AT407200B - Messeinrichtung zur berührungsfreien bestimmung von dehnungen in oberflächen, insbesondere zur bestimmung der oberflächenkörperschallintensität - Google Patents

Description

AT 407 200 B

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur berührungsfreien Bestimmung von Dehnungen in Oberflächen, insbesondere für die Bestimmung der Oberflächenkörperschallintensität mit einem Laser-Doppler-Velocimeter unter Verwendung von wenigstens zwei Meßpunkten.

In "Journal of Vibration and Acoustics Transactions of the ASME, Vol.116, January 1994, pp. 100: Two-Channel Laser Vibrometer Techniques for Vibrational Intensity Measurements Part 2: Longitudinal Intensity" von T.E. McDevitt, G H. Koopmann und C.B. Burroughs wurde bereits eine Meßeinrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der zwei Laserstrahlpaare auf ein Meßobjekt gerichtet sind, wobei die Laserstrahlen in zwei Meßpunkten in einem definierten Abstand voneinander vereinigt werden. Die Laserstrahlen werden an der Oberfläche des Meßobjektes reflektiert und die Verschiebungsgeschwindigkeit in den Meßpunkten wird über die von Fotodetektoren aufgenommene Lichtintensität der reflektierten Laserstrahlen gemessen. Auf diese Art und Weise kann jedoch nur der Energiefluß einer longitudinalen Schwingung ermittelt werden, indem die an der Oberfläche punktweise gemessene Schallleistung über den gesamten Querschnitt des Meßobjektes summiert wird. Die Form der gemessenen Schwingung muß also bekannt sein und es lassen sich nur stabförmige Körper messen.

Um eine Intensitätsmessung von Schall in Festkörpern unabhängig von der Kenntnis der Art bzw. Form der Schwingungen bzw. von der Form der Oberfläche durchzuführen, ist die Ermittlung des Poynting-Vektors hinreichend, welcher als Produkt des Vektors der an der Meßobjektoberfläche gemessenen Verschiebungsgeschwindigkeiten und des Spannungstensors definiert ist.

Prinzipielle Grundlagen einer Einrichtung zur Bestimmung des Poynting-Vektors durch Messen der Verschiebungsgeschwindigkeiten in der Oberfläche eines Körpers mit Hilfe eines Laser-Doppler-Velocimeters wurde von den Anmeldern der vorliegenden Erfindung bereits in "Inter-Noise 95: Mulitpoint Optical Measurement of Structural Intensity" beschrieben.

Wesentliche Teile des anläßlich dieses Symposiums v-igestellten Projektes betrafen dabei die mathematischen Zusammenhänge, welche dem Meßprinzip zugrunde liegen. Voraussetzung für eine Bestimmung des sog. Poynting-Vektors ist hiebei die exakte Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten, wobei in dem anläßlich der Inter-Noise 95 vorgelegten Papier die Ableitung eines sog. SSI-Vektor aus den Meßgrößen demonstriert wurde. Der SSI-Vektor steht hiebei für ein Maß für die "Surface Structural Intensity" und es wurde vorgeschlagen, aus den in der Ebene liegenden Verschiebungsgeschwindigkeitskomponenten und einer Komponente des Dehnungstensors durch mathematische Umformungen auf den SSI-Vektor zu schließen. Eine prinzipielle Versuchsanordnung für eine eindimensionale Messung wurde gleichfalls bereits vorgeschlagen, bei welcher allerdings eine Reihe von Vereinfachungen getroffen wurde, welche die prinzipielle Anwendbarkeit des Meßverfahren verdeutlichen sollten.

Bei Verwendung des Laser-Doppler-Velocimeterprinzips (LDV-Prinzip) wurde zunächst vorgeschlagen, das kohärente Licht eines Lasers durch einen Strahlenteiler in zwei Strahlen zu teilen, wobei die Frequenz durch eine akustooptische Modulation und insbesondere durch sog. Bragg-Zellen verschoben wurde Die Meßpunkte wurden somit mit Strahlen von verschiedener Frequenz bestrahlt, wobei die Bewegung der bestrahlten der Oberflächenpunkte eine Dopplerverschiebung des diffus reflektierten Lichtes bewirkte, welche der zu messenden Oberflächengeschwindigkeit bzw. -Verschiebung proportional ist. Das diffus reflektierte Licht wurde über eine Empfangsoptik Photodetektoren zugeleitet, wobei die Ausgangssignale der Photodetektoren die Frequenzkomponenten enthalten, aus welchen sich die Verschiebungsgeschwindigkeitskomponenten bzw. die Verschiebung errechnen lassen.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, ausgehend von diesem als theoretisch brauchbar erkannten Meßprinzip, eine Einrichtung der bekannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die erforderliche Genauigkeit der Messung der Oberflächenkörperschallintensität bzw. des Poynting-Vektors bzw. der Dehnung erhöht werden kann und weiters auf einfache Art und Weise eine Anpassung der Meßeinrichtung auf die Art und Länge der zu messenden Schallwellen und den zu messenden Körper vorgenommen werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Meßeinrichtung darin, daß der Abstand der von einander kreuzenden Meßstrahlen definierten Meßpunkte in Meßrichtung an der

Oberfläche kleiner als ein Bruchteil der Wellenlänge, vorzugsweise kleiner als J_der Wellenlänge 2 10

AT 407 200 B der zu messenden Schwingung gewählt ist. Dadurch, daß nun der Abstand der Meßpunkte in Meßrichtung an der Oberfläche kleiner als ein Bruchteil der Wellenlänge, vorzugsweise kleiner als J_ der Wellenlänge der zu messenden Schwingung gewählt ist, wird es nun möglich die in der 10

Ebene liegenden Verschiebungsgeschwindigkeitskomponenten v„ und vy mit hoher Präzision zu messen und auch die für die weitere Auswertung der Oberflächenkörperschallintensität erforderlichen Mindestmeßwerte für Komponenten des Dehnungstensors sicher zu erfassen. Von wesentlicher Bedeutung ist hiebei die Erfassung der Richtung der einzelnen Komponenten, um die erforderlichen vektoriellen Auswertungen zu gewährleisten. Eine Anordnung der Meßpunkte in 1 einem Abstand von größer^ der Wellenlänge der zu messenden Schwingung führt zu unzulässig hohen Fehlem bei der Approximation des Spannungs- bzw. Dehnungszustandes zwischen den beiden Meßpunkten durch die Geschwindigkeits- bzw. Verschiebungsdifferenz in den beiden Meßpunkten.

Zur Verbesserung der Anpassung an jeweils berührungsfrei zu bestimmende Dehnungen bzw. Oberflächenkörperschallintensitäten bei anisotropen bzw. beliebig geformten Körpern wird erfindungsgemäß die Einrichtung dahingehend weitergebildet, daß der Abstand der Meßpunkte verstellbar ist. Während mit konventionellen Strahlenteilem eine derartige Veränderung der Abstände der Meßpunkte nur in bestimmten Grenzen möglich ist, gelingt es dadurch, daß gemäß einer bevorzugten Weiterbildung die optischen Signale zu den Meßpunkten über Faserleiter mit integrierter Optik geführt sind, diese Meßpunkte in weiten Grenzen zu verstellen und die Strahlenteilung durch einfache Spaltung der Faserleiter vorzunehmen. Durch entsprechende Einspannung der Enden derartiger Faserleiter lassen sich eine exakte Orientierung und definierte Abstände einstellen und es fassen sich auch die jeweils gewünschten geometrischen Bedingungen exakt einhalten, wobei mit Vorteil eine Mehrzahl von Meßpunktpaaren unter Aufspannen eines Polygons in der Oberfläche angeordnet ist.

Eine exakte Ausrichtung und damit eine weitere Besserung der Präzision der gewonnen Meßsignale läßt sich dadurch sicherstellen, daß die Winkel symmetrale der Meßstrahlen der Meßpunkte justierbar ist, wobei mit Vorteil die Optik für die Dioden fokussierbar und/oder in ihrem Normalabstand zur Oberfläche justierbar angeordnet ist. Eine fokussierbare Optik bzw eine Veränderung des jeweiligen Normalabstandes zur Oberfläche läßt hiebei auch Einstellungen zu, bei welchen die Optik nicht exakt fokussiert ist und daher eine gewisse Unschärfe bzw. eine Verbreiterung des Meßpunktes erzielt wird. Dies kann für bestimmte Auswertungsfälle zu einer höheren Empfindlichkeit und zu einer Verbesserung der Meßsignale führen.

Mit Vorteil ist die Ausbildung so getroffen, daß die Photodiode schwenkbar und/oder parallel zur Oberfläche verfahrbar angeordnet ist, wodurch gleichfalls eine bessere Anpassung an vor Beginn der Messung nicht bekannte Schwingungsformen und die Form der Oberfläche und eine exakte Ermittlung der jeweils in der Oberfläche liegenden Komponenten des Verschiebegeschwin-digkeitsvektors erzielt werden kann.

Der veränderliche Punktabstand dient hiebei in erster Linie zur Änderung der Frequenzauflösung und der Anpassung an die Beschaffenheit der Oberfläche des Meßobjektes und erlaubt, unabhängig von der Schwingungsform und Art, eine exaktere Bestimmung von Richtung und Größe der Komponenten des akkustischen Poynting-Vektors.

Eine weitere Verbesserung des Meßprinzips läßt sich dadurch erzielen, daß das gewonnene Signal über eine Signalleitung einer PLL (Phase Locked Loop)-Schaltung zugeführt ist und daß aus der PLL-Schaltung ein amplituden-geglättetes Signal an eine MDA (Modulation Domain Analyser) oder eine D$P (Digital Signal Processorj-Schaltung weitergeleitet und mit dieser Schaltung die Phasenlage bestimmt wird. Die PLL-Schaltung wird hiebei nicht in konventioneller Weise eingesetzt und nicht als Demodulator verwendet, sondern dient der Unterdrückung des Amplitudenrauschens, wobei ein amplitudenstabiles geglättetes Signal der nachfolgenden Phasendemodu-lierung zugeführt werden kann. In einer MDA-Schaltung können nun abweichend vom üblichen Meßprinzip Phasen demoduliert werden und nicht einfach nur Frequenzen ausgewertet werden. Eine umfangreiche Auswertung des Signales nach beliebigen Kriterien läßt sich aber auch in 3

AT 407 200 B einem nachgeschalteten DSP-Bautei! (Digital Signal Prozeß) erzielten, wobei mit dieser Schaltung die Phasenlage bestimmt wird.

Durch mindestens zwei, weitestgehend exakte, gleichzeitige Messungen, werden nun auch transiente Signale sicher erfaßbar und meßbar, wodurch sich die erfindungsgemäße Einrichtung 5 prinzipiell von bekannten Laser-Doppler-Velocimeteranordnungen unterscheidet.

Aus den genauen mathematischen Betrachtungen ergibt sich nun, daß in erster Linie die in der Ebene liegenden Geschwindigkeitskomponenten vx und vy zum Poynting-Vektor beitragen, wobei der SSI-Vektor (Surface Structural Intensity-Vektor) als zeitlicher Mittelwert des Poynting-Vektors errechnet wird. Für eine vollständige Erfassung des Dehnungstensors sind in der Folge mehrere 10 Meßpunkte erforderlich, wobei der vollständige Dehnungstensor sechs Komponenten S«, Sw und S„y sowie Sa, Syz und S» enthält. In der Ebene sind von diesen Komponenten lediglich die Komponenten S»,, Sy und meßbar, aus welchen die verbleibenden Komponenten Ss, und So, des Dehnungstensors abgeleitet werden können.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung 15 schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigen Fig.1 eine Prinzipskizze der Meßanordnungen und Fig.2 die prinzipielle Verbindung der Meßanordnungen nach Fig. 1 mit einer nachgeschalteten Auswerteschaltung.

In Fig. 1 ist ein Laser-Doppler-Velocimeter dargestellt, dessen Laser mit 1 bezeichnet ist. Der Laserstrahl 2 wird über einen ersten Strahlenteiler 3 in zwei kohärente Strahlen 4 und 5 gleicher 20 Frequenz aufgeteilt Der Strahl 4 wird über einen Umlenkspiegel 6 und eine Bragg-Zelle 7 geleitet, in welcher die Frequenz des Laserstrahls 4 entsprechend verschoben wird. Die Laserstrahlen 4 und 5 werden über Faserleiter geführt, wobei die beiden Faserleiter bei 8 aufgespalten werden. Die Aufspaltung ersetzt hierbei konventionelle Strahlenteiler, mit welchen der Abstand der voneinander geteilten Strahlen nicht ohne weiteres verstellbar ist. In die Enden 9 der Faserleiter sind die erfor-25 derlichen optischen Bauelemente integriert, wobei die Faserleiterenden in der Ebene entsprechend dem Doppelpfeil 10 und aus der Ebene entsprechend den Doppelpfeilen 11 verschiebbar festgelegt sind. Durch eine derartige Justierung der Enden der Faserleiter 9 in Sinne der Doppelpfeile 10 und 11 lassen sich die Orientierung und die Abstände der Strahlen exakt positionieren. Um beispielsweise sicherzustellen, daß die reflektierten Strahlen 12 bzw. 13 orthogonal und in der 30 Winkelsymmetrale des Winkels α der beiden Meßstrahlen eines Meßpunktes 14 angeordnet sind. Die reflektierten Strahlen, welche die entsprechende Dopplerverschiebung aufgrund der Bewegung der Meßpunkte 14 im Sinne des Doppelpfeiles 15 enthalten, gelangen über eine Optik 16 bzw. 17 zu Photodioden 18 und 19, deren Signale in der Folge ausgewertet werden.

Die Auswertung der Signale ist schematisch in Fig.2 erläutert. In Fig.2 ist mit 20 das zu 35 messende Objekt angedeutet, dessen Oberflächenkörperschallintensität bestimmt werden soll. Die Laser-Doppler-Velocimeteranordnung für zwei Meßpunkte 14 ist schematisch mit 21 angedeutet.

Die von den Photozellen 18, 19 im Inneren der Laser-Doppler-Velodmeteranordnung 21 registrierten Signale gelangen über Signalleitungen 22 zu einer entsprechenden Signalaufbereitungsschaltung 23, welche eine PLL-Schaltung enthält. Das amplitudengeglättete Signal dieser 40 PLL-Schaltung wird in der Folge einem in der Schaltungsanordnung 23 enthaltenen digitalen Signalprozessor oder einem Modulations Domain Analyser zugeführt und es wird in dieser Schaltungsanordnung die Phasenlage bestimmt. Die Ausgangssignale gelangen weiters über Leitungen 24 zu einem Prozessor 25. Der Prozessor 25 bereitet die Signale in einer Weise auf, daß sie einer Anzeigevorrichtung zugeführt werden können, wobei im Prozessor auch weitere 45 rechnerische Auswertungen vorgenommen werden können. Beispielsweise können Steuersignale für die Verstellung des Abstandes und der Position der Faserleiter 9 entsprechend den Doppelpfeilen 10 und 11 generiert werden, wobei die entsprechenden Steuerleitungen mit 26 angedeutet wurden.

Zusätzliche Verstellmöglichkeiten der Bauteile sind in Fig. 1 mit den Doppelpfeilen 27 für ein 50 Verschwenken der Faserleiter, 28 für das Fokussieren der Optik, 29 für das Schwenken der Photodetektoren und 30 für das Verschieben der Photodetektoren 18 und 19 angedeutet. 4 55

Claims (8)

1. AT 407 200 B PATENTANSPRÜCHE: 1. Meßeinrichtung zur berührungsfreien Bestimmung von Dehnungen in Oberflächen, insbesondere für die Bestimmung der Oberflächenkörperschallintensität mit einem Laser-Doppler-Velocimeter unter Verwendung von wenigstens zwei Meßpunkten, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der von einander kreuzenden Meßstrahlen definierten Meßpunkte (14) in Meßrichtung an der Oberfläche kleiner als ein Bruchteil der Wellenlänge, vorzugsweise kleiner als _1_ der Wellenlänge der zu messenden Schwingung (15) 10 gewählt ist.
2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Meßpunkte (14) verstellbar ist.
3. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Meßpunktpaaren unter Aufspannen eines Polygons angeordnet ist.
4. 4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelsymmetrale der Meßstrahlen der Meßpunkte (14) justierbar ist.
5. 5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (16, 17) für die Photodetektoren (18, 19) fokussierbar und/oder in ihrem Normalabstand zur Oberfläche justierbar angeordnet ist.
6. 6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (18, 19) schwenkbar und/oder parallel zur Oberfläche verfahrbar angeordnet ist.
7. 7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Signale zu den Meßpunkten (14) über Faserleiter mit integrierter Optik geführt sind.
8. 8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gewonnene Signal über eine Signalleitung (23) einer PLL (Phase Lodted Loop)-Schaltung zugeführt ist und daß aus der PLL-Schaltung ein amplituden-geglättetes Signal an eine MDA (Modulation Domain Analyser) oder eine DSP (Digital Signal Processor)-Schaltung weitergeleitet und mit dieser Schaltung die Phasenlage bestimmt wird. HIEZU 2 BLATT ZEICHNUNGEN 5