3D-Ultraschall-Tomographie für zerstörungsfreie Materialprüfung, betrieben von FPGA

Leiter der Abteilung Adaptive Computing Systems
bei Promwad

Wir haben mit der Entwicklung eines FPGA-basierten Controllers für 3D-Ultraschalltomographie begonnen, der für die zerstörungsfreie Prüfung, Visualisierung und Erkennung von Defekten in Metall- und Betonbauwerken in Echtzeit eingesetzt werden soll. Durch die Integration des FPGA in das System plant unser Kunde, die Prüfqualität zu verbessern und die ZfP auf ein neues Niveau mit verbesserter räumlicher Auflösung und Kontrast zu bringen.

Die 3D-Ultraschall-Tomographie für zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP) wird im Bauwesen, in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in der Fertigung eingesetzt. Dieses Verfahren ermöglicht das Eindringen in ein Material und die Überprüfung auf interne Defekte wie Risse, Hohlräume und Delaminationen.

Das aktuelle Ultraschall-Tomographiesystem des Kunden für die ZfP kann kleine Defekte nicht erkennen und hat ein begrenztes Sichtfeld (FOV), was letztendlich die strukturelle Integrität und Sicherheit beeinträchtigen könnte. Deshalb arbeiten die Ingenieure von Promwad daran, eine fortschrittlichere Version des Prüfgeräts mit einer 3D-Visualisierung der Ultraschall-ZfP-Daten zu entwickeln, um die Fehlererkennung zu optimieren und die Gesamtleistung des Systems zu verbessern.

Die Erhöhung der Auflösung und des FOV des Systems erfordert die Verwendung von Phased-Arrays mit einer größeren Anzahl von Elementen, die einzeln mit Hochfrequenzwellenformen im MHz-Bereich angesteuert werden. Dies kann bei handelsüblicher Elektronik, die auf eingebetteten MCUs basiert, eine Herausforderung darstellen. Um dieses Problem zu lösen, entwickeln wir einen FPGA-Controller mit paralleler Verarbeitung mehrerer Ausgangskanäle sowie fortschrittlicher Echtzeit-Datenverarbeitung und -analyse.

Das Systemdesign und die Hauptmerkmale

Das 3D-Ultraschall-Tomographiesystem besteht aus folgenden Komponenten:

Phased-Array-Wandler;
MEMS-basierte (microelectromechanical system) akustische Antennen;
Signalverarbeitungseinheit;
Benutzeroberfläche zur Konfiguration des Systems und zur 3D-Datenvisualisierung.

Die Ultraschallprüfung umfasst das Senden und Empfangen gepulster Wellen von einem Wandler, die von der Rückseite eines Objekts oder einem Defekt innerhalb des untersuchten Materials reflektiert werden. Das Diagnosegerät zeigt diese Reflexionen dann als Signale an; ihre Amplitude zeigt die Stärke der Reflexion an, und die Zeit, die das Signal benötigt, um zurückzukehren, zeigt die Tiefe des Defekts an.

Für die tomographische Bildgebung sendet ein Phased-Array-Wandler Ultraschallwellen aus, die von mehreren akustischen Antennen empfangen werden. Das System verarbeitet die empfangenen Signale, um 3D-Bilder der gescannten Objekte zu erzeugen.

principles of the ultrasonic 3D tomograph

_{Funktionsprinzipien des Ultraschall-3D-Tomographen. Quelle: Romary, Wikipedia, CC BY-SA 3.0}

Hauptmerkmale der 3D-Ultraschalltomographie:

10-fach erhöhte Winkelauflösung der Bildgebung.
Einzelne sendende Ultraschallwandleranordnung und mehrere Empfangskanäle.
10-fach erhöhte räumliche Auflösung in festen Materialien — 0,1 mm gegenüber dem üblichen 1 mm; der Auflösungsbereich ist je nach gewählter Frequenz des Ultraschalls konfigurierbar.
Verbesserte Strahlführungsfrequenz: eine hohe Frequenz ermöglicht eine schnellere Fehlererkennung in Echtzeit. Die meisten 3D-Ultraschalltomografiesysteme für die zerstörungsfreie Prüfung arbeiten im Frequenzbereich von 400-500 kHz. Der Übergang von der 2D-Bildgebung zu 3D ist eine Herausforderung, da das System mit Frequenzen bis zu 10 MHz arbeiten muss.

Als Ergebnis des Projekts erhält unser Kunde ein verbessertes 3D-Ultraschalltomografiesystem mit erhöhter Auflösung und FOV für die zerstörungsfreie Prüfung, das hohe Genauigkeit und Sicherheit gewährleistet.

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