JPS58131557A - 超音波の非接触測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波による測定物体表面の振動変位をレー
ザー光を用いて検出する、超音波の非接触測定法に関す
る。

水晶振動子やＰＺＴのような圧電素子を用いた超音波の
測定法は、非破壊検査法として鋼材の内部欠陥の検出や
、溶接継手部の内部割れの検出などに広く利用されてい
る。しかしながら、この方法では検出器を測定物体に接
触させるか、あるいは水媒体等を介して測定する必要が
ある丸め、測定物体が高温である場合には検出器の保躾
が困難であ）、また該媒体尋が蒸発して正常な超音波伝
播を妨ける問題がある。更に１測定物体が高速で移動し
ている場合で社、検出器を測定物体表面になられせなが
ら保持する方法が困難となり、また検出器と測定物体間
の超音波の授受を助ける水や油等の媒体の供給、旭理法
が困難になるという間組がある。

本発明は上記の問題を克服して、非接触で測定物体表面
の超音波振動を測定する方法を提供するものである。レ
ーザー光を用いれば、非接触で測定物体表面の変位や振
動を測定することが可能となり、従来からいくつかの方
法が提案されている。

即ち、コヒーレントな計測用レーザー光を試料面に照射
し、試料面の変位による位相差を光ヘテロダインまたは
光ホモダインの手法で検出する。

光ホモダイン法で微小簾動変位を測定することは例えば
飯島健−１都築泰雄共著、共立出版社刊の「計測論」に
おける［レーザー干渉計による微小機械振動の測定」の
項などに示されている。

従来法の一例として、第１図にマイケルソン型の干渉計
を物体表面の超音波測定に用いた場合を示す。すなわち
レーザー光源１から出たレーザー光はビームスプリッタ
−２で測定ビーム６と参照ビーム７に分けられ、測定ビ
ームは測定物体４０表面上の振動によって位相変調を受
けて反射さ汰光検出器５に達し、参照ビームは空間に固
定された反射ミラー５によって位相変調を受けずに反射
され、光検出器５において測定ビームとともに検出され
、干渉ビートを形成する。この場合、誼測定物体がたと
えば鉄鋼プロセスの熱間圧延ラインを移動する高温の鋼
板であるようなときＦｃＦｉ、次のような事が問題とな
る。（１）該測定物体表面の空気層が熱によってゆらぎ
そのために屈折率が変化する。それによりて該測定ビー
ムが変調を受け、それが該光検出器において骸参照ビー
ムと干渉ビートを形成し雑音となる。（２）該測定物体
は移動しているために物体全体が上下方向に振動してい
る。

従って骸測定ビームは物体表面の超音波に伴う振動変位
のみならず、移動に伴う上下振動変位によっても変調を
受けるため、それが雑音となる。

レーザーを用いた光干渉法は、非接触法であるために、
前述の接触法による問題点を克服することはできるが、
依然なお上述の問題点を含んでいる。これは実用上大き
な問題である。

本発明は、上述の問題点、すなわち空気層のゆらぎ、お
よび該測定対称の移動中の機械的振動の影響を消去して
超音波振動変位のみを検出する方法に関するものである
。

以下、図面を参照しながら本発明の構成およびその特徴
を説明する。第２図は本発明の実施例の一つである。レ
ーザー光源４から出たレーザー光は、と−ムスプリッタ
ー２で２分割され、一方は測定ビーム６として測定物体
４上の測定点１０に入射し、測定点の振動変位によって
位相変調を受け、その反射光が光検出器５に達する。他
方のビームは参照ビーム７として反射ミラー３を経て該
測定点の近傍の参照点１１に入射し参照点の振動変位に
よって位相変調を受け、その反射光が再び反射ミラーろ
、ビームスプリッタ−２を経て光検出器５に到達する。

このようにして両ビームは光検出器５において合成され
、両ビームの相対的位相差により干渉ビートを形成する
。

ここで、レーザー光源１から発振されるレーザー光の角
周波数をω０．波数をｋｏ（＝ω・／Ｃ，Ｃは光の速さ
）、測定点１０で反射されて光検出器５に達する光の振
幅をＬＸお照点１１で反射されて光検出器５に達する光
の振幅をＬ′とすればり、Ｌ’は次の式で与えられる。

Ｌ’＝　Ａ’　ｃｏｔ　（ωａｔ　　２　ｋｏｒ’−２
ｋｌ）ｕ’−φ′）ここでＡ、Ａ’はり、Ｌ’の最大振
幅値を表わし、ｙおよびｙ′は測定点１０および参照点
１１における測定物体の移動に伴って生じるｙ方向の機
械的振動変位であり、ＵおよびＵ′は各点の超音波振動
変位、φおよびφ′は各点の空気層のゆらぎによって生
ずる位相変化成分である。ここで Φ’＝２　ｋ（１ｙ’＋２　ｋ６ｎ’＋φ′とおけば、
（２）式は Ｌ　’＝　Ａ’　ｅｏｓ　（ｃｏ６　ｔ−Φ′）と書け
る。

従って、光検出器５の２乗平均検波出力の強度３■は次
式で表わされる。

Ｉ＝＜　（Ａｃｏｓ（ω、１−Φ）＋Ａ’ｅｏｓ　（ω
。ｔ−Φ’））”＞＝＜Ａ３Ｃ０ＩＩ！（物を一Φ）＋
Ａ”ｃｏｗ’　（ω。ｔ−１’）＋　２　ＡＡ’ｅｏｓ
（ωａｔ−Φ）　ｅｏｓ　（（ｄａ　ｔ−Φ′）〉＝　
＜’　（Ａ”＋Ａ′り　＋−Ｌ　（Ａ”ｃｏｔ２（４ｔ
−Φ）＋Ａ”ｃｏｓｔ２ （ω６を一Φ’）　）＋ＡＡ’ｅｏｓ（２ａｉ６ｔ−Φ
−Φ’）　＋ＡＡ’ｅｏｍ（Φ−Φｌ）〉 ＝、；＝　（Ａ”　＋Ａ”）　＋　Ａ　Ａ’ｅｏａ　（
Φ−Φ′）　　・・−・・（５）（５）式の右辺第１項
は直流信号成分であり、第２項が測定ビームと参照ビー
ムの位相差圧よって生じる交流信号成分である。いま、
測定点１０と参照点１１の距離が充分に小さく、各点の
機械的振動変位も、空気層のゆらぎＫよる位相変化も等
しいとみなせる場合、すなわち（３）式においてＴ＝Ｙ
’ｅφ＝φ′とみなせる場合には、 Φ−Φ’　＝　２　ｋａ　（ｕ　−ｕ’）　　　　　　
　＝”　（６）となる。従って（５）式の右辺第２項の
交流信号成分をＩｓとすれば Ｉａ　＝ＡＡ’ｅｏｍ２　ｋ＠　（ｕ−ｕ’）　　　　
　　＝−・−・（７１と表わすことができる。

すなわち、交流信号成分Ｉａは、測定ビームと参照ビー
ムの相対的表位相差のみに関係するから、測定点と参照
点の距離が小さければ各ビームが、物体の移動に伴う機
械的振動変位や、空気層のゆらぎによって位相変調を受
けてもそれらは互いに相殺し合って雑音の原因とならな
い。

以上述べたように、本発明によれば移動中の高温物体表
面の超音波振動変位を高い８７Ｎ比で測定することがで
きる。

第２図において、測定物体４の表面上をパルス状の超音
波１３が伝播して行く場合を考える。パルス超音波１３
が測定点１０を通過する時の時刻をｔ１超超音波エコー
を町とすれば、（７）弐においてＵ＝町　ｖｓ’＝ｏで
あるから ■＆−ムＡ’ｃｏｓ　２　ｋ６ｍ１　（ｔｚ　ｔｌのと
き）・・・・・・（８）であり、パルス超音波が更に伝
播して、参照点１１を通過する時の時刻をｔ！超音波振
動変位を璽！とすれば、その時ｖｓ　＝＝　Ｏｉｌ’：
＝　ｖａ鵞であるからＩａ社ムＡ’ｅｓｓ　２　ｋ＠ｗ
ｌ　（ｔ　ｘ＝　ｔＨのとき）　　　・−・・−・（９
１となる。それ以外の時間においては１１　＝　＠’冨
Ｑであるから Ｉａ＝Ｏ＝〜・−ａＳ となる。このようなパルス状の表面波を検出した時の検
出信号を第３図に示す、超音波が測定点および参照点１
１を通過する時の時間差）１＝１．−１．。

信号Ｉａの大きさを測定すれば、測定点と参照点の距離
ΔＸとΔｔがら表面波の伝播速度マがマーΔ２／Δｔに
よって求ま）、さらＫ　１８）　＝・（９１式から町。

町を求めれば減衰係数も求めることができる。

鋼材中を伝播する縦波も、全く同様な方法で検出するこ
とができる。第４図において、測定鋼板４に対して測定
点１０の裏側の点１０′にジャイアントパルスレーザ−
２０から瞬間的に大出力のレーザー光を照射すると、点
１０′の表面物質が瞬間的に蒸発せられ、その反動力と
して点１０′からパルス状の超音＃１４が発生する。こ
の超音波パルスは物体内部を伝播し、測定点１０と点１
０’の間を往復するので、これを本発明の方法により超
音波エコーとして検出することができる。

ａ、ｔ　Ｓ図は、この場合の光検出器の検波信号を示し
たものである。測定点１０と参照点１１の距離は、参照
点１１に超音波パルスが到達する以前に測定点１０にた
とえば第２エコー１での信号が到達するように設にし、
第１エコー、第２エコーの検出時間差Δｔや、各エコー
の大きさから超音波振動の大きさを求めれは、物体の厚
さや、減衰係数を測定することができる。

第４ン１においては、超音波を発生させるジャイアント
パルスレーザ−を測定点の裏側の点１０’に入射したが
、測定点１０に入射させても全く同様な測定が可能であ
る。

このような超音波ｌ＋ｉ定法では、測定すべき超音波信
号が極めて短い時間の間だけ存在する。たとえば、厚さ
３０−程度の鋼板の板厚を測定しようとする場合、第４
図に示したような超音波発生時刻から第３エコー到達時
刻までの時間は約２５μ！Ｉ＠ｅとなる。従って、この
時間の前後にわたる限られた時間内だけ計測用レーザー
光を一時的に畠出力とすれば、光検出器に到達する光量
子数を大きくすることができて、更にＳ／Ｎ比の大きい
測定を行うこともできる。

本発明による超音波の非接触測定法は、このように計測
用レーザー光を、測定すべき超音波が存在する限られた
時間内だけ高出力として測定する方法としても適用可能
である。さらに、鋼材中を伝播する横波の検出も本発明
による方法で測定することができる。

第６図に示すように、測定ビーム、参照ビームを測定物
体表面に傾けて入射すると、それぞれのビームは横波１
５によりて変調を受けるため、それぞれの点からの反射
光を光検出器５に導いてやれば、表面波、縦波の場合と
全く同様に測定することができる。但し、第６図におい
て２．２′けビ〜ムスブリッター、３．３’は全反射ミ
ラーである。

また、本発明による超音波の非接触１１１定法は、也（
１定ビームあるいは参照ビームのいずれか一方を変隔器
によって変−させる、いわゆる光ヘテロダイン方式とし
ても実現可能である。第７図は、光変調器１２にビーム
スプリッタ−の役割をももたせた構成により超音波を測
定する、本発明の実施例の一つである。同様に第２しＩ
において全反射ミラー３のかわりに、ピエゾ素子等の振
動子の表面を鏡面メッキしたものを用いれは、該振動子
を振動させて光変論を行う光ヘテロダイン方式による超
音波１’１４１１足が容易に行える。また、本発明は、
光学系をファイバーを用いた構成とすることも容易であ
る。

以上述べたように、本発明による超音波の非接触側定法
ｄ１高温物体や、高速移動物体の超音波撮動を空気層の
屈折率のゆらぎゃ、機械的振動変位に関らず高Ｓ／Ｎ比
で沖１定できる方法を提供するものであって極めて実用
的な価値の高いものであ

【図面の簡単な説明】

第１図は従来法の実例を示す説明図、第２図は本発明の
実例を示す説明図、第３図は本発明における検出信号を
示す説明図、第４図は本発明の他の実例を示す説明図、
第５図は第４図の場合の検出信号を示す説明図、第６図
および第７図は本発明の他の実例を示す説明図である。 図中で、１＃″ｉ計測用レーザー光源、２．２′はビー
ムスプリッタ−１５，３’ｄ全反射ミラー、４は測定物
体、５は光検出器、６け測定ビーム、７は参照ビーム、
１０Ｖｉ測定点、１１は参照点、１２は光変調器、１５
，１４，１５ｔｉ超音波振動、２０ねジャイアントパル
スレーザ−である。 出願人　　新日本製鐵株式会社 代理人弁理士　　　　青　　　柳　　　　　　稔第１図 市２図 市３図 弔４図 帛５図 昭和５８年　３月１４日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示 昭和５７年特肝願第２９９５号 ２、兄明の名称 超音波の非接触測定法 ３、補止をする者 事件との関係　　特許出願人 住　ｎｌ　　　東京都千代田区大手町二丁目６番３号名
称　（６６５）新日本＃鐵株式会社 代表者　　武　　１）　　　　　豊 ４、代　理　人　　〒１０１ 庄　乃［束足部千代田区岩本町３丁目４番５１９纂−東
ビル：、、］ 氏名（７０１７）升！±　’ｆｔ　　ＩＮ’、’　、　
ｌａ５、補正命令の日付　　な　し ６、補正Ｖヒよシ増加する％明の数　　な　し７、補正
の対象　明細＝Ｈの発明の詳細な説明の欄および図面８
、補ｉＥの内容 （１）明細書第４負１４行の「レーザー光源４」を「レ
ーザー光源１」と補正する。 （２）同第６負１２行の記載をｒ＝＜−（が＋Ａ”）＋
２ （Ａ’ｔｎｔ２Ｃωｏｔ−Φ）　＋Ａ”（ＸＩＩ２　Ｊ
と補正する。 （３）図面第６図を別紙のとおシ補正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 超音波による測定物体表面の振動変位を、レーザー光を
   用いて針側する方法において、骸レーザー光を２つのレ
   ーザービームに分割し、一方を測定ビームとして該物体
   表面上の測定点に入射し、他方を参照ビームとして該測
   定点近傍の参照点九入射し、それぞれの点からの反射光
   を同一の光検出器へ導き検波することを特徴とする超音
   波の非接触測定法・