JPH09257756A - Ultrasonic detection apparatus and method therefor - Google Patents

Ultrasonic detection apparatus and method therefor

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JPH09257756A
JPH09257756A JP8066146A JP6614696A JPH09257756A JP H09257756 A JPH09257756 A JP H09257756A JP 8066146 A JP8066146 A JP 8066146A JP 6614696 A JP6614696 A JP 6614696A JP H09257756 A JPH09257756 A JP H09257756A
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JP
Japan
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subject
reflected
ultrasonic
laser beam
incident
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Application number
JP8066146A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuaki Nagata
泰昭 永田
Takahiro Matsumoto
貴裕 松本
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To dispense with highly accurate adjustment inevitable to an interferometer and to enable even an unskilled person to easily handle an apparatus. SOLUTION: The laser beam 151 emitted from a laser beam source 11 is incident on the surface of an object 30 to be inspected at a predetermined angle θand reflected by the mirror surface of the specimen 30 at the angle equal to the incident angle to become reflected beam 152 . The reflected beam 152 is applied to the surface of a PSD 12 to be converted to an electrical signal and, when ultrasonic waves propagate along the surface of the specimen, the surface of the specimen is displaced and the normal line direction of the surface thereof a changed. Herein, if the beam diameter of laser beam 151 is made sufficiently smaller than the wavelength λ of ultrasonic waves propagation along the surface of the specimen, even if the incident beam 151 is incident on the same point, the incident angle and reflected angle thereof change and the reflecting direction of the reflected beam 152 changes and, therefore, ultrasonic waves can be detected as a change of the position of the spot on the PSD.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば超音波を利
用して鋼材内部の欠陥等の検出を行う場合に適用できる
超音波検出装置及び超音波検出方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrasonic wave detecting apparatus and an ultrasonic wave detecting method which can be applied when, for example, ultrasonic waves are used to detect a defect inside a steel material.

【0002】[0002]

【従来の技術】各種材料の内部欠陥等を検査する方法の
一つとして、いわゆるレーザー超音波法と呼ばれるもの
がある。これについては、例えば「超音波TECHNO
5月号」(vol.5, No.5, p38(1993)日本工業出版)にお
いて説明されている。この方法は、被検体に励起用のレ
ーザービームを照射することによって発生させた超音波
を、別のプローブ用のレーザービームを用いて検出する
もので、非接触、且つ非破壊で被検体内部の欠陥の検査
を行うことができる。したがって、製鉄工程における品
質検査、鉄骨加工工程における溶接部の検査、セラミッ
クス材料の品質検査、航空機部品の内部検査、その他金
属、複合材料の品質検査等への応用が期待されている。
2. Description of the Related Art As one of the methods for inspecting internal defects of various materials, there is a so-called laser ultrasonic method. Regarding this, for example, "Ultrasonic TECHNO
May issue ”(vol.5, No.5, p38 (1993) Nippon Kogyo Shuppan). This method is to detect ultrasonic waves generated by irradiating a subject with a laser beam for excitation, using a laser beam for another probe. Defects can be inspected. Therefore, it is expected to be applied to quality inspections in the steel making process, weld inspections in the steel frame processing process, quality inspections of ceramic materials, internal inspections of aircraft parts, and quality inspections of other metals and composite materials.

【0003】図8は、このレーザー超音波法を用いたレ
ーザー超音波検査装置の一例の構成を示したブロック図
である。同図において、励起用レーザー50は、被検体
55の表面において超音波を励起させるためレーザー
で、比較的大きな出力のパルスレーザービームを放射で
きるQスイッチYAGレーザーなどが使用される。励起
用レーザー50から放射されたレーザービーム51は、
ビームスプリッタ52で一部分岐され、ミラー53,5
4で反射されて被検体55の表面に照射される。レーザ
ービーム51が照射されると、被検体55には、熱的応
力又は蒸発反力によって超音波が発生する。この超音波
は、被検体内部を伝播して被検体の裏側の表面に到達し
て反射され、再びエコーとして被検体の表側の表面に戻
る。尚、ビームスプリッタ52で分割されたレーザービ
ーム51の一部は、光検出器56に導かれ、ここで検出
されてオシロスコープ57のトリガー信号として用いら
れる。
FIG. 8 is a block diagram showing the construction of an example of a laser ultrasonic inspection apparatus using this laser ultrasonic method. In the figure, the excitation laser 50 is a laser for exciting ultrasonic waves on the surface of the subject 55, and a Q-switch YAG laser or the like capable of emitting a pulsed laser beam having a relatively large output is used. The laser beam 51 emitted from the excitation laser 50 is
The beam splitter 52 partially splits the mirrors 53, 5
It is reflected by 4 and is irradiated onto the surface of the subject 55. When irradiated with the laser beam 51, ultrasonic waves are generated in the subject 55 due to thermal stress or evaporation reaction force. This ultrasonic wave propagates inside the subject, reaches the back surface of the subject, is reflected, and returns to the front surface of the subject again as an echo. A part of the laser beam 51 split by the beam splitter 52 is guided to a photodetector 56, detected there and used as a trigger signal of the oscilloscope 57.

【0004】一方、励起用レーザー50とは別に設けら
れたプローブ光源60は、被検体55の表面に戻ってき
た超音波エコーを検出するためのレーザーであり、例え
ば周波数が安定なHe−Neレーザーなどが用いられ
る。プローブ光源60から放射されたレーザービーム6
1は、ミラー62、偏光ビームスプリッタ63、1/4
波長板64を介して、被検体55の表面に照射される。
この反射光は、1/4波長板64、偏光ビームスプリッ
タ63、レンズ65を経て、ファブリ・ペロー干渉計6
6に入射する。ファブリ・ペロー干渉計66を透過した
光は、ホトダイオードなどからなる光検出器67によっ
て電気信号に変換される。この信号は、増幅器68によ
って増幅され、低周波雑音を除去するためのハイパスフ
ィルタ69を通過した後、オシロスコープ57に供給さ
れる。
On the other hand, a probe light source 60 provided separately from the excitation laser 50 is a laser for detecting ultrasonic echoes returning to the surface of the subject 55, and is a He-Ne laser having a stable frequency, for example. Are used. Laser beam 6 emitted from the probe light source 60
1 is a mirror 62, a polarization beam splitter 63, a quarter
The surface of the subject 55 is irradiated with the light through the wave plate 64.
This reflected light passes through the quarter-wave plate 64, the polarization beam splitter 63, and the lens 65, and is passed through the Fabry-Perot interferometer 6
It is incident on 6. The light transmitted through the Fabry-Perot interferometer 66 is converted into an electric signal by a photodetector 67 including a photodiode. This signal is amplified by an amplifier 68, passed through a high pass filter 69 for removing low frequency noise, and then supplied to an oscilloscope 57.

【0005】図9は、ファブリ・ペロー干渉計の共振器
長(横軸)を掃引させて、He−Neレーザービームの
透過光強度を測定した結果を示す概略図であり、図10
は、図9の横軸を拡大して示した概略図である。すなわ
ち、透過光強度がピークとなる共振器長が、He−Ne
レーザービームの光周波数ν(波長は682.8nm)
に対し、共振器長を変えると干渉計の透過光強度がピー
クとなる光周波数も変わるため、光周波数νの透過光強
度は低下する。この特性を利用して、He−Neレーザ
ービームの光周波数νに対する透過光強度が図10の
A′点で示す値となるように、予めファブリ・ペロー干
渉計66の共振器長を調整しておき、被検体55からの
反射光をこのファブリ・ペロー干渉計66に入射させ
る。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the result of measuring the transmitted light intensity of a He—Ne laser beam by sweeping the resonator length (horizontal axis) of the Fabry-Perot interferometer, and FIG.
FIG. 10 is a schematic view showing an enlarged horizontal axis of FIG. 9. That is, the resonator length at which the transmitted light intensity reaches a peak is He-Ne.
Optical frequency ν of laser beam (wavelength is 682.8 nm)
On the other hand, when the resonator length is changed, the optical frequency at which the transmitted light intensity of the interferometer reaches its peak also changes, so the transmitted light intensity at the optical frequency ν decreases. Utilizing this characteristic, the resonator length of the Fabry-Perot interferometer 66 is adjusted in advance so that the transmitted light intensity with respect to the optical frequency ν of the He—Ne laser beam becomes the value shown at the point A ′ in FIG. Then, the reflected light from the subject 55 is made incident on the Fabry-Perot interferometer 66.

【0006】被検体の裏面で反射された超音波エコーに
よって被検体55の表面が超音波振動すると、被検体表
面の空間的位置は、この超音波の周期で変位する。この
ため、プローブ光源60からのレーザービームは、被検
体表面で反射される際に、この変位に伴うドップラーシ
フトを受け、波長が変動する。図10に示すように、被
検体55からの反射光が、ドップラーシフトによって±
Δν′の周波数変化を受けると、それに伴って透過光強
度は図のように±ΔI′の変化を受ける。これによっ
て、被検体55からの反射光をファブリ・ペロー干渉計
を通すことによって、波長の変化を強度の変化に変換す
ることができる。
When the surface of the subject 55 is ultrasonically vibrated by the ultrasonic echo reflected by the back surface of the subject, the spatial position of the subject surface is displaced in the cycle of this ultrasonic wave. Therefore, when the laser beam from the probe light source 60 is reflected by the surface of the subject, the laser beam undergoes a Doppler shift due to this displacement, and the wavelength changes. As shown in FIG. 10, the reflected light from the subject 55 is ± by the Doppler shift.
When the frequency changes by Δν ′, the transmitted light intensity changes by ± ΔI ′ as shown in the figure. Thus, the reflected light from the subject 55 can be converted into a change in intensity by passing through the Fabry-Perot interferometer.

【0007】したがって、被検体55の表面及び裏面で
反射を繰り返す超音波エコーが、表面に戻るたびに光検
出器67の出力信号は大きく変化する。この信号をオシ
ロスコープ57上で、横軸に時間、縦軸に信号強度をと
って表示させると、被検体内に欠陥がなければ、被検体
内部の音速と被検体の厚さによって決まる一定時間間隔
で信号強度が変化する。一方、被検体内部に空洞や不純
物などの欠陥があると、超音波はこの欠陥部で反射さ
れ、上記の時間よりも短い時間で信号強度が変化する。
したがって、この時間間隔を調べることによって、被検
体内部の欠陥の有無を調べることができる。
Therefore, the output signal of the photodetector 67 changes greatly every time the ultrasonic echo repeatedly reflected on the front and back surfaces of the subject 55 returns to the front surface. When this signal is displayed on the oscilloscope 57 with time on the horizontal axis and signal intensity on the vertical axis, if there is no defect in the subject, a constant time interval determined by the sound velocity inside the subject and the thickness of the subject. Changes the signal strength. On the other hand, if there is a defect such as a cavity or an impurity inside the subject, the ultrasonic wave is reflected by this defective portion, and the signal intensity changes in a time shorter than the above time.
Therefore, by checking this time interval, it is possible to check whether or not there is a defect inside the subject.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ところで、図8の装置
で使用するファブリ・ペロー干渉計66は、複雑な光学
系からなり、それぞれの光学系について光軸合わせを行
う際、あるいは共振器長等のアライメントを行う際に、
精度の高い調整が要求される。例えば、共振器長につい
ては、μmオーダーの調整が必要であり、かかる調整に
は熟練が要求される。上記のファブリ・ペロー干渉計の
他にも、ホモダイン干渉方式、ヘテロダイン干渉方式等
の干渉計を用いることも考えられるが、いずれの方式も
光の干渉を用いることに変わりはなく、したがって、光
軸合わせなどの精度の高い調整が要求されるという問題
は共通する。
By the way, the Fabry-Perot interferometer 66 used in the apparatus of FIG. 8 is composed of a complicated optical system. When performing the alignment of
Accurate adjustment is required. For example, the resonator length needs to be adjusted on the order of μm, and skill is required for such adjustment. In addition to the Fabry-Perot interferometer described above, it is possible to use an interferometer such as a homodyne interferometer, a heterodyne interferometer, etc., but any of these methods still uses optical interference, and therefore the optical axis There is a common problem that highly accurate adjustment such as alignment is required.

【0009】本発明は、上記事情に基づいてなされたも
のであり、干渉計に不可避の高精度の調整が不要で、熟
練者でなくても容易に装置の取扱いができる超音波検出
装置及び超音波検出方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made based on the above circumstances, and does not require inevitable high-precision adjustment of the interferometer, and even an unskilled person can easily handle the ultrasonic detector and the ultrasonic detector. An object is to provide a sound wave detection method.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの請求項1記載の発明は、被検体の表面に対し所定の
入射角でレーザービームを照射するレーザー光源と、前
記レーザービームの反射ビームが到達する位置に設けら
れ、前記反射ビームを受光するとともに、前記反射ビー
ムのビームスポットの位置が変位したときはその変位に
基づく変位信号を出力する受光手段と、前記受光手段か
らの変位信号を信号処理して前記被検体のレーザービー
ムを照射した部位の超音波振動を検出する信号処理手段
と、を具備することを特徴とする。
According to a first aspect of the invention for solving the above-mentioned problems, a laser light source for irradiating a surface of a subject with a laser beam at a predetermined incident angle, and a reflection of the laser beam. A light receiving unit provided at a position where the beam reaches, receiving the reflected beam, and outputting a displacement signal based on the displacement when the position of the beam spot of the reflected beam is displaced, and a displacement signal from the light receiving unit. Signal processing means for detecting the ultrasonic vibration of the portion of the subject irradiated with the laser beam.

【0011】請求項2記載の発明は、請求項1記載の発
明において、前記レーザービームのビーム径は、大きく
ても、検出すべき被検体中の超音波の波長の約10%で
あることを特徴とする。請求項3記載の発明は、請求項
1又は2記載の発明において、前記受光手段は、PSD
であることを特徴とする。
According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the beam diameter of the laser beam is about 10% of the wavelength of the ultrasonic wave in the subject to be detected, even if it is large. Characterize. The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the light receiving means is a PSD.
It is characterized by being.

【0012】請求項4記載の発明は、請求項1又は2記
載の発明において、前記受光手段は、分割型フォトダイ
オードであることを特徴とする。請求項5記載の発明
は、請求項1又は2記載の発明において、前記受光手段
は、分割型フォトトランジスタであることを特徴とす
る。請求項6記載の発明は、被検体に対し所定の入射角
でレーザービームを照射し、この反射ビームを受光手段
で受光するとともに、前記反射ビームのビームスポット
の位置の変化を検出することによって、前記被検体のレ
ーザービーム照射位置の超音波振動を検出することを特
徴とする。
According to a fourth aspect of the invention, in the first or second aspect of the invention, the light receiving means is a split type photodiode. According to a fifth aspect of the invention, in the first or second aspect of the invention, the light receiving means is a split type phototransistor. According to a sixth aspect of the present invention, by irradiating a subject with a laser beam at a predetermined incident angle, receiving the reflected beam with a light receiving means, and detecting a change in the position of the beam spot of the reflected beam, It is characterized in that ultrasonic vibrations at the laser beam irradiation position of the subject are detected.

【0013】[0013]

【作用】本発明は、上記の構成によって、検出しようと
する超音波の波長に比べてビーム径が十分に小さいレー
ザービームを被検体の表面に照射しているときに、被検
体の表面を超音波が伝播すると、その超音波が表面を伝
播する超音波であれば、レーザービームの入射角及び反
射角が変化し、その超音波が被検体内部を伝播する縦波
であれば、反射ビームの経路が平行移動する。したがっ
て、いずれの場合も、被検体のレーザービームを照射し
ている部位が超音波振動すると、受光手段にあたる反射
ビームのスポットが変位する。この変位を示す信号を信
号処理手段で適当に処理することによって、被検体を伝
播する超音波を検出することができる。
According to the present invention, with the above structure, when the surface of the subject is irradiated with a laser beam having a beam diameter sufficiently smaller than the wavelength of the ultrasonic wave to be detected, When the ultrasonic wave propagates, if the ultrasonic wave is an ultrasonic wave that propagates on the surface, the incident angle and the reflection angle of the laser beam change, and if the ultrasonic wave is a longitudinal wave that propagates inside the subject, the reflected beam The path translates. Therefore, in any case, when the portion of the subject irradiated with the laser beam is ultrasonically vibrated, the spot of the reflected beam which is the light receiving means is displaced. By appropriately processing the signal indicating this displacement by the signal processing means, the ultrasonic wave propagating through the subject can be detected.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明の
一実施形態について説明する。図1は、本実施形態の超
音波検出装置及びその周辺の概略的な配置を示した図、
図2は、被検体の表面を超音波が伝播する様子を誇張し
て示した図、図3は図2を拡大して、反射するレーザー
ビームの方向が変化する様子を示した図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic arrangement of an ultrasonic detection device of the present embodiment and its periphery,
FIG. 2 is an exaggerated view showing how ultrasonic waves propagate on the surface of the subject, and FIG. 3 is an enlarged view showing how the direction of the reflected laser beam changes.

【0015】図1において、超音波検出装置10には、
レーザー光源11、受光手段であるPSD(Position S
ensitive Detector )12、信号処理部13が設けられ
ている。レーザー光源11としては、例えばHe−Ne
レーザーを使用することができる。尚、受光手段は、入
射した光ビームのスポットの位置の変化を検出できるも
のでればよく、PSD以外でも、例えば分割型フォトダ
イオードや分割型フォトトランジスタなどを使用するこ
とができる。
In FIG. 1, the ultrasonic detecting device 10 includes
Laser light source 11, PSD (Position S)
A positive detector 12) and a signal processing unit 13 are provided. The laser light source 11 is, for example, He-Ne.
A laser can be used. The light receiving means may be any one that can detect the change in the position of the spot of the incident light beam, and other than PSD, for example, a split type photodiode or a split type phototransistor can be used.

【0016】超音波検出装置10とは別体に設けられた
超音波発生源20は、被検体30の表面に超音波を発生
させる。超音波発生源としては、レーザービームを照射
して超音波を発生させるレーザー超音波装置や、電磁的
な手段によって超音波を発生させる電磁超音波装置な
ど、周知のものを利用することができる。尚、本実施形
態では、被検体30として鋼材(鉄)を用い、また、レ
ーザービームを照射する被検体の表面は鏡面であるもの
とする。
The ultrasonic wave generation source 20 provided separately from the ultrasonic wave detection device 10 generates ultrasonic waves on the surface of the subject 30. As the ultrasonic wave generation source, a well-known one such as a laser ultrasonic wave device which irradiates a laser beam to generate an ultrasonic wave or an electromagnetic ultrasonic wave device which generates an ultrasonic wave by electromagnetic means can be used. In this embodiment, steel (iron) is used as the subject 30, and the surface of the subject to be irradiated with the laser beam is a mirror surface.

【0017】図1に示すように、レーザー光源11から
発せられたレーザービーム151 は、所定の角度θで被
検体30の表面に入射する。このレーザービームは、被
検体表面の鏡面において入射角と等しい角度θで反射さ
れ、反射ビーム152 となる。このとき、入射ビーム1
1 、法線n、反射ビーム152 は、同一平面上にあ
る。反射ビーム152 は、PSD12の表面に照射さ
れ、電気的な信号に変換される。この信号は、信号処理
部13に送られ、ここで、必要な処理、計算、データの
記憶等が行われる。
As shown in FIG. 1, the laser beam 15 1 emitted from the laser light source 11 is incident on the surface of the subject 30 at a predetermined angle θ. This laser beam is reflected on the mirror surface of the subject surface at an angle θ equal to the incident angle, and becomes a reflected beam 15 2 . At this time, the incident beam 1
5 1 , the normal n, and the reflected beam 15 2 are on the same plane. The reflected beam 15 2 is applied to the surface of the PSD 12, it is converted into an electrical signal. This signal is sent to the signal processing unit 13, where necessary processing, calculation, data storage, and the like are performed.

【0018】被検体が、超音波が伝播していない定常状
態にあれば、光検出器における反射ビーム152 のスポ
ットの位置は変化しない。被検体の表面を超音波が伝播
すると、被検体の表面は図2に示すように時間的、空間
的に周期的な変位を生じ、この変位によって、図1に示
した被検体表面の法線方向が変化する。ここで、レーザ
ービーム151 のビーム径(ビームの直径)が、被検体
表面を伝播する超音波の波長λに比べて十分に小さいと
仮定する。このとき、超音波の伝播によって被検体表面
の変位状態が、図3(a)の状態から(b)の状態へ変
化したとすると、入射ビーム151 が同一点に入射して
いても、その入射角及び反射角が変化して反射波152
の射出方向が変化する。
If the object is in a steady state in which ultrasonic waves do not propagate, the position of the spot of the reflected beam 15 2 on the photodetector does not change. When the ultrasonic wave propagates on the surface of the subject, the surface of the subject undergoes periodic and spatial displacements as shown in FIG. 2, and this displacement causes the normal line of the subject surface shown in FIG. The direction changes. Here, it is assumed that the beam diameter (beam diameter) of the laser beam 15 1 is sufficiently smaller than the wavelength λ of the ultrasonic wave propagating on the surface of the subject. At this time, if the displacement state of the surface of the subject is changed from the state of FIG. 3A to the state of FIG. 3B by the propagation of ultrasonic waves, even if the incident beam 15 1 is incident on the same point, The incident and reflected angles change and the reflected wave 15 2
The injection direction of changes.

【0019】その結果、反射ビーム152 が光検出器1
2の表面において形成する光のスポットも、被検体表面
の超音波振動に基づく表面の変位に応じて移動する。図
4は、PSD12の受光面において反射ビーム151
スポットSが距離l0 だけ移動する状態(S′)を示し
た図である。信号処理部13は、PSD12の各光セン
サからの出力信号を受けて、スポットの重心位置を高速
に算出する。そして、この重心位置の移動から、レーザ
ービーム151 を照射した位置における超音波振動を検
出する。
As a result, the reflected beam 15 2 is reflected by the photodetector 1
The light spot formed on the second surface also moves according to the displacement of the surface based on the ultrasonic vibration of the surface of the subject. FIG. 4 is a diagram showing a state (S ′) in which the spot S of the reflected beam 15 1 moves by the distance l 0 on the light receiving surface of the PSD 12. The signal processing unit 13 receives the output signal from each optical sensor of the PSD 12 and calculates the position of the center of gravity of the spot at high speed. Then, the ultrasonic vibration at the position where the laser beam 15 1 is irradiated is detected from the movement of the position of the center of gravity.

【0020】上記では、ビーム径が超音波の波長λに比
べて十分に小さいと仮定したが、ここでその具体的な値
を評価する。被検体に照射する入射ビーム151 の直径
が、被検体の表面を伝播する超音波の波長と同程度か又
はこれより大きいと、反射ビーム152 の進行方向の変
化を十分に検出することはできない。反射ビーム15 2
の進行方向の変化を十分に検出することができるために
は、入射ビーム151の直径は、せいぜい波長λの10
%程度に抑える必要がある。今、被検体30を鋼材
(鉄)としてその音速を5000m/秒、超音波の周波
数を10MHzとすると、超音波の波長は0.5mm
(500μm)である。したがって、入射ビーム151
の直径は50μm以下とする必要がある。一方、入射ビ
ーム151 の直径の下限については、PSD12で検出
できることを条件として、特に制限はなく、可能な限り
細くすることができる。
In the above, the beam diameter is proportional to the wavelength λ of the ultrasonic wave.
I assumed that they were all small enough, but here
To evaluate. Incident beam 15 for irradiating the subject1Diameter of
Is about the same as the wavelength of the ultrasonic wave propagating on the surface of the subject or
Is larger than this, the reflected beam 15TwoChange of direction
Can not be detected sufficiently. Reflected beam 15 Two
In order to be able to fully detect changes in the traveling direction of
Is the incident beam 151The diameter of is at most 10 of the wavelength λ
It is necessary to keep it to about%. Now, the subject 30 is steel
(Iron), its speed of sound is 5000 m / sec, the frequency of ultrasonic waves
If the number is 10 MHz, the wavelength of ultrasonic waves is 0.5 mm
(500 μm). Therefore, the incident beam 151
It is necessary to make the diameter of 50 μm or less. On the other hand, the incident
Form 151The lower limit of the diameter is detected by PSD12
There is no particular limitation, provided that you can
It can be thin.

【0021】ここまでは、被検体の表面を伝播する超音
波の検出について説明したが、図1の超音波検出装置1
0は、被検体の内部から表面に進行してくる縦波の超音
波の検出も可能である。図5は、内部から表面へ伝播し
てきた超音波によって、反射ビーム152 の経路がどの
ように変化するかを示した図である。被検体30の表面
が、超音波振動によって距離dだけ変位すると、反射ビ
ーム152 の経路は平行移動する。入射ビーム151
入射角がθであれば、この移動量l1 は、l1=2d si
nθである。
Up to this point, the detection of the ultrasonic waves propagating on the surface of the subject has been described, but the ultrasonic detection apparatus 1 of FIG.
With 0, longitudinal ultrasonic waves traveling from the inside of the subject to the surface can also be detected. FIG. 5 is a diagram showing how the path of the reflected beam 15 2 changes due to the ultrasonic waves propagating from the inside to the surface. When the surface of the subject 30 is displaced by the distance d due to ultrasonic vibration, the path of the reflected beam 15 2 moves in parallel. If the incident angle of the incident beam 15 1 is θ, this movement amount l 1 is l 1 = 2d si
nθ.

【0022】図6は、入射角θとl1 との関係l1 =2
d sinθ、および入射角θと被検体表面に照射されるビ
ームのスポットの大きさa′との関係を示したグラフで
ある。l1 の曲線より、角度θを大きくすれば、それだ
けl1 が大きくなり、被検体表面での僅かの変位がPS
D12上でスポット位置の大きな変位として現れるの
で、感度は向上する。しかし、入射ビーム151 の直径
をaとすると、被検体表面に照射されるビームのスポッ
トの直径a′は、a′=a/ cosθで表され、θが大き
くなるに従ってa′も大きくなる。a′が大きくなりす
ぎると、感度が低下するため、a′は50μm以下に抑
えることが望ましい。したがって、この条件を満たす範
囲内で入射ビーム151 の入射角θを最も大きくすれ
ば、最大の感度が得られる。
FIG. 6 shows the relationship between the incident angle θ and l 1 l 1 = 2
6 is a graph showing the relationship between d sin θ, the incident angle θ, and the spot size a ′ of the beam irradiated on the surface of the subject. If the angle θ is made larger than the curve of l 1 , l 1 becomes larger accordingly, and a slight displacement on the surface of the object is PS.
Since it appears as a large displacement of the spot position on D12, the sensitivity is improved. However, when the diameter of the incident beam 15 1 is a, the beam spot diameter a which is irradiated onto the subject surface 'is, a' is represented by = a / cos [theta], a 'also increases as θ increases. If a'is too large, the sensitivity decreases, so it is desirable to control a'to 50 μm or less. Therefore, if the incident angle θ of the incident beam 15 1 is maximized within the range where this condition is satisfied, the maximum sensitivity can be obtained.

【0023】図7は、受光手段として分割型フォトダイ
オード40を用いる場合の反射ビームのスポットの変位
の様子を示した図である。この例では、分割型フォトダ
イオードは、4つのフォトダイオード40a,40b,
40c,40dからなり、それぞれの出力信号の大きさ
から、その受光量を検出することができる。被検体から
の反射ビームのスポットがS1 のように、分割型フォト
ダイオードのほぼ中央にあれば、左右のフォトダイオー
ド40b,40dには均等に反射ビームが当たりそれぞ
れの出力信号の大きさは等しく、このことからS1 がほ
ぼ中心にあることが分かる。これに対して、反射ビーム
のスポットがS2 のように右側にずれると、フォトダイ
オード40bの出力信号は小さくなり、フォトダイオー
ド40dの出力信号は大きくなる。これらの信号を信号
処理部で処理することによって、反射ビームのスポット
が右側に移動したことが検出できる。スポットの上下方
向の移動は、40a,50cの出力の割合から検出でき
る。このような分割型フォトダイオードを受光手段とし
て用いる場合には、スポットの移動範囲が、各フォトダ
イオードから外れないよう、レーザー光源、被検体、フ
ォトダイオードを適当に配置することが必要である。
尚、フォトダイオードの代わりにフォトトランジスタを
用いることも可能である。
FIG. 7 is a diagram showing how the spot of the reflected beam is displaced when the split type photodiode 40 is used as the light receiving means. In this example, the split photodiode is composed of four photodiodes 40a, 40b,
40c and 40d, and the amount of received light can be detected from the magnitude of each output signal. As long as the spot of the reflected beam from the subject is at the center of the split photodiode, as in S 1 , the reflected beams evenly strike the left and right photodiodes 40b and 40d, and the output signals have the same magnitude. From this, it can be seen that S 1 is almost at the center. On the other hand, when the spot of the reflected beam shifts to the right as in S 2 , the output signal of the photodiode 40b becomes smaller and the output signal of the photodiode 40d becomes larger. By processing these signals with the signal processing unit, it can be detected that the spot of the reflected beam has moved to the right. The vertical movement of the spot can be detected from the ratio of the outputs of 40a and 50c. When such a split type photodiode is used as the light receiving means, it is necessary to appropriately arrange the laser light source, the subject, and the photodiode so that the movement range of the spot does not deviate from each photodiode.
Note that a phototransistor can be used instead of the photodiode.

【0024】上記のようにして、被検体を伝播する超音
波を検出することができれば、例えは、レーザー超音波
装置や電磁超音波装置などで被検体中に発生させた超音
波を容易に検出することができる。被検体中を伝播する
超音波は、内部に欠陥が存在すると、そこで反射された
り、散乱される。したがって、被検体に超音波を発生さ
せてから検出されるまでの時間を調べたり、超音波の減
衰の様子を調べることによって、被検体中の欠陥を検査
することができる。
If the ultrasonic waves propagating through the subject can be detected as described above, for example, the ultrasonic waves generated in the subject can be easily detected by a laser ultrasonic device or an electromagnetic ultrasonic device. can do. The ultrasonic waves propagating through the subject are reflected or scattered there when there is a defect inside. Therefore, the defect in the subject can be inspected by examining the time from the generation of the ultrasonic wave in the subject to the detection and the state of attenuation of the ultrasonic wave.

【0025】尚、本発明は、上記実施形態に限定される
ものではなく、その要旨の範囲内で種々の変更が可能で
ある。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist thereof.

【0026】[0026]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被検体に照射したレーザービームの反射ビームを、PS
Dなどの受光手段で検出することによって、ファブリ・
ペロー干渉計などのレーザー干渉計を利用していた従来
の超音波検査装置に比べて光軸合わせ等の複雑な調整が
不要となり、熟練者でなくても容易に装置の取扱いがで
き、また装置の構成が簡素化されるため、シンプルで安
価な超音波検査装置及び超音波検査方法を提供すること
ができる。
As described above, according to the present invention,
The reflected beam of the laser beam applied to the subject is
By detecting with light receiving means such as D,
Compared with conventional ultrasonic inspection equipment that used laser interferometers such as the Perot interferometer, complicated adjustments such as optical axis alignment are not required, and even an unskilled person can easily handle the equipment. Since the configuration is simplified, it is possible to provide a simple and inexpensive ultrasonic inspection apparatus and ultrasonic inspection method.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施形態の超音波検出装置及びその
周辺の概略的な配置を示した図である。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic arrangement of an ultrasonic detection device according to an embodiment of the present invention and its periphery.

【図2】被検体の表面を超音波が伝播する様子を誇張し
て示した図である。
FIG. 2 is an exaggerated view showing how ultrasonic waves propagate on the surface of a subject.

【図3】図2を拡大して、反射するレーザービームの方
向が変化する様子を示した図である。
FIG. 3 is an enlarged view of FIG. 2 showing how the direction of a reflected laser beam changes.

【図4】PSD12の受光面におけるスポットが移動す
る状態を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a state where a spot on a light receiving surface of PSD 12 moves.

【図5】内部から表面へ伝播した超音波によって、反射
ビーム152 の経路がどのように変化するかを示した図
である。
FIG. 5 is a diagram showing how the path of a reflected beam 15 2 is changed by an ultrasonic wave propagating from the inside to the surface.

【図6】入射角θとl1 との関係l1 =2d sinθ、お
よび入射角θと被検体表面に照射されるビームのスポッ
トの大きさa′との関係を示したグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the incident angle θ and l 1 , l 1 = 2d sin θ, and the relationship between the incident angle θ and the spot size a ′ of the beam irradiated on the surface of the subject.

【図7】受光手段として分割型フォトダイオードを用い
る場合のスポットの変化の検出を様子を示した図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing how spot changes are detected when a split photodiode is used as a light receiving unit.

【図8】従来のレーザー超音波検査装置の一例の構成を
示したブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of an example of a conventional laser ultrasonic inspection apparatus.

【図9】ファブリ・ペロー干渉計の共振器長(横軸)を
掃引させて、He−Neレーザービームの光周波数を測
定した結果を示す概略図である。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a result of measuring an optical frequency of a He—Ne laser beam by sweeping a resonator length (horizontal axis) of a Fabry-Perot interferometer.

【図10】図9の横軸を拡大して示した概略図である。FIG. 10 is an enlarged schematic view of the horizontal axis of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 超音波検出装置 11 レーザー光源 12 PSD(Position Sensitive Detector ) 13 信号処理部 151 入射ビーム 152 反射ビーム 20 超音波発生源 30,55 被検体 40 分割型フォトダイオード 40a,40b,40c,40d フォトダイオード 50 励起用レーザー 52 ビームスプリッタ 53,54,62 ミラー 60 プローブ光源 63 偏光ビームスプリッタ 64 1/4波長板 65 レンズ 66 ファブリ・ペロー干渉計 67 光検出器 68 増幅器 69 ハイパスフィルタ10 Ultrasonic wave detector 11 Laser light source 12 PSD (Position Sensitive Detector) 13 Signal processing part 15 1 Incident beam 15 2 Reflected beam 20 Ultrasonic wave source 30,55 Subject 40 Split photodiode 40a, 40b, 40c, 40d Photo Diode 50 Excitation laser 52 Beam splitter 53, 54, 62 Mirror 60 Probe light source 63 Polarization beam splitter 64 Quarter wave plate 65 Lens 66 Fabry-Perot interferometer 67 Photodetector 68 Amplifier 69 High-pass filter

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被検体の表面に対し所定の入射角でレー
ザービームを照射するレーザー光源と、 前記レーザービームの反射ビームが到達する位置に設け
られ、前記反射ビームを受光するとともに、前記反射ビ
ームのビームスポットが変位したときはその変位に基づ
く変位信号を出力する受光手段と、 前記受光手段からの変位信号を信号処理して前記被検体
のレーザービームを照射した部位の超音波振動を検出す
る信号処理手段と、 を具備することを特徴とする超音波検出装置。
1. A laser light source that irradiates a surface of a subject with a laser beam at a predetermined incident angle, and a position where a reflected beam of the laser beam arrives, receives the reflected beam, and receives the reflected beam. When the beam spot of the object is displaced, a light receiving means for outputting a displacement signal based on the displacement, and a displacement signal from the light receiving means are subjected to signal processing to detect ultrasonic vibrations of a portion of the subject irradiated with the laser beam. An ultrasonic detecting device comprising: a signal processing unit.
【請求項2】 前記レーザービームのビーム径は、大き
くても、検出すべき被検体中の超音波の波長の約10%
であることを特徴とする請求項1記載の超音波検出装
置。
2. Even if the beam diameter of the laser beam is large, it is about 10% of the wavelength of the ultrasonic wave in the subject to be detected.
The ultrasonic detection device according to claim 1, wherein
【請求項3】 前記受光手段は、PSDであることを特
徴とする請求項1又は2記載の超音波検出装置。
3. The ultrasonic detecting device according to claim 1, wherein the light receiving unit is a PSD.
【請求項4】 前記受光手段は、分割型フォトダイオー
ドであることを特徴とする請求項1又は2記載の超音波
検出装置。
4. The ultrasonic detecting device according to claim 1, wherein the light receiving unit is a split type photodiode.
【請求項5】 前記受光手段は、分割型フォトトランジ
スタであることを特徴とする請求項1又は2記載の超音
波検出装置。
5. The ultrasonic detecting device according to claim 1, wherein the light receiving means is a split phototransistor.
【請求項6】 被検体に対し所定の入射角でレーザービ
ームを照射し、この反射ビームを受光手段で受光すると
ともに、前記反射ビームのビームスポットの位置の変化
を検出することによって、前記被検体のレーザービーム
照射位置の超音波振動を検出することを特徴とする超音
波検出方法。
6. The subject is irradiated with a laser beam at a predetermined incident angle, the reflected beam is received by a light receiving means, and the change in the position of the beam spot of the reflected beam is detected to detect the subject. An ultrasonic wave detection method, which comprises detecting ultrasonic vibrations at a laser beam irradiation position.
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