DE2710638C2

DE2710638C2 - Vorrichtung zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung

Info

Publication number: DE2710638C2
Application number: DE2710638A
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl.-Ing. 5060 Bergisch Gladbach Bickel
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1977-03-11
Filing date: 1977-03-11
Publication date: 1984-10-11
Also published as: US4129041A; JPS53113592A; DE2710638A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Zum berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bedient man sich vorzugsweise der optischen Überlagerungsverfahren unter Einsatz von Interferometern; geeignet hierfür ist ein Laufzeit-Interferometer nach DT-OS 57 253. Zu weiteren optischen Empfangsverfahren vgl. das Buch »Werkstoffprüfung mit Ultraschall« von J. und H. Krautkrämer, Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, 3. Auflage, Seiten 162 und folgende.

Diesem Verfahren liegt folgendes Prinzip zugrunde:

Man mißt mit optischen Mitteln den Einfluß, den ein Lichtstrahl an der von einer eingeschallten Ultraschallwelle beeinflußten Oberfläche eines Prüfobjektes erfährt. Hierbei schwingt die Oberfläche in einer durch die ggf. an einem Werkstoffehler reflektierte Ultraschallwelle und die elastischen Eigenschaften des Prüfobjektes gegebenen Form. Das Schwingen der Oberflächenelemente um ihre Ruhelage ist im folgenden als Auslenkung der Oberfläche bzw. der Oberflächenteile bezeichnet.

Es ist ebenfalls bekannt, die Oberfläche mit einem Laserstrahl zu beleuchten.

Diese Verfahren haben bei einer Empfangsfläche, deren Ausdehnung größer als die Ultraschallwellenlänge ist, den Nachteil, daß für die Lichtwellen eine räumliche

to Kohärenz erforderlich ist, und man nur mit parallelen Lichtstrahlen arbeiten kann.

Unter »Empfangsfläche« ist der Oberflächenanteil des Prüfobjektes zu verstehen, von dem Ultraschall empfangen werden soll. Die »räumliche Kohärenz« bedeutet eine konstante Phasenwinkeldifferenz der sich überlagernden Lichtweilen für jeden Ort des Lichtbündelquerschnittes. An der vom Ultraschall ausgelenkten Prüfobjektoberftäche wird das Licht diffus gestreut, und es ist erforderlich, paralleles Licht auszufiltern, was zu einem großen Lichtverlust führt

] /3 Zwar ist ebenfalls ein Verfahren eingangs genannter

jArt bekannt, bei welchem die Oberfläche eines. Prüfob-

. ijektes durch schräg eingeschallte Ultraschallwellen iüber einen Winkelprüfkopf erregt und Oberflächenteile

•25 sausgelenki werden. Gleichzeitig wird diese Oberfläche "des Prüfobjektes durch einen Laserstrahl beleuchtet. Der Laserstrahl muß allerdings eine zwischen Laserresonator und Prüfobjektoberfläche angeordnete nahe an der Oberfläche befindliche Linse durchsetzen, die das Laserlicht bündeln soll. Das Laserlicht gelangt also nicht \ iin diffuser Form auf die Oberfläche, so daß stets nur ein

' !kleiner Oberflächenbereich bestrahlt bzv/. nur punktförmig bestrahlt wird. Hierdurch ist die Laserlichtausbeute verringert. Dann wird das reflektierte Laserlicht 'über einen Blendenrand selektiert und erfährt eine Winkelmodulation sowie eine Intensitätsänderung des reflektierten Laserstrahles, und der auch amplitudenmodulierte Laserstrahl gelangt danach in einen Fotodetektor und wird nach Verstärkung einem Anzeigegerät zugeführt. Hier ist ein Absorptionsfilter nicht erforderlich (US-PS 35 85 848), eine Laserfrequenzstabilisierung ist nicht vorgesehen. Ferner ist eine Laserstabilisierungsschaltung bekannt, die einen geschlossenen Regelkreis mit einem /2-AbsorptionsfiIter, einem nachgeschalteten Pie7oelement, einem Fotodetektor und nachgeschaltetem Verstärkerk'eis aufweist. Für die Laserwellenlängenstabilisierung wird als Refererawellenlänge eine Hyperfeinstrukturkomponente verwendet, und mit Hilfe der Neigung des intern in die Apparatur eingeschlossenen Etalons erfaßt Allerdings muß hie» für die Reproduzierung der Hyperfeinstrukturkomponente ein zweiter Versuchslaser zur Verfügung stehen. Die bekannte Schaltanordnung dient aber vorrangig zur spektralanalytischen Erfassung und zum Vergleich von unterschiedliehen Laserabsorptionslinien, die miteinander zwecks Laserstabilisierung verglichen werden. Die bekannte Schaltanordnung gibt keinen Hinweis darauf, v/ie sie abzuändern ist, wenn in einem Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, und zwar in der U!traschalltechnik, auf Ultraschallwellen zurückgehende Auslenkungen eines Prüfobjektes zu erfassen und ein zugehöriger Laserresonator geeignet zu stabilisieren sind (Metrologia 12, S. 43-46 (1976)).

Aus der allgemeinen Hochfrequenztechnik ist es zwar bekannt, die Amplitudenmodulation an der Flanke eines Filters durchzuführen, jedoch für sehr unterschiedliche Zwecke der Steuerungs- und Regeltechnik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer

3 4

Vorrichtjng zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Für den hier als Beispiel angegebenen Argon-Ionenla-

mit Ultraschall eingangs genannter Art den Laser in ser mit einer Emission bei 514 nm eignet sich ein Filter,

seiner Frequenz so zu stabilisieren, daß diese immer auf das aus einer lichtdurchlässigen Kammer besteht, die

dem steilsten Teil der Absorptionsflanke sines ersten mit dem Dampf des Jod-Isotops ^mh gefüllt ist. Dieser

A bsorptionsfiltcrs zu liegen kommt, unter Verwendung 5 Stoff besitzt im Abstimmbereich des Lasers genügend

einer noch einfachen Schaltung. schmale und steile Absorptionslinien. Der Resonator

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dur;h die im des Lasers J wird mit piezoelektrischen Stellelementen Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen so abgestimmt, daß seine Ausgangsfrequenz einem geMaßnahmen gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist eigneten Punkt auf der Jod-Absorptionslinie entspricht im Unteranspruch dargestellt. io (vgl. Punkt A, F i g. 3).

Durch diese Maßnahmen erreicht man bei der zerstö- Dieser Punkt wird vorteilhaft durch einen Regelkreis rungsfreien Werkstoffprüfung unter Anwendung des entsprechend der F ig. 2 konstant gehalten. Vom Laserberührungslosen optischen Empfanges von Ultraschall- resonator 9 des Lasers 1 tritt Laserlicht zum Beleuchten wellen eine genauere Erfassung der auf Ultraschallwel- der Oberfläche 3 aus. Ein geringer Anteil des Laserlichlen zurückgehenden an der Oberfläche stattfindenden 15 tes wird mit einem Spiegel 10 ausgespiegelt, durch ein Auslenkung von Teilen des Prüfobjektes, wie Werkstük- zweites Absorptionsfilter 11, das genau dem ersten Abken, Formkörpern und Blechen, bei dem gleichzeitig sorptionsfilter 7 entspricht (hier also ein ^l29/2-Filter), auf diese Oberfläche durch den Laserstrahl diffus beleuch- einen zweiten Fotodetektor 12 geleitet. Der zweite Fotet und eine relativ größere Lichtausbeute erreicht wer- todetektor 12 gibt an einen Differenzverstärker 13 eine den kann. 20 dem Laserlicht hinter dem Jodfilter proportionale Span-

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich- nung U\ ab. An diesem Differenzverstärker liegt gleich-

{hung dargestellt und wird im folgenden näher jrläutert. -zeitig eine den Sollwert bestimmende Spannung U₂ an. ■

!Es zeigt !Durch ein Ausgangssignal t/3 des Differenzverstärkers,

F i g. 1 schematisch eine optische Laseranordnung in das nun der Differenz beider Eingangsspannungen proSeitenansicht, 25 portional ist, wird ein piezoelektrisches Element 14 zur . ·

F i g. 2 eine Schaltungsanordnung in Blockdarstellung Veränderung der Resonatorlänge eingestellt. Jede Fre- ',-,

zur Frequenzstabilisierung des verwendeten Lasers und quenzänderung des amplitudenkonstanten Lasers 16 '■■''

Fig.3 eine graphische Darstellung der frequenzab- bzw. 9 bewirkt durch das zweite Absorptionsfilter 11

;hängigen Sperrcharakteristik eines Laserabsorptionsfil- eine Änderung der Laseramplitude, demzufolge eine _:?

ters. 30 entsprechende Änderung der Ausgangsspannung des ' '

Von einem frequenzstabilisierten Einmodenlaser 1 zweiten Fotodetektors 12, die mit der Sollspannung un- ^ (nachfolgend Laser 1), vgl. Fig. 1, wird der von der UI- ter Differenzbildung verglichen und verstärkt über das traschallwelle 2 ausgelenkte Anteil der Oberfläche 3 iPiezoelement 14 die Resonatorlänge (bei 9) derart nach- ; eines Prüfobjektes 4, der übertrieben groß dargestellt führt, daß die Frequenzabweichung korrigiert wird. Die ^J zwischen den Amplituden 3a und 3b schwingt, bestrahlt. 35 Sollspannung am Eingang des Differenzverstärkers 13 Durch die schallbedingte Geschwindigkeit, mit der sich bestimmt den. Arbeitspunkt A auf der Flanke der Jodde»· Oberflächenanteil bewegt, wird der Laserstrahl Absorptionslinie des Absorptionsfilters. Da das zweite durch den an sich bekannten Dopplereffekt frequenz- Absorptionsfilter 11 genau dem ersten Absorptionsfilter moduliert, so daß das reflektierte Laserlicht 5 die Laser- 7 entspricht, bleibt auch der Arbeitspunkt auf dem erfrequenzen 4 - Δ f bis 4 + Δ / enthält, wobei 4 die 40 sten Absorptionsfilter 7 ständig erhalten. In der F i g. 3 Frequenz des Laserstrahles ist und Δ f die durch den wird die Erzeugung der Amplitudenmodulation an der Dopplereffekt bedingten Frequenzänderungen nach Sperrflanke des Absorptionsfilters verdeutlicht. Die für oben und unten. Das Laserlicht 5 wird mit einer Sam- das Verfahren benutzte Absorptionslinie des ¹²⁹J₂ hat mellinse 6 als Linsensystem gebündelt und in einem er- den hier dargestellten Kurvenverlauf und zeigt das Lasten Absorptionsfilter 7 gesammelt. Die Absorptionsli- 45 serabsorptionsverhalten des Absorptionsfilters in Abnie, d. h. die Sperrcharakteristik des Absorptionsfilters, hängigkeit von der Laserfrequenz. Die Frequenz 4 des muß so liegen, daß die Frequenz des Laserlichtes auf Lasers ist durch den Arbeitspunkt A gegeben und wird * idem steilsten Teil der Absorptionsfilterflanke zu liegen durch die Sollspannung am Differenzverstärker des Sta-Jkommt, wie in F i g. 3 angedeutet An der Flanke der bilisierungskreises der F i g. 2 konstant gehalten.
|AbsorptionsIinie dieses Absorptionsfilters 7 tritt ent- 50 Die Frequenz 4 verändert sich entsprechend der Ulisprechend den Ober- und Unterwerten von Δ /eine traschallwelle durch den Dopplereffekt um ± Δ /und Amplitudenmodulation Δ A auf. Das aus dem ersten ergibt auf der Flanke der Jodlinie eine Amplitudenmo-Absorptionsfilter 7 austretende Laserlicht ist demzufol- dulation ± Δ A des durchgehenden Laserlichtes. Bei der ge sowohl frequenz- als auch amplitudenmoduliert. In höheren Laserfrequenz 4 + Δ /tritt höchste Laserabeinern nachgeordneten ersten Fotodetektor 8 erzeugt 55 sorption, bei fL- Δ /die geringste Laserabsorption auf. die Amplitudenmodulation des Laserlichtes eine ent- Dieses amplitudenmodulierte Laserlicht wird von dem sprechende Modulation eines elektrischen Wertes. ersten Fotodetektor 8, vgl. Fig. 1, in elektrische und

Bei diesem Verfahren ist es wichtig, den Laser so in weiterverarbeitbare Signale umgewandelt. Die Ände- $.

seiner Frequenz zu stabilisieren, daß diese immer auf rung des elektrischen Ausgangssignals des ersten Foto-

dem steilsten Teil der Absorptionsflanke des Absorp- 60 detektors 8 ist funktionell mit der Frequenzänderung

tionsfilters 7 zu liegen kommt, was besonders bei sehr des Laserlichtes verknüpft und damit ein Maß für die

stellen Filtern kritisch ist durch die Ultraschallwelle erzeugte Amplitude der V

Ein derartiges Filter kann ausgehend von einer Ab- Prüfobjektoberfläche.

sprptionslinie eines bestimmten Stoffes aufgebaut wer- Gemäß einer Abwandlung können statt der Ausnut-

den, vgl. »Single Frequency Operation of lon Lasers«, 65 zung einer Absorptionslinie von Gasen auch ein durch

M. W. Dowley, Coherent Radiation, 1971, Nr. 106. Einfärbung entstandenes Absorptionslichtfilter bzw. in-

Bekanntlich haben Gase unter geringem Druck (Grö- terferometrische Anordnungen, wie z. B. nach Fabry-

ßenordnung 1 Millibar) sehr schmale Absorptionslinien. Perot, benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Vorrichtung zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen in der zerstörungsfreier* Werkstoffprüfung mit einem Laser zur Beleuchtung der im Takt der Utraschallwelle ausgelenkten Oberfläche des Prüfobjektes, mit einem nahe der Oberfläche angeordneten optischen Sammellinsensystem zur Abbildung des an der Oberfläche reflektierten frequenzmodulierten Laserstrahls auf einen ersten Fotodetektor, der die empfangenen optischen Signale in entsprechende elektrische Signale umformt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Fotodetektor (8) und dem Linsensystem (6) im Strahlengang des reflektierten Laserlichts ein erstes Absorptionsfilter (7) zur zusätzlichen Amplitudenmodulation des frequenzmodulierten Laserstrahls an einer Flanke der Absorptionskurve des Absorptionsfilters angeordnet ist, daß zur Frequenzstabilisierung des Lasers (t) im Strahlengang des Laserstrahls zwischen dem Laserresonator (9) und der Oberfläche (3) des Prüfobjektes (4) ein Spiegel (10) zur Auslenkung eines Laserstrahlenanteils auf ein zweites, mit dem ersten identisches Absorptionsfilter (11) und auf einen diesem Absorptionsfilter (11) im Strahlengang des ausgelenkten Laserlichts nachgeordneten zweiten Fotodetektors (12) vorgesehen ist, daß der zweite Fotodetektor (12) mit dem ersten Eingang eines Differenzverstärkers (13) und dessen zweiter Eingang mit einer Soll-Wert bestimmenden Spannungsquelle verbunden ist und daß der Ausgang des Differenzverstärkers (13) mit einem die Resonatorlänge verändernden Piezoelement (14) des Laserresonators (9) zur Stabilisierung der Laserfrequenz auf dem steilsten Teil der Flanke des ersten Absorptionsfilters (7) verbunden ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsfilter eine lichtdurchlässige, mit dem Dampf des diskrete Absorptionslinien aufweisenden Jodisotops '²⁹J₂ gefüllte Kammer und der Laser ein Argon-Ionenlaser mit einer Emissionswellenlänge von 514 nm ist.