Flexibles Ultraschallfeld Ultraschallsensoren Erleichtern die Schadenserkennung in komplexen Strukturen

- Jun 04, 2019-



Kürzlich hat das Forschungsteam der University of California, USA, ein flexibles, flexibles Pflaster entwickelt, mit dem sich Ultraschallbilder in einer Vielzahl von profilierten Strukturen wie Motorteilen, Turbinen, Reaktorbögen und Eisenbahnen leichter durchführen lassen. Herkömmliche Ultraschallgeräte sind oft schwer zu erkennen.


Hintergrund

Schallwellen sind überall um uns herum. Der Bereich der akustischen Frequenzen, die vom menschlichen Ohr gehört werden können, beträgt jedoch (20 Hz bis 20 kHz). "Ultraschall" bedeutet eine Schallwelle mit einer Frequenz von mehr als 20 KHz, die vom menschlichen Ohr nicht gehört werden kann.


what is ultrasound


Die Ultraschallrichtung ist gut, das Eindringen ist stark, die Energie ist konzentriert und die Übertragungsstrecke im Wasser ist lang. Es kann in der Entfernungsmessung, Geschwindigkeitsmessung, Reinigung, Schweißen, Zerkleinern von Steinen, Sterilisation usw. verwendet werden. Es hat viele Anwendungen in Medizin, Militär, Industrie, Landwirtschaft und anderen Bereichen.

Die Ultraschalltechnologie ist ein heißer Technologiebereich, der Aufmerksamkeit verdient, und es gibt auch eine Vielzahl von Innovationen auf diesem Gebiet. Ich habe bereits einige klassische Fälle zur Ultraschalltechnologie vorgestellt. Sehen wir uns Folgendes an:


1) Die Forschungsergebnisse der Universität Bristol in Großbritannien zeigen, dass tragbare Geräte wie Smartwatches künftig Ultraschall zur Erfassung von Handbewegungen verwenden können.


wearable devices such as smart watches can use ultrasonic imaging to sense


2) Die Universität von Sussex im Vereinigten Königreich verwandelt die Handfläche in ein interaktives Mensch-Computer-Anzeigegerät, indem sie Ultraschallwellen auf den Handrücken überträgt und taktile Signale auf der Handfläche erkennt.


ultrasonic waves on the back of the hand and detecting tactile signals


3) Die University of California, Riverside (UCR) hat ein Schädelimplantat aus Keramik entwickelt, das Ärzten dabei hilft, Ultraschall in das Gehirn zu senden und Ultraschall zur Behandlung von Gehirnkrankheiten zu verwenden.


send ultrasound into the brain and use ultrasound to treat brain diseases


4) Die Universität von Missouri hat ein sichereres Lasergerät entwickelt, das Ultraschalltechnologie mit Laserlicht kombiniert, um Laserlicht durch direkten Kontakt in das Hautgewebe zu bringen.


combines ultrasound technology with laser light to deliver laser light into the skin tissue


Zusätzlich zu den oben genannten Fällen ist die Ultraschallprüfung auch ein nicht notwendiger Einsatz der Technologie. Die Ultraschallprüfung ist eine herkömmliche zerstörungsfreie Prüfmethode mit Ultraschalltechnologie. Sie nutzt den Unterschied der akustischen Eigenschaften des Materials und seiner Defekte, um die inneren Defekte des Materials durch die Ausbreitungsreflexion der Ultraschallwellen und die Energieänderung der Durchdringungszeit zu untersuchen.


Im Bild unten: Auf einer Baustelle testen Techniker mithilfe von Ultraschall-Phased-Array-Geräten, ob Rohrschweißnähte defekt sind. Die Erfassungsvorrichtung besteht aus einem Rahmen mit einem Magnetrad, das durch eine Feder mit dem Rohr in Kontakt gebracht wird. Der Nassbereich ist ein Ultraschallkoppler, der es Schallwellen ermöglicht, die Rohrwand zu durchdringen.


Ultrasonic testing is a conventional non-destructive testing method using ultrasonic technology


Das allgemeine Prinzip der Ultraschallprüfung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Links: Die Sonde sendet Ultraschallwellen in das Innere des Testmaterials. Es gibt zwei Logos: das erste von der Sonde und das zweite von der Schnittstelle. Rechts: Der Defekt erzeugt einen dritten Marker und reduziert gleichzeitig die Amplitude der reflektierten Welle. Die Tiefe des Fehlers wird durch D / Ep bestimmt.


principle of ultrasonic sensor testing


Die Basis einer herkömmlichen Ultraschallsonde ist jedoch flach und starr, so dass sie beim Abtasten gekrümmter, gewellter, abgewinkelter und anderer unregelmäßiger Oberflächen keinen guten Kontakt beibehält. Laut Sheng Xu, Professor für Nanoengineering an der Jacobs School of Engineering der University of California in San Diego (der Autor des Papiers über innovative Forschung, das im Folgenden vorgestellt wird), ist dies sehr begrenzt, da nicht ebene Oberflächen sehr häufig sind im Alltag. .


Francesco Lanza di Scalea, Professor für Tragwerksplanung an der Universität von Kalifornien, San Diego, und Mitautor des Papiers, sagte: "Die Biegungen, Ecken und anderen strukturellen Details sind die kritischsten Bereiche des Versagens. Dies sind Bereiche mit hoher Beanspruchung. Herkömmliche starre planare Sonden sind nicht ideal für die Abbildung interner Defekte in diesen Bereichen. "


Um die Sonde und die Oberfläche des Objekts in Kontakt mit dem Test besser zu machen, werden üblicherweise Gel, Öl, Wasser und dergleichen verwendet. Zu viele dieser Substanzen filtern jedoch einige Signale heraus. Darüber hinaus sind herkömmliche Ultraschallsonden auch sehr sperrig und können diese schwer erreichbaren Teile nicht erkennen.


Wenn ein Auto in einem schwer zugänglichen Bereich einen Riss aufweist, muss der Prüfer den gesamten Motor auseinanderbauen und das Teil ins Wasser tauchen, um ein vollständiges dreidimensionales Bild zu erhalten.


Innovation


Ein neues Gerät überwindet jedoch die Nachteile aktueller Ultraschallgeräte und kann auf Objekte angewendet werden, die nicht vollständig eben sind. Relevante Forschungsergebnisse wurden am 23. März in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.


Vor kurzem hat ein Forscherteam unter der Leitung von Ingenieuren der University of California, USA, ein flexibles, flexibles Patch entwickelt, mit dem Ultraschallbilder in einer Vielzahl von profilierten Strukturen wie Motorteilen, Turbinen, Reaktorbögen und Eisenbahnschienen erstellt werden können. Es ist einfacher und herkömmliche Ultraschallgeräte sind oft schwer zu erkennen. Dieses Ultraschall-Patch ist ein komfortableres und vielseitigeres Werkzeug zur Untersuchung von tiefen Defekten und Schäden an Maschinenteilen und Bauteilen.


ultrasonic devices and can be applied to objects that are not completely flat surfaces


Technologie


Die vom Team der University of California entwickelte flexible Ultraschallsonde bearbeitet geformte Oberflächen ohne Wasser, Gel oder Öl. Es ist ein dünner Fleck mit einem Silikonelastomermuster mit einer "Inselbrücken" -Struktur. Grundsätzlich handelt es sich hierbei um eine Anordnung kleiner elektronischer Bauelemente (Inseln), die jeweils durch eine federartige Struktur (Brücke) miteinander verbunden sind. Die Insel enthält Elektroden und piezoelektrische Wandlervorrichtungen. Wenn der Strom fließt, werden Ultraschallwellen erzeugt. Die Brücke ist ein federnder, elastisch gebogener Kupferdraht, mit dem sich das Pflaster an nicht ebene Oberflächen anpassen kann, ohne die elektronische Funktion zu beeinträchtigen.


Schema des Aufbaus eines flexiblen Ultraschallwandler-Arrays


Flexible ultrasonic transducer array design schematic


Flexible Ultraschallfelder beeinträchtigen ihre elektronische Funktion nicht, wenn sie gedehnt oder gedreht werden.


Flexible ultrasonic patches do not affect their electronic function when stretched and twisted


Die Forscher testeten das Gerät an einem Aluminiumblock mit gewellter Oberfläche. 2 bis 6 cm unterhalb der Oberfläche des Aluminiumblocks liegt ein Defekt vor. Die Forscher platzierten die Sonde an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche der Wellenform, sammelten die Daten und rekonstruierten das Bild mithilfe eines benutzerdefinierten Datenverarbeitungsalgorithmus. Die Sonde kann zwei Millimeter breite Löcher und Risse im Aluminiumblock abbilden.


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