DE2457253A1 - Optisches interferometrisches verfahren zur messung der oberflaechenauslenkung eines prueflings unter ultraschalleinfluss - Google Patents
Optisches interferometrisches verfahren zur messung der oberflaechenauslenkung eines prueflings unter ultraschalleinflussInfo
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Description
? 4 B 7 2 S
2. September 197*l· IG/G/ge
KRAUTKRÄMER GmbH»
5 Köln *H , Luxemburger Str.
Optisches interferometrieehes Verfahren zur Messung der
Oberflächenauslenkung eines Prüflings unter Ultraschalleinfluß>
' . «___*_____>_
Optisches interferometriscb.es Verfahren zur Messung der
Oberflächenauslenkung eines Körpers (Prüflings),wobei die
Auslenkbewegung der Oberfläche durch Einschallen einer Ultraschallwelle
in den Prüfling verursacht wird, insbesondere zum berührungslosen Ultraschallempfang von hocherhitztem und/oder
schnell durchlaufendem Gut, z.Bj' Grobblechen, wobei ein Lichtstrahl
an einem optischen Strahlteiler in einen Meß- und einen Referenzstrahl aufgespalten wirdo
Die Erfindung bezweckt insbesondere eine berührungslose Prüfung von Teilen, wie z,Bo Grobblechen, auch bei hohen
Temperaturen der Prüf linge,, wenn z.B0 in automatischen
Prtifanlagen hohe Durchlaufgeschwindigkeiten des Prüfgutes
vorliegen,,
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Jin wirklich berührungslose:»? lump fane voil Schallwellen ist
n.ö/lich, wenn man optisch die Auslenkung der vierkstückoosrfläclie
durch &e:a Schall mißt. Diese Auslenkung ist
klein und betrügt bei dem in der Werkstoffprüfung Üblichen
Frequenz- und Anplitudenbereich ca. 10 ITano-lieter und weniger»
Daher sind interferonetriache Iletlioden nötig, tim so gerinne
Verschiebungen in der Werkstückoberfläche nachweisen, zu
können.
Bei der Ultraschallpräfun, von Uerkstücken werden als Schallempfänger
weitgehend piezoelektrische "Jandler verwendet« Sie müssen aber durch ein liediumy welches den Schalldruck
üb er tr;.Igt, an das Werkstück angekoppelt werden, erfordern
also eine Berührung des Laterials» Dies bereitet bei der Prüfung heißer Teile oder in automatisch arbeitenden
Anlagen bei hoher Durchlaufgeschv/indigkeit des Prüfgutes Schwierigkeiten. Deshalb sind zwar magnetische oder elektrostatische
3mpfaiigsverfa.hren vorgeschlagen worden, bei Viel
ehen eine direkte Berührung des Prüflings entfällt. Diese lütipfänger erfordern wegen des starken Abfalls ihres Signals
mit der Entfernung aber eine Annäherung an die Oberfläche des Prüfgutes bis auf Bruchteile eines I-lillineters, sind aber
selbst dann noch une.mpfindliclier als ein piezoelektrischer
Wandler. Die erwähnten Schwierigkeiten werden durch diese sogenannten trockenen Verfahren deshalb nicht beseitigt.
Es ist ebenfalls bekannt, mit Interferometerns z.B. nach
Michelson.,die .Bewegung der Oberfläche eines Werkstückes als
änderung., der Entfernung zu einer Yergleichsfläche zu messen.
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Dieses bekannte Verfahren wird anhand der schenatiscl'ien
Ii1I-V. 1 und 2 erläutert. 1-lonoclir oma t iac lies Licht e.v.s einen
Laser 1 wird asi Strahlteiler (lialbclurclilässi, .en bpiejel) ?.
in zwei kohärente ütrahlenbündel Z und 4 aufgespalten. "Jüin
Strahlenbündel fällt auf die schwingende Oberfläche "j des
Prüfgutes, das andere auf den Yergleiehsßpie^.el 6. JTae":
Reflexion v/erden beide Strahlenbündel i\n. optischen Ctj?alilentcil?.:?
2 vereinigt und interferieren auf der PotoEelle 7.
jJie dort resultierende Helligkeit h-"ja!jt von der relativen
Phasenla,{_;e der beiden lichtstrahlenbündel ab. Bei der 3evje^un^
der Oberfläche 5 ändert sich die Phase des reflektierten Lichtstrahls und damit die ^e.-^eiiseiti ;e Phasenbeziehung
zwischen . -.Keß-, unä Referenz strahl. J3as verursacht
Ilelligkeitsänderungen an der Fotozelle 75 die ein
entsprechendes elektrisches Signal abgibt. Voraussetzung
dafür ist, daß sich die Helligkeit über die gesamte Smpfäiigerflache
der !Fotozelle gleichmäßig ändert. Dazu muß die Phasendifferenz zviischen beiden Lichtstrahlen über die ganze
Empfängerflache konstant sein. Dies ist dann gewährleistet,
wenn Mess - und Referenzlichtstrahl nur einen solchen Winkel an der fotozelle einschließen, für den gilt
,wobei X =
d = Durchmesser der fotozelle
π ind.
BAD ORIGINAL
a.
Eine interferometrisclie Messung laßt sich in dieser 3iOrn
nur an spiegelnden flächen durchführen, die mit den i-ießstrahl
den gleichen "Winkel bilden wie der Vergleichsspiegel mit dem zweiten bzw. Referenzstrahl.
An den für die Werkstoffprüfung wichtigeren rauhen Flächen
ist diese interferometerische Messung nicht durchführbar,
da die Phase des reflektierten Strahls innerhalb des Gesichtsfeldes unregelmäßig schwankt und sich deshalb auf
der Empfängerfläche der Fotozelle eine ungleichmäßige Helligkeit einstellt. In diesem Fall kann man zwar so verfahren,
daß man nach Fig. 2 die Oberfläche 5 in den Brennpunkt einer Linse 8 stellt. Dadurch wird nur ein Punkt der
schwingenden Oberfläche beleuchtet, und das diffus rewird
flektierte Licht^parallel ausgerichtet . Der Meßstrahl trifft wieder als ebene Welle auf die Fotozelle 7 auf und erfüllt bei einem Planspiegel 6 als Vergleichefläche die geforderte Bedingung / ^-
flektierte Licht^parallel ausgerichtet . Der Meßstrahl trifft wieder als ebene Welle auf die Fotozelle 7 auf und erfüllt bei einem Planspiegel 6 als Vergleichefläche die geforderte Bedingung / ^-
Für die Anwendung in der Werkstoffprüfung hat das bekannte Verfahren aber folgende Nachteile:
Es ist eine genaue Führung der abzutastenden Prüfgutoberfläche notwendig, um diese immer im Brennpunkt der Linse
zu halten. Abweichungen aus dieser Lage verursachen eine zusätzliche, unerwünschte Helligkeitsmodulation. Eine derart
genaue Führung des durchluafenden Prüfgutes ist aber schwierig.
Ferner wird auch die Rauhigkeit der Werkstückoberfläche mit abgetastet und diese erzeugt eine zusätzliche Helligkeits-
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BAD ORIGINAL
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modulation mit störender Frequenz. Die mögliche Prüfgeschwindigkeit
ist daher auf den Bereich von einigen mm/s beschränkt. Dann ist nachteilig, daß ein unterschiedliches Reflexionsvermögen
der Werkstückoberfläche ungleiche Amplituden im Meß- und Vergleichsstrahl verursacht. Auch ist ein
scharfer Brennpunkt erforderlich. Dieser bedingt durch die
Gesetzmäßigkeiten der optischen Abbildung, Meßentfernungen von der Größe um 10 cm. Diese geringen Meßentfernungen grenzen
die Anwendungsmöglichkeiten des bekannten Verfahrens in der Praxis jedoch stark ein. Zuletzt erfolgt die Schallabnahme
nur von einem Punkt der Oberfläche, Es ist jedoch die Integration über eine größere Fläche, etwa von der Größenordnung
wie bei einem normalen Prüfkopf, wünschenswert.
Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch vermieden, daß die Prüflingsoberfläche durch einen monochromatischen kohärenten
Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, direkt bestrahlt, dann nach Aufspaltung des reflektierten Lichtrahles der eine .
Strahlanteil als Meßstrahl im Licht empfänger abgebildet, jedoch
der andere Strahlanteil als Referenzstrahl über eine Verzögerungsstrecke bzw, über einen längeren Laufweg als derjenige
des Meßstrahls, geleitet und erst danach im Lichtempfänger deckungsgleich zum Hauptstrahl, abgebildet wird.
Es erfolgt also die Messung der Auslenkung der Oberfläche
eines Körpers unter Ultrasohalleinfluß, sodaß der Vergleichsstrahl nicht an einem ebenen Spiegel - wie bisher - sondern
an derselben Oberfläche wie der Meßstrahl, reflektiert wird,
• 6 -
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Dadurch haben beide Strahlen innerhalb des Gesichtsfeldes stets
die gleiche Phase. Mit anderen Worten: Hierbei wird der Referenzstrahl
von dem gleichen Oberflächenelement wie der Meßstrahl reflektiert, jedoch gegenüber dem Meßstrahl um eine der Ultraschallfrequenz
angepaßten Zeit verzögert, so daß die Oberfläche in der Bildebene des Interferometers 7 sowohl vom Hauptstrahl (Meßstrahl)
als auch vom Referensstrahl deckungsgleich abgebildet wird unter Einhaltung der Winkelbedingung
womit dieses Verfahren auch bei rauhen Oberflächen anwendbar ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen;
Fig. 3 ein Interferometer mit einer Verzögerungsstrecke j
Fig. 4 ein Interferometer mit Verzögerungsstrecke und
Linsensystem1
Fig. 5 ©ine Verzögerungsstrecke in einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Interferometers β
Fig. 5 ©ine Verzögerungsstrecke in einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Interferometers β
Das Prinzip des Strahlenganges dieses interferometrischen Verfahrens
ist in Fig. 3 skizziertf wobei für den praktischen Aufbau
u.U. Anänderungen der Anordnung nötig werden, um Störungen durall
Streulicht udgl. zu vermeiden. Die schwingende Oberfläche eines
Prüfgutes 5 wird durch monochromatisches Licht aus dem Laser 1 be leuchtet. Die Verwendung von Lasern ist nicht nur wegen ihrer Monochromasie,
sondern auch wegen der guten Bündelung der Strahlung hier vorteilhaft. Der reflektierte Lichtstrahl 9 gelangt zum
Strahlteiler 2, von dort als Anteil 9a zum Spiegel 10 und über
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_ 7 —
den Strahlteiler 2 zur Fotozelle 7. Wegen der Laufzeit des anderen Lichtanteils 9b über die Verzögerungsstrecke 11, wobei
das Licht gegenüber . 9a zusätzlich den Weg 2s zurücklegt,
wird der Vergleichstrahl 9b gegenüber dem Hauptstrahl 9a zeitverzögert.
Bei Beschallung der Oberfläche 5 erfährt der Meßstrahl
9a eine zusätzliche Phasenverschiebung entsprechend der Auslenkung innerhalb der Verzögerungszeit. Dadurch ändert sich die
resultierende Helligkeit an der Fotozelle 7. Die Signalamplitude ist für eine bestimmte Schallfrequenz dann am größten9 wenn de-
9n halbe Schwingungsperiode gleich der Verzögerungszeit ist.
Auf diese Weise wird das Verfahren für jeweils einen vorbestimmten
Frequenzbereich selektiv (auf tiefe Frequenzen, deren halbe Schwingungsperiode groß gegen die Verzögerungszeit ist,
spricht das Verfahren nicht an).
Die optimale Länge s der Verzögerungsstrecke 11 ergibt sich aus zwei Bedingungen:
1. Makroskopisch muß die Länge s so bemessen sein, daß sich die
vorher angegebene, geeignete Verzögerungszeit ergibt»
2. Mikroskopisch muß die Länge s so eingestellt werden, daß durch
die Interferenz mit dem Meßstrahl 9a sich eine Helligkeit an
der Fotozelle ergibt, bei der kleine Phasenänderungen am Meßstrahl
gut nachweisbare Helligkeitsänderungen ergeben.
Von der rauhen Werkstückoberfläche 5 wird das Licht diffus
reflektiert. Um die Winkelbedingungen
A << ivi
auf der Fotozelle 7 einzuhalten, muß ein kleiner Winkelbereich aus dem reflektierten Licht ausgeblendet werden. Innerhalb
des optisohen Empfangs sy st ems, vergl. Fig. 3j$ gestrichelter
Teil 12, auf dem Weg zwischen Strahlteiler 2 und
— 8 —
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Fotozelle 7 darf das Licht keine !Divergenz auf v/eisen. Ilan
erreicht dies durch die in 51If;. 4 veranschaulichten liaßnahnen.
Dine ϊ-Iöglichkeit, das Licht hinreichend parallel zu riechen,
ir.t die Einstellung der Entfernung 1 auf den viert nindestens 1 - 5 s, eine sinnvolle Größe der Enpfllngerfniiche
vorausgesetzt. Das gleiche erreicht nan durch ein teleskopicches
Lins engsten, in dessen gemeinsamem Brennpunkt
eine .Blende passender Größe steht. Dieses System wirkt wie ein
Hich'bungsfilter 13, es kann zwischen HeSflache 5 und
Strahlenteiler 2 in den Bereich 14 oder zwischen Strahlenteiler 2 und Spiegel 10 in der Stellung V} angebracht werden.
J3ei der praktischen Ausführung kann der zur Verzögerung
notwendige Laufweg des Lichte'S durch mehrfache Reflexion zwischen hochprö.zisen Planspiegeln 16 und 17 auf kleinen
!Mechanischem Raum uii'bergebracht werden, wie in 1'1I1;. 5 angedeutet.
7Jn kleine Auslenkunge:i der Oberfläche in der Größenordnung
einiger Nanometer messen zu können, nuß die Länge de?? Verzögerungsstrecke
s sein? genau auf einen optimalen ¥ert
gehalten v/erden, damit nicht durch Längenänuerringen PhasenverSchiebungen
entstehen, welche Helligkeitsschv/ankungen verursachen. Dazu wird die Länge s der Verzögerungsstrecke
durch ein zweites Interferometer, das in Fig. 3 nicht eingezeichnet ist, gemessen. Für dieses interferometer kann ein
Teil der 'Strahlung des Lasers 1 oder ein separater Laser verwendet werden. Hierfür sind nur geringe Strahlungsleistungen
notwendig, da überall ebene und gut reflektierende
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? 4 S 7 ?. 5
pie^el eingesetzt werden können,
Bei einer Abvieichun^ der Läii'.e s von Sollwert wird der
Spiegel 18 durch ein piezoelektrisches oder anderes ütellelement
entsprechend verschoben bsv/. verstellt.
!Sine andere Ausf tilirun :'sf orm ist die 1-iodulation der Län^e s
illDer das {jenannte Stelleleraent nit einer Frequenz 11,
die größer als die naclisui-zelsende üchallfreouens f ist.
Der optinale G-anstmt er schied zv/iocJaen Keß- und Referenzstrahl
tritt dann melarmalc innerhalb einer Schwiiißtm^B-periode
der Schallwelle auf,.Das elektrische Signal an
der fotozelle besteht dann aus einer hochfrequenten -Sohv/ingung der Prequens f 1, die mit der Schallfrequens f
moduliert ist.
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Claims (6)
1. Optisch.es interferometrisches Verfahren zur Messung der Oberflächenauslenkung
eines Prüflings„ wobei die Auslenkbewegung
der Oberfläche durch Einschallen einer Ultraschallwelle in
den Prüfling verursacht wird, insbesondere zum berührungslose».
Ultrascha11empfang von hocherhitztem und/oder schnell
durchlaufendem Gut8 seB„ Grobblechen, wobei der Prüf strahl
an einem optischen Strahlteiler in einen Meß-und einen Referenzstrahl aufgespalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Prüflingsotoerfläche durch einen monochromatischen, kohärenten
Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, bestrahlt, dann nach Aufspaltung des an ihr reflektierten Lichtstrahls der eine
Strahlanteil als Meßstrahl im Lichtempfänger abgebildet, jedoch der andere Strahlanteii als Referenzstrahl über· eine
Verzögerungsstrecke (2 S) geleitet und erst danach im Licht—
empfänger (7) deckungsgleich zum Hauptstrahl abgebildet wird.
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2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Konstanthaltung der Verzögerungsstrecke
, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Verzögerungsstrecke (2 S) interferometrisch
gemessen und durch ein Stell- oder Regelelement entsprechend nachgestellt wird derart, daß Schwankungen des
Spiegels (18) kompensiert werden.
3» Verfahren nach Anspruch 1 zur Eliminierung des Einflusses
von Längenänderungen an der Verzögerungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Verzögerungsstrecke (11)
mit einer Frequenz (f1if), wobei (f) die Schallfrequenz ist, periodisch verändert wird, so daß die Schallfrequenz (f) als
Modulation eines elektrischen Signals von der Frequenz (f1) am Ausgang der Fotozelle (7) erfaßt wird.
k. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erfüllung der Winkelbedingung
^ et
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l) als größer oder
gleich 5 S bemessen wird. (Fig.
4).
5· Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erfüllung der Winkelbedingung
dadurch gekennzeichnet, daß ein teleskopisches Linsensystem (14) zwischen PrüflingsOberfläche und dem optischen Strahlteiler
vorgesehen und mit einer Blende im gemeinsamen Brennpunkt als Richtungsfilter vorhanden ist, so daß durch diesen
609824/0 8. U
•Α.
der zulässige Winkelbereich, aus dem diffuse reflektierten Licht
ausgewählt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß
ein Richtungsfilter zwischen dem optischen Strahlteiler (2) und einem Hilfsspiegel (to) angeordnet ist.
609824/08U
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