DE10219449A1

DE10219449A1 - Non-destructive contact-free determination of a hardness profile, especially for an energy absorbing solid body, whereby energetic radiation is applied to the surface and number of phase or intensity profiles determined

Info

Publication number: DE10219449A1
Application number: DE2002119449
Authority: DE
Inventors: Peter Udo Mayr; Bernhard Schmitz
Original assignee: FORSCHUNGSVEREINIGUNG ANTRIEBS
Current assignee: FORSCHUNGSVEREINIGUNG ANTRIEBS
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Method has the following steps: an excitation area on the surface of the body is exposed to energetic radiation with time varying intensity; the energy response of the body to the time varying excitation is measured in terms of intensity and-or phase displacement; a multiplicity of such measurements are made for different times; a phase or intensity profile is determined; a hardness profile is determined using a neuronal network; and a transfer function is numerically determined for different theoretical hardness profiles and-or comparison samples with predetermined hardness profiles. An Independent claim is made for a device for determining hardness profiles of energy absorbing solid bodies.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien und berührungslosen Härteprüfung, insbesondere der Bestimmung des Härtverlaufes eines energieabsorbierenden Festkörpers sowie einer Vorrichtung zur zerstörungsfreien und berührungslosen Härteprüfung eines energieabsorbierenden Festkörpers. Unter einem energieabsorbierenden Festkörper wird unter vorliegender Anmeldung im allgemeinen ein Festkörper verstanden, der Licht, elektromagnetische Strahlung und Ähnliches absorbiert. The invention relates to a method for non-destructive and non-contact Hardness test, especially the determination of the hardness course of a energy-absorbing solid and a device for non-destructive and non-contact hardness testing of an energy-absorbing solid. Under an energy-absorbing solid is the present Application generally understood a solid, the light, absorbs electromagnetic radiation and the like.

Das Prinzip des Meßverfahrens basiert darauf, daß die Oberfläche eines Festkörpers auf einer Anregungsfläche A mit einer energieführenden Strahlung mit einem zeitlichen Intensitätsverlauf beaufschlagt wird. Im Bereich der Anregungsfläche erwärmt sich der Festkörper. Die erzeugte Wärme breitet sich als thermische Welle vom Ort der Bestrahlung ausgehend in den Festkörper hinein. The principle of the measuring method is based on the fact that the surface of a Solid on an excitation surface A with an energy-carrying radiation a temporal intensity curve is applied. In the field of The solid heats up the excitation surface. The heat generated spreads as a thermal wave from the point of irradiation into the solid into it.

Entsprechend den physikalischen Gesetzen der Wärmefortpflanzung und Wärmediffusion liefert der Festkörper in Abhängigkeit von seinen Eigenschaften eine Energieantwort. Zwischen Anregungs- und Antwortsignal besteht eine Amplituden- und Phasenbeziehung, die wiederum abhängig von den Eigenschaften des Festkörpers ist. Das Amplituden- und Phasensignal ist damit eine geeignete Meßgröße, um die thermischen Eigenschaften eines Festkörpers zu beschreiben. According to the physical laws of heat propagation and The solid provides heat diffusion depending on its properties an energy response. There is a between the excitation and response signal Amplitude and phase relationship, which in turn depends on the Properties of the solid body is. The amplitude and phase signal is now a suitable parameter to measure the thermal properties of a solid to describe.

Die DE 39 13 474 beschreibt ein Verfahren, bei dem mittels einer punktförmigen modulierten Laserstrahlung eine thermische Welle generiert wird, die mit Hilfe eines IR-Detektors gemessen wird. Die Phasenverschiebung zwischen Anregung und thermischer Antwort wird für verschiedene Probenorte auf der Oberfläche des Festkörpers bestimmt. Aufgrund der ortsabhängigen Änderung der Phasenverschiebung kann auf Änderungen der Materialeigenschaften zurückgeschlossen werden. DE 39 13 474 describes a method in which by means of a punctiform modulated laser radiation, a thermal wave is generated with the help an IR detector is measured. The phase shift between excitation and thermal response is for different sample locations on the surface of the Solid determined. Due to the location-dependent change in Phase shift can be due to changes in material properties be inferred.

Aus der DE 40 15 893 C2 ist ein photothermisches Meßverfahren bekannt geworden, mit dem es möglich ist, thermische Signale in einem schnellen Abtastvorgang aufzunehmen und daraufhin zu überprüfen, ob die Effekte vom Materialinneren oder von der Materialoberfläche herrühren. Hierzu ist vorgesehen, daß der von dem untersuchenden Festkörper zurückgeworfene Infrarot-Lichtstrahl ausblendbar ist, so daß das innere und äußeren Inhomogenitäten beinhaltende Bild des Infrarotdetektors mit dem nur die äußeren Inhomogenitäten beinhaltenden Bild des Ortsdetektors ausgewertet werden kann. A photothermal measuring method is known from DE 40 15 893 C2 with which it is possible to generate thermal signals in a fast Recording process and then check whether the effects of Inside the material or from the surface of the material. For this purpose, that the infrared light beam reflected by the investigating solid can be faded out, so that it contains internal and external inhomogeneities Image of the infrared detector with the one containing only the external inhomogeneities Image of the location detector can be evaluated.

Der Offenbarungsgehalt der zuvor genannten Schriften DE 39 13 474 und DE 40 15 893 wird in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich mit aufgenommen. The disclosure content of the aforementioned documents DE 39 13 474 and DE 40 15 893 is included in the disclosure content of the present application fully included.

Zwar wird in der DE 39 13 474 und der DE 40 15 893 darauf hingewiesen, daß durch die dort beschriebenen Verfahren thermische Materialveränderungen und -inhomogenitäten, beispielsweise Schichtdicken, Haftungsfehler, Defekte, Härten, detektierbar sind. Eine Lehre, die einen Fachmann in die Lage versetzen würde, aus den photothermischen Signalen auf Härteverläufe in einem Festkörper zurückzuschließen, wird jedoch nicht gegeben. Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es möglich ist, Härteverläufe in einem Festkörper zu detektieren und aus den photothermisch gewonnenen Signalen Härteverläufe zu bestimmen. It is pointed out in DE 39 13 474 and DE 40 15 893 that through the processes described there thermal material changes and inhomogeneities, for example layer thicknesses, adhesion defects, defects, hardening, are detectable. A lesson that would enable a professional to from the photothermal signals on hardness profiles in a solid to conclude, however, is not given. The object of the invention is therefore to provide a method and a device with which it is possible Detect hardness profiles in a solid and from the photothermal signals obtained to determine hardness profiles.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruches 1 sowie des Vorrichtungsanspruches 10 gelöst. Die Bestimmung des Härteverlaufs geschieht mit Hilfe einer photothermischen Werkstoffprüfung. Grundlage der photothermischen Werkstoffprüfung ist die Erwärmung infolge Absorption von zeitlich veränderlicher Strahlung. Die zeitlich veränderliche Strahlung kann periodisch moduliert, gepulst oder eine Mischform von periodisch modulierter oder gepulster Strahlung sein. Mit Hilfe der Anregung wird eine thermische Welle erzeugt, die sich in einem Festkörper, der thermisch inhomogen sein kann, fortpflanzt. The object is achieved by the features of Process claim 1 and the device claim 10 solved. The The hardness curve is determined with the help of a photothermal Materials testing. The basis of photothermal material testing is the Warming due to absorption of time-varying radiation. The temporal Variable radiation can be periodically modulated, pulsed or a mixed form of periodically modulated or pulsed radiation. With the help of the suggestion a thermal wave is generated, which is in a solid, the thermal can be inhomogeneous, reproduces.

Photothermische Meßverfahren erlauben es, bearbeitungsinduzierte oder durch Wärmebehandlung verursachte Veränderungen der Mikro- und Makrostruktur zu erfassen. Photothermal measuring methods allow machining-induced or through Heat treatment caused changes in the micro and macro structure to capture.

Die verschiedenen photothermischen Meßverfahren unterscheiden sich in der Zeitstruktur der Anregung und in der Art und Weise, wie die thermische Antwort gemessen wird. Die Messung der thermischen Antwort kann über die Oberflächentemperatur, Wärmestrom oder Änderung anderer physikalischer Effekte erfolgen. Im Falle einer periodisch-harmonischen Anregung werden Amplitude und Phase als zugängliche Größen erfaßt. Im Fall der pulsförmigen Anregung wird der Zeitverlauf der Temperatur bestimmt. The different photothermal measuring methods differ in the Time structure of the excitation and in the way how the thermal response is measured. The thermal response can be measured via the Surface temperature, heat flow or change in other physical Effects occur. In the case of periodic harmonic excitation Amplitude and phase recorded as accessible quantities. In the case of the pulse-shaped The time course of the temperature is determined by excitation.

Die an der Oberfläche des Körpers erzeugte Wärme diffundiert in das Probenmaterial. Eine Bestrahlung der Oberfläche mit einem periodisch intensitätsmodulierten Laserstrahl führt folglich zu Temperaturoszillationen, deren Ausbreitung ins Materialinnere man mathematisch als stark gedämpfte thermische Wellen beschreibt. Der Temperaturverlauf in der Probe wird durch die Wärmediffusionsgleichung (1) beschrieben. Dabei sind die thermischen Materialkenngrößen grundsätzlich als ortsabhängig einzusetzen.

The heat generated on the surface of the body diffuses into the sample material. Irradiation of the surface with a periodically intensity-modulated laser beam consequently leads to temperature oscillations, the propagation of which into the interior of the material is described mathematically as strongly damped thermal waves. The temperature profile in the sample is described by the thermal diffusion equation (1). The thermal material parameters are basically to be used as location-dependent.

Der Diffusionsprozeß selbst hängt von den thermischen Eigenschaften des Materials ab und wird durch die thermische Diffusivität α und die thermische Effusivität e beschrieben, die sich aus der Wärmeleitfähigkeit κ, der Wärmekapazität c und der Dichte ρ des Materials wie folgt berechnen lassen:

The diffusion process itself depends on the thermal properties of the material and is described by the thermal diffusivity α and the thermal effusivity e, which can be calculated from the thermal conductivity κ, the heat capacity c and the density ρ of the material as follows:

Die thermische Diffusivität stellte eine auf c und ρ normierte Wärmeleitfähigkeit dar; die thermische Effusivität beschreibt, wieviel Wärme beim thermischen Kontakt zwischen zwei Medien übertragen wird. The thermal diffusivity provided a thermal conductivity standardized to c and ρ group; the thermal effusivity describes how much heat in the thermal Contact between two media is transferred.

Aufgrund der starken Dämpfung, die zudem frequenzabhängig ist, fällt die Amplitude der Temperaturoszillationen in der Materialtiefe stark ab. Dies wird durch die sogenannte thermische Diffusionslänge µ_th beschrieben, die durch die thermische Diffusivität α und die Modulationsfrequenz f der Anregung gegeben ist.

Due to the strong damping, which is also frequency-dependent, the amplitude of the temperature oscillations drops sharply in the material depth. This is described by the so-called thermal diffusion length µ _th , which is given by the thermal diffusivity α and the modulation frequency f of the excitation.

Für die Meßtechnik mit thermischen Wellen beschreibt die thermische Diffusionslänge µ_th näherungsweise den Bereich, über den Informationen vom Materialinneren in der Oberflächentemperatur enthalten sind. Das Charakteristikum dieser Art von Werkstoffprüfung liegt somit in der Änderung der thermischen Diffusionslänge durch die Wahl der Modulationsfrequenz. Bei gepulster Anregung kann man die Zeitprofile der Anregung und Temperaturantwort über eine Fourier-Transformation in die Meßvariante mit modulierter Anregung umrechnen. For measurement technology with thermal waves, the thermal diffusion length µ _th approximately describes the area over which information from the interior of the material is contained in the surface temperature. The characteristic of this type of material testing lies in the change in the thermal diffusion length through the choice of the modulation frequency. With pulsed excitation, the time profiles of the excitation and temperature response can be converted into the measurement variant with modulated excitation via a Fourier transformation.

Gemäß der Erfindung wird ausgenutzt, daß zwischen Härte und thermischen Eigenschaften ein Zusammenhang besteht. Die Härte eines Bauteiles beschreibt den Widerstand eines Bauteils gegen das Eindringen eines anderen härteren Prüfkörpers. Die materialcharakterisitsche Kenngröße Härte beruht auf den mikrostrukturellen Materialeigenschaften, insbesondere auf deren Veränderungen infolge einer Wärmebehandlung. Da die Wärmeleitfähigkeit, mehr als die anderen thermischen Materialeigenschaften, wie die Dichte und Wärmekapazität, von den mikrostrukturellen Eigenschaften, beispielsweise von Versetzungen im Kristallgitter, abhängt, kann aus dem tiefenaufgelösten Verlauf der Wärmeleitfähigkeit in den randnahen Zonen eines wärmebehandelten Bauteils ein zerstörungsfreies und berührungsloses Härteprofil erzeugt werden. Da das photothermische Meßverfahren ein optisches Meßverfahren ist, kann man eine darauf aufbauende Meßvorrichtung in oder nahe einer Fertigungslinie produktionsnah einsetzen. According to the invention is exploited that between hardness and thermal Properties there is a connection. The hardness of a component describes the resistance of one component to the penetration of another harder Specimen. The material-characteristic parameter hardness is based on the microstructural material properties, especially on their changes due to heat treatment. Because the thermal conductivity, more than the others thermal material properties, such as density and heat capacity, of the microstructural properties, for example dislocations in the Crystal lattice, depends, can from the depth-resolved course of the Thermal conductivity in the zones near the edge of a heat-treated component non-destructive and non-contact hardness profile can be generated. Since that photothermal measuring method is an optical measuring method, one can measuring device based thereon in or near a production line Use close to production.

Um die nur geringen Änderungen der Wärmeleitfähigkeit aufgrund eines Härteprozesses und die daraus resultierenden geringen Änderungen photothermischer Signale zwischen gehärtetem und ungehärtetem Bauteil zu erfassen, liegt der Frequenzbereich bei frequenzmodulierter Anregung, beispielsweise mittels eines Lasers, im Bereich 0,1-200 Hz. To the small changes in thermal conductivity due to a Hardening process and the resulting minor changes photothermal signals between hardened and unhardened component capture, the frequency range lies with frequency-modulated excitation, for example by means of a laser, in the range 0.1-200 Hz.

Die Wärmeleitfähigkeit einsatzgehärteter Werkstoffe, beispielsweise 16 MnCr5, liegt im Bereich 0,20 bis 0,41 W/K cm und die Wärmeleitfähigkeit eines nichtgehärteten Werkstoffs, beispielsweise 16 MnCr5, liegt bei 0,42 bis 0,45 W/K cm. The thermal conductivity of case-hardened materials, for example 16 MnCr5, is in the range of 0.20 to 0.41 W / K cm and the thermal conductivity of a non-hardened material, for example 16 MnCr5, is between 0.42 and 0.45 W / K cm.

Bevorzugt wird der zu untersuchende Festkörper bzw. Prüfgegenstand so großflächig angeregt, daß der Detektor zur Aufnahme des Antwortsignals eine nahezu ebene thermische Welle sieht. Hierzu wird die Anregungsfläche A größer als die Detektionsfläche m gewählt. Da dies im Falle der photothermischen Härteprüfung jedoch nicht immer eingestellt werden kann, ist im allgemeinen Fall von einem dreidimensionalen Wärmefluß auszugehen. In diesem Fall sieht der Detektor vom Ort der Bestrahlung ausgehend eine Kugelwelle. The solid to be examined or test object is preferred in this way stimulated over a large area that the detector for recording the response signal almost flat thermal wave sees. For this purpose, the excitation area A becomes larger chosen as the detection area m. Since this is in the case of photothermal Hardness testing, however, cannot always be stopped, is in the general case assume a three-dimensional heat flow. In this case the A spherical wave starting from the place of irradiation.

Gemäß der Erfindung werden die Energieantworten für eine Vielzahl von zeitlichen Anregungen über photothermische Signale erfaßt und der Härteverlauf und die Härtetiefe mit Hilfe eines neuronalen Netzes bestimmt. According to the invention, the energy responses for a variety of temporal stimuli recorded via photothermal signals and the hardness curve and determined the depth of hardness with the help of a neural network.

Um den Härteverlauf aus photothermischen Daten ermitteln zu können und damit ein neuronales Netz trainieren zu können, ist es notwendig, eindeutig die mechanische Zustandsgröße Härteverlauf aus einem hochgradig nichtlinearen Zusammenhang zu ermitteln. Dies ist möglich durch die meßtechnische Erfassung von Kalibrierkurven bzw. Kalibrierebenen aus möglichst vielen photothermischen Messungen an einer ausgedehnten Reihe von Festkörpern bzw. Prüfgegenständen oder eine analytische Lösung der Wärmediffusionsgleichung unter Annahme sinnvoller Näherungen, wobei der Härteverlauf über stückweise lineare Abschnitte des Profils der Wärmeleitfähigkeit rekonstruiert wird. In order to determine the hardness curve from photothermal data and thus To be able to train a neural network, it is necessary to clearly understand the mechanical state variable hardness curve from a highly non-linear To determine connection. This is possible thanks to the measurement technology of calibration curves or calibration levels from as many photothermal ones as possible Measurements on an extensive series of solids or Test objects or an analytical solution to the heat diffusion equation assuming reasonable approximations, whereby the hardness course over piece by piece linear sections of the profile of thermal conductivity is reconstructed.

Bevorzugt wird eine numerische Berechnung des photothermischen Amplituden- und Phasenkontrastes bzw. der Zeitstruktur der Temperaturantwort mit anschließender Rekonstruktion des Härteverlaufs gemäß der Erfindung durchgeführt. A numerical calculation of the photothermal amplitude is preferred. and phase contrast or the time structure of the temperature response subsequent reconstruction of the hardness curve according to the invention carried out.

Mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen numerischen Rechnungen lassen sich die Phasenverläufe, d. h. die Phasenkontraste als Funktion der Modulationsfrequenz der photothermischen Messungen, verifizieren. Insbesondere ein Wechsel von ein- zu dreidimensionalem Wärmefluß, bedingt durch die äußeren Geometrien der Prüfgegenstände sowie durch die Randbedingungen der photothermischen Experimente, d. h. der Größe von Anregungs- und Beobachtungsfläche A, m in Relation zueinander, wird durch die nachfolgend beschriebene numerische Lösung vollständig beschreibbar. Diese theoretischen Daten können dazu verwandt werden, die Übertragungsfunktionen eines neuronalen Netzes, insbesondere eines zweischichtigen neuronalen Netzes, zu ermitteln. Betreffend neuronale Netze wird auf G. Glorieux, R. LiVoti, J. Thoen, M. Bertolotti, C. Sibilia: Depth profiling of thermally inhomogenous materials by neuronal network recognition of photothermal time domain data, J. Appl. Phys. 85, 10, (1999) 7059-7063 und auf G. Glorieux, J. Moulder, J. Basert, J. Thoen,: The determination of electrical conductivity profiles using neural network inversion of multi-frequency eddy-current data, J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999), 616-622 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt in diese Anmeldung mit aufgenommen wird. Der Vorteil der Auswertung der Härteverläufe aus den gewonnenen photothermischen Daten liegt in der sehr schnellen Auswertung, verglichen beispielsweise mit der konventionell durchzuführenden Vickers-Härtemessung. With the help of the numerical calculations described below the phase curves, d. H. the phase contrasts as a function of Verify the modulation frequency of the photothermal measurements. In particular, a change from one-dimensional to three-dimensional heat flow is necessary by the outer geometries of the test objects as well as by the Boundary conditions of the photothermal experiments, d. H. the size of The excitation and observation area A, m in relation to each other is defined by the The numerical solution described below can be fully described. This theoretical data can be used to transfer functions a neural network, in particular a two-layer neural network, to investigate. Regarding neural networks, G. Glorieux, R. LiVoti, J. Thoen, M. Bertolotti, C. Sibilia: Depth profiling of thermally inhomogenous materials by neuronal network recognition of photothermal time domain data, J. Appl. Phys. 85 10, (1999) 7059-7063 and on G. Glorieux, J. Moulder, J. Basert, J. Thoen ,: The determination of electrical conductivity profiles using neural network inversion of multi-frequency eddy-current data, J. Phys. D: Appl. Phys. 32: 616-622 (1999) referenced, the disclosure content of which is included in this application. The advantage of evaluating the hardness profiles from the obtained photothermal data lies in the very fast evaluation, compared for example with the conventional Vickers hardness measurement.

Die numerischen Berechnungen der Härteprofile als Basis für die Ermittlung der Übertragungsfunktionen des neuronalen Netzwerkes leiten sich von der Finite- Elemente-Methode (FEM) ab. Der randnahe Bereich des Prüfgegenstandes wird in kubische Elemente zerlegt. Die Größe der kubischen Elemente richtet sich nach der thermischen Diffusionslänge. Eine thermische Diffusionslänge soll hierbei durch eine Vielzahl von kubischen Elementen abgedeckt werden. Das Wärmeleitfähigkeitsprofil wird bevorzugt als Stufenprofil angenommen. The numerical calculations of the hardness profiles as the basis for determining the Transfer functions of the neural network are derived from the finite Element Method (FEM). The area close to the edge of the test object is broken down into cubic elements. The size of the cubic elements depends on the thermal diffusion length. A thermal diffusion length is said to be here covered by a variety of cubic elements. The The thermal conductivity profile is preferably adopted as a step profile.

Randbedingungen für numerische Berechnungen sind, daß das Absorptionsprofil an der Oberfläche, das der Anregungsfläche entspricht, und das Beobachtungsprofil, das der Detektionsfläche entspricht, die Modulation der Anregung bzw. deren Zeitstruktur bei gepulster Anregung bekannt sind. Beim Anregungsprofil, ebenso wie beim Detektionsprofil, geht man normalerweise von gauß- oder zylinderförmigen, rotationssymmetrischen Sichtfenstern aus. Die Modulation ist entweder periodisch-harmonisch bzw. rechteck-pulsförmig. Boundary conditions for numerical calculations are that the absorption profile on the surface that corresponds to the excitation surface, and that Observation profile that corresponds to the detection area, the modulation of the Excitation or their time structure with pulsed excitation are known. At the Excitation profile, as with the detection profile, is usually assumed Gaussian or cylindrical, rotationally symmetrical viewing windows. The Modulation is either periodic-harmonic or rectangular-pulse-shaped.

Das numerische Modell errechnet dann für eine vorgegebene äußere Struktur den Amplituden- oder Phasenverlauf der Temperaturantwort der Oberfläche als Funktion der Modulationsfrequenz bzw. analog deren Zeitstruktur als Funktion der Pulsdauer. Durch einen Vergleich eines randzonenmodifizierten mit einem nichtrandzonenmodizfizierten Prüfgegenstand läßt sich der Einfluß thermischer Eigenschaften und deren Veränderungen aus randnahen Zonen ermitteln. Diese Daten der numerischen Berechnung dienen als Basis zum Trainieren eines neuronalen Netzes mit denen die Übertragungsfunktionen des neuronalen Netzes bestimmt werden. The numerical model then calculates the for a given external structure Amplitude or phase curve of the temperature response of the surface as Function of the modulation frequency or analogously its time structure as a function of Pulse duration. By comparing an edge zone modified with a non-edge-zone-modified test object, the influence of thermal Determine properties and their changes from zones near the edge. This Numerical calculation data serve as the basis for training a neural network with which the transfer functions of the neural network be determined.

Um das neuronale Netz trainieren zu können, sind mehrere hundert numerische Rechnungen durchzuführen. Diese Berechnungen umfassen für gehärtete Proben eine Probentiefe bis zu mehreren Millimetern, eine Schrittweite von 10% der thermischen Diffusionslänge, einen angenommenen Verlauf der Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Härte, einer Modulationsfrequenz von 0,3 bis 25 Hz. To be able to train the neural network, there are several hundred numerical ones Perform calculations. These calculations include for hardened samples a sample depth of up to several millimeters, a step size of 10% of the thermal diffusion length, an assumed course of Thermal conductivity according to the hardness, a modulation frequency from 0.3 to 25 Hz.

Mit Hilfe dieser Daten können durch Training beispielsweise eines zweischichtigen Netzes nach der Back-Propagation-Methode die Übertragungsfunktionen ermittelt werden. Bei dem bevorzugten zweischichtigen Netz besteht die erste Schicht aus mehreren zehn Neuronen mit einer stetig differenzierbaren Übertragungsfunktion und die zweite Schicht setzt sich ebenso aus mehreren zehn Neuronen mit linearer Übertragungsfunktion zusammen. With the help of this data, for example, one can two-layer network according to the back propagation method Transfer functions can be determined. In the preferred two layer The first layer consists of several ten neurons with a continuous network differentiable transfer function and the second layer continues as well composed of several ten neurons with a linear transfer function.

Nachdem das neuronale Netz trainiert, d. h. die Übertragungsfunktionen ermittelt wurden, kann unmittelbar der Härteverlauf in der Tiefe des untersuchten Werkstücks aus photothermischen Meßdaten ermittelt werden. After the neural network trains, i. H. the transfer functions determined the hardness profile in the depth of the investigated Workpiece can be determined from photothermal measurement data.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele beschrieben werden. The invention is described below using the exemplary embodiments become.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer photothermischen Meßvorrichtung; Figure 1 shows the basic structure of a photothermal measuring device.

Fig. 2a-2c gemessene Phasenkurven in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz für unterschiedlich große Anregungsflächen A; 2a-2c measured phase curves as a function of the excitation frequency for different sized areas A excitation.

Fig. 3 Härteverläufe gemessen mit konventionellen Methoden; FIG. 3 shows hardness curves measured by conventional methods;

Fig. 4 vorgegebenes Stufenprofil für die theoretischen Berechnungen; Fig. 4 predetermined step profile for the theoretical calculations;

Fig. 5a-5c mit dem theoretischen Modell berechnete Phasenkurven in Abhängigkeit von der Frequenz; Figures 5a-5c with the theoretical model calculated phase curves as a function of frequency.

Fig. 6 konventionell gemessene und aufgrund von Phasenmessungen rückgerechnete Härteprofile. Fig. 6 back-calculated conventionally measured and on the basis of phase measurements hardness profiles.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur photothermischen Prüfung beliebiger fester Prüfkörper gezeigt. Dieses System kann man allgemein zur Randzonendiagnostik von Werkstoffen einsetzen. Wann immer sich bearbeitungs- oder wärmebehandlungsbedingt die mechanischen Kenngrößen und damit gekoppelt die thermischen Parameter in randnahen Zonen ändern, werden sie der photothermischen Meßtechnik zugänglich. Der Festkörper 1 zeigt also ausgehend von der Oberfläche ein variierendes Profil thermischer Eigenschaften. An gehärteten Bauteilen hat man von verschmierten Profilen thermischer Eigenschaften auszugehen. In Fig. 1, a device for photothermal testing of any solid test specimen is shown schematically. This system can generally be used for edge zone diagnostics of materials. Whenever the mechanical parameters and thus the thermal parameters change in zones near the edges due to processing or heat treatment, they become accessible to photothermal measurement technology. Starting from the surface, the solid body 1 thus shows a varying profile of thermal properties. Smeared profiles with thermal properties can be assumed on hardened components.

Beim Aufbau gemäß Fig. 1 emittiert eine Strahlquelle 2 einen intensitätsvariierten Lichtstrahl. Die Intensitätsänderung kann sowohl periodisch moduliert, gepulst oder Mischformen davon aufweisen. Für die numerische Berechnung muß die Intensitätsänderung bekannt sein. Das Licht wird über Lichtleitfasern 5 transportiert. Alternativ können optische Komponenten wie Spiegel und/oder Linsen verwandt werden. Das Ende der Lichtleitfaser 5 wird über optische Komponenten 6 auf die Oberfläche des Prüfgegenstandes abgebildet. Die optischen Komponenten 6 erlauben eine exakte Positionierung des Anregungsstrahls sowie die reproduzierbare Einstellbarkeit des Strahldurchmessers und damit der angeregten Fläche A auf der Probe. Zur Kontrolle und Überwachung des Abstandes zwischen Abbildungsoptik 6 und Prüfgegenstand 1 sind in den meßtechnischen Aufbau zwei und mehr Sensoren, beispielsweise zwei Richtlaser, integriert, welche eine einfache Justage und Einstellung des Meßabstandes zwischen Sensor und zu prüfendem Festkörper erlauben. Die Probe ist dann optimal justiert, wenn sich die beiden Laserstrahlen schneiden. Letztere sind mit dem Netzteil der Anregung gekoppelt, so daß sie nur strahlen, wenn der Anregungslaser aktiv geschaltet ist, was wiederum der Laserbetriebssicherheit dient. Außerdem ist in das Meßinstrument vorzugsweise ein mechanischer Verschluß integriert, welcher den Laserstrahl nur dann freigibt, wenn die Betriebssicherheit festgestellt wurde. Die Anregungsstrahlung leuchtet im Anregungsfleck 12 die Probenoberfläche auf einer Fläche A gleichmäßig aus. In the construction shown in FIG. 1 emits a beam source 2 is a light beam intensitätsvariierten. The change in intensity can be both periodically modulated, pulsed or mixed forms thereof. The change in intensity must be known for the numerical calculation. The light is transported via optical fibers 5 . Alternatively, optical components such as mirrors and / or lenses can be used. The end of the optical fiber 5 is imaged on the surface of the test object via optical components 6 . The optical components 6 allow an exact positioning of the excitation beam and the reproducible adjustability of the beam diameter and thus the excited area A on the sample. To control and monitor the distance between the imaging optics 6 and the test object 1 , two and more sensors, for example two directional lasers, are integrated in the measuring structure, which allow easy adjustment and adjustment of the measuring distance between the sensor and the solid to be tested. The sample is optimally adjusted when the two laser beams intersect. The latter are coupled to the excitation power supply unit, so that they only radiate when the excitation laser is switched on, which in turn serves for laser operational safety. In addition, a mechanical shutter is preferably integrated in the measuring instrument, which only releases the laser beam when operational safety has been established. The excitation radiation illuminates the sample surface on an area A uniformly in the excitation spot 12 .

Die Intensität der Anregungsstrahlung 4 ist bei modulierter Anregung beispielsweise im Taktverhältnis von etwa 1 : 1 mit einer variabel einstellbaren Frequenz zwischen 0,1 und 200 Hz durchmoduliert. Durch Wechselwirkungen mit der Oberfläche des Festkörpers wird ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie des Anregungsstrahls 4 in Wärme umgewandelt. Gemäß dem Plank'schen Gesetz wird ein Teil dieser Strahlung in der Wellenlänge in den infraroten Spektralbereich verschoben und als sogenannte Wärmestrahlung reemittiert. Ein weiterer Teil wird als Wärme an die Umgebung abgegeben, führt dort also zu einer Temperaturerhöhung. Der zu prüfende Festkörper 1 steht somit im Wärmeaustausch mit seiner Umgebung und wird als Ganzes durch die Bestrahlung nur unwesentlich erwärmt. Die Temperaturantwort der Oberfläche des Festkörpers 1, die sich in diesem Fall in der reemittierten Wärmestrahlung 20 ausdrückt, trägt in dem Amplitudenverlauf, der proportional zum Intensitätsverlauf ist, und im Phasenverlauf bei modulierter Anregung die Informationen über die thermischen Eigenschaften des Festkörpers in randnahen Zonen. In the case of modulated excitation, the intensity of the excitation radiation 4 is modulated through, for example in a clock ratio of approximately 1: 1, with a variably adjustable frequency between 0.1 and 200 Hz. Interactions with the surface of the solid body convert part of the incident light energy of the excitation beam 4 into heat. According to Plank's law, part of this radiation is shifted in the wavelength into the infrared spectral range and re-emitted as so-called heat radiation. Another part is given off as heat to the environment, which leads to an increase in temperature there. The solid body 1 to be tested is thus in heat exchange with its surroundings and as a whole is only slightly warmed by the radiation. The temperature response of the surface of the solid body 1 , which is expressed in this case in the re-emitted thermal radiation 20 , carries the information about the thermal properties of the solid body in zones near the edge in the amplitude profile, which is proportional to the intensity profile, and in the phase profile with modulated excitation.

Das Verhältnis der Fläche m des Prüf- bzw. Detektionsbereiches zum Anregungsbereich ist vorzugsweise so gewählt, daß für jede Modulationsfrequenz der Wärmefluß in den Prüfgegenstand als eindimensionaler Wärmefluß angenommen werden kann. Dies bedeutet, daß die Fläche m der Detektion wesentlich kleiner ist als die Fläche A der Anregung, und daß die thermische Diffusionslänge noch im gesamten einstellbaren Bereich der Modulationsfrequenz kleiner als die Anregungs- und Beobachtungsfläche ist. Kann man diese Bedingungen aufgrund äußerer Gegebenheiten wie der Geometrie des Prüfgegenstandes, der optischen Zugänglichkeit sowie der verfügbaren Laserleistung nicht erreichen, so muß theoretisch der vollständige dreidimensionale Wärmefluß betrachtet werden. Um mit numerischen Rechnungen Phasen- und Amplitudenverläufe bzw. die Zeitstruktur der Anregung nachvollziehen zu können, müssen die Strahlparameter von Anregung und Detektion ausreichend genau bekannt sein. Auch muß die Geometrie des Prüfgegenstandes bekannt sein. Dies ist in der Regel aufgrund von Konstruktionsgrundlagen auch gewährleistet. Außerdem ist der Abstand von Meßinstrument zur Oberfläche des Prüfgegenstandes ausreichend genau einzustellen. The ratio of the area m of the test or detection area to Excitation range is preferably chosen so that for each modulation frequency the heat flow into the test object as a one-dimensional heat flow can be accepted. This means that the area m of the detection is significantly smaller than the area A of the excitation, and that the thermal Diffusion length still in the entire adjustable range of the modulation frequency is smaller than the excitation and observation area. Can you do this Conditions due to external conditions such as the geometry of the Test object, the optical accessibility and the available Not reach laser power, so theoretically the complete three-dimensional heat flow can be considered. To deal with numerical Calculations phase and amplitude curves or the time structure of the excitation To be able to understand the beam parameters of excitation and Detection must be known with sufficient accuracy. The geometry of the Test object to be known. This is usually due to Construction basics also guaranteed. In addition, the distance from Measuring instrument to the surface of the test object sufficiently precise adjust.

Der aus der Meßfläche m reemittierte Anteil der Wärmestrahlung wird in einem Raumwinkelbereich 22 über geeignete optische Komponenten 24, beispielsweise Linsen oder Spiegel, welche entsprechend der Empfindlichkeitskurve des eingesetzten Wärmestrahlungsdetektor auf maximale Transmission bzw. Reflexion optimiert sind ausgekoppelt. Die optischen Komponenten erfassen den aus einem Raumwinkelbereich emittierten Anteil der Wärmestrahlung. Das erste optische Element ist im wesentlichen in seiner Brennweite gegenüber der Oberfläche des Festkörpers 1 so angeordnet, daß der emittierte Lichtstrahl zunächst in einen kollimierten parallelen Lichtstrahl umgewandelt wird. Über ein zweites optisches Element wird dieser kollimierte Lichtstrahl dann auf den Wärmestrahlungsdetektor 30 fokussiert. Alternativ kann auch ein einziges optisches Element eingesetzt werden, welches die Wärmestrahlung unmittelbar auf den Detektor fokussiert. Gemäß der geometrischen Optik ist dies gegenüber der ersten Abbildungsvariante im Detektionsstrahlengang weiter von der Oberfläche des Prüfgegenstands entfernt, erfaßt also auch nur einen kleineren Raumwinkelbereich der emittierten Wärmestrahlung. Andererseits treten bei einer derartigen einstufigen optischen Abbildung weniger Strahlungsverluste durch Absorption, Reflexion und Streuung auf. The portion of the heat radiation re-emitted from the measuring surface m is coupled out in a solid angle region 22 via suitable optical components 24 , for example lenses or mirrors, which are optimized for maximum transmission or reflection in accordance with the sensitivity curve of the heat radiation detector used. The optical components record the portion of the thermal radiation emitted from a solid angle range. The focal length of the first optical element is arranged essentially in relation to the surface of the solid 1 so that the emitted light beam is first converted into a collimated parallel light beam. This collimated light beam is then focused on the heat radiation detector 30 via a second optical element. Alternatively, a single optical element can be used, which focuses the heat radiation directly on the detector. According to the geometric optics, this is further away from the surface of the test object than the first imaging variant in the detection beam path, and thus also only covers a smaller solid angle range of the emitted thermal radiation. On the other hand, less radiation losses due to absorption, reflection and scattering occur with such a single-stage optical imaging.

Die optischen Komponenten im Detektionsstrahlengang gewährleisten aufgrund ihres Transmissionsverhaltens, daß die von der Oberfläche des Prüfgegenstandes refektierte Anregungsstrahlung vor dem Detektor vollständig abgeblockt wird. Kann man dies aufgrund der Materialeigenschaften der Optiken nicht erreichen, können zusätzliche Filter 40 im Detektionsstrahlengang vorgesehen sein. Der in Fig. 1 gezeigte Detektor 30 ist für einen Wellenlängenbereich von 2 bis 5 µm empfindlich. Die Anregungswellenlänge liegt bei Verwendung einer Laserdiode im nahen infraroten Spektralbereich. Linsen aus Germanium, vorzugsweise auch für 2 bis 5 µm antireflexions- und für 800 bis 1000 nm hochreflektierend beschichtet, verhindern, daß das von der Oberfläche des Prüfgegenstandes reflektiertes Anregungslicht auf die Detektionsfläche fällt. Due to their transmission behavior, the optical components in the detection beam path ensure that the excitation radiation that is reflected from the surface of the test object is completely blocked in front of the detector. If this cannot be achieved due to the material properties of the optics, additional filters 40 can be provided in the detection beam path. The detector 30 shown in FIG. 1 is sensitive to a wavelength range from 2 to 5 μm. The excitation wavelength is in the near infrared spectral range when using a laser diode. Lenses made of germanium, preferably also coated for 2 to 5 µm anti-reflection and for 800 to 1000 nm highly reflective, prevent the excitation light reflected from the surface of the test object from falling onto the detection surface.

Als Detektoren sind bei einer radiometrischen Detektion gekühlte, auf Wärmestrahlung empfindliche, Detektoren einzusetzen. Bezüglich der Wellenlänge ist deren Empfindlichkeit auf die Wellenlänge der Anregungsstrahlung abgestimmt. Die Detektoren können über Peltier-Elemente, flüssigen Stickstoff, über die adiabatische Expansion von Stickstoff (Joule- Thompson-Kühlung) oder über einen Sterling-Kühler gekühlt werden. In the case of a radiometric detection, the detectors are cooled on Heat radiation sensitive to use detectors. Regarding the Wavelength is their sensitivity to the wavelength of the Matched excitation radiation. The detectors can be via Peltier elements, liquid nitrogen, via the adiabatic expansion of nitrogen (Joule Thompson cooling) or cooled using a sterling cooler.

Der Detektor 30 ist an eine elektronische Auswerteeinheit angeschlossen, mit welcher bei modulierter Anregung der Anstieg der Intensität, d. h. die Amplitude und die Phasenverschiebung gegenüber der Anregung, d. h. die Phase bzw. die Zeitstruktur der Temperaturantwort bei gepulster Anregung, erfaßbar sind. Einsetzen kann man dazu bei modulierter Anregung auf eine Referenzfrequenz bzw. vorgegebene Oszillatorfrequenz eingestellte Lock-in Verstärker 44 gegebenenfalls mit Vorverstärker 46, bei gepulster Anregung schnelle Transienten-Oszilloskope oder sogenannte BoxCar-Verstärker. Die gesamte Meßvorrichtung kann vorteilhafterweise über Rechnereinrichtungen 42 gesteuert sein. Mit den Ergebnissen der Amplituden- und Phasenmessung kann mit Hilfe neuronaler Netze die bearbeitungs- und/oder wärmebehandlungsinduzierten Materialveränderungen in randnahen Schichten, d. h. die Härtetiefe bzw. der Härteverlauf, ermittelt werden. The detector 30 is connected to an electronic evaluation unit with which the increase in intensity, ie the amplitude and the phase shift compared to the excitation, ie the phase or the time structure of the temperature response in the case of pulsed excitation, can be detected with modulated excitation. For this purpose, lock-in amplifiers 44 set with modulated excitation to a reference frequency or a predetermined oscillator frequency, optionally with preamplifier 46 , with pulsed excitation fast transient oscilloscopes or so-called BoxCar amplifiers. The entire measuring device can advantageously be controlled via computer devices 42 . With the results of the amplitude and phase measurement, the machining and / or heat treatment-induced material changes in layers near the edges, ie the depth of hardness or the course of hardness, can be determined with the aid of neural networks.

Anregungs- und Detektionsstrahlengang können unter einem Winkel α wie in Fig. 1 gezeigt oder kolinear zueinander angeordnet sein. Bei kolinearer Anordnung erfolgt die spektrale Trennung von Anregungslicht zur Wärmestrahlung über geeignete, in der Regel beschichtete, Strahlteiler oder über durchbohrte Spiegel. Beim Einsatz eines durchbohrten Spiegels oder Cassegrin'schen Reflexionsobjektivs kann der Anregungsstrahl über ein Prisma oder einen Spiegel in den Detektionsstrahlengang eingekoppelt werden. Ebenso kann man die Austrittsflächen von Lichtleitfasern in geeigneter Art und Weise modifizieren, beispielsweise schräg anschleifen und polieren, so daß das Licht nicht in der Faserachse, sondern unter einem Winkel, im günstigsten Fall kollimiert, also mit möglichst geringer Divergenz austritt. Excitation and detection beam paths can be arranged at an angle α as shown in FIG. 1 or arranged colinearly to one another. In the case of a colinear arrangement, the spectral separation of excitation light for heat radiation takes place via suitable, generally coated, beam splitters or through pierced mirrors. When using a pierced mirror or Cassegrin's reflection objective, the excitation beam can be coupled into the detection beam path via a prism or a mirror. Likewise, the exit surfaces of optical fibers can be modified in a suitable manner, for example, beveled and polished so that the light collides not at the fiber axis, but at an angle, in the best case, that is, with the least possible divergence.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird nicht die Geometrie des Anregungsstrahlengangs verändert, so daß man unterschiedliche Durchmesser des Anregungsflecks projiziert, sondern die Geometrie des Detektionsstrahlengangs. In bekannter Weise ändert man das Verhältnis von Anregungsfleck zu Meßfleck. In a further embodiment variant, the geometry of the Excitation beam path changed so that you have different diameters of the excitation spot, but the geometry of the Detection beam path. The ratio of is changed in a known manner Excitation spot to measuring spot.

In den Fig. 2a, 2b und 2c sind die photothermischen Phasenkontraste, die mit Hilfe der beschriebenen Meßvorrichtung erhalten werden, als Funktion von Einsatzhärtungstiefe Eht, Anregungsfrequenz und Bestrahlungsquerschnitt gezeigt. Der Bestrahlungsquerschnitt bzw. der Querschnitt der Anregungsfläche A beträgt für Fig. 2a 3 mm, für Fig. 2b 6 mm und für Fig. 2c 16 mm. Die Einsatzhärtetiefe Eht in mm ist in Fig. 2c angegeben und in den Figuren durch unterschiedliche Symbolik hervorgehoben. Die Einsatzhärtetiefe variiert von 0,2 mm bis 2 mm. Bei dem gehärteten Material handelt es sich um den Stahl 16 MnCr5. Die konventionell gemessenen Härteläufe der 16 MnCr5 Probeläufe sind in Fig. 3 gezeigt. Die den Symbolen zugeordneten Einsatzhärtetiefen Eht sind in Fig. 3 angegeben. Wie aus den Fig. 2a bis 2c hervorgeht, beruht der große Unterschied der Phasenkontrastkurven für verschiedene Anregungsquerschnitte auf der Art der Ausbreitung des Diffusionsprozesses. Für kleinere Abbildungsquerschnitte, d. h. Anregungsquerschnitte ≤ 3 mm, muß von einem dreidimensionalen Wärmefluß ausgegangen werden, wohingegen sich bei großflächiger Bestrahlung, d. h. bei Anregungsquerschnitten ≥ 10 mm, der Diffusionsprozeß eher wie eine ebene Welle in der Probe ausbreitet. In FIGS. 2a, 2b and 2c are the photothermal phase contrasts, which are obtained using the measuring apparatus described is shown as a function of case hardening Eht, excitation frequency and irradiation cross-section. The radiation cross section or the cross section of the excitation surface A is 3 mm for FIG. 2a, 6 mm for FIG. 2b and 16 mm for FIG. 2c. The case hardness depth Eht in mm is given in Fig. 2c and highlighted in the figures by different symbols. The case hardening depth varies from 0.2 mm to 2 mm. The hardened material is steel 16 MnCr5. The conventionally measured hardness runs of the 16 MnCr5 test runs are shown in FIG. 3. The case hardening depths Eht assigned to the symbols are given in FIG. 3. As can be seen from FIGS. 2a to 2c, the large difference in the phase contrast curves for different excitation cross sections is based on the type of spreading of the diffusion process. For smaller imaging cross sections, ie excitation cross sections ≤ 3 mm, a three-dimensional heat flow must be assumed, whereas with large-area irradiation, ie with excitation cross sections ≥ 10 mm, the diffusion process spreads more like a flat wave in the sample.

In Fig. 4 ist das Wärmeleitfähigkeitsprofil in gestufter Form, das der numerischen Berechnung zugrundegelegt wird, für Einsatzhärtentiefen von 2,0 mm, 1,5 mm, 0,6 mm und 0,2 mm dargestellt. Die mit einem derartigen Stufenprofil berechneten photothermischen Phasenkontraste sind in den Fig. 5a, 5b und 5c dargestellt. Wiederum beträgt der Durchmesser des Anregungsfleckes für Fig. 5a 3 mm, für Fig. 5b 6 mm und für Fig. 5c 16 mm. Die berechneten Phasenkontrastkurven als Funktion der Modulationsfrequenz zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Meßkurven. Sämtliche Abhängigkeiten werden durch das numerische Modell richtig wiedergegeben. Wie aus dem Vergleich der theoretischen Kurve mit der Meßkurve in Fig. 5 hervorgeht, ist das numerische Modell geeignet, eine Vielzahl theoretischer Härteverlaufe darzustellen, als Basis für die Trainierung eines neuronalen Netzes zur Ermittlung der diesem neuronalen Netz zugrundeliegenden Übertragungsfunktionen. In FIG. 4, the thermal conductivity profile in stepped form, that is based on the numerical calculation mm case depth of 2.0, 1.5 mm, 0.6 mm and 0.2 mm shown. The photothermal phase contrasts calculated with such a step profile are shown in FIGS . 5a, 5b and 5c. The diameter of the excitation spot is again 3 mm for FIG. 5a, 6 mm for FIG. 5b and 16 mm for FIG. 5c. The calculated phase contrast curves as a function of the modulation frequency show a good agreement with the measurement curves. All dependencies are correctly represented by the numerical model. As can be seen from the comparison of the theoretical curve with the measurement curve in FIG. 5, the numerical model is suitable for representing a large number of theoretical hardness curves as a basis for training a neural network to determine the transmission functions on which this neural network is based.

Werden nunmehr ca. 300 modellhaft vorgegebene Härteprofile mit einer Probentiefe bis zu 5 mm generiert und der photothermische Phasenkontrast mit den zuvor vorgestellten Methoden numerisch berechnet, so reicht dies aus, um beispielsweise ein neuronales zweischichtiges Netz mit der Back-Propagation- Methode zu trainieren. In Fig. 6 ist der Härtetiefeverlauf dargestellt, der sich aus einer zerstörenden Messung, beispielsweise einer Vickers-Messung ergibt, und der aufgrund von photothermischen Messungen und mit Hilfe des neuronalen Netzwerkes rekonstruierte Härteverlauf gezeigt. If approx. 300 model hardness profiles with a sample depth of up to 5 mm are generated and the photothermal phase contrast is calculated numerically using the previously presented methods, this is sufficient to train a neural two-layer network using the back propagation method, for example. In FIG. 6, the case depth profile is illustrated, which, for example, a Vickers measurement results from a destructive measurement, and the reconstructed due to photothermal measurements and using the neural network hardness profile shown.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist es mit Hilfe der photothermischen Messungen in Kombination mit dem trainierten neuronalen Netzwerk anhand von 300 modellhaft vorgegebenen Härteprofilen möglich, zerstörungsfrei Härteverläufe in beliebigen Proben zu messen. As can be seen from FIG. 6, with the help of the photothermal measurements in combination with the trained neural network, it is possible to measure non-destructive hardness profiles in any sample using 300 modeled hardness profiles.

Claims

1. A method for non-destructive and non-contact hardness testing, in particular the determination of the hardness profile of an energy-absorbing solid with the following steps:

1. 1.1 the surface of the solid is exposed to energy-carrying radiation with a temporal intensity curve on an excitation surface (A)

2. 1.2 the energy response of the solid with respect to intensity and / or phase shift for temporal excitation of the solid is measured

3. 1.3 a large number of the measurements according to steps 1.1 and 1.2 is carried out in different temporal suggestions, so that

4. 1.4 an intensity and / or phase curve is obtained as a function of the temporal excitation for the solid to be examined

5. 1.5 the hardness course of the sample is determined with the help of a neural network, whereby

6. 1.6 the transfer function of the neural network was determined by a large number of numerical calculations for different theoretical hardness profiles and / or comparative samples with previously known hardness profiles.

2. The method according to claim 1, characterized in that the neural Network a two-tier network with a first steady differentiable transfer function and a second linear Transfer function is.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the energy-carrying radiation over time is an intensity-modulated radiation with an excitation frequency f and the plurality of measurements is carried out with a different excitation frequency f _i , so that the intensity and / or phase profile of the Energy response of the solid as a function of the excitation frequency for the solid to be examined is obtained.

4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the energy-carrying radiation is pulsed radiation over time and the multitude of measurements with different pulse duration is carried out so that the intensity and / or phase profile of the Energy response of the solid depending on the pulse duration for the specimen to be examined is obtained.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the numerical calculations for different theoretical hardships include the following steps:

1. 5.1 the course of the hardness and / or the thermal conductivity from the surface to which the radiation strikes, into the depth of the solid is specified;

2. 5.2 the solid is divided into volume elements and

3. 5.3 the heat flow between adjacent volume elements, which results from a predetermined temporal profile of the excitation radiation and a predetermined excitation surface, is calculated using finite element methods, so that

4. 5.4 the temperature response of the solid is determined in the form of intensity and phase curve for a given detection area.

6. The method according to claim 5, characterized in that the predefined hardness profiles are step profiles.

7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that in addition on the hardness profiles when calculating the heat flow between adjacent volume elements absorption and / or light scattering centers be given in the volume of the solid to take into account Absorption and / or light scattering effects.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the specified excitation and / or detection area in one predetermined range is varied.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a laser beam is used as the energy-carrying beam.

10. Device for the non-destructive and contactless hardness testing of an energy-absorbing solid body

1. 10.1 a source for emitting an excitation radiation with a temporal intensity profile, which irradiates an excitation surface A.

2. 10.2 a measuring device for recording the energy response of the solid with respect to intensity and / or phase shift to the temporal course of excitation on a measuring surface m

3. 10.3 a device for generating different temporal excitation profiles, characterized in that

4. 10.4 the device a data processing unit, which records the data of the energy response and controls the source for emitting the excitation radiation and the measuring device for recording the energy response, and

5. 10.5 comprises a computer device for determining the hardness profile of the sample from the recorded data of the energy response with the aid of a neural network.

11. The device according to claim 10, characterized in that the measuring surface m is smaller than the excitation area A.

12. The device according to one of claims 10 to 11, characterized in that that a laser is provided as the source of the energy-carrying radiation.

13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that that the laser modulates with a variably adjustable frequency or is operated pulsed.

14. The device according to any one of claims 10 to 13, characterized characterized in that the device for receiving the energy response IR detector is.

15. The device according to one of claims 10 to 14, characterized characterized in that the device components for filtering of the solid to be examined reflected or scattered light includes.

16. The device according to any one of claims 10 to 15, characterized characterized in that means for adjusting the excitation and / or Detection area are provided.

17. The device according to one of claims 10 to 16, characterized characterized in that the radiation path of the excitation radiation and Beam path of the detection radiation to one another at an angle are arranged.

18. Device according to one of claims 10 to 16, characterized characterized in that the beam path of the excitation radiation and The beam path of the detection radiation is colinear.