DE3029776A1 - Verfahren zum beruehrungslosen empfang von ultraschallwellen - Google Patents
Verfahren zum beruehrungslosen empfang von ultraschallwellenInfo
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Description
Krautkrämer GmbH 18. JuLi 198o
Luxemburger Str. 449 P/bdl
5ooo Köln 41 K-146
VERFAHREN ZUM BERÜHRUNGSLOSEN EMPFANG VON ULTRASCHALU-JELLEN.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Empfang von ultraschallwellen,
die auf die Oberfläche eines Prüfstückes auftreffen, indem die im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächengebiete des Prüfstückes
mit Laserlicht beleuchtet und das durch die Oberflächenschwankungen modulierte Meßlicht mit Hilfe eines Laufzeitinterferometers
demoduliert wird.
Wird in einem zu prüfenden Prüfstück eine Ultraschallwelle erzeugt, dann
ist ihre Ausbreitung im Prüfstück an den Stellen gestört, die andere akustische Eigenschaften besitzen als die Umgebung. Solche Stellen können
z.B. Fremdeinschlüsse, Materialtrennungen, Gefügeänderungen usw. sein. An der Oberfläche des zu prüfenden Prüfstückes wird in jedem Falle ein Ultra—
Schallwellenrelief vorhanden sein, das Informationen aus dem Inneren
des Prüfstückes enthält. Es ist bekannt, dieses Ultraschallwellenrelief beispielsweise mit Hilfe von elektroakustischen Wandler abzutasten,
in elektrische Signalspannungen umzuwandeln und aus dem zeitlichen Verlauf dieser Spannungen oder nur aus ihrer Amplitude einen
Befund über das Prüfstück zu bilden. Zur Abtastung des Ultraschallwellenreliefs
sind auch berührungslos arbeitende optische Verfahren bekannt, die optische Interferometeranordnungen verwenden (vgl. das
Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J.H. Krautkrämer, 3. Auflage,
1975, erschienen im Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, auf den Seiten 162—17o, insbesondere auf den Seiten 168-17o).
Hierbei wird die Oberfläche des PrüfStückes_von der die Schallwellen
empfangen werden sollen, mit einfarbigem Licht, z.B. aus einem Laser (oftmals ein frequenzstabilisierter Einmodenlaser), beleuchtet. Das an der
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Oberfläche des Prüfstückes reflektierte bzw. gestreute Laserlicht ist durch
den Dopplereffekt infolge der ültraschallschwingungen der Prüfstückoberfläche
frequenzmoduliert. In Interferometeranordnungen xiird diese Frequenzmodulation
in HelÜgkeitsschwankungen (Amplitudenmodulation) umgewandelt und in Fotodetektoren in elektrische Signalspannungen umgesetzt,
die z.B. auf einem Kathodenstrahloszilloskop angezeigt und zur Befundbildung herangezogen werden.
In einer derartigen Interferometeranordnung wird allgemein der eintretende
Lichtstrahl aufgespalten, über 2 verschiedene Wege durch das Interferometer geführt und wieder vereinigt. Wird das Licht auf dem einen
optischen Weg um eine Zeit verzögert, die ungefähr der halben Schwingungsdauer der Ultraschallwelle entspricht, kann man nach Wiedervereinigung der
beiden Lichtstrahlen erreichen, daß in dem Gesichtsfeld des Interferometers Dunkelheit, maximale Helligkeit oder eine mittlere Heiligkeit vorhanden
ist. Ist das in das Interferometer eintretende Licht nun mit der Frequenz der Ultraschallwelle moduliert, so wird die Helligkeit im Gesichtsfeld
des Interferometers mit dieser Frequenz schwanken. Hier angeordnete Fotodetektoren geben also eine elektrische Signalspannung ab, in deren
zeitlichen Verlauf diese Helligkeitssclxwankungen enthalten sind.
Nachteilig ist bei den erwähnten bekannten Verfahren, daß Frequenz- und Amplitudenschwankungen des das Prüfstück beleuchtenden
Laserlichtes zu entsprechenden Helligkeitsschwankungen im Gesichtsfeld
des Interferometers führen, die die von den Ultraschallwellen verursachten HelligkeitsSchwankungen überlagern.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem eine Verfälschung der Meßergebnisse
durch Frequenz- und Amplitudenschwankungen des das Prüfstück
beleuchtenden Laserlichtes möglichst vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des
Anspruches 1 gelöst.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im
folgenden anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig.1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig.2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Interferometer
vom Mach-Zehnder-Typ.
In Fig.1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, dessen Lichtstrahl 2 auf einen teildurchlässigen
Spiegel 3 trifft.Der durchgelassene Lichtanteil 4 (gestrichelte
Linie)beleuchtet die Oberfläche 5 des Prüfstückes 6. Das an der Oberfläche
gestreute und reflektierte Licht 7 gelangt in ein Laufzeitinterferometer 8,
das im dargestellten Beispiel als Michelsoninterferonieter ausgeführt ist.
Das sich am Ausgang des Interferometers ergebende helligkeitsmodulierte Licht 17 wird von einem Fotodetektor 9 empfangen. Die sich am Ausgang
dieses Detektors ergebenden elektrischen Signalwerte werden dann in einem Verstärker 1o verstärkt und einer Differenzschaltung 11 zugeführt.
Der an dem Spiegel 3 reflektierte Lichtanteil 12 gelangt über einen Umlenkspiegel
13 ebenfalls in das Interferometer 8 und das entsprechende helligkeitsmodulierte
Licht 18 in einen Fotodetektor 14. Der entsprechende elektrische Signalwert wird wiederum über einen Verstärker 15 sowie einer
elektrischen Verzögerungsleitung 16 der Differenzschaltung 11 zugeführt.
Wie in Fig.1 dargestellt, durchlaufen die Lichtstrahlen 12 und 7 im Interferometer
8 parallel zueinander dieselben Wege. Beide Lichtstrahlen sind also örtlich voneinander getrennt.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung beruht im wesentlichen
auf dem Gedanken, die elektrischen Signalwerte I , die man am Ausgang
des Verstärkers 1o erhält, dadurch von den unerwünschten, auf die
Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 zurückzuführenden
Schwankungen zu befreien, indem man ein entsprechendes Signal I ' bildet und dieses von I abzieht. I' darf allerdings nur von
den Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 und nicht
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auch von den Schwankungen der Oberfläche 5 des Prüfstückes ö abhängen.
Daher wird der entsprechende als Vergleichsstrahl verwendete Lichtstrahl 12 aus dem Laserstrahl 2 bereits bevor der Laserstrahl auf die Oberfläche 5
trifft mit Hilfe des Spiegels 3 ausgekoppelt. Aus diesen Grund ist der Vergleichslichtstrahl (12, 18) etwas kurzer als der Meßlichtstrahl (4, 7, 17)
Die Signale am Ausgang der Verstärker 1o und 15 I. und I besitzen daher
unterschiedliche Phasen hinsichtlich der durch die Frequenz- und Amplituden—
Schwankungen verursachten Signalschwankungen. Diese Phasenunterschiede von I und I0 werden mit Hilfe der Verzögerungsleitung 16 kompensiert. Das
elektrische Signal I' am Ausgang der Verzögerungsleitung 16 hat also die gleiche Phase wie das Signal I . Das sich am Ausgang des Differenzgliedes
ergebende Signal I- = I. - I„ weist dann praktisch keine Schwankungen mehr
auf j die auf die Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2
zurückzuführen sind.
Dadurch, daß der Verglaichslichtstrahl (12, 18) auch durch das Interferometer
8 geführt wird, ergeben sich zwei Vorteile: Einerseits sind die optischen Wege von Vergleichslicht und Meßlicht nicht allzu verschieden, so
daß mit Hilfe der Verzögerungsleitung 16 nur ein Feinabgleich vorgenommen werden braucht. Andererseits, und dieses ist der wichtigere Grund, wird
es erst durch diese Maßnahme möglich, auch FrequenzSchwankungen des Laserlichtes 2 elektrisch zu kompensieren. Denn das Interferometer wandelt
diese Frequenzschwankungen in entsprechende Helligkeics- d.h. in Amplituden-Schwankungen
um, die dann von den Fotodetektoren in entsprechende Signalschwankungen umgewandelt werden. Und es sind häufig gerade diese von Frequenzschwankungen
des Laserlichts 2 stammenden Amplitudenschwankungen des Meßiichtes 17, die kompensiert werden sollen.
Das beschriebene Verfahren hat sich besonders bei Verwendung von Interferometern
vom Mach-Zehnder-Typ bewährt, weil in diesem Fall der Meß- und der Vergleichsstrahl
nicht Örtlich getrennt voneinander im Interferometer geführt werden müssen, was erhebliche Justierprobleme mit sich bringt. Vielmehr
können beide Lichtstrahlen die gleichen optischen Wege durchlaufen, sofern die Richtungen der Lichtstrahlen entgegengesetzt sind. Dieses ist in
Fig.2 dargestellt. Dabei sind für die auch in Fig.1 gezeigten Vorrichtungs—
teile die gleichen Bezugszeichen gewählt worden.
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Der Meßstrahl 7 (in Fig.2 mit einer offenen Pfeilspitze versehen) teilt
sich am Interferometerspiegel 21 in einen Lichstrahl 22 und einen Lichtstrahl 23. Nach Reflexion des Lichtstrahles 23 an den Spiegeln 24
und 25 werden die beiden Lichtstrahlen am Ort des teildurchiässigen
Spiegels 26 zur Überlagerung gebracht. Die entsprechenden Helligkeitsschwankungen werden dann von dem Fotodetektor 9 in entsprechende
elektrische Signalschwankungen umgewandelt.
Der Vergleichsstrahl 12 (in Fig.2 mit einer geschlossenen Pfeilspitze versehen)
wird durch den Spiegel 26 in einen Lichtstrahl 27 und einen Lichtstrahl 28 geteilt, die die gleichen optischen Wege wie die Lichtstrahlen
23 und 22, aber in entgegengesetzter Richtung, durchlaufen.
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Leerseite
Claims (2)
1. Verfahren zum berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen, die auf die
Oberfläche eines Prüfstückes auftreffen, indem die im Takt der Ultraschallwelle
ausgelenkten Oberflächengebieta des Prüfstückes mit Laserlicht beleuchtet
und das durch die Oberflächenschwankungen modulierte Meßlicht
mit Hilfe eines Lauf zeitinterferometc-rs demüduliert wird, gekennzeichnet durch die Merkmale
- aus dem das Prüfstück (6) beleuchtenden Laserlicht (2) wird ein Teil
als Vergleichslicht (12, 18) ausgeblendet;
- das Vergleichslicht (12, 18) wird ohne daß es vorher auf die Oberfläche
(5) des Prüf Stückes (6) fällt(in das Interferometer (8-, 2o) eingeblendet,
wobei
- Vergleichs-02, 18) und Meßlicht (4,7,17) dieselben Wege im Interferometer
(8", 2o) durchlaufen;
- die sich am Ausgang des Interferometers (8; 2o) ergebenden und auf das
Vergleichs licht (12, 18) zurückzuführenden HellLgkeitsschwankungen
werden mit Hilfe eines Fotodetektors (14) in entsprechende elektrische Signalwerte(I„,umgewandelt;
- diese elektrischen Signalwerte ,I„,werden nach Durchlaufen einer Verzögerungsleitung
(16) in einer Differenzschaltung (11) von den dem Meßlicht (4, 7, 17) entsprechenden elektrischen Signalwerten I
abgezogen;
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- wobei die Länge der Verzögerungsleitung (16) so gewählt wird, daß
sich am Ausgang der Differenzschaltung (11) ein elektrisches Signalj
ergibL, das keine Signalschwankung mehr enthält, die von
Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichts (2) hervorgerufen
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Interferometer (2o) ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet
wird, und daß das Vergleichslicht (12, 18) und das Meßlicht (4, 7, 17) derart in das Interferometer (2o) eingekoppelt werden, daß sie dieselben
optischen Wege aber in entgegengesetzter Richtung durchlaufen (Fig.2).
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