DE3643575A1

DE3643575A1 - Laserinduzierte schallerzeugung fuer ein schallmodul

Info

Publication number: DE3643575A1
Application number: DE19863643575
Authority: DE
Inventors: Sal A Pace; Simon S Salama
Original assignee: Union Camp Corp
Current assignee: Union Camp Corp
Priority date: 1986-02-20
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-08-27
Also published as: SE8700663L; US4674332A; SE8700663D0; JPS62197760A; CA1268535A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung von physi kalischen Eigenschaften einer Bahn, eines Blatts oder eines Bogens, z.B. einer Papierbahn.

Papier, das für verschiedene Anwendungen und Erforder nisse hergestellt wird, muß bestimmten Festigkeitsan forderungen genügen. Derartige Festigkeitsparameter werden gewöhnlich durch Untersuchungen bestimmt, wäh rend deren Ablauf die untersuchte Probe zerstört wird, beispielsweise durch Anwendung von Spannung, bis das Papier reißt. Diese Art der Zerstörungsprüfung ist in einigen Fällen offensichtlich unerwünscht. Diese Untersuchungen können beispielsweise an Papier aus geführt werden, das auf eine Spule aufgewickelt worden ist. Es muß von der Spule abgeschnitten werden und wird gewöhnlich vor der Untersuchung auf eine Standardfeuch tigkeit konditioniert. Für dieses Verfahren wird be trächtliche Zeit benötigt, was für ein Untersuchungs verfahren unerwünscht ist, das zur Steuerung einer Papiermaschine verwendet wird, da vor Detektion und Korrektur eine ganze Menge Nichtqualitäts-Erzeugnis erzeugt werden kann.

In der US-PS 42 91 577 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung von Papier beschrieben, wenn dieses in einer kontinuierlichen, sich schnell bewegenden Bahn erzeugt wird. Bei dieser Erfindung wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß viele der Festigkeitsparameter von Papier mit dem Elastizitätsmodul und dem Schermodul in Beziehung stehen. Die Moduln können mit der Geschwindigkeit von sich durch die Papierbahn fortpflanzenden Schallwellen korreliert sein. Ein sendender Wandler sendet ein mechanisches Signal zum Papier und ein empfangender Wandler nimmt das Ultraschallsignal vom Papier auf. In Kenntnis der Zeit, die die Ultraschallwellen benötigen, um sich durch das Papier fortzupflanzen, und des Ab standes, den sie zurücklegen, kann die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen berechnet werden. Die Wandler befinden sich in Rädern oder Scheiben, die sich in physikalischem Kontakt mit der sich bewegenden Papier bahn befinden. Während die Untersuchung auf zerstö rungsfreie Weise ausgeführt werden kann, während das Papier hergestellt wird, ist eine solche Vorrichtung an sich kompliziert. So müssen die Räder, die die senden den und empfangenden Wandler enthalten, exakt syn chronisiert sein. Der sendende Wandler muß mit dem Blatt in Kontakt stehen und eine akkustische Welle erzeugen, die 1 bis 100 Mikrosekunden später an irgend einem empfangenden Wandler einen kurzen Abstand weiter detektiert werden muß. Der empfangende Wandler muß ge nügend lange mit dem Blatt in Kontakt bleiben, so daß er die erste Schwingung des erzeugten akustischen Im pulses nicht verfehlt. Dies stellt ernstliche Beein trächtigungen des Untersuchungsverfahrens dar.

Was wichtiger ist, die Signalstärke hängt von der Kraft ab, mit der die mechanischen sendenden und empfangenden Wandler auf die sich bewegende Bahn aufgebracht werden. Dieser Faktor allein ist eine ernstliche Behinderung bei der Anwendung des Verfahrens, bei dem Beanspru chungskräfte, insbesondere Spannungen, sowohl an der Vorrichtung als auch an der sich bewegenden Bahn aus geübt werden.

Außerdem hängen die physikalischen Eigenschaften der Papierbahn in einem hohen Maße von den Elastizitäts- und Schermoduln in Richtung der Dicke oder aus der Ebene heraus ab, die gegenwärtige, auf Maschinen ange brachte Vorrichtungen nicht messen können.

Es wäre offensichtlich erwünscht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen Papier zerstö rungsfrei untersucht werden könnte, und zwar in der Richtung in und außerhalb der Ebene bei Fehlen von physikalischem Kontakt oder mit einer minimalen auf die Bahn ausgeübten Kraft. Die Erfindung ist dem Erforder nis für eine solche Vorrichtung nachgekommen, indem ein Laserstrahl zur Erregung des erforderlichen akustischen Signals in der Bahn verwendet wird und auf diese Weise 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 physikalischen Kontakt mit dem Papier befindet, wobei auf diese Weise Punkte des physika lischen Kontakts und Beanspruchungen und Spannung auf ein Minimum herabgesetzt oder im Fall eines Mikrophons eliminiert werden.

In der US-PS 41 69 662 ist die Verwendung von Laser strahlen zur Erzeugung akustischer Wellen beschrieben. Gemäß der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vor richtung zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines Werkstücks, wie z.B. eines sich bewegenden Bogens oder einer Bahn aus Pa pier, beschrieben. Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Vorrichtung verwendet, die einen Strahl aus Laserlicht oder einen anderen kurzen Lichtimpuls zur Anregung einer akustischen Welle an einem Punkt auf einer ersten ebenen Oberfläche des Blatts oder der Bahn erzeugt, und an einem Punkt auf einer zweiten ebenen Oberfläche des Blatts oder der Bahn wird ein piezo elektrischer Wandler in einer Rad-Konfiguration als Einrichtung zur Detektion der Geschwindigkeiten der Ultraschallwellen verwendet, die von der ersten Ober fläche zur zweiten Oberfläche gelangen und hierbei die Dicke des Bogens oder der Bahn durchqueren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion von durch Laserlicht erzeugten, nicht in der Ebene enthal tenden Schallwellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dazu verwendet werden, Festigkeitseigenschaften einer großen Anzahl von lichtabsorbierenden Untersuchungsmaterialien zu messen, die dünne Schichten, Bögen oder Bahnen aus Papier, synthetischen Polymerharzen und dergleichen umfassen, aber nicht hierauf beschränkt sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Papierbahn während der Herstellung in einer Papier maschine kurzen Lichtimpulsen, vorzugsweise Laser strahlung, ausgesetzt, um mechanische Festigkeits eigenschaften des Papiers zu bestimmen. Eine mögliche Theorie der vorliegenden Erfindung, d.h. Erläuterung ihrer Funktion, besteht darin, daß die Moleküle im Papier, die einfallende Photonen absorbieren, die Energie durch verschiedene Kanäle reemittieren, wobei der wirksamste dieser Kanäle in der Erzeugung eines örtlich festgelegten Wärmeimpulses im Papier besteht. Die so erzeugte Wärme erzeugt wiederum eine mechanische Beanspruchung oder Spannung in der Struktur des Pa piers, die sich als Schallwelle offenbart. Die Schall welle pflanzt sich vom beleuchteten Punkt durch das Papier nach außen fort. Der beispielsweise auf einer oberen Oberfläche des Papierbogens oder der Papierbahn erzeugte Schallimpuls kann an der unteren Oberfläche entfernt vom Erzeugungspunkt detektiert werden, um eine Messung der Schallgeschwindigkeit im Körper des Bogens zu erhalten.

Das anfängliche Ausmaß der mit der Lichtquelle erziel ten Anregung hängt von der verwendeten Wellenlänge ab. Geeignete Wellenlängen liegen im Bereich von etwa 200 bis 10 000 nm. Eine Verwendung optimaler Wellenlängen innerhalb dieses Bereiches führt zu einer größeren Absorption der einfallenden Energie und daher zu einem stärkeren akustischen Signal. Es kann jede bekannte Submikrosekunden-gepulste Lichtquelle, vorzugsweise eine Laserquelle, verwendet werden, die den gewünschten Effekt erzeugt. Die Messungen der Longitudinal- und Scherwellengeschwindigkeiten der Schallwellen, die sich durch den Körper der Papierbahn fortgepflanzt haben, können dann mit dem Elastizitätsmodul, Schermodul und der Poissonsche Zahl für Papier in Bezug gesetzt wer den. Diese Art der Online-Bestimmung kann in einem mit geschlossener Regelschleife arbeitenden Regelsystem zur Einstellung und Optimierung der Papiermaschinenva riablen, wie z.B. des Voreil/Nacheilverhältnisses (rush-drag ratio), des Veredelungsgrades, des Naß pressens, etc., verwendet werden.

Die Messung der Geschwindigkeit der akustischen Wellen form kann auch dazu verwendet werden, Information be züglich der Wechselwirkung der Wellenform mit dem Pa pierbogen, durch das sie sich ausgebreitet hat, zu erhalten, wie z.B. bezüglich der Dichte des Papiers sowie der Orientierung verschiedener mikroskopischer Elemente im Papier, wie z.B. von Zellulosefasern.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Erregung der Schallwellenform mit einem Laserlicht strahl ausgeführt und die Detektion der Schallwellen wird mittels eines bimorphen (d.h. Zwei- Element-) piezoelektrischen Wandlers erzielt, der einen kurzen physikalischen Kontakt mit der Papierbahn auf einer Seite entgegengesetzt zur Oberfläche des Bogens ein geht, die die Laserlichtstrahlung aufnimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel können sowohl Longitudinal- als auch Scherwellen festgestellt werden, indem die Be wegung des piezoelektrischen Wandlers parallel zur Bewegungsrichtung der Schallwelle bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schallwelle orientiert wird. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schema tisch veranschaulicht.

In Fig. 1 ist ein Stickstoff-Laser (N₂-Laser) 10 dar gestellt, der als Lichtquelle Laserlicht mit einer Wellenlänge von 337,1 nm auf die absorbierende obere Oberfläche 12 eines Papierbogens oder -blatts 8 über Reflektion an einem Spiegel 14, auf ein Fenster 26 fokussiert, richtet, das einen Druck mit bekanntem Wert auf das Papier ausübt, um eine konstante Dicke beizu behalten. Es könnte sich bei der Lichtquelle 10 auch um irgendeine andere Vorrichtung handeln, die kurze inten sive Lichtimpulse in der Größenordnung von einer Mikro sekunde oder kürzer erzeugt, wie z.B. eine Blitz oder Blitzlichtlampe. Der Detektionsfühler, bei dem es sich in diesem Fall um einen piezoelektrischen Wandler 18 handelt, ist in Kontakt mit der unteren Oberfläche 13 des Papierbogens 8 an einem festgelegten und vorbe stimmten Punkt gegenüber dem Auftreffpunkt des Laser strahls angeordnet. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Detektionssystem aus einem piezoelektrischen Wandler 18, einem Vorverstär ker 20, einem Transientendigitalisierer (Analog/Digi talwandler) 22 und einer Photodiode 24.

Wie in der Figur dargestellt ist, wird das vom Wand ler 18 aufgenommene akustische Signal in ein elektri sches Signal umgewandelt und zum Verstärker 20 über mittelt. Das verstärkte Signal wird dann zum Transien tenwandler 22 übertragen. Der Transientenwandler 22 mißt die Zeit zwischen der Zündung des Lasers, wie sie durch die Photodiode 24 detektiert worden ist, und dem Empfang des elektrischen Signals durch den Wandler 18. Die gemessene Zeit umfaßt die elektrische Übertragungs zeit in elektrischen Kabeln etc., aber diese zusätz liche Zeit kann berechnet und abgezogen werden, um die Übertragungszeit der akustischen Welle durch die Dicke des Körpers des Papierbogens 8 zu erhalten. Die ge messene Übertragungszeit der Longitudinalschallwelle kann gemittelt werden. Das Verhältnis der Dicke zur Flugzeit, d.h. der Fortpflanzungszeit, der Schallwelle ist die Geschwindigkeit der Schallwelle durch die Papierdicke. Der piezoelektrische Wandler 18 kann eine longitudinale Schallwelle oder eine Scherschallwelle in Abhängigkeit von der Orientierung des zur Herstellung eines solchen piezoelektrischen Wandlers verwendeten Kristalls detektieren. Die Geschwindigkeiten können zur Berechnung des Elastizitätsmoduls verwendet werden, während die Übertragungszeit für die Scherschallwelle dazu verwendet werden kann, den Schermodul zu berech nen, und es können beide dazu verwendet werden, die Festigkeitseigenschaften des Papierbogens 8 zu be stimmen.

In den nachfolgenden Beispielen werden die Art und Weise und das Verfahren zur Durchführung und Anwendung der Erfindung beschrieben und in einer von den Erfin dern bevorzugten Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung beschrieben.

Wo die Messungen der akustischen Signale gegeben sind, wurden die durch die Laser-Erregung des Papiersubstrats erzeugten akustischen Signale mit einem piezoelektri schen System analysiert, wie es in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Die Erregungsquelle war ein Molectron- N₂-Laser, der eine Grundemission mit einer Wellenlänge von 337,1 nm mit einer Impulsdauer von 10 ns erzeugt. Der Lichtimpuls wird auf eine ebene Oberfläche eines Papierbogens gerichtet, um verschiedene akustische Moden im Papier zu bevölkern bzw. zu erregen. Die akustischen Wellen werden dann auf der entgegengeset zten Seite des Papierbogens detektiert, wenn sich der Erregungsimpuls durch die Dicke des Papierbogens hin durchbewegt. Eine Bestimmung der Außer-Ebene-Wellen geschwindigkeiten, wie oben beschrieben, dient zur Be stimmung der physikalischen Eigenschaften des Papier bogens, ohne diesen hierbei zu zerstören.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde ein Vergleich zwischen den Longitudinal-Wellengeschwindigkeiten in der nicht in der Ebene enthaltenen (Außer-Ebene-) Richtung zwischen der laserinduzierten Erzeugung und der Erzeugung durch piezoelektrische Wandler für vier verschiedene Typen von Papier-Klassen (unter Verwendung der Vorrichtung von Fig. 1) durchgeführt. Die Daten zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Meßtypen für die Außer-Ebene-Longitudinalgeschwindigkeiten.

Beispiel 2

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Brauchbarkeit des laserinduzierten Systems zur Erzeugung und Detek tion von Scherwellen im Außer-Ebene-Modus bei einer herkömmlichen Papierprobe demonstriert. Das laserin duzierte Datensignal stimmt mit den Ergebnissen über den piezoelektrischen, kontaktierenden Wandler gut überein.

Claims

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft einer dünnen Lage, eines Bogens oder einer Bahn eines lichtabsorbierenden Werk stücks mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche und einem Körper zwischen der oberen und unteren Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß

- Licht von einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen und -amplituden auf entweder die obere oder die untere Oberfläche des lichtabsorbierenden Werkstücks aus gestrahlt wird und
- die Geschwindigkeit der Ultraschallwellen gemessen wird, die durch den durch den Lichtimpuls induzier ten thermischen Effekt erzeugt worden sind und sich durch den Körper zur anderen (oberen oder unteren) Oberfläche der Lage, des Bogens oder der Bahn des Werkstücks fortpflanzen.

2. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines Bogens, einer dünnen Lage oder Bahn eines lichtabsorbierenden Werkstücks mit einer ersten ebenen Oberfläche, einer gegenüberliegen den zweiten ebenen Oberfläche und einem Körper mit vorbestimmter Dicke zwischen der ersten und zweiten ebenen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß

- Licht von einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen auf die erste ebene Oberfläche des lichtabsorbierenden Werkstücks ausgestrahlt wird, wobei auf den durch die Lichtimpulse induzierten thermischen Effekt an sprechende Ultraschallwellen den Körper des Werk stücks durchqueren und
- die Wellen an der zweiten ebenen Oberfläche mittels eines piezoelektrischen Wandlers detektiert werden.

3. Verfahren zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines lichtabsorbierenden, sich bewegenden Bogens, einer dünnen Lage oder Bahn mit einer ersten ebenen Oberfläche und einer zweiten ebenen Oberfläche mit einem dazwischenliegenden Körper, dadurch gekennzeichnet, daß

- Licht von einer Quelle von kurzen Lichtimpulsen auf die erste ebene Oberfläche der sich bewegenden, lichtabsorbierenden Bahn ausgestrahlt wird und
- die Ultraschallgeschwindigkeiten von Ultraschall wellen ansprechend auf den durch die Lichtimpulse induzierten thermischen Effekt an der zweiten ebenen Oberfläche der Lage, des Bogens oder der Bahn detek tiert werden,
- wobei die Verbesserung umfaßt, daß jeglicher physi kalischer Kontakt mit der Lage, dem Bogen oder der Bahn eliminiert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück ein Bogen, eine dünne Lage oder Bahn aus Papier ist.

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

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Unter suchung an einer sich bewegenden Bahn, dünnen Lage oder einem Bogen des Werkstücks ausgeführt wird.

7. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung einer physikalischen Eigenschaft eines Bogens, einer dünnen Lage oder Bahn eines lichtabsorbierenden Werkstücks mit einer oberen und einer unteren Oberfläche und einem dazwischenliegenden Körper, insbesondere zur Durchfüh rung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall impulsen an einer Oberfläche des Werkstücks und einer Vorrichtung zur Aufnahme der Ultraschallwellen, die sich durch das Werkstück zur anderen Oberfläche hin fortgepflanzt haben, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Ultraschallwellen eine Quelle (10) für kurze intensive Lichtimpulse vorgesehen ist, die die Lichtimpulse auf die eine Oberfläche (12) des Werk stücks (8) richtet und durch die Ultraschallwellen im Werkstück erzeugt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser (10) ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekenn zeichnet durch eine Vorrichtung (26), die einen definierten Druck auf das Werkstück (8) ausübt und eine konstante Dicke des Werkstücks vorsieht.