SE1251075A1 - Anordning och metod för att på avstånd fastställa impulssvaret hos ett objekt med hjälp av elektromagnetisk strålning - Google Patents

Description

35 40 2 October 2011, 330(21): 5045-5057]. Nackdelen med detta sätt är dels att den höga intensiteten hos pulsen kan vara direkt skadlig för användaren, dels att materialet som bestrålas avverkas och förstörs. Vidare utgör detta en metod som baseras på icke-linjära fenomen vilka i sig är starkt materialberoende, något som kraftigt försvårar analysen av responsen och därmed begränsar tillämpningsområdet. En annan metod känd inom teknikområdet baseras på elektrostriktiv effekt. Här polariseras molekyler i objektets yta i belysta områden. Detta ger upphov till mekaniska spänningar som sedermera kan avläsas. En uppenbar nackdel med denna metod är att dess tillämpbarhet beror av materialets polarisationsegenskaper.

De flesta normala konstruktionsmaterial har ringa elektrostriktiv effekt vilket motverkar en generell användning av metoden. Utöver detta används ibland en metod benämnd den termoelastiska (alt. termoakustiska) metoden vilken bygger på att en relativt kortvarig puls värmer upp ytskiktet hos objektet varvid den termiska utvidgningen i ytan leder till en hastig mekanisk deformation av ytan och den närmast underliggande materialvolymen. Pulsens varaktighet avvägs så att uppvärmningen sker så snabbt som möjligt men samtidigt så att värmningen sker till ett tillräckligt djup för att den värmda materialvolymen skall kunna orsaka tillräcklig spännkraft för att deformera den underliggande strukturen. Metodens praktiska utformning liknar i viss mån den för plasmabildning men med något lägre, om än avsevärd, optisk effekt vilket gör att mätningar kan utföras icke-förstörande. Den har möjligheter till relativt hög verkningsgrad men i likhet med föregående metoder krävs omfattande optimering med specifik utformning per mätobjekt och situation.

Spårbarheten för åstadkommen mekanisk impuls är låg och möjligheten till styrning av den mekaniska excitationens frekvensspektrum är ringa. Ett exempel på analys av en mekanisk komponent med metoden visas i [P. Castellini; G.M. Revel; L.

Scalise; Measurement of vibrationa/ modal parameters using laser pu/se excitation techniques; Measurement, Volume 25, Issue 2, March 2004, pages 163-179].

Sammanfattning av uppfinningen Föreliggande uppfinning tillhandahåller en anordning och en metod enligt de självständiga patentkraven som överkommer problemen inom den kända tekniken genom att både vara icke-förstörande och även fungera för svårpolariserade objekt/material samt att ge mycket god spårbarhet för tillförd mekanisk impuls. Till skillnad från de kända metoder som baseras på plasmabildning eller termisk utvidgningseffekt nyttjas enligt uppfinningen rörelsemängden hos de elektromagnetiska vågorna vilket ger hög spårbarhet i den tillförda kraftimpulsen då den är direkt proportionell mot energin i den elektromagnetiska vågen. Utöver detta är det inte nödvändigt för uppfinningen att nyttja höga intensiteter hos pulserna.

Dessa fördelar erhålles genom att objektet bestrålas med många pulser under en längre exponeringstid varefter pulsernas kollektiva verkan beräknas. Redan vid bestrålning av objektet med synnerligen modesta medelintensiteter, i storleksordningen 1-10 W/cmz ger uppfinningen bra resultat. Detta att jämföras med de pulsvisa intensiteter på mer än 1010 W/cmz som används vid laserablation. Vidare kan genom pulstågets konstruktion, till skillnad mot kända metoder, den kollektiva 10 15 20 25 30 35 40 kraftverkan som pulståget önskat frekvensom råde. alstrar på objektet detaljerat styras till Då enbart lågintensiva pulser används är det värt att notera att en inverkan från enbart en enskild puls på materialet skulle försvinna i signalbruset från detektionen.

Den synnerligen begränsade excitation som erhålles av en lågintensiv puls leder till en så begränsad mekanisk respons att den inte är detekterbar med kända detekteringsmedel. Detta är anledningen till att högintensiva pulser används inom den kända tekniken, i detta fall leder energiöverföringen till en avsevärd excitation som slår igenom bruset och därför enkelt kan detekteras. För att erhålla den mekaniska responsen utnyttjar uppfinningen istället att ett stort antal pulser träffar objektet. Detta motsvarar att ett strålningstryck verkar på objektet och genom att förlänga exponeringstiden så att den sträcker sig över ett stort antal pulser blir det möjligt att genom uppfinningen erhålla den mekaniska responsen med lågintensiva pulser.

Följaktligen tillhandahåller föreliggande uppfinning en anordning och en metod avsedda att på avstånd fastställa den mekaniska responsen från ett objekt. Dessa är både effektiva, säkra och fungerar för en stor bredd av material hos objektet.

Uppfinningen ger också möjligheten att få ett impulssvar från ett objekt som inte är möjligt eller lämpligt att nå med direkt kontakt. Det kan handla om objekt på ett långt avstånd, objekt av hög temperatur, radioaktiva objekt, högspänningsobjekt, objekt med säkerhetskrav, exempelvis vid minröjning och mikroskopiska objekt. Det kan även handla om objekt som inte är möjliga att få impulssvarfrån med konventionella metoder, såsom växter och vätskor. En ytterligare möjlighet med uppfinningen är att på avstånd få impulssvar från kemiska eller biologiska sensorer och därmed slippa elektrisk kontakt med sensorerna. Avläsningen av impulssvar enligt uppfinningen kan utföras på objekt på upp emot ett par hundra meters avstånd från anordningen.

Med mekaniska responsen eller vibrationsresponsen menas den detekterade responsen hos det exciterade objektet, som följd av bestrålningen av elektromagnetisk strålning. Den detekterade responsen kan vara den respons hos det exciterade objektet som rörelsemängden i den elektromagnetiska strålningen gett upphov till. Med impulssvaret menas resultatet av faltning mellan en signalrepresentation av den mekaniska responsen och en signalrepresentation av det utsända pulståget av elektromagnetisk strålning mot objektet.

Bestrålningen av objektet och detekteringen av den mekaniska responsen kan ske vid väsentligen samma punkt eller område på det exciterade objektet. Alternativt kan bestrålningen och detekteringen ske på motsatta sidor av objektet, eller på olika separerade områden av objektet. Detekteringen kan ske kontinuerligt under tiden excitationen av objektet pågår.

Enligt en utföringsform kan nämnda anordning för utsändande av elektromagnetisk strålning utgöras av en laser för utsändande av optisk strålning. Ljuset kan då ge en visuell bekräftelse om vart mätningen sker. Alternativt, om en laser med strålning utanför det visuella området, kan en separat riktlaser användas. Vidare fördel med att använda en laser för excitation av objektet kan vara laserns riktverkan vilken kan 10 15 20 25 30 35 40 4 ge en bestrålningsfläck på mellan 1-30 mm. Laser kan vidare vara fördelaktigt vid excitation av objekt av ett material som inte lämpar sig för excitation av en radar, såsom glas eller porslin som ej växelverkar med radarstrålningen.

Enligt en utföringsform kan nämnda anordning för utsändande av elektromagnetisk strålning utgöras av en anordning för utsändande av radarvågor. Vid behov av att använda långa våglängder i den elektromagnetiska strålningen kan radarvågor användas för bestrålning av objektet. Radar kan vidare vara fördelaktigt vid excitation av stora objekt, såsom byggnadskonstruktioner, fasader eller markområden. Radar har också fördelen att excitationen kan tränga igenom ytskikt eller beläggning på ett objekt där lasern annars verkar direkt på. Vid exempelvis regn eller dimma kan radarns räckvidd vara en fördel där annars lasern kan störas. Radar kan även användas för att undvika risk för personskador på ögon.

Enligt en utföringsform kan pulståget vara anordnat att styras av en matematisk statistisk fördelningsfunktion. Nämnda fördelningsfunktion kan vara en rektangelfördelning, en poissonfördelning eller en normalfördelning.

Sekvensmönstret kan ange den tidsmässiga förekomsten och bredden på pulserna i pulståget. Sekvensmönstret kan vara slumpmässigt genererat Enligt en utföringsform kan signalrepresentationen för de kontinuerligt detekterade mekaniska responserna lagras innan faltning utförs. I en utföringsform kan dessa signalrepresentationer lagras för en tidsperiod motsvarande längden på nämnda pulståg innan faltning utförs. Faltningen kan därmed utföras mellan signalrepresentationerna för den mekaniska responsen och pulståget där båda signalrepresentationerna representerar en enhetlig tidsmässig längd. Det resulterande impulssvaret från faltningen kan ha en tidsmässig längd skiljd från signalrepresentationernas längd. Detekteringen av den mekaniska responsen kan utföras av en detekteringsanordning och faltningen kan utföras av en signalbehandlingsenhet. Lagringen av signalrepresentationen av den detekterade mekaniska responsen kan ske i detekteringsanordningen. Detekteringsanordningen kan innefatta ett lagringsmedium för lagring av nämnda signalrepresentation. Vid lämplig tidpunkt kan den lagrade signalrepresentationen överföras till signalbehandlingsenheten_ Denna tidpunkt kan vara efter att hela pulståget har exciterat objektet och motsvarande mekaniska respons har detekterats och lagrats, eller vid upprepade tillfällen efter att delmängder av pulståget har exciterat objektet.

Alternativt kan lagringen av signalrepresentationen av den mekaniska responsen lagras i signalbehandlingsenheten_ Detekterade signaler från detekteringsanordningen kan då överföras kontinuerligt till signalbehandlingsenheten för lagring och sedermera faltning. Signalbehandlingsenheten kan innefatta ett lagringsmedium för lagring av nämnda detekterade signaler.

Detekteringsanordningen och signalbehandlingsenheten kan vara anordnade för någon av ovan beskrivna lagringsmöjligheter. Kommunikationen mellan detekteringsanordningen och signalbehandlingsenheten kan ske via en elektrisk koppling, eller via en trådlös anslutning.

Enligt en utföringsform kan faltningen innefatta en beräkning med en överföringsfunktion som är linjär och tidsinvariant. Det kan innebära att olika 10 15 20 25 30 35 40 5 mätningar med ett pulståg enligt uppfinningen i en mätserie ska ge resultat med ett linjärt samband. Det finns ett flertal sätt att uppfylla detta, exempelvis kan olika mätningar i en mätserie använda samma pulståg, men med olika intensitet. Detta kan ske genom att metoden innefattar en upprepning av stegen att bestråla ett objekt med ett pulstäg, detektera den mekaniska responsen och utföra en faltning mellan den detekterade responsen och pulståget. I den nya avläsningen kan ett pulståg användas som är likadant som i den första avläsningen, med skillnaden att de har olika intensitet. Skillnaden i intensitet väljs så att ett linjärt samband mellan intensiteterna, och därav de avlästa impulssvaren, fås.

Enligt en utföringsform kan metoden innefatta ett steg att dela upp pulstågen och den detekterade mekaniska responsen i två eller flera motsvarande delintervall, vilka sedan faltas för att erhålla impulssvaret för respektive delintervall. Detta kan ge en tidsinvariant metod som är oberoende av när i tiden i en mätning som faltningen sker. En utvärdering kan göras efter faltningen för att verifiera att de motsvarande delintervallen täcker samma tidsspann av det utsända pulståget.

Enligt en utföringsform kan anordningen för utsändande av elektromagnetisk strålning vara anpassad att bestråla objektet med elektromagnetisk strålning vars rörelsemängd ger upphov till den mekaniska responsen. Erhållna kraftimpulser är linjärt beroende av intensiteten och medför minsta möjliga uppvärmning eller annan negativ påverkan av objektet, vilket innebär hög grad av tidsinvarians. Därigenom kan LTI-villkoren (linjär och tidsinvariant) uppfyllas för utnyttjandet av faltningen.

Enligt en alternativ utföringsform kan det vara exempelvis termoakustiska eller plasmabildande effekter som orsakar den detekterade mekaniska responsen då dessa effekter har betydligt större mekanisk verkan på objektet än rörelsemängden.

Detta är möjligt i de fall en modell kan tas fram som kan överföra den registrerade mekaniska responsen till en linjär och tidsinvariant respons varvid faltningen kan utföras. Metoden enligt uppfinning kan därmed i en utföringsform innefatta ett steg att ta fram en modell för att överföra den detekterade mekaniska responsen till en linjär och tidsinvariant respons.

Figurer Figur 1 återger en schematisk bild av hur vibrationerna hos ett objekt genereras från avstånd med hjälp av pulser av elektromagnetisk strålning. Vidare återges hur vibrationsresponsen detekteras med hjälp av en detekteringsanordning. I figuren återges detekteringsanordningen schematiskt som en sensor, exempelvis en accelerometer.

Figur 2 återger samma funktion som figur 1, här dock detekteringsanordningen iform av en laservibrometer. återges Figur 3 återger hur ett slumpmässigt sekvensmönster som kan användas enligt föreliggande uppfinning kan se ut. 10 15 20 25 30 35 40 Figur 4 återger schematiskt hur sekvensmönstret, vibrationssignalen och bakgrundsbruset kan se ut i tidsdomänen. Vidare återges hur signalrepresentationen för impulssvaret kan se ut efter en faltning genomförts.

Figurer 5a och 5b återger två olika utföringsformer för modulation av pulstågen.

Figurer 6a och 6b återger i blockform två varianter av arbetsstegen för anordningen enligt två utföringsformer av uppfinningen.

Figur 7a är ett flödesschema enligt en utföringsform av uppfinning, som ger stegen för att erhålla impulssvaret från ett objekt som exciteras med hjälp av elektromagnetisk strålning.

Figur 7b är ett flödesschema enligt en utföringsform av uppfinningen, som ger stegen för att erhålla impulssvaret från ett objekt som exciteras med hjälp av elektromagnetisk strålning och stegen att utvärdera impulssvaret och presentera resultatet för en användare.

Kortfattad beskrivning av uppfinningen Innan en mer detaljerad beskrivning av utföringsformer ges nedan, inleds här med en övergripande beskrivning av både fysiken bakom anordningen samt dess konstruktion och användning. Figurer 1, 2, 3 och 4 kommer att användas för att underlätta förståelsen.

De metoder inom känd teknik som nämndes tidigare används bland annat för att försöka fastställa den mekaniska responsen från objektet vid bestrålning.

Föreliggande uppfinning har också detta som syfte men dock skiljer sig metoderna i viktiga hänseenden. Enligt föreliggande uppfinning utnyttjas EM-vågornas strålningstryck för att tillföra kraftimpulser till objektet. Strålningstrycket orsakas av att EM-vågor växelverkar med materien och uppstår därmed vid reflektion och absorption. Det strålningstryck som kan åstadkommas med rimliga intensiteter är mycket ringa. Enligt föreliggande uppfinning utnyttjas strålningstrycket för att fastställa vibrationsresponsen från både mikroskopiska och makroskopiska objekt Detta sker genom att objektet bestrålas med speciellt intensitetsmodulerade EM- vågor i form av ett pulståg som består av många pulser med låg intensitet.

Bestrålningen fortskrider under ett visst tidsspann under vilket en kontinuerlig detektion av den mekaniska responsen sker. I figur 1 och 2 återges detta schematiskt. Referensbeteckning (1) avser en anordning för utsändande av EM- vågor, denna anordning kan utgöras av en laser. Referensbeteckning (2) avser objektet som bestrålas och referensbeteckning (3) avser en detekteringsanordning för detektering av mekanisk respons hos objektet (2). I figur 2 utgörs detekteringsanordningen av en separat laser som använder laservibrometri för att erhålla vibrationsresponsen.

I figur 3 återges ett exempel på utseendet hos pulståget vilket uppvisar ett slumpfördelat utsändande av enskilda pulser. Efter att viss tid har förlupit utförs det en faltning mellan den erhållna vibrationsresponssignalen och det utsända pulståget. 10 15 20 25 30 35 Detta återges schematiskt i figur 4. I denna figur avser referensbeteckning (O) pulståget som exciterar objektet, (M) avser den mekaniska responssignalen, (B) representerar bruset i signalen som erhålles vid vibrationsdetekteringen. Slutligen avser (V) signalen för den detekterade mekaniska vibrationsresponsen. Som framgår av bilden utgör (V) en kombination av signalerna (M) och (B), även om detta i figuren ser ut som en avsiktlig summering av signalerna är det istället en följd av bruset som uppstår vid detekteringen av responssignalen (M). Följaktligen utförs faltningssteget för att avkoda detta och erhålla den rena mekaniska responsen (M). I figuren framgår det även att denna faltning utförs mellan den utsända signalen (O) och vibrationsresponsen (V). Detta ger efter faltningen en impulssvarssignal som schematiskt ser ut som den i figuren utbrutna signalen (V').

Faltningsoperationen utförs med pulståget i omvänd tidsordning och tecknas i diskret tid: m=-oo Därvid underförstås att de ändliga tidssekvenserna V och O utfylls med nollori tillräckligt antal för att faltningen skall kunna utföras. Faltningen behöver endast beräknas över de index m där summeringen ger resultat och för de n där impulssvaret framträder. Med den givna formeln framräknas impulssvaret från n=O och upp till ett positivt index för n där impulssvaret avklingat till försumbar nivå. För att bestämma brusnivån i V' beräknas faltningen i ett intervall med önskad längd och med n Förfarandet ger slutligen som resultat ett impulssvar enligt uppfinningen. Resultatet från faltningen kan därefter användas för att exempelvis fastställa anomalier i objektet, såsom sprickbildningar och liknande. Följaktligen tillhandahåller anordningen och metoden enligt föreliggande uppfinning ett sätt för att på avstånd fastställa den fysiska statusen hos objekt.

Det från faltningen erhållna impulssvaret (V') är enligt ovan en superposition av brus (B) från detektionen och den avsevärt svagare mekaniska responssignalen (M). Vid faltningen åstadkoms följaktligen en summering av den totala signalbrusenergi som detektorn gett upphov till under mätningens tidsspann. Den mekaniska responssignalen (M) är till skillnad från brussignalen inte stokastisk utan deterministiskt bestämd av det utsända pulståget och objektets mekaniska respons, given av dess överföringsfunktion. Vid faltningen åstadkoms därför en amplitudsummering av de enskilda pulsernas mekaniska verkan. Ökat antal pulser, motsvarande längre tidsspann, leder till ett förbättrat signal-till-brusförhällande.

Fördubblas exempelvis exponeringstiden ökar brusenergin i det faltade resultatet med 3 dB men den mekaniska responssignalens energi med 6 dB. Det tidsintervall som behöver användas för att nå önskat signal-till-brusförhållande bestäms av tillämpningen och avgörs väsentligen av pulstågets medeleffekt, detektorns brusnivå samt objektets reflektans, absorption och mekaniska egenskaper. 10 15 20 25 30 35 40 Exponeringstiden lämplig för ett objekt hänger samman med objektets storlek, vikt, strukturella uppbyggnad, akustiska dämpfaktor och/eller bestrålningens växelverkan med träffytan. Exempelvis kan en exponeringstid på mellan 1-5 sekunder vara lämplig för ett objekt med en vikt på cirka 100 gram, exempelvis en plåtburk. Vidare kan en exponeringstid på mellan 60-180 sekunder vara lämplig för ett objekt med en vikt på cirka 80 kg, såsom en emaljerad porslinsisolator.

När det gäller resultatet från signalbehandlingen vid faltningen har det relevans om överföringsfunktionen med EI\/I-bestrålningspulsen som insignal och objektets mekaniska respons som utsignal är linjär och tidsinvariant (LTI-system). För att erhålla ett optimalt resultat vid användning av uppfinningen kan därför uppfinningen förses med en kontroll av linearitet och tidsinvarians. Detta kan ses som en kalibrering av anordningen eller metoden för att anpassa den till givna förutsättningar.

Ett sätt att uppfylla lineariteten nämnt ovan kan vara att använda samma pulståg men med olika intensitetsnivå i en mätserie. Exempelvis kan relativa skalfaktorerna 1, 3, 10, 30 osv. användas för intensiteten. I en kontroll av mätserien undersöks de erhållna impulssvarens linearitet mot respektive använd intensitet. För systemets operativa drift i den givna mätsituationen mot objektet väljs därefter den högsta intensiteten som konstaterats linjär. Genom förfarandet säkerställs att andelen kraftverkan från termoakustisk effekt är obetydlig i förhållande till kraftverkan genom EI\/I-vågens rörelsemängd. I en kontroll av mätserien uppvisar de faltade resultaten, dvs. två eller flera impulssvar, skalfaktorer i överensstämmelse med de som användes för pulstågen. Andra varianter för att uppfylla linearitetskravet är också möjliga.

Uppfyllandet av tidsinvariansen kan kontrolleras genom att en mätning utförs med ett pulståg vars tidsspann är längre än den i tillämpningen längsta tänkbara. Exempelvis kan ett 200 sekunder långt spann användas för en tillämpning där maximalt tidsspann om 120 sekunder är tänkbart. I en utvärdering innan faltningen delas det använda tidsspannet upp i ett hanterbart antal delintervall. I utvärderingen skapas därefter en uppsättning nya pulstågssignaler, var och en av dessa bestående av signalinnehållet från valda delintervall och med signalinnehållet placerat omedelbart efter varandra i tid. En motsvarande uppsättning skapas på samma sätt för den detekterade responssignalen. Faltningen sker därefter mellan de editerade pulstågssignalerna och den detekterade responssignalen för delintervallen och ger upphov till en uppsättning av impulssvar. Om ett tidsspann för mätningar på 200 sekunder används kan 40 delintervall om 5 sekunder användas. Uppsättningen av nya pulstågssignaler för faltningen kan bestå av sammansättningar av signalinnehåll från intervall 1, 1 och 2, 1 t.o.m. 3, och så vidare upp till 1 t.o.m. 40. Vid en utvärdering efter faltningen kontrolleras att det faltade resultatets brus- respektive signalenergi som funktion av mättid motsvarar det tidigare ovan beskrivna.

Den i tillämpningen längsta tänkbara exponeringstiden enligt ovan dimensioneras för impulssvarets önskade signal-brus-förhållande och beror främst på bestrålningspulsernas energinivå, den mekaniska excitationens effektspektrum, objektets vikt, material, struktur, objektytans växelverkan med EM-strålningen och 10 15 20 25 30 35 40 brus som tillförs vid registrering av den mekaniska vibrationsresponsen. En första uppskattning av erforderlig exponeringstid kan erhållas genom att, givet parametrarna ovan, beräkna den från EM-strålningen teoretiskt tillförda impulsmängden som funktion av exponeringstid. Därefter kan jämförelser göras av erforderliga impulsmängder inom etablerad metodik med mekanisk impulshammare mot samma tänkta objekt. I andra hand kan den längsta tänkbara exponeringstiden bestämmas genom utprovning med ovan beräknade skattning som utgångspunkt.

Under vissa betingelser konstateras vid tillämpning av metoden för uppfyllande av tidsinvarians att andra faktorer påverkar valet av exponeringstiden, såsom: - En objektsyta med hög optisk absorption i kombination med material med uttalad termoakustisk effekt. Detta trots att optimal våglängd valts för minsta absorption.

- Vid långa exponeringstider, typiskt över flera minuter, kan temperaturändring i objektet förekomma. Exempel på orsaker är varierande omgivnings- temperatur, annan bestrålning eller intern egenuppvärmning I dessa fall kan mätningen utföras som en serie av delmätningar, vardera med konstaterat maximalt möjlig exponeringstid. Resultaten från var och en av mätningarna kommer att innehålla impulssvar med små individuella skillnader i frekvenskarakteristik till följd av objektets temperaturvariation. Genom att applicera kända signalbehandlingsmetoder, exempelvis genom identifiering och justering av dessa skillnaderi impulssvarens frekvensdomäner, så kan de justerade impulssvaren medelvärdesbildas över en större tidsrymd än vad som annars är möjligt vid en sammanhängande mätning begränsad av tidsinvarianskravet.

Genom att ovan givna villkor för faltningen uppfylls erbjuder uppfinningen en synnerligen god detektering av impulssvaret med mycket hög spårbarhet av den rörelsemängd som tillförts objektet. Den tillförda rörelsemängden är proportionell mot pulstågets energi dvs. produkten av pulstid, intensitet och belyst area. Även om den häri presenterade anordningen och metoden enligt uppfinningen är beskriven med hänvisning till att det är den elektromagnetiska strålningens rörelsemängd som påverkar objektet och ger upphov till den mekaniska respons som detekteras, kan uppfinningen lika gärna tillämpas i applikationer med termoakustiska metoder eller plasmabildande metoder. Dessa metoder har dock en annan påverkan på objektet som då måste tas hänsyn till, såsom uppvärmning av objektet, då det rör sig om en högre effekt på den elektromagnetiska strålningen. Det kan då krävas andra beräkningsmodeller vad gäller exempelvis faltningen, pulstågets utformning och exponeringstid.

Då det talas om vibrationsresponsen och den mekaniska responsen avses enligt uppfinningen alltid en representation av denna respons. Normal sett utgörs denna representation av en signalrepresentation, nämligen att detektorn lagrar vibrationsresponsen på formen av en signal. Enligt uppfinningen skall det utföras en faltning mellan denna lagrade signal och signalen för pulståget som skickades mot 10 15 20 25 30 35 40 10 objektet. Genom att utföra faltningen mellan signalerna erhålles ett synnerligen gott värde på impulssvaret utan att materialet behöver förstöras.

Då ovan nämnda faltning skall utföras mellan signalen för vibrationsresponsen och signalen för pulståget är det nödvändigt att signalbehandlingsenheten innehar en signalrepresentation av det utsända pulståget. l\/led detta menas att signalbehandlingsenheten har eller erhåller tillgång till en väsentligen identisk kopia av det pulståg som skickades ut mot objektet. Denna kopia skall innehålla information om intensiteten som funktion av tid hos de utsända pulserna. Enligt uppfinningen skall uppbyggnaden av pulståget vara slumpmässig eller pseudoslumpmässig, dvs. skenbart slumpmässigt och deterministiskt, det vill säga pulståget får inte uppvisa någon enkel periodicitet. Exempelvis kan pulserna i pulståget genereras som utfall från statistiska fördelningsfunktioner som vardera beskriver pulsernas intensitet, bredd och tidsförekomst. De statistiska fördelningsfunktionerna kan utgöras av kända matematiska fördelningsfunktioner såsom en rektangulärfördelning, en poissonfördelning eller en normalfördelning. Den kan också skräddarsys så att pulsernas gemensamma kraftimpuls ger önskad tidsfunktion och spektralt utseende. Det är därigenom möjligt att skapa pulståg där pulsernas kollektiva kraftverkan efterliknar konventionella mekaniska impulshammare. Vidare är det möjligt att skapa impulser som är svåra eller ej möjliga att åstadkomma med mekaniska impulshammare. Varianter av sådana skräddarsydda statistiska fördelningsfunktioner kan enkelt konstrueras av en fackman på området vid applikation av föreliggande uppfinning. Uppfinningen kan även efterlikna funktionen av en impulshammare på objekt av material där en konventionell mekanisk impulshammare inte vore möjlig att använda.

Som ett belysande exempel kan pulståget i ett utförande utformas genom att pulserna ges varaktigheter som är statistiskt rektangulärfördelade mellan 30 us och 1 ms där den inaktiva perioden mellan belysningspulserna ges samma statistiska fördelning. Effektspektrum för den kollektiva kraftverkan som detta pulståg ger upphov till kommer att vara konstant upp till frekvensen 500 Hz och därefter fallande med 20 dB/dekad upp till omkring 17 kHz. För att utnyttja tillgänglig toppeffekt hos bestrålningskällan och minimera exponeringstiden är det eftersträvansvärt att de statiska fördelningsfunktionerna utformas så att de genererar pulståg med en arbetsfaktor nära 0,5.

Beskrivning av föredragna utföringsformer En utföringsform av uppfinningen utgörs av en anordning utformad för att utföra följande steg: a) Sända ut i förhand bestämda pulssekvenser av elektromagnetisk strålning mot ett objekt vars mekaniska respons på strålningen skall bestämmas; b) Kontinuerligt i tiden detektera motsvarande mekaniska vibrationsrespons och efter en viss tid överföra signalrepresentationen av denna respons till en signalbehandlingsanordning kopplad till detektorn; 10 15 20 25 30 35 40 11 c) I nämnda signalbehandlingsanordning utföra en faltning mellan pulståget av elektromagnetisk strålning och den överförda signalrepresentationen av den mekaniska responsen för att därmed erhålla en signalrepresentation av ett impulssvar där bakgrundsbruset väsentligen eliminerats. d) Spara och överföra nämnda signalrepresentation av impulssvaret till en analysenhet för vidare analys. e) Efter att relevant signalanalys utförts på signalrepresentationen av impulssvaret överföra resultatet till en presentationsenhet kopplad till signalbehandlingsenheten och/eller analysenheten.

För att utföra de väsentliga stegen ovan krävs det en anordning som innefattar följande funktionella komponenter med hänvisning till figur 1: en anordning för utsändande av elektromagnetisk strålning (1), en detekteringsanordning (3), en signalbehandlingsanordning (S) som inbegriper funktionen signalfaltning samt ytterligare funktioner såsom företrädesvis en modulatorfunktion, en analysfunktion och en presentationsenhet. Exempel på explicita utföringsformer ges nedan.

Med anordning för utsändande av elektromagnetisk strålning avses i en utföringsform en laser, främst är detta lämpligt för tillämpningar där stor riktverkan eftersträvas vilket ger möjligheter att relativt noggrant forma belysningsfläcken på objektet även på större avstånd. Belysningsfläckens diameter kan vara mellan 1-30 mm, typiskt sett omkring 5 mm. Våglängden på ljuset är typiskt sett omkring 1550 nm, men kan varieras för anpassning till aktuellt objekt och säkerhet för användare. Det är möjligt att använda en radar istället för laser om man är intresserad av att generera elektromagnetisk strålning av längre våglängd. För en radar kan en bestrålningsfläck vara mellan 1-5 dm, typiskt sett omkring 2 dm. Typisk frekvens för strålningen från radarn i denna tillämpning är mellan 1-10 GHz. Detta kan vara av intresse om man skall erhålla vibrationsresponsen från ett stort objekt såsom ett markområde, byggnader eller liknande. Vidare kan det vara fördelaktigt om personsäkerheten är viktig då man vill undvika risk för ögonskador från en laser, eller om man behöver lång räckvidd, exempelvis vid dimma eller regn då lasern har vissa begränsningar. Vidare är de lämpliga exponeringstiderna desamma oavsett om laser eller radar används. Dock beroende av föremålets vikt.

Då principen nyttjar ljusets rörelsemängd för att generera kraftimpulser så skall även det bestrålade objektets reflektion, absorption och transmission beaktas vid valet av våglängdsområde. Då reflektion och absorption i motsats till transmission, båda bidrar till kraftgenereringen skall våglängdsområdet väljas så att transmission iförsta hand minimeras. Total reflektion ger vidare dubblerad kraftimpulsjämfört med total absorption varför även en hög reflektion prioriteras vid valet av våglängdsområde.

Avsikten med användningen styr till stor del vilken typ av elektromagnetisk strålning som skall genereras och följaktligen även den generator av nämnda strålning som skall användas. 10 15 20 25 30 35 40 12 Med detekteringsanordning avses vilken anordning som helst som är förmögen att detektera vibrationssignaler från objektet. Detekteringsanordning kan även lagra de detekterade vibrationssignalerna och sända den lagrade informationen till en signalbehandlingsenhet. Det kan i en utföringsform, där mätobjektet är lättåtkomligt, röra sig om en sensor såsom en accelerometer. I de utföringsformer där direktkontakt med objektet är förhindrad kan en laservibrometer eller en riktmikrofon användas.

Laservibrometern fungerar genom att objektet kontinuerligt belyses av en laserstråle.

Vibrationssignalen erhålls ur gångvägsskillnader i strålgången mellan vibrometern och mätobjektet. Det är av vikt att lasern i laservibrometern sänder vid en annan våglängd en den strålning som används för att excitera objektet ifråga. Figur 2 återger schematiskt en sådan utföringsform. Lasern (1) för bestrålning av objektet (2) sänder en stråle EM1 med en första våglängd mot objektet. Strålen El\/I1 innefattar nämnda pulståg (O). Lasern i laservibrometern (3) sänder en stråle EM2 med en andra våglängd, skiljd från den första våglängden, mot objektet. Laservibrometern (3) tar emot en reflekterande stråle EM3 från objektet (2). Signalrepresentationen (MR) av den av laservibrometern detekterade mekaniska responsen skickas vidare till signalbehandlingsenheten (S).

Signalbehandlingsenheten (S), vilken enklast utgörs av en vanlig persondator med relevant mjukvara, skall inbegripa funktioner för lagring av signaler, mottagande av signaler samt faltning mellan signaler. I en utföringsform innefattar den även en funktion för pulsmodulering. Vidare behöver den i vissa utföringsformer även enheter för analys och presentation. Exempel på sådana funktioner kan vara en signaI-till- ljudkonverterare och en ljuduppspelningsenhet om användaren vill lyssna på impulssvaret. I andra utföringsformer kan analysenheten utgöras av detekteringsalgoritmer som jämför impulssvaret med i förhand givna signalsignaturer för att avgöra om det föreligger några olikheter. Presentationsenheten kan förutom att vara en ljuduppspelande enhet även utgöras av en display. Vilken typ av presentationsenhet som används styrs av syftet med användningen av anordningen.

De ovan givna komponenterna har även en inbördes sammankoppling vilken nu kommer att beskrivas med hjälp av figurerna. Figur 1 visar hur en elektromagnetisk strålningsanordning (1), här schematiskt given som en laser, belyser ett objekt (2) och hur vibrationsresponsen detekteras av en detekteringsanordning (3) i form av en accelerometer som är anordnad angränsande objektet. Figur 2 ger istället en utföringsform där den elektromagnetiska strålningsanordningen (1) utgörs av en laser och detekteringsanordningen (3) av en laservibrometer.

Detekteringsanordningen (3) kan i andra utföringsformer även utgöras av annan typ av vibrationsdetektor. Vidare ingår det en signalbehandlingsenhet (S) som är kopplad till laservibrometern och anordnad för att emottaga den detekterade signalen från laservibrometern (se steg b ovan).

För att anordningen skall kunna utföra steg a) beskrivet ovan krävs det att utseendet på det pulståg som sänds ut är modulerat enligt ett förutbestämt pulsschema. Detta kan åstadkommas genom att lasern är kopplad till en pulsmodulator som styr utseendet på de utsända pulserna. Det förutbestämda pulsschemat, vilket innehåller 10 15 20 25 30 35 40 13 all relevant information om pulserna som sänds ut, det vill säga pulsernas bredder och positioner. Detta är nödvändigt för att kunna utföra faltningssteget (steg c ovan) mellan den detekterade responssignalen och pulssignalen. Effekt och våglängd hos ljuset kan även finnas tillgängligt i signalbehandlingsanordningen (S) för faltningen.

En mer detaljerad beskrivning av hur detta åstadkommes och hur modulationen kan utföras ges nedan i anslutning till beskrivningen av figurer 5a och 5b, samt 6a och 6b.

Moduleringen av pulståget kan ske på en rad alternativa sätt. I ett första fall som förutses utgöra ett normalt tillvägagångssätt där halvledarlaser används är modulationen integrerad i lasern. Detta sker enklast via halvledarlaserns elektriska drivning i kombination med ett modulerande laserdrivdon. Figur 5b återger schematiskt en sådan konstruktion. I denna figur innefattar generatorn (1) för elektromagnetisk strålning en intern modulator vilket, genom styrning av en elektrisk insignal (E), ger ett pulståg betecknat med (O). I figur 5a visas istället schematiskt hur andra Iasertyper som ej kan moduleras på samma rättframma sätt med fördel moduleras genom att en modulerande komponent (6) införs i strålgången. Den modulerande komponenten (6) styrs av en elektrisk insignal (E). Även här erhålles ett pulståg betecknat (O). Varianter på sådana inom teknikområdet välkända modulerande komponenter kan utgöras av; - Elektromekaniska komponenter, såsom mekaniska slutare, rörliga speglar och Hknande.

- Celler med flytande kristaller.

- Komponenter utformade för att utnyttja Kerr effekten.

- Komponenter utformade för att utnyttja Faradays effekt.

Det finns utöver de angivna två exemplen, med integrerad modulation och modulation medelst komponenter i strålgången, ett antal olika sätt välkända inom teknikområdet för att modulera pulstågen. Hur moduleringen av pulståget egentligen utförs är inte avgörande för uppfinningens funktion, det avgörande är att modulationen kan utföras på ett kontrollerat sätt så att pulstågen erhåller en slumpmässig eller pseudoslumpmässig fördelning.

Vid användning används följaktligen någon av ovanstående metoder eller ekvivalenter för att skicka ut ett modulerat pulståg med Iaserstrålning från lasern.

För att utföra de signalbehandlingssteg som krävs för att erhålla impulssvaret förutsätts att signalbehandlingsenheten (S) äri besittning av en för faltningen lämplig representation av pulståget. Det finns åtminstone två olika tillvägagångssätt för att förse signalbehandlingsenheten med denna information. Enligt det första sättet kan pulståget, eller pulstågen om ett flertal sådana används, vara fixa och förutbestämda, om än utan periodicitet, varvid de kan lagras både i den utsändande enheten (1) o c h i sig n a lbehandlingsenheten (S). G e n o m d etta ka n signalbehandlingsstegen utföras på den identiska kopia av pulståget/pulstågen som redan finns tillgänglig. Enligt det andra sättet så genereras och lagras 10 15 20 25 30 35 40 14 representationen av pulstågen enbart i den pulsutsändande enheten (1). De kan därefter överföras till signalbehandlingsenheten (S) kontinuerligt eller i efterhand, när bestrålningen av objektet (2) avslutats. På detta sätt erhåller signalbehandlingsenheten också en identisk kopia av pulståget/pulstågen vilken kan behandlas i den därför avsedda signalbehandlingsenheten.

I större detalj hänvisas till figur 6a, som återger en anordning enligt uppfinningen där en laservibrometer används som detekteringsanordning. Här används ett förbestämt och lagrat pulståg som via signalbehandlingsenheten (S) överförs till en laser (1) via ett laserdrivsteg (7). Lasern (1) sänder ut pulståget mot objektet (2) och en laservibrometer (3) detekterar vibrationsresponsen. Denna vibrationsrespons överförs sedan till signalbehandlingsenheten (S) för faltning. Efter detta överförs resultatet av faltningen till en analysenhet (A) och därefter till en presentationsenhet (P). I en utföringsform kan analysenheten (A) och presentationsenheten (P) utgöras av signalbehandlingsenheten (S).

I figur 6b återges istället hur signalrepresentationen av pulståget samtidigt överförs från en pulstågsgenerator (8) till både lasern (1) (via laserdrivsteget (7)) och signalbehandlingsenheten (S). Lasern (1) bestrålar objektet (2) med pulståget och laservibrometern (3) detekterar den mekaniska vibrationsresponsen. Därefter överför laservibrometern en signalrepresentation (l\/IR) av vibrationsresponsen till signalbehandlingsenheten (S) vilken utför en faltning mellan signalen erhållen från pulstågsgeneratorn och signalen erhållen från laservibrometern. Resultatet (V') av denna faltning överförs sedan till en analysenhet (A) för vidare behandling. Efter analysen färdigställts överförs svaret till en presentationsenhet (P), ej given i figuren.

Signalrepresentationen utsänd av pulstågsgeneratorn kan antingen överföras kontinuerligt till signalbehandlingsenheten, men det är även möjligt att pulstågsgeneratorn lagrar representationen och sedermera överför hela signalrepresentationen till signalbehandlingsenheten när bestrålningen av objektet avslutats.

Som tidigare nämnts arbetar laservibrometern (3) vid en annan våglängd än lasern (1) vilket undviker interferenser. Signalbehandlingsenheten (S) emottager den överförda responssignalen från laservibrometern och lagrar denna för senare faltning. Efter en förutbestämd tid, vilken kan bestämmas baserat på antalet utsända pulser eller förlupen tid, är signalbehandlingsenheten (S) anordnad för att utföra en faltning mellan den mekaniska responssignalen och signalrepresentationen för pulståget. Denna faltning leder till att en signalrepresentation för impulssvaret erhålles. Denna signalrepresentation utgör utdata för både anordning och metod.

Baserat på det syfte användaren har med att erhålla impulssvaret kan signalbehandlingsenheten utrustas med ytterligare funktioner såsom en analysfunktion och en presentationsfunktion. Om man exempelvis är intresserad av att försöka fastställa huruvida ett objekt uppvisar sprickor med hjälp av ljud kan analysenheten utgöras av en signal -till - ljud konverterare som omvandlar signalen till en ljudfil som kan spelas upp av en ljuduppspelningsenhet, vilken här motsvarar presentationsenheten. 10 15 20 25 30 35 15 Enligt en utföringsform av uppfinningen, såsom visas i figur 7a och 7b åstadkoms en metod (100) för att avläsa ett impulssvar (V') från ett exciterat objekt (2). Metoden innefattar stegen att bestråla (102) objektet (2) med elektromagnetisk strålning, kontinuerligt detektera (104) den mekaniska responsen hos objektet som följd av bestrålningen, och utföra en faltning (108) mellan signalrepresentationen (V) av den mekaniska responsen och en signalrepresentation av pulståget (O) utsänt mot objektet (2). På så vis uppnås en signalrepresentation (V') av impulssvaret från det exciterade objektet (2). Efterfaltningen (108) kan en upprepning (110) av steg 102, 104, 106 göras för att göra en ny mätning och på så sätt avläsa ett nytt impulssvar.

En mätserie kan därmed fås innefattande ett flertal avläsningar.

Figur 7b illustrerar en utökad metod (120) för att avläsa ett impulssvar (V'). Såsom beskrivet ovan kan detekteringen (104) av den mekaniska responsen utföras av detekteringsanordning (3) som också kan lagra en signalrepresentation av den kontinuerligt detekterade mekaniska responsen. Vid lämplig tidpunkt, exempelvis efter att mekanisk respons från hela det utsända pulståget har detekterats och lagrats i detekteringsanordningen, kan den lagrade signalrepresentationen överföras (106) till en såsom ovan beskriven signalbehandlingsenhet (S). Alternativt kan överföring ske före lagringen, som då sker i signalbehandlingsenheten.

Signalbehandlingsenheten (S) kan sedan utföra den beskrivna faltningen. Metoden (120) kan vidare innefatta ett steg av utvärdering (112) av resultatet från faltningen (108), exempelvis utfört av ovan beskriva analysenhet (A). Metoden (120) kan även innefatta ett steg av presentation (114) av resultatet av faltningen (108) och/eller av analysen (112). Presentationen kan göras av ovan beskrivna presentationsenhet (P).

På samma sätt som för metoden (100) i figur 7a kan en upprepning (110) av metoden göras för att göra en ny mätning. En mätserie kan därmed fås innefattande ett flertal mätningar.

Applikationer och praktiska användningsområden för föreliggande uppfinning Anordningen och metoden enligt föreliggande uppfinning kan användas inom alla teknikområden som har ett behov av att exakt fastställa vibrationsresponsen från ett objekt. Det kan bland annat röra sig om att fastställa huruvida ett objekt uppvisar sprickor eller liknande, men det kan också användas för att fastställa hårdheten i ett objekt på avstånd eller tillsammans med andra sensorer i ett system identifiera ett okänt objekt. Materialet som objektet utgörs av är inte av någon betydelse för föreliggande uppfinning som kan användas på alla material oavsett hårdhet.

Exempelvis kan man tänka sig att fastställa mognadsgrad hos bär och frukter på avstånd men lika gärna defekteri byggnadskonstruktioner.

Claims (18)

10 15 20 25 30 35 16 Patentkrav

1. Anordning för att på avstånd generera och läsa av impulssvaret från en excitering av ett objekt (2), anordningen inbegriper: en anordning (1 ) för utsändande av elektromagnetisk strålning, en detekteringsanordning (3) anordnad för att detektera den mekaniska responsen från ett objekt bestrålat av den elektromagnetiska strålningen, en signalbehandlingsenhet (S) ansluten till nämnda detekteringsanordning (3) och anordnad för att emottaga en signalrepresentation av responssvaret från nämnda detekteringsanordning, kännetecknad av att nämnda anordning (1) för utsändande av elektromagnetisk strålning är anordnad för att sända ut pulser med förutbestämd våglängd och intensitet i ett pulståg (O) enligt ett förutbestämt sekvensmönster, att nämnda signalbehandlingsenhet (S) är anordnad för att utföra en faltning mellan en signalrepresentation av nämnda pulståg (O) och en signalrepresentation (V) av nämnda mekaniska respons detekterad av detekteringsanordningen (3) för att därmed erhålla en signalrepresentation (V') av impulssvaret från det exciterade objektet (2).

2. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att nämnda anordning (1) för utsändande av elektromagnetisk strålning utgörs av en laser för utsändande av optisk strålning.

3. Anordning enligt något av patentkraven 1-2, kännetecknad av att nämnda anordning (1) för utsändande av elektromagnetisk strålning utgörs av en anordning för utsändande av radarvågor.

4. Anordning enligt något av ovanstående patentkrav kännetecknad av att nämnda detekteringsanordning (3) utgörs av en accelerometer.

5. Anordning enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknad av att nämnda detekteringsanordning (3) utgörs av en laservibrometer.

6. Anordning enligt något av ovanstående patentkrav, kännetecknad av att nämnda förutbestämda sekvensmönster är anordnat att styras av en matematisk statistisk fördelningsfunktion.

7. Anordning enligt patentkrav 6, kännetecknad av att nämnda matematiska statistiska fördelningsfunktion utgörs av en rektangelfördelning, en poissonfördelning eller en normalfördelning.

8. Anordning enligt något av ovanstående krav, kännetecknad av att anordningen vidare innefattar en pulstågsgenerator (8) anordnad att generera en signalrepresentation av pulståget enligt nämnda sekvensmönster till anordningen (1) för utsändande av elektromagnetisk strålning och till signalbehandlingsenheten. 10 15 20 25 30 35 17

9. Anordning enligt något av ovanstående krav, kännetecknad av att nämnda detekteringsanordning är anordnad att lagra signalrepresentation av den detekterade mekaniska responsen på ett lagringsmedium, och är anordnad att överföra den lagrade signalrepresentationen till signalbehandlingsenheten vid en förutbestämd tidpunkt.

10. Anordning enligt något av ovanstående krav, kännetecknat av att anordningen för utsändande av elektromagnetisk strålning är anordnad att utsända elektromagnetisk strålning vars rörelsemängd ger upphov till den mekaniska responsen hos det exciterade objektet.

11. Metod (100) för att på avstånd excitera ett objekt (2) och avläsa impulssvaret från det exciterade objektet, metoden kännetecknas av stegen att: a) bestråla (102) ett objekt med elektromagnetisk strålning, nämnda strålning utsänds i pulser med förutbestämd våglängd och intensitet i ett pulståg (O) enligt ett förutbestämt sekvensmönster, b) detektera (104) den mekaniska responsen från objektet, c) utföra en faltning (108) mellan signalrepresentationen (V) av den mekaniska responsen och en signalrepresentation av pulståget (O) för att därmed erhålla en signalrepresentation (V') av impulssvaret från det exciterade objektet (2).

12. Metod enligt patentkrav 11, kännetecknad av att nämnda i förutbestämda sekvensmönster anger tidsmässig förekomst och bredd för pulserna i nämnda pulståg (O).

13. Metod enligt något av patentkraven 11-12, kännetecknad av att signalrepresentationen (V) för den kontinuerligt detekterade mekaniska responsen lagras för en tidsperiod motsvarande längden på nämnda pulståg (O) innan faltning (108) utförs.

14. Metod enligt något av patentkraven 11-13, kännetecknad av att metoden vidare innefattar steget att generera nämnda sekvensmönster baserat på en matematisk statistisk fördelningsfunktion.

15. Metod enligt något av patentkraven 11-14, kännetecknad av att steget att utföra en faltning (108) innefattar beräkning med en överföringsfunktion som är linjär och tidsinvariant.

16. Metod enligt patentkrav 15, kännetecknad av att metoden innefattar en upprepning (110) av stegen a) till c) med ett pulståg med samma sekvensmönster som det tidigare pulståget (O), men med en skiljd intensitet.

17. Metod enligt patentkrav 15, kännetecknad av att metoden innefattar ett steg att innan faltningen utförs dela upp pulståget (O) och den detekterade mekaniska responsen i två eller flera motsvarande delintervall, varvid faltningen utförs mellan 18 delintervallen av signalrepresentationerna av pulståget och den mekaniska responsen.

18. Metod enligt något av patentkraven 11-17, kännetecknad av att steget att detektera (104) den mekaniska responsen innefattar att detektera den mekaniska respons som den elektromagnetiska strålningens rörelsemängd gett upphov till hos objektet.