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DE10142364A1 - Determination of the distance to a soft sound object, whereby measurements are made at two or more different frequencies so that a material dependent phase correction can be made - Google Patents

Determination of the distance to a soft sound object, whereby measurements are made at two or more different frequencies so that a material dependent phase correction can be made

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DE10142364A1
DE10142364A1 DE2001142364 DE10142364A DE10142364A1 DE 10142364 A1 DE10142364 A1 DE 10142364A1 DE 2001142364 DE2001142364 DE 2001142364 DE 10142364 A DE10142364 A DE 10142364A DE 10142364 A1 DE10142364 A1 DE 10142364A1
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ultrasound
determining
soundproof
determined
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Jens Jahny
Peter Seidel
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ADVANCED ACOUSTIX GmbH
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Publication date
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Abstract

Method for distance measurement using ultrasound, whereby sound is reflected from or transmitted through soft sound objects. To determine a material dependent phase correction angle the ultrasound measurements are made at two or more different frequencies.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten. Unter "schallweich" wird hier die Materialeigenschaft verstanden, dass die mittlere Eindringtiefe de einer Welle (11) aus dem vermittelnden Medium (8) in das untersuchte Material (10) in der Größenordnung ihrer Wellenlänge λ liegt, d. h. λ ≤ de. "Schallhart" nennt man ein Material, wenn die mittlere Eindringtiefe viel kleiner als die Wellenlänge ist, also de << λ gilt. Die mittlere Eindringtiefe ist die Strecke, in der die Amplitude der einfallenden Welle auf den 1/e-ten Teil (e = 2,718. . . Euler'sche Konstante) ihres ursprünglichen Wertes abgefallen ist. The invention relates to a method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects. "Soundproof" is understood here to mean the material property that the mean penetration depth d e of a wave ( 11 ) from the mediating medium ( 8 ) into the examined material ( 10 ) is of the order of magnitude of its wavelength λ, ie λ ≤ d e . A material is called "sound hard" if the mean penetration depth is much smaller than the wavelength, ie d e << λ applies. The mean depth of penetration is the distance in which the amplitude of the incident wave has dropped to the 1 / e-th part (e = 2.718 ... Euler constant) of its original value.

Verfahren zur Abstandsmessung mittels Ultraschall sind bekannt (z. B. DE 198 41 154; DE 44 37 205; DE 39 39 328). Ein Ultraschallimpuls wird zum Objekt gesendet und wieder empfangen, je nach System in Transmission oder Reflexion, wobei in Reflexion auch ein einziger Ultraschallwandler als Sende- und Empfangswandler verwendet werden kann. Unter "Impuls" soll hier gleichermaßen auch die Verwendung einer über mehrere Perioden einer Trägerfrequenz ansteigenden und wieder abklingenden Wellengruppe verstanden werden. Methods for distance measurement using ultrasound are known (e.g. DE 198 41 154; DE 44 37 205; DE 39 39 328). An ultrasound pulse is sent to the object and received again, depending on the system in transmission or reflection, whereby in Reflection also a single ultrasonic transducer as a transmit and receive transducer can be used. The "impulse" should also include the Use of a carrier frequency increasing and over several periods decaying wave group can be understood.

In DE 44 07 369 ist ein Verfahren zur Laufzeitmessung in Reflexion angegeben, wobei neben der zunächst grob zu k Wellenzügen bestimmten Laufzeit auch die Phase φ des empfangenen Signals ausgewertet wird. Mit der Formel:

xG = S(kλ + φλ/360°) (1)

wird die gesamte Entfernung xG zum Objekt (entsprechend der gesamten Laufzeit) berechnet. DE 44 07 369 specifies a method for time-of-flight measurement in reflection, the phase φ of the received signal also being evaluated in addition to the time of flight initially determined roughly to k wave trains. With the formula:

x G = S (kλ + φλ / 360 °) (1)

the total distance x G to the object (corresponding to the total transit time) is calculated.

Das Verfahren nach DE 44 07 369 versagt für Ultraschall-Abstandsmessungen an schallweichen Objekten. Bei der Reflexion an einem schallweichen Objekt dringt die Ultraschallwelle (11) teilweise in dieses ein (Fig. 2); dadurch erleidet das reflektierte Signal (12) eine zusätzliche, materialabhängige Phasenverschiebung Δφ. Im folgenden wird Δφ "integraler, materialabhängiger Phasenkorrekturwinkel" genannt. Tabelle 1 und Fig. 1 zeigen beispielhaft den unter Verwendung eines Verfahrens ähnlich DE 44 07 369 entstehenden Fehler bei der Dickenbestimmung von Kontaktlinsen in wässrigem Medium (8) in Abhängigkeit von ihrem Wassergehalt. Ein hoher Wassergehalt der Kontaktlinse im wässrigen Medium bedingt eine hohe Eindringtiefe und damit je nach den vorliegenden Schallgeschwindigkeits- und Impedanzverhältnissen zum Beispiel eine systematisch scheinbar dünnere Linse. The method according to DE 44 07 369 fails for ultrasonic distance measurements on soft objects. When reflecting on a sound-soft object, the ultrasonic wave ( 11 ) partially penetrates it ( FIG. 2); as a result, the reflected signal ( 12 ) suffers an additional, material-dependent phase shift Δφ. In the following, Δφ is called "integral, material-dependent phase correction angle". Table 1 and Fig. 1 show an example of the error that occurs using a method similar to DE 44 07 369 when determining the thickness of contact lenses in aqueous medium ( 8 ) as a function of their water content. A high water content of the contact lens in the aqueous medium requires a high penetration depth and, depending on the sound speed and impedance conditions, a systematically seemingly thinner lens, for example.

Bei Ultraschallmessung an schallweichen Objekten tritt somit ein materialabhängiger Fehler Δd in der Abstandsbestimmung auf. Δd bleibt nach den bisher bekannten Methoden der Ultraschall-Abstandsmessung unbestimmt. Weiterhin ist Δd temperaturabhängig. When measuring ultrasound on soft objects, a material-dependent occurs Error Δd in the distance determination. Δd remains according to the previously known Methods of ultrasonic distance measurement indefinite. Furthermore, Δd temperature dependent.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Messverfahren zu finden, das auch bei schallweichen Objekten den Abstand zum Objekt hochauflösend und unabhängig vom Material des vorliegenden Objektes, d. h. materialbereinigt, anzugeben vermag. The object of the invention is to find an ultrasonic measuring method, that the distance to the object is high-resolution, even with sound-proof objects regardless of the material of the object, d. H. material adjusted, able to indicate.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das neue Verfahren der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens beschrieben. To solve this problem, the new method of the type mentioned has the features specified in the characterizing part of claim 1. In the Advantageous developments of the method are described in the subclaims.

Durch die Ultraschall-Messung bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen wird der materialabhängige, integrale Phasenkorrekturwinkel Δφ bestimmt, unter dessen Kenntnis dann der korrigierte Abstand xG, korr berechnet werden kann, unter Benutzung der Formel:

xG,korr = S(kλ + [φ + Δφ]λ/360°) (2).
The material-dependent, integral phase correction angle Δφ is determined by the ultrasound measurement at at least two different frequencies, under whose knowledge the corrected distance x G, corr can then be calculated, using the formula:

x G, corr = S (kλ + [φ + Δφ] λ / 360 °) (2).

Aus den Messungen bei verschiedenen Frequenzen wird zunächst über die frequenzabhängige Schallgeschwindigkeit des Materials seine Dispersion und Dämpfung berechnet. Aus der Dämpfung wird die mittlere Eindringtiefe de berechnet und aus dieser der integrale, materialabhängige Phasenkorrekturwinkel Δφ und der materialbereinigte Abstand zum Objekt nach Gleichung 2. From the measurements at different frequencies, its dispersion and damping are first calculated using the frequency-dependent sound velocity of the material. The average penetration depth d e is calculated from the damping and from this the integral, material-dependent phase correction angle Δφ and the material-adjusted distance to the object according to equation 2.

Anwendungsbeispielexample

Im folgenden wird beispielhaft die Dickenmessung mittels Ultraschall von wasserhaltigen Kontaktlinsen in einem wässrigem Medium (8) beschrieben. Um die geforderte, hohe Präzision (1 µm) zu erreichen, wird die Laufzeit und die Phase des empfangenen Ultraschallsignals ausgewertet (DE 44 07 369). Vorteilhafterweise wird aber hierbei die Phasenmessung des gesendeten Signals dadurch eingespart, dass das gesendete Signal mit vorher festgelegter und elektronisch konstant eingestellter Phase von 0° bezüglich des Einschalt-Zeitpunktes des Sendesignals ausgesendet wird. The thickness measurement using ultrasound of water-containing contact lenses in an aqueous medium ( 8 ) is described below by way of example. In order to achieve the required high precision (1 µm), the transit time and the phase of the received ultrasound signal are evaluated (DE 44 07 369). Advantageously, however, the phase measurement of the transmitted signal is saved in that the transmitted signal is transmitted with a predetermined and electronically constant set phase of 0 ° with respect to the switch-on time of the transmitted signal.

Es kommen zwei planare Ultraschallwandler zum Einsatz, die an den Wänden einer planparallelen Küvette angebracht sind. Die Kontaktlinse wird in der Messlösung mittig zwischen den beiden Ultraschallwandlern in der Küvette positioniert. Es wird sowohl in Transmission (1 ⇐ 2 und 2 ⇐ 1) wie auch in Reflexion mit jedem Ultraschallwandler (1 ⇐ 1 und 2 ⇐ 2) gemessen. Zunächst werden die Totzeiten des Messaufbaus für alle vier Messmöglichkeiten ohne Kontaktlinse unter Kenntnis der Küvettenweite DKüvette und der Schallgeschwindigkeit c(ω) des Mediums (beispielsweise aqua dest.) bestimmt. Die Abstände xj der Kontaktlinsenränder von dem j-ten (j = 1. . .2) Küvettenrand ergeben sich dann aus den nach Gleichung 1 ermittelten und um die Totzeiten bereinigten Laufzeiten:

xj = c(trefl j,j - ttot j,j)/2 (3).
Two planar ultrasonic transducers are used, which are attached to the walls of a plane-parallel cuvette. The contact lens is positioned in the measurement solution in the middle between the two ultrasonic transducers in the cuvette. It is measured in transmission (1 ⇐ 2 and 2 ⇐ 1) as well as in reflection with every ultrasonic transducer (1 ⇐ 1 and 2 ⇐ 2). First, the dead times of the measurement setup for all four measurement options without a contact lens are determined with knowledge of the cuvette size D cuvette and the speed of sound c (ω) of the medium (e.g. distilled water). The distances x j of the contact lens edges from the j-th (j = 1.. .2) cell edge then result from the run times determined according to equation 1 and adjusted for the dead times:

x j = c (t refl j, j - t tot j, j ) / 2 (3).

So erhält man für die Dicke d der Kontaktlinse als erste Näherung:

d = DKüvette - x1 - x2 (4).
The first approximation for the thickness d of the contact lens is as follows:

d = D cuvette - x 1 - x 2 (4).

Für die Schallgeschwindigkeit des Linsenmaterials erhält man:


For the speed of sound of the lens material you get:


Nun werden diese Messungen bei beispielsweise drei verschiedenen Frequenzen durchgeführt. Auf diese Art erhält man die Schallgeschwindigkeiten ci (i = t. . .3) für die drei gemessenen Kreisfrequenzen (ω = 2πf): c1(ω1), c2(ω2) und c3(ω3). Now these measurements are carried out at three different frequencies, for example. In this way, the sound velocities c i (i = t... 3) are obtained for the three measured angular frequencies (ω = 2πf): c 1 (ω 1 ), c 2 (ω 2 ) and c 3 (ω 3 ).

Durch Anpassung einer Parabel c = aω2 + bω + g an diese Datenpunkte erhält man die Dämpfungskonstante β des Linsenmaterials wie folgt:


By fitting a parabola c = aω 2 + bω + g to these data points, the damping constant β of the lens material is obtained as follows:


Für nur zwei Frequenzen würde entsprechend β = 1/b gelten. Aus β wird das Transmissionsverhältnis γ = exp(-βd) errechnet. Es gilt nun mit einer später zu bestimmenden Variablen ε die folgende Formel für das Transmissionsverhältnis:


wobei die folgende Abkürzung eingeführt wurde:


For only two frequencies, β = 1 / b would apply accordingly. The transmission ratio γ = exp (-βd) is calculated from β. With a variable ε to be determined later, the following formula applies to the transmission ratio:


the following abbreviation has been introduced:


Zu den bekannten Werten von γ, β, d, c2 und ω2 wird nun ε gesucht; dazu wird Gleichung (7) unter Berücksichtigung von Gleichung (8) numerisch invertiert. Den gesuchten, materialabhängigen Phasenkorrekturwinkel Δφ erhält man dann anhand der Gleichung:


Now search for the known values of γ, β, d, c 2 and ω 2 ; For this purpose, equation (7) is numerically inverted taking into account equation (8). The desired, material-dependent phase correction angle Δφ is then obtained using the equation:


Die Lösung dieser Gleichungen liefert zunächst vier mögliche Werte für ε, die jedoch alle das gleiche Ergebnis für Δφ liefern. Mit Gleichung 2 kann nun der korrigierte Wert der Dicke d der Kontaktlinse berechnet werden. Es ist vorteilhaft und zweckmäßig, die Berechnung (Gleichungen (5)-(9)) mit diesem neuen, approximativen Wert für d erneut durchzuführen und diese Iteration solange zu wiederholen, bis die erhaltenen Ergebnisse für d und Δφ sich nicht mehr innerhalb eines vorgegebenen Konvergenzkriteriums ändern. Solving these equations initially gives four possible values for ε, but they do all give the same result for Δφ. Equation 2 can now be used to correct the corrected Value of the thickness d of the contact lens can be calculated. It is beneficial and expedient, the calculation (equations (5) - (9)) with this new, approximate Repeat the value for d and repeat this iteration until the Results obtained for d and Δφ are no longer within a predetermined Change convergence criteria.

Fig. 3 zeigt das frequenzabhängige Impedanzverhalten eines Stelco-PPK-21- Ultraschallwandlers. Offenbar hat dieser Ultraschallwandler mehrere Resonanzfrequenzen, sodass es naheliegend erscheint, die ci(ωi)-Messungen an den Stellen der Resonanzfrequenzen vorzunehmen. Es verhält sich aber so, dass die akustische Dämpfung und die Eindringtiefe frequenzabhängig sind (vgl. Gleichung (6)). Eine zu große Entfernung der Messpunkte in den Frequenzen hat daher eine Verfälschung in der Bestimmung der Eindringtiefe und damit des materialabhängigen, integralen Phasenkorrekturwinkels zur Folge. Als vorteilhaft erweisen sich daher breitbandige Schallwandler vergleichsweise geringer Güte, zum Beispiel Ultraschallwandler der Firma Morgan Electro Ceramics vom Material PZT5A. Es wird dann auf Frequenzen nahe einer Resonanzfrequenz (z. B. 10,2 MHz) gemessen, um Δφ (an der Stelle 10,2 MHz) zu bestimmen. Mit dem beschriebenen Verfahren wird die materialbereinigte, hochgenaue (± 1 µm) und reproduzierbare Angabe der Kontaktlinsendicke ermöglicht. Fig. 3 shows the frequency dependent impedance behavior of a Stelco-PPK-21 shows the ultrasonic transducer. Apparently, this ultrasound transducer has several resonance frequencies, so it seems obvious to take the c i (ω i ) measurements at the locations of the resonance frequencies. However, it is the case that the acoustic damping and the depth of penetration are frequency-dependent (see Equation (6)). Too great a distance of the measuring points in the frequencies therefore leads to a falsification in the determination of the penetration depth and thus the material-dependent, integral phase correction angle. Broadband sound transducers of comparatively low quality have therefore proven to be advantageous, for example ultrasonic transducers from Morgan Electro Ceramics made of material PZT5A. It is then measured at frequencies near a resonance frequency (e.g. 10.2 MHz) to determine Δφ (at the point 10.2 MHz). The method described enables the material-corrected, highly accurate (± 1 µm) and reproducible indication of the contact lens thickness.

Die Erfindung zeichnet sich somit durch die folgenden Vorteile aus:

  • - Vermeiden des Unbrauchbarwerdens der kombinierten Phasen- und Laufzeitmessung (DE 44 07 369) für hochpräzise Abstandsmessungen an schallweichen Objekten;
  • - Möglichkeit der Korrektur der Abstandsmesswerte um den Materialeinfluss, d. h. Möglichkeit der Erzielung der Material-Unabhängigkeit der Abstandsmessung;
  • - weiterhin Möglichkeit der Material-Charakterisierung und/oder Material-Erkennung.
Tabelle 1 Gemessener Einfluss des Wassergehaltes von weichen Kontaktlinsen auf die Differenz zwischen mit Ultraschall gemessener, unkorrigierter Linsendicke in Bezug auf die mit einem Rheder-Gerät bestimmte Dicke (10,2 MHz; in aqua dest. 20,0°C), vgl. Fig. 1

The invention is therefore distinguished by the following advantages:
  • - Avoiding the combined phase and transit time measurement (DE 44 07 369) from becoming unusable for high-precision distance measurements on soundproof objects;
  • - Possibility of correcting the distance measurement values around the material influence, ie possibility of achieving the material independence of the distance measurement;
  • - further possibility of material characterization and / or material detection.
Table 1 Measured influence of the water content of soft contact lenses on the difference between uncorrected lens thickness measured with ultrasound in relation to the thickness determined with a Rheder device (10.2 MHz; in distilled water at 20.0 ° C), cf. Fig. 1

Verzeichnis der AbbildungenList of figures

Fig. 1 Vergleich der durch Ultraschall erhaltenen, unkorrigierten Linsendicke mit der durch mechanische Messung erhaltenen Linsendicke; Fig. 1 Comparison of the obtained by ultrasound, uncorrected lens thickness with that obtained by mechanical measurement of the lens thickness;

Fig. 2 Eindringtiefe und integrale Phasenverschiebung bei Reflexion von Ultraschallimpulsen am schallweichen Objekt; Fig. 2 penetration depth and integral phase shift upon reflection of ultrasonic pulses on the sound-soft object;

Fig. 3 Beispiel eines Piezo-Ultraschallwandlers mit mehreren Resonanzfrequenzen (Stelco PPK 21). Fig. 3 example of a piezo-ultrasonic transducer with several resonance frequencies (Stelco PPK 21).

Claims (7)

1. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten, gekennzeichnet durch die Bestimmung eines materialabhängigen, integralen Phasenkorrekturwinkels (Δφ) per Ultraschallmessung bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen. 1. Method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects, characterized by the determination of a material-dependent, integral phase correction angle (Δφ) by ultrasound measurement at at least two different frequencies. 2. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der frequenzabhängigen Ultraschallmessung die Schalldispersion des untersuchten, schallweichen Materials, hieraus seine Schalldämpfung und Eindringtiefe und aus dieser der materialabhängige, integrale Phasenkorrekturwinkel (Δφ) berechnet wird. 2. Method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects according to claim 1, characterized in that from the frequency-dependent Ultrasonic measurement the sound dispersion of the examined, sound-soft material, from this its sound absorption and penetration depth and from this the material-dependent, integral phase correction angle (Δφ) is calculated. 3. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, das mit dem ermittelten, integralen Phasenkorrekturwinkel der Abstand durch kombinierte Phasen- und Laufzeitmessung zur Vorderkante des schallweichen Objektes hochgenau angegeben wird. 3. Method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects according to claims 1 and 2, characterized in that with the determined, integral phase correction angle the distance through combined phase and Runtime measurement to the front edge of the sound-proof object specified with high precision becomes. 4. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem ermittelten, integralen Phasenwinkel (Δφ) auf empirischem Weg, d. h. durch Vergleich mit Proben bekannter Eigenschaften, die Materialeigenschaften des untersuchten Objektes bestimmt werden. 4. Method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects according to claims 1 and 2, characterized in that from the determined, integral phase angle (Δφ) empirically, d. H. by comparison with samples known properties, the material properties of the examined object be determined. 5. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines künstlichen, neuronalen Netzes zur Bestimmung von Materialeigenschaften aus dem ermittelten Phasenwinkel. 5. Method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects according to claim 4, characterized by the use of an artificial, neural network for determining material properties from the determined Phase angle. 6. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt des Materials aus (Δφ) bestimmt wird. 6. Method for determining the distance by means of ultrasound on soft objects according to claim 4, characterized in that the water content of the material (Δφ) is determined. 7. Verfahren zur Abstandsbestimmung mittels Ultraschall an schallweichen Objekten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke und der Wassergehalt von Kontaktlinsen bestimmt werden. 7. Method for determining the distance by means of ultrasound on soundproof objects according to claim 3, characterized in that the thickness and the water content of Contact lenses can be determined.
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