DE1925627C3 - Vorrichtung zum Auffinden von Fehlern in laminierten Platten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auffinden von Fehlern in laminierten Platten u. dgl., mit einem ersten elektro-akustischen Wandler, der an einer begrenzten Stelle der zu untersuchenden Platte in Abhängigkeit von einer Erregung mittels eines elektrischen Erreger-Wechselsignals mechanische Schwingungen induziert, mit einem nahe am ersten Wandler angeordneten zweiten elektro-akustischen Wandler, der die in der Platte hervorgerufenen Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfänger-Wechselsignal wandelt, und mit einer an dem zweiten Wandler angeschlossenen, zum Anzeigen des elektrischen Empfänger-Wechselsignals dienenden Anzeigeeinrichtung mit einem Frequenzfilter.

Eine derartige Vorrichtung ist in der FR-PS 15 15 617 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung kann jedoch das den ersten elektro-akustischen Wandler antreibende elektrische Erreger-Wechselsignal in die das Empfänger-Wechselsignal erhaltende Anzeigeeinrichtung gelangen, wodurch die Empfindlichkeil der Vorrichtung vermindert wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die beiden elektro-akustischen Wandler nahe beieinander angeordnet werden, um die Lage eines Fehlers in einer laminierten Platte genau bestimmen zu können.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Auffinden von Fehlern in laminierten Platten der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der trotz eng benachbarter Anordnung des mechanische Schwingungen induzierenden elektroakustischen Wandlers und des die hervorgerufenen Schwingungen empfangenden elektro-akustischen Wandlers das verhältnismäßig schwache Empfänger-Wechselsignal gut von dem zur Anzeigeeinrichtung eingekoppelten Hrreger-Wechselsignal getrennt wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Diese vereinigt somit ein hohes räumliches Auflösungsvermögen (genaue Bestimmbarkeit des Ortes eines Fehlers) mit hoher Empfindlichkeit (sicheres Erfassen auch kleiner Fehler, z. B. von Rissen). Dieser Vorteil wird dadurch erhalten, daß vom ersten Wandler in der Platte Schwingungen einer Frequenz induziert werden, die ein ganzzahlige·* Vielfaches der Frequenz des Erreger-Wechselsignals ist; damit kann das Frequenzfiltcr so ausgelegt werden, daß es Signalkomponenten mit der Frequenz des Erreger-Wechselsignals stark abschwächt, das Empfänger-Wechselsignal jedoch durchläßt. Das Empfänger-Wechselsignal läßt Mch dann präzise bezüglich seiner Amplitude und Phasenlage auswerten, was nicht nur das Feststellen des Vorhandenseins eines Fehlers, sondern auch ein Erkennen der Art des Fehlers (z. B. Riß oder Fehlklebung) ges.tattet. Bei der Prüfung einer laminierten Platte auf Fehler durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung haben Effekte am Rand der Platte praktisch keinen Einfluß auf das Prüfergebnis. Die induzierten Schwingungen sind auf einen sehr kleinen Bereich der Platte beschränkt, so daß diese systematisch abgetastet werden kann. Das Vorhandensein und der Ort von Fehlern in der Platte wird nicht nur sicher und mit guter Auflösung festgestellt, die Prüfung führt auch nicht zu einer Vergrößerung der Fehler. Dadurch, daß die beiden elektro-akustischen Wandler bei guter Empfindlichkeit der Vorrichtung sehr dicht beieinander angeordnet werden können, z. B. auch in einem gemeinsamen Gehäuse auf ein und derselben Seite der zu prüfenden Platte angeordnet werden können, wird auch eine besonders kompakte und gut handhabbare Vorrichtung erhalten; eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann ohne weiteres als tragbares Gerät hergestellt werden.

Vorteilhafte V/eiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird eine besonders einfache Auswertung des Empfänger-Wechselsignals auf seine Phasenlage hin erhalten, da ein hierzu verwendeter Phasenanalysator ein Phasenbezugssignal erhält, dessen Frequenz gleich der Frequenz des Empfänger-Wechselsignals ist.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird eine präzise Messung der Phasenlage des Empfänger-Wechselsignals bezüglich des vom Erreger-Wechselsignal abgeleiteten Phasenbezugssignals auch bei stark schwankender Amplitude des Empfänger-Wechselsignals erhalten.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß An-

Spruch 4 wird bei einer Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Anzeige des Phasenanalysators die Amplitude des Empfänger-Wechselsignals nicht mehr erkennen läßt, ebenfalls eine Messung der Amplitude de* Empfänger-Wechselsignals ermöglicht, die ein Maß dafür ist, ob der beobachtete Fehler schwerwiegend ist oder möglicherweise noch hingenommen werden kann

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird das Induzieren mechanischer Schwingungen in der zu untersuchenden Platte gefördert, deren Frequenz ein höheres ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Erreger-Wechselsignals ist. Ein weiterer durch diese Weiterbildung erhaltener Vorteil ist der, daß ein zusätzlicher Parameter gemessen werden kann! nämlich die spektrale Streuung der Schwingungsfrequenzen der Platte. Dies erlaubt nicht nur ein sicheres Erkennen und Einordnen von Fehlern, sondern auch eine Anpassung der Vorrichtung an Platten verschiedenen Aufbaus und aus unterschiedlichen Materialien. Ferner wird durch den intermittierenden Betrieb der Vorrichtung ihr Leistungsbedarf sehr klein gehalten, und eine tragbare Batterie kann als Energiequelle verwendet werden. Zugleich wird auch ein Überhitzen des die Schwingungen induzierenden elektro-akustischen Wandlers vermieden, der möglichst kompakt aufgebaut sein soll und dessen Wärmeabgabevermögen somit begrenzt ist. Schließlich wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 5 auch vermieden, daß sich in der Platte stehende Wellen ausbilden, die das Prüfergebnis nachteilig beeinflussen. _J0

Mit einer gemäß Anspruch 6 weitergebildeten Vorrichtung können auf einfache Weise Schwingungen in der zu untersuchenden Platte induziert werden, deren Frequenz gleich dem Doppelten der Frequenz des Erreger-Wechselsignals ist.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

F i g. t eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Auffinden von Fehlern in laminierten Platten, wobei die in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten elektro-akustischen Wandler und eine zu untersuchende Sandwich-Platte im Schnitt gezeigt sind,

F i g. 2 eine abgewandelte Vorrichtung mit einem magnetostriktiven elektro-akustischen Wandler,

F i g. 3A, 4A, 5A Lissajou-Figuren, die bei Verwendung eines Oszillographen als Phasenanalysator bei fehlerfreier Platte, am Rand eines Fehlers und in der Mitte eines Fehlers erhalten werden, wobei die Platte mechanisch mit einer Frequenz erregt wird, die das Doppelte der Frequenz des Erreger-Wechselsignals ist,

F i g. 3B, 4B, 5B Darstellungen des Erreger-Wechselsignals und des Empfänger-Wechselsignals in dsn in den F i g. 3A, 4A und 5A entsprechenden Fällen einer fehlerfreien Platte, am Rand eines Fehlers und in der Mitte eines Fehlers,

F i g. 6 eine andere Ausführungsform der mit den beiden elektro-akustischen Wandlern zusammenarbeitenden Anzeigeeinrichtung.

In Fig. 1 ist eine Sandwich-Platte Pgezeigt, die aus einer Schicht 10 aus Material mit Wabenstruktur und zwei Deckplatten 12 und 14 aufgebaut ist, die bei 10a mit den Enden der Zellwände des Materials mit Wabenstruktur verklebt sind. Die Deckplatten 12, 14 bestehen aus elektrisch gut leitendem und im wesentlichen nicht-magnetischem Aluminium. In einem kleinen Breich Z\ liegt eine Fehlklebung zwischen der einen Seite der Schicht 10 und der Deckplatte 12 vor.

Ein erster elektro-akustischer Wandler D zum Induzieren mechanischer Schwingungen in der Platte P weist eine Ringspule 16 mit einer Vielzahl von Windungen auf, die in einer ringförmigen Ausnehmung, eines zylindrischen Kerns 18 angeordnet ist, der aus ferromagnetischem Material besteht. Die Ringspule 16 und der Kern 18 haben eine gemeinsame Achse A. Um den Kern 18 herum ist ein zylindrisches Gehäuse 22 aus dielektrischem Material angeordnet, das eine mittlere Trennwand 22a aufweist. Durch das Gehäuse 22 und den Kern 18 erstreckt sich eine axiale Bohrung 20, die als Schallkanal dient, über den die in der Sandwich-Platte P hervorgerufenen Schwingungen auf einen zweiten elektro-akustischen Wandler 26 gegeben werden, der im oberen Abschnitt des Gehäuses 22 angeordnet ist. Durch das Gehäuse 22 sind elektrische Zuleitungen 16a zur Ringspule 16 durchgeführt. Die Zuleitungen 16a sind mit einem Generator 24 verbunden, der ein Erreger-Wechselsignal einer Frequenz f\ erzeugt. Die Frequenz f\ kann einen beliebigen geeigneten Wert bis zum Ultraschallbereich haben. Für die meisten Anwendungszwecke ist die Wahl der Frequenz nicht kritisch, wenn auch der für eine Messung geeignetste Frequenzbereich von der Form der zu prüfenden Platte und den Materialien der Platte etwas abhängt. Im Bedarfsfall läßt sich dies auf einfache Weise durch eine Vorprüfung mit einem durchstimmbaren Generator 24 und einer Versuchsplatte mit einer absichtlich eingebauten fehlerhaften Klebstelle ermitteln. Um das Frequenzspektrum des Erreger-Wechselsignals zu vergrößern, ist der Generator 24 zu seiner eigenen Erregung über einen Schalter 27 mit einem periodisch arbeitenden Schalter 25 verbunden, der z. B. ein Zerhacker sein kann. Hierdurch wird erreicht, daß die Vorrichtung bei einer größeren Anzahl von Plattenformen verwendet werden kann, da ein größeres Spektrum mechanischer Schwingungen in der Platte erregt wird, wenn der Generator 24 nicht kontinuierlich, sondern intermittierend arbeitet.

Der im oberen Abschnitt des Gehäuses 22 in einer Ausnehmung angeordnete zweite elektro-akustische Wandler 26 ist auf die einen Schallkanal darstellende Bohrung 20 ausgerichtet und besteht aus einem Kondensator-Mikrophon. Dieses weist einen metallischen Becher 28 mit einem metallischen Deckel 30 auf. Elektrische Leitungen 32 und 34 verbinden die Kondensatorplatten des Mikrophons mit einer Vorspannschaltung 36. In dieser Vorspannschaltung dient die Kapazität des Mikrophons als elektrischer Widerstand, der zusammen mit einem weiteren, nicht gezeigten, üblicherweise ohmschen Widerstand über die Klemmen einer Spannungsquelle geschaltet ist. Änderungen des kapazitiven Widerstands des Mikrophons, die durch Auftreffen von Schallenergie in Form von Druckwellen auf das Mikrophon hervorgerufen werden, führen zu einem entsprechenden elektrischen Ausgangssignal auf Leitungen 38 und 40, über die die Vorspannschaltung 36 mit einem Verstärker 42 verbunden ist, der als Resonanzverstärker oder Bandverstärker ausgebildet ist. Der Verstärker 42 enthält vorzugsweise ein Hochpaßfilter, kann jedoch auch anderes Frequenzfilter aufweisen, das das vom Kondensatormikrophon abgegebene Empfänger-Wechselsignal durchläßt, niedrigere Frequenzen jedoch abblockt. Enthält das Empfänger-Wechselsignal eine Signalkomponente, deren Frequenz gleich der Schwingungsfrequenz der zu prüfenden Platte ist, und eine Signalkomponente, deren Frequenz gleich der halben Schwingungsfrequenz der Platte ist, so kann der

5 6

Verstärker 42 verhältnismäßig einfach so ausgelegt so erhält man als Lissajou-Figur eine liegende Acht, wie

werden, daß die eine Signalkomponente durchgelassen sie in F i g. 4A dargestellt ist. Stehen die beiden

wird, die andere aber eliminiert wird. elcktro-akustischcn Wandler über der Mitte eines

Genau diese Verhältnisse liegen bei der in F i g. 1 Fehlerbereichs, so erscheint auf dem Schirm der gezeigten Vorrichtung vor: Die Ringspule 16, die mit 5 Kathodenstrahlröhre eine Figur entsprechend F i g. 5A,

der Frequenz f\ des Erreger-Wechselsignals erregt wird, die im wesentlichen die auf den Kopf gestellte

induziert in der elektrisch leitenden Deckplatte 12 Lissajou-Figur von F i g. 3A ist.

Wirbelströme, die ihrerseits zu magnetischen Wechsel- Auch bei der in F i g. 2 gezeigten Vorrichtung wird die feldern führen. Die magnetischen Wechselfelder der Platte mit einer Frequenz in Schwingung versetzt, die Wirbelströme treten in Wechselwirkung mit dem von io gleich dem Doppelten der Frequenz des Erreger-Wechder Ringspule 16 erzeugten magnetischen Wechselfeld, selsignals ist. Hierzu wird ein elektroakustischer und hierbei werden Kräfte erzeugt, durch die die Wandler 60 verwendet, der einen magnetostriktiven Deckplatte 12 und infolgedessen die ganze Sandwich- Körper und diesem zugeordnete Erregerspulen 62 Platte P mit der Frequenz 2/Ί in Schwingung versetzt aufweist. Am unteren Ende des Wandlers 60 ist ein Horn werden. Da die Ringspule 16 und die ihr zugeordneten 15 64 angeordnet, das die von der größeren Durchmesser Zuleitungen einerseits und das Kondensatormikrophon aufweisenden Stirnfläche des magnetostriktiven Korund die diesem zugeordneten Zuleitungen andererseits pcrs abgegebene Schallenergie auf einen kleineren sehr nahe beieinander angeordnet sind, wird durch den Bereich der Oberfläche der Platte überträgt. Ein auf die großen Strom durch die Ringspule 16 zwangläufig im Schwingungen der Platte ansprechender zweiter elek-Schaltkreis des Kondensatormikrophons ein starkes 10 tro-akustischer Wandler 54 ist dicht neben dem Störsignal mit der Frequenz /1 induziert. Der Verstärker Wandler 60 angeordnet und mit diesem verbunden, wie 42 blockt dieses induzierte Störsignal mit der Frcquen/ durch 56 angedeutet ist. Um eine zerstörte Stelle in der /"ι jedoch ab, während er das Empfänger-Wcchselsignal mittleren Schicht der Platte auffinden zu können, ist ein von der Frequenz 2(\ durchläßt, obwohl das Empfänger- weiterer clcktro-akustischcr Wandler 55 unmittelbar Wechselsignal verglichen mit dem Störsignal sehr klein 25 gegenüber dem Wandler 60 angeordnet und mit diesem ist- ■ verbunden, wie bei 56' gezeigt ist. Damit können Um eine vernünftig intcrprcticrbarc Anzeige des Änderungen in der Energieübertragung durch die Platte Empfänger-Wechselsignals, das der Schwingung der hindurch festgestellt werden. Ausgangsleit .ngen 55' des Sandwich-Platte P zugeordnet ist, zu erhalten, wird das Wandlers 55 sind mit einer nicht gezeigten getrennten ■··■'-- *"> «u„„„»Wipnn Signal auf die ' '—^:—^:-·-' ~-u„_nA_an

vom Verstärker 42

eordnet ist, zu erhalten, wiru uns «»»«"·■'» ^ *■■· * -■·— "~-~

abEceebenc Signal auf die 30 Anzeigeeinrichtung verbunden.

— ■ ■ - . S^gS«_trihlröhre 44 gcgc- F i g. 6 zeigt eine verfeinerte Anzeigeeinrichtung, die

^Ablenkplatte^,einer^K^odenst ahlrohre 44 g g^ ^ B^ _{cjner Wandlcranordnung n}^_h ,-, g. 1

bcn. Ein direkt voir.Genorator 24 a«8 8 _{2 vcrwcndct wcrdcn} ^_{n Von einem} Verstärke

Bczugssignal wird an de J-AblcnKpauen Signalkomponentcn der Frequenz Λ blockiert,

densirahlröhre «Wleg^M-n ,Jrh^ ^"[J _3J «* _{das d} ⁸ _urch dsTschwingung der Platte erzeugte

Schirm der KathodcnstrahIrol rc « ^ JB ^pfängcr.Wechsclsignal mit der Frequenz 2/, sowohl

deren Form s.ch mit d™ W «J^cn _Ab|cnks^_nn. _cincm Ampliludcnmcsser 76 als auch einem Amplitu-

nungcn und der Phasegagc ^7WlschcnJ _jou._Fj '. _ist dcnbegrcnzcr 74 zugeführt. Der Amplitudenmesser

nungcn under DR öhe « JJ ^J _h ^ _{Ucn R} , _{B cin} Wechselspannungsröhrcnvollrncicr scm.

charnktcrisiisch fur das Amplituaenan ρ ^^ _d^ ^_n ,,^.^ _{dcs Em}p_rBngcr._Wcchsel₅.gnals

charakicrisosd) ^ ^ ,,^^ _{dcs Em}p_rangcr._Wcchsel₅.gnals

der .^f^^,. p^Üc ir Ablcnkspannun- mißt, wenn der Generator 24 unter Verwendung des

Lissajou-Mgur von der Phasenlage au- periodisch arbeitenden Schalters 25 intermittierend

gen zueinander abhängt. _{crsichllicn isl}, kann betrieben wird. Der Amplitudenbegrenzer 74 gibt cn

W.c aus den 1-' 8· 3* «Bun«™™ abgegebene von dem Empfänger Wcchsclsignal abgeleitetes Signal

das von ^a™K^^^X^2to Bc^gswellc, « konstanter Amplitude auf einen Phascndiffcrcn/mcsser

^Um °"· ⁹°° ⁷⁰· ^{1)Cr 1ClZlCrC Crhält ZUglCiCh} "'Γ ^Cir^{Cn FrCq}Weci'

scnvc schoben sein; natürlich sind auch doppler 46. der cingangssc.t.g mit dem Erreger-Wcch-

J!*\n!mtownAc Phasenwinkel möglich. Bei selsignal beaufschlagt ist. cin Bczugssignal. das genauso

"*'\7^ der Ablcnkspnnnun- wie das Empfängcr-Wcchselsignal die doppelte l-rc-

konstanter Ampmuacn uc . Errcger-Wcchsclsignals hat. Das Ausgangs-

^ PhasoZeifdi^ Ablenk pannungen die In signal des PhasendtHerenzmeswrs 70 wird mfm

A 4A uSd SA gewlgten Lissajou-Figuren. Anzeigeinstrument 72 gegeben. Das vom Amplituden,

uh S hiedenen Sandwich-Platten begrenzer 74 bereitgestellte amplliudenbegrenzte SI-

EriSi^ PhasoZeifdi^ Ablenk pannungen die In signal des PhasendtHerenzmesw f S«nF β 3A 4A uSd SA gewlgten Lissajou-Figuren. Anzeigeinstrument 72 gegeben. Das vom Amplituden,

ft?«* versuche Sn verschiedenen Sandwich-Platten begrenzer 74 bereitgestellte amplliudenbegrenzte SI-

^D S fltSlt daß eine normale Platte, die keine gnal wird ferner auf die y-Ablenkplatten der Kathoden- Ä B^^Ä " itrahlröhro 44 gegeben, deren »Ablenkplatten al

55 w A£5mkS und den Deckplatten aufweist, eine Bezugssignal wieder das Erreger-Wechselelgnal mit der

n«lu Flaur nach F12.3A ergibt; d. h. das Emetin. Frequenz /i erhalten. Man erhält somit auf Sem Schirm

ä?$*ÄK^ In ^{phMe zum Erre}?^er" ^der Kathodenstrahlröhre wieder die schon oben

VSSSSSFSnmS beiden elektro-akustlsdien beschriebenen Llssajou-Flguren.

wSdtaS&Br dem Rand eines Feldbereichs Z₁. te

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Auffinden von Fehlern in laminierten Platten u. dgl., mit einem ersten elektroakustischen Wandler, der an einer begrenzten Stelle der zu untersuchenden Platte in Abhängigkeit von einer Erregung mittels eines elektrischen Erreger-Wechselsignals mechanische Schwingungen induziert, mit einem nahe am ersten Wandler angeordneten zweiten elektro-akustischen Wandler, der die in der Platte hervorgerufenen Schwingungen empfängt und in ein elektrisches Empfänger-Wechselsignal wandelt, und mit einer an dem zweiten Wandler angeschlossenen, zum Anzeigen des elektrischen Empfänger-Wechselsignals dienenden Anzeigeeinrichtung mit einem Frequenzfilter, dadurch gekennzeichnet, daß der eiste Wandler (D: 60) so ausgelegt ist, daß er die Platte (P) mit einer Frequenz in Schwingung versetzt, die ein ganzzahli- ges Vielfaches der Frequenz des Erreger-Wechselsignals ist, und daß das Frequenzfilter (42; 42a) so ausgelegt ist, daß es Signalkomponenten der Frequenz des Erreger-Wechselsignals aufhält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenanalysator (70) neben dem Empfänger-Wechselsignal über einen Frequenzvervielfacher (46) ein vom Erreger-Wechselsignal abgeleitetes Signal erhält, dessen Frequenz gleich der Frequenz ist, mit der der erste Wandler (D: 60) die Platte (P)in Schwingung versetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenanalysator (70) über einen Amplitudenbegrenzer (74) mit dem Frequenzfilter (42a) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzfilter (42a) neben dem Amplitudenbegrenzer^) zusätzlich einen Amplitudenmesser (46) beaufschlagt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen periodisch arbeitenden Schalter (25) zum Ein- und Ausschalten des Generators (24) für das Erreger-Wechselsignal.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektro-akustische Wandler ein magnetostriktiver Wandler (60) ist.