DE3035478A1

DE3035478A1 - Ultraschallaufnehmer

Info

Publication number: DE3035478A1
Application number: DE19803035478
Authority: DE
Inventors: Otto 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1980-09-19
Filing date: 1980-09-19
Publication date: 1982-04-29

Description

Ultraschallaufnehmer
Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Ultraschallaufnehmer, bei dem die Objektoberfläche mit einer Elektrode eine Meßkapazität bildet, die mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist. Das Ausgangssignal des Verstärkers dient als Maß für die Amplitude und den zeitlichen Verlauf der Oberflächenauslenkung durch einen Ultraschallimpuls.
Eine entlang der Oberfläche eines Körpers laufende Schallwelle ist charakterisiert durch die Auslenkungen der Oberfläche aus dem Ruhezustand und deren Frequenz.
Stellt man der Oberfläche des Meßobjekts in einer festen Position eine Meßfläche gegenüber, so bilden diese beiden Flächen zusammen eine Kapazität, die dem Abstand umgekehrt proportional ist. Eine auf die Oberfläche treffende oder entlang der Oberflächen laufende Schallwelle, verändert den Abstand und damit die Kapazität. Wird über einen Ladewiderstand an diese Kapazität eine konstante Spannung angelegt, so wird eine elektrische Ladung erzeugt. Wird durch eine Ultraschallwelle der Elektrodenabstand und damit die Kapazität geändert, so ändert sich umgekehrt proportional dazu auch die Spannung, sofern die Zeitkonstante aus dem Vorwiderstand und der Kapazität genügend groß ist.
Diese Spannungsänderung wird einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal das Maß der Oberflächenauslenkung und deren zeitlichen Verlauf wiedergibt (Acustica, Vol. 24 (1971), Seiten 216 - 221).
Für die zerstörungsfreie Werkstoffprufung mit Ultraschall, insbesondere für die Schallemissionsanalyse, benötigt man einen breitbandigen Ultraschallaufnehmer mit geringer Änderung des Phasenwinkels in Abhängigkeit von der Frequenz. Ferner soll die Ausdehnung der Elektrode parallel zur Oberfläche des Meßobjekts gering sein, damit ein kleiner Elektrodenabstand von wenigen /um eingestellt werden kann und man eine möglichst hohe Grenzfrequenz erhält.
Diese Aufgabe kann an sich gelöst werden durch die Verwendung von Interferrometern als Ultraschallaufnehmer. Diese sind jedoch verhältnismäßig teuer.
Die Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Elektrode steht der ObJektoberfläche in einem geringen Abstand gegenüber, der 4 /um nicht wesentlich übersteigt und insbesondere nur etwa 1 bis 3 /um beträgt.
Sie bildet mit der Oberfläche des Meßobjekts einen Kondensator, dessen Kapazität mit einer Induktivität einen Schwingkreis bildet, der durch die Oszillatorschaltung zum Schwingen angeregt wird. Die Kapazitätsänderungen führen zu einer Frequenzmodulation der Oszillatorschwingung, deren Hub der Oberflächenauslenkung proportional ist. Die Modulationsfrequenz ist gleich der Frequenz der Oberflächenauslenkung.
Durch Demodulation dieses frequenzmodulierten Signals wird das Ausgangssignal gebildet. Die KapazitEtsänderung dient somit dazu, das frequenzmodulierte Signal zu erzeugen, das nach der Demodulation das ursprungliche Ultraschallsignal -nach Betrag, Frequenz und Phase wiedergibt. Mit dieser Anordnung ist eine Eichung in Absolutwerten der Oberflächenauslenkung möglich. Die Bandbreite reicht bis zu mehr als 2 MHz.
In einer besonderen Ausführungsform des Ultraschallaufnehmers kann vorzugsweise.eine kapazitive REckkopplung des Verstärkers vorgesehen sein.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der die Schaltung eines kapazitiven Ultraschallaufnehmers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
Eine aus der Oberfläche des Meßobjekts und einer Elektrode bestehende Meßkapazität Cm bildet mit einer Induktivität L einen Parallelschwingkreis. Die durch den Aufbau der Anordnung, insbesondere durch die Verbindungsleitungen entstehenden Kapazitäten sind als Schaltungskapazität Cs angedeutet. Der Schwingkreis ist über einen in der Figur nicht dargestellten Vorwiderstand an eine Speisespannung angeschlossen. Die Spannung des Schwingkreises wird dem Eingang eines Verstärkers V zugeführt, dessen Ruckkopplung CR, die vorzugsweise eine kapazitive Rückkopplung sein kann, mit dem Schwingkreis einen Oszillator bildet. Die Ausgangsspannung U0sz wird einem Demodulator Df zugeführt, dessen Ausgangsspannung UA als Meßsignal dient.
Als Verstärker V kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor in Gate-Grundschaltung vorgesehen sein.
Die Kapazität CR der Rückkopplung wird so eingestellt, daß einerseits die Schwingung bei größeren Abständen der Elektrode des Meßkondensators Cm von der Oberfläche des MeßobJekts nicht abreißt und andererseits wilde Schwingungen vermieden werden, die im allgemeinen nur mit einem Spektrumanalyzer zu erkennen sind.
Mit einem Durchmesser von beispielsweise 2 mm der Elektrode der Meßkapazität Cnj als Meßfläche und einem Elektrodenabstand von beispielsweise 2 /um ergibt sich eine Meßkapazität von etwa 10 pF. Mit dieser Meßkapazität sowie einer Schaltungskapazität Cs von beispielsweise etwa 7 pF und einer Induktivität von beispielsweise 0,4 /uH und einem kapazitätsarmen Feldeffekttransistor für hohe Grenzfrequenz mit einer Rückkopplungskapazität CR von beispielsweise 3 pF schwingt der Oszillator mit einer Frequenz von etwa 60 MHz und einer Ausgangsspannung U0sz im Bereich von etwa 10 bis einigen 100 mV.
Im Demodulator Df wird das frequenzmodulierte Signal auf etwa 5 bis 10 V verstärkt und in ein amplitudenmoduliertes Signal umgewandelt. Für die Gesamtanordnung erhält man aus dem Verhältnis der Oberflächenauslenkung t d zum Ausgangssignal UA ein Maß für die Empfindlichkeit a d/UA = 10 10m/mV.
2 Patentansprüche 1 Figur

Claims

PatentansDrUche » Kapazitiver Ultraschallaufnehmer, bei dem die ObJektoberfläche mit einer Elektrode eine Meßkapazität bildet, die mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Meßkapazität (Cm) mit einer Induktivität (L) einen Resonanzkreis bilden, der mit einer Rückkopplung (CR) des Verstärkers (V) einen Oszillator bildet, dessen durch den Ultraschall frequenzmoduliertes Oszillatorsignal U0sz als Eingangssignal eines Frequenzdemodulators (Df) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal (UA) als Maß für die Frequenz und Amplitude des Ultraschalls dient.
2. Kapazitiver Ultraschallaufnehmer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine kapazitive Rückkopplung (CR) vorgesehen ist.