DE2003023A1

DE2003023A1 - Verfahren zur beruehrungsfreien Dehnungsmessung von Werkstuecken

Info

Publication number: DE2003023A1
Application number: DE19702003023
Authority: DE
Inventors: Mueller Rolf K
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1969-01-24
Filing date: 1970-01-23
Publication date: 1970-07-30
Also published as: SE346159B; JPS5016940B1; FR2029058A1; US3628866A; GB1242204A

Description

PoienicnwcÜiü
Dr. Ing. H. Negenckr.V.

Dip!, !ng. H. H-iiok
; ■ - . Dip!. Pkys. W. Sci.müz

The Bendix Corporation '^ol- '-¹^ ^'^M

Bendix Center

Southfield, Michigan 48075, USA 19. Januar I.970

Anwaltsakte M-998

Verfahren zur berührungsfreien ■ .; Dehnungsmessung von Werkstücken

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungsfreien Dehnungsmessung von Werkstücken mit kohärentem Licht.

Es ist bekannt, Beugungsgitter zur Dehnungsmessung zu verwenden. Bei den bekannten Methoden zur Erstellung solcher Beugungsgitter werden mechanische oder ähnliche Verfahren angewendet, so daß diese Technik im wesentlichen nur für flache Oberflächen und gewisse Umgebungen angewendet werden kann, .die die Bildung der artiger Beugungsgitter ermöglichen. Es ist ferner bekannt, Impulslaser zur Herstellung von Beugungsgittern in einer festen Oberfläche zu verwenden. Eines dieser Verfahren ist offenbart in Journal of Applied Physics, Vol."38, No. 5, April I967. Hierin ist jedoch nicht offenbart, ein Verfahren zur berührungsfreien Dehnungsmessung von Werkstücken mit Hilfe von lasererzeugten Beugungsgittern durchzuführen.

\ Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur

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berührungsfreien Dehnungsmessunj; von Werkstücken mit kohärentem Licht anzugeben, bei dem die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden wird.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit Hilfe von interferierenden Laserstrahlen auf der Oberfläche eines Werkstücks thermisch ein Beugungsgitter erzeugt wird, daß auf das Beugungsgitter ein kohärenter Lichtstrahl gerichtet wird, daß ein Merkmal des von dem Beugungsgitter gebeugten Lichts gemessen wird, und daß zur Bestimmung der Werkstücksdehnung die Änderung dieses Merkmals des gebeugten Lichtes gemessen wird, wenn das V/erkstUck gedehnt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Messung durch Erzeugung einer Fourier'sehen Lichtverteilung des gebeugten Lichtes durchgeführt wird, und daß entweder die Lage oder die Intensität des an vorgegebenen Lichtpunkten gebeugten Lichtes gemessen wird, die der Beugung erster Ordnung an dem Gitter entsprechen.

Wenn die Prüfoberfläche eben ist, besteht das erzeugte Beugungsgitter im wesentlichen aus parallelen Rillen. Ist die Prüfoberfläche gebogen oder unregelmäßig, wird ein komplexeres Rillenmuster erzeugt, das die Eigenschaft einer gestreuten Welle hat, die unter einem gewissen Winkel auf eine andere ebene Welle trifft, Die letztere ebene Welle zeigt die erforderliche Empfindlichkeit bezüglich Fehler im Werkstück. Ein Dauerstrich-Gaslaser wird an der Stelle angeordnet, an der vorher ein Impulslaser zur \ Erzeugung eines Beugungsgitters angeordnet war, und dient als

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monochromatische Lichtquelle, um eine Beugung zu erzielen, mit der eine empfindliche Dehnungsmessung gewährleistet ist, da der ursprüngliche Aufbau im wesentlichen wieder hergestellt wird.

Daher ist die vorliegende Erfindung vorteilhaft, weil die ursprünglichen Schwierigkeiten bei der Dehnungsmessung in der Erzeugung von Beugungsgittern mit engem und einheitlichem Gitterabstand überwunden werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Ver-ϊahrens kann durch eine berührungsfreie Technik ein Beugungsgitter auch bei unregelmäßig geformten Oberflächen hergestellt werden, ohne daß eine vorherige Präparierung erforderlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren-ermöglicht ein äußerst empfindliches Dehnungsmeßverfahren bei kleinen Prüflingen, ohne daß die Oberfläche des Prüflings berührt wird. Das Verfahren kann unter extremen Umweltbedingungen verwendet werden. Das Verfahren ermöglicht eine lokale Dehnungsmessung bei komplizierten Teilen. Es ermöglicht auch eine dynamische Dehnungsmessung.

Zum besseren Verständnis wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Zeichnungen näher erläutert. '

Fig. 1 zeigt den. schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur thermischen Erzeugung eines Beugungsgitters.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Beugungsgitters, das durch eine : Vorrichtung gemäß Fig. 1 auf einer ebenen Oberfläche er-

zeugt wurde.

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Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Dehnungsmessung eines Prüflings gemäß eines Verfahrens der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein typisches Beugungsmuster am Ausgang einer Vorrichtung gemäß Fig. 3

Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau einer aus Fig. 3 abgewandel*- ten Vorrichtung zur Dehnungsmessung bei zylindrischen Oberflächen.

In der Zeichnung ist die Vorrichtung zur Erzeugung von-Beugungsgittern für ein berührungsfreies Dehnungsmeßverfahren gemäß der Erfindung allgemein mit 10 bezeichnet. Sie enthält einen Laser 12, der einen Strahl durch eine Linse 16 schickt, der auf ein Prisma 18 trifft, das den Strahl 14 in zwei divergente Strahlen 20 und 22 aufteilt. Im Strahlengang der beiden Strahlen 20 und 22 sind zwei dielektrische, reflektierende Flächen 24 und 26 angeordnet, von denen zwei reflektierende Strahlen 28 und 30 abgelenkt werden, die zusammen auf eine Oberfläche J52 eines Werkstückes 34 auftreffen, dessen Dehnung gemessen werden soll. Die beiden Reflektionsflächen 24 und 26 sind so angeordnet, daß die Strahlengänge der Strahlen 28 und 30 eine unterschiedliche Länge aufweisen, die kleiner ist als die Kohorenzlänge der Strahlen, um dadurch einen großen Kontraststreifen auf der Oberfläche zu erhalten. Wegen der hohen verwendeten Leistung sind die Reflektionsfläche 24 und 26 so angeordnet, daß die Laserstrahlen 2Q, 22, 28 und 30 einen großen Winkel zur Oberflächennormalen einnehmen,

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j um Beschädigungen der Oberflächen zu beschränken.

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·! Ist die Oberfläche 32 eben, dann wird durch die Vorrichtung 10 j ein Beugungsgitter J>6 erzeugt (Fig. 2),das im wesentlichen aus einer großen Anzahl von parallelen, einen kleinen Abstand voneinander aufweisenden Linien besteht, die in Wirklichkeit Rillen sind, die thermisch in die Oberfläche 32 eingraviert sind.

\ Durch die Ausbildung eines Beugungsgitters auf dem Werkstück

; kann mit Hilfe einer Vorrichtung 4o nach Fig. 3 die Dehnung des .Werkstücks gemessen werden. Viele Teile der Vorrichtung 10 nach Fig. 1 können bei der Vorrichtung 40 nach Fig. 3 verwendet wer*-

■ den. Deshalb sind gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen in den : beiden Fign. 1 und 3 bezeichnet.

Die Vorrichtung 4o nach Fig. 3 verwendet einen Dauerstrich-Gas laser 42 an Stelle eines Impulslasers 12 in der Vorrichtung 10 nach Fig. 1, um einen monochromatischen Strahl 44 zu erzeugen. Der Strahl 44 aus monochromatischem Licht geht durch ein Prisma 18 und wird anschließend an der Reflektionsfläche 24 reflektiert, so daß ein monochromatischer Lichtstrahl 46 schräg auf die Oberfläche 32 des Prüflings 34 auftrifft. \

Der auf die Oberfläche 32 auftreffende Lichtstrahl wird durch den Prüfling entlang der gleichen Linie gebeugt, auf der vorher : während der Herstellung des Beugungsgitters der Strahl 30 einfiel;. Der durch die Oberfläche 32 des Werkstücks 34 gebeugte Strahl gelangt auf eine Linse 48, auf deren hinteren Brennebene eine '

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Fourier'sehe Lichtverteilung erzeugt wird. Die Fourier'sehe Lichtverteilung kann mit Hilfe eines hinter der hinteren Brennebene der Linse 48 angeordneten durchsichtigen Schirms 50 beobachtet werden.

Eine typische Fourier'sehe Lichtverteilung, wie sie auf dem Schirm 50 erscheint, ist in Fig. 4 dargestellt. Insbesondere weist die Fourier'sehe Lichtverteilung einen Gleichstrom- oder Grundanteil auf, der durch den Lichtpunkt 52 gekennzeichnet ist, der durch zwei Lichtpunkte 54 und 56 von gebeugtem Licht erster Ordnung flankiert ist.

Da ein zweiter Lichtstrahl nicht benötigt wird, wird der Lichtlicht strahl 58 vom Prisma l8 durch eine/undurchlässige Platte 60 blockiert, auf die der Lichtstrahl 58 auftrifft und somit Jeden verfälschenden Effekt verhindert, den sonst der Lichtstrahl auf dem auf dem Schirm 50 erscheinenden Muster hervorrufen würde. Alternativ kann das Prisma 18 auch durch einen Spiegel oder eine ähnliche Vorrichtung ersetzt werden, um nur einen einzigen Strahl zu erzeugen.

Bei der Dehnungsprüfung des Prüflings J54 sollten die Lage eines der beiden Lichtpunkte 54, 56 oder beide aufgezeichnet werden. Wird das Werkstück entlang einer Achse gedehnt, die eine Komponente senkrecht zu den Rillen 36 aufweist, dann ändert sich das Beugungsmuster auf dem Schirm 50 entsprechend der Dehnung des Werkstücks 3>4. Besonders bei Verwendung von ebenen Flächen erfolgt die Versetzung der Lichtpunkte 54 und 56 entsprechend der Dehnung

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des Werkstücks. Die Verschiebung der Lichtpunkte 54 und 56 erfolgt nach innen bei Zugspannung und nach außen bei Druckspannung, Der Betrag der Verschiebung oder Abweichung der Lichtpunkte 54 und 56 ist ein Maß für den Betrag der Dehnung des Werkstücks 54. Der absolute Dehnungsbetrag kann entweder durch bekannte mathematische Ausdrücke oder durch Eichung der Vorrichtung 40 durch vorherige Verwendung eines geeigneten Prüflings bestimmt werden.

Im Fall einer ungleichförmigen Oberfläche der Werkstücke wird die Spannung durch Messung der Intensitätsverteilung der Beugungslichtpunkte 54 und 56 ,vor und nach der Dehnung bestimmt. Der Betrag der Verringerung in jder maximalen Intensität an einem ausgesuchten Punkt entspricht dem Betrag, um den das Werkstück gedehnt wurde. Es ist einzusehen, daß die Intensität der Beugungslichtpunkte 54 und 56 geeicht werden kann, um die Dehnung eines Werkstückes zu messen.

In dem besonderen Fall einer zylindrisch geformten Oberfläche würde die Dehnung durch Messung der Verschiebung der Beugungslichtpunkte 54 und 56 erster Ordnung wie in dem Fall bei ebener Oberfläche bestimmt werden, wenn die Meßvorrichtung gemäß Fig. 5 benutzt wird. Im besonderen wird das Beugungsgitter zunächst senkrecht zur Achse des zylindrischen Werkstücks 62 mit Hilfe der Vorrichtung 10 nach Fig. 1 eingraviert. Zur Messung der Dehnung ist die Vorrichtung 40 nach Fig. 3 etwas abgeändert, wobei eine Linse 64 in den Strahlengang des Strahls 46 angeordnet ist, um die Wellenfront in der Phase so zu modulieren, daß sie sich der Form der zylindrischen Oberfläche des Werkstücks 62

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anpaßt. Die Linse 64 wird so angeordnet, daß das von der zylindrijschen Oberfläche des Werkstücks 62 reflektierte Licht eine :

ebene parallele Wellenfront aufweist. Auf diese Weise ruft ein I Ausdehnen des zylindrischen Werkstücks 62 in Achsrichtung ein ; Auswandern der Beugungslichtpunkte erster Ordnung hervor, wie siel bereits bei den ebenen Oberflächen beschrieben wurde. ι

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die Erfindung ein

Verfahren zur berUhrungsfreien Dehnungsmessung vorsieht, das vor-; teilhaft ist, weil es eine Dehnungsmessung bei beliebig geformten Oberflächen, die an irgendwelchen unzugänglichen Stellen angeordnet sind, ermöglicht. Die Ergebnisse sind zuverlässig und
reproduzierbar.

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Claims

Dr. Ing. H- Negencbnl-

Dipl. Ing. H. Hsuck-Dip!. Fhys. W. Schmitz

- - 8 Mach

The Bendix Corporation Tai. 53gos86

j Bendix Center ' . >

ι Southfield, Michigan 48075, USA 19. Januar I97O

j " Anwaltsakte M-998

. Patentansprüche

Verfahren zur berührungsfreien Dehnungsmessung von Werkstücken mit kohärentem Licht, dadurch gekennzeichnet, daß durch interferierende Laserstrahlen (28, 30) auf der Oberfläche (32) des Werkstücks (3^) thermisch ein Beugungsgitter (36) erzeugt wird, daß auf das Beugungsgitter '(3>6) ein kohärenter Lichtstrahl(46)gerichtet wird, daß ein Merkmal des von dem Beugungsgitter (36) gebeugten Lichtes gemessen wird, und daß zur Bestimmung der Werkstückdehnung die Änderung dieses Merkmals des gebeugten Lichtes gemessen wird, wenn das Werkstück gedehnt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung durch Erzeugung einer Fourier'sehen Lichtverteilung des gebeugten Lichtes durchgeführt wird, und daß entweder die Lage oder die Intensität des an vorgegebenen Lichtpunkten (54, 56) gebeugten Lichtes gemessen wird; die der Beugung erster Ordnung an dem Gitter (J>6) entsprechen. ^J

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

bei ebener Werkstückfläche das gemessene Merkmal der Winkel

der
ist, unter dem/Strahl (46) durch das Gitter (36) gebeugt wird, wobei der Winkel durch Messung der Lage der Lichtpunkte (54, 56) erster Ordnung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei unregelmäßig geformten Oberflächen das gemessene Merkmal die Intensität des gebeugten Lichtes an den Beugungslichtpunkten erster Ordnung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zylindrischen Oberflächen eines Werkstücks (62) das Beugungsgitter durch einen kohärenten Lichtstrahl bestrahlt wird, dessen Wellenfront der zylindrischen Oberfläche entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die der Zylinderoberfläche entsprechende Wellenform durch eine Zylinderlinse (64) erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 2 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Merkmal der Winkel ist, unter dem der Lichtstrahl durch das Gitter gebeugt wird.

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