EP0688610B1 - Breitstrahlprüfkopf für die Ultraschallprüftechnik - Google Patents

Breitstrahlprüfkopf für die Ultraschallprüftechnik Download PDF

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EP0688610B1
EP0688610B1 EP95108243A EP95108243A EP0688610B1 EP 0688610 B1 EP0688610 B1 EP 0688610B1 EP 95108243 A EP95108243 A EP 95108243A EP 95108243 A EP95108243 A EP 95108243A EP 0688610 B1 EP0688610 B1 EP 0688610B1
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EP
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beam probe
probe according
recess
broad beam
side face
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EP0688610A3 (de
EP0688610A2 (de
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Bernhard Gossel
Willi Warkowski
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Krautkraemer GmbH
KJTD Co Ltd
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Krautkraemer GmbH
KJTD Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0648—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element of rectangular shape

Definitions

  • the invention relates to a wide-beam test head for ultrasonic testing technology, with an elongated, piezoelectric crystal, the one Aspect ratio of at least 1: 2 and has a thickness that is smaller is 1/5 of the smaller side dimension.
  • Wide-beam probes are used in ultrasonic testing technology if a large test track width is to be achieved. There is the order small transmitter test heads, which are assigned broad-beam test heads as receivers are and vice versa. Wide beam probes of this type are from DE 24 31 429 C1 known.
  • Wide-beam test heads are understood to mean test heads that have an elongated, mostly have rectangular piezoelectric transducers. With these Transducers are only within the scope of the present invention So crystals and foils are not included.
  • Typical wide beam probes have a rectangular crystal an aspect ratio of 1: 2.5 to 1: 3.5.
  • a typical probe for 4 MHZ has transducer dimensions of 6 x 17 x 0.25 mm.
  • edge elevation in wide beam probes is for ultrasonic testing technology disadvantageous because errors are overestimated in the marginal area compared to the area in the middle of the crystal.
  • edge ridges already to compensate in the broad jet test head so that the edge field is about has the same sensitivity as the area of the center of the wide beam probe.
  • This task is based on the previously known wide beam probe solved in that in the area of each of the two narrow sides, a recess is provided, either as a hole in the immediate vicinity the narrow side or as an incision starting from the narrow side, e.g. B. a slot is formed.
  • the edge elevation i.e. the higher sensitivity compared to Plateau in the area of the edges is achieved by a simple mechanical measure eliminated.
  • the area of the piezoelectric crystal is in the range the narrow side of the substantially rectangular and preferably rectangular piezoelectric crystal is reduced in that the Recess is formed. It's either a hole which is in the immediate vicinity of the narrow side, or lies as a Incision in front of that starting from the narrow side in the area nearby the narrow side is incorporated. Through the recess made in this way the boundary behavior is specifically influenced. The recess becomes so big chosen that the edge elevation is eliminated. If the recess becomes too large executed, the edge elevation can even be reversed to its opposite will. Overall, the invention thus enables metered adjustment the sound field characteristics of a wide beam probe in the area of the edges.
  • the area of the recess is relatively small, it is at most 5% preferably at most 2% of the area of the piezoelectric crystal.
  • the recess can be worked into the piezoelectric crystal that the machining process starts from a main surface of the crystal, for example by drilling the hole, but it can also do so be carried out that the processing begins on a narrow side, for example by sawing, e.g. B. with a diamond saw.
  • the recess is arranged in the area of the middle of the narrow side. She is in an area within a few millimeters of the Narrow side removed. Typically, the hole is in an area that is a maximum of 3, preferably a maximum of 2 mm from the narrow side. The incision is a maximum of 2 mm from the narrow side. For larger ones These dimensions can be caused by vibrations, i.e. at lower probe frequencies however be exceeded.
  • the recess penetrates the crystal completely, so it does not become one Blind bore executed, rather the hole is from both main surfaces accessible from the crystal. Likewise is the incision through the thickness of the crystal.
  • FIG. 1 shows the diagram of a wide-beam test head for ultrasonic test technology according to the state of the art, i.e. without any recess.
  • This Diagram was, like the diagram to be discussed later according to FIG. 4, recorded with an automatic sound field measuring device.
  • a steel ball with a diameter of 8 mm in 30 served as a reflector mm water depth.
  • the diagram has essentially the shape of an isosceles Trapezes, there are clear edge elevations 20. Their sensitivity is 2 to 4 dB above essentially one plateau-shaped region 22.
  • FIG. 2 shows a crystal 24 for four MHz, it has a length of 17 mm, a width of 6 mm and a thickness of 0.25 mm. He is known per se Way with electrodes and associated connections, the latter belong to the prior art and are therefore not shown here.
  • the crystal 24 has two opposite narrow sides 26, they are corresponding the stated dimensions 6 mm long and 0.25 mm high. On the center plane of each of the two narrow sides 26 is at a distance d from the narrow side 26 a bore 28 is made through the crystal 24 goes through. It has a diameter b, in the embodiment shown here coincides with d, but from d by +/- 50% maximum can deviate. In the exemplary embodiment shown, the bore diameter is b is 1.1 mm, typical values are between 1 and 1.2 mm. The The axis of the bore 28 extends perpendicular to the main surface of the crystal 24. The two holes of the crystal 24 are identical.
  • each Narrow side 26 made an incision 30 in the form of a saw slot, he has a cutting width of 1 mm and is 1.2 mm deep, typical values for the depth of cut is between 1 and 1.5 mm. In this case, too Notch 30 through the thickness of the crystal.
  • the test head After introducing the recess designed as a bore 28 or cut 30 the test head with the usual matching layer, also protective layer called, provided. Through them the two recesses of the Filled in crystal 24. Water therefore has no access to the areas of the Recesses.
  • the protective layer causes the cutouts in the finished Test head can no longer be recognized.
  • Backing also called damping body
  • damping body is referred to the DE book J. Krautkrämer and H. Krautkrämer, material testing with ultrasound, 4th edition, there in particular pages 218 - 219.

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitstrahlprüfkopf für die Ultraschallprüftechnik, mit einem länglichen, piezoelektrischen Kristall, der ein Seitenverhältnis von mindestens 1:2 aufweist und eine Dicke hat, die kleiner ist als 1/5 der kleineren Seitenabmessung.
Bei der Ultraschallprüftechnik werden Breitstrahlprüfköpfe eingesetzt, wenn eine große Prüfspurbreite erzielt werden soll. Es gibt die Anordnung kleiner Sendeprüfköpfe, denen als Empfänger Breitstrahlprüfköpfe zugeordnet sind und umgekehrt. Breitstrahlprüfköpfe dieser Art sind aus der DE 24 31 429 C1 bekannt.
Unter Breitstrahlprüfköpfen werden Prüfköpfe verstanden, die einen länglichen, zumeist rechteckförmigen piezoelektrischen Wandler haben. Bei diesen Wandlern handelt es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausschließlich um Kristalle, Folien sind also nicht eingeschlossen.
Typische Breitstrahlprüfköpfe haben einen rechteckförmigen Kristall mit einem Seitenverhältnis von 1:2,5 bis zu 1:3,5. Ein typischer Prüfkopf für 4 MHZ hat Schwingerabmessungen von 6 x 17 x 0,25 mm.
Es ist bekannt, daß derartige Prüfköpfe ein Schallfeld in Längsrichtung erzeugen, das im wesentlichen einem gleichschenkligen Trapez ähnlich ist, aber im Randbereich Überhöhungen aufweist. Diese Überhöhungen liegen um typischerweise 2 bis 4 dB höher als der anschließende, weitgehend plateauförmige Verlauf über den größten Anteil der Länge des Kristalls. Ein typisches Schallfeld ist in FIG. 1 dargestellt, hierauf wird später noch eingegangen.
Die Randüberhöhung bei Breitstrahlprüfköpfen ist für die Ultraschallprüftechnik nachteilig, weil im Randbereich Fehler überhöht bewertet werden im Vergleich zum Bereich in der Mitte des Kristalls.
Es erfordert erhebliche elektronische Maßnahmen, um die Randüberhöhung elektronisch zu kompensieren. Zur Vermeidung der störenden Randüberhöhungen sind bislang verschiedene Techniken erprobt worden. Es wurde versucht, durch geeignete Formgebung der Schwinger, z. B. Rundungen an den Schwingerenden, schräg geschnittene Schwingerenden, die Überhöhungen zu vermeiden. Hiermit wurde aber kein Erfolg erzielt. In einem anderen Ansatz wurden Dämpfungsmassen geeigneter Ausbildung und in geeigneter Weise an den abstrahlenden Flächen des Prüfkopfes angeordnet. Hierdurch ergaben sich zwar Erfolge, die Korrektur ist aber sehr umständlich und bringt auch den Nachteil mit sich, daß die dämpfenden Massen irgendwann abfallen können, wodurch der Prüfkopf sprungartig seine Eigenschaften ändert.
Nach wie vor besteht ein Bedürfnis darin, die Randüberhöhungen bereits im Breitstrahlprüfkopf so zu kompensieren, daß das Randfeld etwa die gleiche Empfindlichkeit aufweist wie der Bereich der Mitte des Breitstrahlprüfkopfes.
Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, den Breitstrahlprüfkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Randüberhöhungen durch einfache Maßnahmen weitgehend kompensiert sind.
Diese Aufgabe wird ausgehend von der vorbekannten Breitstrahlprüfkopf dadurch gelöst, daß im Bereich jeder beiden Schmalseiten jeweils eine Ausnehmung vorgesehen ist, die entweder als ein Loch in unmittelbarer Nähe der Schmalseite oder als ein von der Schmalseite ausgehender Einschnitt, z. B. ein Schlitz, ausgebildet ist.
Die Randüberhöhung, also die höhere Empfindlichkeit im Vergleich zum Plateau im Bereich der Ränder, wird durch eine einfache mechanische Maßnahme beseitigt. Die Fläche des piezoelektrischen Kristalls wird im Bereich der Schmalseite des im wesentlichen rechteckförmigen und vorzugsweise rechteckförmigen piezoelektrischen Kristalls dadurch reduziert, daß die Ausnehmung ausgebildet wird. Sie ist entweder als ein Loch ausgeführt, das sich in unmittelbarer Nähe der Schmalseite befindet, oder liegt als ein Einschnitt vor, der von der Schmalseite ausgehend in den Bereich in Nähe der Schmalseite eingearbeitet ist. Durch die so ausgeführte Ausnehmung wird das Randverhalten gezielt beeinflußt. Die Ausnehmung wird so groß gewählt, daß die Randüberhöhung wegfällt. Wird die Ausnehmung zu groß ausgeführt, so kann die Randüberhöhung sogar in ihr Gegenteil umgekehrt werden. Insgesamt ermöglicht die Erfindung damit eine dosierte Einstellung der Schallfeldkennlinien eines Breitstrahlprüfkopfes im Bereich der Ränder.
Die Fläche der Ausnehmung ist relativ klein, sie beträgt höchstens 5 % vorzugsweise höchstens 2 % der Fläche des piezoelektrischen Kristalls. Die Ausnehmung kann dadurch in den piezoelektrischen Kristall eingearbeitet werden, daß der Bearbeitungsgang von einer Hauptfläche des Kristalls ausgeht, beispielsweise indem das Loch gebohrt wird, sie kann aber auch so ausgeführt werden, daß die Bearbeitung an einer Schmalseite beginnt, beispielsweise durch ein Sägen, z. B. mit einer Diamantsäge.
Die Ausnehmung ist im Bereich der Mitte der Schmalseite angeordnet. Sie befindet sich in einem Bereich innerhalb weniger Millimeter von der Schmalseite entfernt. Typischerweise ist das Loch in einem Bereich, der maximal 3, vorzugsweise maximal 2 mm von der Schmalseite entfernt ist. Der Einschnitt ist maximal 2 mm von der Schmalseite entfernt. Bei größeren Schwingern, also bei tieferen Prüfkopffrequenzen, können diese Maße jedoch überschritten werden.
Die Ausnehmung durchsetzt den Kristall vollständig, es wird also keine Sackbohrung ausgeführt, vielmehr ist das Loch von beiden Hauptflächen des Kristalls aus zugänglich. Ebenso ist der Einschnitt durch die Dicke des Kristalls hindurch ausgeführt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigen:
  • FIG. 1 ein Diagramm eines Schallfeldes eines Breitstrahlprüfkopfes nach dem Stand der Technik, aufgetragen ist der Schalldruck p in dB über die Längenabmessung l in mm, die Mitte des Kristalls hat die Längenkoordinate 0,
  • FIG.2 eine Draufsicht auf einen Kristall eines Breitstrahlprüfkopfes mit als Löchern ausgeführten Ausnehmungen,
  • FIG. 3 eine Draufsicht entsprechend FIG. 1, jedoch mit als Einschnitten ausgeführten Ausnehmungen und
  • FIG. 4 ein Diagramm entsprechend FIG. 1, jedoch für einen Kristall mit Ausnehmungen entsprechend der Erfindung.
    • FIG. 1 zeigt das Diagramm eines Breitstrahlprüfkopfes für Ultraschallprüftechnik nach dem Stand der Technik, also ohne jegliche Ausnehmung. Dieses Diagramm wurde, wie auch das später noch zu besprechende Diagramm gemäß FIG. 4, mit einer automatischen Schallfeldmeßeinrichtung aufgenommen. Als Reflektor diente eine Stahlkugel mit dem Durchmesser 8 mm in 30 mm Wassertiefe. Das Diagramm hat im wesentlichen die Form eines gleichschenkligen Trapezes, es sind deutliche Randüberhöhungen 20 zu erkennen. Bei ihnen liegt die Empfindlichkeit 2 bis 4 dB oberhalb eines im wesentlichen plateauförmigen Bereichs 22.
    FIG. 2 zeigt einen Kristall 24 für vier MHz, er hat eine Länge von 17 mm, eine Breite von 6 mm und eine Dicke von 0,25 mm. Er ist in an sich bekannter Weise mit Elektroden und diesen zugeordneten Anschlüssen belegt, letztere gehören zum Stand der Technik und sind daher hier nicht gezeigt.
    Der Kristall 24 hat zwei gegenüberliegende Schmalseiten 26, sie sind entsprechend den genannten Abmessungen 6 mm lang und 0,25 mm hoch. Auf der Mittelebene jeder der beiden Schmalseiten 26 ist in einem Abstand d von der Schmalseite 26 eine Bohrung 28 ausgeführt, die durch den Kristall 24 hindurch geht. Sie hat einen Durchmesser b, der im hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit d übereinstimmt, von d aber um +/- 50 % maximal abweichen kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Bohrungsdurchmesser b gleich 1,1 mm, typische Werte liegen zwischen 1 und 1,2 mm. Die Achse der Bohrung 28 erstreckt sich rechtwinklig zur Hauptfläche des Kristalls 24. Die beiden Bohrungen des Kristalls 24 sind baugleich.
    Im Ausführungsbeispiel nach FIG. 3 ist beginnend von der Mitte jeder Schmalseite 26 ein Einschnitt 30 in Form eines Sägeschlitzes ausgeführt, er hat eine Schnittbreite von 1 mm und ist 1,2 mm tief, typische Werte für die Schnittiefe liegen zwischen 1 und 1,5 mm. Auch in diesem Fall geht der Einschnitt 30 durch die Dicke des Kristalls hindurch.
    Mit dem Kristall nach FIG. 2 wurde nun in der genannten Meßanordnung, das Schallfelddiagramm aufgenommen. Das Ergebnis ist in FIG. 4 dargestellt. Man erkennt bei weitgehenden Übereinstimmungen der Schallfelder, daß die Randüberhöhungen 20 praktisch weggefallen sind. Die Eigenschaften des Prüfkopfs haben sich deutlich verbessert, die Modulation der Querverteilung ist nun sehr gering.
    Nach Einbringen der als Bohrung 28 oder Einschnitt 30 ausgeführten Ausnehmung wird der Prüfkopf mit der üblichen Anpaßschicht, auch Schutzschicht genannt, versehen. Durch sie werden die beiden Ausnehmungen des Kristalls 24 ausgefüllt. Wasser hat damit keinen Zutritt zu den Flächen der Ausnehmungen. Die Schutzschicht bewirkt, daß die Ausschnitte im fertiggestellten Prüfkopf nicht mehr erkannt werden können.
    Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Kristall mit einem relativ harten Backing zu versehen. Zu Backing, auch Dämpfungskörper genannt, wird verwiesen auf das DE-Buch J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 4. Auflage, dort insbesondere Seite 218 - 219.

    Claims (10)

    1. Breitstrahlprüfkopf für die Ultraschallprüftechnik, mit einem länglichen, piezoelektrischen Kristall (24), der ein Seitenverhältnis von mindestens 1:2 aufweist und eine Dicke hat, die kleiner ist als 1/5 der kleineren Seitenabmessung, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jederbeiden Schmalseiten (26) jeweils eine Ausnehmung vorgesehen ist, die entweder als ein Loch (28) in unmittelbarer Nähe der Schmalseite (26) oder als ein von der Schmalseite (26) ausgehender Einschnitt (30) ausgebildet ist.
    2. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (28, 30) eine Fläche hat, die zwischen 1 und 1,5 mm2 liegt.
    3. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (28) sich in unmittelbarer Nähe der Schmalseite (26) befindet.
    4. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (28) von der Schmalseite (26) um wenige Zehntel mm getrennt ist.
    5. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (28) zur Schmalseite (26) hin offen ist.
    6. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (28, 30) im Bereich der Mitte der Schmalseite (26) angeordnet ist.
    7. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (28, 30) ein gesägter Schlitz ist, der 0,5 bis 1,5 mm ausgehend von der Schmalseite (26) in den Kristall (24) hineinragt.
    8. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (28, 30) durch eine Schutzschicht verschlossen und überdeckt ist.
    9. Breitstrahlprükopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein relativ hartes Backing aufweist.
    10. Breitstrahlprüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ausnehmungen (28, 30) ausführungsgleich sind.
    EP95108243A 1994-06-21 1995-05-24 Breitstrahlprüfkopf für die Ultraschallprüftechnik Expired - Lifetime EP0688610B1 (de)

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    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE4421436 1994-06-21
    DE4421436 1994-06-21

    Publications (3)

    Publication Number Publication Date
    EP0688610A2 EP0688610A2 (de) 1995-12-27
    EP0688610A3 EP0688610A3 (de) 1996-07-24
    EP0688610B1 true EP0688610B1 (de) 1998-10-28

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    DE (2) DE59504040D1 (de)

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    DE59711179D1 (de) * 1996-10-28 2004-02-12 Intelligendt Sys & Serv Gmbh Ultraschallwandler

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    Publication number Publication date
    EP0688610A3 (de) 1996-07-24
    DE19521153A1 (de) 1996-01-04
    EP0688610A2 (de) 1995-12-27
    DE59504040D1 (de) 1998-12-03

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