DE3628313A1

DE3628313A1 - Laserinduzierte akustische erzeugung fuer schall-modul

Info

Publication number: DE3628313A1
Application number: DE19863628313
Authority: DE
Inventors: Mary Anne Leugers
Original assignee: Union Camp Corp
Current assignee: Union Camp Corp
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1986-08-21
Publication date: 1987-02-26
Anticipated expiration: 2006-08-22
Also published as: SE468145B; SE8603544D0; JPS6247549A; DE3628313C2; US4622853A; SE8603544L; CA1273099A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung physikalischer Eigenschaften einer dünnen Lage, Bahn, Platte oder eines Blattes, insbesondere aus Papier.

Für verschiedene Verwendungen und Anforderungen hergestelltes Papier muß bestimmte Festigkeitsanforderungen erfüllen. Derartige Festigkeitsparameter werden gewöhnlich durch Untersuchungen bestimmt, in deren Ablauf die untersuchte Probe zerstört wird, beispielsweise durch die Anwendung von Spannung, bis das Papier reißt. In einigen Fällen ist diese Art der Zerstörungsprüfung ungewünscht. Beispielsweise können diese Untersuchungen bei Papier ausgeführt werden, das auf eine Spule oder Hülse aufgewickelt worden ist. Es muß von der Spule abgeschnitten werden und wird vor der Untersuchung gewöhnlich auf eine Standardfeuchtigkeit konditioniert. Für dieses Vorgehenwird beträchtliche Zeit benötigt, was für ein Untersuchungsverfahren unerwünscht ist, das zur Steuerung und Überwachung einer Papiermaschine verwendet wird, da vor Detektion und Korrektur eine beachtliche Menge an Nichtqualitätsware erzeugt werden kann.

In der US-PS 42 91 577 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von Papier bei der Herstellung in einer fortlaufenden, sich schnell bewegenden Bahn beschrieben. Bei dieser Erfindung wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß viele der Festigkeitsparameter von Papier in einer Beziehung zum Elastizitätsmodul stehen. Letzteres kann mit der Geschwindigkeit von Schallwellen korreliert werden, die sich durch die Papierbahn fortpflanzen. Ein sendender Schallgeber bzw. Wandler sendet ein mechanisches Signal zum Papier, und ein Empfängerwandler empfängt das Ultraschallsignal vom Papier. Durch Kenntnis der Zeit, die die Ultraschallwellen zur Fortpflanzung durch das Papier benötigen, und der Entfernung, die sie zurücklegen, kann die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen berechnet werden. Die Wandler sind in Rädern angeordnet, die sich in physikalischem Kontakt mit der sich bewegenden Papierbahn befinden. Dadurch, daß die Untersuchung zerstörungsfrei während der Erzeugung des Papiers ausgeführt werden kann, ist eine derartige Vorrichtung als solche kompliziert. So müssen die die Sende- und Empfängerwandler enthaltenden Räder in hohem Maße synchronisiert sein. Der Sendewandler muß mit der Bahn bzw. dem Blatt in Kontakt stehen und eine akustische Welle erzeugen, die 1 bis 100 µs später bei einem Empfängerwandler in kurzer Enfernung davon detektiert werden muß. Der Empfängerwandler muß lange genug mit dem Blatt in Kontakt bleiben, so daß er die erste Schwingung des erzeugten akustischen Impulses nicht verfehlt. Es bestehen ernstliche Behinderungen bei diesem Untersuchungsverfahren.

Was bedeutsamer ist, die Signalstärke hängt von der Kraft ab, mit der die mechanischen Sende- und Empfängerwandler auf die sich bewegende Bahn aufgebracht werden. Dieser Faktor allein ist eine ernstliche Behinderung bei der Verwendung des Verfahrens, wobei Spannungskräfte sowohl bei der Vorrichtung als auch bei der sich bewegenden Bahn erzeugt werden.

Offensichtlich wäre es erwünscht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels deren Papier zerstörungsfrei ohne physikalischen Kontakt oder mit einer minimalen auf die Bahn ausgeübten Kraft untersucht würde. Dieses Erfordernis wird durch die Erfindung erfüllt, indem ein Laserstrahl zur Erregung des erforderlichen akustischen Signals in der Bahn verwendet wird, wobei somit ein Punkt physikalischen Kontakts eliminiert wird. Der Empfänger kann entweder ein mechanischer Wandler in Kontakt mit dem Papier oder ein Mikrophon sein, das sich nicht in physikalischem Kontakt mit dem Papier befindet. Auf diese Weise werden Punkte physikalischen Kontakts und von Spannung auf ein Minimum herabgesetzt oder im Fall eines Mikrophons eliminiert.

Die Verwendung von Laserstrahlen zur Erzeugung akustischer Wellen ist in der US-PS 41 69 662 beschrieben.

Durch die Erfindung sind somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines Werkstücks, wie zum Beispiel einer sich bewegenden Papierbahn, geschaffen worden. Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sowie vorteilhafte Weitergestaltungen sind in den Ansprüchen angegeben.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserlichtstrahls oder eines anderen kurzen Lichtimpulses zur Erregung bzw. Erzeugung einer akustischen Welle verwendet und ein Mikrophon wird als Einrichtung zur Detektion der Geschwindigkeiten der erzeugten Ultraschallwellen verwendet. Hierdurch ist die On-line-Untersuchung einer sich bewegenden Bahn ohne physikalischen Kontakt mit der Bahn ermöglicht. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein piezoelektrischer Wandler als Detektionseinrichtung verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Laserlicht als Erregungsquelle und ein piezoelektrischer Wandler als Detektionseinrichtung verwendet werden, und

Fig. 2 photoakustische Wellenformen, die in Papier erhalten worden sind, wobei die Entfernung zwischen den Erregungs- und Detektionspunkten verändert worden ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden, um Festigkeitseigenschaften einer großen Menge lichtabsorbierender Untersuchungsmaterialien zu messen, die Bahnen, Bögen oder Blätter aus Papier, synthetischen Polymerharzen und dgl. enthalten, aber nicht auf diese beschränkt sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Papierbahn bei der Herstellung in einer Papier herstellenden Maschine kurzen Lichtimpulsen, vorzugsweise Laserstrahlung, zwecks Bestimmung mechanischer Festigkeitseigenschaften des Papiers ausgesetzt. Die Moleküle im Papier, die die einfallenden Photonen absorbieren, emittieren die Energie wieder durch mehrere Kanäle, d. h. auf mehreren Wegen, von denen der wirksamste der eines lokalisierten Wärmeimpulses in der Probe ist. Die so erzeugte Wärme ruft wiederum eine mechanische Beanspruchung in der Struktur des Materials hervor, die sich als akustische Welle zeigt. Die akustische Welle breitet sich von dem bestrahlten Punkt durch das Medium nach außen aus. Der erzeugte akustische Impuls kann bei sich ändernden Entfernungen vom Erzeugungspunkt detektiert werden, um eine Messung der akustischen, d. h. Schallgeschwindigkeit im Medium zu erhalten.

Das anfängliche Ausmaß der mit der Lichtquelle erzeugten Erregung hängt von der verwendeten Wellenlänge ab. Geeignete Wellenlängen liegen im Bereich von 200 bis 10 000 nm. Die Verwendung optimaler Wellenlängen in diesem Bereich führt zu einer größeren Absorption der einfallenden Energie und daher zu einem stärkeren akustischen Signal. Es kann jede den gewünschten Effekt erzeugende Lichtquelle verwendet werden, vorzugsweise eine Laserquelle. Die Messungen von Longitudinal- und Scherwellengeschwindigkeiten der sich durch die Papierbahn fortgepflanzten akustischen Welle kann dann mit dem Elastizitätsmodul, Schubmodul und der Poissonschen Zahl in Beziehung gesetzt werden. Diese Art der Online- Bestimmung kann in einem Steuer- und Regelsystem mit geschlossener Schleife verwendet werden, um die Variablen der Papiermaschine während der Herstellung der Papierbahn einzustellen und zu optimieren, wie z. B. das Voreil-Schleppverhältnis (rush-drag ratio, z. B. die Antriebsgeschwindigkeit), den Feinheit- bzw. Refine- Grad, das Naßpressen, etc.

Die Messung der Geschwindigkeit der akustischen Wellenform kann auch dazu verwendet werden, Informationen bezüglich der Wechselwirkung der Welle mit dem Medium zu erhalten, durch das sich die Welle fortgepflanzt hat, wie z. B. Information über die Dichte des Mediums sowie über die Orientierung verschiedener mikroskopischer Elemente im Medium.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Erregung der akustischen Wellenform mit einem Laserlichtstrahl ausgeführt und die Detektion der Schallwellen wird mit einem piezoelektrischen Wandler erzielt, der in einen kurzen physikalischen Kontakt mit der Papierbahn tritt. Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.

Laserlicht mit einer Wellenlänge von 532 nm aus einem Neodym/Yttrium-Aluminium-Granat (Nd/YAG) 10 als Laserlichtquelle wird durch Reflexion von einem Spiegel 14 und Kondensierung (oder Bündelung) durch eine Linse 16 (die Linse ist wahlfrei) direkt auf die absorbierende Oberfläche 12 von Papier 8 fokussiert. Die Lichtquelle 10 könnte auch eine beliebige andere Vorrichtung sein, die kurze intensive Lichtimpulse in der Größenordnung einer Mikrosekunde oder weniger erzeugt, wie z. B. eine Blitzlampe. Der Detektionsfühler, bei dem es sich im vorliegenden Fall um einen piezoelektrischen Wandler 18 handelt, ist bei einer feststehenden und vorbestimmten Entfernung vom Auftreffpunkt des Laserstrahls in Kontakt mit der Oberfläche 12 des Papiers 8 angeordnet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Detektionssystem aus dem piezoelektrischen Wandler 18, einem Vorverstärker 20, einem Übergangs- und Transientenwandler 22 (A/D-Wandler) und einer Fotodiode 24.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird das vom Wandler 18 aufgenommene akustische Signal in ein elektrisches Signal umgewandlet und zum Verstärker 20 übertragen. Das verstärkte Signal wird dann zum Transientenwandler 22 übertragen. Der Transientenwandler 22 mißt die Zeit zwischen dem Zünden des Lasers, wie dies von der Fotodiode 24 detektiert worden ist, und dem Empfang des elektrischen Signals durch den Wandler 18. Die gemessene Zeit umfaßt die elektrische Übertragungszeit in elektrischen Kabeln etc., aber diese zusätzliche Zeit kann berechnet und abgezogen werden, um die Fortpflanzungs- und Übertragungszeit der akustischen Welle durch das Untersuchungsmaterial 8 zu erhalten. Die gemessene Übertragungszeit der akustischen Welle kann gemittelt werden und dazu verwendet werden, den Elastizitätsmodul zu berechnen und die Festigkeitseigenschaften des Blatts 8 zu bestimmen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beim Detektionssystem anstelle des piezoelektrischen Wandlers 18 ein Mikrophon in einem akustisch gedämpften Gehäuse verwendet. Auf diese Weise erübrigt sich das Erfordernis irgendeines physikalischen Kontakts mit dem Papier 8.

Bei den folgenden Beispielen wurden die durch Erregung des Papiers mit einem Laserstrahl erzeugten akustischen Signale mit einem piezoelektrischen System wie in dem in Fig. 1 dargestellten System analysiert. Die Erregungsquelle war ein Quantenstrahl-ND/YAG-Laser, der Laserlicht mit einer Grundwellenlänge von 1064 nm mit einer Impulsdauer von ungefähr 10 ns erzeugt. Diese Frequenz wird verdoppelt, um einen Strahlungsimpuls mit 532 nm zu erzeugen. Dieser kurze Lichtimpuls wird auf eine Papierbahn oder ein Papierblatt gerichtet, um verschiedene akustische Moden im Papier zu erzeugen.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wird ein in vier Standardmaterialien eingerichteter Vergleich von Longitudinalwellengeschwindigkeiten gezeigt, wenn das Signal mit einem kontaktierenden piezoelektrischen Wandler der vorbekannten Art induziert wird und wenn das Signal unter Verwendung des Lasers gemäß der Erfindung induziert wird. Die erhaltenen Daten zeigen, daß der Laser im wesentlichen identische Ergebnisse liefert, ohne mit dem Blatt in Kontakt getreten zu sein.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wird ein Vergleich zwischen Longitudinalwellengeschwindigkeiten von Wellen durchgeführt, die durch das zuvor beschriebene Verfahren (US-PS 42 91 577) mit einem kontaktierenden piezoelektrischen Wandler und einem nicht kontaktierenden Laser gemäß der Erfindung bei fünf Proben verschiedener Papierarten erzeugt worden sind. Es wurde eine ausgezeichnete Entsprechnung erzielt, wobei demonstriert wurde, daß der Umfang der Erfindung verschiedene Papierklassen überdeckt, einschließlich ungebleichter bzw. Rohprodukten, Feinpapierprodukten, handelsüblicher (Deck-)Kartonprodukten und Laborprüfbögen.

Beispiel 3

Es ist gut bekannt, daß sich die Schallgeschwindigkeit, d. h. Schall, mit verschiedenen Geschwindigkeitsstufen bzw. -werten in einem auf handelsübliche Weise erzeugten Papierbogen in der Richtung ausgerichtet zur Papiermaschinenachse in bezug auf die Richtung quer zur Papiermaschinenachse fortpflanzt. Mit dem Beispiel 3 wird demonstriert, daß das Verhältnis der Geschwindigkeit in der Maschinenrichtung zur Richtung quer zur Maschinenrichtung für handelsübliche Papiere genau vorausgesagt wird, wenn die nicht kontaktierende Laservorrichtung gemäß der Erfindung verwendet wird, und daß dieser Wert demjenigen Wert entspricht, der mittels des vorhergehenden kontaktierenden piezoelektrischen Wandlers erhalten worden ist.

Beispiel 4

Zur Berechnung der bedeutsamen Moduleigenschaften in einem Papierbogen wrden die Übertragung und Detektion der Longitudinalwellengeschwindigkeiten und der Scherwellengeschwindigkeiten benötigt. Mit dem Beispiel 4 wird demonstriert, daß mittels der nicht kontaktierenden Laservorrichtung gemäß der Erfindung die Longitudinal- und die Scherwellen in Übereinstimmung mit denjenigen gemessen und auch detektiert werden können, die mittels der herkömmlichen kontaktierenden piezoelektrischen Wandlervorrichtung erzeugt und detektiert worden sind.

Beispiel 5

Damit ein Untersuchungsverfahren von Wert ist, müssen die Daten reproduzierbar und genau sein. Mit dem Beispiel 5 wird bei unabhängigen Untersuchungen demonstriert, daß eine gute Reproduzierbarkeit mit dem Lasersystem bei einer Vielzahl von Materialien erzielt werden kann.

Beispiel 6

Der Arbeitsablauf von Beispiel 1, Probe Nr. 1, oben, wird wiederholt, mit der Ausnahme, daß die Entfernung zwischen dem Auftreffpunkt des Laserstrahls und der Wandleraufnahme der erzeugten akustischen Welle variiert wird. Die in jedem Fall erzeugte Wellenform ist in Fig. 2 zusammen mit dem Abstand zwischen diesen beiden Punkten dargestellt.

Beispiel 7

Der Arbeitsablauf bzw. das Vorgehen der Beispiele 1 bis 5, oben, wird wiederholt, mit der Ausnahme, daß bei dieser Gruppe von Experimenten der piezoelektrische Wandler 18 durch ein Mikrophon in einem akustisch schallgedämpften Gehäuse ersetzt worden ist. Der Laser sendet einen Lichtimpuls zum untersuchten Blatt aus und gleichzeitig wird ein elektrischer Impuls zu einem Trigger bzw. Auslöser ausgesandt. Der elektrische Impuls triggert den Transientenwandler 22 an, um das Aufzeichnen von Signalen vom Mikrophon zu beginnen. Diese photoakustische Signal wird beim Mikrophon aufgenommen und mehrere Male gemittelt, um eine Wellenform wie diejenigen zu erzeugen, die in Fig. 2 der Zeichnung veranschaulicht sind.

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung, ohne physikalischen Kontakt, einer physikalischen Eigenschaft eines lichtabsorbierenden Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen und Amplituden Licht auf das lichtabsorbierende Werkstück ausgestrahlt wird und daß die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen gemessen wird, die durch den durch den Lichtimpuls induzierten thermischen Effekt erzeugt worden sind.

2. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines lichtabsorbierenden Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen Licht auf das lichtabsorbierende Werkstück ausgestrahlt wird und daß die Ultraschallgeschwindigkeiten ansprechend auf den durch die Lichtimpulse induzierten thermischen Effekt mittels eines piezoelektrischen Wandlers oder von Wandlern detektiert werden, die einen physikalischen Kontakt mit dem Werkstück herstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Papierblatt ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus einem synthetischen Polymerharz besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersuchung an einer sich bewegenden Bahn oder einem Blatt des Werkstücks ausgeführt wird.

6. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft einer lichtabsorbierenden, sich bewegenden Bahn, dadurch gekennzeichnet, daß unter Ausschaltung sämtlichen physikalischen Kontakts mit der Bahn mit einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen Licht auf die lichtabsorbierende, sich bewegende Bahn ausgestrahlt wird und die Ultraschallgeschwindigkeiten ansprechend auf den durch die Lichtimpulse induzierten thermischen Effekt detektiert werden.

7. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung, ohne physikalischen Kontakt, einer physikalischen Eigenschaft eines lichtabsorbierenden Werkstücks, gekennzeichnet durch eine Quelle von kurzen Lichtimpulsen zur Beleuchtung des lichtabsorbierenden Werkstücks und eine Einrichtung zum Detektieren der Ultraschallgeschwindigkeiten im Werkstück, ansprechend auf den durch die Lichtimpulse induzierten thermischen Effekt, wobei sich die Einrichtung in der Nähe, aber nicht in Kontakt mit dem Werkstück befindet.

8. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung von physikalischen Eigenschaften eines lichtabsorbierenden Werkstücks, gekennzeichnet durch eine Quelle von kurzen Lichtimpulsen zur Beleuchtung des lichtabsorbierenden Werkstücks und Einrichtungen zum Detektieren der Ultraschallgeschwindigkeiten, ansprechend auf den durch die Lichtimpulse induzierten thermischen Effekt, die einen physikalischen Kontakt mit dem Werkstück herstellen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen ein Mikrophon umfassen.