WO2016029326A1 - Messvorrichtung zum charakterisieren eines prüflings mittels ultraschall-transversalwellen und -longitudinalwellen - Google Patents

Messvorrichtung zum charakterisieren eines prüflings mittels ultraschall-transversalwellen und -longitudinalwellen Download PDF

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piezo
piezoelectric element
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Thomas Schlegel
Reto Tremp
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Proceq Sa
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Definitions

  • the invention relates to a measuring device for characterizing a test specimen by means of ultrasound.
  • the measuring device has at least one measuring head with at least one piezoelectric element.
  • Each piezoelectric element has a stop body for application to the test specimen and a piezoelectric actuator for generating and / or detecting vibrations in the stop body.
  • the characterization of specimens by means of ultrasound makes it possible to non-invasively record various properties of the specimen.
  • this technique may e.g. be used to determine the internal structure of the specimen or certain material properties thereof (e.g., sonic velocity or elastic modulus).
  • the technique can be used in particular for quality testing of concrete.
  • a device suitable for ultrasonic characterization usually has at least one measuring head, in which at least one piezoelectric element is arranged.
  • the piezoelectric element has a piezoelectric actuator for generating and / or detecting a vibration as well as a stop body, which can be applied to the specimen.
  • the piezoelectric element can be designed to generate a longitudinal vibration or a transverse vibration (heavy wave) in the test piece.
  • EP 1 394 538 describes a device with a measuring head with a relatively complex piezoelectric element which is capable of selectively generating both longitudinal and transverse vibrations in the test piece.
  • the measuring head has different first and second piezo elements.
  • the piezoelectric elements differ from one another at least in that the first piezoelectric elements are designed to generate and / or detect transversal oscillations and the second piezoelectric elements to generate and / or detect longitudinal oscillations in the test specimen. This makes it possible to generate both modes of vibration, but the individual piezo elements can be kept simple in their construction.
  • the measuring device can be designed to operate the piezo elements in each case in resonance.
  • the resonance frequency for the transverse oscillation of the first piezoelectric elements advantageously differs from that for the longitudinal oscillation of the second piezoelectric elements by at most 20%, in particular by at most 10%. This can be achieved that the measurements with the transversal and longitudinal
  • Vibrations are always in the same spectral range occur.
  • the electronics for exciting and / or measuring the two vibration modes can each be optimized for the same frequency range.
  • a piezoelectric element is operated in resonance
  • the piezoelectric element is driven by a periodic signal whose frequency deviates at most by 10%, in particular at most by 5%, from a resonant frequency of the piezo element.
  • resonance frequency or “natural frequency” is advantageously the lowest (fundamental) resonant frequency of the piezoelectric element for each type of vibration to understand, i. the piezoelectric elements are preferably operated in their lowest resonance.
  • the piezoelectric actuators jev / eils extend between a first and a second end.
  • the second end is connected to the respective stop body.
  • the distance between the first and second ends defines the length of the piezoelectric actuator.
  • the length of the piezoelectric actuators of the first piezoelectric elements is advantageously smaller than the length of the piezoelectric actuators of the second piezoelectric elements. If the two types of actuators had the same lengths, the fundamental transverse natural frequency of the piezoelectric actuators of the first piezoelements would be significantly lower than the fundamental longitudinal eigenfrequency of the piezoelectric actuators of the second piezoelements, which is disadvantageous for the reasons already mentioned. Due to the shorter design of the actuators of the first piezoelectric elements, this frequency difference can be counteracted.
  • the measuring device has more second piezo elements (ie piezo elements for generating and / or detecting longitudinal oscillations) as first piezo elements (ie piezo element for generating and / or detecting transversal oscillations) approximately equal dimensioning and control of the piezoelectric elements with each first piezoelectric element usually more power coupled into the device under test (or decoupled from the device under test) can be as with every second piezoelectric element.
  • the piezoelectric elements are arranged on the measuring head, that each first piezo element has at least a second Pie ⁇ zoelement as its nearest neighbor and vice versa.
  • the measuring head has a mechanical holder for each piezoelectric element, in which the piezoelectric element is held.
  • the holders for the first and the second piezo elements are substantially identical, i. they each have the same shape, such that each holder can accommodate both a first and a second piezoelectric element.
  • the first and the second piezoelectric elements each have the same external shape, with the possible exception of the shape of the stopper body.
  • the latter can differ - since they do not interact with the holders of the measuring head, they can be optimized in their shape for the transmission of the respective vibration mode.
  • the piezoelectric elements are in a rotationally symmetrical manner Pattern arranged on the measuring head, that by rotating by 360 ° / n each piezoelectric element in itself or in another piezoelectric element can be transferred.
  • N> 2 which makes the measuring head particularly suitable for measuring cylindrical specimens (eg boron cores).
  • each piezo element can either be converted into itself or into a piezo element of the respective other type (i.e., a first piezo element into a second piezo element and vice versa).
  • n should be straight, so that an alternating arrangement of first and second piezo elements is possible.
  • n 6.
  • 1 is a view of a measuring head
  • FIG. 2 shows the measuring head of FIG. 1 from the measuring side
  • FIG. 4 is a view of a first piezoelectric element for transverse vibrations
  • FIG. 6 shows a view of a second piezoelement for longitudinal vibrations
  • Fig. 7 shows a section through the second piezoelectric element
  • Fig. 1-3 shows a measuring head 1 for an ultrasonic measuring device.
  • the measuring head has an approximately cylindrical housing 2, in which first and second piezo elements 3, 4 are arranged.
  • the first piezoelectric elements 3 serve to generate transversal oscillations in the test specimen or to detect such oscillations, while the second piezo elements serve to generate longitudinal oscillations in the test specimen or to detect such oscillations.
  • Each piezoelectric element 3 has a substantially cylindrical sleeve 6, which preferably consists of plastic.
  • a stop body 7 which serves to be applied to the test piece, adjoins the sleeve 6.
  • the stopper body 7 has a tip 8 made of metal, preferably steel, which is embedded in a cap 9.
  • the cap 9 is preferably also made of metal, in particular nickel-plated brass or aluminum.
  • a piezoelectric actuator 10 is provided in the sleeve 6 and coaxial with this.
  • This is rod-shaped and has a first, facing away from the measuring side end 11 and a second, the measuring side facing the end 12.
  • the second end 12 is connected to the stopper body 7.
  • the stopper body 7 In order to transfer the transverse movements generated by the piezoelectric actuator 10 well to the stop body 7, it sits in the embodiment shown in a recess 13 of the stopper body 7 and is there, for example. glued.
  • the actuator 10 has two piezoelectric bodies 14a, 14b abutting each other, mechanically connected to each other and extending from the first end 11 and 12, to generate or measure transverse waves second end 12 extend.
  • These two bodies are, as indicated by arrows in Fig. 5, polarized perpendicular to a line extending from the first to the second end 11, 12 connecting line.
  • the polarization directions of the two bodies are parallel (not anti-parallel) to each other.
  • three electrodes 15a, 15b, 15c are provided, of which the middle electrode 15b is arranged between the two bodies 14a, 14b, while the outer electrodes 15a, 15c are respectively arranged opposite the electrode 15b on the outer sides of the bodies 14a, 14b ,
  • the two outer electrodes 15a, 15c are at the same potential.
  • the electric field in the first body 14a is e.g. parallel to the polarization direction and in the second body 14b anti-parallel, or vice versa.
  • one body contracts in the longitudinal direction (i.e., in the direction of the connecting line between the two ends 11, 12) while the other expands, whereby a transverse vibration can be generated in the region of the end 12.
  • the two bodies 14a, 14b can also be polarized antiparallel to each other, in which case the electrodes are to be designed such that the electric fields in the two bodies 14a, 14b are rectified.
  • the middle electrode can also be omitted.
  • the sleeve 6 is filled with a potting compound 17 with which the vibration of the actuator can be damped.
  • a cable 18 e.g. a coaxial cable, provided.
  • Fig. 4 are on the outside of the sleeve 6 tangential stops 20a, 20b, 20c and a axial stop 21 shown. These are used to fix the piezoelectric element in a holder of the measuring head 1 described below in the rotational and longitudinal directions.
  • the structure of the second piezoelectric elements 4 for generating or detecting longitudinal vibrations is shown in FIGS. 4 and 5.
  • the structure of the second piezoelectric elements 4 corresponds largely to that of the first piezoelectric elements 3, so that in the following, only the differences between the two types of piezoelectric elements will be discussed in the first place.
  • the first and second piezo elements 3, 4 each have the same outer shape, with exceptions in the area of the stop body 7.
  • at least the outer shape of the sleeves 6 and the stops 20a - 20c and 21 are identical. This makes it (as already mentioned) possible to mount in the same holder optionally a first or second piezoelectric element.
  • the second piezoelement also has a piezoelectric actuator 10, which is rod-shaped and extends from a first end 11 to a second end 12.
  • the second end 12 is in turn connected to the stopper body 7.
  • the actuator 10 of the second piezoelectric element 4 has a piezoelectric body 14 extending from the first end 11 and the second end 12 for generating or measuring longitudinal waves. As indicated in FIG. 7 by an arrow, the body 14 is polarized perpendicular to a connecting line extending from the first to the second end 11, 12.
  • two electrodes 15d and 15e are provided, which are located on opposite longitudinal sides of the body 14 and with which an electric field perpendicular to the longitudinal direction and parallel or anti-parallel to the polarization direction of the body 14 can be generated.
  • the body 14 contracts in the longitudinal direction (ie in the direction of the connecting line between the two ends 11, 12), or it lengthens depending on the sign of the applied voltage,. so that longitudinal vibrations can be generated at the ends 11 and 12.
  • the actuator 10 is laterally (i.e., radially) surrounded by a metallic shield 20 which suppresses electrical crosstalk.
  • a metallic shield 20 which suppresses electrical crosstalk.
  • the first piezo elements 3 could be equipped with a corresponding shielding, but it turns out in practice that the shielding in the second piezoelectric elements 4 from a metrological point of view is more important.
  • the shield 20 is held in the sleeve 6.
  • an elastic spacer 22 is provided, with which the actuator 10 coaxial with the sleeve
  • the shield 20 is electrically connected to the stopper body 7 and grounded.
  • the piezoelectric actuators 10 of the first piezoelectric elements 3 is shorter than those of the second piezoelectric elements 4 while about the same cross-sections (ie cross ⁇ sectional shapes perpendicular to the longitudinal direction) have.
  • the fundamental transverse natural frequency of the actuator 10 of FIG. 5 can be adjusted to the fundamental longitudinal natural frequency of the actuator 10 of FIG. 7.
  • the stopper bodies 7 are the first and second Piezo elements 3, 4 constructed slightly different.
  • the cap 9 of the stopper body 7 of the second piezoelectric elements is made less rigid, so that the tip 8 is capable of generating longitudinal vibrations with the highest possible amplitude.
  • the lengths should usually differ by at least a factor of 2.
  • the length of the actuator 10 of the first piezoelectric element 3 is e.g. 10 mm
  • that of the actuator 10 of the second piezoelectric element 4 is 28 mm
  • the cross section perpendicular to the longitudinal direction for both actuators e.g. 4 x mm ⁇ .
  • other sizes can be used, depending on the material used, the desired geometry and the desired natural frequency.
  • the fundamental transverse natural frequency of the actuator 10 of the first piezoelectric elements 3 and the fundamental longitudinal natural frequency of the actuator 10 of the second piezoelectric elements 4 are preferably not too high, since otherwise the penetration depth of the waves into the test object can be greatly impaired.
  • these frequencies are at about 50 kHz.
  • the measuring device is preferably designed to excite the piezoelectric elements in each case with a frequency of at most 100 kHz, in particular a frequency between 30 and 70 kHz.
  • the piezoelectric elements are designed such that the signal of the other (unwanted) vibration mode has a power of at most 10% of that of the desired mode of vibration.
  • a plurality of first and a plurality of second piezo elements 3, 4 are arranged in the measuring head 1.
  • a number of mechanical holders 30 corresponding to the number of piezoelectric elements is provided on the measuring side in the measuring head 1, each of which receives a respective piezoelectric element 3, 4.
  • the holders 30 can be constructed identically for both types of piezo elements. As mentioned above, this allows the manufacturer to provide different measuring heads for transversal, longitudinal and combined measurements with only a few components.
  • Each holder 30 forms a receiving space 31 which provides space for receiving a piezoelectric element 3, 4.
  • the receiving space 31 is bounded laterally by guide sleeve 32.
  • a spring 33 is provided, the measuring side is supported on the axial stop 21 of the piezo-element and is supported against a crown 34 back.
  • the crown 34 is bolted to the rear end of the guide sleeve 32.
  • the spring 33 presses the piezoelectric element 3, 4 towards the measuring side.
  • the stopper body 7 of all the piezo elements lie in a common plane. If the surface of the test specimen is uneven, the piezo elements 3, 4 are pressed individually against the respective force of the springs 33 into the holders 30 so deeply that each stop body 7 remains in contact with the surface of the specimen.
  • first (transverse) and four second (longitudinal) piezoelectric elements 3 and 4 are arranged in the measuring head 1.
  • these numbers can be adapted to the respective requirements.
  • terminals 40, 41 as well as electronics on printed circuit boards 42, 43 can also be arranged on and in the measuring head 1 shown.
  • the measuring head 1 shown can basically serve as transmitter, receiver or transmitter and receiver for ultrasonic signals. If the measuring device is operated in reflection, then all measurements can be carried out with only one measuring head 1. If the measuring device is operated in transmission, then two measuring heads can be used, one of which serves as transmitter and the other as receiver of the ultrasonic signals, wherein the test object is arranged between the two measuring heads.
  • Fig. 8 shows the most important components of the measuring device when operating in transmission.
  • the device has a controller 44 which controls the components.
  • the controller 44 controls via a driver 45, the piezoelectric elements 3a, 4a, with which the ultrasonic signals are to be generated (in Fig. 8, only three of these piezoelectric elements are shown for the sake of simplicity).
  • the controller 44 may be e.g. select via an electronic switch 46, whether the first or the second piezo elements 3a and 4a are driven, i. whether transversal or longitudinal waves should be generated.
  • the emitting piezo elements 3a, 4a abut against a first side of the specimen 47 and are arranged in a first measuring head. All piezo elements of each type are in each case operated parallel to one another, so that the oscillation amplitude of each piezoelectric element is maximum.
  • the signals of all piezo elements 3b, 4b of each type are each added electronically, so that a maximum signal level is achieved.
  • the controller 44 may be e.g. select via an electronic switch 48 whether the transverse or longitudinal vibrations are to be measured.
  • the signals are passed through a filter / amplifier 49 and then evaluated.
  • the electronic components of the circuit according to Fig. 8 can e.g. be arranged on the circuit boards 42, 43 of the measuring heads, or they can be at least partially realized in an external control.
  • the measuring device is advantageously designed to apply in operation alternately periodic signal trains to the first and the second transmitting piezoelectric elements 3a, 4a, so as to alternately generate transverse and longitudinal oscillations in the test specimen.
  • the signals transmitted by the test piece 47 can then be intercepted alternately by the first and second receiving piezo elements 3b, 4b. In this way, a good signal separation between the two measurement channels is achieved.

Abstract

Eine Messvorrichtung zum Charakterisieren eines Prüflings mittels Ultraschall besitzt mindestens einen Messkopf (1) mit ersten und zweiten Piezoelementen (3, A). Mit den ersten Piezoelementen (3) können im Prüfling transversale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden, während mit den zweiten Piezoelementen (4) longitudinale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden können. Die ersten und zweiten Piezoelemente (3) sind nebeneinander in einem regelmässigen Muster am Messkopf (1) angeordnet und besitzen gleiche Aussenform, so dass der Messkopf (1) mit beiden Arten von Piezoelementen beliebig bestückt werden kann.

Description

MESSVORRICHTUNG ZUM CHARAKTERISIEREN EINES PRÜFLINGS MITTELS ULTRASCHALL-TRANSVERSALWELLEN UND -LONGITUDINALWELLEN
Hinweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 102014112368.9, die am 28. August 2014 eingereicht wurde und deren ganze Offenbarung hiermit durch Bezug aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Charakterisieren eines Prüflings mittels Ultraschall. Die Messvorrichtung besitzt mindestens einen Messkopf mit mindestens einem Piezoelement . Jedes Piezoelement besitzt einen Anschlagkörper zum Anlegen an den Prüfling sowie einen piezoelektrischen Aktuator zum Erzeugen und/oder Detektieren von Schwingungen im Anschlagkörper.
Hintergrund
Die Charakterisierung von Prüflingen mittels Ultraschall erlaubt es, verschiedene Eigenschaften des Prüflings nichtinvasiv zu erfassen. Insbesondere kann diese Technik z.B. dazu verwendet werden, die innere Struktur des Prüflings oder gewisse Materialeigenschaften desselben (z.B. Schallgeschwindigkeit oder Elastizitätsmodul) zu bestimmen. Die Technik kann insbesondere zur Qualitätsprüfung an Beton eingesetzt werden.
Eine Vorrichtung geeignet zur Ultraschallcharakterisierung besitzt in der Regel mindestens einen Messkopf, in welchem mindestens ein Piezoelement angeordnet ist . Das Piezoelement besitzt einen piezoelektrischen Aktuator zum Erzeugen und/oder Detektieren einer Schwingung sowie einen Anschlagkörper, der an den Prüfling angelegt werden kann. Das Piezoelement kann zum Erzeugen einer lon- gitudinalen Schwingung oder einer transversalen Schwingung (Schwerwelle) im Prüfling ausgestaltet werden.
EP 1 394 538 beschreibt eine Vorrichtung mit einem Messkopf mit einem relativ komplexen piezoelektrischen Element, das wahlweise sowohl longitudinale als auch transversale Schwingungen im Prüfling zu erzeugen vermag .
Darstellung der Erfindung
Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welcher auf möglichst einfache Weise sowohl transversale als auch longitudinale Schwingungen im Prüfling erzeugt und/oder gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird von der Messvorrichtung gemäss Anspruch 1 erfüllt. Demgemäss besitzt der Messkopf unterschiedliche erste und zweite Piezoelemente . Die Pie- zoelemente unterscheiden sich voneinander zumindest dadurch, dass die ersten Piezoelemente zum Erzeugen und/oder Detektieren von transversalen Schwingungen und die zweiten Piezoelemente zum Erzeugen und/oder Detektieren von longitudinalen Schwingungen im Prüfling ausgestaltet sind. Dies erlaubt es, beide Schwingungsmodi zu erzeugen, wobei aber die einzelnen Piezoelemente in ihrem Aufbau einfach gehalten werden können.
Die Messvorrichtung kann dazu ausgestaltet sein, die Piezoelemente jeweils in Resonanz zu betreiben. In diesem Falle unterscheidet sich die Resonanzfrequenz für die transversale Schwingung der ersten Piezoelemente von jener für die longitudinale Schwingung der zweiten Piezoelemente mit Vorteil um höchstens 20%, insbesondere um höchstens 10% . Damit kann erreicht werden, dass die Messungen mit den transversalen und longitudinalen
Schwingungen j eweils im gleichen spektralen Bereich stattfinden. Darüber hinaus kann die Elektronik zum Anregen und/oder Messen der beiden Schwingungsmodi jeweils für denselben Frequenzbereich optimiert werden.
Unter dem Ausdruck „ein Piezoelement wird in Resonanz betrieben", ist dabei zu verstehen, dass das Piezoelement mit einem periodischen Signal angesteuert wird, dessen Frequenz höchstens um 10%, insbesondere höchstens um 5%, von einer Resonanzfrequenz des Piezoele- ments abweicht.
Unter „Resonanzfrequenz" bzw. „Eigenfrequenz" ist vorteilhaft die tiefste (fundamentale) Resonanzfrequenz des Piezoelements für die jeweilige Schwingungsart zu verstehen, d.h. die Piezoelemente werden vorzugsweise in ihrer tiefsten Resonanz betrieben.
In einer weiteren Ausführung erstrecken sich die piezoelektrischen Aktuatoren jev/eils zwischen einem ersten und einem zweiten Ende. Dabei ist das zweite Ende mit dem jeweiligen Anschlagkörper verbunden. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende definiert die Länge des piezoelektrischen Aktuators . In diesem Falle ist die Länge der piezoelektrischen Aktuatoren der ersten Piezoelemente vorteilhaft geringer als die Länge der piezoelektrischen Aktuatoren der zweiten Piezoelemente. Hätten die beiden Typen von Aktuatoren dieselben Längen, so wäre die fundamentale transversale Eigenfrequenz der piezoelektrischen Aktuatoren der ersten Piezoelemente deutlich tiefer als die fundamentale longitudinale Eigenfrequenz der piezoelektrischen Aktuatoren der zweiten Piezoelemente, was aus den bereits erwähnten Gründen nachtei- lig ist. Durch die kürzere Ausgestaltung der Aktuatoren der ersten Piezoelemente kann diesem Frequenzunterschied entgegengewirkt werden.
Mit Vorteil besitzt die Messvorrichtung mehr zweite Piezoelemente (d.h. Piezoelemente zum Erzeugen und/oder Detektieren longitudinaler Schwingungen) als erste Piezoelemente (d.h. Piezoelement zum Erzeugen und/oder Detektieren transversaler Schwingungen), da bei ungefähr gleicher Dimensionierung und Ansteuerung der Piezoelemente mit jedem ersten Piezoelement in der Regel mehr Leistung in den Prüfling eingekoppelt (bzw. aus dem Prüfling ausgekoppelt) werden kann als mit jedem zweiten Piezoelement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Piezoelemente derart am Messkopf angeordnet, dass jedes erste Piezoelement mindestens ein zweites Pie¬ zoelement als nächsten Nachbarn besitzt und umgekehrt. Durch diese Durchmischung der Piezoelemente wird es möglich, die longitudinalen und transversalen Schwingungen im ungefähr gleichen Raumbereich des Prüflings zu erzeugen bzw. zu detektieren.
In einer weiteren Ausführung besitzt der Messkopf für jedes Piezoelement einen mechanischen Halter, in welchem das Piezoelement gehalten ist. Dabei sind die Halter für die ersten und die zweiten Piezoelemente im Wesentlichen identisch, d.h. sie besitzen jeweils gleiche Form, derart, dass jeder Halter sowohl ein erstes aber auch ein zweites Piezoelement aufnehmen kann. Dies erlaubt es, jeden Halter wahlweise mit einem ersten oder einem zweiten Piezoelement zu bestücken. Auf diese Weise wird es möglich, denselben Messkopf z.B. nur mit ersten Piezoelementen, nur mit zweiten Piezoelementen oder mit einer Mischung der beiden Arten von Piezoelementen auszurüsten, so dass herstellerseitig mit nur wenigen Komponenten unterschiedliche Messköpfe hergestellt werden können .
Aus demselben Grund besitzen die ersten und die zweiten Piezoelemente jeweils gleiche Aussenform, allenfalls mit Ausnahme der Form der Anschlagkörper. Letztere können sich unterscheiden - da sie nicht mit den Haltern des Messkopfs zusammenwirken, können sie in ihrer Form für die Übertragung des jeweiligen Schwingungsmodus optimiert werden .
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Piezoelemente derart in einem drehsymmetrischen Muster am Messkopf angeordnet, dass durch Drehung um 360°/n jedes Piezoelement in sich selbst oder in ein anderes Piezoelement überführbar ist. Dabei ist n > 2, wodurch der Messkopf besonders zum Ausmessen zylindri- scher Prüflinge (z.B. Borkernen) geeignet ist.
Vorteilhaft ist die Symmetrie des Musters derart, dass bei einer Drehung um 360°/n jedes Piezoelement entweder in sich selbst oder in ein Piezoelement der jeweils anderen Art (d.h. ein erstes Piezoelement in ein zweites Piezoelement und umgekehrt) übergeführt werden kann. In diesem Falle sollte n gerade sein, damit eine abwechslungsweise Anordnung von ersten und zweiten Piezo- elementen möglich ist. In einer bevorzugten Ausführung ist n = 6.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Messkopfs,
Fig. 2 den Messkopf von Fig. 1 von der Messseite her,
Fig. 3 einen Schnitt durch den Messkopf von
Fig. 1,
Fig. 4 eine Ansicht eines ersten Piezoelements für transversale Schwingungen,
Fig. 5 einen Schnitt durch das erste Piezoelement ,
Fig. 6 eine Ansicht eines zweiten Piezoele- ments für longitudinale Schwingungen,
Fig. 7 einen Schnitt durch das zweiten Piezoelement und
Fig. 8 ein Blockschaltbild der Komponenten der Messvorrichtung. Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 - 3 zeigt einen Messkopf 1 für eine Ultraschall-Messvorrichtung. Der Messkopf besitzt ein ungefähr zylindrisches Gehäuse 2, in welchem erste und zweite Piezoelemente 3, 4 angeordnet sind. Die ersten Piezoelemente 3 dienen dazu, im Prüfling transversale Schwingungen zu erzeugen oder solche zu detektieren, während die zweiten Piezoelemente dazu dienen, im Prüfling longitudinale Schwingungen zu erzeugen oder solche zu detektieren .
Der Aufbau der ersten Piezoelemente 3 zum Erzeugen oder Detektieren von transversalen Schwingungen ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Jedes Piezoelement 3 besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Hülse 6, welche vorzugsweise aus Kunststoff besteht. Messseitig schliesst an die Hülse 6 ein Anschlagkörper 7 an, welcher dazu dient, an den Prüfling angelegt zu werden. Der Anschlagkörper 7 besitzt eine Spitze 8 aus Metall, vorteilhaft Stahl, welche in einer Kappe 9 eingebettet ist. Die Kappe 9 besteht vorzugsweise ebenfalls aus Metall, insbesondere vernickeltem Messing oder Aluminium.
In der Hülse 6 und koaxial zu dieser ist ein piezoelektrischer Aktuator 10 vorgesehen. Dieser ist stabförmig ausgestaltet und besitzt ein erstes, von der Messseite abgewandtes Ende 11 sowie ein zweites, der Messseite zugewandtes Ende 12. Das zweite Ende 12 ist mit dem Anschlagkörper 7 verbunden. Um die vom piezoelektrischen Aktuator 10 erzeugten Transversalbewegungen gut an den Anschlagkörper 7 zu übertragen, sitzt es beim gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Vertiefung 13 des Anschlagkörpers 7 und ist dort z.B. eingeleimt.
Der Aktuator 10 besitzt zum Erzeugen oder Messen transversaler Wellen zwei piezoelektrische Körper 14a, 14b, welche aneinander anliegen, miteinander mechanisch verbunden sind und sich vom ersten Ende 11 und zweiten Ende 12 erstrecken. Diese beiden Körper sind, wie durch Pfeile in Fig. 5 angedeutet, senkrecht zu einer sich vom ersten zum zweiten Ende 11, 12 erstreckenden Verbindungslinie polarisiert. Im vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel sind die Polarisationsrichtungen der beiden Körper parallel (nicht anti-parallel) zueinander.
Weiter sind drei Elektroden 15a, 15b, 15c vorgesehen, von denen die mittlere Elektrode 15b zwischen den beiden Körpern 14a, 14b angeordnet ist, während die äusseren Elektroden 15a, 15c jeweils gegenüberliegend von der Elektrode 15b auf den Aussenseiten der Körper 14a, 14b angeordnet sind. Die beiden äusseren Elektroden 15a, 15c liegen auf demselben Potenzial. Wenn zwischen den äusseren Elektroden 15a, 15c und der inneren Elektrode 15b eine Spannung angelegt wird, so steht das elektrische Feld im ersten Körper 14a z.B. parallel zur Polarisationrichtung und im zweiten Körper 14b antiparallel, oder umgekehrt. Somit zieht sich der eine Körper in Längsrichtung (d.h. in Richtung der Verbindungslinie zwischen den beiden Enden 11, 12) zusammen, während der andere sich ausdehnt, wodurch im Bereich des Endes 12 eine transversale Schwingung erzeugt werden kann.
Alternativ zur Anordnung gemäss Fig. 5 können die beiden Körper 14a, 14b auch antiparallel zueinander polarisiert sein, in welchem Falle die Elektroden so auszugestalten sind, dass die elektrischen Felder in den beiden Körpern 14a, 14b gleichgerichtet sind. In diesem Falle kann die mittlere Elektrode auch entfallen.
Wie auch aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Hülse 6 mit einer Vergussmasse 17 ausgegossen, mit welcher die Schwingung des Aktuators gedämpft werden kann. Um zum Erzeugen von Schwingungen Spannungen an die Elektroden 15a - 15c anzulegen oder um zum Messen von Schwingungen Spannungen von den Elektroden 15a - 15c abzugrei- fen, ist ein Kabel 18, z.B. ein Koaxialkabel, vorgesehen.
In Fig. 4 werden auf der Aussenseite der Hülse 6 tangentiale Anschläge 20a, 20b, 20c sowie ein achsialer Anschlag 21 gezeigt. Diese dienen dazu, das Piezoelement in einem weiter unten beschriebenen Halter des Messkopfs 1 in Dreh- und Längsrichtung zu fixieren.
Der Aufbau der zweiten Piezoelemente 4 zum Erzeugen oder Detektieren longitudinaler Schwingungen ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Der Aufbau der zweiten Piezoelemente 4 entspricht dabei weitgehend jenem der ersten Piezoelemente 3, so dass im Folgenden in erster Linie nur auf die Unterschiede zwischen den beiden Arten von Piezo- elementen eingegangen wird. Insbesondere besitzen die ersten und zweiten Piezoelemente 3, 4 jeweils gleiche Aussenform, mit Ausnahmen im Bereich der Anschlagkörper 7. Konkret sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zumindest die Aussenform der Hülsen 6 und der Anschläge 20a - 20c und 21 identisch. Dadurch wird es (wie bereits erwähnt) möglich, im gleichen Halter wahlweise ein erstes oder zweites Piezoelement zu montieren.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, besitzt auch das zweite Piezoelement einen piezoelektrischen Aktuator 10, der stabförmig ist und sich von einem ersten Ende 11 zu einem zweiten Ende 12 erstreckt. Das zweite Ende 12 ist wiederum mit dem Anschlagkörper 7 verbunden.
Der Aktuator 10 des zweiten Piezoelements 4 weist zum Erzeugen oder Messen longitudinaler Wellen ei- nen piezoelektrischen Körper 14 auf, der sich vom ersten Ende 11 und zweiten Ende 12 erstreckt. Der Körper 14 ist, wie in Fig. 7 durch einen Pfeil angedeutet, senkrecht zu einer sich vom ersten zum zweiten Ende 11, 12 erstreckenden Verbindungslinie polarisiert.
Weiter sind zwei Elektroden 15d und 15e vorgesehen, welche sich auf gegenüber liegenden Längsseiten des Körpers 14 befinden und mit denen ein elektrisches Feld senkrecht zur Längsrichtung und parallel oder antiparallel zur Polarisationsrichtung des Körpers 14 erzeugt werden kann. Beim Anlegen eines solchen Feldes zieht sich der Körper 14 in Längsrichtung (d.h. in Richtung der Verbindungslinie zwischen den beiden Enden 11, 12) zusammen, oder er verlängert sich, je nach Vorzeichen der angelegten Spannung, . so dass longitudinale Schwingungen an den Enden 11 und 12 erzeugt werden können.
Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist der Aktuator 10 seitlich (d.h. radial) von einer metallischen Abschirmung 20 umgeben, welche elektrisches Übersprechen unterdrückt. (Auch die ersten Piezoelemente 3 könnten mit einer entsprechenden Abschirmung ausgerüstet werden, doch zeigt es sich in der Praxis, dass die Abschirmung bei den zweiten Piezoelementen 4 aus messtechnischer Sicht wichtiger ist . )
Die Abschirmung 20 ist in der Hülse 6 gehalten .
Weiter ist ein elastischer Distanzhalter 22 vorgesehen, mit welchem der Aktuator 10 koaxial zur Hülse
6 fixiert wird, ohne ihn bei seinen Ultraschallschwingungen zu behindern. Vorzugsweise ist. die Abschirmung 20 elektrisch mit dem Anschlagkörper 7 verbunden und auf Masse gelegt.
Um zum Erzeugen von Schwingungen Spannungen an die Elektroden 15d, 15e anzulegen oder um zum Messen von Schwingungen Spannungen von den Elektroden 15d, 15e abzugreifen, ist wiederum ein Kabel 18, z.B. ein Koaxialkabel, vorgesehen.
Wie ein Vergleich der Figuren 5 und 7 zeigt, sind die piezoelektrischen Aktuatoren 10 der ersten Piezoelemente 3 kürzer als jene der zweiten Piezoelemente 4, während sie ungefähr gleiche Querschnitte (d.h. Quer¬ schnittsformen senkrecht zur Längsrichtung) besitzen. Dadurch kann, wie bereits erwähnt, erreicht werden, dass die fundamentale transversale Eigenfrequenz des Aktuators 10 von Fig. 5 der fundamentalen longitudinalen Eigenfrequenz des Aktuators 10 von Fig. 7 angeglichen werden kann .
Wie ebenfalls ein Vergleich der Figuren 5 und
7 zeigt, sind die Anschlagkörper 7 der ersten und zweiten Piezoelemente 3, 4 leicht unterschiedlich aufgebaut. Insbesondere ist die Kappe 9 der Anschlagkörper 7 der zweiten Piezoelemente weniger steif ausgestaltet, so dass die Spitze 8 longitudinalen Schwingungen mit möglichst hoher Amplitude zu Erzeugen vermag.
In der Praxis zeigt es sich, dass (je nach verwendetem piezoelektrischen Material und Geometrie der Aktuatoren) sich die Längen in der Regel um mindestens einen Faktor 2 unterscheiden sollten. Konkret beträgt die Länge des Aktuators 10 des ersten Piezoelements 3 z.B. 10 mm, während jene des Aktuators 10 des zweiten Piezoelements 4 28 mm beträgt, während der Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung für beide Aktuatoren z.B. 4 x mm^ beträgt. Je nach verwendetem Material, gewünschter Geomet- rie und angestrebter Eigenfrequenz können natürlich auch andere Grössen eingesetzt werden.
Die fundamentale transversale Eigenfrequenz des Aktuators 10 der ersten Piezoelemente 3 und die fundamentale longitudinale Eigenfrequenz des Aktuators 10 der zweiten Piezoelemente 4 liegen vorzugsweise nicht zu hoch, da ansonsten die Eindringtiefe der Wellen in den Prüfling zu stark beeinträchtigt werden kann. Vorteilhaft liegen diese Frequenzen bei ca. 50 kHz. Entsprechend ist die Messvorrichtung vorzugsweise dazu ausgestaltet, die Piezoelemente jeweils mit einer Frequenz von höchstens 100 kHz, insbesondere einer Frequenz zwischen 30 und 70 kHz, anzuregen.
Wie ersichtlich, können mit den ersten Piezo- elementen jeweils nur transversale Schwingungen erzeugt oder detektiert werden, während mit den zweiten Piezoele- menten jeweils nur longitudinale Schwingungen erzeugt o- der detektiert werden können. Dies ist so zu verstehen, dass die Piezoelemente derart ausgestaltet sind, dass das Signal der jeweils anderen (unerwünschten) Schwingungsart eine Leistung von höchstens 10% von jener der gewünschten Schwingungsart besitzt . Wie in Fig. 1 - 3 gezeigt, sind im Messkopf 1 mehrere erste und mehrere zweite Piezoelemente 3, 4 angeordnet. Hierzu ist messseitig im Messkopf 1 eine der Zahl der Piezoelemente entsprechende Anzahl von mechanischen Haltern 30 vorgesehen, von denen jeder jeweils ein Piezo- element 3, 4 aufnimmt. Da die ersten und zweiten Piezoelemente 3, 4 (bis auf den Anschlagkörper) gleiche Aussen- form haben, können die Halter 30 für beide Typen von Pie- zoelementen gleich aufgebaut sein. Wie eingangs erwähnt, erlaubt es dies dem Hersteller, mit nur wenigen Komponenten verschiedene Messkopfe für transversale, longitudi- nale und kombinierte Messungen bereitzustellen.
Jeder Halter 30 bildet einen Aufnahmeraum 31, der Platz für die Aufnahme eines Piezoelements 3, 4 bie- tet. Der Aufnahmeraum 31 ist seitlich von Führungshülse 32 begrenzt. Im Aufnahmeraum 31 ist eine Feder 33 vorgesehen, die messseitig am achsialen Anschlag 21 des Piezo- elements abgestützt ist und sich rückseitig gegen eine Krone 34 abstützt. Die Krone 34 ist mit dem hinteren Ende der Führungshülse 32 verschraubt.
Die Feder 33 drückt das Piezoelement 3, 4 zur Messseite hin. In der maximal entspannten Stellung der Federn 33, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, liegen die Anschlagkörper 7 aller Piezoelemente in einer gemeinsamen Ebene. Ist die Oberfläche des Prüflings uneben, so werden die Piezoelemente 3, 4 gegen die jeweilige Kraft der Federn 33 individuell so tief in die Halterungen 30 hineingedrückt, dass jeder Anschlagkörper 7 in Kontakt mit der Oberfläche des Prüflings bleibt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind im Messkopf der dargestellten Ausführung sechs äussere Piezoelemente gleichmässig auf einem Kreis verteilt und konzentrisch um ein zentrales Piezoelement angeordnet. Das Muster der Piezoelemente ist derart gewählt, dass durch Drehung um 360°/n um die Mittelachse des Messkopfs jedes der äusseren Piezoelemente jeweils in ein anderes der äusseren Piezoelemente übergeführt wird, wobei n = 6, während das mittlere Piezoelement bei dieser Drehung in sich selbst übergeführt wird.
In der dargestellten Ausführung sind im Messkopf 1 drei erste (transversale) und vier zweite (lon- gitudinale) Piezoelemente 3 bzw. 4 angeordnet. Diese Zahlen können jedoch den jeweiligen Anforderungen angepasst werden .
Wie weiter aus Fig. 1 und 3 ersichtlich, können am und im gezeigten Messkopf 1 auch Anschlüsse 40, 41 sowie eine Elektronik auf Leiterplatten 42, 43 angeordnet sein .
Der gezeigte Messkopf 1 kann grundsätzlich als Sender, Empfänger oder Sender und Empfänger für Ultraschallsignale dienen. Wird die Messvorrichtung in Reflektion betrieben, so können alle Messungen mit nur einem Messkopf 1 durchgeführt werden. Wird die Messvorrichtung in Transmission betrieben, so können zwei Messköpfe verwendet werden, von denen einer als Sender und der andere als Empfänger der Ultraschallsignale dient, wobei der Prüfling zwischen den beiden Messköpfen angeordnet ist .
Fig. 8 zeigt die wichtigsten Komponenten der MessVorrichtung beim Betrieb in Transmission. Insbesondere besitzt die Vorrichtung eine Steuerung 44, welche die Komponenten steuert. Die Steuerung 44 steuert über einen Treiber 45 die Piezoelemente 3a, 4a an, mit denen die Ultraschallsignale erzeugt werden sollen (in Fig. 8 sind der Einfachheit halber nur drei dieser Piezoelemente dargestellt) . Die Steuerung 44 kann z.B. über einen elektronischen Schalter 46 auswählen, ob die ersten oder die zweiten Piezoelemente 3a bzw. 4a angesteuert werden, d.h. ob transversale oder longitudinale Wellen erzeugt werden sollen.
Die aussendenden Piezoelemente 3a, 4a liegen an einer ersten Seite des Prüflings 47 an und sind in einem ersten Messkopf angeordnet. Alle Piezoelemente jedes Typs werden dabei jeweils parallel zueinander betrieben, so dass die Schwingamplitude jedes Piezoelements maximal ist .
Auf der gegenüber liegenden Seite des Prüflings 47 sind empfangende Piezoelemente 3b, 4b in einem zweiten Messkopf vorgesehen (von denen in Fig. 8 wiederum nur drei dargestellt sind) .
Die Signale aller Piezoelemente 3b, 4b jedes Typs werden jeweils elektronisch addiert, so dass eine maximale Signalhöhe erreicht wird.
Die Steuerung 44 kann z.B. über einen elektronischen Schalter 48 auswählen, ob die transversalen o- der longitudinalen Schwingungen gemessen werden sollen. Die Signale werden über einen Filter/Verstärker 49 geführt und sodann ausgewertet.
Die elektronischen Komponenten der Schaltung gemäss Fig. 8 können z.B. auf den Leiterplatten 42, 43 eines der Messköpfe angeordnet sein, oder sie können mindestens teilweise auch in einer externen Steuerung realisiert werden.
Die Messvorrichtung ist vorteilhaft dazu ausgestaltet, im Betrieb abwechslungsweise periodische Signalzüge an die ersten und die zweiten sendenden Piezoelemente 3a, 4a anzulegen, um so abwechslungsweise transversale und longitudinale Schwingungen im Prüfling zu erzeugen. Die durch den Prüfling 47 transmittierten Signale können sodann abwechslungsweise durch die ersten und zweiten empfangenden Piezoelemente 3b, 4b aufgefangen werden. Auf diese Weise wird eine gute Signaltrennung zwischen den beiden Messkanälen erreicht.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Mess orrichtung zum Charakterisieren eines Prüflings mittels Ultraschall umfassend mindestens einen Messkopf (1) mit mindestens einem Piezoelement (3, 4), das einen Anschlagkörper (7) zum Anlegen an den Prüfling sowie einen piezoelektrischen Aktuator (10) zum Erzeugen und/oder Detektieren von Schwingungen im Anschlagkörper (7) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (1) mehrere unterschiedliche erste und zweite Piezoelemente (3, 4) aufweist, wobei die mehreren ersten Piezoelemente (3) zum Erzeugen und/oder Detektieren von transversalen Schwingungen und die mehreren zweiten Piezoelemente (4) zum Erzeugen und/oder Detektieren von longitudinalen Schwingungen im Prüfling ausgestaltet sind.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messvorrichtung dazu ausgestaltet ist, die Piezoelemente (3, 4) jeweils in Resonanz zu betreiben, und wobei sich die Resonanzfrequenz der transversalen Schwingung der ersten Piezoelemente von der Resonanzfrequenz der longitudinalen Schwingung der zweiten Piezoelemente (3, 4) um höchstens 20%, insbesondere um höchstens 10%, unterscheidet .
3. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die piezoelektrischen Aktuatoren (10) jeweils zwischen einem ersten und einem zweiten Ende (11, 12) erstrecken, wobei das zweite Ende (12) mit dem jeweiligen Anschlagkörper (7) verbunden ist, wo- bei ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (11, 12) eine Länge des Aktuators (10) definiert, und wobei die Länge der piezoelektrischen Aktuatoren (10) der ersten Piezoelemente (3) geringer ist als die Länge der piezoelektrischen Aktuatoren ( 10 ) der zweiten Piezoele- mente (4 ) .
4. MessVorrichtung nach Anspruch 3 , wobei die piezoelektrischen Aktuatoren (10) Elektroden (15a - 15e) aufweisen, um elektrische Felder senkrecht zu Verbindungslinien zwischen den ersten und zweiten Enden (11, 12) zu erzeugen, und wobei die piezoelektrischen Aktua- toren (10) parallel und/oder antiparallel zu den jeweili- gen Feldern polarisiert sind.
5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder Aktuator (10) der ersten Piezoelemente (3) zwei sich nebeneinander zwischen dem ersten und dem zweiten Ende (11, 12) erstreckende piezoelektrische Körper (14a, 14b) aufweist, wobei die Elektroden (15a, 15b, 15c) so angeordnet und die Körper (14a, 14b) so polarisiert sind, dass beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden (15a, 15b, 15d) der erste Körper (14a) parallel zum elektrischen Feld und der zweite Körper (14b) antiparallel zum elektrischen Feld, oder umgekehrt, polarisiert ist.
6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Aktuatoren (10) der ersten und der zweiten Piezoelemente (3, 4) gleiche Querschnitte aufweisen.
7. Messvorrichtung nach einem der vorangehen- den Ansprüche, wobei die Messvorrichtung dazu ausgestaltet ist, die Piezoelemente (3, 4) jeweils mit einer Fre¬ quenz von höchstens 100 kHz, insbesondere einer Frequenz zwischen 30 und 70 kHz, anzuregen.
8. Messvorrichtung nach einem der vorangehen- den Ansprüche, wobei die Messvorrichtung mehr zweite Piezoelemente (4) aufweist als erste Piezoelemente (3) .
9. Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anschlagkörper (7) aller Piezoelemente (3, 4) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
10. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Piezoelemente (3, 4) derart am Messkopf (1) angeordnet sind, dass jedes erste Piezoe- lement (3, 4) mindestens ein zweites Piezoelement (4) als nächsten Nachbarn besitzt und umgekehrt .
11. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung dazu ausgestaltet ist, abwechslungsweise periodische Signale an die ersten und die zweiten Piezoelemente (3, 4) anzulegen, um so abwechslungsweise transversale und longitudinale
Schwingungen im Prüfling zu erzeugen.
12. Messvorrichtung nach einem der vorange- henden Ansprüche, wobei der Messkopf (1) für jedes Piezo- element (3, 4) einen mechanischen Halter (30) aufweist, wobei die Halter (30) für die ersten und die zweiten Pie¬ zoelemente (3, 4) derart identisch sind, dass jeder Halter (30) sowohl ein erstes aber auch ein zweites Piezoe- lement (3, 4) aufnehmen kann.
13. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten und die zweiten Piezoelemente (3, 4) jeweils gleiche Aussenform, allenfalls mit Ausnahme der Form der Anschlagkörper (7), aufweisen.
14. Messvorrichtung nach einem der vorange¬ henden Ansprüche, wobei die ersten und die zweiten Piezo¬ elemente (3, 4) Anschlagkörper (7) unterschiedlicher Form aufweisen .
15. Messvorrichtung nach einem der vorange- henden Ansprüche, wobei die Piezoelemente (3, 4) derart in einem drehsymmetrischen Muster am Messkopf (1) ange¬ ordnet sind, dass mittels Drehung um 360°/n jedes Piezoe- lement (3, 4) in sich selbst oder in ein anderes Piezoe- lement (3, 4) überführbar ist, wobei n > 2, insbesondere n = 6.
16. Messvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Muster derart ist, dass mit einer Drehung um 360°/n jedes Piezoelement (3, 4) entweder in sich selbst oder in ein Piezoelement (3, 4) der jeweils anderen Art überführ- bar ist, wobei n gerade ist.
17. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest jedes zweite Piezoelement (4) eine metallische Abschirmung (20) aufweist, welche den piezoelektrischen Aktuator ( 10 ) des j eweiligen Piezoelements (4) zumindest seitlich umgibt.
18. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mit den ersten Piezoelementen (3) jeweils nur transversale Schwingungen erzeugbar oder de- tektierbar sind und mit den zweiten Piezoelementen (4) jeweils nur longitudinale Schwingungen.
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