DE8029553U1

DE8029553U1 - Vorrichtung zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE8029553U1
Application number: DE8029553U
Authority: DE
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Priority date: 1980-11-06
Publication date: 1982-04-22

Description

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Krautkrämer GmbH 04.02.1982

Luxemburger Str. 449 P/Cl

5000 Köln 41 K-147

VORRICHTUNG ZUM BERÜHRUNGSLOSEN OPTISCHEN EMPFANG VON ULTRASCHALLWELLEN:

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen, die unter einem Winkel auf die Oberfläche des Prüfstückes auftreffen, indem die von der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächengebiete des Prüfstückes beleuchtet und das durch diese Oberflächenschwankungen modulierte Licht nach Durchlaufen eines Interferometers einem aus mehreren Segmenten bestehenden Lichtempfänger zugeführt wird.

Aus der DE-OS 27 07 968 ist beispielsweise eine Vorrichtung der eingangserwähnten Art bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der Teil der Prüfstückoberfläche, von dem eine Ultraschallwelle unter einem vorgegebenen Winkel empfangen wird, streifenförmig beleuchtet. Dabei haben die Streifen einen gleichmäßigen Abstand voneinander, der durch den vorgegebenen Winkel bestimmt ist. Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung isi vor allem, daß zum Empfang der Ultraschallwellen aus verschiedenen ■ Richtungen der Abstand der Lichtstreifen entsprechend geändert werden muß.

Aus der erwähnten Offenlegungsschrift ist es ebenfalls bekannt, jedem Lichtstreifen eine separate Fotozelle zuzuordnen, deren Ausgänge über Verzögerungsleitungen miteinander verbunden sind. Durch diese bekannte Vorrichtung soll erreicht werden, daß Signale, die den aus der jeweils komplementären Richtung ankommenden Ultraschallwellen entsprechen, unterdrückt werden.

-4-

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, «ine Vorrichtung zum

berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen zu offenbaren,

mit der es möglich ist, auf einfache Weise Ultraschallwellen zu analysieren, i

die aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche des Prüfstückes gelangen,

ohne daß eine Änderung der Lichtstreifenabstände des Beleuchtungslichtes

erforderlich ist. ;*

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des i\

Anspruchs 1 gelöst. f;

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden %

anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren beschrieben. \.

Es zeigen: fj

Fig.1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Empfang von Ultraschall- :^:

wellen mit einer ebenen Wellenfront, die aus vorgegebenen Richtungen ?

auf die Oberfläche des Prüfstückes treffen; :

Fig.2 eine Darstellung zur Erklärung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens; |

Fig.3 eine Vorrichtung gemäß Fig.1, bei der die optischen Signale mit Ϊ

Hilfe von Lichtleitkabeln übertragen werden; ::■

Fig.4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit optischen Verzögerungs- ? gliedern; und

Fig.5 eine Draufsicht auf einen Lichtempfänger mit kreisförmig angeordneten κ

Segmenten zum Empfang von kugelförmigen Wellenfronten. |

In Fig.1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, der die Oberfläche 2 eines Prüf- '

Stückes 3 beleuchtet. Die im Takt der Ultraschallwelle 4 ausgelenkte Ober- '(■ fläche 2 bewirkt eine Phasenmodulation des Laserlichtes. Nach Durchlaufen

dieses Lichtes durch ein Laufzeitinterferometer 5 ergibt sich an dessen ;·

Ausgang Licht, das eine der Phasenmodulation entsprechende Amplitudenmodu- ■'■.

lation aufweist. Dieses Licht wird dann mit Hilfe eines aus mehreren |

Segmenten bestehenden Lichtempfängers 6 empfangen und in entsprechende |

elektrische Signale umgesetzt, mit Hilfe eines Schaltungsvorrichtung 7 |

analysiert, dann in einem Verstärker 8 verstärkt und schließlich in f einer Einheit 9 angezeigt.

Der Lichtempfanger 6 enthält als Segmente Fotodetektoren 600 bis 632, die matrixförmig angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden 12 Fotozellen verwendet (in der Praxis können I00 Fotozellen oder mehr verwendet werden). Die Fotozellen sind jeweils zellenförmig durch elektrische Sammelleitungen 61, 62, 63, 64 miteinander verbunden, so daß am Ausgang des Lichtempfängers 6 insgesamt 4 Signalleitungen vorhanden sind.

Die Schaltungsvorrichtung 7 enthält 3 Verzögerungsglieder 71, 72, 73 und 3 Addierer 74, 75, 76. Die jeweiligen Eingänge der Verzögerungsglieder 71, 72, 73 sind mit den Sammelleitungen 61, 62, 63 des Lichtempfängers 6 .:■ verbunden. Die Eingänge der Addierer sind sowohl mit den Verzögerungsglieder If 71, 72, 73 verbunden als auch mit der Sammelleitung 64 des Lichtempfängers Die Länge der Verzögerungsglieder 71, 72, 73 bzw. die Stellen, an denen die y als Verzögerungsglieder dienende Verzögerungsleitungen abgegriffen werden, |; richtet sich nach den zu empfangenen Winkeln &<, der auf die Oberfläche des

« Prüfstückes auftreffenden Ultraschallwellen 4. Der Zusammenhang zwischen

ρ der Verzögerungszeit und Einfallswinkel O^ wird weiter unten näher erläutert.

Als Verzögerungsglieder können neben Verzögerungsleitungen auch Schieberegister,

i'.i Magnetbänder mit versetzten Schreib- und Leseköpfen etc. verwendet werden.

Gelangt, wie in Fig.1 angedeutet, eine Ultraschallwelle 4 (oder ein Ultraschallimpuls), an die Oberfläche 2 des Prüfstückes 3 unter einem Winkel 5*, ^ 90°, so lenken die als Striche angedeuteten Wellenfronten 41, 42, 43 aufgrund ihrer Schräglage die Oberflächenteilgebiete 21 und 22 zeitlich nacheinander aus. Da das von dem Laser 1 beleuchtete Oberflächengebiet mit Hilfe der schematisch angedeuteten Linsen 51 und 52 auf dem Lichtempfänger 6 abgebildet wird, führt die durch die Ultraschallwelle 4 verursachte Oberflächenbewegung zu einer entsprechenden örtlichen und zeitlichen Helligkeitsänderung auf dem Lichtempfänger 6. Erreicht beispielsweise die Wellenfront 41 das Oberflächengebiet 21, so ergibt sich z.B. auf dem Lichtempfänger entlang der Fotodetektorenreihe 600 bis 6o2 ein heller Lichtstreifen. Ansonsten weist die Fläche des Lichtempfängers eine geringere Helligkeit auf. Am Ausgang der Sammelleitung 61 ergibt sich ein ή entsprechendes elektrisches Signal. Gelangt nun die Wellenfront 41 an das || Oberflächengebiet 22, so ergibt sich entlang der Fotodetektorenreihe 6I0 bis |j[ ein heller Lichtstreifen. Man erhält daher jetzt am Ausgang der Sammelleitung ein Signal usw.

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Da der jeweilige Zeitraum, nach dem die Signale auf den einzelnen Sammelleitungen erscheinen, abhängig ist von dem Winkel (χ , unter dem die Ultraschallwelle auf die Oberfläche des Prüfstückes 3 trifft, kann man durch entsprechende Zeitverzögerungen der ankommenden Signale diese nach ankommenden Winkeln ordnen.

Wie die jeweiligen Verzögerungszeiten ermittelt werden können, wird im folgenden anhand von Fig.2 erklärt. Diese Figur zeigt einen Schnitt durch das Prüfstück 3 (Fig.1) in der YZ-Ebene. Der von dem Laser 1 (Fig.1) beleuchtete Oberflächenabschnitt liegt zwischen den Punkten 01 und 04. Ferner ist mit I die Fortpflanzungsrichtung einer ebenen unter 3o° zur Oberfläche einfallenden Ultraschallwelle bezeichnet. II bedeutet die Fortpflanzungsrichtung einer entsprechenden unter 7o° auf die Oberfläche auftreffenden Welle. Mit III ist als weiteres Beispiel eine kugelförmige Wellenfront bezeichnet, deren Mittelpunkt A unter dem beleuchteten Oberflächenabschnitt liegt.

Im folgenden sollen die Verhältnisse für die unter 3o° auf die Oberfläche des Prüfstückes treffende ebene Welle näher beschrieben werden:

Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, besitzt die Wellenfront L dieser Ultraschallwelle zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Laufstrecken L1, L2, L3, L4 (im dargestellten Beispiel ist L1 = 0). Die Abstände a zwischen den Orten 01 bis 04 mögen so gewählt sein, daß sie bis auf einen Proportionalitätsfaktor gleich den Abständen der Fotodetektoren 6oo, 61o, 62o, 63o (Fig.1) entsprechen. Die den Laufstrecken L1, L2, L3, L4 zugeordneten Laufzeiten tL1, tL2, tL3, tL4 ergeben sich durch Division der jeweiligen Laufstrecke durch die Schallgeschwindigkeit des entsprechenden Prüfstückes. Die gesuchten Verzögerungszeicen ergeben sich dann aus der Differenz der größten Laufzeit (tL4) und der der jeweiligen Fotozellenzeile zugeordneten Laufzeit (tL3, tL2, etc.). Denn in diesem Fall kommen alle Signale von den Fotodetektorenzeilen gleichzeitig an dem ihnen zugeordneten Addierer 74 (Fig.1) an. Es erscheint am Ausgang dieses Addierers ein maximaler Signalwert.

Die Anschlüsse 711, 712; 721, 722; 731, 732 an den Verzögerungsleitungen 71, 72, 73 sind in dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel so gewählt, daß an den Ausgängen der beiden anderen Addierer 75 bzw. 76 immer dann ein maximaler Signalwert auftritt, wenn die Ultraschallwellen unter einem Winkel

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von 45° bzw. 7o° auf die Oberfläche des Prüfstückes 3 fallen. Der Schalter S verbindet den Verstärker 8 mit dem Ausgang jeweils eines der Addierer 74, 75, 76.

Anders als in Fig.1 werden in Fig.3 die einzelnen Segmente 6ooo bis 632o des Lichtempfängers 6o nicht durch Fotodetektoren, sondern durch die Endstücke von Lichtkabeln gebildet. (Aus Gründen der besseren Übersicht wurden nur die drei Lichtleitkabel 11o, 111 und 112 mit Bezugszeichen versehen). Alle in Fig.3 dargestellten Lichtkabel besitzen die gleiche Länge. Lichtkabel der gleichen Zeile werden jeweils mit einer Fotozelle 113, 114, 115, 116 verbunden. Der Vorteil einer derartigen Anordnung gegenüber dem Lichtempfänger nach Fig.1 besteht darin, daß statt 16 lediglich Fotodetektoren benötigt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.4 wiedergegeben. Dabei sind mit 118, 119 und 12o drei Bündel von Lichtleitkabel bezeichnet. Jedes dieser Bündel besteht aus drei einzelnen Lichtleitkabeln. Das eine Ende des jeweiligen Lichtleitkabels bildet wiederum ein Matrixelement des mit 1oo bezeichneten Lichtempfängers. Das jeweils andere Ende ist mit einem Fotodetektor 124 verbunden. Die Lichtleitkabel-Bündel 118, 119 und 12o besitzen unterschiedliche Längen, um unterschiedliche optische Verzögerungen der detektierten Lichtsignale zu bewirken. Der Fotodetektor wandelt einerseits die über die Lichtleitkabel ankommenden optischen Signale in elektrische Signale um. Andererseits wirkt der Fotodetektor selbst als Addierer. Es sind daher bei dieser Vorrichtung weder elektrische Verzögerungsglieder noch ein separater Addierer erforderlich.

Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt. Eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen wird dem Durchschnittsfachmann aufgrund der vorliegenden Erfindung ohne eigenes erfinderisches Zutun einfallen. Dieses gilt insbesondere für die Verwendung des Verfahrens zur Messung nicht nur ebener sondern auch zylinder- oder kugelförmiger Wellenfronten.

Beim Empfang kugelförmiger Wellenfronten (fokussierender Empfang) liegen die Fotodetektoren gleicher Laufzeit auf Kreisbögen. Man verbindet daher die Fotoelemente nicht zeilenweise, sondern in Form von Kreisen. Ein

entsprechendes Ausführungsbeispiel für den Empfang von Kugelwellen, deren Mittelpunkt, sich direkt unter dem von dem Laser (Fig.1) beleuchteten Oberflächenabschnitt befindet (vgl. auch Fig.3), ist in Fig.5 wiedergegeben. Der zentrale Fotodetektor, unter dem sich der Mittelpunkt der Kugelwelle befindet, ist mit 2o1 bezeichnet. Dieser Fotodetektor ist über die Verzögerungsleitung 74o mit dem Addierer 78o verbunden. Mit 2o2 bzw. 2o3 sind die Fotodetektoren bezeichnet, die sich jeweils auf dem gleichen Kreisbogen befinden. Die diese Fotodetektoren verbindenden elektrischen Leitungen sind strichliert dargestellt. Die den Detektoren zugeordneten Verzögerungsleitungen sind mit 75o bzw. 76o bezeichnet.

Claims

"* · « · Il f · f* · ·04.02.1982■ # · I * ]| · * * ιP/Cl• * Ii ■ . ι»·· · · · I > )K-147Krautkrämer GmbHLuxemburger Str. 4495000 Köln 41 Schutzansprüche

1. Vorrichtung zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen, die unter einem Winkel auf die Oberfläche des Prüfstückes auftreffen, indem die von der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächengebiete des Prüfstückes beleuchtet und das durch diese

j Oberflächenschwankungen modulierte Licht nach Durchlaufen eines

Interferometers einem aus mehreren Segmenten bestehenden Lichtem-

pfanger zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Segmente des Lichtempfängers (6) matrixförmig angeordnete Fotodetektoren (600 bis 632) sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Fotodetektoren (600 bis 632) zeilenweise miteinander verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Segmente des Lichtempfängers (60) matrixfrörmig angeordnete Endstücke (6000 bis 6320) von Lichtleitkabeln sind.

-2-

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtleitkabel (110, 111, 112) alle die gleiche optische Länge aufweisen und daß jeweils alle Lichtleitkabel einer Matrixzeile einem Fotodetektor (113 bis 116) zugeordnet sind (Fig. 3).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtleitkabel jeweils einer Matrixzeile alle die gleiche optische Länge aufweisen, und daß die Längen der Lichtleitkabel (118, 119, 1120) unterschiedlicher Zeilen unterschiedliche Längen besitzen, um die erforderliche Verzögerung der optischen Signale zu erreichen.

-3r