JPH05256824A - レーザで誘導される渦電流の像形成による改善された材料の特性表示方法及びその装置 - Google Patents

レーザで誘導される渦電流の像形成による改善された材料の特性表示方法及びその装置

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JPH05256824A
JPH05256824A JP4238670A JP23867092A JPH05256824A JP H05256824 A JPH05256824 A JP H05256824A JP 4238670 A JP4238670 A JP 4238670A JP 23867092 A JP23867092 A JP 23867092A JP H05256824 A JPH05256824 A JP H05256824A
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JP
Japan
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sample
laser
eddy current
amplifier
detection coil
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JP4238670A
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English (en)
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Engmin J Chern
ジェイムズ チャーン エングメン
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National Aeronautics and Space Administration NASA
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National Aeronautics and Space Administration NASA
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013Arrangements for scanning
    • G01N27/902Arrangements for scanning by moving the sensors

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 標本材料の熱歪を検出する改善された方法及
び装置を提供すること。 【構成】 変調器8と走査ミラー12とを有するレーザ
光線18と、パンケーキ形状の渦電流検出コイル16
と、ロックイン増幅器4と、システムコントローラ2
と、インピーダンス利得/位相分析器6とを使用する。
レーザは、走査ミラー12によって分析される試料14
に向けられる。試料14の非常に局部的で小さな領域が
レーザ光線18により直接衝撃を受け、試料内に熱及び
応力波を生ずる。インピーダンス利得/位相分析器6
は、システムコントローラ2を介して渦電流検出コイル
16及びロックイン増幅器4に接続される。ロックイン
増幅器4は、レーザ変調器8と同期している。システム
コントローラ2は、ロックイン増幅器4と走査ミラー1
2とを制御し、分析器からのデータを処理するのに使用
される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は非破壊評価(Nondestruc
tive Evaluation ;以下NDEとも言う)に関し、特に
改善された材料の特性表示のために材料中に発生する熱
及び弾性歪を検出する渦電流像形成システムを使用する
システムに関するものであり、本発明は合衆国政府の従
業員により創出され、いかなる特許権使用料の支払いな
しに政府の目的で政府により政府の為に製造及び使用さ
れるものである。
【0002】
【関連技術】非破壊評価(NDE)では、欠陥を検出
し、特性を測定し、あるいは品質を評価する為に、対象
物や材料をその有用性を変えずに検査する試験を使用す
る。NDE法は、長年、高能力の光学技法,超音波の表
面波測定法,応力蛍光浸透技法及び渦電流診断分析法の
使用により発展してきた。本発明は、主として、改善さ
れた材料の特性表示のためにレーザにより発生する材料
中の熱及び弾性歪を検出する渦電流像形成システムの使
用に関する。この進んだ技術は、表面変位の評価,欠陥
の検出及び損傷の査定に使用できる。
【0003】渦電流プローブは、以前はNDEの形式で
使用されて来たが、最近では光誘導像形成と共に使用さ
れる。光誘導像形成は、渦電流と熱波法を結合する新規
なデュアルモードのNDE技法である。本技術の基礎で
ある光誘導効果とは、変調された光源で照射される伝導
面に近接する渦電流プローブのインピーダンスの、熱誘
導による変化である。プローブのインピーダンスの変化
は、試料の伝導性及び透磁性の熱誘導による変化により
引き起こされる。プローブのインピーダンスの通常の変
化は数ppm単位で小さいけれども、その変化が光線変
調と同期しているので、ロックイン(lock-in) 技法が信
号を検出するのに使用できる。検出信号は、表面あるい
は表面付近の欠陥,隙間,包有物または他の温度上ある
いは構造上の不均等性を描くために使用できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の光誘導NDEの
問題点は、上記変化が試料の一方の面のみの励起及び検
出を表わし、ミクロン以下の範囲内の非常に薄い表面の
特性を検査するのに使用できるだけであるということで
ある。従って、本発明の目的は、標本材料の熱歪を検出
する改善された方法及び装置を提供することにある。
【0005】本発明の他の目的は、改善された非破壊評
価(Nondestructive Evaluation) 法の提供にある。本発
明の更に他の目的は、新しい材料の特性表示のための改
善された方法の提供にある。
【0006】
【課題を解決するための手段及び作用】上記目的及び他
の目的が以下の5つの主要なハードウェア要素を使用す
る改善されたNDE方法の提供により実現される。その
要素とは、変調器及び走査ミラーを有するレーザ光源
と、パンケーキ(pancake) 形状の渦電流検出コイルと、
ロックイン(lock-in) 増幅器と、システムコントローラ
と、インピーダンス利得/位相分析器とである。試料の
非常に局部的で小さな領域は、レーザ光線により直接衝
撃を受けて、試料中に熱及び応力波が生成する。熱波に
よる浸透深度はレーザ変調器の変調周波数に依存する。
【0007】インピーダンス利得/位相分析器は、シス
テムコントローラを介して渦電流検出コイルとロックイ
ン増幅器と接続される。ロックイン増幅器はレーザ変調
器に同期する。システムコントローラはロックイン増幅
器と走査ミラーとを制御し、分析器からのデータを処理
するために使用される。試料を横切るレーザ光線のラス
ター走査が、レーザにより試料中に誘導されたレーザで
発生する熱及び弾性歪のコイルによる検出を可能にす
る。レーザ光線のラスター走査はコントローラによって
ミラーの位置により制御される。
【0008】本発明の欠陥検出の方法は従来と異なり、
従来の任意の比例信号の使用に対し検出コイルのレジス
タンス及びインダクタンスの絶対値を使用する。
【0009】
【実施例】本発明は、図1に示すレーザ誘導の渦電流像
形成のための本システムのブロック図のように、5つの
主要なハードウェア要素を使用する改善された方法にあ
る。5つの主要構成要素とは、レーザ光源10と、パン
ケーキ(pancake) 形状の渦電流検出コイル16と、ロッ
クイン(lock-in) 増幅器4と、システムコントローラ2
と、インピーダンス利得/位相分析器6とである。他の
補助要素としては、変調器8と走査ミラー12と試料1
4とがある。
【0010】レーザ10は励起源であり、アルゴンイオ
ンのレーザや他の適当なレーザである。レーザ10は、
本質的には周期関数発生器である変調器8により変調さ
れて、走査ミラー12によって試料14に向けられる光
線18が生成される。図4に示すように、試料14の非
常に局部的で小さな領域が光線18で直接衝撃を受け、
試料14中に熱及び応力波20が生成されて、試料14
内に熱及び弾性歪が誘導される。波20による浸透深度
は変調器8の変調周波数に依存する。
【0011】従来から良く知られているインピーダンス
利得/位相分析器6が渦電流検出コイル16に接続され
る。分析器6はシステムコントローラ2を介してロック
イン増幅器4に接続される。ロックイン増幅器4は変調
器8と同期がとられている。システムコントローラ2
は、ロックイン増幅器4と走査ミラー12とを制御し、
分析器6からのデータを処理するために使用される。シ
ステムコントローラは、例えばIBMシリーズ386P
Cやその代替機でよい。好適なインピーダンス利得/位
相分析器6の一例としては、IEEE488バスによっ
てコントローラ2に接続されるHP4194A分析器が
ある。典型的な渦電流検出コイル16としては、ノルテ
ック(Nortec)の表面プローブSP−100がある。ロッ
クイン増幅器は本技術分野では良く知られているもので
ある。
【0012】図3は試料14を横切る光線18のラスタ
ー走査を示し、これによりレーザ10によって試料14
に誘導されるレーザ発生の熱及び弾性歪のコイル16に
よる検出が可能となる。光線18のラスター走査はコン
トローラ2によるミラー12の位置によって制御され
る。この技術は本技術分野では良く知られている。本発
明の欠陥検出の方法は、従来技術と以下の点で異なって
いる。従来例では、ロックイン増幅器からの信号は強度
成分と位相成分とに起因する。これら成分の各々は分離
されて、ロックイン増幅器から電圧計に送られた。電圧
計のアナログ出力信号は、垂直及び水平位置センサから
の信号と加えられ、XYレコーダの垂直及び水平チャネ
ルに導かれた。XYレコーダでのこれらの信号は、渦電
流プローブのインピーダンスの変調を示し、チョップさ
れたレーザ光線と同期していた。信号はプローブの位置
における試料の像をも表わしていた。
【0013】本発明の技術は、従来の任意の比例する信
号に対して検出コイル16のレジタンス及びインダクタ
ンスの絶対値を使用する。電磁気学の基本法則から、検
出コイル16のインピーダンスは次のように表わされ
る。 Z=1/I2 ∫(E×H)ds ここで、Iは検出コイル16の電流、EとHはコイル1
6により誘導される電界及び磁界、Sは電磁界に囲まれ
る領域である。コイル16のインピーダンスZは通常Z
=R+jXL という複素数で表現される。レジタンス
R、ここでR=Re(Z)はインピーダンスZの実数成
分であり、リアクタンスXL 、ここでXL=Im(Z)
は虚数成分である。RとXL とは精密LCRインピーダ
ンス計によって測定できる。
【0014】試料14内にレーザで誘導される熱歪及び
弾性歪によるインピーダンスの変化は次式で表わされ
る。 ΔZ=1/I2 ∫(∂σ/∂T・E2 +jw∂μ/∂T・H2 )dTds ここで、∂σ/∂Tは電気伝導率(σ)の変化,∂μ/
∂Tは誘導される熱弾性効果Tによる材料の透磁率
(μ)の変化である。
【0015】例えば、大気温度で100KHzパンケーキ
プローブのコイル16のインピーダンスは実験的に測定
されており、レジスタンスはR=14.3Ωでリアクタ
ンスXL は82.5Ωである。材料へのレーザ誘導の熱
弾性効果によるコイル16のインピーダンスの変化ΔZ
は、レジスタンスでほぼ3Ωまたは20%,リアクタン
スで4Ωまたは6%である。試料の位置に関するインピ
ーダンスの変化を調整すると、材料の熱弾性的及び欠陥
の性質の改善された特性表示が得られる。
【0016】上記開示に照らして、当業者は本発明の多
くの変形や修飾が可能である。添付の請求の範囲の技術
思想の範囲内であれば、本実施例に記載された実施例外
の実施も当然可能である。
【0017】
【発明の効果】本発明により、標本材料の熱歪を検出す
る改善された方法及び装置を提供できる。また、改善さ
れた非破壊評価(Nondestructive Evaluation) 法が提供
できる。さらに、新しい材料の特性表示のための改善さ
れた方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例の構成要素のブロック図である。
【図2】本実施例の処理を表現する図である。
【図3】本実施例の一部の透視図である。
【図4】本実施例により走査される試料の正面図であ
る。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料の特性を表示する改善された装置で
    あって、 レーザと、 該レーザからの光線を変調する変調器と、 前記試料に熱及び弾性歪を誘導するために前記レーザか
    らの光線を前記試料に向ける走査ミラーと、 前記試料に隣接して、前記試料内での前記熱及び弾性歪
    により生じる前記試料の電気伝導性の変化を検出する渦
    電流検出コイルと、 前記渦電流検出コイルに接続して、前記試料の電気伝導
    性の変化の結果として前記渦電流検出コイルのレジスタ
    ンス及びインダクタンスの絶対値を測定するインピーダ
    ンス利得/位相分析器と、 前記変調器に接続するロックイン増幅器と、 前記インピーダンス利得/位相分析器とロックイン増幅
    器と走査ミラーとに接続して、データの取得と制御とを
    行うシステムコントローラとを備えることを特徴とする
    装置。
  2. 【請求項2】 前記走査ミラーは、前記光線を前記試料
    上にラスター形態で向けることを特徴とする請求項1記
    載の装置。
  3. 【請求項3】 試料の特性を表示する改善された方法で
    あって、 前記試料を渦電流検出コイルに隣接して設置する行程
    と、 変調された熱源を発生する行程と、 前記変調された熱源を前記試料上の局部領域に向ける行
    程と、 前記局部領域を前記試料を横切って走査させて、前記試
    料に熱及び応力波を発生させる行程と、 前記試料の局部的な熱及び応力変化により生ずる局部領
    域の電気伝導性及び磁気透過性の変化を前記渦電流検出
    コイルで検出する行程と、 前記渦電流検出コイルのレジスタンス及びインダクタン
    スの絶対値を測定して、前記試料の特性を直接表示する
    行程とを備えることを特徴とする方法。
  4. 【請求項4】 前記走査は前記試料を横切るラスター形
    態で行われることを特徴とする請求項3記載の方法。
JP4238670A 1991-09-05 1992-09-07 レーザで誘導される渦電流の像形成による改善された材料の特性表示方法及びその装置 Withdrawn JPH05256824A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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US07/758,977 US5124640A (en) 1991-09-05 1991-09-05 Method for advanced material characterization by laser induced eddy current imaging
US07/758977 1991-09-05

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JPH05256824A true JPH05256824A (ja) 1993-10-08

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EP (1) EP0531127A3 (ja)
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CA (1) CA2077462A1 (ja)

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EP0531127A3 (en) 1993-12-01
EP0531127A2 (en) 1993-03-10
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