbesondere hinsichtlich der Amplituden, notwendig. Eine absolute Bestimmung der Frequenzen und ihrer Amplituden ist in der Regel nicht notwendig, da über Vergleichsmessungen mit verschiedenen Objekten bzw. ohne Objekt eine Änderung der Übertragungsbedingungen im Objektträger detektiert werden kann, was zu hinreichenden Ergebnissen bei der Auswertung führt. Langfristige thermische Änderungen, die ebenfalls das Übertragungsverhalten beeinflussen, führen somit zu keinen Fehlern.

Die meßtechnische Ausnutzung von Resonanzschwingungen und deren Beeinflussung ist beispielsweise in "Technisches Messen", 51. Jahrgang, 1984, Heft 9, Seiten 324 bis 328 beschrieben. Hier ist ein Grenzschalter für Flüssigkeiten mit einem mechanische Schwingungen ausführenden System ausgestattet, dessen Resonanzverhalten sich beim Eintauchen in eine Flüssigkeit ändert. Durch eine Analyse von Frequenz und Amplitude der auftretenden Schwingungen kann eine Aussage über das Dämpfungsverhalten und somit über den Flüssigkeitsstand gewonnen werden.

Es ist weiterhin für sich bereits bekannt, Messungen der Ultraschallresonanzstellen an festen Körpern und anschließende Frequenzanalyse durchzuführen (J. Krautkrämer, H. Krautkrämer: "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", 4. Auflage, Springer-Verlag 1980, Seiten 265 bis 269). Hierbei ist jedoch davon ausgegangen, daß Fehlstellen in einem Material dadurch detektiert werden können, daß Resonanzen auftreten, die bei Vergleichsmessungen mit einem Referenzmodell nicht auftreten. Dieses Meßverfahren wird beispielsweise bei Dickenmessern in metallischen Rohren angewendet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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Die Neuerung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Objektträgers bei dem neuerungsgemäßen Sensor, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Objektträgers sowie

Figur 3 und Figur 4 einen Querschnitt durch weitere Ausführungsbeispiele eines Objektträgers mit einer elastischen Folie darsteilen.

Die Figur 1 zeigt einen Ultraschallgeber UG, der beispielsweise auf einer festen Ultraschallfrequenz oder einer kontinuierlich durchstimmbaren Ultraschallfrequenz arbeitet. Bei einer weiteren Ausführungsforrn des Ultraschallgebers kann dieser auch als Impulsgeber aus einem aus einer Reihe von Einzelfrequenzen zusammengesetzten Impuls ausgebildet sein. Der Ultraschallgeber UG ist an einer Seite eines Objektträgers OT angebracht, an dessen gegenüberliegenden Seite der Ultraschallempfänger UE angeordnet ist, der so breitbandig hinsichtlich der Empfangsfrequenzen ausgelegt ist, daß er alle vom Ultraschallgeber ausgesendeten Einzelfrequenzen empfangen und in ein elektrisches Signal am Ausgang A umsetzen kann. Dieses Signal am Ausgang A wird mit einer Auswerteeinheit AE weiterverarbeitet.

In der Oberfläche des Objektträgers OT sind zungenartige Gebilde fl ... f6 durch U-förmige Ausnehmungen gebildet. Diese U-förmigen Ausnehmungen sind durch den gesamten Querschnitt des Objektträgers OT geführt, so daß die zungenartigen Gebilde fl ... f6 freischwingende Zapfen darstellen, die von den im Objektträger OT getragenen Ultraschallschwingungen des Ultraschallgebers UG zu mechanischen Schwingungen angeregt werden können. Bei einer vom Ultraschallgeber UG erzeugten Einzelfrequenz ist es vorteilhaft, die zungenartigen Gebilde mit geringen konstruktiven Unterschieden aufzubauen, so daß sich unterschiedliche Resonanzfrequenzen der einzelnen Gebilde f 1,

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f2 und f3 '... f6 einstellen. Wenn ein zu untersuchendes Objekt OB auf der Oberfläche des* Objektträgers OT auf-

liegt, werden die zungenartigen Gebilde (hier f3) in ihren mechanischen Schwingungen behindert, wodurch für diese Frequenz sich andere Übertragungsbedingungen im Objektträger OT einstellen. Mit der Auswerteeinheit AE braucht P nur noch eine Analyse der Amplituden der Einzelfrequenzen | durchgeführt zu werden, womit erkennbar ist, daß durch das $, Aufliegen des zu untersuchenden Objekts OB an der in der ä Figur gezeigten Stelle sich eine spezifische Veränderung p der Amplitude der Resonanzfrequenz des zungenartigen Ge- ? bildes f3 ergibt. · I

Das Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 ist in weiten |

Teilen mit dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 iden- £-

tisch, jedoch sind hier die zungenartigen Gebilde durch rohrfÖrmige Ausnehmungen im Objektträger OT gebildet. Aufgrund der rohrförmigen Ausnehmungen bleiben Stäbe fl¹ ... f6· als zungenartige Gebilde stehen, die in ihren Abmessungen so hergestellt sind, daß sich Resonanzfrequenzen im Bereich der Grund- bzw. Oberwellenfrequenzen des Ultraschallgebers einstellen. Ein auf dem Objektträger OT aufliegendes, zu untersuchendes Objekt beeinflußt hier in gleicher Weise wie bei dem Beispiel nach der Figur 1 die mechanischen Schwingungen der Stäbe f1', f2', f3', f4', f5' oder f6'_f wodurch sich auch hier eine Detektion der Lage des Objekts durchführen läßt.

Bei dem in der Figur 3 und in der Figur 4 jeweils gezeigten Querschnitt durch den Objektträger OT liegt auf diesem eine elastische Folie EF mit noppenartigen Wölbungen W auf. Für den Fall, daß kein Objekt OB auf dem Objektträger OT aufliegt, können die Stäbe fl bzw. f1» und f2' frei schwingen, wenn jedoch die elastische Folie IiF durch die BeIa- , stung eines zu untersuchenden Objekts OB fest an den Objektträger OT angedrückt wird, erfolgt hieraus eine Dämp-

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fung der Schwingung des Stabes f2 bzw. f3'_f womit sich für diese Resonanzfrequenz ein anderes Übertragungsverhalten im Objektträger OT ergibt.

6 Schutzansprüche
4 Figuren

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Claims

Neue Schutzansprüche Unser Zeichen (ersetzen die bisher gültigen VPA 84 H 4451 DE Ansprüche) Aktenzeichen G 84 30 523.1

1. Sensor zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts mittels Ultraschall, wobei

- im übertragungsweg zwischen Ultraschallgeber (UG) und -empfänger (UE) das zu untersuchende Objekt (OB) angeordnet ist, und

- mit einer Auswerteeinheit (AE) zur Analyse der durch

das Objekt (OB) verursachten Beeinflussungen der Schall-Parameter,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Sensor einen Objektträger (OT) mit einer Auflagefläche für das Objekt aufweist, an dessen Seiters sich gegenüberliegend der Ultraschallgeber (UG) und -empfänger (UE) angebracht sind, wobei - der Übertragungsweg des Schalls durch den Objektträ ger (OT) parallel zur Auflagefläche auf dem Objekt träger (OT) verläuft, daß

- der Objektträger (OT) zungenartige Gebilde (fl ... f6j fl¹ ... f6') aufweist, die mechanische Eigenschwingun gen im Frequenzbereich des Ultraschallgebers ausführen können und derart an der Auflagefläche des Objektträgers (OT) angeordnet sind, daß bei Aufliegen des zu untersuchenden Objekts oder Teilen davon die mechanischen Eigenschwingungen behindert werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

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- die zungenartigen Gebilde (fl ... f6) durch U-förmige Ausnehmungen in der Ebene der Oberfläche des Objektträgers (OT) gebildet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß

- die zungenartigen Gebilde (fl' ... f6·) durch aufgrund von rohrförmigen Ausnehmungen sich ergebende zylindrisehe Stäbe in Richtung des Querschnitts des Objektträgers (OT) gebildet sind.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß 15

- die Eigenresonanzen der zungenartigen Gebilde (fl ... f6; fl¹ ... f6·) nahe beieinander im Bereich der Sendefrequenz des Ultraschallgebers (UG) liegen.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß

- die Eigenresonanzen der zungenartigen Gebilde (fl ... f6; fl¹ ... f6') jeweils bei der Grund- oder den Oberwellenfrequenzen des Ultraschallgebers (UG) liegen.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- zwischen der Oberfläche des Objektträgers (OT) und dem zu untersuchenden Objekt (OB) eine elastische Folie (EF) mit noppenartigen Wölbungen (W) liegt, die sich bei Auflage des Objekts (OB) oder Teilen davon dicht an öit Oberfläche des Objektträgers anschmiegt und dadurch die Schwingungen behindert.

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