DE69936438T2

DE69936438T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Ultraschalldämpfung zur zerstörungsfreien Prüfung durch Laser-Ultraschall

Info

Publication number: DE69936438T2
Application number: DE69936438T
Authority: DE
Inventors: Odile Petillon; Hubert Voillaume
Original assignee: Dassault Aviation SA; Aerospatiale Matra
Current assignee: Dassault Aviation SA; Aerospatiale Matra
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: ATE366416T1; EP1014086A1; DE69936438D1; FR2787575A1; EP1014086B1; FR2787575B1

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Ultraschalldämpfung zur zerstörungsfreien Kontrolle. Dieses Verfahren verwendet die Technik des Laser-Ultraschalls, bei der mit Hilfe eines ersten sogenannten Erzeugungs-Laserstrahls Ultraschallwellen in einem zu kontrollierenden Werkstück erzeugt werden, und mit einem zweiten, sogenannten Erfassungs-Laserstrahl, erfasst werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die dieses Verfahren ausführt.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind anwendbar zur zerstörungsfreien Kontrolle von Werkstücken jeglicher Art, metallisch oder aus Kunststoffmaterialien, aus Verbund- oder Nicht-Verbundwerkstoffen.
Stand der Technik
Die zerstörungsfreie Kontrolle mittels Ultraschall ist in der Industrie weit verbreitet. Ein im Allgemeinen piezoelektrischer Wandler erlaubt es, Ultraschallpulse in das Werkstück zu schicken. Beim sogenannten Reflexionsverfahren fängt der gleiche Wandler die Echos auf, die von der Vorderseite und der Rückwand des Werkstücks zurückgeworfen werden, ebenso wie von etwaigen Heterogenitäten, die in diesem vorhanden sind.
Diese herkömmliche Technik der Ultraschallkontrolle erlaubt die Erfassung des Vorhandenseins einer Heterogenität, ihre Lokalisierung und ihre Größenabschätzung. So wird das Vorhandensein einer Heterogenität festgestellt durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Echos zwischen dem Oberflächenecho und dem Rückwandecho, oder durch eine merkliche Variation des Rückwandechos. Die Lokalisierung dieser Heterogenität in der Tiefe wird ermöglicht, indem man die Zeit zwischen diesem zusätzlichen Echo und dem Oberflächenecho misst, die der Hin- und Rück-Ausbreitungszeit der Ultraschallwelle in dem Werkstück entspricht. Im Übrigen wird die Güte des Materials bewertet, indem man die Amplitude des Rückwandechos misst.
In jüngerer Zeit, und wie es insbesondere das Dokument US-A-4 659 224 erläutert, hat man die Technik zur zerstörungsfreien Kontrolle von Werkstücken mittels Laser-Ultraschall entwickelt. Gemäß dieser Technik werden die Ultraschallwellen, anstatt direkt durch einen piezoelektrischen Wandler erzeugt zu werden, in dem Werkstück durch einen ersten sogenannten Erzeugungs-Laserstrahl erzeugt, und ein zweiter sogenannter Erfassungs-Laserstrahl wird für die Erfassung benutzt. Diese Technik weist insbesondere den Vorteil auf, dass sie es ermöglicht, die Kontrolle direkt an Luft durchzuführen, anstatt das Vorhandensein eines "Kopplers" (Wasser, Gel, Fett etc.) zwischen dem Wandler und dem Werkstück zu erfordern, wie beim herkömmlichen Ultraschall-Kontrollverfahren. Dies erlaubt in allgemeiner Weise die Kontrolle von Werkstücken mit großen Abmessungen und komplexer Geometrie.
Genauer gesagt, und wie detailliert im bereits genannten Dokument US-A-4 659 224 beschrieben ist, besteht die Technik zur zerstörungsfreien Kontrolle mittels Laser-Ultraschall darin, auf die vordere Fläche des Werkstücks einen gepulsten Erzeugungs-Laserstrahl zu richten. Das Auftreffen dieses Strahls auf das Werkstück bewirkt, dass in diesem Ultraschallwellen induziert werden. Wie bei der klassischen Ultraschall-Kontrolltechnik erzeugen diese Ultraschallwellen Echos, wenn sie auf Heterogenitäten treffen, und wenn sie die Rückwand des Werkstücks erreichen. Wenn sie die vordere Fläche des Werkstücks erreichen, erzeugen diese Echos winzige Verlagerungen derselben. Um die Erfassung dieser Ultraschallwellen sicherzustellen, verwendet man einen Erfassungslaser mit langen Pulsen und einer sehr engen Linie. Aufgrund des Dopplereffekts führt die Verlagerung der vorderen Fläche des Werkstücks, hervorgerufen durch jedes der Ultraschall-Echos, zu einer Variation der Wellenlänge des von der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Laserpulses, die man nachfolgend als "Dopplerverschiebung" bezeichnet.
Durch Erfassung des vom Werkstück reflektieren Laserpulses verfügt man somit über ein optisches Signal, dessen Frequenz zum Zeitpunkt des Eintreffens jedes der Ultraschallechos auf der vorderen Fläche des Werkstücks eine Dopplerverschiebung aufweist. Ein Fabry-Pérot-Interferometer erlaubt die Transformation jeder Dopplerverschiebung in eine Intensitätsvariation. Diese Intensitätsvariation überlagert sich dem Gesamtsignal, welches repräsentativ ist für die Lichtintensität des vom Werkstück reflektierten Laserpulses.
In seinem gegenwärtigen Zustand erlaubt dieses Verfahren zur Kontrolle mittels Laser-Ultraschall die Erfassung und Lokalisierung von Heterogenitäten. Wie bei der Verwendung der herkömmlichen Technik zur Ultraschallkontrolle zeigt nämlich das Vorhandensein eines Zwischenechos zwischen dem Oberflächenecho und dem Rückwandecho oder eine wesentliche Variation des Rückwandechos das Vorhandensein einer Heterogenität an, und der Abstand zwischen diesen verschiedenen Echos, der wie vorstehend Hin- und Rück-Ausbreitungszeiten der Ultraschallwelle im Werkstück entspricht, erlaubt die Lokalisierung dieser Heterogenität in der Tiefe.
Hingegen erlaubt die Technik zur Kontrolle mittels Laser-Ultraschall zum heutigen Tage keine präzise Quantifizierung der durch eine Heterogenität bewirkten Dämpfung.
Diese gegenwärtigen Beschränkungen des Verfahrens zur Kontrolle mittels Laserultraschall beruhen insbesondere auf der zeitlichen Entwicklung der Lichtintensität jedes Pulses des Erfassungslasers. Für einen Laser vom Typ Nd: YAG, der durch eine Blitzlampe gepumpt wird, weisen diese Pulse nämlich eine quasi Gauss-förmige Form auf. Daher sind die den Ultraschallechos entsprechenden Hochfrequenzsignale, die am Ausgang des Fabry-Pérot-Interferometers erfasst werden, einem Puls überlagert, dessen Pegel oder Lichtintensität während der Messdauer variiert. Somit verändert sich auch die Erfassungssensibilität, da sie proportional ist zur analysierten Lichtintensität. Ein Vergleich zwischen der Amplitude der verschiedenen Hochfrequenzsignale erlaubt es nicht, präzise quantitative Messungen durchzuführen.
Erläuterung der Erfindung
Die Erfindung bezweckt genauso genommen ein Verfahren zur Kontrolle eines Werkstücks mittels Laser-Ultraschall, dessen neuartige Konzeption über die Erfassung und Lokalisierung von Heterogenitäten hinaus eine präzise Quantifizierung der Ultraschalldämpfung erlaubt, die sie erzeugen, und insbesondere eine Bestimmung des Ultraschall-Absorptionskoeffizienten des Werkstücks erlaubt.
Erfindungsgemäß wird dieses Ergebnis mit Hilfe eines Verfahrens zur Kontrolle eines Werkstücks mittels Laser-Ultraschall erzielt, bei dem:

– man einen aus einem gepulsten Laser stammenden Erfassungsstrahl auf eine Messzone des Werkstücks richtet;
– man den vom Werkstück reflektierten Laserpuls während einer vorbestimmten Messzeit erfasst, wobei der Puls Dopplerverschiebungen enthält, die durch die Reflexion von Ultraschallwellen an der Messzone erzeugt sind; und
– man jede Dopplerverschiebung in eine Intensitätsspitze transformiert, die der Intensität des reflektierten Pulses überlagert ist;

Somit wird erfindungsgemäß die Hauptursache der gegenwärtigen Beschränkungen des Verfahrens zur Kontrolle mittels Laser-Ultraschall, nämlich die zeitliche Veränderung der Lichtintensität eines Pulses des Erfassungslaserstrahls, dank einer Begrenzung dieser Intensität während der Messdauer beseitigt.
Um die Durchführung des quantitativen Vergleichs der an den verschiedenen Pulsen des Erfassungslaserstrahls durchgeführten Messungen zu erlauben, regelt man vorzugsweise jeden einfallenden Puls, um den konstanten Wert von einem reflektierten Puls zum anderen im Wesentlichen unveränderlich zu machen.
Vorzugsweise realisiert man somit gleichzeitig die Begrenzung und die Regelung jedes einfallenden Pulses des Erfassungslaserstrahls in ein und derselben optischen Lichtintensitäts-Modulatoreinrichtung, die elektrisch mit dem vorhergehenden reflektierten Puls geregelt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt man den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten α des Werkstücks ausgehend von der Amplitude von zwei aufeinander folgenden Intensitätsspitzen, entsprechend aufeinander folgenden Rückwandechos ein und derselben Ultraschallwelle.
Vorzugsweise bestimmt man dann den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten α ausgehend von der Amplitude der zwei ersten Intensitätsspitzen.
Zur Bestimmung dieses Koeffizienten α (in dB/mm) im Fall eines Werkstücks, das in einer Umgebung mit sehr niedriger Impedanz platziert ist, verwendet man vorzugsweise die Relation:
wobei E die Dicke des Werkstücks (in mm) und V_n+1/V_n das Amplitudenverhältnis von zwei aufeinander folgenden Intensitätsspitzen der Ordnung n + 1 bzw. der Ordnung n darstellt.
Die Erfindung bezweckt ferner eine Vorrichtung zur Kontrolle eines Werkstücks mittels Laser-Ultraschall, umfassend:

– Sendemittel, die dazu ausgelegt sind, einfallende Laserpulse aus kohärentem monochromatischem Licht auszusenden und sie auf die Messzone des Werkstücks zu richten; und
– Erfassungsmittel, die dazu ausgelegt sind, während einer vorbestimmten Messzeit den vom Werkstück reflektierten kohärenten Lichtpuls zu empfangen, wobei der Puls Dopplerverschiebungen enthält, die durch Ultraschallwellen erzeugt sind;

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun werden als nicht beschränkende Beispiele zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 ein Übersichtsschema ist, das eine Vorrichtung zur Lasererfassung zur Ultraschallkontrolle eines Werkstücks gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 als Beispiel ein Ultraschallsignal darstellt, das mit der Vorrichtung aus 1 erhalten werden kann;
3 schematisch eine Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung vom akustooptischen Typ zeigt, die in der Vorrichtung der 1 verwendet wird;
4 die Antwortkurve der Vorrichtung aus 3 ist;
die 5A bis 5D Kurven sind, die die Entwicklung der Lichtintensität (I) eines Laserpulses mit der Zeit (t) zeigen, und zwar im Augenblick seiner Aussendung, nachdem er begrenzt worden ist, dann geregelt worden ist, und wenn er die Erfassungsmittel erreicht;
die 6A und 6B Kurven sind, die die Entwicklung der Wellenlänge (λ) eines einfallenden bzw. eines reflektierten Pulses des Erfassungslasers mit der Zeit (t) darstellen;
7 eine Ansicht vergleichbar den 5A bis 5D ist, die die Entwicklung der Lichtintensität (I) eines Pulses des Erfassungslasers mit der Zeit (t) am Ausgang des Fabry-Pérot-Interferometers darstellt;
8 eine Kurve ist, die die Entwicklung des Ausgangssignals (V) der Erfassungsvorrichtung mit der Zeit (t) darstellt;
9 eine Ansicht vergleichbar der 1 ist, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert.
Detaillierte Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen, die das Übersichtsschema einer Lasererfassungsvorrichtung zur zerstörungsfreien Kontrolle mittels Laser-Ultraschall gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Die Vorrichtung umfasst hauptsächlich Sendemittel 10 und Erfassungsmittel 12. Die Sendemittel 10 senden einen einfallenden Strahl 14 von monochromatischem kohärentem Licht aus. Dieser Strahl 14 des Erfassungslasers wird auf eine Messzone 16a gerichtet, und zwar auf der vorderen Fläche 16 des Werkstücks 18, das man kontrollieren möchte. Die Messzone 16a schickt den einfallenden Strahl 14 in Form eines reflektierten Strahls 20 zu den Erfassungsmitteln 12 zurück.
Wenn Ultraschallwellen in dem zu kontrollierenden Werkstück 18 erzeugt worden sind, gibt es, da das Werkstück 18 in Luft platziert ist, eine Quasi-Totalreflexion der Ultraschallwelle an der hinteren Fläche 17 des Werkstücks, und dann eine Ausbreitung in dem Material bis zur vorderen Fläche 16, wo sie erneut reflektiert wird, usw.
Wie in 2 schematisch dargestellt ist, breitet sich eine durch das Auftreffen des Lasers erzeugte Ultraschallwelle in dem Material aus und erzeugt somit nacheinander im Verlauf der Zeit t ein Oberflächenecho es, ein erstes Rückwandecho e₁, ein zweites Rückwandecho e₂ etc.
Das Oberflächenecho es ist im Hinblick auf eine Dämpfungsmessung nicht direkt ausnutzbar, da es keinem Ultraschallecho entspricht, sondern einem mit der Lasererzeugung zusammenhängenden thermischen Dilatationsphänomen.
Hingegen können die aufeinander folgenden Rückwandechos wie z. B. e₁ und e₂ ausgenutzt werden, um die Dämpfung der Ultraschallwellen in dem Material zu messen. Außerdem können die Echos es und e₁, oder e₁ und e₂ ausgenutzt werden, um die Durchlaufzeit der Ultraschallwellen in dem Material zu messen.
Genauer gesagt ist die Ultraschalldämpfung A (in dB) eines Materials definiert durch die Relation: A = 20Log10(Vn+1/Vn) = Ae + AS + 2αE (1)wobei:

– V_n+1/V_n das Verhältnis der Amplitude eines Rückwandechos der Ordnung n + 1 zu jener eines Rückwandechos der Ordnung n darstellt, d. h. von zwei aufeinander folgenden Rückwandechos (wie z. B. V₂/V₁ in der 2);
– A_e die Dämpfung (in dB) an der Eintrittsfläche des Werkstücks aufgrund einer Reflexion eines Teils der Ultraschallenergie darstellt, die nicht in das Werkstück eindringt; und
– A_S die Dämpfung (in dB) an der Rückwand des Werkstücks aufgrund einer Transmission eines Teils der Ultraschallenergie darstellt, die aus dem Werkstück austritt und somit nicht an der Rückwand reflektiert wird;
– α den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten des Materials darstellt (in dB/mm); und
– E die Dicke des Werkstücks (in mm) darstellt; der Faktor 2 resultiert aus der Tatsache, dass aufgrund der Durchführung der Messung in Reflexion die Ultraschallwellen einen Hin- und Rückweg in dem Material durchlaufen, d. h. zweimal die Dicke des Werkstücks.

In dem besonderen Fall der Technik der Laser-Ultraschallwellen kann aufgrund der Tatsache, dass das Werkstück in Luft platziert ist, die Reflexion der Ultraschallwellen an der vorderen Fläche und an der Rückwand als total angenommen werden, so dass die Terme A_e und A_S null sind.
Der Ultraschall-Absorptionskoeffizient α kann somit berechnet werden durch Anwendung der Relation: A = 20.Log10(Vn+1/Vn) = 2.α.E (2)
Wie es 1 zeigt, umfassen die Sendemittel 10 einen Erfassungslaser 22, gebildet durch einen Laseroszillator 24 und einen Verstärker 28, der die Lichtintensität des Laserstrahls 26, welcher vom Laseroszillator 24 emittiert wird, mit einer Verstärkung E multipliziert. Der somit gebildete Laser 22 sendet lange monochromatische Pulse mit einer Dauer aus, die größer ist als die gewünschte Messzeit. Als Beispiel kann der Erfassungslaser 22 gebildet sein durch einen Oszillator vom Typ Nd: YAG und einen Verstärker vom Typ Blitzlampe.
Gemäß der Erfindung durchläuft der vom Laser 22 ausgesandte verstärkte Strahl 30 anschließend optische Mittel 32, die eine Begrenzung der Lichtintensität jedes Pulses des einfallenden Strahls 14 bewirken, um ihm während einer Dauer, die wenigstens gleich ist derjenigen Zeit, während der man die Messung mit Hilfe der Erfassungsmittel 12 durchführt, einen konstanten Wert zu geben. Beispielsweise muss in dem Fall, in dem die Technik bei einem Verbundwerkstück mit 10 mm Dicke verwendet wird, die Messzeit wenigstens 15 us betragen.
Die optischen Mittel 32, die erfindungsgemäß verwendet werden, um jeden Puls des einfallenden Strahls 14 zu begrenzen, umfassen eine Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34, die im Weg des verstärkten Strahls 30 platziert ist, der aus dem Laser 22 tritt. Diese Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34 kann durch jeden optischen Modulator gebildet sein, der dazu ausgelegt ist, geregelt zu werden, vorzugsweise elektrisch, um die gewünschte Funktion zu gewährleisten. Insbesondere kann es sich um einen elektro-optischen Modulator handeln, der durch ein elektrisches Feld gesteuert wird, oder um einen akusto-optischen Modulator wie z. B. eine Bragg-Zelle, die von einem piezoelektrischen Wandler gesteuert wird.
Als nicht beschränkendes Beispiel wird nun detaillierter mit Bezug zu den 3 und 4 der Fall beschrieben werden, in dem die Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34 vom akusto-optischen Typ ist.
Die Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34 umfasst dann ein transparentes Material 56 (3), welches vom Strahl 30 (mit Wellenlänge λ) durchlaufen wird, sowie einen Ultraschallwellen-Generator wie z. B. einen piezoelektrischen Wandler 58. Dessen Betätigung erzeugt ebene akustische Wellen (mit Wellenlänge λ_us), die sich mit konstanter Geschwindigkeit in dem Material ausbreitet.
Unter diesen Umständen verhält sich das Material wie ein Gitter, das geeignet ist, den einfallenden Lichtstrahl um einen Winkel β zu beugen. Im Bragg-Bereich ist die Wirksamkeit der Beugung maximal, wenn der einfallende Strahl unter einem besonderen Einfallswinkel θ_B eintrifft, genannt Bragg-Einfallswinkel, der definiert ist durch die Relation:
Geht man davon aus, dass die gesamte einfallende Energie entweder transmittiert oder vom Gitter gebeugt wird, so ist der Beugungsgrad R, entsprechend dem Verhältnis der Intensität des gebeugten Strahls 42 zur Intensität des einfallenden Strahls 30, durch die folgende Relation gegeben:
wobei

λ:: Wellenlänge des Lasers
M:: Gütefaktor des Materials
L:: Länge des piezoelektrischen Wandlers
H:: Höhe des piezoelektrischen Wandlers
Pac:: akustische Leistung

Diese durch die 4 erläuterte Relation zeigt, dass es durch Steuerung der akustischen Leitung Pac, d. h. des piezoelektrischen Wandlers 58, möglich ist, beliebig die Lichtintensität des gebeugten Strahls zu modulieren, welcher den aus der Modulatorvorrichtung 34 austretenden Strahl 42 bildet.
Bei erneuter Bezugnahme zu 1 sieht man, dass die optischen Mittel 32 ferner einen elektrischen Regelkreis 36 umfassen, der direkt die Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34 steuert, und zwar in Antwort auf das von einer Fotodiode 38 gelieferte elektrische Signal. Die optischen Mittel 32 umfassen ferner einen Glasstreifen 40, der im Weg des Strahls 42 platziert ist, welcher aus der Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34 austritt, derart, dass ein winziger Teil dieses Strahls 42 zur Fotodiode 38 hin reflektiert wird. Der sehr geringe Reflexionskoeffizient des Glasstreifens 40 erlaubt es, minimale optische Verluste beim Strahl 42 zu bewirken. Der reflektierte Anteil des Strahls, der auf die Fotodiode 38 gerichtet ist, ist immer noch ausreichend, damit diese Letztgenannte in die Lage versetzt wird, dem elektrischen Regelkreis 36 das für die Steuerung der Lichtintensitäts-Modulatorvorrichtung 34 benötigte Eingangssignal zu liefern.
Der begrenzte Erfassungslaserstrahl 42, der aus den optischen Mitteln 32 austritt, dringt anschließend in die Mittel 44 ein, um die Lichtintensität jedes der Pulse des Strahls zu regeln. In der Praxis sind diese Regelmittel 44 optische Mittel, die die Lichtintensität des Strahls 42 gleichmäßig modulieren, indem sie ihn um einen Faktor γ dämpfen. Folglich ist der einfallende Strahl 40, der auf die vordere Fläche 16 des Werkstücks 18 trifft, ein Strahl, dessen Puls durch die optischen Mittel 32 begrenzt und dann durch die Regelmittel 44 gedämpft ist.
Die Regelmittel 44 werden durch Regulierungsmittel 46 gesteuert, die für ein Signal sensitiv sind, welches die Lichtintensität jedes der Pulse des reflektierten Strahls 20 am Eingang der Detektormittel 12 repräsentiert. Diese Steuerung zielt darauf ab, den konstanten Wert, der der Intensität jedes dieser Pulse mittels der optischen Mittel 32 gegeben wird, von einem reflektierten Puls zum anderen im Wesentlichen unveränderlich zu machen.
In der Praxis können die Regelmittel 44 verschiedene Formen annehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform können die Regelmittel 44 durch ein bewegliches optisches Organ gebildet sein, beispielsweise eine Drehscheibe, bei der derjenige Teil, der dazu ausgelegt ist, in der Achse des Strahls 42 platziert zu werden, einen variablen Transmissionskoeffizienten aufweist. Die Regelungsmittel 46 umfassen dann einen Motor, der mechanisch die Verlagerung dieses optischen Organs steuert, sowie einen elektrischen Regelkreis, der sensitiv ist für ein Signal, welches die Lichtintensität der reflektierten Pulse repräsentiert, die in die Detektormittel 12 eindringen, um eine präzise Betätigung des Motors zu steuern, wenn sich eine Verlagerung des optischen Organs als erforderlich erweist.
Die Regelmittel 44 können ferner einen Lichtintensitätsmodulator vom elektro-optischen oder vom akusto-optischen Typ vergleichbar dem Modulator 34 umfassen. In diesem Fall sind die Regelungsmittel 46 einzig durch einen dem Schaltkreis 36 vergleichbaren elektrischen Regelkreis gebildet.
Wie in 1 sehr schematisch dargestellt ist, umfassen die Detektormittel 12 in dieser Reihenfolge ein Fabry-Pérot-Interferometer 48, einen elektronischen Erfassungsschaltkreis 50 und ein Hochpassfilter 52.
Das Fabry-Pérot-Interferometer 48 stellt ein Mittel dar zum Transformieren der Dopplerverschiebung, die bei den Pulsen des reflektierten Strahls 20 vorhanden sind, in Intensitätsspitzen, die sich der Lichtintensität jedes dieser Pulse überlagern. Die Funktionsweise dieses Interferometers ist im Detail im Dokument US-A-4 659 224 beschrieben, auf das erforderlichenfalls Bezug genommen werden kann.
Der elektronische Erfassungsschaltkreis 50 transformiert die Lichtintensität des aus dem Interferometer 48 austretenden Signals in ein elektrisches Signal, dessen Spannung repräsentativ ist für diese Lichtintensität.
Das Hochpassfilter 52 behält von dem aus dem Schaltkreis 50 austretenden elektrischen Signal nur diejenigen Teile, die den auf den Dopplerverschiebungen beruhenden Intensitätsvariationen entsprechen.
Vorzugsweise bestimmen Rechenmittel 54 den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten des Werkstücks 18 im Verlauf der Kontrolle, und zwar ausgehend von dem aus dem Hochpassfilter 52 ausgegebenen Signal und unter Anwendung der Relation (2). Die beispielsweise durch einen Mikrocomputer gebildeten Rechenmittel 54 vergleichen somit die Amplitude von zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsspitzen, entsprechend aufeinander folgenden Rückwandechos ein und derselben Ultraschallwelle. Genauer gesagt vergleichen sie vorzugsweise die zwei ersten Intensitätsspitzen, die hinter dem Rückwandecho liegen.
Die Technik zur Erfassung und Auswertung der Rückwandechos e₁, e₂, etc. wird nun detaillierter mit Bezug zu den 5A bis 5D sowie zu den 6A, 6B, 7 und 8 beschrieben werden.
In 5A ist die Entwicklung der Lichtintensität I eines Pulses des vom Laser 22 emittierten Strahls 30 mit der Zeit t dargestellt. Diese Entwicklung weist eine quasi Gauss-förmige Gestalt auf. Somit wächst die Intensität I kontinuierlich, um einen Maximalwert I_M zu erreichen, anschließend sinkt sie kontinuierlich mit der Zeit. Die Wellenlänge λ des Lichtpulses weist ferner einen konstanten Wert gleich λ₀ auf (6A).
Wie 5B zeigt, ist am Ausgang der optischen Mittel 32 die Intensität jedes der Pulse des Laserstrahls 42 begrenzt, derart, dass während einer Dauer t0, die wenigstens gleich der Messzeit ist, d. h. in dem beschriebenen Beispiel 20 us, einen konstanten Wert I_E aufweist. Die Wellenlänge bleibt konstant und gleich λ₀. Am Ausgang der Regelmittel 44, und wie in 5C dargestellt, behält die Lichtintensität jedes der Pulse des einfallenden Strahls 14 das gleiche Aussehen wie in 5B, erfährt jedoch eine Dämpfung, die bestimmt ist durch die Regelungsmittel 46, damit die Lichtintensität der Pulse des reflektierten Strahls 20, die in die Erfassungsmittel 12 eintreten, im Wesentlichen von einem Puls zum anderen unveränderlich ist. So bleibt die Lichtintensität jedes Pulses des einfallenden Strahls 14 während der Periode t0 bei einem Wert I_E' (I_E' ≤ I_E). Wie vorstehend bleibt die Wellenlänge konstant und gleich λ₀.
Wie in 5D dargestellt ist, weist jeder der Pulse des reflektierten Strahls 20, die den Eingang der Erfassungsmittel 12 erreichen, dank der kombinierten Wirkung der optischen Mittel 32 und der Regelmittel 44, eine begrenzte Lichtintensität I_c auf, die konstant bleibt, während einer Dauer t0, die wenigstens gleich der Messzeit ist, wobei diese Intensität I_c ferner von einem Puls zum anderen im Wesentlichen unveränderlich ist.
Außerdem, und wie in 6B gezeigt, weist die Wellenlänge λ der reflektierten Pulse Variationen wie z. B. e₁ und e₂ zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ um die konstante Wellenlänge λ₀ herum auf. Diese Variationen entsprechen dem Eintreffen der Ultraschallechos an der vorderen Fläche 16 des Werkstücks 18.
Wie in 7 dargestellt ist, hat das Fabry-Pérot-Interferometer 48 praktisch den Effekt, der Kurve der 5D, welche repräsentativ ist für die Lichtintensität jedes der Pulse des reflektierten Strahls 20, die Signale zu überlagern, die repräsentativ sind für Frequenzspitzen, wobei sie diese Letztgenannten in Lichtintensitätsspitzen transformieren. Jede dieser Spitzen, beispielsweise diejenigen, die zu den Zeitpunkten t₁ und t₂ in 7 aufscheinen, erscheint somit in dem geraden oder begrenzten Teil der Kurve mit der Intensität I_c, die repräsentativ ist für die Lichtintensität I des Pulses. Diese für das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eigentümliche Charakteristik erlaubt es, einen präzisen quantitativen Vergleich der Spannung jeder der Lichtintensitätsspitzen durchzuführen, da die Intensität I_c des Signals, auf dem jede Spitze entsteht, konstant ist.
Um zu diesem Resultat zu gelangen, und wie im Detail in dem bereits genannten Dokument US-A-4 659 224 beschrieben ist, passt man die Länge des Hohlraums des Interferometers 48 an, damit die Wellenlänge λ₀ des Erfassungslasers 22 auf die halbe Höhe der Antwortkurve des Interferometers fällt (welche Kurve die Entwicklung der Ausgangs-Lichtintensität des Geräts als Funktion der Wellenlänge darstellt).
Nach Durchlaufen der Erfassungsvorrichtung 50, die das Lichtintensitätssignal der 7 in ein Spannungssignal transformiert, behält das Hochpassfilter 52 von diesem Spannungssignal nur den konstanten Teil, der die Spannungsspitzen trägt, wie 8 zeigt.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, dass das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung es erlauben, Spannungsspitzen zu erfassen, die repräsentativ sind für in dem Werkstück erzeugte Ultraschallechos, und zwar durch Anheben dieser Spannungsspitzen auf einen konstanten Spannungspegel während der gesamten Dauer der Messung, und vorzugsweise derart, dass dieser konstante Spannungspegel am Eingang der Erfassungsmittel von einem Puls zum anderen im Wesentlichen unveränderlich ist.
Die erste, für die Erfindung wesentliche Eigenschaft, wird sichergestellt durch die Begrenzung des Signals, das vom Laser 22 geliefert wird, gewährleistet durch die optischen Mittel 32.
Die zweite bevorzugte, jedoch nicht wesentliche Eigenschaft wird erzielt mit Hilfe der Mittel 44 zur Regelung der Pulse des einfallenden Strahls.
Aufgrund der Tatsache, dass die für die Ultraschallechos repräsentativen Spannungsspitzen einer konstanten Referenzspannung überlagert sind, was eine Stabilität der Empfindlichkeit gewährleistet, wird es möglich, quantitativ die Amplituden dieser Spannungsspitzen zu vergleichen, insbesondere zur Berechnung des Ultraschall-Absorptionskoeffizienten α unter Verwendung der vorstehend genannten Relation 2. Die Dämpfung der Ultraschallwellen in dem Material kann somit entweder manuell oder mit Hilfe der Rechenmittel 54 der 1 bestimmt werden. Dies erlaubt insbesondere die Bewertung der Materialgüte, indem das Vorhandensein von Heterogenitäten in absoluter Weise aufgezeigt wird, d. h. ohne dass es erforderlich ist, Vergleiche mit Messungen vorzunehmen, die an anderen, vorgeblich intakten Bereichen des Werkstücks durchgeführt wurden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in 9 dargestellt ist, gewährleisten die optischen Mittel 32, welche die Lichtintensität des vom Laser 22 emittierten Strahls modulieren, gleichzeitig die Funktion der Regelmittel 44 in der 1. Anders ausgedrückt gewährleisten die optischen Mittel 32 gleichzeitig die Begrenzung der Lichtintensität des vom Laser 22 gelieferten Strahls 30 während einer Dauer t0, die wenigstens gleich der Messzeit ist, und eine Dämpfung dieser Lichtintensität, die so bestimmt ist, dass die Lichtintensität jedes Pulses des reflektierten Strahls 20, der in die Erfassungsmittel 12 eindringt, konstant gemacht wird.
Zu diesem Zweck umfassen die optischen Mittel 32 eine Lichtintensität-Modulatorvorrichtung 34, beispielsweise einen elektro-optischen oder einen akustooptischen Modulator, der im Weg des vom Laser 22 emittierten Strahls 30 platziert ist, sowie einen elektrischen Regelkreis 36. Dieser Schaltkreis 36 steuert den Modulator 34 in Antwort auf ein Signal, welches repräsentativ ist für die Lichtintensität jedes Pulses am Eingang der Erfassungsmittel 12. Dieses Signal kann erhalten werden mit Hilfe von Mitteln analog jenen, die mit Bezug zu 1 beschrieben worden sind, d. h. einem Glasstreifen wie z. B. dem Glasstreifen 40, der am Eingang der Erfassungsmittel 12 platziert ist, sowie einer Fotodiode analog der Fotodiode 38 in der 1, die das von dem Glasstreifen reflektierte Lichtsignal in ein elektrisches Signal transformiert, welches dazu ausgelegt ist, zum elektrischen Steuerschaltkreis 36 gesendet zu werden.
Diese Gestaltung weist den Vorteil auf, dass die Installation vereinfacht wird, indem die Zahl optischer Komponenten verringert und somit ihre Kosten gesenkt werden.
Aufgrund der Tatsache, dass der Modulator 34 direkt durch eine elektrische Schaltung 36 gesteuert wird, ist außerdem die Antwortzeit minimal. Denn der Begrenzungspegel eines gegebenen Pulses wird ausgehend vom Pegel des vorhergehenden Pulses festgesetzt, wenn dieser den Eingang der Erfassungsmittel 12 erreicht. Man beachte, dass dieser Vorteil auch bei der Installation der 1 existiert, wenn man einen elektro-optischen oder einen akusto-optischen Modulator verwendet, der elektronisch gesteuert wird, und zwar anstelle eines mechanisch gesteuerten Modulators.
Schließlich sind aufgrund der Tatsache, dass von dem aus dem Laser 22 austretenden Strahl nichts abgezweigt wird, die Verluste bezüglich der Installation der 1 verringert, was die Leistungsfähigkeit des Systems weiter verbessert.

Claims

Verfahren zur Kontrolle eines Werkstücks (18) mittels Laser-Ultraschall, wobei: – man einen aus einem gepulsten Laser stammenden Erfassungsstrahl auf eine Messzone (16a) des Werkstücks (18) richtet; – man den vom Werkstück reflektierten Laserpuls während einer vorbestimmten Messzeit erfasst, wobei der Puls Dopplerverschiebungen enthält, die durch die Reflexion von Ultraschallwellen an der Messzone erzeugt sind, und – man jede Dopplerverschiebung in eine Intensitätsspitze transformiert, die der Intensität des reflektierten Pulses überlagert ist, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass man die Intensität jedes einfallenden Pulses des Erfassungslaserstrahls begrenzt, um der Intensität des reflektierten Pulses eine konstanten Wert zu geben, und zwar während einer Dauer, die wenigstens gleich der Messzeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem man jeden einfallenden Puls regelt, um den konstanten Wert von einem reflektierten Puls zum anderen im Wesentlichen unveränderlich zu machen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem man jeden einfallenden Puls in ein und der selben optischen Lichtintensitäts-Modulatoreinrichtung (32) begrenzt und regelt, die elektrisch mit dem vorhergehenden reflektierten Puls geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten α des Werkstücks ausgehend von der Amplitude von zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsspitzen bestimmt, entsprechend aufeinanderfolgenden Rückwandechos ein und derselben Ultraschallwelle.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem man den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten α ausgehend von der Amplitude der zwei ersten Intensitätsspitzen bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem man den Ultraschall-Absorptionskoeffizienten α (in dB/mm) unter Anwendung der Relation:
bestimmt, wobei E die Dicke des Werkstücks (in mm) darstellt und V_n+1/V_n das Amplitudenverhältnis von zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsspitzen der Ordnung n + 1 bzw. der Ordnung n darstellt.
Vorrichtung zur Kontrolle eines Werkstücks (18) mittels Laser-Ultraschall, umfassend: – Sendemittel (10), die dazu ausgelegt sind, einfallende Laserpulse aus kohärentem monochromatischem Licht auszusenden und sie auf eine Messzone (16) des Werkstücks zu richten; und – Erfassungsmittel (12), die dazu ausgelegt sind, während einer vorbestimmten Messzeit den vom Werkstück reflektierten kohärenten Lichtpuls zu empfangen, wobei der Puls Dopplerverschiebungen enthält, die durch Ultraschallwellen erzeugt sind; wobei die Erfassungsmittel (12) Mittel (48) zum Transformieren jeder Dopplerverschiebung in eine Intensitätsspitze umfassen, die der Intensität des reflektierten Pulses überlagert ist; wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sendemittel (10) optische Mittel (32) umfassen, um die Intensität jedes einfallenden Laserpulses zu begrenzen, und um der Intensität des reflektierten Pulses einen konstanten Wert zu geben, und zwar während einer Dauer, die wenigstens gleich der Messzeit ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Sendemittel (10) Mittel (44) zum Regeln jedes einfallenden Laserpulses derart umfassen, dass der konstante Wert von einem reflektierten Puls zum anderen im Wesentlichen unveränderlich gemacht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der ein und dieselbe optische Lichtintensitäts-Modulatoreinrichtung (32) gleichzeitig die Mittel zum Begrenzen der Intensität jedes einfallenden Pulses und die Mittel zum Regeln desselben darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die optische Lichtintensitäts-Modulatoreinrichtung (32) elektrisch mit dem vorhergehenden reflektierten Puls geregelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Erfassungsmittel (12) Mittel (54) zur Bestimmung des Ultraschall-Absorptionskoeffizienten des Werkstücks (18) ausgehend von der Amplitude von zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsspitzen umfassen, entsprechend aufeinanderfolgenden Rückwandechos ein und derselben Ultraschallwelle.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Mittel (54) zur Bestimmung des Ultraschall-Absorptionskoeffizientien α (in dB/mm) des Werkstücks einen Rechner umfasst, der die Relation anwendet:
bei der E die Dicke des Werkstücks (in mm) darstellt, und V_n+1/V_n das Amplitudenverhältnis von zwei aufeinanderfolgenden Intensitätsspitzen der Ordnung n + 1 bzw. der Ordnung n darstellt.