DE3010293C2

DE3010293C2 - Verfahren zur digitalen Steuerung eines phasengesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlers

Info

Publication number: DE3010293C2
Application number: DE19803010293
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Phys. 6680 Neunkirchen Bonitz; Wolfgang Dr.Rer.Nat. - Gebhard; Helmut 6600 Saarbrücken Woll
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1980-03-18
Filing date: 1980-03-18
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3010293A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es im Ultraschallprüfverfahren Anwendung findet, z.B. DE-OS 29 00 950 oder W. Gebhardt, F. Bonitz: Das Phased Array als neuer so elektronisch steuerbarer Prüfkopf in der Werkstoffprüfung, Europäische Vortragstagung Zerstörungsfreie Materialprüfung, 24.-26.4.1978, Mainz. Seit vielen Jahren werden Werkstücke, Bauteile und Industrieanlagen mittels Ultraschall auf fehlerhafte Bereiche untersucht. Hierbei wird der Prüfling meist mit einem »starren« Prüfkopf (Prüfkopf mit festen Schallfeldparametern) abgetastet.

Array-Prüfköpfe bestehen aus mehreren Einzelelementen, die individuell nach Phase bzw. Laufzeit und Amplitude angesteuert werden, so daß eine elektronische Steuerung des Schallfeldes (Schwenken, variable Fokussierung, Nebenkeulenabsenkung) in weiten Grenzen möglich ist (Gebhardt, W., Bonitz, F., WoII, H.: »Anwendung steuerbarer Ultraschallprüfköpfe (Phased Arrays) zur Erkennung rißartiger Fehler und Fehlergrößenbestimmung«, Internationales Symposium »Neue Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und deren Anwendung insbesondere in der Kerntechnik«, Saarbrücken, 17.-19.9.1979).

Eine verzerrungsfreie und exakte Verzögerung analoger Signale ist mit den in jüngster Zeit zur Verfugung stehenden Charge Coupled Devices (CCD's) möglich. CCD's sind integrierte analoge, digital gesteuerte Verzögerungsleitungen, in denen im Rhythmus einer Taktfrequenz am Eingang injizierte Ladungen von Speicherplatz zu Speicherplatz durchgeschoben werden. Diese Ladungen sind proporronal der Spannung des anliegenden Signals. Durch Änderung der Taktfrequenz kann die Verzögerungszeit variiert werden.

CCD's wurden u. a. von Walker und Meindl zur Steuerung von Gruppenstrahlern verwendet (Walker, J. T. and Meindl, J. D, »A Digitally Controlled CCD Dynamically Focused Phased Array« 1975 Ultrasonics Symposium Proa, Los Angeles). Die Taktfrequenz wurde mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (Synthesizer) in Verbindung mit einem Rate-Multiplier erzeugt. Der elektronische Aufwand zur Erzeugung und Stabilisierung der Taktfrequenz ist hoch. Zudem verursacht der Rate-Multiplier eine Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses.

Eine interessante Möglichkeit für eine sehr einfache Steuerung des Schallbündels ergibt sich durch den Einsatz von CCD's mit unterschiedlicher Anzahl von Speicherplätzen (Shott, J. D.: »Charge Coupled Devices für Use in Electronically Focused Ultrasonic Imaging Systems«, Technical Report No. 4957-1, Stanford Electronics Laboratories, Stanford, 1978). Bei einer ünear zunehmenden Anzahl von Speicherplätzen besitzen bei einer gemeinsamen, festen Taktfrequenz benachbarte Einzelstrahler eine konstante Laufzeitdifferenz, der wiederum ein bestimmter Schwenkwinkel des Schallbündels entspricht. Durch Variation der Taktfrequenz resultiert eine lineare Änderung der Laufzeitdifferenz und damit eine Richtungsänderung des Schallbündels. CCD'S mit verschiedener Anzahl von Speicherplätzen sind jedoch noch nicht auf dem Markt erhältlich.

Eine weitere Möglichkeit einer sehr flexiblen und quarzstabilen Takterzeugung ist mit Frequenzsynthesizern möglich (Gebhardt, W, Bonitz, F., WoII, H.: »Das Phased Array als neuer, elektronisch steuerbarer Ultraschallwandler in der Werkstoffprüfung«, FhG-Berichte, 3, 1978, p. 60). Ein Nachteil ist hierbei jedoch in den relativ hohen Umschaltzeiten zu suchen. Will man für die medizinische Ultraschalldiagnostik ausreichende Bildfolgefrequenzen erreichen, so ist hier ein enormer Aufwand zu treiben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine einfache und zudem schnelle digitale Steuerung der CCD-Verzögerungsleitungen in einem Phased Array-System. Erfindungsgemäß ist dies durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, vorteilhafte Verfahrensschritte sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie lediglich eine allen Kanälen gemeinsame Taktfrequenz besitzt (keine Übersprechprobleme). Die Änderung der Verzögerungszeit geschieht nicht wie in der DE-OS 29 00 950 beschrieben durch Variation der am CCD anliegenden Taktfrequenz, sondern vielmehr durch Zwischenspeicherung des gesamten CCD-Inhalts. Dies geschieht durch eine Taktunterbrechung mittels der Start-Stop-Logik. Durch diese rein digitale Steuerung existiert damit auch nicht das Problem der hohen Umschaltzeiten.

Beschreibung der Erfindung

Das Prinzip dieser digitalen Steuerung ist aus der Abbildung ersichtlich.

Ein am Eingang des ersten Kanals anliegendes Signal aus dem Taktgenerator T61 wird im Rhythmus der Taktfrequenz TAKTi in das CCDIl eingelesen. Ein Startimpuls STARTi setzt den Rückwärtszähler Z_u auf 0 zurück. Während dieses Zählvorgangs ist der Zählerausgang im Zustand H und sperrt die Start-Stop- in Logik L_n, so daS während dieser Zeit der Takt TAKTi am CCD 11 unterbrochen ist. Ist der Zähler auf 0 zurückgezählt, so springt dessen Ausgang sofort auf L zurück und gibt den Takt am CCD i 1 wieder frei. Das Eingangssignal wird also im CCDIl für die Dauer des Zählvorgangs zwischengespeichert.

Auf analoge Art und Weise wird ein Eingangssignal im zweiten Kanal zwischengespeichert. Die relative zeitliche Signalverzögerung zwischen beiden Kanälen ist durch die Differenz der beiden Zählerstände von Z_u und Zn gegeben. Analoges gilt für alle übrigen Kanäle (bis InJl Durch einen geeigneten linearen Anstieg der Zählerstände Zw bis Z\i kann ein bestimmter Schwenkwinkel eingestellt werden. Durch Variation der Taktfrequenz TAKTi, die an allen Kanälen anliegt, werden die Verzögerungszeiten variiert, so daß eine Änderung des Schwenkwinkels resultiert Eine Erhöhung der Taktfrequenz schwenkt das Schallbündel in Richtung der Prüfkopfnormalen, eine Absenkung der Taktfrequenz schwenkt das Bündel von der Normalenrichtung weg.

Eine Abstrahlung in Normalenrichtung ist jedoch nicht möglich, da hierzu die relative Laufzeitdifferenz zwischen den einzelnen Kanälen verschwinden müßte. Ein Schwenken des Schallbündels um die Normalenrichtung ist jedoch möglich, wenn jedem Kanal eine zweite gleich aufgebaute Verzögerungsleitung (21 bis 2n) nachgeschaltet wird. Diese Stufe ist derart eingestellt, daß sie bei Gleichheit von TAKTi und TAKT2 die lineare Laufzeitdifferenzen der ersten Stufe kompensiert. Durch Variation von TAKTi und Festhalten von TAKT2 kann nun das Schallbündel um die Array-Normale geschwenkt werden.

Hk rzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur digitalen Steuerung eines phasengesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlers (Phased Array), wobei die zu verzögernden Sendeoder Empfangssignale mit Hilfe von CCD (charge coupled devices)-Verzögerungsleitungen verzögert und von einer Taktfrequenz gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangssignale der einzelnen Kanäle (\... n) in den zugehörigen gleich langen CCD-Verzögerungsleitungen (CCD_n ... CCD\s) durch Unterbrechung der gemeinsamen Taktfrequenz zwischengespeichert werden, wobei die Taktunterbrechung von dem Zählerausgang eines Zählers (Zu, Zn, ■ ■ ■ Z\„) in Verbindung mit einer Start-Stop-Logik (L_n ... L_1n) gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktunterbrechung der Zeitdauer des Rückwärtszählens der Zähler (Zu ... Z_]n) von einem vorhar fest eingestellten Wert bis auf Null entspricht

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen vorgegebenen linearen Anstieg der Zählerstände bei konstanter gemeinsamer Taktfrequenz ein bestimmter Schwenkwinkel voreingestelk wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen vorgegebenen oder z. B. quadratischen Anstieg der Zählerstände eine variable oder z. B. eine parabelförmige Fokussierung des lichallbündels erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspru '.i 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation der Taktfrequenz die Schallbündelrichtung geändert^; ird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 — 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verzögerungsleitung eine zweite Verzögerungsleitung nachgeschaltet ist, deren Zählerstände durch Zähler (Zn ... Zi_n) denen der ersten Stufe entsprechen, jedoch in umgekehrter Reihenfolge.

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