DE2710638A1

DE2710638A1 - Verfahren zum beruehrungslosen optischen empfangen von ultraschallwellen

Info

Publication number: DE2710638A1
Application number: DE19772710638
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl Ing Bickel
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE2710638C2; JPS53113592A; US4129041A

Description

Patentanwalt I. G. Grave Dipl.-Phys. 5 Köln 41 · Aachener Str. 321 -Tel.442001

7. März 1977 IG/ge - K 101

Krautkrämer GmbH. Luxemburger Str. 449, 5000 Köln 41 - Klettenberg

Verfahren zum berührungslosen optischen Empfangen von Ultraschallwellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen optischen Empfangen von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durch Beleuchten eines im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächenanteils eines Prüfstückes mit dem Licht eines frequenzstabilisierten Einmodenlaser β .

Zum berührungslosen Empfangen von Ultrasehallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bedient man sich vorzugsweise der optischen Überlagerungs-Verfahren. Es können verschiedene Interferometerarten zur Anwendung kommen; sehr geeignet für diese speziellen Anwendungszwecke ist ein Laufzeit-Interferometer (DT-OS 24 57 253). Ferner sind

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tere optische Empfangsverfahren bekannt (vgl. das Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J. u. H. Krautkrämer 3. Auflage, Seite 162 und folgende, Springerverlag, Berlin und heidelberg).

Diesen Verfahren liegt folgendes Prinzip zugrunde. Man mißt mit optischen Mitteln den Einfluß, den ein Lichtstrahl an der von der Schallwelle beeinflußten Oberfläche eines Prüfstückes erfährt. Unter dem Einfluß einer in das Prüfstück nach an sich bekannten Verfahren eingeleiteten Ultraschallwelle, die ggf. an einer Ungänze reflektiert worden ist, schwingt die Oberfläche in einer durch die Ultraschallwelle und die elastischen Eigenschaften des Prüfstückes gegebenen Form. Das Schwingen der Oberflächenelemente um ihre Ruhelage wird im folgenden als Auslenkung der Oberfläche bzw. der Oberflächenteile bezeichnet.

Bei den neueren VerfahreiBbechniken wird die Oberfläche allgemein mit Laserlicht beleuchtet.

Diese Verfahren haben bei einer Empfangsfläche mit einer Ausdehnung größer als die Ultraschallwellenlänge den Nachteil, dass eine räumliche Kohärenz für die Lichtwellen erforderlich ist, das hat zur Folge, daß man nur mit parallelen Lichtstrahlen arbeiten kann. Unter Empfangsfläche ist der Oberflächenanteil des Prüfstückes zu verstehen, von dem mit dem vorliegenden Verfahren Schall empfangen werden soll. Die räumliche Kohärenz bedeu-

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tet eine konstante Phasenwinkeldifferenz der sich überlagernden Lichtwellen für jeden Ort des Lichtbündelquerschnittes. An der vom Schall ausgelenkten Prüfstückoberfläche wird das Licht diffus gestreut, und es ist erforderlicht, paralleles Licht auszufiltern, was mit einem großen Lichtverlust verbunden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optisches Empfangsverfahren zu schaffen, das aus dem diffus gefreuten Licht einen größeren Anteil als es bei der Ausfilterung eines parallelen Lichtstrahles möglich ist, ausnutzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das vom Oberflächenanteil des Prüfstückes reflektierte und durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenzmodulierte Licht durch ein Lichtfilter geführt wird und die Frequenz des Lasers so vorbestimmt wird, daß an einer Planke des Lichtfilters eine zusätzliche Amplitudenmodulation erfolgt, die dann einer an sich bekannten Demodulation unterworfen wird, so daß ein elektrisches, von der Ultraschallintenaität abhängiges Signal entsteht, das gemessen, registriert und/oder weiter verarbeitet wird.

Y/ird die im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkte Oberfläche des Prüfstückes mit streng monochromatischem Licht eines frequenzstabilisierten Einmodenlasers* beleuchtet, erfährt die Frequenz des gestreuten Lichtes eine Verschiebung nach dem Doppler-Prinzip. Das gestreute Licht ist dem-

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zufolge mit der Frequenz der Ultraschallwelle frequenzmoduliert. Zur Signalauswertung, z.B. zur Erzeugung eines von der Ultraschallintensität abhängigen elektrischen Signals, muß man die Frequenzmodulation des Lichtes in eine Amplitudenmodulation umwandeln, die dann in an sich bekannten Fotodetektoren elektrische Signale erzeugt. Eine direkte Demodulation des frequenzmodulierten Lichtes ist bei diesen Frequenzen (10 Hz) technisch nicht möglich.

Zur Erzeugung der Amplitudenmodulation wird erfindungsgemäß eine Flanke der Durchlässigkeitskurve eines Lichtfilters ausgenutzt. Diese Lichtfilter sollen vorzugsweise eine sehr steile Flanke in ihrer Sperrcharakteristik besitzen.

Eine Ausfü-hrungsform der Erfindung ist in der Zeichnung erläutert.-Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine optische Anordnung in Seitenansicht für Lichtstrahlenbeeinflussung und - verlauf

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung in Blockdarstellung zur Frequenzstabilisierung des verwendeten Lasers

Fig. 3 eine graphische Darstellung der frequenzabhängigen Sperrcharakteristik eines Lichtfilters.

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vgl. Pig. 1, Vom frequenzstabilisierten Einmodenlaser TJwird der von der Schallwelle 2 ausgelenkte Anteil der Prüfstückoberfläche 3 des Prüfstückes 4, der übertrieben groß dargestellt zwischen den Amplituden 3a und 3b schwingt, beleuchtet. Durch die Schallschnelle, das ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Oberflächenanteil bewegt, wird das Laserlicht durch den an sich bekannten Dopplereffekt frequenzmoduliert, so daß das Streulicht 5 die Lichtfrequenzen f_L - Δ f bis fj. +A ^f beinhaltet, wobei f_L die Frequenz des Laserlichtes ist und A f die durch den Dopplereffekt bedingten Frequenzänderungen nach oben und nach unten. Das Streulicht 5 wird mit einer Sammellinse 6 gebündelt, so daß das von der Fläche 3 gesammelte Streulicht in dem Lichtfilter 7 gesammelt wird. Die Absorptionslinie, d.h. die Sperrcharakteristik des Lichtfilters, muß so liegen, daß die Frequenz des Laserlichtes auf dem steilsten Teil der Lichtfilterflanke zu liegen kommt (wie in Fig. 3 angedeutet). An der Flanke dieses Lichtfilters tritt entsprechend den Ober- und Unterwerten von A f eine Amplitudenmodulation Λ A auf. Das aus dem Lichtfilter 7 austretende Licht ist demzufolge sowohl frequenz- als auch amplitudenmoduliert. In dem nachfolgenden Fotodetektor 8 erzeugt die Amplitudenmodulation des Lichtes eine entsprechende Modulation eines elektrischen Wertes.

Bei diesem Verfahren ist es wichtig, den Laser so in seiner Frequenz zu stabilisieren, daß diese immer auf dem steilsten Teil der Absorptionsflanke des Lichtfilters zu liegen kommt, was besonders bei seht steilen Filtern kritisch ist. Solch

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ein Filter kann unter Ausnutzung einer Absorptionslinie eines Stoffes aufgebaut werden.(Siehe: "Single frequency operation of ion lasers", M.Υ«. Dowley, Coherent Radiation, 1971, Nr. 106 und "Wellenlängenstabilisierung der grünen Ar II-Laserlinie mit Hilfe gesättigter Absorption in einer internen

S. 43-46).

internen ¹²^J₃-ZeIIe, F. Spieweck, Metrologia 12 (1976)

Bekanntlich haben Gase unter geringem Druck (Größenordnung 1 Millibar) sehr schmale Absorptionslinien. Für den hier im Beispia. angegebenen Argon-Ionen-Laser mit einer Emission bei 514 nm eignet sich ein Filter, das aus einer lichtdurch-

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Dieser Punkt kann durch einen Regelkreis entsprechend der Figur 2 konstant gehalten werden. Vom Laserresonator 9 tritt Licht zum Beleuchten der Oberfläche 3 aus. Ein geringer Anteil dieses Lichtes wird mit dem Spiegel 10 ausgespiegelt, durch ein Absorptionsfilter 11, das genau dem Absorptions-

12Q filter 7 entspricht, hier also ein ti«-Filter auf den

Fotodetektor 12 geleitet. Der Fotodetektor 12 gibt an den j Differenzverstärker 13 eine dem Laserlioht hinter dem Jod-Filter proportionale Spannung U₁ ab. An diesem Verstärker

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liegt gleichzeitig eine Soll-Wert bestimmende Spannung U₂ an. Bas Aus gangs signal U, des Verstärkers , das nun der Differenz beider Eingangsspannungen proportional ist, stellt ein piezoelektrisches Element 14 zur Veränderung der Resonatorlänge ein. Jede Preqeuenzänderung des amplitudenkonstanten Lasers bewirkt durch das Absorptionsfilter 11 eine Änderung der Lichtamplitude, demzufolge eine entsprechende Änderung der Ausgangsspannung des Fotodetektors, die mit der Sollspannung verglichen (Differenzbildung) und verstärkt über das piezoelektrische Stellelement Η die Resonatorlänge derart nachführt, daß die Frequenzabweichung korrigiert wird. Die Sollspannung am Eingang des Differenzverstärkers 13 bestimmt den Arbeitspunkt auf der Flanke der Jod-Absorptionslinie. Da das Absorptionsfilter 11 genau dem Filter 7 entspricht, bleibt auch der Arbeitspunkt auf dem Filter 7 ständig erhalten. In der Figur 3 wird die Erzeugung der Amplitudenmodulation an der Sperrflanke des Absorptionsfilters deutlich gemacht. Die für das Verfahren benutzte

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Absorptionslinie des J₂ hat den Kurvenverlauf, -entepr.Fig.3-ünd ~ zeigt das Lichtabsorptionsverhalten des Filters in Abhängigkeit von der Lichtfrequenz. Die Frequenz f^ des Lasers ist durch den Arbeitspunkt A gegeben und wird durch die Sollspannung am Differenzverstärker des Stabilisierungskreises der Fig. 2 festgehalten.

Die Frequenz f^ verändert sich entsprechend der Ultraschallwelle durch den Dopplereffekt um - Δ f. Das hat auf der Flanke der Jodlinie eine Amplitudenmodulation - A A des

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durchgehenden Lichtes zur Folge. Bei der höheren Lichtfrequenz f_L +df tritt höchste Lichtabsorption, bei fτ - A f die geringste Lichtabsorption auf. Dieses amplitudenmodulierte Licht wirdvon dem Fotodetektor 8 der Figur 1 in elektrische und weiterverarbeitbare Signale umgewandelt. Die Änderung des elektrischen Ausgangssignals des Fotodetektors ist funktionelL&it der Frequenzänderung des Laserlichtes verknüpft und damit ein Maß für die durch die Ultraschallwelle erzeugte Geschwindigkeitsamplitude der Prüfstückoberfläche.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann statt der Ausnutzung einer Absorptionslinie von Gasen auch ein durch Einfärbung entstandenes Lichtfilter, wie in der Technik allgemein gebräuchlich, benutzt werden. Oder, es können ferner auch interferometrische Anordnungen, wie z.B. nach Fabry-Perot, benutzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß mit einer lichtstarken Sammellinse bzw. Linsenkombination ein großer Anteil des Streulichtes erfaßt und damit zur Messung benutzt wird, ohne daß die räumliche Kohärenz teachtet werden muß.

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• A4-

L e e r s e i t e

Claims

7. März 1977 IG/ge - K Krautkrämer GmbH.

Patentansprüche

Verfahren zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durch Beleuchten eines im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächenanteils eines Prüfstückes mit dem Licht eines frequenzstabilisierten Einmodenlasers, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Oberflächenanteil des Prüfstückes reflektierte und durch den schallbedingten Dopplereffekt frequenzmodulierte Licht durch ein Lichtfilter geführt wird und die Frequenz des Lasers so vorbestimmt wird, daß an einer Planke des Lichtfilters eine zusätzliche Amplitudenmodulation erfolgt, die dann einer an sich bekannten Demodulation unterworfen wird, sodaß ein elektrisches, von der Ultraschallintensität abhängiges Signal entsteht, das gemessen, registriert und/oder weiter verarbeitet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtfilter eine diskrete Absorptionslinie eines gasförmigen Stoffes benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtfilter ein Absorptionsfilter bzw. Massefilter benutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtfilter Vielstrahl-Interferenzanordnungen, z.B. nach Fabry-Perot, verwendet werden.