DE4003259A1 - Interferometric detection of surface displacement of solid state body - exciting surfaces by illumination laser to produce ultrasonic vibrations and part of reflected radiation impinges on detector - Google Patents

Interferometric detection of surface displacement of solid state body - exciting surfaces by illumination laser to produce ultrasonic vibrations and part of reflected radiation impinges on detector

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DE4003259A1 DE19904003259 DE4003259A DE4003259A1 DE 4003259 A1 DE4003259 A1 DE 4003259A1 DE 19904003259 DE19904003259 DE 19904003259 DE 4003259 A DE4003259 A DE 4003259A DE 4003259 A1 DE4003259 A1 DE 4003259A1
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Abstract

A part beam of the reflected radiation from the surface (4) of the test material (5) is irradiated in the resonator of the illumination laser (3) acting on it, whilst the remaining reflected radiation is directed on to the detector (7), and its output signal is indicated on a monitor (8). The part beam irradiated in the resonator of the illumination laser amounts to 1-10 percent of the reflected radiation. The reflected radiation remaining for the detector acts on an avalanche diode, the signal of which is supplied to a connected amplifier. The reflected radiation is divided by means of a non-metallised glass plate. USE/ADVANTAGE - Interferometric detection of surface displacement of solid state body. Easily carried out method using conventional HeNe laser at hot and cold solid state samples from a distance up to about 1 metre and load on optics in beam course of laser is reduced.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art. Desweiteren be­ zieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method according to the Preamble of claim 1 designated type. Furthermore, be the invention relates to a device for performing this procedure.

Laser-Ulraschall-Systeme sind schon erfolgreich zur Wanddickenmes­ sung während des Warmwalzens verwendet worden. Dies ergibt sich z. B. aus der Veröffentlichung von R. Keck, B. Krüger, G. Coen und W. Häsing "Wanddickenmessung an 1230°C heißen Rohrluppen mit einem neuartigen Laser-Ulraschallsystem", Stahl und Eisen, 1987, S. 1057 bis 1060. Dieses System sieht die Verwendung eines Laser-Interfero­ meters vor, wobei die Oberflächenbewegungen des Prüfgutes eine Fre­ quenzmodulation der Laserstrahlung hervorrufen, in welcher Frequenz und Amplitude der Ultraschallwelle enthalten sind. Zur Demodulation wird über eine Sammellinse ein Teil des zurückgestreuten Lichtes einem Laufzeit-Interferometer zugeführt, in dem das empfangene Licht an einem Strahlteiler aufgespalten und nach Durchlauf unter­ schiedlich langer Wege zur Interferenz gebracht wird. Dabei inter­ ferieren Teile von Wellenzügen miteinander, die zu unterschied­ lichen Zeiten den Laser verlassen haben. Bei konstanter Frequenz des empfangenen Laserlichts liegt eine gleichbleibende Phasenzu­ ordnung im Interferometer vor, so daß sich am Detektor eine konstante Helligkeit ergibt. Das Laserlicht erfährt eine sehr ge­ ringe Frequenzänderung durch Ultraschall wegen des Doppelreffektes, auf Grund welcher die Lichtwellen mit einem zeitlichen Versatz zur Interferenz kommen. Sofern die Phasen einander nicht in ursprüng­ licher Zuordnung überlagern, führen die geänderten Phasenzu­ ordnungen zu unterschiedlichen Helligkeitswerten am Detektor. Die durch Ultraschall bewirkte Frequenzdifferenz der interferierenden Wellen ist ein Maß für die Verstimmung. Laser ultrasonic systems have already been successfully used for wall thickness measurements solution has been used during hot rolling. This follows e.g. B. from the publication by R. Keck, B. Krüger, G. Coen and W. Häsing "Wall thickness measurement on 1230 ° C hot tubing with a novel laser ultrasound system ", Stahl und Eisen, 1987, p. 1057 to 1060. This system sees the use of a laser interfero meters before, the surface movements of the test material a Fre cause frequency modulation of the laser radiation, in which frequency and amplitude of the ultrasonic wave are included. For demodulation becomes part of the backscattered light via a converging lens fed to a transit time interferometer, in which the received Light split on a beam splitter and after passing under interference paths of different lengths. Inter parts of wave trains with each other that differ times have left the laser. At constant frequency the received laser light has a constant phase order in the interferometer, so that there is a constant brightness results. The laser light experiences a very ge rings frequency change by ultrasound because of the double hit effect, due to which the light waves with a time offset to Interference come. Unless the phases are in the original superimposed assignment lead to the changed phases orders for different brightness values on the detector. The frequency difference caused by ultrasound of the interfering Waves is a measure of the mood.  

Die Verstimmung ist bei Interferenz derjenigen Wellen maximal, die durch maximale Oberflächengeschwindigkeiten in entgegengesetzter Richtung moduliert werden. Maximale Geschwindigkeit herrscht bei den Nulldurchgängen der Ultraschallwelle. Wellen, deren zeitlicher Abstand den Nulldurchgängen der Laufzeitdifferenz in den Interfero­ meterarmen entspricht, werden am empfindlichsten wahrgenommen. Um dieses hohe Maß an Empfindlichkeit sicherzustellen, bedarf die An­ lage einer sehr aufwendigen Einrichtung und Nachregulierung, um die entstehenden Signale in befriedigender Weise auswerten zu können. So führen rauhe Oberflächen des Prüfgutes oder ein schräger Einfall des Laserlichtes, welche beiden Erscheinungen gerade unter betrieb­ lichen Bedingungen bestehen, zu den erwähnten Schwierigkeiten.The detuning is maximum in the case of interference of those waves that through maximum surface speeds in opposite Direction can be modulated. Maximum speed prevails the zero crossings of the ultrasonic wave. Waves whose temporal Distance between the zero crossings of the transit time difference in the interfero corresponds to poor meters, are perceived most sensitively. Around To ensure this high level of sensitivity is necessary was a very complex facility and readjustment to the to be able to evaluate the resulting signals in a satisfactory manner. Rough surfaces of the test material or an oblique incidence result of the laser light, which two phenomena were currently operating conditions exist, to the difficulties mentioned.

Dieses Verfahren läßt es zu, bei entsprechend aufwendig abge­ stimmten und eingestellten Teilen der Einrichtung Abstände bis zu etwa 5 Metern von der Prüfgutoberfläche zu wählen. Vor allem hat dies Bedeutung für hocherhitzten Stahl während des Warmwalzens. Nicht nur für die Anregung, sondern auch für den Empfang werden demnach gepulste Laser mit verhältnismäßig hoher Pulsenergie von 0,5 Joule und einer Pulsdauer von 100 µs für den Empfang und 15 ns für die Anregung vorgesehen. Auf diese Weise können die störenden Einflüsse von Staub einerseits und von mechanischen Schwingungen andererseits überwunden werden.This method allows it, with a correspondingly complex abge agreed and set parts of the facility distances up to about 5 meters from the test surface. Most of all this is important for high-temperature steel during hot rolling. Not only for the suggestion, but also for the reception therefore pulsed lasers with a relatively high pulse energy of 0.5 joules and a pulse duration of 100 µs for reception and 15 ns provided for the suggestion. This way, the distracting Influences of dust on the one hand and mechanical vibrations on the other hand be overcome.

Demgegenüber soll die vorliegende Erfindung ein leicht durchführ­ bares Verfahren und ein hierfür geeignetes Gerät schaffen, um mit herkömmlichen HeNe-Lasern Doppler-Frequenzhübe an kalten und heißen Festkörperproben aus einer Entfernung bis zu etwa 1 Meter, ge­ gebenenfalls auch weniger, nachzuweisen. Damit soll zugleich eine Entlastung der im Strahlengang des Lasers liegenden optischen Ge­ räte erreicht werden, da letztere bei energiereichen Lasern der Ge­ fahr der Zerstörung ausgesetzt sind.In contrast, the present invention is to be carried out easily bares procedure and a suitable device to create with conventional HeNe lasers Doppler frequency sweeps on cold and hot Solid samples from a distance up to about 1 meter, ge if necessary, less to prove. This is supposed to be one Relief of the optical Ge lying in the beam path of the laser Councils can be reached, since the latter with high-energy lasers from Ge risk of destruction.

Die erwähnte Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen entwickelten Vorschläge gelöst. According to the invention, the aforementioned task is performed by the in the Proposals developed patent claims solved.  

Mit einer erfindungsgemäß gezielten Einkoppelung des rückgestreuten Lichtes in den Resonator des Lasers kommt es zu einer sehr fein­ fühligen Reaktion auf Phasen- bzw. Frequenzänderungen. Dies führt zu deutlichen Amplitudenänderungen des ausgesandten Laserlichtes. Die nur wenige Prozente, bevorzugt 1 bis 10%, betragende Auskoppe­ lung eines Teilstrahls erlaubt es, die genannten Amplitudenände­ rungen in bekannter Weise photoelektrisch nachzuweisen.With a targeted coupling of the backscattered according to the invention Light in the resonator of the laser results in a very fine sensitive reaction to phase or frequency changes. this leads to to significant changes in the amplitude of the emitted laser light. The decoupling amounting to only a few percent, preferably 1 to 10% development of a partial beam allows the aforementioned amplitude changes to detect photoelectrically in a known manner.

Ein erheblicher Vorteil besteht darin, daß verhältnismäßig leis­ tungsschwache Laser für den Empfang verwendet werden können. HeNe-Laser sowie Argon-Laser führen zu sehr gut verwertbaren Ergeb­ nissen.A significant advantage is that it is relatively quiet low-power lasers can be used for reception. HeNe lasers and argon lasers lead to very usable results nits.

Die Abstandslage des Beleuchtungslasers kann bei kalten, polierten Proben bis auf etwa 1 m ausgedehnt werden. Bei gut reflektierenden rauhen Oberflächen gelingt der Nachweis noch aus einem Abstand von 20 bis 30 cm, und sogar bei dunklen und rauhen Oberflächen lassen sich die Ultraschallwellen aus einem Abstand von etwa 5 cm nach­ weisen. Diese Maßangaben gelten für einen handelsüblichen HeNe-Laser mit einer unpolarisierten Dauerstrichleistung von 18 mW. Ein derartiger Laser besitzt nicht nur den Vorteil der leichten Verfügbarkeit. Er führt darüberhinaus auch noch nicht zu Schäden an in seinem Strahlengang liegenden optischen Teilen, wie Strahlen­ teilern bzw. Spiegeln oder Linsen.The distance of the illumination laser can be cold, polished Samples can be extended to about 1 m. With well reflective rough surfaces can be detected from a distance of Leave 20 to 30 cm, and even on dark and rough surfaces the ultrasonic waves follow from a distance of about 5 cm point. These dimensions apply to a standard one HeNe laser with an unpolarized continuous wave power of 18 mW. Such a laser not only has the advantage of being light Availability. Furthermore, it does not lead to any damage optical parts lying in its beam path, such as rays divide or mirror or lenses.

Für die Vornahme der Messungen wird der Laserstrahl mit einer Optik auf die Oberfläche des Prüfgutes fokussiert. Die selbe Optik leitet einen Teil des rückgestrahlten Lichtes zurück in den Laser. Die Rückstrahlung des Prüfgutes bildet in Abhängigkeit von seiner Ober­ flächenbeschaffenheit eine Reflexionskeule aus, die den Winkel festlegt, innerhalb dessen noch eine Einkoppelung von rückge­ strahlter Strahlung in den Laser erfolgen kann. Dadurch ist auch eine große Winkelabhängigkeit vorgegeben.The laser beam is used with optics to take the measurements focused on the surface of the test material. The same optics guide part of the reflected light back into the laser. The Retroreflection of the test material depends on its surface surface texture from a reflection lobe that shows the angle specifies within which a coupling of Rückge radiated radiation can take place in the laser. This is also a large angle dependency is given.

Zwischen der Fokussierungsoptik und dem Laser wird die Auskoppelung der für den Detektor vorgesehenen Rückstrahlung vorgenommen. Diesem Zweck dient eine (nicht teilverspiegelte) Planglasscheibe. The coupling is between the focusing optics and the laser of the reflection provided for the detector. This A (not partially mirrored) flat glass serves the purpose.  

Im Gegensatz zur schwachen Leistung des Beleuchtungslasers findet die Anregung des Prüfgutes zu Ultraschallwellen zweckmäßig mit einem gepulsten Laser statt, dessen Pulsenergie etwa 1 Joule bei einer Pulsdauer von etwa 15 ns beträgt.In contrast to the poor performance of the illumination laser takes place the excitation of the test material to ultrasonic waves is useful a pulsed laser, the pulse energy of which is about 1 joule a pulse duration of approximately 15 ns.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen.To further illustrate the invention reference is made to the schematic drawing referred.

Demgemäß erkennt man den für den Empfang vorgesehenen Laser 3 von schwacher Leistung, dessen optische Achse 2 ohne Umlenkung auf die Oberfläche 4 des Prüfgutes 5 im Bereich der Ultraschallstrahlung ausgerichtet ist. Im Strahlengang liegt die Glasscheibe 1, die nicht, wie sonst üblich, eine Teilverspiegelung aufweist. An diese Glasscheibe 1 schließt sich zweckmäßig noch eine zeichnerisch nicht wiedergegebene Fokussierungsoptik üblicher Bauart an, so daß die Fokussierung auf den vorgesehenen Bereich der Oberfläche 4 möglich ist.Accordingly, the laser 3 of low power intended for reception can be seen, the optical axis 2 of which is oriented without deflection onto the surface 4 of the test material 5 in the region of the ultrasound radiation. The glass pane 1 lies in the beam path and does not have a partial mirroring, as is customary otherwise. This glass pane 1 is expediently followed by a focusing optic of a conventional type that is not shown in the drawing, so that focusing on the intended area of the surface 4 is possible.

Das Prüfgut 5 steht weiterhin unter der Anregungsenergie des Lasers 6, bei dem es sich z. B. um einen Excimer-Laser mit einer Puls­ energie von etwa 1 Joule und einer Pulsdauer von etwa 15 ns handelt.The test material 5 is still under the excitation energy of the laser 6 , which is z. B. is an excimer laser with a pulse energy of about 1 joule and a pulse duration of about 15 ns.

Das von der Oberfläche 4 des Prüfgutes 5 rückgestrahlte Licht trifft auf die Glasscheibe 1, die eine Rückstrahlung bis zu etwa 90% zuläßt, so daß diese durchgelassene Rückstrahlung in den Beleuch­ tungslaser zurückgeführt wird. Die übrige Strahlung (nur etwa 10%) erfährt an der Glasscheibe 1 eine Umlenkung zum Detektor 7. Die Strahlung beaufschlagt in diesem Detektor eine Avalanchediode, der ein Verstärker nachgeschaltet ist. Dessen Ausgangssignal zeigt der Monitor 8. Man erkennt zunächst eine größere Amplitüde bei Eintritt der Ultraschallwellen in das Prüfgut, wohingegen die nächstfolgende Amplitude das erste Echo der Ultraschallwelle ist.The light retroreflected from the surface 4 of the test material 5 strikes the glass pane 1 , which allows retroreflection up to about 90%, so that this transmitted retroreflection is returned to the laser. The remaining radiation (only about 10%) is deflected on the glass pane 1 to the detector 7 . The radiation impacts an avalanche diode in this detector, which is followed by an amplifier. The monitor 8 shows its output signal. First of all, a greater amplitude can be seen when the ultrasonic waves enter the test material, whereas the next amplitude is the first echo of the ultrasonic wave.

Claims (9)

1. Verfahren zur interferometrischen Detektion von Oberflächenver­ schiebungen bei Festkörpern, insbesondere von Ultraschall-Ereig­ nissen auf Oberflächen von zu Ultraschall-Schwingungen ange­ regtem Prüfgut, bei dem ein Beleuchtungslaser auf die Prüfgut­ oberfläche einstrahlt und ein Teil der Rückstrahlung auf einen Detektor trifft, dadurch gekennzeichnet, daß von der Rückstrahlung der Prüfgutoberfläche ein Teilstrahl in den Resonator des sie beaufschlagenden Beleuchtungslasesr eingestrahlt wird, während die übrige Rückstrahlung auf den Detektor gerichtet ist.1. A method for interferometric detection of Oberflächenver shifts in solids, in particular of ultrasonic EVENT Nissen on surfaces of attached to ultrasonic vibrations regtem test material, wherein an illumination laser irradiates the test specimen surface and strikes a part of the return radiation to a detector, characterized in that that a sub-beam is radiated into the resonator of them acting Beleuchtungslasesr from the rear radiation of the Prüfgutoberfläche, while the rest of the back radiation is directed onto the detector. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Rückstrahlung 1 bis 10% als Teilstrahl in den Resonator des Beleuchtungslasers eingestrahlt wird. 2. The method according to claim 1, characterized, that of the retroreflection 1 to 10% as a partial beam in the resonator of the illumination laser is irradiated.   3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Detektor verbleibende Rückstrahlung eine Avalanchediode beaufschlagt, deren Signal auf einen nachgeschalteten Verstärker geschaltet ist.3. The method according to claims 1 and 2, characterized, that the residual radiation remaining for the detector is a Avalanche diode applied whose signal to one downstream amplifier is connected. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstrahlung mittels einer unverspiegelten Glasplatte aufgeteilt wird.4. The method according to claims 1 to 3, characterized, that the reflection by means of a non-mirrored Glass plate is divided. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung zu Ultraschall-Wellen im Prüfgut mit­ tels eines gepulsten Lasers durchgeführt wird.5. The method according to claims 1 to 4, characterized, that with the excitation to ultrasonic waves in the test material is performed by a pulsed laser. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem der Strahlengang eines Beleuchtungslasers über einen Strahlenteiler auf die Prüfgutoberfläche im Bereich ihrer Ultraschall-Anregung und die Rückstrahlung über den Strahlen­ teiler auf den Detektor gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlenteiler als unverspiegelte Glasplatte (1) ausgeführt ist,
und daß die optische Achse (2) des Empfangslasers (3) ohne Umlenkung auf die Prüfgutoberfläche (4) gerichtet ist, während die Stellung des Beleuchtungslasers (3) auf seiner optischen Achse (2) veränderbar ist.6. Device for carrying out the method according to claims 1 to 6, in which the beam path of an illumination laser is directed via a beam splitter onto the surface of the test material in the region of its ultrasonic excitation and the retroreflection via the beam splitter is directed onto the detector, characterized in that
that the beam splitter is designed as a non-mirrored glass plate ( 1 ),
and that the optical axis (2) is addressed the received laser (3) without deflection on the Prüfgutoberfläche (4), while the position of the illumination laser (3) is variable in its optical axis (2). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungslaser (3) eine HeNe mit mW-Dauerstrichleistung ist. 7. The device according to claim 6, characterized in that the illumination laser ( 3 ) is a HeNe with mW continuous wave power. 8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellstrecke des Beleuchtungslasers (3) von der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfgutes abhängig zwischen etwa 1 m und 5 cm derart einstellbar ist, daß blanken Oberflächen die größeren und rauhen, dunklen Oberflächen die geringeren Einstellstrecken zugeordnet sind.8. Device according to claims 6 to 7, characterized in that the adjustment distance of the illumination laser ( 3 ) depending on the surface quality of the test material is adjustable between about 1 m and 5 cm such that bare surfaces the larger and rough, dark surfaces the smaller Adjustment distances are assigned. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anregung des Prüfgutes (5) zu Ultra­ schall-Wellen ein gepulster Laser (6) mit einer Puls­ energie von etwa 1 Joule und einer Pulsdauer von etwa 15 ns vorgesehen ist.9. Device for performing the method according to claims 6 to 8, characterized in that for the excitation of the test material ( 5 ) to ultrasonic waves, a pulsed laser ( 6 ) with a pulse energy of about 1 joule and a pulse duration of about 15 ns is provided.
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CN111735590A (en) * 2020-06-30 2020-10-02 联想(北京)有限公司 Detection device

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