DE2250679B2 - Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks und Anordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
3 mit einem Objektiv 4, in der ein Aufzeichnungsmedium
in Form einer Fotoplatte 5 angeordnet ist
Ein Beispiel für die periodische Struktur des Musters ti ist in Fig.2 dargestellt Das durch die periodische
Struktur gebildete Gitter wird entsprechend der Verformung des Werkstücks ebenfalls vert'ormt Zur
Durchfahrung einer Prüfung wird zunächst die Verformung des Werkstücks über das Objektiv 4 der Kamera 3
auf der Fottoplatte 5 aufgezeichnet Die Fotoplatte 5 wird so hart wie möglich entwickelt, damit helle
Beugungsspektren der höchsten Ordnung erhalten werden, wenn bei de.- Auswertung der Fotoplatte
Beugungsbilder hergestellt werden.
F i g. 3 zeigt eine Anordnung zur Messung, d. h. zur Wiedergabe der Verformungen oder Formabweichungen
eines Werkstücks von einer Fotoplatte mit einer derartigen Aufzeichnung. Diese Anordnung enthält eine
Lichtquelle für kohärentes Licht in Form eines Lasers 7. Ferner sind ein Vergrößerungssystem 8, ein als
Strahlteiler dienender halbdurchlässiger Spiegel 9, total reflektierende Spiegel 10 und U, ein halbdurchlässiger
Spiegel 12, eine als Aufzeichnungsträger dienende Fotoplatte 5', eine Linse 13, eine Blende 14 und eine
Kamera 15 zur Aufzeichnung eines Interferenzmusters entsprechend der durch die Linse 13 und die Blende 14
erfolgten Auswahl vorgesehen. In gewissen Fällen kann anstelle der Linse 13 ein in bestimmten Richtungen
durchlässiges Filter Verwendung finden.
Von dem Laser 7 geht ein dünnes Lichtbündel aus, welches von dem Vergrößerungssystem 8 in ein
kollimiertes Lichtbündel mit vergrößertem Querschnitt
umgewandelt wird und auf den halbdurchlässige:.' Spiegel auffällt und dort in zwei Strahlengänge
aufgeteilt wird. Das eine Lichtbündel A wird von dem Spiegel 10 und dem Spiegel 12 derart reflektiert, daß es
auf die Fotoplatte 5' unter einem Einfallwinkel θ auffällt, während das andere Lichtbündel B von dem
Spiegel 11 reflektiert wird und dann den halbdurchlässigen Spiegel 11 durchsetzt und auf die Fotoplatte 5' unter
einem Einfallwinkel-θ auffällt. Der Einfallwinkel θ zeigt die Richtung des Beugungsspektrums der /7-ten
Ordnung des Lichts an, das senkrecht auf das Beugungsgitter der Fotoplatte 5' auffällt Der Winkel θ
ist durch die folgende Beziehung gegeben.
« = »„-in«.
λ ist die Wellenlänge des vom Laser abgestrahlten Lichts, π die Ordnung des Beugungsspektrums und ρ der
Gitterabstand.
Die beiden Lichtbündel A und B werden von dem Beugungsgitter der Fotoplatte 5' abgebeugt, und die
Beugungsspektren der + n-ten und der -n-ten Ordnung treten senkrecht zur Oberfläche der Fotoplatte
aus. Um nur das Beugungsspektrum in Richtung der Flächennormalen auszuwählen, wird durch die Linse 13
ein punktförmiges Bild in der Brennebene erzeugt, und es erfolgt eine Oberlagerung durch Ausblendung von
zwei punktförrnigen Bildern auf der Achse mit Hilfe der Blende 14. Die auf diese Weise hergestellten Interferenzstreifen
erhöhen den Verformungsbetrag des Beugungsgitters auf der Fotoplatte um den Faktor 2n.
Nach einer Aufzeichnung mit der Kamera 15 werden die Interferenzstreifen mit einem üblichen Verfahren
analysiert, oder bei gewissen Anwendungsfällen durch direkte Beobachtung ausgemessen. Bei diesem Verfahren
kann die fotografische Empfindlichkeit um so mehr
ι ο
erhöht werden, je höher die Oidnung der überlagerten
Beugungsspektren ist Deshalb sind Beugungsgitter mit sehr kleinen Linienabständen oder Gitterkonstanten
nicht erforderlich. Wenn ein Beugungsgitter bei dem bekannten Moire-Verfahren zur Überlagerung von
Beugungsspektren der + 5-Ordnung verwendet wird, kann im Vergleich zu diesem bekannten Verfahren eine
um den Faktor 10 größere Empfindlichkeit erzieh werden.
F i g. 4 zeigt eine weitere Anordnung zur Messung, bei der der Strahlengang hinter dem als Strahlteiler
dienenden halbdurchlässigen Spiegel 9 abgewandelt ist, so daß gewünschtenfalls auch eine Aufnahme mit dem
Licht erfolgen kann, das von der Platte 5' reflektiert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das von dem
Laser 7 ausgehende Strahlenbündel nach dem Durchtritt durch das Vergrößerungssystem 8 von dem
halbdurchlässigen Spiegel 9 in zwei Lichtbündel unterteilt, von denen eines auf die Fotoplatte 5' unter
einem Winkel θ nach einer Reflexion an dem Spiegel 11 auffällt, während das andere Lichtbündel auf die
Fotoplatte 5' unter einem Winkel von — θ nach einer Reflexion an den Spiegeln 10 und 10' auffällt Das durch
die Fotoplatte hindurchgetretene Licht wird in der Kamera 15 über die Linse 13 und die Blende 14
aufgezeichnet die zur Auswahl einer geeigneten Ordnung dienen. Mit den von der Fotoplatte 5'
reflektierten Beugungsspektren kann über einen total reflektierenden Spiegel 16 eine Aufzeichnung mit der
Linse 13', der Blende 14' und der Kamera 15' erfolgen.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Fotoplatte 5' mit zwei Lichtbündeln beleuchtet um
konjugierte oder nahezu konjugierte Wellenfronten zu überlagern, so daß entsprechende Interferenzstreifen
erhalten werden können. Bei einem derartigen Verfahren kann jedoch die Fotoplatte 5' auch nur mit einem
Lichtbündel beleuchtet werden und zv■_. gebeugte
Wellenfronten können überlagert werden. Wenn das zu prüfende Werkstück 2 verhältnismäßig groß ist, kann
die Vergrößerung des Objektivs 4 geändert werden. Der umgekehrte Fall kann in entsprechender Weise
Berücksichtigung finden.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Verformung nur in einer Richtung gemessen, obwohl es
auch möglich ist, die Verformung in zwei Richtungen zu messen, indem das Aufzeichnungsmedium verdreht
wird.
Im folgenden soll die Ausbildung eines Musters mit einer periodischen Struktur an dem Werkstück beschrieben
werden, wobei das zu prüfende Werkstück selbst ein Muster mit einer periodischen Struktur
aufweist Besonders in diesem Falle ist das Meßverfahren sehr vorteilhaft, weil Beugungsspektren höherer
Ordnung bei der Wiedergabe ausgenutzt werden können, wenn der Kontrast der periodischen Struktur
größer ist Im folgenden werden vier Verfahren beschrieben, mit denen ein derartiges Muster mit hohem
Kontrast hergestellt werden kann.
(1) Das Werkstück wird geschliffen, und die bearbeitete Oberfläche wird geschwärzt oder mit
schwarzer Farbe überzogen. Dann wird eine Aluminiumschicht aufgedampft oder eine andere Schicht
ausgebildet, die ein großes Reflexionsvermögen hat, um die gecchwärzte Oberfläche abzudecken. Danach wird
eine Schicht aus Fotowiderstandsmaterial aufgetragen, um auf fotografischem Wege ein Muster mit einer
periodischen Struktur herzustellen. Danach wird durch Ätzen ein Teil der geschwärzten Oberfläche freigelegt,
um ein Muster mit hohem Kontrast herzustellen, das schwarze Oberflächenteile und Oberflächenteile mit
großem Reflexionsvermögen hat.
(2) Ein Fotowiderstandsmaterial wird auf eine dünne Materialschicht einer Aluminiumfolie aufgetragen, welche
ein hohes Reflexionsvermögen hat, um mit Hilfe eines fotografischen Druckverfahrens ein geeignetes
Muster herzustellen. Diese Schicht wird dann in einen Farbstoff eingetaucht und danach abgespült, um
überschüssigen Farbstoff zu entfernen. Auf diesem Wege kann durch eine Färbung ein Muster mit einem
hohen Kontrast hergestellt werden. Diese das Muster tragende Schicht wird mit Hilfe eines Klebstoffs an dem
zu prüfenden Werkstück befestigt.
(3) Ein Muster wird auf einer Oberfläche einer transparenten Folie aus Kunststoff mit Hilfe eines
fotografischen Druckverfahrens ausgebildet. Auf der anderen Seite wird eine Oberfläche mit hohem
Reflexionsvermögen mit Aluminium od. dgl. ausgebildet, damit ein Muster mit hohem Kontrast hergestellt
werden kann. Dieser Film wird dann an dem zu prüfenden Werkstück befestigt.
(4) Ein Muster mit einer periodischen Struktur aus winkeligen, kreisförmigen oder sonstigen periodischen
Abschnitten wird auf einer Folie mit einem verhältnismäßig niedrigen Elastizitätsmodul ausgebildet. Diese
Musterfolie wird dann an dem Werkstück angeklebt.
Wenn bei der Durchführung der Aufnahme das zu prüfende Werkstück von einer geeigneten Richtung
beleuchtet wird, kann ein Muster mit hohem Kontrast zwischen den Elementen mit geringem bzw. hohem
Reflexionsvermögen aufgenommen werden.
Wenn das Muster 6 des Werkstücks 2 fotografiert wird, muß die Oberfläche des Musters 6 senkrecht zu
der optischen Achse der Kamera 3 angeordnet werden, weil bei einer schrägen Anordnung Meßfehler bei der
Auswertung auftreten können, und weil die Aufnahme teilweise abgedunkelt würde.
Eine Meßanordnung mit einem Interferenzgerät zur Auswahl von Beugungsspektren aus Wellenfronten mi
unterschiedlichen Ordnungen von einem aufzunehmen den Gitter ist in Fig.5 dargestellt. Fig.5 zeigt die
einfallenden Lichtbündel 26 und 27 und eine Fotoplatt« 5' mit dem bereits aufgenommenen Gitter oder Muster
Die durch die Fotoplatte 5' erzeugten Wellenfronter werden von der Linse 13 gesammelt und Beugungsspek
tren einer gewünschten Ordnung werden von einei Lochblende 14 ausgeblendet, die an der Brennebene de:
ίο Objektivs der Kamera 16 angeordnet ist. Zwischen dei
Linse 13 und der Lochblende 14 ist ein zu der optischer Achse verschwenkbarer Spiegel 28 angeordnet Eine
geschliffene Glasplatte 29 ist in der Brennebene dei Linse 13 über dem Spiegel 28 angeordnet. Dif
Glasplatte 29 trägt beispielsweise zwei zueinandei senkrechte Linien 30 (F i g. 6). Auf der Oberfläche diese!
Glasplatte 29 können Beugungsmuster 31 unterschiedli eher Ordnungen beobachtet werden. Der Schnittpunk
der beiden Linien wird entsprechend dem Zentrum dei
Lochblende 14 einjustiert. Nach der Überlagerung dei Beugungsspektren gewünschter Ordnung auf den
Schnittpunkt durch geeignete Einjustierung der Licht bündel 26 und 27 erfolgt eine Bewegung in die in F i g.;
gestrichelt dargestellte Lage. Deshalb treten nu:
Wellenfronten der gewünschten Ordnung durch da; Zentrum der Lochblende 14 hindurch. Anstelle de:
verschwenkbaren Spiegels 28 kann auch ein ortsfester halbdurchlässiger Spiegel Verwendung finden.
Die Interferenzbedingungen können geändert wer
jo den, indem die Fotoplatte 5' in ihrer Ebene gedreht wird
Dabei ist es erforderlich, den Drehwinkel der Fotoplatti 5' zu messen oder eine vorher bestimmte Winkellagi
herbeizuführen. Wenn die Fotoplatte 5' um einei bestimmten Winkel gedreht wird, wird das Beugungs
Jj muster 31 um einen äquivalenten Winkel im Vergleicl
zu der Fotoplatte 5' gedreht, wie in F i g. 7 dargestellt isi Der Drehwinkel der Fotoplatte kann mit Hilfe eine
Winkeleinteilung 32 bestimmt werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines Werkstücks, unter Verwendung eines mit
ihm fest gekoppelten Aufzeichnungsträgers, auf dem als Beugungsgitter die Abbildung einer periodischen
Struktur aufgezeichnet ist, bei dem die Verformungen oder Formabweichungen des Werkstücks in
Verschiebungen der Grundperiode umgeformt werden, der Aufzeichnungsträger mit einem Interferenzbündel beleuchtet wird und bei dem an dem
Beugungsgitter abgebeugte Wellenfronten miteinander überlagert werden, so daß Verformungen
oder Fonnabweichungen als Interferenzmuster überlagerter Wellenfronten gemessen und aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß der Aufzeichnungsträger (5) mit einem kohärenten Lichtbündel beleuchtet wird, das unter einem
Winkel (θ—Θ) auf den Aufzeichnungsträger auffällt und daß aus der Vielzahl der an dem Aufzeichnungsträger abgebeugten Wellenfronten zwei bestimmte,
punktförmige Bilder durch Ausblendung mittels eines optischen Systems (13, 14) zur Interferenz
gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzeichnungsträger mit zwei
Lichtbündeln beleuchtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtbündel mit konjugier- jo
ten Einfallwinkeln auf den Aufzeichnungsträger auffallen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Beugungsspektren zueinander konjugiert sind oder in einer ähnlichen &
Beziehung zueinander stehen.
5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle, mindestens zwei Linsen
und einer Blende, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Linsen (8,13) ein Strahlenteiler (9), sich
an den Strahlenteiler anschließende Spiegel (10,11; 10, 11, 10', 16) und der Aufzeichnungsträger (5)
angeordnet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- <r»
zeichnet, daß ein weiterer Strahlenteiler (12) zwischen dem ersten Strahlenteiler (9) und dem
Aufzeichnungsträger (5) vorgesehen ist
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Linse (13') und eine hinter
dieser Linse liegende Blende (14') vorgesehen sind.
8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strahlenteiler halbdurchlässige Spiegel sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die hinter der Lichtquelle liegende erste Linse (8) ein Vergrößerungssystem bildet
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vor der Blende m>
liegende Linse durch ein Filter ersetzt ist
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten
Linse (13) und der Blende (14) ein verschwenkbarer Spiegel (29) oder ein nicht bewegbarer, halbdurch- b5
lässiger Spiegel eingesetzt ist.
Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Meßverfahren entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist aus der Zeitschrift »The Engineer«,
1964, S. 149 bis 152 bekannt Bei diesem Meßverfahren sind zwei Beugungsgitter eingesetzt, wobei das erste
Beugungsgitter eine Vielzahl von Wellenfronten erzeugt Mittels einer Linse und einer Lochblende werden
diejenigen Wellenfronten ausgewählt, die vom zweiten Beugungsgitter mit dem gleichen Beugungswinkel
ausgehen und die unterschiedlichste Beugungsordnungen haben. Aufgrund der Beugungseffekte ergibt sich
eine Kontrastverschlechterung, was zu einer geringen Empfindlichkeit des Meßverfahrens führt
Ein weiteres derartiges Meßverfahren ist aus der »Zeitschrift für Flugwissenschaft«, 1969, Heft 10/11, S.
294 bis 307 bekannt, bei dem durch mehrere Strahlen lidterferenzen erzeugt werden. Außerdem wurde ein
Verfahren vorgeschlagen (DT-OS 21 50 110), bei dem zur Messung geringer Verformungen eine periodische
Struktur mit Beugungseigenschaften beleuchtet wird, die Wellenfronten mit konjugierten Wellenfronten zur
Interferenz gebracht werden und dann die Verformung als Verschiebung der Periode der periodischen Struktur
gemessen wird. Mit diesem Verfahren ist nur die Messung einer periodischen Struktur mit Beugungseigenschaften möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zur zerstörungsfreien Feststellung geringer Verformungen oder Formabweichungen eines
Werkstücks zu schaffen, mit dem eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zur Durchführung des Meßverfahrens ist nur ein einziges Beugungsgitter erforderlich, welches durch die
auf einem Aufzeichnungsträger aufgezeichnete Abbildung der periodischen Struktur gebildet wird. Mit
diesem Meßverfahren lassen sich auf optisches Rauschen zurückzuführende Interferenzringe, die demgegenüber bei dem Moire-Verfahren auftreten können,
wirksam verhindern, wodurch die Empfindlichkeit gegenüber den bekannten Meßverfahren erheblich
verbessert wird.
Im folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungsform des Meßverfahrens sowie Anordnungen zur Durchführung des Meßverfahrens anhand von Zeichnungen
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Prüfgeräts für Druck- und Zugversuche,
F i g. 2 eine Aufsicht auf einen Aufzeichnungsträger,
F i g. 3 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens, die zur Wiedergabe der Verformungen oder Formabweichungen eines
Werkstücks dient,
F i g. 4 eine gegenüber F i g. 3 abgewandelte Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens,
F i g. 5 eine weitere Meßanordnung und
F i g. 6 und 7 schematische Ansichten von Beugungsmustern.
F i g. 1 zeigt ein Prüfgerät 1 für Druck- und Zugversuche, in dem ein zu prüfendes Werkstück 2
angeordnet ist. An dem Werkstück 2 ist ein Muster 6 mit einer periodischen Struktur angeordnet. Zur Aufzeichnung dient bei diesem Ausführungsbeispiel eine Kamera
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