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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Prüfung
von absorptionsfähigen Materialien auf Inhomogenitäten, insbesondere zur Oberflächenprüfung,
wobei das Material örtlich einer Bestrahlung mit einem Lichtstrahl ausgesetzt wird,
der aufgrund des sog.
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photothermischen Effektes im Material durch Absorption einen Temperaturanstieg
und eine strukturelle Veränderung bewirkt, die Grundlage von Messungen sind.
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Die Erfindung bewegt sich somit auf dem Gebiet der Photoakustischen
Spektroskopie. Hiernach werden durch Licht, das auf die Oberfläche eines absorptionsfähigen
Materials auftrifft und weder reflektiert noch durchgelassen wird, Wärmewellen erzeugt.
Die Wärme bewirkt lokale Ausdehnungen im Inneren des Materials, die sich fortpflanzen.
An der Oberfläche des Materials angelangt, erzeugen die Ausdehnungen in der Umgebungsluft
einen Schallimpuls. Die Stärke der Ausdehnung ist stoffspezifisch, erfaßt also Inhomogenitäten,
insbesondere das Vorhandensein von Fremdsubstanzen.
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Die Phasenverschiebung zwischen einfallender Licht-und austretender
Wärme- bzw. Schallwelle ist ein Maß für die Tiefe, in der das Material absorbiert.
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Bekannt ist ein Verfahren zur Untersuchung der Oberflächenqualität
von festen Materialien nach der DE-OS 33 37 000, bei dem die Phasenverschiebung
einer thermischen Oberflächenwelle gemessen wird, die von einem modulierten Lichtstrahl
erzeugt wird. Der Phasenwinkel der kontinuierlichen thermischen Welle wird mit Temperaturdetektoren
entweder für einen bestimmten Abstand vom Lichtfleck als Funktion der Frequenz oder
für eine feste Frequenz als Funktions des Abstandes gemessen.
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Da der Phasenwinkel der thermischen Welle von der Dicke der oberflächengehärteten
Schicht abhängt, kann die Dicke der gehärteten Schicht hierdurch gemessen werden.
Apparativ bedeutet dies, daß entweder die Modulationsfrequenz des Lichtstrahles
planmäßig geändert werden muß, oder es bedarf eines Manipulators zum Verschieben
mindestens eines Temperaturdetektors, um Phasenverschiebungen infolge Inhomogenitäten
im Material zu erfassen. Außerdem ist ein Phasendetektor erforderlich, der die Phase
des gemessenen Signals mit einem festen Referenzsignal vergleicht. Das bekannte
Verfahren ist speziell auf die Wellenausbreitung längs der Oberfläche und deren
Phase als Funktion der über die Oberfläche zurückgelegten Entfernung gerichtet,
so daß nur auf eine Inhomogenität zwischen dem Lichtfleck und dem Meßpunkt geschlossen
werden kann, die Inhomogenität also nicht lokalisiert werden kann.
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In der DE-OS 33 37 000 ist auf ein anderes Verfahren gemäß der finnischen
Patentanmeldung 8 01 850 Bezug genommen, bei dem der modulierte Lichtstrahl von
einem Laser erzeugt wird. Ein Infrarot-Meßgerät als Temperaturdetektor zeichnet
den periodischen Anstieg der Oberflächentemperatur auf. Zwar wird durch dieses Verfahren
die Materialoberfläche hauptsächlich an der Stelle des Lichtflecks allein bemessen,
jedoch ist die unabdingbare Temperaturmessung (und dies gilt auch für das Verfahren
nach der DE-OS 33 37 000) möglicherweise äußeren Einflüssen ausgesetzt und daher
nicht immer zuverlässig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf der Grundlage des
photothermischen Effektes im Material beruhendes Prüfverfahren anzugeben, das einer
Temperaturmessung (über die Messung von Phasenverschiebungen oder unmittelbar) nicht
bedarf, um deren Abhängigkeit von äußeren Einflüssen auszuschließen.
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Die Erfindung umfaßt zwei Prinziplösungen des einheitlichen Problems.
Die erste Lösung setzt eine ebene Materialoberfläche voraus und bestimmt. daß die
vom Lichtstrahl beeinflußte Zone, die ein Punkt oder eine Linie sein kann, von einem
parallel zur und dicht oberhalb der Materialoberfläche gerichteten Laserstrahl abgetastet
wird, und daß die Richtungsänderung des Laserstrahls nach der Lichtbestrahlung gemessen
wird.
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Diese Lösung benutzt den bekannten Mirage-Effekt zu einem neuen Zweck
mit der Folge, daß die temperaturbedingte Änderung des Brechungsindex der Luft im
Bereich der vom Lichtstrahl beeinflußten Zone eine Ablenkung des Laserstrahls bewirkt.
Das Maß der Ablenkung gegenüber dem Referenzsignal, das vor der Bcstrahlung des
Materials, d. h. vor der Richtungsände-
rung des Abtast-Laserstrahls
direkt anfällt und feststellbar ist, is ein Maß für eine festgestellte lnhomogcnität
iiii Material oder an dessen oberfläche. Durch andere Einflüsse als den Mirage-Effekt
kann im gegebenen Zusammenhang der Abtast-Laserstrahl nicht abgelenkt werden, wobei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zugute kommt, daß der Laserstrahl von der Materialoberfläche
weg abgelenkt wird.
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Die zweite Lösung gemäß der Erfindung geht von einer unebenen, aber
reflektierenden Materialoberfläche aus und bestimmt, daß die vom Lichtstrahl beeinflußte
Zone von einem im Einfallswinkel zum Lichtstrahl gerichteten Laserstrahl abgetastet
wird, und daß die Richtungsänderung des reflektierenden Laserstrahls nach der Lichtbestrahlung
gemessen wird. Dieses Verfahren beruht auf dem eingangs erwähnten Effekt der stoffspezifischen
lokalen Ausdehnung im Inneren des Materials, also einer strukturellen Veränderung,
die auf Inhomogenitäten im Material schließen läßt. Wenn vor der Lichtbestrahlung
der Abtast-Laserstrahl in dem dem Einfallswinkel gleichen Ausfallswinkel reflektiert
wird und seine Richtung als Referenzsignal unmittelbar feststellbar ist, ändert
sich aufgrund einer mechanischen Ausdehnung im Material und damit der reflektierenden
Oberfläche im Lichtfleck die Richtung der Oberflächen-Normalen und damit der Ausfallswinkel.
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Die Oberflächen-Normale ist praktisch die Winkelhalbierende zwischen
dem einfallenden und dem reflektierten Laserstrahl, die bei festliegender Richtung
des einfallenden Laserstrahls ihre ursprüngliche Lage verändert, wobei sich der
Ausfallswinkel des reflektierten Laserstrahls im doppelten Winkelmaß wie die Oberflächen-Normale
ändert, da ja Einfallswinkel und Ausfallswinkel stets gleichbleiben. Die mit der
Einführung des Abtast-Laserstrahls gemäß der Erfindung verbundenen Vorteile sind
ansonsten dieselben wie im Zusammenhang mit der ersten Lösung angeführt.
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Soweit bisher beschrieben, ist eine Modulation des Lichtstrahls,
der im übrigen ebenfalls ein Laserstrahl sein kann, nicht zwingend notwendig. Es
ergibt aber meßtechnische Vorteile, wenn der Lichtstrahl intensitätsmoduliert wird.
Es fallen dann Wechselspannungssignale an, bei denen das Rauschen besser zu unterdrükken
ist als bei Gleichspannungssignalen.
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Die Erfindung sieht auch vor, daß die Frequenz der Intensitätsmodulation
des Lichtstrahls verändert wird.
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Hierdurch kann man an ein und derselben Meßstelle ein Tiefenprofil
der strukturellen Veränderung innerhalb des Materials aufgrund des photothermischen
Effektes messen, da die Eindringtiefe bzw. die Absorptionsfähigkeit des Materials
von der Modulationsfrequenz des Lichtstrahls abhängig ist.
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Apparativ benötigt das erfindungsgemäße Verfahren für beide angegebenen
Lösungen eine Lichtquelle, einen Abtast-Laser und einen Positions-Detektor, der
die Null-Richtung sowie die Richtungsänderungen des Laserstrahls nach der Lichtbestrahlung
des Objektes mißt und entsprechende Signale abgibt. Je größer der Abstand des Positions-Detektors
von der lichtbestrahlten Zone des Materials entfernt ist, umso größer werden die
Vergleichswerte zwischen der Null-Richtung und der geänderten Richtung des abgelenkten
bzw. reflektierten Laserstrahls.
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Zweckmäßig wird ein gemeinsames Traggestell für alle erforderlichen
Bauelemente vorgesehen, um zu einer transportablen und leicht umsetzbaren Meßapparatur
zu gelangen. Wenn ein intensitätsmodulierter Lichtstrahl verwendet werden soll,
ist ein Lichtintensitäts-
Modulator, ein sog. »Choppe?', erforderlich. Selbstverständlich
kann die Lichtfrequenz auch durch ein Stroboskop dargestellt werden. Der Lichtstrahl
kann auch Infrarotlicht sein.
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In der Zeichnung sind die beiden erfindungsgemäßen Lösungen in AusführungsbeisPielen
schematisch dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 eine Meß-Anordnung der ersten Lösung
für eine ebene Materialoberfläche, Fig. 2 eine Meß-Anordnung der zweiten Lösung
für eine unebene, aber reflektierende Materialoberfläche, und Fig. 3 und Fig. 4
funktionelle Einzelheiten der zweiten Lösung nach Fig. 2.
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In Fig. ist der Prüfling ein teilweise dargestelltes Magnetband 1,
das über eine nicht dargestellte Walze bei der Messung kontinuierlich oder schrittweise
vorgeschoben wird und in Richtung der oberen Mantellinie der Walze eine ebene Materialoberfläche
hat. Von einer Lichtquelle 2 wird mit Hilfe eines Intensitäts-Modulators 3 ein Lichtstrahl
4 ausgestrahlt, der auf der Oberfläche des Magnetbandes 1 einen Lichtfleck bzw.
eine vom Lichtstrahl 4 beeinflußte Zone erzeugt. Von einem Abtast-Laser 5 wird ein
Laserstrahl 6 ausgesendet, der parallel zur und dicht oberhalb der Materialoberfläche
gerichtet ist.
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Da ein nichtreflektierter Teil des Lichtstrahles 4 von dem Magnetband
1 absorbiert wird, wird die entsprechende Lichtenergie in Wärme umgewandelt, die
die Luft oberhalb der vom Lichtstrahl 4 beeinflußten Zone erwärmt und einen Mirage-Effekt
begründet Hierdurch ändert sich temperaturbedingt der Brechungsindex der Luft, und
der Abtast-Laserstrahl 6 wird in seinem Verlauf nach der Lichtbestrahlung abgelenkt,
Der abgelenkte Lichtstrahl 6b trifft auf einen Positionsdetektor 7, der ein der
Richtung des Strahles 6b entsprechendes Signal abgibt. Dieses Signal ist gegenüber
der nichtabgelenkten Strahlrichtung 6a, die sich vor der Bestrahlung des Prüflings
einstellt und im Positionsdetektor 7 unmittelbar das Referenzsignal erzeugt, ein
Maß für die Ablenkung des Laserstrahls 6b. Dieses vom Positionsdetektor 7 gelieferte
Signal kann auch das Referenzsignal für eine als gut zu befindende Homogenität des
zu prüfenden Materials sein, so daß Richtungsänderungen des abgelenkten Laserstrahls
6b gegenüber der in Fig. 1 eingezeichneten Richtung Signale liefern, die unerwünschte
Inhomogenitäten abbilden.
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Fig. 2 zeigt die Meßanordnung für die zweite Lösung, bei der der
Prüfling 8 eine übertrieben dargestellt unebene Materialoberfläche hat, die aber
reflektieren muß. Wegen der unebenen Materialoberfläche kann der Abtast-Laserstrahl
nicht entlang der Oberfläche verlaufend gerichtet sein. Daher wird der von dem Abtast-Laser
5 erzeugte Laserstrahl 6 in einem spitzen Einfallswinkel a zum Lichtstrahl 4 gerichtet,
so daß die vom Lichtstrahl 4 beeinflußte Zone abgetastet wird. Der Einfallswinkel
a muß so klein sein, daß der Mirage-Effekt unbedeutend ist, der einfallende Laserstrahl
6 jedoch zu dem ausfallenden Laserstrahl 6a reflektiert wird, wenn die Materialoberfläche
im Bereich der vom Lichtstrahl 4 beeinflußten Zone eben ist, d. h. der Lichtstrahl
4 mit der Normalen 9a, der Winkelhalbierenden zwischen einfallendem Laserstrahl
6 und ausfallendem Laserstrahl 6a zusammenfällt, wie Fig. 3 zeigt.
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Der Ausfallswinkel ist hier mit fi bezeichnet. Diese Situation stellt
sich ein, wenn die Lichtquelle ausgeschaltet ist, so daß der Positionsdetektor 7
ein Null-Signal
liefert, entsprechend dem nicht abgelenkten Laserstrahl
6a in Fig. 1. Nach dem Einschalten der Lichtquelle 2 bewirkt die im Material entstehende
Wärme eine lokale Ausdehnung im Inneren des Materials, die sich zu einer in Fig.
4 übertrieben dargestellten mechanischen Ausdehnung 10 der Materialoberfläche ausbildet.
Hierdurch ändern sich die Reflektionsverhältnisse in der Weise, daß die Normale
9a im Meßpunkt ihre Richtung ändert, wie in Fig. 4 durch die Linie 9b dargestellt
ist. Da die Richtung des einfallenden Abtast-Laserstrahls 5 festliegt und sich der
Einfallswinkel g ändert, ändert sich auch der gleiche Ausfallswinkel ß des reflektierten
Laserstrahls 6b,so daß der Positionsdetektor 7 ein Meßsignal liefert, das die Größe
der mechanischen Ausdehnung 10 abbildet, die auf eine Inhomogenität im Material
schließen läßt.
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