DE2934038A1

DE2934038A1 - Rissfortschritts-messeinrichtung

Info

Publication number: DE2934038A1
Application number: DE19792934038
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. 5802 Wetter Nowack; Peter 5060 Bergisch Gladbach Sengebusch
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-08-23
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1981-03-26
Also published as: FR2463926B1; FR2463926A1; US4364113A; NL8004756A; JPS6161616B2; GB2057124B; GB2057124A; DE2934038C2; NL181755B; JPS5635006A; NL181755C

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rissfortschritts-Messeinrichtung mit einer Belastungsvorrichtung,in die eine Probe einspannbar ist, und einem auf die Probe gerichteten optischen Messgeraet. Bei der Materialpruefung von Proben ist haeufig die Laenge von Rissen zu ermitteln und der Rissfortschritt waehrend einer statischen Beanspruchung oder einer Schwingbeanspruchung der Probe zu messen. Zur Ermittlung des Rissfortschrittes bedient man sich mikroskopischer Messmethoden. Diese herkoemmliche Messmethode erfordert fuer jede Einzelmessung eine erhebliche Zeit und beguenstigt das Entstehen von Messfehlern. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rissfortschrittsmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die objektiv und mit grosser Genauigkeit die jeweilige Ausdehnung von Materialrissen an der Probe ermoeglicht und zudem mit sehr grosser Schnelligkeit arbeitet, so dass die einzelnen Messwerte bereits nach kurzer Zeit verfuegbar sind und ggf. auf elektronischem Wege verarbeitet werden koennen. Zur Loesung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass das optische Messgeraet eine Fernsehkamera aufweist, die an einen Diskriminator angeschlossen ist, welcher die Bildpunkte des Fernsehbildes in Binaerimpulse umwandelt. Der Diskriminator ist an einen die Binaerimpulse eines Fernsehbildes aufnehmenden Speicher angeschlossen. Ein Vergleicher ist vorgesehen, der den Inhalt des Speichers mit den Binaerimpulsen eines nachfolgenden Fernsehbildes vergleicht. ...U.S.W

Description

VON KREISLER SCHÖNWALD EISHOLD FUES VONKREISLER KELLERo SELTING WERNER

Anmelderin:

Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.

Linder Höhe
5000 Köln 90

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler+ 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-ing. G. Selling, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

21. August 1979 Sg/kh

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAriNHOF

D-5000 KÖLN 1

Rißfortschritts-Meßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Rißfortschritts-Meßeinrichtung mit einer Belastungsvorrichtung, in die eine Probe einspannbar ist,und einem auf die Probe gerichteten optischen Meßgerät.

Bei der Materialprüfung von Proben ist häufig die Länge von Rissen zu ermitteln und der Rißfortschritt während einer statischen Beanspruchung oder einer Schwingbeanspruchung der Probe zu messen. Zur Ermittlung des Rißfortschrittes bedient man sich mikroskopischer Meßmethoden. Die Rißlänge wird in bestimmten Intervallen bzw. bei der Schwingbeanspruchung nach einer bestimmten Anzahl von Lastspielen mit einem Mikroskop ermittelt und gemessen. Diese herkömmliche Meßmethode erfordert für jede Einzelmessung eine erhebliche Zeit und begünstigt das Entstehen von Meßfehlern.

130013/0403

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rißfortschrittsmeßeinriehtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die objektiv und mit großer Genauigkeit die jeweilige Ausdehnung von Materialrissen an der Probe ermöglicht und zudem mit sehr großer Schnelligkeit arbeitet, so daß die einzelnen Meßwerte bereits nach kurzer Zeit verfügbar sind und ggf. auf elektronischem Wege verarbeitet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das optische Meßgerät eine Fernsehkamera aufweist, die an einen Diskriminator angeschlossen ist, welcher die Bildpunkte des Fernsehbildes in Binärimpulse umwandelt, daß der Diskriminator an einen die Binärimpulse eines Fernsehbildes aufnehmenden Speicher angeschlossen ist, und daß ein Vergleicher vorgesehen ist, der den Inhalt des Speichers mit den Binärimpulsen eines nachfolgenden Fernsehbildes vergleicht.

Die Fernsehkamera erfaßt die Werkstoffprobenoberfläche und erzeugt so zunächst eine Folge analoger Bildsignale sowie die erforderlichen Synchronsignale. In dem Diskriminator werden Bildsignale und Synchronsignale getrennt und das Bildsignal digitalisiert. Die digitalen (binären) Bildsignale werden zeilen- und punktweise in dem Speicher gespeichert. Die Speicherkapazität reicht aus, um für jeden Bildpunkt des Fernsehbildes einen Impuls zu speichern. Das Einspeichern eines Fernsehbildes geschieht einmal zu Beginn des Versuchs und immer dann, wenn im Laufe des Versuchs eine Rißmessung erfolgen soll.

130013/0403

Das bei jeder Rißmessung auftretende Bildsignal wird einem Eingang des Vergleichers zugeführt, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Speichers verbunden ist. Im Vergleicher erfolgt nun ein Vergleich zwischen dem Inhalt der Bildspeicherplätze und dem entsprechenden Augenblickswert des Bildsignales und das neue Bild wird im Bildspeicher abgelegt. Treten beim Vergleich keine Unterschiede auf, ergeht ein Nein-Impuls. Treten dagegen Unterschiede zwischen dem Inhalt des Speichers und dem zu einem freiwählbaren Zeitpunkt aufgenommenen weiteren Fernsehbild auf, so ergeht ein Ja-Impuls, d.h. es ist eine Ausbreitung des Ermüdungsrisses erfolgt. Auf diese Weise kann sehr schnell und zuverlässig ermittelt werden, ob seit der letzten Messung ein Riß entstanden ist oder ein schon vorhandener Riß sich erweitert hat.

Sind auf der Probenoberfläche störende optische Erscheinungen, z.B. Kratzer, vorhanden, die von der Fernsehkamera aufgenommen werden, nicht aber einen Riß darstellen, so werden diese von der Rißfortschrittsmeßeinrichtung nicht ausgewertet und von dem Vergleicher überhaupt nicht wahrgenommen, da sie in dem im Speicher befindlichen Fernsehbild und auch in dem später aufgenommenen Fernsehbild identisch enthalten sind. Die Rißfortschrittsmessung stützt sich auf die Erkennung der Rißflanken (Rißkontur), die das Licht der Probenbeleuchtung anders als die Rißumgebung reflektieren. Obwohl je nach Reflexion Winkel und Intensität des Lichtes außer dunkel und hell verschiedene Grautöne im Fernsehbild auftreten, wird, da die Grautöne nicht interessieren, eine binäre Umwandlung in reines schwarz und weiß vorgenommen .

130013/0403

Um eine quantitative Aussage über den Rißfortschritt zu erhalten, wird in zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung die Anzahl der nicht übereinstimmenden Binärimpulse der verglichenen Fernsehbilder gezählt und angezeigt. Man erhält damit innerhalb kürzester Zeit eine zuverlässige Zahlenangabe über die Vergrößerung des Risses seit dem Zeitpunkt der letzten Messung.

Zur Erzielung einer hohen Auflösung des Fernsehbildes zur Auswertung feinster Risse wird der Fernsehkamera ein Mikroskopvorsatz vorgeschaltet. So kann beispielsweise bei 100-facher Vergrößerung und einer Meßfeldgröße von 300 /u eine Auflösung von 2,5 /a erhalten werden, wenn das Fernsehbild 120 Meßzeilen aufweist oder eine Auflösung von 1,25 μ, wenn das Fernsehbild 240 Meßzeilen aufweist.

Vorzugsweise verläuft die Zeilenrichtung der Fernsehkamera rechtwinklig zu der Richtung des Risses und der Vergleich der Fernsehbilder erfolgt durch zeilenweise Gegenüberstellung. Die Rißverlängerung kann also quantitativ anhand der Anzahl von Bildzeilen bestimmt werden, in denen gegenüber der letzten Messung eine Änderung des Bildinhalts erfolgt ist. Diese Bildzeilen können gezählt werden.

Zweckmäßigerweise ist die Fernsehkamera auf einem Schlitten angebracht, der in drei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen gesteuert bewegbar ist. Die Steuerung des Schlittens kann in Abhängigkeit von der gemessenen Rißausbreitung erfolgen. Dadurch ist sichergestellt, daß stets derjenige Teil der

13 0 013/0403

Probe im Fernsehbild erscheint, der für die Messung interessant ist bzw. in dem die Rißverlängerung erfolgt. Nähert sich beispielsweise der Riß dem linken,. Rand des Fernsehbildes, so wird die Kamera um einen definierten Betrag nach rechts verfahren. Breitet sich der Riß im Laufe des Versuchs aus, wird die Kamera parallel zur Probe in Rißausbreitungsrichtung präzise um einen bestimmten Betrag nachgeführt. Der Tiefenschärfebereich wird mit Hilfe eines Aufnehmers konstant gehalten.

Die Belastung der Rißfortschrittsprobe wird derart gesteuert, daß die Belastung der Probe während der Aufnahme des weiteren Fernsehbildes kurzfristig ruht. Damit ist sichergestellt, daß die Messungen nicht durch Schwingbewegungen der Probe verfälscht werden. Da die Messung nur sehr kurze Zeit (maximal 40 ms) erfordert, ist für die Messung nur ein sehr kurzer Stillstand erforderlich.

In folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der Rißfortschrittsmeßeinrichtung dargestellt. In die mit 1O bezeichnete Belastungsvorrichtung ist eine Probe 11 vertikal eingespannt. Die Belastungsvorrichtung 10 weist an ihrem unteren Ende einen Prüfzylinder 11 auf, der Zug-, Druck- oder Schwingbelastungen an der Probe erzeugt. An der oberen Einspannung der Probe ist eine Kraftmeßdose 12 zur Lastmessung angebracht. Die Kraftmeßdose 12 ist mit einem Eingang eines Regelverstärkers 13 verbunden,

130013/0403

dessen Ausgangssignal das Ventil des PrüfZylinders 11 steuert. An dem anderen Eingang des Regelverstärkers 13 liegen das Ausgangssignal eines Funktionsgenerators I4 für die Sollwertvorgabe sowie das Steuersignal der Meßzyklusablaufsteuerung 15 an.

Auf einen Teil der Oberfläche der Probe 11 ist der Mikroskopvorsatz 16 der Fernsehkamera 17 gerichtet. Die Fernsehkamera 17 nimmt also ein Bild des betreffenden Teilbereichs der Probe 11 auf und liefert dieses zusammen mit den Synchronsignalen an den Diskriminator 18. Der Diskriminator 18 liefert die Bild- und Synchronsignale an einen Monitor 19, an dem das aufgenommene Fernsehbild sichtbar gemacht wird. Außerdem enthält der Diskriminator 18 eine Einrichtung zur Erzeugung eines Meßrasters auf dem Monitor 19. Dieses Meßraster, das aus horizontalen und vertikalen Streifen besteht, erleichtert das Einrichten der Fernsehkamera in Bezug auf den aufzunehmenden Oberflächenbereich der Probe.

Der Diskriminator 18 trennt ferner die Bildimpulse von den Synchronimpulsen der Fernsehkamera 17 und digitalisiert mit Hilfe einer Schwellwertschaltung die Bildimpulse, so daß bei den Bildimpulsen nur zwischen schwarz und weiß unterschieden wird. Diese binären Bildimpulse, die am Ausgang 20 des Diskriminators 18 auftreten, werden dem Speicher 21 und dem Vergleicher 22 zugeführt. Der Speicher 21 hat bei 120 Meßeinheiten eine minimale Speicherkapazität von 10 K und ist damit imstande, sämtliche Bildpunkte des Fernsehbildes aufzunehmen.

130013/0403

Der Speicher 21 hält also das zuletzt aufgenommene Fernsehbild fest. In :u?m Vergleicher 22 wird das im Speicher 21 enthaltene Fernsehbild mit dem nächstfolgenden Fernsehbild verglichen um festzustellen, ob beide Fernsehbilder identisch sind oder nicht.

Da die Zeilenrichtung der Fernsehkamera 17 rechtwinklig zu der Ausrichtung eines Risses an der Probe 11 ausgerichtet ist, kann in dem Vergleicher 22 der Vergleich der beiden Fernsehbilder durch zeilenweise Gegenüberstellung erfolgen. Stimmen zwei Zeilen nicht überein, dann hat sich der Riß in diese Zeilen hinein fortgesetzt. Der Ausgang des Vergleiches ist mit einem Mikroprozessor 23 zur Funktionssteuerung und Datenauswertung verbunden und dessen Ausgang ist an eine Datenausgabeeinrichtung 24 angeschlossen. Der Mikroprozessor 23 enthält einen Zähler, der diejenigen Zeilen zählt, in denen keine Koinzidenz zwischen beiden Fernsehbildern besteht. Der Zählerstand dieses Zählers gibt also den Rißfortschritt seit der letzten Messung an. Die Datenausgabe kann mittels eines Druckers erfolgen, wobei die Rißlänge, die Anzahl der Lastspiele, die Rißgeschwindigkeit, die Meßratennummer, die Uhrzeit usw. aufgezeichnet werden.

Der Mikroprozessor 23 stellt darüberhinaus fest, ob der Riß sich einem der Ränder des Fernsehbildes nähert und steuert in Abhängigkeit hiervon den Motorantrieb 24 für die Positionssteuerung der Fernsehkamera 17 mit dem Mikroskopvorsatz 16. Mit dem Mikroskopvorsatz 16 ist ein Distanzaufnehmer 25 gekoppelt, der die Entfernung des Mikroskopvorsatzes 16 von^vder Probe 11 ermittelt und diesen Wert dem Motorantrieb 24 zuführt. Dieser Ist-Wert wird mit dem von dem Mikroprozessor 23 gelieferten Soll-Wert verglichen und in Abhängigkeit von der Regelabweichung 5 wird ein Schlitten,auf dem die Fernsehkamera 17 mit dem Mikroskopvorsatz 16 und dem Distanzmeßaufnehmer 25 befestigt ist, gesteuert. Der (nicht dargestellte) Schlitten ist drei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen verfahrbar.

1 30013/0403

Der Mikroprozessor 23 steuert ferner die Meßzyklusablaufsteuerung 15 und über diese Zeilen- und Bild-" synchronisation 26 für die Fernsehkamera 17 in der Weise, daß die Aufnahme eines Fernsehbildes immer nur dann erfolgt, wenn die Belastung an der Probe kurzfristig ruht.

Die Taktung der Zeilen und Bildsynchronisation 26, der Meßzyklusablaufsteuerung 15, des Diskriminators 18, des Speichers 21 und des Mikroprozessors 23 erfolgt über einen Taktgeber 27. Hierbei handelt es sich um einen quarzgesteuerten Oszillator.

130013/0403

Claims

Ansprüche

.} Fortschrittsmeßeinrichtung mit einer Belastungsvorrichtung, in die eine Probe einspannbar ist, und einem auf die Probe gerichteten optischen Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Meßgerät eine Fernsehkamera (17) aufweist, die an einen Diskriminator (18) angeschlossen ist, welcher die Bildpunkte des Fernsehbildes in Binärimpulse umwandelt, daß der Diskriminator (18) an einen die Binärimpulse eines Fernsehbildes aufnehmenden Speicher (21) angeschlossen ist, und daß ein Vergleicher (22) vorgesehen ist, der den Inhalt des Speichers (21) mit den Binärimpulsen eines nachfolgenden Fernsehbildes vergleicht.
2. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der nicht übereinstimmenden Binärimpulse der verglichenen Fernsehbilder gezählt und angezeigt wird.
3. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fernsehkamera (17) ein Mikroskopvorsatz (16) vorgeschaltet ist.
4. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenrichtung der Fernsehkamera (17) rechtwinklig zu der Richtung des Risses verläuft und daß der Vergleich der Fernsehbilder durch zeilenweise Gegen überstellung erfolgt.

130013/CH03
5. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Diskrimina- " tor (18) derart ausgebildet ist, daß er ein zu den Bildkoordinaten paralleles Meßraster erzeugt.
6. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernsehkamera (17) auf einem Schlitten angebracht ist, der in drei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen gesteuert bewegbar ist.
7. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Schlittens in Abhängigkeit von der gemessenen Rißausbreitung erfolgt.
8. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsvorrichtung (10) derart gesteuert ist, daß die Belastung der Probe (11) in zeitlichen Intervallen erfolgt, und daß die Aufnahmen der weiteren Fernsehbilder jeweils in den Intervallpausen erfolgen.
9. Rißfortschrittsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgeber (27) vorgesehen ist, der die Zeilen- und Bildsynchronisation der Fernsehkamera (17), die Speichereingabe und Speicherausgabe, den Vergleicher (20) sowie ggf. eine Meßzyklusablaufsteuerung (15) taktet.

130013/0403