DE102022113015B4

DE102022113015B4 - Method for signal transmission between an ultrasonic transducer and an ultrasonic electronics and associated arrangement

Info

Publication number: DE102022113015B4
Application number: DE102022113015.0A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Funke
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2022-05-24
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2025-05-08
Anticipated expiration: 2042-05-25
Also published as: DE102022113015A1

Abstract

Verfahren zur Signalübertragung zwischen einem Ultraschallwandler (1) und einer Ultraschallelektronik (2), in der Sendesignale (4) für den Ultraschallwandler (1) erzeugt und Empfangssignale (5) vom Ultraschallwandler (1) aufgezeichnet und/oder verarbeitet werden, bei dem- die Signalübertragung über eine Kabelverbindung (7) erfolgt, die wenigstens ein Aderpaar und eine Schirmung für das Aderpaar aufweist,- die Sendesignale (4) unsymmetrisch über beide Adern des Aderpaars mit der Schirmung als Rückleiter und- die Empfangssignale (5) symmetrisch über beide Adern des gleichen Aderpaars übertragen werden.Method for signal transmission between an ultrasonic transducer (1) and ultrasonic electronics (2), in which transmission signals (4) for the ultrasonic transducer (1) are generated and reception signals (5) from the ultrasonic transducer (1) are recorded and/or processed, in which- the signal transmission takes place via a cable connection (7) which has at least one wire pair and a shield for the wire pair,- the transmission signals (4) are transmitted asymmetrically via both wires of the wire pair with the shield as the return conductor and- the reception signals (5) are transmitted symmetrically via both wires of the same wire pair.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einem Ultraschallwandler und einer Ultraschallelektronik, in der Sendesignale für den Ultraschallwandler erzeugt und Empfangssignale vom Ultraschallwandler aufgezeichnet und/oder verarbeitet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung mit wenigstens einem Ultraschallwandler und wenigstens einer Ultraschallelektronik, die das Verfahren zur Signalübertragung einsetzt.The present invention relates to a method for signal transmission between an ultrasonic transducer and an ultrasonic electronics unit, in which transmission signals for the ultrasonic transducer are generated and reception signals from the ultrasonic transducer are recorded and/or processed. The invention also relates to an arrangement comprising at least one ultrasonic transducer and at least one ultrasonic electronics unit, which uses the method for signal transmission.

Ultraschallwandler wandeln elektrische Energie in akustische Energie und umgekehrt. In technischen und medizinischen Anwendungen werden damit gerichtet Schallwellen erzeugt (Senden) und nach Interaktion mit dem durchschallten Medium wieder in elektrische Signale gewandelt (Empfangen) und aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Signale werden dann mit unterschiedlichen Methoden ausgewertet. Auf diesem Prinzip beruht beispielsweise die Ultraschallprüfung in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) sowie die moderne Sonographie zur medizinischen Diagnostik.Ultrasonic transducers convert electrical energy into acoustic energy and vice versa. In technical and medical applications, they generate directed sound waves (transmission) and, after interacting with the medium through which the sound passes, convert them back into electrical signals (reception) and record them. The recorded signals are then evaluated using various methods. This principle underlies, for example, ultrasonic testing in non-destructive materials testing (NDT) and modern sonography for medical diagnostics.

Aufgrund von Schallschwächung sowie geringer Wirkungsgrade der Wandlung sind die Empfangssignale mehrere Zehnerpotenzen kleiner als die Sendesignale. Die Schallerzeugung findet bei den für die Ultraschallwandlung üblichen Piezowandlern oder elektromagnetischen Wandlern (EMAT) mit Sendesignalen von 50 bis 1000 V durch einen elektrischen Sender statt, empfangen werden hingegen nur Signale im Bereich von µV bis etwa 1 V.Due to sound attenuation and low conversion efficiency, the received signals are several orders of magnitude smaller than the transmitted signals. Piezoelectric transducers or electromagnetic transducers (EMATs), commonly used for ultrasonic conversion, generate sound with an electrical transmitter, transmitting signals from 50 to 1000 V. However, only signals in the range of µV to approximately 1 V are received.

Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler sind in der Regel räumlich getrennt und durch Kabel verbunden. In der Ultraschallelektronik werden die Sendesignale erzeugt und die Empfangssignale aufgezeichnet und/oder verarbeitet. Aufgrund der unterschiedlichen Signaleigenschaften von Sende- und Empfangssignalen werden je nach Anwendung hohe Anforderungen an die Kabelverbindung zwischen Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler gestellt. So erfolgt die Übertragung der Sendesignale zum Ultraschallwandler mit hohen Spannungen, hohen Strömen und schnellen Anstiegszeiten (< 10 ns bei Schallfrequenzen im MHz-Bereich), während die Übertragung der Empfangssignale vom Wandler zur Elektronik bei geringen Signalamplituden und damit hoher notwendiger Störfestigkeit gegen leitungs- und feldgekoppelte Störungen erfolgt. Die Kabelverbindung muss häufig auch hohe mechanische Anforderungen erfüllen, insbesondere hinsichtlich des Kabeldurchmessers und der Robustheit gegen Beanspruchung wie Biegung, Torsion oder durch Chemikalien.Ultrasonic electronics and ultrasonic transducers are usually spatially separated and connected by cables. The ultrasonic electronics generates the transmitted signals, and the received signals are recorded and/or processed. Due to the different signal properties of transmitted and received signals, high demands are placed on the cable connection between the ultrasonic electronics and the ultrasonic transducer, depending on the application. The transmitted signals are transmitted to the ultrasonic transducer at high voltages, high currents, and fast rise times (< 10 ns for sound frequencies in the MHz range), while the received signals are transmitted from the transducer to the electronics at low signal amplitudes and therefore require high immunity to line- and field-coupled interference. The cable connection must often also meet high mechanical requirements, particularly with regard to the cable diameter and robustness against stress such as bending, torsion, or chemical exposure.

Die mechanischen Anforderungen werden maßgeblich durch die jeweilige Anwendung bestimmt. So sind die Kabel in automatisierten Ultraschall-Prüfanlagen der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung permanenten Bewegungen ausgesetzt, weisen häufig Längen bis etwa 20 Meter auf und befinden sich allgemein in harscher Umgebung mit elektrischen Störquellen, beispielsweise getaktet angesteuerten Stellmotoren. In medizinischen Anwendungen hingegen stehen die Handhabbarkeit und die Dicke der Kabel im Vordergrund.The mechanical requirements are largely determined by the specific application. For example, the cables in automated ultrasonic testing systems for non-destructive materials testing are subject to constant movement, are often up to 20 meters long, and are generally located in harsh environments with sources of electrical interference, such as cyclic-controlled servo motors. In medical applications, however, the handling and thickness of the cables are paramount.

Stand der TechnikState of the art

Bei den meisten Anwendungen des Standes der Technik erfolgt derzeit die Verbindung zwischen der Ultraschallelektronik und den Ultraschallwandlern über Koaxialkabel. 1 zeigt hierzu beispielhaft eine schematische Darstellung des Ultraschallwandlers 1 eines Piezo-Einschwinger-Prüfkopfes an einer Ultraschallelektronik 2, verbunden über ein Koaxialkabel 3. Der Außenleiter des Koaxialkabels 3 dient dabei als Rückleiter und gleichzeitig als Schirm für den Innenleiter. Sendesignal 4 und Empfangssignal 5 werden jeweils über den Innenleiter des Koaxialkabels 3 übertragen. Die Ultraschallelektronik 2 weist hierzu eine Einrichtung 6 zur Trennung von Sendesignal und Empfangssignal auf, die über unterschiedliche Schaltungsteile (TX: Sender, RX: Empfänger) geführt werden.In most state-of-the-art applications, the connection between the ultrasonic electronics and the ultrasonic transducers is currently made via coaxial cables. 1 shows, as an example, a schematic representation of the ultrasonic transducer 1 of a piezo single-element probe connected to an ultrasonic electronics unit 2, connected via a coaxial cable 3. The outer conductor of the coaxial cable 3 serves as a return conductor and simultaneously as a shield for the inner conductor. The transmitted signal 4 and the received signal 5 are each transmitted via the inner conductor of the coaxial cable 3. For this purpose, the ultrasonic electronics unit 2 has a device 6 for separating the transmitted signal and the received signal, which are routed via different circuit components (TX: transmitter, RX: receiver).

Die Nutzung von Koaxialkabeln für Sende- und Empfangssignal hat allerdings zahlreiche Nachteile. So ist der Innenleiter nur durch die Schirmdämpfung des Außenleiters vor Störfeldern und -wellen geschützt. Der Außenleiter trägt gleichzeitig den Strom des empfindlichen Messsignals und eingekoppelte Störströme zur Ableitung und muss für die Ableitung von Störungen in der Regel beidseitig mit dem Gehäuse des Ultraschallgeräts mit der Ultraschallelektronik und dem Prüfkopfgehäuse mit dem Ultraschallwandler verbunden werden, wobei Ausgleichsströme fließen können. Weiterhin sind Koaxialkabel je nach Dielektrikum empfindlich für mechanische Belastung wie Biegung und Torsion. Bewegungen können dabei Kapazitätsänderungen und damit auch Störsignale verursachen.However, the use of coaxial cables for transmit and receive signals has numerous disadvantages. For example, the inner conductor is only protected from interference fields and waves by the shielding attenuation of the outer conductor. The outer conductor simultaneously carries the current of the sensitive measurement signal and coupled interference currents for dissipation. To dissipate interference, it must usually be connected at both ends to the housing of the ultrasound device containing the ultrasound electronics and the probe housing containing the ultrasound transducer, whereby compensating currents can flow. Furthermore, depending on the dielectric, coaxial cables are sensitive to mechanical stress such as bending and torsion. Movements can cause capacitance changes and thus also interference signals.

Einige dieser Nachteile lassen sich durch die Verwendung von Triaxial-Kabeln beheben, bei denen ein zweiter äußerer Schirm die Schirmung übernimmt und der innere Schirm nur als Rückleiter für das Signal dient. Durch den dadurch erhöhten Durchmesser wird das Kabel jedoch empfindlicher für mechanische Belastung wie Biegung und Torsion, insbesondere für die Verwendung in Prüfanlagen mit Verfahrwegen in Schleppketten oder an Roboterarmen.Some of these disadvantages can be overcome by using triaxial cables, where a second outer shield provides shielding and the inner shield serves only as a return conductor for the signal. However, the resulting increased diameter makes the cable more sensitive to mechanical stress such as bending and torsion, especially for use in test systems with travel paths in drag chains or on robot arms.

Aus der US 6 277 077 B1 ist ein medizinischer Katheter mit einem Ultraschallwandler bekannt, bei dem die Sende- und Empfangssignale über ein verdrilltes Aderpaar symmetrisch zwischen Ultraschallwandler und Ultraschallelektronik übertragen werden. Auch die US 2014/0269206 A1 beschreibt eine Anordnung aus Ultraschallwandler und Ultraschallelektronik, bei der die Signalübertragung sowohl des Sende- als auch des Empfangssignals symmetrisch über ein verdrilltes Aderpaar erfolgt. Das Aderpaar ist dabei aber jeweils nicht vor Störfeldern und -wellen geschützt. Die symmetrische Einspeisung der Sendesignale erfordert zudem einen komplexeren Hochspannungssender als bei der oben beschriebenen Übertragung über ein Koaxialkabel.From the US 6 277 077 B1 is a medical catheter with an ultrasound transducer in which the transmit and receive signals are transmitted symmetrically between the ultrasound transducer and the ultrasound electronics via a twisted pair of wires. US 2014/0269206 A1 Describes an arrangement of an ultrasonic transducer and ultrasonic electronics in which the signal transmission of both the transmit and receive signals occurs symmetrically via a twisted pair of wires. However, the pair of wires is not protected from interference fields and waves. The symmetrical feed of the transmit signals also requires a more complex high-voltage transmitter than the transmission via a coaxial cable described above.

Die US 7 791 254 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Signalübertragung zwischen einem Ultraschallwandler und einer Ultraschallelektronik, bei denen die Übertragung der Sendesignale und der Empfangssignale auf unterschiedlichen Leitungen eines Kabelbündels erfolgt. Die Empfangssignale werden symmetrisch über ein Aderpaar übertragen, während für die Übertragung des Sendesignals eine Koaxialleitung genutzt wird. Für die Übertragung der Empfangssignale wird zusätzlich ein Vorverstärker im Prüfkopf eingesetzt, der die Empfangssignale des Ultraschallwandlers verstärkt und dann symmetrisch überträgt.The US 7 791 254 B1 Describes a method and arrangement for signal transmission between an ultrasonic transducer and ultrasonic electronics, in which the transmission of the transmitted signals and the received signals takes place on different lines of a cable bundle. The received signals are transmitted symmetrically via a pair of wires, while a coaxial cable is used for the transmission of the transmitted signal. For the transmission of the received signals, a preamplifier is additionally used in the probe, which amplifies the received signals from the ultrasonic transducer and then transmits them symmetrically.

Die WO 2019/ 180 094 A1 offenbart ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einem Ultraschallwandler und einer Ultraschallelektronik, bei dem die Signalübertragung über eine Kabelverbindung erfolgt, die u.a. ein Aderpaar und eine Schirmung für das Aderpaar aufweist. Die Empfangssignale werden symmetrisch über das Aderpaar übertragen, die Übertragung des Sendesignals erfolgt über eine getrennte Leitung der Kabelverbindung.The WO 2019/ 180 094 A1 discloses a method for signal transmission between an ultrasonic transducer and ultrasonic electronics, in which the signal is transmitted via a cable connection comprising, among other things, a wire pair and a shield for the wire pair. The received signals are transmitted symmetrically via the wire pair, while the transmitted signal is transmitted via a separate line of the cable connection.

Die DE 196 13 311 A1 beschreibt ein Ultraschall-Strömungsmessgerät, bei dem jeder Ultraschallwandler mittels eines Übertragers von der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung entkoppelt ist.The DE 196 13 311 A1 describes an ultrasonic flow measuring device in which each ultrasonic transducer is decoupled from the control and evaluation device by means of a transmitter.

In der DE 197 01 334 C2 wird eine Ultraschallwandleranordnung beschrieben, bei der eine Entkopplung zwischen Sende- und Empfangssignal über einen Mittenabgriff eines Übertragers erfolgt.In the DE 197 01 334 C2 An ultrasonic transducer arrangement is described in which decoupling between the transmit and receive signals takes place via a center tap of a transformer.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Signalübertragung zwischen einem Ultraschallwandler und einer Ultraschallelektronik sowie eine zugehörige Anordnung anzugeben, bei denen die Kabelverbindung zwischen Ultraschallwandler und Ultraschallelektronik eine gegenüber Koaxialkabeln geringere Empfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchungen aufweist und dennoch eine Übertragung der Empfangssignale mit hoher Störfestigkeit erreicht wird.The object of the present invention is to provide a method for signal transmission between an ultrasonic transducer and ultrasonic electronics and an associated arrangement in which the cable connection between the ultrasonic transducer and the ultrasonic electronics has a lower sensitivity to mechanical stress than coaxial cables and yet a transmission of the received signals with high interference immunity is achieved.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method and the arrangement according to patent claims 1 and 10. Advantageous embodiments of the method and the arrangement are the subject of the dependent patent claims or can be derived from the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren erfolgt die Signalübertragung über eine Kabelverbindung, die wenigstens ein symmetrisches Aderpaar und eine Schirmung für das Aderpaar aufweist. Die Sendesignale werden dabei unsymmetrisch über beide Adern des Aderpaars übertragen, wobei die Schirmung als Rückleiter dient. Die Empfangssignale werden hingegen symmetrisch über beide Adern des gleichen Aderpaars übertragen. Unter einer symmetrischen Übertragung wird dabei verstanden, dass der über eine Ader des Aderpaars übertragene Anteil des Empfangssignals eine entgegengesetzte Polarität wie der über die andere Ader des Aderpaars übertragene Anteil (gleicher Amplitude) des Empfangssignals aufweist (differentielle Übertragung). Bei der unsymmetrischen Übertragung im Falle der Sendesignale weisen beide über das Aderpaar übertragene Signalanteile jeweils die gleiche Polarität auf. Bei symmetrischer Übertragung wirken sich induktiv und kapazitiv eingekoppelte Störungen auf beide Adern gleich aus. Durch Differenzbildung beider Signalanteile auf der Empfängerseite können die Störsignale dann eliminiert werden. Die beiden Adern des Aderpaars sind symmetrisch ausgebildet, haben also identische elektrische Eigenschaften. Zusätzlich können die Adern gegeneinander verdrillt sein.In the proposed method, signals are transmitted via a cable connection that has at least one symmetrical wire pair and a shield for the wire pair. The transmitted signals are transmitted asymmetrically via both wires of the wire pair, with the shield serving as the return conductor. The received signals, however, are transmitted symmetrically via both wires of the same wire pair. Symmetrical transmission means that the portion of the received signal transmitted via one wire of the wire pair has the opposite polarity to the portion (of the same amplitude) of the received signal transmitted via the other wire of the wire pair (differential transmission). In asymmetrical transmission of transmitted signals, both signal components transmitted via the wire pair have the same polarity. In symmetrical transmission, inductively and capacitively coupled interference has the same effect on both wires. The interference signals can then be eliminated by subtracting the two signal components on the receiver side. The two wires of the wire pair are symmetrical, meaning they have identical electrical properties. Additionally, the wires can be twisted against each other.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Anbindung über geschirmte Leitungen mit einem Aderpaar genutzt, wobei die Übertragung von Sende- und Empfangssignalen in verschiedenen Modi stattfindet. Die Empfangssignale werden symmetrisch übertragen, die Sendesignale hingegen parallel unsymmetrisch, wobei der Schirm als Rückleiter dient. Dabei laufen Sende- und Empfangssignale über das gleiche Aderpaar. Das Aderpaar kann dabei einzeln verdrillt (Twisted-Pair) sein oder auch in anderer Konfiguration im Kabel vorliegen, etwa in Sternviererverseilung. Das Verfahren kann auch mit mehrelementigen Wandlern (Ultraschallwandler-Array) verwendet werden, wobei dann entsprechend viele Aderpaare in einem Kabel oder auch mehrere Kabel mit entsprechenden Aderpaaren eingesetzt werden.The proposed method uses a connection via shielded cables with a single wire pair, with the transmission of transmit and receive signals taking place in different modes. The receive signals are transmitted symmetrically, while the transmit signals are transmitted asymmetrically in parallel, with the shield serving as the return conductor. The transmit and receive signals run over the same wire pair. The wire pair can be individually twisted (twisted pair) or present in another configuration within the cable, such as a star-quad. The method can also be used with multi-element transducers (ultrasonic transducer arrays), in which case a corresponding number of wire pairs can be used in one cable or even several cables with corresponding wire pairs.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung wird gegenüber Koaxialleitungen eine verringerte Empfindlichkeit gegen externe Störfelder und -wellen durch die symmetrische Signalübertragung der Empfangssignale zusätzlich zur Schirmung erreicht. Durch Nutzung eines geschirmten Aderpaares anstelle einer Koaxialleitung wird auch eine verringerte Empfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchungen erzielt, da derartige Kabel besser für hochflexible Anwendungen wie Schleppketten und Roboterarm geeignet sind. Anders als Koaxialkabel verfügen mehradrige geschirmte Kabel in der Regel nicht über ein massives Dielektrikum, welches empfindlich gegen mechanische Beanspruchung sein kann und den Kabeldurchmesser erhöht. Die einzelnen Adern sind vielmehr lediglich über eine dünne Ummantelung voneinander isoliert. Durch Ausnutzung der symmetrischen Signalübertragung für die Empfangssignale und der unsymmetrischen Übertragung für die Sendesignale auf einem geschirmten Aderpaar werden vorteilhaft unterschiedliche Wellenwiderstände in Sende- und in Empfangsrichtung erhalten. Typische Leitungsimpedanzen für symmetrische Signale auf Aderpaaren liegen im Bereich von etwa 80 bis 120 Ω. Bei direktem Anschluss an das Aderpaar wird der Ultraschallwandler auf diese Weise weniger elektrisch belastet als durch Koaxialleitungen mit 50 bis 75 Ω. In Senderichtung hingegen werden die Adern parallelgeschaltet und unsymmetrisch gegen den Schirm, der dabei als Rückleiter dient, betrieben. Die sich für diesen Modus ergebende Leitungsimpedanz beträgt zumeist weniger als die Hälfte der symmetrischen Impedanz, typisch 30 bis 50 Ω, so dass in Senderichtung mehr Leistung bei gleicher Spannung übertragbar ist. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung besteht für die Empfangssignale zusätzlich auch die Möglichkeit der Impedanzanpassung und Verstärkung auf Seite des Ultraschallwandlers.With the proposed method and the associated arrangement, reduced sensitivity to external interference fields and waves is achieved compared to coaxial cables through the symmetrical signal transmission of the received signals in addition to shielding. By using a shielded wire pair instead of a coaxial cable, reduced sensitivity to mechanical stress is also achieved, as such cables are better suited for highly flexible applications such as drag chains and robot arms. Unlike coaxial cables, multi-core shielded cables generally do not have a solid dielectric, which can be sensitive to mechanical stress and increases the cable diameter. Instead, the individual wires are only insulated from one another by a thin sheath. By exploiting the symmetrical signal transmission for the received signals and the asymmetrical transmission for the transmitted signals on a shielded wire pair, different characteristic impedances are advantageously achieved in the transmit and receive directions. Typical line impedances for symmetrical signals on wire pairs are in the range of approximately 80 to 120 Ω. When connected directly to the wire pair, the ultrasonic transducer is subjected to less electrical load than with coaxial cables with 50 to 75 Ω. In the transmit direction, however, the wires are connected in parallel and operated asymmetrically against the shield, which serves as the return conductor. The resulting line impedance for this mode is usually less than half the symmetrical impedance, typically 30 to 50 Ω, so that more power can be transmitted in the transmit direction at the same voltage. The proposed method and the associated arrangement also offer the possibility of impedance matching and amplification for the received signals on the ultrasonic transducer side.

An den Enden der Übertragungsstrecke, also der Kabelverbindung zwischen Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler, sind je nach Wandlertyp und Ultraschallelektronik Schaltungen notwendig, die die Trennung der Sende- und Empfangssignale und/oder die Modenanpassung, also Symmetrierung/Desymmetrierung, vornehmen. Unter der Desymmetrierung wird dabei die Zusammenführung der symmetrisch übertragenen Signalanteile verstanden, durch die eventuelle, auf die Kabelverbindung wirkende Störfelder und -wellen kompensiert bzw. eliminiert werden. In der Regel handelt es sich dabei um eine Differenzbildung der beiden symmetrischen Signalanteile. Die Schaltungen zur Trennung und/oder Modenanpassung können aktiv oder passiv realisiert sein und auch gleichzeitig eine Impedanzanpassung sowie Signalverstärkungen umfassen. Sie können sich im Gehäuse des Ultraschallwandlers bzw. Prüfkopfes und im Gehäuse für die Ultraschallelektronik befinden. Alternativ können diese Schaltungen auch in getrennten Gehäusen vor- und nachgeschaltet werden, so dass bereits vorhandene herkömmliche Ultraschallgeräte und Ultraschallprüfköpfe adaptiert werden können.At the ends of the transmission path, i.e. the cable connection between the ultrasonic electronics and the ultrasonic transducer, depending on the transducer type and ultrasonic electronics, circuits are required to separate the transmitted and received signals and/or to mode match, i.e., to balance/debalance. Debalance refers to the merging of the symmetrically transmitted signal components, which compensates for or eliminates any interference fields and waves affecting the cable connection. This usually involves calculating the difference between the two symmetrical signal components. The circuits for separation and/or mode matching can be implemented actively or passively and can also simultaneously include impedance matching and signal amplification. They can be located in the housing of the ultrasonic transducer or probe and in the housing for the ultrasonic electronics. Alternatively, these circuits can also be installed upstream and downstream in separate housings, allowing adaptation to existing conventional ultrasound devices and ultrasonic probes.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Empfangssignale jeweils über einen Übertrager am Ultraschallwandler symmetriert und/oder über einen Übertrager in der Ultraschallelektronik desymmetriert bzw. zusammengeführt. Über die Wicklungsverhältnisse der Übertrager kann dann auch eine Impedanzanpassung erfolgen. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann das Sendesignal jeweils über einen Mittenabgriff des Übertragers eingespeist bzw. abgegriffen werden. In anderen Ausgestaltungen kann die Entkopplung zwischen Sende- und Empfangssignal auch über geeignete Diodenschaltungen erfolgen.In an advantageous embodiment, the received signals are each balanced via a transformer on the ultrasonic transducer and/or debalanced or combined via a transformer in the ultrasonic electronics. Impedance matching can then also be achieved via the winding ratios of the transformers. With such an embodiment, the transmitted signal can be fed in or tapped off via a center tap of the transformer. In other embodiments, the decoupling between the transmitted and received signals can also be achieved via suitable diode circuits.

In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Desymmetrierung der Empfangssignale auf Seiten der Ultraschallelektronik durch einen Differenzverstärker.In a further embodiment, the desymmetrization of the received signals on the ultrasonic electronics side is carried out by a differential amplifier.

Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Ultraschall-Sende- und Empfangsanordnung weist entsprechend wenigstens einen Ultraschallwandler und wenigstens eine Ultraschallelektronik auf, in der Sendesignale für den Ultraschallwandler erzeugt und Empfangssignale vom Ultraschallwandler aufgezeichnet und/oder verarbeitet werden. Die Kabelverbindung zur Signalübertragung zwischen dem Ultraschallwandler und der Ultraschallelektronik weist wenigstens ein Aderpaar und eine Schirmung für das Aderpaar auf. Auf Seite des Ultraschallwandlers und auf Seite der Ultraschallelektronik sind dann Schaltungen vorgesehen, durch die die Sendesignale unsymmetrisch über beide Adern des Aderpaars mit der Schirmung als Rückleiter und die Empfangssignale symmetrisch über beide Adern des Aderpaars übertragen werden. Die Schaltungen sind dabei ausgebildet, um die Trennung der Sende- und Empfangssignale und/oder die Modenanpassung vorzunehmen. Sie können hierzu entsprechend den oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des Verfahrens ausgebildet sein.The ultrasonic transmitting and receiving arrangement designed to carry out the method accordingly has at least one ultrasonic transducer and at least one ultrasonic electronics unit in which transmit signals for the ultrasonic transducer are generated and receive signals from the ultrasonic transducer are recorded and/or processed. The cable connection for signal transmission between the ultrasonic transducer and the ultrasonic electronics unit has at least one wire pair and a shield for the wire pair. Circuits are then provided on the ultrasonic transducer side and on the ultrasonic electronics side, through which the transmit signals are transmitted asymmetrically via both wires of the wire pair with the shield as the return conductor, and the receive signals are transmitted symmetrically via both wires of the wire pair. The circuits are designed to separate the transmit and receive signals and/or to carry out mode matching. For this purpose, they can be designed according to the advantageous embodiments of the method described above.

Das vorgeschlagene Verfahren und zugehörige Anordnung lassen sich beispielsweise für die zerstörungsfreie Materialprüfung, die technische Sensorik (Füllstand, Durchfluss, Wanddicken, Abstandssensoren usw.) oder auch für Anwendungen des medizinischen Ultraschalls einsetzen.The proposed method and associated arrangement can be used, for example, for non-destructive material testing, technical sensor technology (fill level, flow, wall thickness, distance sensors, etc.) or for medical ultrasound applications.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Signalübertragung zwischen Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung des vorgeschlagenen Verfahrens zur Signalübertragung zwischen Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler;
3 eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zur Signalübertragung zwischen Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler;
4 eine beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung für die Signalübertragung über ein einzelnes Aderpaar;
5 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung für die Signalübertragung über ein einzelnes Aderpaar; und
6 eine weitere beispielhafte Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung für die Signalübertragung über ein einzelnes Aderpaar.

The proposed method and the associated arrangement are described below using The following examples are explained in more detail in conjunction with the drawings. Herein:

1 a schematic representation of the signal transmission between ultrasonic electronics and ultrasonic transducer according to the state of the art;
2 a schematic representation of the proposed method for signal transmission between ultrasonic electronics and ultrasonic transducer;
3 a schematic representation of a method not according to the invention for signal transmission between ultrasonic electronics and ultrasonic transducer;
4 an exemplary embodiment of the proposed arrangement for signal transmission via a single wire pair;
5 a further exemplary embodiment of the proposed arrangement for signal transmission via a single wire pair; and
6 another exemplary embodiment of the proposed arrangement for signal transmission via a single wire pair.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to implement the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein geschirmtes Aderpaar für die Signalübertragung zwischen Ultraschallelektronik und Ultraschallwandler eingesetzt. Die Signalübertragung von Sendesignal und Empfangssignal erfolgt dabei über das gleiche Aderpaar.The proposed method uses a shielded wire pair for signal transmission between the ultrasonic electronics and the ultrasonic transducer. The transmission of the transmit signal and the receive signal takes place via the same wire pair.

2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung der Anordnung für die Signalübertragung über ein gemeinsames Aderpaar. In der Figur sind auf der linken Seite die Ultraschallelektronik 2 und auf der rechten Seite der Ultraschallwandler 1 zu erkennen. Für die Signalübertragung wird ein geschirmtes Aderpaar 7 eingesetzt, wie dies in der 2 schematisch dargestellt ist. Die Ultraschallelektronik 2 verfügt hierbei über Verstärker für Sende- und Empfangssignal sowie eine Einrichtung 6 zur Trennung von Sende- und Empfangssignal. Durch diese Einrichtung 6 wird das Sendesignal 4 unsymmetrisch auf beide Adern des Aderpaars aufgeteilt, wie dies schematisiert im oberen Teil der 2 angedeutet ist. Das Empfangssignal 5 wird hingegen durch eine Schaltung 8 zur Symmetrierung symmetrisch auf beide Adern des Aderpaars aufgeteilt, wie dies im unteren Teil der 2 schematisch dargestellt ist. Diese Schaltung 8 zur Symmetrierung des Empfangssignals weist auch eine Verschaltung zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen auf. Die Einrichtung 6 zur Trennung von Sende- und Empfangssignal in der Ultraschallelektronik 2 weist auch einen Schaltungsteil auf, der die beiden symmetrisch eintreffenden Empfangssignalanteile wieder desymmetriert, in der Regel durch Differenzbildung. 2 shows a schematic diagram of the arrangement for signal transmission via a common wire pair. The figure shows the ultrasonic electronics 2 on the left and the ultrasonic transducer 1 on the right. A shielded wire pair 7 is used for signal transmission, as shown in the 2 is shown schematically. The ultrasonic electronics 2 has amplifiers for the transmit and receive signals as well as a device 6 for separating the transmit and receive signals. This device 6 splits the transmit signal 4 asymmetrically between both wires of the wire pair, as shown schematically in the upper part of the 2 The received signal 5, however, is divided symmetrically between both wires of the wire pair by a circuit 8 for balancing, as shown in the lower part of the 2 is shown schematically. This circuit 8 for balancing the received signal also has a circuit for separating the transmitted and received signals. The device 6 for separating the transmitted and received signals in the ultrasonic electronics 2 also has a circuit section that debalances the two symmetrically arriving received signal components, usually by forming a difference.

Ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren bzw. eine zugehörige Anordnung wird schematisch in 3 dargestellt. In diesem Fall wird für die Verbindung ein geschirmtes Kabel 9 mit zwei Aderpaaren eingesetzt, wie dies in der Figur angedeutet ist. Über das obere Aderpaar werden die Sendesignale 4 übertragen, über das untere Aderpaar die Empfangssignale 5. Die Übertragung der Sendesignale 4 erfolgt wiederum unsymmetrisch, die Übertragung der Empfangssignale 5 symmetrisch, wie dies im oberen und unteren Teil der 3 angedeutet ist. Die Desymmetrierung der Empfangssignale 5 in der Ultraschallelektronik 2 erfolgt in diesem Beispiel über einen Differenzverstärker, die Aufteilung der Sendesignale 4 auf die beiden Adern des oberen Aderpaars durch einfache Verzweigung. Auf der Seite des Ultraschallwandlers 1 ist wiederum eine Schaltung 8 zur Symmetrierung der Empfangssignale 5 sowie zur Trennung von Sende- und Empfangssignalen erforderlich.A method not according to the invention and an associated arrangement is shown schematically in 3 In this case, a shielded cable 9 with two wire pairs is used for the connection, as indicated in the figure. The upper wire pair transmits the transmit signals 4, and the lower wire pair transmits the receive signals 5. The transmit signals 4 are again transmitted asymmetrically, while the receive signals 5 are transmitted symmetrically, as shown in the upper and lower parts of the 3 is indicated. In this example, the desymmetrization of the received signals 5 in the ultrasonic electronics 2 is achieved via a differential amplifier, while the distribution of the transmitted signals 4 between the two wires of the upper wire pair is achieved by simple branching. On the ultrasonic transducer 1 side, a circuit 8 is required to symmetrize the received signals 5 and to separate the transmitted and received signals.

Die Schaltungen auf der Seite der Ultraschallelektronik 2 und auf der Seite des Ultraschallwandlers 1, die für die Symmetrierung/Desymmetrierung sowie für die Trennung von Sende- und Empfangssignalen erforderlich sind, können in unterschiedlicher Weise realisiert werden. In den folgenden Beispielen sind unterschiedliche Möglichkeiten gezeigt, die jedoch nur beispielhaft zu verstehen sind. Der Fachmann kann auch andere Schaltungsvarianten finden, mit denen die hier erforderlichen Funktionen erfüllt werden.The circuits on the ultrasonic electronics 2 side and on the ultrasonic transducer 1 side, which are required for balancing/debalancing and for separating the transmitted and received signals, can be implemented in various ways. The following examples show different possibilities, but these are only examples. Those skilled in the art can also find other circuit variants that fulfill the functions required here.

Im Beispiel der 4 werden Sende- und Empfangssignale über ein einzelnes Aderpaar übertragen. Am Ultraschallgerät 10, das das Sendesignal generiert und das Empfangssignal aufzeichnet oder verarbeitet, ist hier eine zusätzliche Schaltung angebracht, die einerseits der Trennung von Sende- und Empfangssignal und andererseits auch der Desymmetrierung des über die Adern übertragenen Empfangssignals dient. Auf der Seite des Ultraschallwandlers 1 ist wiederum eine zusätzliche Schaltung zur Symmetrierung des Empfangssignals und zur Trennung von Sende- und Empfangssignal vorgesehen. Das Sendesignal wird über die Dioden in beide Adern im Gleichtakt eingekoppelt und auf der Wandlerseite ebenfalls über Dioden ausgekoppelt. In diesem und den folgenden Beispielen wird von rein negativen Sendeimpulsen ausgegangen, wie sie auch in den 2 und 3 schematisch angedeutet waren. Mit anti-parallel verschalteten Dioden oder Bauteilen vergleichbarer Strom-Spannungskennlinie, wie bipolaren TVS-Dioden, können auch bipolare Sendesignale verwendet werden. Für die Sendesignale sind die Dioden niederohmig, für die Empfangssignale sind die Dioden hochohmig. Die Durchbruch- bzw. Durchlassspannung bestimmt dabei die maximal mögliche Spannung der Empfangssignale. Die Empfangssignale werden am Wandler mit einem Übertrager symmetriert und auf der Gegenseite wieder in ein unsymmetrisches Signal gewandelt. Über die Wicklungsverhältnisse der beiden Spulen des Übertragers auf Seite des Ultraschallgeräts 10 kann eine Impedanzanpassung zwischen Leitung und Gerätewiderstand (in der Regel 50 oder 75 Ω) erfolgen. Der Widerstand zwischen Ultraschallwandler 1 und Übertrager trennt diesen von den hohen Sendespannungen und stellt gleichzeitig eine Last für die Sendesignale dar, wobei der Übertrager in der Regel in die magnetische Sättigung geht. Im vorliegenden und den nachfolgenden Beispielen ist jeweils ein Piezowandler als Ultraschallwandler 1 gezeigt. Das Verfahren sowie die dargestellten Schaltungen funktionieren aber für alle Wandlertypen, bei denen die Sendesignale signifikant höhere Amplituden als die Empfangssignale aufweisen.In the example of 4 Transmit and receive signals are transmitted via a single wire pair. An additional circuit is mounted on the ultrasound device 10, which generates the transmit signal and records or processes the receive signal. This circuit serves, on the one hand, to separate the transmit and receive signals and, on the other hand, to debalance the receive signal transmitted via the wires. On the side of the ultrasonic transducer 1, an additional circuit is provided to balance the receive signal and separate the transmit and receive signals. The transmit signal is coupled into both wires in common mode via the diodes and is also coupled out via diodes on the transducer side. In this and the following examples, purely negative transmit pulses are assumed, as in the 2 and 3 were schematically indicated. With anti-parallel connected diodes or components with comparable current-voltage characteristics, such as bipolar TVS diodes, bipolar transmit signals can also be used. For the transmit signals, the diodes are low-resistance, for the The diodes are high-impedance for received signals. The breakdown or forward voltage determines the maximum possible voltage of the received signals. The received signals are balanced at the transducer using a transformer and converted back into an asymmetrical signal on the opposite side. The winding ratios of the two coils of the transformer on the ultrasound device 10 side can be used to match the impedance between the line and the device resistance (usually 50 or 75 Ω). The resistance between ultrasonic transducer 1 and the transformer isolates it from the high transmitted voltages and simultaneously represents a load for the transmitted signals, whereby the transformer usually enters magnetic saturation. In the present and subsequent examples, a piezo transducer is shown as ultrasonic transducer 1. However, the method and the circuits shown work for all transducer types in which the transmitted signals have significantly higher amplitudes than the received signals.

5 zeigt ein weiteres Beispiel einer möglichen Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung für die Übertragung von Sende- und Empfangssignalen über ein einzelnes Aderpaar. Auch hier werden die Empfangssignale wiederum über geeignete Übertrager auf Seite des Ultraschallgeräts 10 und auf Seite des Ultraschallwandlers 1 desymmetriert bzw. symmetriert. Die Ein- und Auskopplung der Sendesignale erfolgt hier jedoch über eine Mittenanzapfung an den Übertragern, wie dies in der 5 dargestellt ist. Die Entkopplung auf Seiten des Ultraschallwandlers 1 erfolgt wiederum über entsprechende Dioden. 5 shows another example of a possible configuration of the proposed arrangement for transmitting transmit and receive signals via a single wire pair. Here, too, the receive signals are de-balanced or balanced via suitable transformers on the side of the ultrasound device 10 and on the side of the ultrasound transducer 1. However, the coupling and decoupling of the transmit signals takes place via a center tap on the transformers, as shown in the 5 is shown. The decoupling on the side of the ultrasonic transducer 1 is again achieved via corresponding diodes.

6 zeigt wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Anordnung. Die Desymmetrierung der Empfangssignale auf der Seite des Ultraschallgeräts 10 erfolgt in diesem Beispiel nicht über einen Übertrager, sondern durch einen Differenzverstärker. Die Trennung von Sende- und Empfangssignalen erfolgt wie bei der Ausgestaltung der 3. Die Reihenwiderstände in Verbindung mit den Clamp-Dioden an den Eingängen schützen den Differenzverstärker vor den Sendesignalen. Auf der Seite des Ultraschallwandlers 1 erfolgt die Modentrennung durch ein Diodennetzwerk, hier beispielhaft wiederum für negative Sendespannungen dargestellt. Im Sendefall sind alle Dioden durch Überschreiten der Durchlassspannung niederohmig, die Sendespannung wird von beiden Adern auf einen Wandlerpol geschaltet. Der andere Wandlerpol erhält Massebezug durch ebenfalls durchschaltende antiparallele Dioden gegen Masse. Im Empfangssignal sind die Dioden hochohmig für Signale unterhalb der Durchlassspannung. Der nun gegenüber Masse floatende Ultraschallwandler 1 speist das Signal symmetrisch über zwei Widerstände in die Leitung bzw. das Aderpaar. 6 shows another embodiment of the proposed arrangement. The desymmetrization of the received signals on the side of the ultrasound device 10 is not carried out via a transformer in this example, but rather by a differential amplifier. The separation of transmitted and received signals is carried out as in the design of the 3 The series resistors in conjunction with the clamp diodes at the inputs protect the differential amplifier from the transmitted signals. On the ultrasonic transducer 1 side, mode separation is achieved by a diode network, shown here again as an example for negative transmitted voltages. During transmission, all diodes have low resistance due to the forward voltage being exceeded, and the transmitted voltage is switched from both wires to one transducer pole. The other transducer pole is referenced to ground by anti-parallel diodes that are also switched on. In the received signal, the diodes have high resistance for signals below the forward voltage. Ultrasonic transducer 1, which is now floating with respect to ground, feeds the signal symmetrically into the cable or wire pair via two resistors.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: UltraschallwandlerUltrasonic transducer
22: UltraschallelektronikUltrasonic electronics
33: KoaxialkabelCoaxial cable
44: SendesignalTransmission signal
55: EmpfangssignalReception signal
66: Einrichtung zur Trennung von Sende- und EmpfangssignalDevice for separating transmit and receive signals
77: geschirmtes Kabel mit Aderpaarshielded cable with wire pair
88: Schaltung zur Symmetrierung und TrennungCircuit for balancing and separation
99: geschirmtes Kabel mit zwei Aderpaarenshielded cable with two pairs of wires
1010: Ultraschall-GerätUltrasound device

Claims

Method for signal transmission between an ultrasonic transducer (1) and ultrasonic electronics (2), in which transmission signals (4) for the ultrasonic transducer (1) are generated and reception signals (5) from the ultrasonic transducer (1) are recorded and/or processed, in which - the signal transmission takes place via a cable connection (7) which has at least one wire pair and a shield for the wire pair, - the transmission signals (4) are transmitted asymmetrically via both wires of the wire pair with the shield as the return conductor, and - the reception signals (5) are transmitted symmetrically via both wires of the same wire pair.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a cable connection (7, 9) is used in which the wire pair is twisted.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the received signals (5) are symmetrical via a transmitter on the ultrasonic transducer (1).

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the received signals (5) are symmetrical via a fully differential amplifier on the ultrasonic transducer (1).

Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the received signals (5) are combined via a transformer in the ultrasonic electronics (2).

Procedure according to Claim 3 or 5 , characterized in that impedance matching is carried out via a winding ratio of the transformer.

Method according to one of the Claims 3 , 5 or 6 , characterized in that a decoupling between the transmitting and receiving signals (4, 5) takes place in that the transmitting signal (4) is fed in or tapped off via a center tap of the transformer.

Method according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the received signals (5) are combined via a differential amplifier in the ultrasonic electronics (2).

Method according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that decoupling between the transmit and receive signals takes place via diodes.

Ultrasonic transmitting and receiving arrangement with at least one ultrasonic transducer (1) and at least one ultrasonic electronics unit (2), in which transmit signals (4) for the ultrasonic transducer (1) are generated and receive signals (5) from the ultrasonic transducer (1) are recorded and/or processed, and a cable connection (7) for signal transmission between the ultrasonic transducer (1) and the ultrasonic electronics unit (2), in which the cable connection (7) has at least one wire pair and a shield for the wire pair, and circuits are provided by means of which the transmitting signals (4) are transmitted asymmetrically via both wires of the wire pair with the shield as the return conductor and the receive signals (5) are transmitted symmetrically via both wires of the same wire pair.