S4-FMCT11

METODOLOGÍA PARA LA IDENTIFICACIÓN DE FORMAS EMPLEANDO ULTRASONIDO
Y LA TÉCNICA THROUGH TRANSMISSION
L. Leija, F. Villalobos, A. Vera
Departmento de Ingeniería Eléctrica, CINVESTAV-IPN, México D.F., México.
e-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected];
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RESUMEN - Se presentan los resultados de las pruebas realizadas a una pieza escalonada de aluminio utilizando un
sistema para el registro de los parámetros de propagación ultrasónicos en la configuración Through Transmisión.
Haciendo el registro de los datos por medio de un hidrófono a fin de generar la imagen volumétrica de la muestra de
prueba. El sistema consiste de dos transductores montados en la configuración de Through Transmission inmersos en
un tanque de agua; un transductor emisor y uno receptor ubicados en lados opuestos de la pieza de aluminio sujeta a
pruebas. Se diseñó un sistema de sujeción para el transductor receptor a fin de que la posición de ambos
transductores fuera la misma en cada punto y tener una máxima transmisión de señal en todo el barrido realizado. Se
utilizaron 3 transductores de diferentes frecuencias: 2.25 MHz, 3.5 MHz y 5 MHz. El registro de los parámetros
ultrasónicos se realizó por medio de un hidrófono de cerámica piezoeléctrica Tipo PZT-Z44-0400. Los datos
registrados se procesaron utilizando la plataforma de Matlab a fin de generar la imagen de la muestra analizada.
I.
INTRODUCCION
El Ultrasonido ha sido usado en una gran variedad de aplicaciones por muchos años. Las técnicas ultrasónicas son
utilizadas exitosamente en muchas áreas, incluyendo: procesos industriales, fabricación de metales, inspección de
materiales biológicos y alimenticios, y por supuesto la imagenología médica. Es particularmente atractivo para
ensayos no destructivos debido a que se puede usar con casi todos los materiales, e investigar por medio de esta
técnica las características externas e internas del material a partir del registro de los parámetros de transmisión de la
onda recibida [1].
Así mismo, el ultrasonido ha sido usado para reconocer objetos y estimar su forma en muchos tipos de aplicaciones
ya que es posible reconstruir imágenes ultrasónicas a partir de los parámetros característicos de las ondas registradas
del material (Tiempo de vuelo (TOF), amplitud, componentes espectrales, fase, etc.).
En medicina la aplicación del US tiene gran auge, ya que el contenido energético de su radiación es mucho menor al
de las técnicas utilizadas en la tomografía convencional, como es el caso de la utilización de la radiación X y en
Resonancia Magnética Nuclear. Prueba de la afirmación anterior es la pendiente de desarrollo tecnológico de la
Tomografía Ultrasónica en 3D y 4D, las cuales hoy son una realidad y en donde la definición de las imágenes
obtenidas es próxima a la realidad con la utilidad médica inmediata del diagnóstico.
II.
ANTECEDENTES
La Inspección No Destructiva (NDT), es por definición, la ciencia de examinar materiales a fin de identificar
propiedades físicas y mecánicas sin dañar la utilidad y funcionamiento futuros. El desarrollo de técnicas de medición
para la inspección no destructiva de las propiedades físicas de los materiales tiene sus orígenes en la necesidad de
resolver problemas prácticos sin afectar la integridad del objeto bajo prueba [2, 3]. Las técnicas no destructivas
pueden ser usadas para detectar, medir y evaluar defectos; así mismo, para evaluar la integridad, propiedades y
composición; y para medir propiedades geométricas (ASTM E1316). Cada técnica NDT tiene ventajas y desventajas
considerando costos, rapidez, exactitud y seguridad.
Los métodos no destructivos pueden ser clasificados en términos de la propiedad física de interés (tamaño, color,
dureza, etc.) y de la aplicación en particular (determinar contenido de humedad, densidad, detección de defectos,
etc.), por ejemplo: Visual, óptica, acústica, mecánica [4]. Otro criterio de clasificación de las técnicas no destructivas
es la característica de la onda de la radiación que interactúa con el material (Rayos X, infrarrojos, técnicas térmicas,
microondas, ultrasonido, resonancia magnética nuclear, etc.) [5].
La inspección no destructiva de materiales por medio de ultrasonido es una técnica versátil que puede ser usada por
una gran variedad de aplicaciones en el análisis de materiales. A pesar de que esta técnica es conocida por su
aplicación para detectar defectos internos, y obtener imágenes ultrasónicas, las ondas pueden ser usadas para evaluar
y cuantificar algunas propiedades físicas, mecánicas o estructurales de materiales. El análisis ultrasónico de
materiales se basa en un principio físico simple: el movimiento de cualquier onda puede ser afectado por el medio a
través del cual viaja. Debido a esto, cambios en alguno de los parámetros asociados con el paso de una onda de alta
frecuencia a través del material (tiempo de vuelo, atenuación, etc.) se pueden relacionar con los cambios en las
propiedades físicas del material (por ejemplo: forma, tamaño, densidad, etc.) [6], [7].
La señal ultrasónica está sujeta a distorsión según viaje a través de regiones con diferentes velocidades de
propagación. La distancia que puede viajar una onda de una frecuencia y un nivel de energía dados, depende del
material a través del cual ésta viaja. Como regla general, materiales duros y homogéneos transmiten las ondas mas
eficientemente que aquellos que son suaves y heterogéneos o granulares.
Figura 1. Relación que guardan las propiedades ultrasónicas de un material y las propiedades físicas que éste tenga.
Las señales ultrasónicas son normalmente generadas y recibidas por transductores piezoeléctricos que se acoplan
acústicamente al material. Sin embargo, en algunos casos, la geometría del material no permite lograr un correcto
acoplamiento de la onda. Hay, además, aplicaciones donde las condiciones del material requieren de otro medio de
acoplamiento para una mayor transferencia de energía hacia el material. En estas situaciones, se recomiendan las
inspecciones inmersas en medios acuosos. Para este tipo de pruebas se requiere de transductores que permitan
acoplar la energía de la onda dentro y fuera de la pieza de prueba a través de una columna de agua o dentro de un
baño de agua. Debido a que la onda penetra a través de la pieza, las propiedades del material se pueden medir en
volumen y no sólo en la superficie [8].
La Reconstrucción tridimensional de formas es una herramienta muy necesaria en muchas aplicaciones incluyendo la
navegación de robots, inspección de maquinaria, reconstrucción de objetos en tres dimensiones, estimación de
distancias, control de procesos industriales, medición de velocidad, control de nivel, inspección de perfiles, medición
de desplazamientos, etc. Muchas técnicas han sido propuestas incluidas: la estereo disparidad, tomografía, láser y
ultrasonido [9]. Las ventajas de la técnica de reconstrucción de formas por medio de ultrasonido es que es segura
comparada con otras técnicas y que es posible obtener las imágenes en tiempo real. Esto la hace la técnica más
preferida para la inspección fetal, estudios cardiacos y en procedimientos quirúrgicos guiados como la extracción de
tumores en seno. Esta técnica ofrece la mejor plataforma en tiempo real par la adquisición de datos en tres
dimensiones [10].
III.
DESARROLLO
Para realizar la medición y caracterización de las distribuciones espaciales de la intensidad acústica en un material se
requiere de un transductor ultrasónico capaz de responder a esas presiones, por lo cual se utilizan los hidrófonos, que
son sensores piezoeléctricos calibrados contra patrones de referencia.
La obtención de la distribución espacial del campo ultrasónico mediante hidrófonos se lleva a cabo utilizando el
método de escaneo planar. Se requiere establecer un espacio definido delante de la pieza en estudio. Utilizando un
brazo metálico de aluminio el cual permite posicionar y sujetar al hidrófono en la misma posición que el transductor
emisor se obtiene una máxima transferencia de señal en cada punto y obteniendo así una mayor resolución lateral. Así
mismo se diseñó otro brazo metálico el cual sujetado al sistema de posicionamiento ya existente permita sujetar y
desplazar la pieza que se desee analizar dentro del espacio previamente definido. La figura 2 ilustra el sistema
utilizado mostrando las modificaciones realizadas al ya existente.
El sistema de registro de campos ultrasónicos esta formado por:

Un tanque de acrílico transparente con dimensiones 380 mm x 760 mm x 457 mm.

Agua destilada como medio de acoplamiento y propagación.

Hidrófono de cerámica como sensor del campo.
Figura 2. Diagrama a bloques del esquema experimental.
El sistema posicionador XYZ está controlado por el Scan Software Versión 3.40. Este sistema brinda una exploración
automática gobernada por una computadora y permite la graficación de las fuentes ultrasónicas. La computadora,
conjuntamente con un esquema de precisión de tres ejes, un controlador de motores y un osciloscopio brinda un
movimiento linear y planar, configurable, en un volumen de exploración de 12”x12”x12” y mediante un hidrófono y
un osciloscopio registra los niveles de voltaje u otros parámetros en cada punto de la matriz de exploración.
Los archivos de datos registrados pueden ser mostrados en un gráfico de contornos, a color en la pantalla de la
computadora o impresos en un papel.
Las mediciones se realizaron en tres grupos. Uno de ellos utilizando el transductor de 2.25 MHz, otro con un
transductor de 3.5 MHz y el otro con el transductor de 5 MHz. Se utilizó como transductor receptor un hidrófono tipo
PZT-Z44-0400.
Se realizó un desplazamiento de la pieza generando un barrido en el plano XY con un total de 24 mediciones en cada
eje y conservando una separación entre cada medición de 2 mm recorriendo una distancia total de 48 mm en cada eje
(4 de margen + 40 mm del obstáculo + 4 mm de margen).
El transductor emisor se ubicó a 5 mm de la cara frontal del obstáculo al igual que el hidrófono guardó esta misma
distancia del obstáculo.
En las Figuras 3.a y 3.b se muestran las posiciones relativas entre muestra, transductor e hidrófono, así como las
distancias con relación a la muestra (obstáculo).
Figura 3.a. Posicionamiento en relación a la
Muestra.
Figura 3.b. Posicionamiento en relación a la
Muestra.
Para cada transductor se realizó el registro de 2 planos. 1 plano mediando el obstáculo de frente y 1 plano mediando
el obstáculo de lado. Las señales adquiridas son cálculos de voltajes pico-pico de toda la señal en cada punto de la
matriz. Para la excitación del transductor se utilizó una Tajeta Matec con frecuencias de 2.25 MHz, 3.5 MHz y 5
MHz, y un ancho de pulso de 0.72 s, 0.46 s y 0.34 s, respectivamente.
IV.
PRUEBAS Y RESULTADOS
A partir de los datos registrados se realizó un procesamiento para cada plano a fin de generar una imagen de la pieza
analizada. Se observó que se tiene una gran relación entre la frecuencia del transductor, la profundidad de penetración
y la resolución axial y lateral registrada. La figura 4 y la figura 5 ilustran las imágenes generadas a partir del registro
de los datos utilizando el transductor de 2.25 MHz.
Figura 4. Vista Frontal transductor 2.25 MHz
Figura 5. Vista lateral transductor 2.25 MHz
Para esta frecuencia, la profundidad de penetración es buena lo que nos permite registrar datos de mayor amplitud. La
resolución lateral para este transductor también es muy buena permitiendo un mejor procesamiento y una imagen con
mayor resolución y facilitando el reconocimiento de la pieza.
En la figura 5 se ilustra el resultado del procesamiento del registro de los datos de la pieza de lado. En esta imagen es
fácilmente reconocible la forma de la pieza y los escalones que la componen. Esto es debido a la buena resolución
axial que se obtiene con este transductor y a la modificación realizada para el registro de los datos la cual permite
tener una buena transmisión de señal y por lo tanto una resolución lateral grande.
La figura 6 y la figura 7 ilustran las imágenes generadas a partir del registro de los datos de la pieza utilizando el
transductor de 3.5 MHz.
Para este transductor la profundidad de penetración disminuyó en relación a la del transductor de 2.25 MHz por lo
que las señales registradas son de menor amplitud lo que dificulta el procesamiento y el reconocimiento de la forma
de la pieza.
Figura 6. Vista frontal transductor 3.5 MHz.
Figura 7. Vista lateral transductor 3.5 MHz
La figura 7 ilustra el resultado del procesamiento de los datos de la pieza de lado. Para este transductor la resolución
lateral es buena lo que permite identificar la forma de la pieza y los escalones que la componen.
En la figura 8 y 9 se ilustra el resultado del procesamiento de los datos registrados utilizando el transductor de 5
MHz. En este caso, la profundidad de penetración disminuyó en comparación a los dos primeros casos reduciendo así
las señales registradas y dificultando el reconocimiento de la forma de la pieza.
Figura 8. Vista frontal transductor 5 MHz.
Figura 9. vista lateral transductor 5 MHz.
El resultado del procesamiento de los datos de la pieza de lado se ilustra en la figura 9. Para este transductor es mas
difícil identificar la forma de la pieza y los escalones que la conforman.
V.
CONCLUSIONES
Se realizó el registro de los parámetros acústicos de una muestra de aluminio escalonada de dimensiones 4 cm x 4 cm
x 4 cm con un ancho y altura de escalón de 1 cm. El registro de los datos fue de frente y de lado a fin de contar con la
mayor información posible para el procesamiento de los datos. Los datos registrados fueron procesados y fue posible
generar una imagen de la pieza. Es posible identificar después del procesamiento la presencia de la muestra en la
imagen y de los diferentes escalones que tiene la pieza.
Se encontró una gran relación entre frecuencia del transductor, profundidad de penetración y resolución axial.
Analizando las diversas imágenes generadas se puede concluir que para tener un mejor procesamiento de los datos y
un reconocimiento de la forma de la pieza y de los escalones que la componen. El transductor que mejor facilita esta
tarea es el de 2.25 MHz el cual ofrece una profundidad de penetración muy buena sin sacrificar la resolución axial.
Debido a las modificaciones realizadas al sistema de registro de parámetros acústicos, se garantiza una transmisión de
señal buena en cada punto aumentando así la resolución axial y generando una mejor imagen.
Se puede concluir que, el objetivo de generar imágenes de una pieza sujeta a radiación ultrasónica a partir de sus
parámetros acústicos es posible lograrlo. Se puede identificar la forma de la muestra y los escalones que la componen
a partir del procesamiento de los datos.
VI.
REFERENCIAS
[1]. "Review of practical applications of Ultrasonic phased-array in NDT", Lamarre A., Mainguy F., Q-NDE
Conference, Snowbird, Utah, July 1998
[2]. M. Berke, U. Hoppenkamps: "Testing materials ultrasonically" Krautkrämer Training System, Level 1 3rd
edition (1990)
[3]. M. Berke, U. Hoppenkamps: "Testing materials ultrasonically" Krautkrämer Training System, Level 2 3rd
edition (1986)
[4]. M. Berke, U. Hoppenkamps: "Practical training with digital ultrasonic instruments". Krautkrämer Training
System, Part 4 3rd edition (1992)
[5]. M. Berke:"Thickness measurement with ultrasonics" Krautkrämer Training System, Part 5 2nd edition (1992)
This edition is only available in German.
[6]. H.-W. Corsepius: "Nondestructive testing of materials using ultrasonics, introduction to basics" Special Issue
218 (1990) Krautkrämer GmbH & Co.
[7]. J. and H. Krautkrämer: "Ultrasonic testing of materials" 4th edition (1990) Springer-Verlag.
[8]. P. A. I,ewin, “Miniature piezoelectric polymer iilt.rasnnic hydroplione probes,” Ultrasonics, pp. 213-216, 1981.
[9]. O. Keitmann-Curdes, C. Hansen, P. Knoll, H. Meier and H. Ermert, “A Novel Approach for Ultrasonic Imaging
of Sheet Contours for Hydroforming”, Acoustical Imaging, 2004, Saarbrücken, Kluwer Academic/Plenum
Publishers, Dordrecht & New York, pp. 17-25.
[10]. O. Keitmann-Curdes, C. Hansen, P. Knoll, H. Meier and H. Ermert, “Ultrasonic imaging of sheet metal
forming”, Ultrasonics, Proceedings of Ultrasonics International 2003, 2004, Granada, Elsevier, pp. 989-992.
[11]. Laboratorio para el desarrollo de investigaciones de los efectos en material biológico de la radiación
electromagnética y ultrasónica. Dr. Gilberto gonzález, dr. Lorenzo leija, m.sc. Rubén pérez,