DE2457253A1

DE2457253A1 - Optisches interferometrisches verfahren zur messung der oberflaechenauslenkung eines prueflings unter ultraschalleinfluss

Info

Publication number: DE2457253A1
Application number: DE19742457253
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1974-12-04
Filing date: 1974-12-04
Publication date: 1976-06-10
Also published as: DE2457253C2; JPS5619561B2; FR2293713B1; US4046477A; GB1488536A; FR2293713A1; JPS5183549A

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 wird_o

Die Erfindung bezweckt insbesondere eine berührungslose Prüfung von Teilen, wie z,B_o Grobblechen, auch bei hohen Temperaturen der Prüf linge,, wenn z.B₀ in automatischen Prtifanlagen hohe Durchlaufgeschwindigkeiten des Prüfgutes vorliegen,,

609824/0844

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 liedium_y 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 Interferometern_s z.B. nach Michelson.,die .Bewegung der Oberfläche eines Werkstückes als änderung., der Entfernung zu einer Yergleichsfläche zu messen.

6 09824/084 U BAD ORIGINAL

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 / ^-

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-

609824/0844

BAD ORIGINAL

9457253

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 -

609824/0844

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

Das Prinzip des Strahlenganges dieses interferometrischen Verfahrens ist in Fig. 3 skizziert_f 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

609824/084.4

94R7253

_ 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 9^a 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 —

609824/0844

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

609824/0844

BAD ORlQiNAL

? 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.

ORIGINAL

09824/0844

Claims

2, September 19?4 IG/G/ge KRAUTKRÄMER GmbH. Pa tentansprüche

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 s_eB„ 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.

809824/0844

74R7253

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