WO1999008809A1 - Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren - Google Patents

Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren Download PDF

Info

Publication number
WO1999008809A1
WO1999008809A1 PCT/DE1998/001323 DE9801323W WO9908809A1 WO 1999008809 A1 WO1999008809 A1 WO 1999008809A1 DE 9801323 W DE9801323 W DE 9801323W WO 9908809 A1 WO9908809 A1 WO 9908809A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
oscillator
transmitter
receiver
test head
electronics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1998/001323
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes BÜCHLER
Manfred Rost
Torsten NIEDERDRÄNK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Krautkraemer GmbH
KJTD Co Ltd
Original Assignee
Krautkraemer GmbH
KJTD Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krautkraemer GmbH, KJTD Co Ltd filed Critical Krautkraemer GmbH
Priority to JP2000509535A priority Critical patent/JP4197577B2/ja
Priority to DE59812997T priority patent/DE59812997D1/de
Priority to US09/485,496 priority patent/US6286371B1/en
Priority to IL13420998A priority patent/IL134209A/xx
Priority to EP98933515A priority patent/EP1003614B8/de
Priority to KR1020007001287A priority patent/KR20010022692A/ko
Priority to CA002300091A priority patent/CA2300091C/en
Priority to AU83320/98A priority patent/AU8332098A/en
Publication of WO1999008809A1 publication Critical patent/WO1999008809A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2487—Directing probes, e.g. angle probes
    • 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
    • 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
    • B06B1/0688—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 with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Definitions

  • the invention relates to a probe for ultrasonic testing according to the pulse echo method, in particular for generating a short ⁇ time, unipolar possible ultrasonic pulse, with a transmitter transducer and a receiver transducer, each ver with electrodes ⁇ are seen.
  • High-frequency probes are required for examining thin layers as well as for ultrasonic testing for very small defects. Namely, the under investigation error or the examined layer thickness small sound signals compared to the wavelength of the ultra ⁇ used, the inhomogeneity no longer an obstacle for the Ultra ⁇ sound signal.
  • the invention relates to probes having a sufficiently high frequency for the detection of thin Shifts as well as small mistakes.
  • the probes typically have a frequency greater than 20 MHz, the Fre acid sequence is generally in the range of 10 to 100 MHz, it can be also 150 MHz and higher.
  • the capacity of the vibrator is configured as a foil 300 pF. There is achieved a substantially unipolar, very brief ultrasonic ⁇ limpuls whose width is about 50 ns.
  • a probe comprising a transmitter receiver ⁇ have obligations which operates according to the pulse echo method Ultraschallprüfvorrich ⁇ vibrator as it is by way of example known from the above article.
  • test heads with separate transducers, i.e. a transmitter transducer and a receiver transducer.
  • a transmitter transducer and a receiver transducer are also test heads with separate transducers, i.e. a transmitter transducer and a receiver transducer.
  • the oscillators in Schallaus ⁇ are of propagation juxtaposed. Thereby, the path of the Ul ⁇ traschalls between transmitter transducer and receiver transducer is V-shaped.
  • the reviews of layers it is disadvantageous, however, one might fairly ⁇ angle measure to the boundary surfaces of the layers.
  • this test head provides separate oscillators for transmitting and receiving the ultrasonic pulse. However, these are now arranged one behind the other.
  • the dung OF INVENTION ⁇ proper probe behaves characterized essentially as a single schwingerprüfkopf because the two transducers arranged behind one another and are made of the same material.
  • the invention therefore proposes a spatial configuration of the two transducers that is as similar as possible to the configuration of a single-transducer test head.
  • the two transducers are galvanically separated from one another, which largely prevents the receiver electronics from being influenced by the transmission pulse.
  • the dead time is thus suppresses largely un ⁇ and practically no longer of importance.
  • reception can be started shortly after an ultrasound pulse is emitted , and accordingly only a small lead distance has to be used. You don't always want to do without a lead section entirely because the lead section also protects the transducers.
  • the thickness of the adhesive layer between the transmitter oscillator and the receiver oscillator is as small as possible. It should be so low that reflections practically do not occur.
  • a material is used for the adhesive layer, the most similar acoustic properties as the material of the vibrator.
  • the transmitter oscillator and the receiver oscillator prefferably be of essentially the same construction.
  • the sound fields of these two transducers should be as equal as possible. On In this way, the greatest possible approximation to a single-head probe is achieved.
  • the receiver transducer is indeed shines in this arrangement directly from the acoustic transmit pulse by ⁇ and is therefore an electrical signal to its elec ⁇ trodes, but this process is very short time and has sung handy for Mes ⁇ no effect.
  • the electronics includes Senderelek ⁇ from a low impedance, while the input of the receiver electronics are high impedance.
  • the low-resistance transmitter output enables the desired, short-term voltage drops. Due to the high-resistance transmitter input, the receiver film is loaded as little as possible.
  • FIG. 1 an exploded side view of a test head
  • FIG. 2 a side view of a test head in a modified version
  • FIG. 3 an electronic circuit diagram of the receiver electronics
  • FIG. 4 an electronic circuit diagram of the transmitter electronics.
  • probe housing 20 are in propagation ⁇ direction 22 (arrows) of the ultrasound seen consecutively arranged a damping body 24, a transmitter transducer 26 with an upper electrode 28 and a lower electrode 30, a receiver transducer 32 having a obe ⁇ ren electrode 34 and a lower electrode 36 and a lead body 38. All these parts are round or cylindrical, they are arranged coaxially with an axis 40.
  • the damping body 24 is made of a material that has the same wave resistance as possible as the two structurally identical vibrators 26, 32. It is designed specifically made of cast resin and directly on the derschwinger Sen ⁇ 26, so the upper electrode 28 is poured. He is thrust ⁇ direction about 10 mm long.
  • Identically constructed vibrators are used as transmitter vibrators 26 and receiver vibrators 32.
  • the electrodes 28 and 30 or 34 and 36 are applied by vapor deposition and the electrodes are then contacted.
  • the corresponding connecting lines 42, 44, 46 are shown in FIG. 1.
  • Above the damping body 24 are mounted three Lötstütz ⁇ points. Among them, the connecting lines 42 lead to 46 ge ⁇ .
  • the two oscillators 26, 32 are connected to one another by an adhesive layer 48. This is located between the lower electrode 30 of the Sen ⁇ derschwingers 26 and the upper electrode 34 of the receiver oscillator 32. It is made as thin as possible. It can consist of a conductive Ma ⁇ consist TERIAL. Its thickness is chosen so that it is much smaller than the wavelength for which the two oscillators 26, 32 are designed.
  • a flow body 38 made of polystyrene has play, 100 MHz up to high frequencies at ⁇ , the lowest losses of the examined Materi ⁇ alien on. It has a good impedance matching to PVDF. A lead body made of acrylic glass is also possible, it has somewhat higher losses.
  • the arrangement of the two sheets of the transmitter transducer 26 and receiver transducer 32 is that a maximum of sensitivity he ⁇ ranges is chosen.
  • the connection of a ⁇ individual materials must be done very carefully, especially air ⁇ must be blown avoided. In the frequency range, even thinner connection layers, such as adhesive layers, are noticeable.
  • FIG. 2 shows another design of the actual test head.
  • the oscillator 26, 32 are not created from pre-made films but made by vapor deposition of the material PVDF. This vapor deposition takes place either on a very thin ground electrode 30, 34, which is provided for both oscillators 26, 32 together.
  • a hauchschreib ⁇ ne gold foil or sheet of suitable material It is at ih ⁇ ren two surfaces in the same way vaporized with PVDF.
  • the upper electrode 28 and the lower electrode 36 are then applied.
  • the damping body is in turn molded ⁇ 24 is on the upper electrode 28th
  • a lead body 38 made of solid material is not provided this time. Instead, a water supply section 50 is used.
  • FIG. 2 shows a thin layer 52 as it should be checked with the test head, it is located on a carrier 54.
  • the transmitter oscillator 26 is slowly charged by means of the transmitter electronics (FIG. 3) and suddenly discharged with a transmit trigger pulse (SAP). With the knowledge of the capacitance C of the film, the charging time constant can be set via the resistor R1. Slow charging prevents an acoustic signal from being emitted during charging.
  • the transmitter oscillator 26 is discharged via the transistor V2.
  • a VMOS transistor is used for this transistor. The control of this transistor takes place using the avalanche effect in transistor VI.
  • the transmitter electronics are located within the test head ⁇ housing 20th
  • the receiver electronics according to Figure 4 is also integrated in the test head. Attention is paid to the shortest possible leads, these should be less than 2 cm long, preferably shorter.
  • the receiver electronics uses an Opl type CLC 449 operational amplifier from Comlin, it is set to four times the amplification. It forms a high-ohmic termination of the receiver so as not to burden the receiving film. In this way, signal corruption is avoided.
  • the gain is determined by the resistors R6 and R7.
  • the operational amplifier is a driver for the subsequent cable 50 Ohm Ko ⁇ axial cable for signal transmission of the output signal usig.
  • Transmitter electronics and receiver electronics have been implemented in SMD technology in order to minimize the size. All electronics is there ⁇ with on a board space, the mm size of 15 x 32 mm has.

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren, insbesondere zur Erzeugung eines kurzzeitigen, möglichst unipolaren Ultraschallimpulses, mit einem Senderschwinger (26) und einem Empfängerschwinger (32), die jeweils mit Elektroden (28, 30, 34, 36) versehen sind. Der Senderschwinger (26) und Empfängerschwinger (32) sind aus dem gleichen Material gefertigt. Der Senderschwinger (26) und der Empfängerschwinger (32) sind in Schallausbreitungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordnet, insbesondere flächig aufeinander geklebt.

Description

Bezeichnung: Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren, insbesondere zur Erzeugung eines kurz¬ zeitigen, möglichst unipolaren Ultraschallimpulses, mit einem Senderschwinger und einem Empfängerschwinger, die jeweils mit Elektroden ver¬ sehen sind.
Für die Untersuchung dünner Schichten wie auch für die Ultraschallprüfung auf sehr kleine Fehler hin werden hochfrequente Prüfköpfe benötigt. Wird nämlich der zu untersuchende Fehler oder wird die zu untersuchende Schichtdicke klein im Vergleich zur Wellenlänge der verwendeten Ultra¬ schallsignale, stellt die Inhomogenität kein Hindernis mehr für das Ultra¬ schallsignal dar. Die Erfindung bezieht sich auf Prüfköpfe mit ausreichend hoher Frequenz für den Nachweis dünner Schichten sowie kleiner Fehler. Die Prüfköpfe haben typischerweise eine Frequenz größer 20 MHz, die Fre¬ quenz liegt allgemein im Bereich zwischen 10 und 100 MHz, sie kann auch 150 MHz und höher betragen.
Aus dem Artikel von J. Büchler, M. Platte und H. Schmidt "Electronic cir- cuit for high frequency and broad-band ultrasonic pulse-echo Operation" in: Ultrasonics, 1987, Vol 25, March, S. 1112 bis 1114 ist ein Prüfkopf mit einem Senderempfängerschwinger aus einer dünnen PVDF-Folie (Polyvinyli- denflurid) bekannt. Sie wird über eine Senderelektronik langsam auf eine Sendespannung aufgeladen und dann möglichst rasch entladen. Das Entla¬ den erfolgt durch Kurzschließen des Schwingers mittels eines geeigneten Schalters, der in dem Artikel als Transistorschalter ausgeführt ist. Es werden Entladezeiten von 10 ns für einen Spannungssprung von 150 V an¬ gegeben, die Kapazität des als Folie ausgeführten Schwingers beträgt 300 pF. Es wird ein im wesentlichen unipolarer, sehr kurzzeitiger Ultraschal¬ limpuls erreicht, dessen Breite etwa 50 ns beträgt.
Nachteilig bei diesem vorbekannten Prüfkopf ist, dass nach Aussenden ei¬ nes Ultraschallimpulses ausreichend lange gewartet werden muß, bis er empfangsbereit ist. Für praktische Prüfungsaufgaben sind die einzuhalten¬ den Totzeiten nicht immer akzeptabel. Zwar kann man grundsätzlich, wie aus der Ultraschalltechnik bekannt ist, mit einem ausreichend langen Vor¬ laufkörper arbeiten und so die Nachteile der einzuhaltenden Totzeiten vermeiden, bei hochfrequenten Impulsen der hier in Rede stehenden Art ist dies aber mit dem Nachteil einer erheblichen Schallschwächung im Vorlauf¬ körper behaftet. Diesen Nachteil möchte man vermeiden.
Die nach dem Impuls-Echo-Verfahren arbeitenden Ultraschallprüfvorrich¬ tungen haben üblicherweise einen Prüfkopf mit einem Senderempfänger¬ schwinger, wie er aus dem oben genannten Artikel beispielhaft bekannt ist. Grundsätzlich gibt es aber auch Prüfköpfe mit getrennten Schwingern, also einem Senderschwinger und einem Empfängerschwinger. Hierzu wird nur beispielhaft verwiesen auf das DE-Buch J. Krautkrämer und W. Krautkrämer "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" in Springer Verlag, 6. Aufl.. Bei den vorbekannten Zweischwinger Prüfköpfen sind die Schwinger in Schallaus¬ breitungsrichtung nebeneinander angeordnet. Dadurch ist der Weg des Ul¬ traschalls zwischen Senderschwinger und Empfängerschwinger V-förmig. Bei der Prüfung von Schichten ist dies jedoch nachteilig, man möchte recht¬ winklig zu den Begrenzungsflächen der Schichten messen.
Hier setzt nun die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Prüfkopf anzugeben, der insbesondere im Hochfrequenzbereich ein¬ setzbar ist und der unter möglichst ungeänderter Beibehaltung der Vortei¬ le des Prüfkopfes nach dem genannten Zeitschriftenartikel eine Verringe¬ rung der Totzeit und damit eine kürzere Ausbildung des Vorlaufkörpers gestattet.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Prüfkopf der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass Senderschwinger und Empfängerschwinger aus dem gleichen Material gefertigt sind und dass der Senderschwinger und der Empfängerschwinger in Schallausbreitungsrichtung hintereinander angeord¬ net und flächig miteinander verbunden, insbesondere aufeinander geklebt sind.
Bei diesem Prüfkopf sind - wie ansich bekannt - separate Schwinger für das Aussenden und für das Empfangen des Ultraschallimpulses vorgesehen. Diese sind jedoch nun unmittelbar hintereinander angeordnet. Der erfin¬ dungsgemäße Prüfkopf verhält sich dadurch im wesentlichen wie ein Ein- schwingerprüfkopf, weil die beiden Schwinger hintereinander angeordnet und aus dem selben Material gefertigt sind.
Wenn man einen Senderschwinger und einen Empfängerschwinger in Schall¬ ausbreitungsrichtung hintereinander anordnet, treten üblicherweise Reflek- tionen zwischen den beiden Schwingerkörpern auf. Diese werden nun erfin¬ dungsgemäß dadurch vermieden, dass beide Schwinger flächig miteinander verbunden, insbesondere aufeinander geklebt sind. Es wird vorzugsweise darauf geachtet, dass der Zwischenraum zwischen beiden Schwingern mög¬ lichst gering ist. Durch Verwendung zweier Schwinger aus dem gleichen Material treten keine Reflektionen an den Grenzflächen auf.
Die Erfindung schlägt also eine räumliche Ausbildung der beiden Schwinger vor, die möglichst ähnlich ist der Ausbildung eines Einschwingerprüfkop- fes. Die beiden Schwinger sind jedoch galvanisch voneinander getrennt, wodurch die Beeinflussung der Empfängerelektronik durch den Sendeimpuls weitgehend ausgeschlossen ist. Die Totzeit ist dadurch weitestgehend un¬ terdrückt und praktisch nicht mehr von Bedeutung. Insoweit kann bereits kurz nach Aussenden eines Ultraschallimpulses auf Empfang gegangen wer¬ den, demgemäß muß auch nur eine geringe Vorlaufstrecke benutzt werden. Auf eine Vorlaufstrecke möchte man nicht immer gänzlich verzichten, weil durch die Vorlaufstrecke auch die Schwinger geschützt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung ist die Dicke der Klebschicht zwischen Senderschwinger und Empfängerschwinger möglichst gering. Sie sollte so gering sein, dass Reflektionen praktisch nicht auftreten. Vor¬ zugsweise wird ein Material für die Klebschicht verwendet, das möglichst ähnliche Schalleigenschaften hat wie das Material der Schwinger.
Als besonders bevorzugt hat es sich herausgestellt, Senderschwinger und Empfängerschwinger im wesentlichen baugleich auszuführen. Insbesondere sollten die Schallfelder dieser beiden Schwinger möglichst gleich sein. Auf diese Weise wird eine weitestgehende Annäherung an einen Einschwinger- prüfkopf erzielt.
Als bevorzugt hat es sich herausgestellt, den Senderschwinger an seiner vom Empfängerschwinger abgewandten Fläche mit einem Dämpfungskörper zu verbinden. Derartige Dämpfungskörper sind ansich bekannt, es ist aber im Sinne der Erfindung günstig, den Senderschwinger mit dem Dämpfungskör¬ per zu verbinden. Auf diese Weise werden möglichst kurzzeitige Impulse erzielt.
Im gleichen Sinne hat es sich als günstig erwiesen, den Vorlaufkörper mit dem Empfängerschwinger zu verbinden. Der Empfängerschwinger wird bei dieser Anordnung zwar unmittelbar vom akustischen Sendeimpuls durch¬ strahlt und gibt dementsprechend ein elektrisches Signal an seinen Elek¬ troden ab, dieser Vorgang ist aber äußerst kurzzeitig und hat für die Mes¬ sung praktisch keine Auswirkung.
Als besonders bevorzugt hat es sich herausgestellt, die unmittelbar be¬ nachbarten Elektroden der beiden Schwinger auf das gleiche Potential zu legen, insbesondere auf Massepotential. Auf diese Weise sind keine Proble¬ me einer galvanischen Trennung zwischen den beiden benachbarten Elek¬ troden gegeben.
Vorteilhaft ist es weiterhin, die Senderelektronik und die Empfängerelek¬ tronik so nahe wie möglich an den jeweiligen Schwingern anzuordnen, ins¬ besondere sie im selben Gehäuse unterzubringen. Dadurch wird der Einfluß von parasitären Kapazitäten und Induktivitäten weitgehend ausgeschlossen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt die Senderelek¬ tronik niederohmig ab, während der Eingang der Empfängerelektronik hochohmig ausgeführt ist. Der niederohmige Senderausgang ermöglicht die erwünschten, möglichst kurzzeitigen Spannungsabfälle. Durch den hochoh- migen Sendereingang wird die Empfängerfolie möglichst wenig belastet.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von zwei nicht ein¬ schränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die un¬ ter Bezugnahme auf die Zeichnung im folgenden näher erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen:
FIG. 1: eine Seitenansicht in Explosionsdarstellung eines Prüfkopfes,
FIG. 2: eine Seitenansicht eines Prüfkopfes in geänderter Ausführung,
FIG. 3: ein elektronisches Schaltbild der Empfängerelektronik und
FIG. 4: ein elektronisches Schaltbild der Senderelektronik.
In einem hier nur angedeuteten Prüfkopfgehäuse 20 sind in Ausbreitungs¬ richtung 22 (Pfeile) des Ultraschalls gesehen hintereinander angeordnet ein Dämpfungskörper 24, ein Senderschwinger 26 mit einer oberen Elektrode 28 und einer unteren Elektrode 30, ein Empfängerschwinger 32 mit einer obe¬ ren Elektrode 34 und einer unteren Elektrode 36 sowie ein Vorlaufkörper 38. Alle diese Teile sind rund bzw. zylindrisch, sie sind zu einer Achse 40 gleichachsig angeordnet.
Der Dämpfungskörper 24 ist aus einem Material gefertigt, das möglichst den gleichen Wellenwiderstand wie die beiden baugleichen Schwinger 26, 32 hat. Er ist konkret aus Giessharz ausgeführt und unmittelbar auf den Sen¬ derschwinger 26, also dessen obere Elektrode 28, aufgegossen. Er ist Axial¬ richtung etwa 10 mm lang.
Als Senderschwinger 26 und Empfängerschwinger 32 werden baugleiche Schwinger verwendet. Ausgehend von einer fertigen PVDF-Folie, wie sie handelsüblich bezogen werden kann, werden die Elektroden 28 und 30 bzw. 34 und 36 durch Aufdampfen aufgetragen und die Elektroden anschließend kontaktiert. Die entsprechenden Verbindungsleitungen 42, 44, 46 sind in Figur 1 dargestellt. Oberhalb des Dämpfungskörpers 24 sind drei Lötstütz¬ punkte angebracht. Zu ihnen sind die Verbindungsleitungen 42 bis 46 ge¬ führt.
Die beiden Schwinger 26, 32 sind durch eine Klebschicht 48 miteinander verbunden. Diese befindet sich zwischen der unteren Elektrode 30 des Sen¬ derschwingers 26 und der oberen Elektrode 34 des Empfängerschwingers 32. Sie ist so dünn wie möglich ausgeführt. Sie kann aus einem leitenden Ma¬ terial bestehen. Ihre Dicke ist so gewählt, dass sie wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge, für die die beiden Schwinger 26, 32 ausgelegt sind.
An der Vorderseite sitzt zum Schutz der empfindlichen Folien ein Vorlauf¬ körper 38 aus Polystyrol. Polystyrol weist bis zu hohen Frequenzen, bei¬ spielsweise 100 MHz, die geringsten Verluste von den untersuchten Materi¬ alien auf. Es besitzt eine gute Impedanzanpassung an PVDF. Möglich ist auch ein Vorlaufkörper aus Acrylglas, er hat etwas höhere Verluste.
Die Anordnung der beiden Folien von Senderschwinger 26 und Empfängerschwinger 32 ist so gewählt, dass ein Maximum von Empfindlichkeit er¬ reicht wird. Durch Verwenden der hinteren Folie als Senderschwinger 26 wird eine bessere Bedämpfung dieser Folie möglich. So können ungewollte Reflektionen an der Rückseite minimiert werden. Die Verbindung der ein¬ zelnen Materialien muß sehr sorgfältig erfolgen, insbesondere müssen Luft¬ blasen vermieden werden. Im Frequenzbereich machen sich selbst dünnere Verbindungsschichten, wie beispielsweise Klebschichten, bemerkbar.
Figur 2 zeigt eine andere Ausbildung des eigentlichen Prüfkopfes. In die¬ sem Fall sind die Schwinger 26, 32 nicht aus vorgefertigten Folien erstellt, sondern durch Aufdampfen des Materials PVDF gefertigt. Dieses Aufdampfen erfolgt entweder auf eine sehr dünne Masseelektrode 30, 34, die für beide Schwinger 26, 32 gemeinsam vorgesehen ist. Verwendet wird eine hauchdün¬ ne Goldfolie oder eine Folie aus entsprechendem Material. Sie wird an ih¬ ren beiden Flächen in gleicher Weise mit PVDF bedampft. Anschließend werden die obere Elektrode 28 bzw. die untere Elektrode 36 aufgebracht. Auf die obere Elektrode 28 wird wiederum der Dämpfungskörper 24 aufge¬ gossen. Ein Vorlaufkörper 38 aus festem Material ist diesmal nicht vorgesehen. Stattdessen wird eine Wasservorlaufstrecke 50 eingesetzt. Figur 2 zeigt eine dünne Schicht 52 wie sie mit dem Prüfkopf überprüft werden soll, sie befindet sich auf einem Träger 54.
Mittels der Senderelektronik (Figur 3) wird der Senderschwinger 26 langsam aufgeladen und mit einem Sendeauslöseimpuls (SAP) schlagartig entladen. Über den Widerstand Rl kann mit Kenntnis der Kapazität C der Folie die Ladezeitkonstante eingestellt werden. Durch eine langsame Aufladung wird verhindert, dass während des Aufladens ein akustisches Signal abgestrahlt wird. Die Entladung des Senderschwingers 26 geschieht über den Transistor V2. Für diesen Transistor wird ein VMOS-Transistor eingesetzt. Die Ansteue- rung dieses Transistors erfolgt unter Ausnutzung des Avalanche-Effektes im Transistor VI. Die Senderelektronik befindet sich innerhalb des Prüf¬ kopfgehäuses 20.
Die Empfängerelektronik gemäß Figur 4 ist ebenfalls im Prüfkopf integriert. Es wird auf möglichst kurze Zuleitungen geachtet, diese sollten kleiner als 2 cm lang sein, vorzugsweise kürzer. Die Empfängerelektronik benutzt einen Operationsverstärker Opl vom Typ CLC 449 der Firma Com- linear, er ist auf vierfache Verstärkung eingestellt. Er bildet einen hoch- ohmigen Abschluß des Empfängers, um die Empfangsfolie nicht zu belasten. Auf diese Weise wird eine Signalverfälschung vermieden. Die Verstärkung ist dabei durch die Widerstände R6 und R7 festgelegt. Schließlich ist der Operationsverstärker ein Kabeltreiber für das anschließende 50 Ohm Ko¬ axialkabel zur Signalübertragung des Ausgangssignals Usig.
Aufgrund nicht idealer Masseverhältnisse an der gemeinsamen Massefläche der beiden Schwinger 26, 32 kommt es bei dem Empfängerschwinger 32 zu einem elektrischen Übersprechen des Sendesignals. Die antiparallel ge¬ schalteten Dioden D3 und D4 haben die Aufgabe, dieses Übersprechen zu begrenzen. Sie schützen gleichzeitig den Operationsverstärker davor, in den Sättigungsbereich zu gelangen.
Senderelektronik und Empfängerelektronik sind in SMD-Technik realisiert worden, um die Baugröße zu minimieren. Die gesamte Elektronik findet da¬ mit auf einer Leiterplatte Platz, die eine Größe von 15 mm x 32 mm hat.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren, insbesondere zur Erzeugung eines kurzzeitigen, möglichst unipolaren Ultraschallimpulses, mit einem Senderschwinger (26) und einem Empfän¬ gerschwinger (32), die jeweils mit Elektroden (28, 30, 34, 36) versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass Senderschwinger (26) und Empfängerschwinger (32) aus dem gleichen Material gefertigt sind und dass der Senderschwinger (26) und der Empfängerschwinger (32) in Schallausbrei¬ tungsrichtung unmittelbar hintereinander angeordnet sind, insbesondere flächig aufeinander geklebt sind.
2. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Klebschicht (48) zwischen Senderschwinger (26) und Empfängerschwinger (32) möglichst gering ist, insbesondere wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge, für die die Schwinger (26, 32) ausgelegt sind.
3. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Senderschwinger (26) und der Empfängerschwinger (32) im wesentlichen baugleich sind, insbesondere, dass die Schallfelder beider Schwinger möglichst gleich sind.
4. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Senderschwinger (26) an seiner vom Empfängerschwinger (32) abgewandten Fläche mit einem Dämpfungskörper (24) verbunden ist.
5. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfän¬ gerschwinger (32) an seiner vom Senderschwinger (26) abgewandten Fläche mit einem Vorlaufkörper (38) verbunden ist, insbesondere, dass ein Vorlaufkörper (38) verwendet wird, der nur wenige Millimeter dick ist, typischerweise zwischen 1 bis 4 mm dick, vorzugsweise 2 mm dick ist.
6. Prüfkopf nach Anspruch 1, bei dem der Senderschwinger (26) mit einer Senderelektronik und der Empfängerschwinger (32) mit einer Empfängerelektronik verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar benachbarten, durch die Klebschicht (48) verbundenen Elektroden (28, 30, 34, 36) auf gleichem Potential liegen, insbesondere auf Massepo¬ tential liegen.
7. Prüfkopf nach Anspruch 6 mit einem Prüfkopfghäuse, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass Senderelektronik und Empfängerelektronik so nah wie möglich an den Schwingern angeordnet sind, insbesondere sich in dem Gehäuse des Prüfkopfs befinden.
8. Prüfkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender¬ schwinger (26) mit einem niederohmig ausgeführten Ausgang der Sende¬ relektronik verbunden ist und dass der Empfängerschwinger (32) mit einem hochohmig ausgebildeten Empfängereingang verbunden ist.
9. Prüfkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinger aus Kunststoffolien hergestellt sind, insbesondere aus PVDF-Folien.
10. Verfahren zum Betreiben eines Prüfkopfes nach einem der vorangegan¬ genen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Anregungsspannung des Senderschwingers (26) an diesen eine zeitlich langsam ansteigende Spannung angelegt wird und nach Erreichen einer ausreichenden Spannung der Senderschwinger (26) anschließend möglichst in sehr kurzer Zeit kurzgeschlossen wird.
PCT/DE1998/001323 1997-08-13 1998-05-13 Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren Ceased WO1999008809A1 (de)

Priority Applications (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000509535A JP4197577B2 (ja) 1997-08-13 1998-05-13 パルス反射法による超音波テストに用いるプローブ
DE59812997T DE59812997D1 (de) 1997-08-13 1998-05-13 Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren
US09/485,496 US6286371B1 (en) 1997-08-13 1998-05-13 Monitor head for ultrasound control by pulse echo process
IL13420998A IL134209A (en) 1997-08-13 1998-05-13 Probe for ultrasonic testing according to the pulse echo method
EP98933515A EP1003614B8 (de) 1997-08-13 1998-05-13 Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren
KR1020007001287A KR20010022692A (ko) 1997-08-13 1998-05-13 펄스 반사법에 의한 초음파 시험용 탐침
CA002300091A CA2300091C (en) 1997-08-13 1998-05-13 Monitor head for ultrasound control by pulse echo process
AU83320/98A AU8332098A (en) 1997-08-13 1998-05-13 Monitor head for ultrasound control by pulse echo process

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19735101.8 1997-08-13
DE19735101A DE19735101A1 (de) 1997-08-13 1997-08-13 Prüfkopf für die Ultraschallprüfung nach dem Impuls-Echo-Verfahren

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1999008809A1 true WO1999008809A1 (de) 1999-02-25

Family

ID=7838867

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE1998/001323 Ceased WO1999008809A1 (de) 1997-08-13 1998-05-13 Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren

Country Status (9)

Country Link
US (1) US6286371B1 (de)
EP (1) EP1003614B8 (de)
JP (1) JP4197577B2 (de)
KR (1) KR20010022692A (de)
AU (1) AU8332098A (de)
CA (1) CA2300091C (de)
DE (2) DE19735101A1 (de)
IL (1) IL134209A (de)
WO (1) WO1999008809A1 (de)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1495568B1 (de) * 2002-04-12 2006-03-15 Azea Networks Limited Übertragungssystem
RU2248850C1 (ru) * 2004-06-21 2005-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Ультразвуковая техника - инлаб" Ультразвуковое устройство
US8007659B2 (en) 2008-06-03 2011-08-30 Graftech International Holdings Inc. Reduced puffing needle coke from coal tar distillate
WO2016148860A1 (en) * 2015-03-16 2016-09-22 The Regents Of The University Of California Ultrasonic microphone and ultrasonic acoustic radio

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2083695A (en) * 1980-07-29 1982-03-24 Kureha Chemical Ind Co Ltd Ultrasonic transducer
US4446739A (en) * 1980-12-22 1984-05-08 U.S. Philips Corporation Echo ultrasound examination device with multi-layer transducer
DE3441563A1 (de) * 1984-11-14 1985-05-30 Michael Dipl.-Phys. 5600 Wuppertal Platte Kombinierte ultraschallwandler aus keramischen und hochpolymeren piezoelektrischen materialien
DE3710339A1 (de) * 1987-03-28 1988-10-06 Deutsch Pruef Messgeraete Piezopolymerer ultraschallwandler

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6066882A (ja) * 1983-09-22 1985-04-17 Murata Mfg Co Ltd 圧電変位素子およびその分極方法
JPS61205100A (ja) * 1985-03-08 1986-09-11 Murata Mfg Co Ltd 圧電発音体
US4868447A (en) * 1987-09-11 1989-09-19 Cornell Research Foundation, Inc. Piezoelectric polymer laminates for torsional and bending modal control
JP3039971B2 (ja) * 1989-09-19 2000-05-08 株式会社日立製作所 接合型圧電装置及び製造方法並びに接合型圧電素子
JP3185226B2 (ja) * 1991-01-30 2001-07-09 株式会社村田製作所 圧電バイモルフ素子の駆動方法及び圧電バイモルフ素子
JPH0773732A (ja) * 1993-06-23 1995-03-17 Sharp Corp 誘電体薄膜素子及びその製造方法
US5629906A (en) * 1995-02-15 1997-05-13 Hewlett-Packard Company Ultrasonic transducer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2083695A (en) * 1980-07-29 1982-03-24 Kureha Chemical Ind Co Ltd Ultrasonic transducer
US4446739A (en) * 1980-12-22 1984-05-08 U.S. Philips Corporation Echo ultrasound examination device with multi-layer transducer
DE3441563A1 (de) * 1984-11-14 1985-05-30 Michael Dipl.-Phys. 5600 Wuppertal Platte Kombinierte ultraschallwandler aus keramischen und hochpolymeren piezoelektrischen materialien
DE3710339A1 (de) * 1987-03-28 1988-10-06 Deutsch Pruef Messgeraete Piezopolymerer ultraschallwandler

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BUCHLER J ET AL: "Electronic circuit for high frequency and broad-band ultrasonic pulse-echo operation", ULTRASONICS, MARCH 1987, UK, vol. 25, no. 2, ISSN 0041-624X, pages 112 - 114, XP002081342 *

Also Published As

Publication number Publication date
KR20010022692A (ko) 2001-03-26
EP1003614A1 (de) 2000-05-31
EP1003614B8 (de) 2005-10-12
IL134209A (en) 2003-04-10
DE19735101A1 (de) 1999-02-18
IL134209A0 (en) 2001-04-30
CA2300091C (en) 2005-02-08
US6286371B1 (en) 2001-09-11
EP1003614B1 (de) 2005-08-10
AU8332098A (en) 1999-03-08
DE59812997D1 (de) 2005-09-15
JP4197577B2 (ja) 2008-12-17
CA2300091A1 (en) 1999-02-25
JP2001515214A (ja) 2001-09-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE1005758B (de) Einrichtung zur zerstoerungsfreien Materialpruefung mit Ultraschall
EP0017216B1 (de) Ultraschallwandler
DE69109923T2 (de) Ultraschallwandleranordnung.
EP0547060B1 (de) Ultraschallwandler für die laufzeitmessung von ultraschall-impulsen in einem gas
EP0104928A2 (de) Ultraschallsichtgerät zur Diagnostik mit variabler Tiefenschärfe
DE3124919C2 (de) Wandleranordnung für Ultraschall-Abtastgeräte
DE3390293T1 (de) Ultraschallwandler
DE4008768A1 (de) Piezoelektrischer wandler
US4412316A (en) Ultrasonic transducer arrangement
DE102011082096A1 (de) Aktive wandlersonden und schaltungen
DE3382720T2 (de) Elektroakustischer Wandler und eine Sonde oder ein diagnostisches Ultraschallgerät mit einem solchen Wandler.
DE69120905T2 (de) Akustisches Mikroskopsystem
DE3206111A1 (de) Wandler mit verbesserter aufloesung systeme und verfahren fuer die aussendung und/oder den empfang von durch schwingungen ausgebteiteten wellen
EP1003614A1 (de) Prüfkopf für die ultraschallprüfung nach dem impuls-echo-verfahren
DE19937479A1 (de) Ultraschall-Sensoranordnung
EP0086531B1 (de) Anordnung zur Untersuchung mit Ultraschall
Felix et al. High bandwidth, high density arrays for advanced ultrasound imaging
US4134302A (en) Pulser for ultrasonic inspection system
DE3401979A1 (de) Ultraschall-wandler
DE2708226A1 (de) Sende- und empfangswandler fuer ultraschall-strahlung, geeignet fuer grossen entfernungsbereich
DE3421176C2 (de)
DE3720574C2 (de)
DE102020132634A1 (de) Ultraschallsensorsystem für ein kraftfahrzeug und verfahren zum betreiben des ultraschallsensorsystems
Johnson et al. Studies of the Otic Capsule: I. Reduced Dead Time Ultrasonic Probe for Measurement of Bone Thickness
DE2036613C3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren von Diskontinuitäten hinsichtlich ihrer geometrischen Daten mittels eines auf die Diskontinuität gerichteten Bündels aus wiederkehrenden kurzen akustischen Impulsen

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 134209

Country of ref document: IL

AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AU BR CA IL JP KR LU MX NO PL RU SG TR US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1998933515

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020007001287

Country of ref document: KR

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2300091

Country of ref document: CA

Ref country code: CA

Ref document number: 2300091

Kind code of ref document: A

Format of ref document f/p: F

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 09485496

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1998933515

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020007001287

Country of ref document: KR

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1020007001287

Country of ref document: KR

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 1998933515

Country of ref document: EP