Neue Methode zur Steigerung von Signalqualitat und Messgeschwindigkeit bei Impuls-Ultraschallmessungen

摘要

Signalrauschen ist immer wieder ein zaher Gegner des Messtechnik-Ingenieurs. Besonders herausfordernd sind Messungen, bei denen das Nutzsignal des Sensors deutlich schwacher ist als das Rauschsignal. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn schwache Ultraschallwellen mit Laservibrometer oder EMUS-Technik detektiert werden sollen. Oft sollen Laufzeiten von Impulsen gemessen werden. Kann die Impulsamplitude nicht weiter erhoht werden und ist durch Filtern auch keine weitere Signalverbesserung mehr erreichbar, muss gemittelt werden, um das Rauschen zu reduzieren. Durch Aufnehmen von hunderten oder tausenden Zeitsignalen und Bildung des Durchschnitts-Zeitsignals lasst sich ein rauscharmes Zeitsignal gewinnen. Problematisch ist aber, dass dabei die Messzeit dramatisch steigt. Mit der klassischen Methode kann die Anzahl der Mittelungen pro Zeit nicht beliebig gesteigert werden. Ist die Impulsfrequenz zu gross, haben die Schallwellen im Bauteil nicht genugend Zeit um bis zur nachsten Einzelmessung abzuklingen. Sie verursachen dann ein Schall-Rauschen im Messignal. Wird die Pausenlange zwischen den Impulsen aber standig variiert, so verandert sich auch das Schall-Rauschen von Impuls zu Impuls. Dadurch wird es beim Aufsummieren der einzelnen Zeitsignale ebenfalls reduziert. Die Pausenlangen der Impulsfolge konnen beispielsweise nach jedem Impuls um einen ADC-Takt erhoht oder auch nach einer pseudozufalligen Zahlenfolge bestimmt werden. Noch besser eignen sich aber Zahlenfolgen, die alle Zahlen eines Intervalls aus naturlichen Zahlen von 0 bis n einmal in einer bestimmten Reihenfolge enthalten. Das Poster zeigt schematisch, dass die Messtechnik nur um einen Triggergenerator erweitert werden muss, der zu definierten Zeitpunkten den Impulsgenerator auslost. Der zusatzliche Hardware-Aufwand ist dadurch vergleichsweise gering. Dem gegenuber werden fur das ebenfalls sehr leistungsfahige Pulskompressionsverfahren ein arbitrarer Signalgenerator und ein teurer Hochfrequenz-Leistungsverstarker benotigt. Die Digitalisierungs-Hardware, z.B. eine rechnerinterne Oszilloskopkarte, nimmt das Sensorsignal uber eine oder mehrere Perioden der Impulsfolge hinweg auf. Im Rechner werden dann aus den Signal-Rohdaten entsprechend der Impulszeitpunkte die Signalabschnitte herauskopiert, aufaddiert und die Summenwerte durch die Anzahl der Impulse dividiert. Dabei wird das Rauschen wie beim klassischen Mitteln reduziert. Die Aufnahmezeit sinkt aber beispielsweise auf ein zwanzigstel.