EP2680984A1 - Prüfkopf zum prüfen eines werkstückes mit einer eine mehrzahl von wandlerelementen enthaltenden ultraschallwandleranordnung und verfahren zum herstellen eines solchen prüfkopfes - Google Patents

Prüfkopf zum prüfen eines werkstückes mit einer eine mehrzahl von wandlerelementen enthaltenden ultraschallwandleranordnung und verfahren zum herstellen eines solchen prüfkopfes

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EP2680984A1
EP2680984A1 EP12711796.8A EP12711796A EP2680984A1 EP 2680984 A1 EP2680984 A1 EP 2680984A1 EP 12711796 A EP12711796 A EP 12711796A EP 2680984 A1 EP2680984 A1 EP 2680984A1
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EP
European Patent Office
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test head
ultrasonic
conductor
ultrasonic transducers
conductor foil
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12711796.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günter ENGL
Michael KRÖNING
Henning Heuer
Thomas Herzog
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Areva GmbH
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Intelligendt Systems and Services GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Intelligendt Systems and Services GmbH filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2291/263—Surfaces
    • G01N2291/2638—Complex surfaces

Definitions

  • Test head for testing a workpiece with a plurality of ultrasonic transducers containing
  • the invention relates to a test head for testing a workpiece with a plurality of ultrasonic transducers containing ultrasonic transducer assembly.
  • the invention relates to a method for producing such a scholarköpfes.
  • Phased array probes used which contain a plurality of linear or matrix-shaped juxtaposed ultrasonic transducers, and with which phase-controlled the insonification angle and the depth of focus areas of the piece sent in the piece ⁇ ultrasonic signal can be changed. Such probes are also referred to as phased array probes.
  • Test heads with a linear arrangement of ultrasonic transducers, so-called line arrays, are most frequently used.
  • the echo signals (A-scans or A-pictures) received at different insonification angles can be combined into a sector image (sector scan), thus obtaining a cross-sectional image - a so-called B-picture - of the test volume with representation of the reflectors contained therein.
  • a three-dimensionally reconstructed image it is therefore necessary for a three-dimensionally reconstructed image to have a two-dimensional arrangement of ultrasound transducers, a so-called matrix array.
  • a matrix array at least 12 line arrays with each Ultra 12 are accordingly ⁇ sound transducers, that is 12x12 or 144 ultrasonic transducers required must be arranged close to each other.
  • the dimensions of the ultrasonic transducers must correspond to one-half of the wavelength of the ultrasonic signal used for the test according to the sampling theorem in each direction.
  • the active area of the ultra sound transducer ⁇ would accordingly be about lxlmm. 2
  • the test head would accordingly have a small aperture of 12x12mm 2 .
  • the ultrasonic transducers are controlled one after the other.
  • the echo signals produced in the workpiece are received by all ultrasonic transducers and it is reconstructed from the received echo signals, a two or three dimensional ⁇ Ultra sound image. Since the ultrasonic transducers are not driven simultaneously out of phase with each other to produce a sound beam in a particular sound direction, the electronics for phase control can be omitted.
  • Another possibility is the attachment of an adapted to the surface contour of the workpiece, for example, consisting of PMMA lead body. Due to the different propagation paths of the ultrasound in the flow body but the Re ⁇ construction of the ultrasound image on the basis of the above prior ⁇ standing migration technique may be much more difficult, for example, by a caused by the leading body focusing or defocusing, and echo signals from the interface leading body / workpiece. Often, such as in borehole tests, such a solution is not possible for reasons of geometry. The same applies to the use of liquid flow paths. All of these options are becoming increasingly problematic in their application as the group aperture is dilated.
  • the invention is therefore based on the object, a
  • Test head for testing a workpiece with a plurality of ultrasonic transducers containing
  • the invention has for its object to provide a method for producing such a probe.
  • the first object is achieved according to the invention with a test head having the features of claim 1.
  • the probe contains a
  • Ultrasonic transducer assembly having a plurality of ultrasonic transducers and includes a to the surface contour of the Workpiece adapted carrier on which a damping body is arranged.
  • a flexible conductor foil arrangement having a number of electrically separated conductor tracks corresponding to the number of ultrasonic transducers is arranged on the damping body, on which the ultrasound transducers are arranged next to one another in at least one row and are in each case electrically contacted with one of the conductor tracks.
  • the second object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 9 or 10, according to which a number of interconnects corresponding to a plurality of ultrasound transducers is contacted with electrically separate interconnects of a conductor foil arrangement. Subsequently, a damping body is applied to the ultrasonic transducers bring ⁇ turned back the conductor film applied is flexible, at least during a processing time, or it is the fitted with the ultrasonic transducers conductor film applied to a preformed damping body, which is also flexible, at least during a processing ⁇ time is.
  • Theêtfolienanord ⁇ tion provided in this way with the ultrasonic transducers and the damping body is then applied to a surface contour of a workpiece to be tested adapted carrier.
  • test head and the method are given in the claims 1, 9 and 10 respectively subordinate subclaims.
  • FIG. 3 shows a section of a populated conductor foil arrangement applied to a prefabricated damping body, which contains only one ultrasonic transducer
  • FIG. 4 shows a conductor foil arrangement equipped likewise with only one ultrasound transducer, in which the conductor foil arrangement is provided with a folding in addition to the ultrasound transducers, FIG.
  • Fig. 5 is suitable for testing a borehole
  • FIG. 6 shows the test head according to FIG. 3 in a cross section
  • Fig. 7 shows a particularly suitable, from a piezo stack on ⁇ built ultrasonic transducer in a schematic diagram.
  • FIG. 1 is a flexible Porterfolienanord ⁇ tion 1 with a plurality of electrically isolated from each other as the starting product for the preparation of a test head according to the invention
  • Conductor tracks 4 are provided, to which a plurality of ultrasonic transducers 6 are soldered or glued with an electrically conductive adhesive, wherein each ultrasonic wall ⁇ ler 6 is electrically contacted with a respective conductor track 4.
  • an ultrasonic transducer assembly is formed which comprises a plurality of ultrasonic transducers 6.
  • the electrically separated conductor tracks 4 can be arranged either on the flat side of the conductor foil 2, on which the ultrasonic transducers 6 are located.
  • the interconnects 4 can also be located on the opposite underside of the conductor foil arrangement 1 and in each case via plated-through holes having a surface fit to the dimensions of the ultrasound transducers 6
  • the ultrasonic transducer 6 can be driven independently of one another, so that the ultrasonic transducer 6 individually transmit ultrasonic signals and the signals received from the transducers 6 ⁇ Ultra ultrasonic signals can be processed independently.
  • the conductor foil arrangement 1 is formed by a coherent, one-piece conductor foil 2. In principle, however, it is also possible to use, for example, for each row of separate conductor foils.
  • the ultrasonic transducers 4 are separated from each other by gaps 8, so that with a reduced number of ultrasonic transducers 4, either a longitudinally extended probe with a linear transducer array (linear
  • Ultrasonic transducer assembly in which the ultrasonic transducers 6 are arranged side by side in a single row, or a large-scale probe with a matrix-shaped transducer array (matrix-shaped ultrasonic transducer assembly), in which the ultrasonic transducers 6 are arranged side by side in a plurality of rows, can be provided.
  • FIG. 2 In the sectional view of FIG. 2 is shown in a section an intermediate product for the production of the test head according to the invention, in which the intermediate spaces 8 with a
  • Absorber material 10 are filled.
  • the interspaces 8 are cast, for example, with an epoxy resin or with a permanently elastic material.
  • self-adhesive protective foils are applied to the latter before casting with epoxy resin or with a permanently elastic material, which can be removed after casting.
  • the ultrasonic transducers 6 are also covered with a coherent grounding foil 12.
  • the preferably ⁇ / 4-thick grounding foil 12 can also be applied before the introduction or pouring of the absorber material 10. In this case, a separate protection of the contact surfaces is no longer necessary.
  • a prior application of the grounding foil 12 is therefore advantageous because it can be provided over the entire surface with solder, which can also be high-melting. In case of subsequent application of the earthing foil 12, the soldering must be done either with low-melting solder or the contacting with a conductive adhesive must be carried out.
  • a damping body 14 is applied, which at least during a until the application of the from the damping body 14 and the ultrasonic transducers 6 equipped conductor foil 2 existing intermediate product on a in Fig. 2 schematically indicated curved support 16 required processing time is also elastic.
  • the damping body 14 can either be applied as a layer on the back of the conductor foil 2 or, alternatively, be prefabricated according to FIG. 3, onto which the conductor foil 2 is then glued before or after it has been fitted with the ultrasound transducers 6.
  • the damping body 14 can also be produced by pouring into a holder which accommodates the conductor foil 2 equipped with the ultrasonic transducers 6.
  • the conductor foil 2 is the
  • Printed circuit film 2 between the ultrasonic transducers 6 shown in FIG. 4 provided with a folding 17.
  • Absorber material 10 and earthing foil 12 can be applied or applied to the carrier 16 before or after the application of the conductor foil 2 provided with the damping body 14 and fitted with ultrasound transducers 6.
  • the intermediate product shown in FIG. 2 is applied to a carrier 16 adapted to the surface contour or shape of a workpiece 18 to be tested.
  • the carrier 16 is cylindrical, so that it can be introduced into the interior of a tube or a bore shipping ⁇ Henen workpiece 18th
  • the inner wall of the tube or bore - adapted cylindrical probe 20 is provided to be ⁇ NEN opposite ends with annular sealing lips 22, the parameters defined in the inserted state,
  • a coupling fluid such as an oil.
  • an annular ultrasonic transducer 24 is arranged in addition to the matrix-like arranged ultrasonic transducers 6.
  • a socket or plug for connecting signal cables not shown in the figure, is indicated.
  • FIG. 6 shows the test head in a cross section, in which conductor foil 2 and earthing foil 12 are shown only roughly schematically. It can clearly be seen that the conductor foil 2 equipped with the ultrasonic transducers 6 is arranged with the damping body 14 on the cylindrical carrier 16. The intermediate spaces 8 located between the ultrasonic transducers 6 are filled with the absorber material 10 and covered together with the ultrasonic transducers 6 with a grounding foil 12.
  • a test head is shown, with which the entire circumference of the inner wall of the tube 18 in a single axial test drive can be tested.
  • a test head also contain a provided with ultrasonic transducers Lei ⁇ terfolie can be detected with only one segment of the inner wall, for example 120 °, so that a plurality of axial test runs are required.
  • piezoelectric stack can be used as an ultrasonic transducer.
  • Such a piezo stack is illustrated in the embodiment ⁇ example of FIG. 7 in more detail.
  • the ultrasound transducer 6 is arranged in a plurality of stacked form
  • Piezo elements 60 constructed.
  • the piezoelectric stack thus formed is disposed between the conductor film 2 and the Erdungsfo ⁇ lie 12th
  • the piezo elements 60 have a polarization illustrated by arrows 62 with orientation alternating between adjacent piezo elements 60.
  • adjacent piezoelectric elements 60 Between adjacent piezoelectric elements 60 is an electrode 64, wherein adjacent electrodes 64 each are integrally Schlos ⁇ sen to different poles of a voltage source 66th In this way, the piezo elements 60 are connected in parallel and the polarity of the voltage with which in
  • Piezo stack successive piezo elements 60 are excited, alternated. Since the polarization also alternates, all the simultaneously excited piezoelectric elements 60 oscillate in the
  • Piezo stack emitted ultrasonic pulses with increasing number of piezoelectric elements increases, and even with small sen- de / receiving surfaces of the ultrasonic transducer high and short ultrasonic pulses can be generated.
  • the interconnection in the piezo stack is simplified. Due to the built-up of a single piezoelectric body ultrasonic transducer having the same dimensions as the piezo stack, smaller thickness and thus higher capacity of the individual piezoelectric elements 60 and additionally by their parallel connection, the electrical impedance of the ultrasonic transducer 6 is significantly reduced. Since the electrical impedance of an ultrasound transducer / is proportional to the transmitting-receiving surface, it may sound transducers in small Ultra ⁇ , as they are needed in the probe according to the invention, assume values that are significantly greater than that commonly used in ultrasound transducers and used to the impedance Supply lines adapted input impedance of 50 ohms. The use of piezo stacking and the associated increase in capacitance, the impedance of the ultrasonic transducer and, accordingly, the matching losses in the signal transmission can be reduced.

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Abstract

Ein Prüfkopf (20) zum Prüfen eines Werkstückes (18) mit einer Ultraschallwandleranordnung mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern (6) umfasst: - Einen an eine Oberflächenkontur des Werkstückes (18) angepassten Träger (16), - eine auf dem Träger (16) angeordnete Dämpfungsschicht (14), und - eine auf der Dämpfungsschicht (14) angeordnete flexible Leiterfolienanordnung (1) mit einer der Anzahl der Wandlerelemente (6) entsprechenden Anzahl von elektrisch getrennten Leiterbahnen (4), auf der die Wandlerelemente (6) in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, und jeweils mit einer der Leiterbahnen (4) elektrisch kontaktiert sind.

Description

Beschreibung
Prüfkopf zum Prüfen eines Werkstückes mit einer eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern enthaltenden
Ultraschallwandleranordnung und Verfahren zum Herstellen eines solchen Prüfkopfes
Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfkopf zum Prüfen eines Werkstückes mit einer eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern enthaltenden Ultraschallwandleranordnung. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Prüfköpfes.
Für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Ultraschall werden in einer Vielzahl von Anwendungsfällen sogenannte
Gruppenstrahlerprüfköpfe eingesetzt, die eine Vielzahl von linear oder matrixförmig nebeneinander angeordneten Ultraschallwandlern enthalten, und mit denen phasengesteuert die Einschallwinkel und die Fokustiefenbereiche des in das Werk¬ stück gesendeten Ultraschallsignals verändert werden können. Derartige Prüfköpfe werden auch als Phased-Array-Prüfköpfe bezeichnet. Am häufigsten werden Prüfköpfe mit einer linearen Anordnung der Ultraschallwandler, sogenannte Linienarrays , eingesetzt. Für Befundanalysen können die bei verschiedenen Einschallwinkeln empfangenen Echosignale (A-Scans oder A- Bilder) zu einem Sektorbild (Sektor-Scan) zusammengesetzt werden, wodurch man ein Querschnittbild - ein sogenanntes B- Bild - des Prüfvolumens mit Darstellung der darin enthaltenen Reflektoren gewinnt. Als Regel gilt dabei, dass für ein Li- nienarray etwa mindestens 12 Ultraschallwandler benötigt wer¬ den, um eine gute Rekonstruktion zu ermöglichen. Das Sektorbild eines Lineararrays liefert zweidimensionale Bilder, die zusammengesetzt ein dreidimensionales Bild erge¬ ben. In der dritten Dimension, senkrecht zum Sektorbild, erhält man aber nur eine eingeschränkte Kontrast- und Auflö¬ sungsempfindlichkeit. So können beispielsweise schräg zum Sektorbild verlaufende flächige Fehler nicht gefunden werden.
Man benötigt deshalb für ein dreidimensional rekonstruiertes Bild eine zweidimensionale Anordnung von Ultraschallwandlern, ein sogenanntes Matrixarray. Im Falle eines Matrixarrays sind dementsprechend mindestens 12 Linienarrays mit je 12 Ultra¬ schallwandlern, d. h. 12x12 oder 144 Ultraschallwandler, erforderlich, die dicht an dicht angeordnet werden müssen. Die Abmessungen der Ultraschallwandler müssen gemäß Abtasttheorem in jeder Richtung einer halben Wellenlänge des zur Prüfung verwendeten Ultraschallsignals entsprechen. Für die Prüfung eines aus Stahl bestehenden Werkstückes bei einer Prüffrequenz von 3 MHz würde dementsprechend die aktive Fläche der Ultra¬ schallwandler etwa lxlmm2 betragen. Der Prüfkopf hätte dementsprechend eine geringe Apertur von 12x12mm2. Mit einer solch geringen Apertur ist aber eine synthetische Fokussierung in größere Bauteiltiefen nicht möglich, weshalb in der Regel Linienarrays mit wesentlich höherer Elementanzahl, beispielsweise mit 64 Elementen verwendet werden, so dass ein entspre¬ chendes Matrixarray 64x64 Ultraschallwandler enthalten würde. Matrixarrays mit einer derart hohen Anzahl von Ultraschall¬ wandlern sind jedoch im Hinblick auf die Vielzahl der notwendigen Ultraschallkanäle und der mit der Verkabelung und Ver¬ drahtung einhergehenden Probleme unpraktikabel. Anstelle der Verwendung solcher Phased Arrays ist es bei¬ spielsweise aus Engl, G., Kröning, M., Reddy, K., Schreiber, J. : „NDT and its value for structural safety", 2010
Proceedings International Scientific Conference "Optical Techniques and Nanotools for Material and Life Sciences"
(ONT4MLS-2010) , June 2010 Minsk, Belarus, bekannt, sogenannte verdünnte Lineararrays oder Matrixarrays einzusetzen, die das Abtasttheorem verletzen und als Migrationsarrays oder Sampling Phased Array bezeichnet werden. Bei einem solchen Migrations- array werden die Ultraschallwandler einzeln nacheinander angesteuert. Die im Werkstück erzeugten Echosignale werden von allen Ultraschallwandlern empfangen und es wird aus den empfangenen Echosignalen ein zwei- oder dreidimensionales Ultra¬ schallbild rekonstruiert. Da die Ultraschallwandler nicht gleichzeitig phasenverschoben zueinander angesteuert werden, um einen Schallstrahl in eine bestimmte Einschallrichtung zu erzeugen, kann die Elektronik zur Phasensteuerung entfallen. Auf diese Weise ist es möglich Matrixarrays aufzubauen, mit denen es möglich ist mit einer praktikablen Anzahl von Ultra- schallwandlern eine prüftechnisch sinnvolle Größe der Apertur zu erzielen. Bekannte Migrationsarrays mit einer größeren Apertur können allerdings nur auf ebenen Flächen eingesetzt werden . Um Werkstücke mit gekrümmten Oberflächen in Kontakttechnik prüfen zu können, muss der Prüfkopf an die Kontur angepasst werden, da ein Spalt zwischen Sende- und Empfangsfläche (Prüf¬ kopfsohle) und Oberfläche des Werkstückes in der Regel die halbe Wellenlänge des verwendeten Ultraschalls nicht über- schreiten darf. Da das Piezomaterial für die üblichen technischen Frequenzen aus steifer Keramik besteht, sind selbst Piezokomposite nur bedingt biegbar. Das Biegen erhöht zudem das Risiko von späteren Ablösungen und Rissbildungen, die den Prüfköpf unbrauchbar machen würden.
Eine weitere Möglichkeit ist das Anbringen eines an die Ober- flächenkontur des Werkstückes angepassten, beispielsweise aus PMMA bestehenden Vorlaufkörpers . Durch die unterschiedlichen Laufwege des Ultraschalls im Vorlaufkörper kann aber die Re¬ konstruktion des Ultraschallbildes auf der Grundlage der vor¬ stehend genannten Migrationstechnik beispielsweise durch eine vom Vorlaufkörper verursachte Fokussierung oder Defokussierung sowie Echosignale von der Grenzfläche Vorlaufkörper/Werkstück erheblich erschwert sein. Häufig, z.B. bei Bohrlochprüfungen, ist eine solche Lösung schon aus Geometriegründen nicht möglich. Ähnliches gilt auch bei der Verwendung von Flüssigkeits- vorlaufstrecken. Alle genannten Möglichkeiten werden zunehmend problematischer in ihrer Anwendung, wenn die Gruppenapertur durch Verdünnung ausgedehnt wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen
Prüfkopf zum Prüfen eines Werkstückes mit einer eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern enthaltenden
Ultraschallwandleranordnung anzugeben, der mit großer Apertur angepasst an die Oberflächenkontur des Werkstückes fertigungs¬ technisch einfach herstellbar ist. Außerdem liegt der Erfin- dung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Prüfkopfes anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Prüfköpf mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen enthält der Prüfkopf eine
Ultraschallwandleranordnung mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern und umfasst einen an die Oberflächenkontur des Werkstückes angepassten Träger, auf dem ein Dämpfungskörper angeordnet ist. Auf dem Dämpfungskörper ist eine flexible Leiterfolienanordnung mit einer der Anzahl der Ultraschallwandler entsprechenden Anzahl von elektrisch getrennten Lei- terbahnen angeordnet, auf der die Ultraschallwandler in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet und jeweils mit einer der Leiterbahnen elektrisch kontaktiert sind.
Durch diese Maßnahme ist es möglich, einen Prüfkopf mit großer Apertur auch für Werkstücke mit gekrümmter Oberflächenkontur bereitzustellen.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 9 oder 10, gemäß denen mit elektrisch voneinander getrennten Leiterbahnen einer Leiterfolienanordnung eine Anzahl der Leiterbahnen entsprechende Mehrzahl von Ultraschallwandlern kontaktiert wird. Anschließend wird auf die den Ultraschallwandlern abge¬ wandte Rückseite der Leiterfolie ein Dämpfungskörper aufge- bracht, der zumindest während einer Verarbeitungszeit flexibel ist, oder es wird die mit den Ultraschallwandlern bestückte Leiterfolie auf einen vorgeformten Dämpfungskörper aufgebracht, der ebenfalls zumindest während einer Verarbeitungs¬ zeit flexibel ist. Die auf diese Weise mit den Ultraschall- wandlern und dem Dämpfungskörper versehene Leiterfolienanord¬ nung wird anschließend auf einen einer Oberflächenkontur eines zu prüfenden Werkstückes angepassten Träger aufgebracht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Prüfkopfes bzw. des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 1, 9 und 10 jeweils nachgeordneten Unteransprüchen angegeben. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen :
Fig. 1 eine mit einer matrixförmigen Anordnung von Ultraschallwandlern bestückte Leiterfolienanordnung gemäß der Erfindung in einer Draufsicht,
Fig. 2 die mit den Ultraschallwandlern bestückte Leiterfolie anordnung ergänzt um eine über den Ultraschallwandlern angeordnete Erdungsfolie in einem Teilschnitt,
Fig. 3 einen nur einen Ultraschallwandler enthaltenden Ausschnitt einer auf einen vorgefertigten Dämpfungskörper aufgebrachten bestückten Leiterfolienanordnung,
Fig. 4 ein ebenfalls nur ein Ultraschallwandler enthaltender Ausschnitt bestückten Leiterfolienanordnung, bei der die Leiterfolienanordnung neben den Ultraschallwandlern mit einer Einfaltung versehen ist,
Fig. 5 einen für die Prüfung eines Bohrlochs geeigneten
Prüfkopf in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
Fig. 6 den Prüfkopf gemäß Fig. 3 in einem Querschnitt,
Fig. 7 einen besonders geeigneten, aus einem Piezostapel auf¬ gebauten Ultraschallwandler in einem Prinzipbild.
Gemäß Fig. 1 ist als Ausgangsprodukt für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Prüfkopfes eine flexible Leiterfolienanord¬ nung 1 mit einer Mehrzahl elektrisch voneinander isolierter Leiterbahnen 4 vorgesehen, auf die eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern 6 aufgelötet oder mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff aufgeklebt sind, wobei jeder Ultraschallwand¬ ler 6 elektrisch mit jeweils einer Leiterbahn 4 kontaktiert ist. Auf diese Weise wird eine Ultraschallwandleranordnung gebildet, die eine Mehrzahl von Ultraschallwandlern 6 umfasst.
Die elektrisch voneinander getrennten Leiterbahnen 4 können dabei entweder auf der Flachseite der Leiterfolie 2 angeordnet sein, auf der sich die Ultraschallwandler 6 befinden. Alternativ hierzu können sich die Leiterbahnen 4 auch auf der gegenüberliegenden Unterseite der Leiterfolienanordnung 1 befinden und jeweils über Durchkontaktierungen mit an die Abmessung der Ultraschallwandler 6 angepassten flächenhaften
Anschlussstrukuren versehen sein.
Dementsprechend können die Ultraschallwandler 6 unabhängig voneinander angesteuert werden, so dass die Ultraschallwandler 6 einzeln Ultraschallsignale senden und die von den Ultra¬ schallwandlern 6 empfangenen Ultraschallsignale unabhängig voneinander verarbeitet werden können. Im dargestellten Beispiel ist die Leiterfolienanordnung 1 durch eine zusammenhängende, einstückige Leiterfolie 2 gebildet. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, beispielsweise für jede Reihe separate Leiterfolien zu verwenden.
Die Ultraschallwandler 4 sind voneinander durch Zwischenräume 8 getrennt, so dass mit einer reduzierten Anzahl von Ultraschallwandlern 4 entweder ein in eine Längsrichtung ausgedehnter Prüfkopf mit einem linearen Wandlerarray (lineare
Ultraschallwandleranordnung) , bei dem die Ultraschallwandler 6 in einer einzigen Reihe nebeneinander angeordnet sind, oder ein großflächiger Prüfkopf mit einem matrixförmigen Wandlerarray (matrixförmige Ultraschallwandleranordnung) , bei dem die Ultraschallwandler 6 in einer Mehrzahl von Reihen nebeneinander angeordnet sind, bereitgestellt werden kann.
Im Schnittbild der Fig. 2 ist in einem Schnitt ein Zwischenprodukt für die Herstellung des erfindungsgemäßen Prüfkopfes dargestellt, bei dem die Zwischenräume 8 mit einem
Absorbermaterial 10 aufgefüllt sind. Hierzu werden die Zwi- schenräume 8 beispielsweise mit einem Epoxidharz oder mit einem dauerelastischen Material vergossen. Zum Schutz der von der Leiterfolie 2 abgewandten Kontaktflächen der Ultraschallwandler 6 sind auf diese vor dem Vergießen mit Epoxidharz oder mit einem dauerelastischen Material selbstklebende Schutzfoli- en aufgebracht, die nach dem Vergießen abgelöst werden können.
Die Ultraschallwandler 6 sind außerdem mit einer zusammenhängenden Erdungsfolie 12 abgedeckt. Die vorzugsweise λ/4-dicke Erdungsfolie 12 kann auch vor dem Einbringen bzw. Eingießen des Absorbermaterials 10 aufgebracht werden. In diesem Fall ist ein separater Schutz der Kontaktflächen nicht mehr erforderlich. Ein vorheriges Aufbringen der Erdungsfolie 12 ist insofern auch deshalb von Vorteil, weil diese ganzflächig mit Lot versehen werden kann, das außerdem auch hochschmelzend sein kann. Bei nachträglichem Aufbringen der Erdungsfolie 12 muss die Verlötung entweder mit niedrigschmelzendem Lot erfolgen oder es muss die Kontaktierung mit einem leitfähigen Klebstoff durchgeführt werden. Auf die Rückseite der Leiterfolie 2 ist ein Dämpfungskörper 14 aufgebracht, der zumindest während einer bis zum Aufbringen des aus dem Dämpfungskörper 14 und der mit Ultraschallwandlern 6 bestückten Leiterfolie 2 bestehenden Zwischenproduktes auf einen in Fig. 2 schematisch angedeuteten gekrümmten Träger 16 benötigten Verarbeitungszeit ebenfalls elastisch ist. Der Dämpfungskörper 14 kann entweder als Schicht auf die Rückseite der Leiterfolie 2 aufgebracht werden oder alternativ gemäß Fig. 3 vorgefertigt sein, auf den dann die Leiterfolie 2 vor oder nach ihrem Bestücken mit den Ultraschallwandlern 6 aufgeklebt wird. Die letztgenannte Vorgehensweise hat den Vorteil, dass in den Dämpfungskörper 14 in den Bereichen, in denen die quaderförmigen Ultraschallwandler 6 auf ihm aufliegen, ebenfalls plane Auflageflächen 15 eingearbeitet werden können, so dass beim Fixieren des Zwischenproduktes auf dem gekrümmten Träger 16 eine Zugbeanspruchung der Verbindung zwischen Ultraschallwandler 6 und Leiterfolie 2 an den durch Krümmung des Trägers 16 nicht in einer gemeinsamen Ebene liegenden Kanten des Ultraschallwandlers 6 und das Entstehen von Spalten durch Ablösen des Ultraschallwandlers 6 an diesen Kanten vermieden sind.
Alternativ hierzu kann der Dämpfungskörper 14 auch durch Eingießen in eine Halterung hergestellt werden, die die mit den Ultraschallwandlern 6 bestückte Leiterfolie 2 aufnimmt. Um in diesem Fall eine flächige Anbindung der Ultraschallwandler 6 an den Träger 16 sicherzustellen, ist die Leiterfolie 2 der
Leiterfolie 2 zwischen den Ultraschallwandlern 6 gemäß Fig. 4 mit einer Einfaltung 17 versehen.
Absorbermaterial 10 und Erdungsfolie 12 können dabei vor oder nach dem Aufbringen der mit dem Dämpfungskörper 14 versehenen und mit Ultraschallwandlern 6 bestückten Leiterfolie 2 auf den Träger 16 ein - bzw. aufgebracht werden. Gemäß Fig. 5 ist das in Fig. 2 dargestellte Zwischenprodukt auf einen an die Oberflächenkontur oder Form eines zu prüfenden Werkstückes 18 angepassten Träger 16 aufgebracht. Im dar- gestellten Beispiel ist der Träger 16 zylindrisch, so dass er in das Innere eines Rohres oder eines mit einer Bohrung verse¬ henen Werkstückes 18 eingebracht werden kann. Der auf diese Weise gebildete, an die Innenoberfläche des Rohres oder der Bohrung - im vorliegenden Fall die Innenwand des Rohres oder der Bohrung - angepasste zylindrische Prüfkopf 20 ist an sei¬ nen einander gegenüberliegenden Enden mit ringförmigen Dichtlippen 22 versehen, die im eingeführten Zustand einen definierten Koppelspalt zwischen den Sendeflächen der Ultraschallwandler 6 und der Innenwand des Rohres bzw. der Bohrung be- reitstellen, der mit einem Koppelfluid, beispielsweise ein Öl, gefüllt werden kann. Im Beispiel der Figur ist zusätzlich zu den matrixförmig angeordneten Ultraschallwandlern 6 ein ringförmiger Ultraschallwandler 24 angeordnet. Mit den Bezugszeichen 26 ist eine Buchse oder Stecker zum Anschließen von in der Figur nicht dargestellten Signalkabeln angedeutet.
Fig. 6 zeigt den Prüfkopf in einem Querschnitt, in dem Leiterfolie 2 und Erdungsfolie 12 nur grob schematisch wiedergegeben sind. Deutlich ist zu erkennen, dass die mit den Ultraschall- wandlern 6 bestückte Leiterfolie 2 mit dem Dämpfungskörper 14 auf dem zylindrischen Träger 16 angeordnet ist. Die zwischen den Ultraschallwandlern 6 befindlichen Zwischenräume 8 sind mit dem Absorbermaterial 10 aufgefüllt und gemeinsam mit den Ultraschallwandlern 6 mit einer Erdungsfolie 12 abgedeckt.
In Fig. 5 und 6 ist ein Prüfkopf dargestellt, mit dem der gesamte Umfang der Innenwand des Rohres 18 in einer einzigen axialen Prüffahrt geprüft werden kann. Alternativ hierzu kann ein Prüfkopf auch eine mit Ultraschallwandlern versehene Lei¬ terfolie enthalten, mit der nur ein Segment der Innenwand, beispielsweise 120°, erfasst werden kann, so dass mehrere axiale Prüffahrten erforderlich sind.
Wenn die Apertur der Ultraschallwandler 6 aufgrund der prüfphysikalischen Bedingungen so klein zu wählen ist, dass wegen der geringen Kapazität im Sende- und Empfangskreis eine effek¬ tive Signalanregung bzw. Signalempfang nicht möglich ist, können als Ultraschallwandler auch sogenannte Piezostapel verwendet werden. Ein solcher Piezostapel ist im Ausführungs¬ beispiel gemäß Fig. 7 näher veranschaulicht. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Ultraschallwandler 6 aus einer Mehrzahl von stapeiförmig aufeinander angeordneten
Piezoelementen 60 aufgebaut. Der auf diese Weise gebildete Piezostapel ist zwischen der Leiterfolie 2 und der Erdungsfo¬ lie 12 angeordnet. Die Piezoelemente 60 weisen eine durch Pfeile 62 veranschaulichte Polarisierung mit zwischen benachbarten Piezoelementen 60 alternierender Orientierung auf.
Zwischen benachbarten Piezoelementen 60 befindet sich eine Elektrode 64, wobei jeweils einander benachbarte Elektroden 64 an unterschiedliche Pole einer Spannungsquelle 66 angeschlos¬ sen sind. Auf diese Weise sind die Piezoelemente 60 parallel geschaltet und die Polarität der Spannung, mit der im
Piezostapel aufeinanderfolgende Piezoelemente 60 angeregt werden, alterniert. Da die Polarisierung ebenfalls alterniert, schwingen alle simultan angeregten Piezoelemente 60 im
Piezostapel gleichphasig, so dass die Amplitude der vom
Piezostapel emittierten Ultraschallpulse mit wachsender Anzahl der Piezoelemente zunimmt, und auch mit kleinen Sen- de/Empfangsflachen des Ultraschallwandlers hohe und kurze Ultraschallpulse erzeugt werden können.
Da alle Piezoelemente simultan von derselben Spannungsquelle 66 angesteuert werden, ist die Verschaltung im Piezostapel vereinfacht. Durch die gegenüber einem aus einem einzigen Piezokörper aufgebauten Ultraschallwandler, der dieselben Abmessungen wie der Piezostapel aufweist, geringere Dicke und damit höhere Kapazität der einzelnen Piezoelemente 60 sowie zusätzlich durch deren Parallelschaltung ist die elektrische Impedanz des Ultraschallwandlers 6 deutlich verringert. Da die elektrische Impedanz eines Ultraschallwandlers proportional zur Sende/Empfangsfläche ist, kann diese bei kleinen Ultra¬ schallwandlern, wie sie im Prüfkopf gemäß der Erfindung benötigt werden, Werte annehmen, die deutlich größer sind als die üblicherweise bei Ultraschallwandlern verwendete und an die Impedanz der verwendeten Zuleitungen angepasste Eingangsimpedanz von 50 Ohm. Durch die Verwendung von Piezostapeln und die damit einhergehende Vergrößerung der Kapazität, können die Impedanz des Ultraschallwandlers und dementsprechend auch die Anpassverluste bei der Signalübertragung verringert werden.

Claims

Ansprüche
1. Prüfkopf (20) zum Prüfen eines Werkstückes (18) mit einer Ultraschallwandleranordnung mit einer Mehrzahl von Ultraschallwandlern (6), umfassend:
- Einen an eine Oberflächenkontur des Werkstückes (18) ange- passten Träger (16),
- einen auf dem Träger (16) angeordneten Dämpfungskörper (14), und
- eine auf dem Dämpfungskörper (14) angeordnete flexible Lei¬ terfolienanordnung (1) mit einer der Anzahl der
Wandlerelemente (6) entsprechenden Anzahl von elektrisch getrennten Leiterbahnen (4), auf der die Ultraschallwandler (6) in zumindest einer Reihe nebeneinander angeordnet sind, und jeweils mit einer der Leiterbahnen (4) elektrisch kontaktiert sind .
2. Prüfkopf nach Anspruch 1, bei der auf die Ultraschallwand- 1er (6) auf ihrer dem Träger (16) abgewandten Seite eine zusammenhängende Erdungsfolie (12) angeordnet ist.
3. Prüfköpf nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Ultraschall¬ wandler (6) voneinander durch Zwischenräume (8) beabstandet angeordnet sind, die mit einem Absorbermaterial (10) aufge¬ füllt sind.
4. Prüfköpf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die flexible Leiterfolienanordnung (1) aus einer zusammenhän- genden Leiterfolie (2) besteht.
5. Prüfköpf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ultraschallwandler (6) in einer Mehrzahl von Reihen nebeneinander angeordnet sind.
6. Prüfköpf nach einem der vorhergehenden Merkmale, bei dem der Ultraschallwandler (6) aus mehreren stapeiförmig aufeinander angeordneten Piezoelementen (60) aufgebaut ist, zwischen denen jeweils eine Elektrode (64) angeordnet ist.
7. Prüfköpf nach Anspruch 6, bei dem die Piezoelemente (60) parallel geschaltet sind.
8. Prüfkopf nach Anspruch 7, bei dem die Polarisierung der Piezoelemente (60) alterniert, so dass jeweils benachbarte Piezoelemente (60) einander entgegengesetzte Polarisierung aufweisen .
9. Verfahren zum Herstellen eines Prüfkopfes (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Merkmalen:
- Mit elektrisch voneinander getrennten Leiterbahnen (4) einer Leiterfolienanordnung (1) werden eine der Anzahl der Leiterbahnen (4) entsprechende Mehrzahl von Ultraschallwandlern (6) kontaktiert,
- auf die den Ultraschallwandlern (6) abgewandte Rückseite der Leiterfolienanordnung (1) wird ein Dämpfungskörper (14) aufgebracht, der zumindest während einer Verarbeitungszeit flexibel ist, und
- die mit den Ultraschallwandlern (6) und dem Dämpfungskörper (14) versehene Leiterfolienanordnung (1) wird auf einen einer Oberflächenkontur eines zu prüfenden Werkstückes (18) ange- passten Träger (16) aufgebracht.
10. Verfahren zum Herstellen eines Prüfkopfes nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit folgenden Merkmalen:
- Mit elektrisch voneinander getrennten Leiterbahnen (4) einer Leiterfolienanordnung (1) werden eine der Anzahl der Leiter- bahnen (4) entsprechende Mehrzahl von Ultraschallwandlern (6) kontaktiert,
- die mit den Ultraschallwandlern (6) bestückte Leiterfolienanordnung (1) wird auf einen vorgeformten Dämpfungskörper (14) aufgebracht, der zumindest während einer Verarbeitungszeit flexibel ist, und
- die mit den Ultraschallwandlern (6) und dem Dämpfungskörper (14) versehene Leiterfolienanordnung (1) wird auf einen einer Oberflächenkontur eines zu prüfenden Werkstückes (18) ange- passten Träger (16) aufgebracht.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem vor oder nach dem Aufbringen der mit den Ultraschallwandlern (6) und dem Dämpfungskörper (14) versehenen Leiterfolienanordnung (1) auf den Träger (16) auf die dem Träger (16) abgewandten Seite der Ultraschallwandler (6) eine zusammenhängende Erdungsfolie (12) aufgebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei dem die Ultraschallwandler (6) voneinander durch Zwischenräume (8) beabs- fandet auf der Leiterfolienordnung (1) angeordnet werden, und die Zwischenräume (8) mit einem Absorbermaterial (10) aufge¬ füllt werden.
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