JP5561581B2

JP5561581B2 - 材料厚測定方法

Info

Publication number: JP5561581B2
Application number: JP2009241493A
Authority: JP
Inventors: 直紀布施
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2011089793A

Description

本発明は材料厚測定方法に関し、特に超音波発生用レーザ光で材料内に超音波を発生させて材料厚を測定する材料厚測定方法の改良に関する。

材料厚を測定する方法として、被測定材料の厚さ方向に超音波を伝搬させ、その伝搬時間と被測定材料中の超音波速度から被測定材料の厚さを測定する方法が知られている。この場合、超音波振動子を材料表面に水や油等を介して接触させて材料内に超音波を生じさせる構造では、高温材料や高速で移動する材料への適用は困難であった。

そこで、被測定材料の表面にパルスレーザ光を照射して材料表面のアブレーション（表面素材の瞬間的な蒸発）や熱弾性効果により材料内に超音波を発生させて、被測定材料の裏面で反射された反射波による材料面振動を検出用レーザ光で検出することにより材料厚を測定する、いわゆるレーザ超音波法による材料厚の測定が注目されている。これによると高温材料や高速移動材料の材料厚を測定することが可能になる。このようなレーザ超音波法を使用した材料厚測定方法は例えば特許文献１に示されている。

特開２００２−２１３９３６

しかし、上記従来の材料厚測定方法において、検出用レーザ光による材料面振動の検出は、超音波発生用レーザ光の照射点における振動を検出するのが十分な大きさの検出信号が得られることから最も効率的であるが、上記照射点では測定開始時にアブレーションによるプラズマ衝撃波が生じ、これの周波数が検出用レーザ光の周波数と同一帯域にあるために衝撃波を除くとこれと共に十分な大きさの検出信号も除去されて、信号レベルの小さい検出信号しか得られない。

そこで、照射点から距離ｄだけ離れた位置の材料面振動を検出用レーザ光で検出するようにしているが、機械的振動や、測定装置と被測定材料の相対的傾きが変化する等によって上記距離ｄが変動すると正確な測定を行なうことが困難であるという問題があった（上記特許文献１の従来技術の説明）。

本発明はこのような課題を解決するもので、超音波発生用レーザ光の照射点で得られる、プラズマ衝撃波を除去した後の信号レベルの小さい検出信号から正確な材料厚を測定することができる材料厚測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本第１発明では、被測定材料（Ｐ）の表面（Ｐ1）に超音波発生用レーザ光（Ｌ1）を照射して被測定材料（Ｐ）内に超音波（Ｓ）を生じさせ、被測定材料（Ｐ）の裏面（Ｐ2）で反射された超音波反射波（Ｓr）による前記超音波発生用レーザ光（Ｌ1）の照射点（Ａ）での材料面の振動を検出用レーザ光（Ｌ2）で検出して、検出用レーザ光（Ｌ2）の検出信号（５ａ）のピーク間隔より被測定材料（Ｐ）の材料厚を算出するようにした材料厚測定方法であって、前記検出信号（５ａ）の衝撃波成分をカットし、残る信号成分に対して自己相関処理を行なうことにより周期性信号（５ｃ）を得て、当該周期性信号（５ｃ）のピーク間隔に基づいて材料厚を算出する材料厚測定方法において、レーザ装置（１）から超音波発生用レーザ光（Ｌ１）を被測定材料としての板体（Ｐ）に向けて出力させ、板体（Ｐ）の表面のレーザ照射点（Ａ）にて熱弾性効果による振動を発生させて、これにより板体（Ｐ）内に超音波を生じさせるステップ（１０１）と、板体（Ｐ）内に生じた超音波（Ｓ）が当該板体（Ｐ）の裏面（Ｐ２）で反射されて反射波（Ｓｒ）として再び板体表面（Ｐ１）のレーザ照射点（Ａ）に戻ってこの部分を振動させて生じる微小振動を、連続照射される検出用レーザ光（Ｌ２）で検出して、光干渉計（５）を通して検出信号（５ａ）として取り込むステップ（１０２）と、ノイズ振動をカットした検出信号（５ｂ）に対して、自己相関処理を行なって中央ピーク（Ｋｘ）の両側に一定間隔で、漸次小さくなる複数のピークを有する周期性信号（５ｃ）を得るステップ（１０５）と、中央ピーク（Ｋｘ）を挟んだ両側の互いに対応するピーク（Ｋｙ）間の時間差（Ｔｄ）から隣接するピーク間の時間差を算出するステップ（１０６）と、算出された時間差と予め知られている板体（Ｐ）内での超音波の速度とから板体（Ｐ）の板厚を算出するステップ（１０７）と、を備える。

本第１発明において、衝撃波成分をカットした際に同時に検出信号中の超音波反射波による比較的大きな振動成分も除去されて、検出信号中には比較的小さな振動成分のみが残される。そこで、比較的小さな振動成分のみを含む検出信号に対して、自己相関処理を行なうことにより十分大きな複数のピークを有する周期性信号が得られる。そして、この周期性信号の隣接するピーク間の時間差を算出する。この時間差は、被測定材料表面の照射点から発した超音波が裏面で反射して反射波として再び照射点へ戻るまでの時間に等しいからから、この時間差と予め知られている被測定材料内での超音波の速度より被測定材料の材料厚を算出することができる。また、本第１発明では、信号ピークが中央ピークに対して左右で非対称になっても正確な隣接するピーク間の間隔を得ることができる。

上記カッコ内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以上のように、本発明の材料厚測定方法によれば、超音波発生用レーザ光の照射点で得られる、プラズマ衝撃波を除去した後の信号レベルの小さい検出信号から正確な材料厚を測定することができる。

本発明方法を実施するための機器構成を示すブロック図である。コンピュータの処理手順を示すフローチャートである。光干渉計から得られる検出信号の一例を示す波形図である。フィルタリング後の検出信号の一例を示す波形図である。検出信号を自己相関処理して得られた周期性信号の一例を示す波形図である。周期性信号の拡大波形図である。

図１には本発明方法を実施するための機器構成を示す。図１において、被測定材料としての板体Ｐの表面に対向させてレーザ装置１が設けられており、当該レーザ装置１からはダイクロイックミラー２を通してパルス幅１０nsecの超音波発生用レーザ光Ｌ1が、板材表面のＡ点に向けて照射される。一方、レーザ装置３が設けられて、ここから出力された検出用レーザ光Ｌ2がハーフミラー４と上記ダイクロイックミラー２で反射されて上記照射点Ａに連続的に照射されている。

検出用レーザ光Ｌ2は板体Ｐの表面Ｐ1で反射されてダイクロイックミラー２へ戻り、ここで反射されてハーフミラー４を通過して光干渉計５に入力する。光干渉計５で得られた検出信号５ａはコンピュータ６に入力し、後述する処理によって上記板体Ｐの板厚が算出される。

図２にはコンピュータ６における処理手順を示す。ステップ１０１ではレーザ装置１から超音波発生用レーザ光Ｌ1を板体Ｐに向けて出力させ、板体表面Ｐ1のレーザ照射点Ａにて熱弾性効果による振動を発生させて、これにより板体Ｐ内に超音波を生じさせる。

板体Ｐ内に生じた超音波Ｓは板体Ｐの裏面Ｐ2で反射されて反射波Ｓrとして再び板体表面Ｐ1の照射点Ａに戻り、この部分を振動させる。ステップ１０２では、上記照射点Ａの微小振動を、連続照射される検出用レーザ光Ｌ2で検出し、光干渉計５を通して検出信号５ａとして取り込む。検出信号５ａの一例を図３に示す。

ステップ１０３では上記検出信号５ａにフィルタ処理を施す。このフィルタ処理は１ＭＨｚ以下のノイズ成分を除去するためのハイパスフィルタ処理とする。フィルタ処理後の検出信号５ｂを図４に示す。図４より明らかなように、測定開始時に大きな振動波形が得られているが（図のＥ領域）、これはアブレーションにより生じたプラズマ衝撃波の振動である。この場合、特に板厚が薄いと、板体裏面Ｐ2からの初期の超音波反射波Ｓrによる比較的大きな振動成分が、プラズマ衝撃波の振動とほぼ同一の帯域にあってこれに混入してしまう。

ステップ１０４ではプラズマ衝撃波によるノイズ振動分（図４のＥ領域部分）をカットする。この際、同時に超音波反射波Ｓrによる比較的大きな振動成分も除去されてしまい、検出信号５ｂ中の比較的小さな振動成分のみが残されることになる。

ここにおいて本実施形態では、ノイズ振動をカットした検出信号５ｂに対して、ステップ１０５で自己相関処理を行なう。この処理は、ウィナーヒンチンの定理より、高速フーリエ変換の電力スペクトルからフーリエ逆変換により自己相関関数を得るものである。得られた自己相関関数の一例を図５に示し、中央ピークＫｘの両側に一定間隔で、漸次小さくはなるが十分大きな複数のピークを有する周期性信号５ｃが得られる。

ステップ１０６では隣接するピーク間の時間差を算出する。これは図６に示すように、信号ピークが通常は中央ピークＫｘに対して左右で非対称になることを考慮して、中央ピークＫｘを挟んだ両側のピークＫｙ間の時間差Ｔｄから隣接するピーク間の時間差を算出する（本実施形態の場合は４で割る）のが良い。算出された時間差は、板体表面Ｐ1（図１）の照射点Ａから発した超音波Ｓが裏面で反射して反射波Ｓrとして再び照射点Ａへ戻るまでの時間に等しいからから、ステップ１０７では上記時間差と予め知られている板体Ｐ内での超音波の速度とから板体Ｐの板厚を算出する。

以上の手順で行なわれる本実施形態の測定方法によれば、特に１ｍｍ以下の薄板で、従来、板厚測定のＳ／Ｎ比が０〜２程度と非常に悪かったのに対し、非常に良いＳ／Ｎ比３〜２０で板厚を正確に測定することができた。

１…レーザ装置、２…ダイクロイックミラー、３…レーザ装置、４…ハーフミラー、５…光干渉計、５ａ…検出信号、５ｂ…周期性信号、６…コンピュータ、Ａ…照射点、Ｌ1…超音波発生用レーザ光、Ｌ2…検出用レーザ光、Ｐ…板体（被測定材料）、Ｐ1…表面、Ｐ2…裏面、Ｓ…超音波、Ｓr…反射波。

Claims

被測定材料の表面に超音波発生用レーザ光を照射して被測定材料内に超音波を生じさせ、被測定材料の裏面で反射された超音波反射波による前記超音波発生用レーザ光の照射点での材料面の振動を検出用レーザ光で検出して、検出用レーザ光の検出信号のピーク間隔より被測定材料の材料厚を算出するようにした材料厚測定方法であって、前記検出信号の衝撃波成分をカットし、残る信号成分に対して自己相関処理を行なうことにより周期性信号を得て、当該周期性信号のピーク間隔に基づいて材料厚を算出する材料厚測定方法において、
レーザ装置から前記超音波発生用レーザ光を前記被測定材料としての板体に向けて出力させ、前記板体の表面のレーザ照射点にて熱弾性効果による振動を発生させて、これにより前記板体内に超音波を生じさせるステップと、
前記板体内に生じた超音波が当該板体の裏面で反射されて反射波として再び板体表面の前記レーザ照射点に戻ってこの部分を振動させて生じる微小振動を、連続照射される前記検出用レーザ光で検出して、光干渉計を通して検出信号として取り込むステップと、
ノイズ振動をカットした前記検出信号に対して、自己相関処理を行なって中央ピークの両側に一定間隔で、漸次小さくなる複数のピークを有する前記周期性信号を得るステップと、
前記中央ピークを挟んだ両側の互いに対応するピーク間の時間差から隣接するピーク間の時間差を算出するステップと、
前記算出された時間差と予め知られている前記板体内での超音波の速度とから前記板体の板厚を算出するステップと、
を備える材料厚測定方法。