SE468145B - Saett att utfoera icke-foerstoerande testning av en fysisk egenskap hos ett ljusabsorberande arbetsstycke - Google Patents

Description

468 145 10 15 20 25 30 35 2 cessen, men testapparaturen är komplicerad. Hjulen som innehåller sändare och mottagare måste t ex vara väl synkroniserade. Sändaren måste vara i kontakt med pap- persbanan vid alstring av en ljudvåg och denna måste detekteras 1-100 us senare av mottagaren, som befinner sig en kort sträcka därifrån. Mottagaren måste hållas i kontakt med papperet tämligen länge för att inte missa den första perioden av den akustiska puls, som alstrats.

Dessa förhållanden innebär allvarliga begränsningar för testmetoden.

Av ännu större vikt är signalstyrkans beroende av den kraft, med vilken de mekaniska sändande och motta- gande enheterna appliceras mot den löpande banan. Enbart denna faktor är ett allvarligt hinder för metodens an- vändbarhet på grund av att trycket innebär belastnings- krafter både på apparaturen och på den framlöpande pap- persbanan.

Det vore följaktligen önskvärt att kunna utveckla ett sätt som medger icke-förstörande testning av en ma- terialbana utan fysisk kontakt med och under minimal kraftutövning mot denna. Föreliggande uppfinning upp- fyller detta önskemål genom att en ljuskälla med korta ljuspulser sänder korta ljuspulser mot banan eller ar- ket; och att fortplantningshastigheten för ultraljuds- vågor, som alstras i banan eller arket som en följd av den termiska effekt ljuspulserna inducerar, mäts. I en utföringsform för realisering av sättet enligt uppfin- ningen används en laserstråle för alstring av den nöd- vändiga akustiska signalen i banan, så att därigenom en punkt med fysisk kontakt elimineras. Som mottagare kan användas en mekanisk signalomvandlare i kontakt med papperet eller en mikrofon utan fysisk kontakt med pap- peret, varigenom punkter med fysisk kontakt och belast- ning i det först nämnda fallet minimeras och i det sist- nämnda fallet elimineras.

Användningen av laserstrålar för alstring av ljud- vågor beskrivs i US-patent 4 169 662.

Föreliggande uppfinning omfattar ett sätt för 10 15 20 25 30 35 3 468 145 icke-förstörande testning av en fysikalisk egenskap i ett arbetsstycke, t ex en pappersbana i rörelse.

I en utföringsform används en anordning, medelst vilken genom alstring av en laser- eller annan kort ljuspuls alstras en akustisk puls, och en mikrofon för detektering av det alstrade ultraljudet och dess hastighet. Detta möjliggör direkttestning av en material- bana i rörelse utan fysisk kontakt med banan. I en annan utföringsform används som detektor en piezoelektrisk signalomvandlare.

På bifogade ritningar visar fig l schematiskt ett utförande av en anordning som konkretiserar sättet enligt uppfinningen, som innefattar en laserljussändare och en piezoelektrisk signalomvandlare, som tjänstgör som detektor.

Fig 2 visar fotoakustiska vågformer, som erhållits i papper med varierande avstånd mellan pulsalstrings- och detekteringspunkter.

I en utföringsform av förfaringssättet enligt före- liggande uppfinning utsätts en pappersbana när den till- verkas i en pappersmaskin, för korta ljuspulser, före- trädesvis laserpulser, för bestämning av mekaniska styr- keegenskaper hos papperet. Molekyler i papperet, som absorberar infallande fotoner, återemitterar energi i olika former, av vilka den verksammaste är en lokalise- rad värmepuls i det provade materialet. Sålunda alstras värme som i sin tur alstrar mekanisk spänning i mate- rialstrukturen, vilket yttrar sig i en ljudvåg. Ljudvå- gen fortplantas utåt genom mediet från strålens träff- punkt och kan detekteras på olika avstånd från denna punkt för mätning av ljudhastigheten i materialet.

Den ursprungliga graden av excitering, som erhål- lits medelst ljuskällan beror på den använda vågläng- den. Lämpliga våglängder ligger i området från omkring 200 till 10 000 nm. Användning av optimala våglängder inom detta område resulterar i hög absorption av infal- lande energi och därigenom i en stark akustisk signal. 468 145 10 15 20 25 30 35 4 Vilken som helst ljuskälla som alstrar den önskade effekten kan användas, men företrädesvis används en laser. Måtten på de longitudinella och transversella vàgornas fortplantningshastighet i papperslängden kan relateras till Youngs's modul, skjuvmodulen och Poisson's tal för papper. Denna typ av bestämning i produktionslinjen kan utnyttjas i ett slutet styr- kretssystem för anpassning och optimering av pappers- maskinvariabler såsom förhållandet mellan mäldhastighet och virahastighet, raffineringsgrad, vâtpressning etc under tillverkning av pappersbanan.

Mått på fortplantningshastigheten vid viss ljudvåg- form kan också användas för ernående av information om sambandet mellan vàgformen och materialet i vilket ljudvågorna fortplantas, såsom materialets densitet, samt orienteringen av olika mikroskopiskt små element i materialet.

I en utföringsform enligt föreliggande uppfinning alstras avsedd akustisk vågform medelst en laserstråle och detekteras av ljudvågorna medelst en piezoelektrisk signalomvandlare, som kortvarigt kommer i fysisk kontakt med pappersbanan. Denna utföringsform illustreras schematiskt i fig l. Ljus från en ljuskälla 10 genom en neodym/yttrium-aluminiumgranatlaser (en Nd/YAG-laser) med en våglängd av 532 nm fokuseras direkt på en absor- berande yta 12 av ett papper 8 genom att reflekteras medelst en spegel 14 och fokuseras medelst en lins 16 (linsen är optionell). Ljuskällan 10 kan också vara vilken som helst annan anordning som alstrar korta intensiva ljuspulser i storleksordningen en mikrosekund eller mindre, t ex en blixtljuslampa.

En detektor, som i detta fall är en piezoelektrisk signalomvandlare 18, är placerad i kontakt med papperets 8 yta l2 på ett förutbestämt avstånd från den punkt, som träffas av laserstrålen. Vid utföringsformen i fig l omfattar detektorsystemet förutom en piezoelek- 10 15 20 25 30 35 468 145 5 trisk signalomvandlare 18 även en förförstärkare 20, en transient digitaliserare 22 och en fotodiod 24.

Den av signalomvandlaren 18 i fig l uppfångade akustiska signalen omvandlas till en elektrisk signal, vilken inmatas i förstärkaren 20. Den förstärkta signa- len överföres till den transienta digitaliseraren 22.

Denna mäter tiden mellan laserskottet, då detta detek- teras av fotodioden 24, och signalomvandlarens 18 mottagning av den elektriska signalen. Den uppmätta tiden innefattar elektrisk transmissionstid i elektriska ledningar etc, men denna ytterligare tid kan beräknas och subtraheras för att erhålla transmissionstiden för den det kan akustiska vågen genom testmaterialet 8. Medelvär- av transmissionstiden för den akustiska vågen beräknas och användas för beräkning av Young's elasticitetsmodul samt för bestämning av styrkeegen- skaperna för arket 8.

I en föredragen utföringsform enligt föreliggande uppfinning användes i detektorsystemet en mikrofon i ett akustiskt avskärmat hus istället för den piezo- elektriska signalomvandlaren 18 och undanröjes sålunda behovet av fysisk kontakt med papperet 8.

Enligt de följande exemplen är akustiska signaler, som är alstrade i angivet material medelst en laserstrå- le, analyserade medelst ett piezoelektriskt system, en- ligt fig l. Energikällan vargen Quanta-Ray Nd/YAG-laser, som alstrade en grundfrekvens med en våglängd av 1064 nm och en pulslängd av ca 10 ns. Denna grundfrekvens dubblades för alstring av en puls med våglängden 532 nm. Denna korta ljuspuls riktas med materialet för alstring av olika Exempel l Detta exempel visar en jämförelse av longitudinel- akustiska mönster i papperet. la vågfortplantningshastigheter, som uppträder i fyra standardmaterial när signalen är alstrad medelst en, piezoelektrisk signalgivare av känd typ, som är i kontakt med papperet, respektive medelst lasern enligt 468 145 10 15 20 25 30 6 ~ föreliggande uppfinning. Erhållna data visar att lasern ger huvudsakligen identiska resultat utan att ha varit i kontakt med arket.

LONGITUDINELL VÅGFORTPLANT- NINGSHASTIGHET (mm/us) EXCITERING EXCITERING MEDELST PROV TYP AV PROVAT MEDELST PIEZOELEKTRISK NR: MATERIAL LASER SIGNALGIVARE l. Svart, linjär 1,96 1,97 polyetylen med hög densitet 2. vit, linjär 1,73 1,83 polyetylen med hög densitet 3. UV-stabiliserad 2,08 2,16 polyetylen 4. Akryl 2,27 2,33 Exempel 2 I detta exempel jämföres longitudinella vågfort- plantningshastigheter i fem provark av olika typer av papper vid excitering enligt tidigare känd metod (US-patent 4 291 577) medelst en piezoelektrisk signal- givare i kontakt med material med hastigheten, när en laser utan kontakt enligt föreliggande uppfinning användes. Jämförelsen visar att utmärkt överensstäm- melse erhållits och att det är möjligt att använda uppfinningen för olika typer av papper, såsom däribland oblekt papper, finpapper, kraftliner och laboratorie- testark. 10 15 20 25 30 35 7 468 1453 LONGITUDINELL VÅGFORTPLANT- NINGSHASTIGHET (mm/ps) EXCITERING EXCITERING MEDELST PROV TYP AV PROVAT MEDELST PIEZOELEKTRISK NR: MATERIAL LASER SIGNALGIVARE 1. 44-kappa hand- 3,30 3,48 gjort papper av barrvedsmassa 6. Kraftliner 3,36 3,33 (maskinriktning) 7. Kartong (tvär- 1,94 2,05 riktning) 8. Vitt kontinuerligt 3,51 3,63 blankettpapper (maskinriktning) Exempel 3 Det är välkänt att ljudhastigheterna i kommersiellt tillverkat papper är olika i maskinriktningen och i tvärriktningen. Exempel 3 visar att förhållandet (kvoten) mellan ljudhastigheten i maskinriktningen och ljudhastigheten i tvärriktningen kan exakt förut- sägas för kommersiellt papper vid kontaktfri användning av laser enligt föreliggande uppfinning, och att detta värde motsvarar det som erhålles vid användning av den redan kända piezoelektriska signalgivaren i kontakt med papperet.

FÖRHÅLLANDET MELLAN LONGITUDINELL VÅGFORTPLANTNINGSHASTlGHET I MA- SKINRIKTNINGEN OCH TVARRIKTNINGEN EXCITERING EXCITERING MEDELST PROV TYP AV MEDELST PIEZOELEKTRISK NR. PAPPER LASER SIGNALGIVARE 6. Kraftliner 1,50 1,41 7. Kartong 1,59 1,63 8. Vitt kontinuer- 1,41 1,36 ligt blankett- papper Exempel 4 För beräkning av de meningsfulla modulegenskaperna 468 145 10 15 20 25 30 35 8 i papper krävs transmission och detektering av både longitudinella och transversella vågor och mätning av fortplantningshastigheterna. Exempel 4 visar att en utan kontakt med materialet arbetande laseranord- ning enligt uppfinningen, kan användas i ett system för detektering och mätning av både longitudinella och transversella vågor i motsvarighet med de som alstrats och detekterats medelst den redan kända piezo- elektriska anordningen, vid vilken en signalgivare arbetar i kontakt med materialet.

SKJUVVÅGHASTIGHET (mm/ps) EXCITERING EXCITERING MEDELST PROV TYP AV PROVAT MEDELST PIEZOELEKTRISK NR. MATERIAL LASER SIGNALGIVARE 5. Akryl 2,27 2,33 Exempel 5 För att en testmetod skall vara värdefull mäste data vara reproducerbara och exakta. Exempel 5 visar att god reproducerbarhet kan ernås vid oberoende tester medelst lasersystemet av en mångfald material; LONGITUDINELL VÅGFORTPLANT- NINGSHASTIGHET (mm/us) PROV TYP AV PROVAT NR. MATERIAL Test 1 Test 2 l. Svart linjär 1,95 1,97 polyetylen med hög densitet 2. Vit linjär poly- l,75 1,72 etylen med hög densitet 3. UV-stabiliserad 2,04 2,11 polystyren 6. Kraftliner 3,51 3,20 (Maskinrikt- ningen) 6. Kartong (Tvärs 2,21 2,26 maskinriktningen) Exempel 6 Proceduren enligt exempel l för ovanstående prov 10 15 468 145% 9 nr l repeterades men med skillnaden att avståndet mellan laserstrålens infallspunkt och omvandlarens mottagning av den alstrade akustiska vågen varierades.

De vågformer, som vid varje tillfälle alstrades, och inbördes avstånd är angivna i fig 2 på de bifogade ritningarna. I Exemgel 7 Proceduren i exemplen l-5, ovan, upprepades med undantag av att piezoelektriska signalomvandlaren 18 i experimentapparaturen var ersatt med en mikrofon i ett akustiskt avskärmat hus. Medelst lasern sändes en ljuspuls mot testarket samtidigt som en elektrisk puls sändes till en triggkrets. Den elektriska pulsen triggar den transienta digitaliseraren 22 att starta inspelning av signaler från mikrofonen. Denna fotoakus- tiska signal mottages av mikrofonen och medelvärdes- beräknas flera gånger för alstring av en vågform som liknade dem som visar fig 2 på de bifogade ritningarna. ,__ :ff-Brf

Claims (3)

468 4 l 10 15 20 25 30 35 45 10 PATENTKRAV
1. l. Sätt att utföra icke-förstörande testning av en fysisk egenskap hos ett ljusabsorberande arbetsstycke i form av en pappersbana i rörelse eller ett pappers- ark, k ä n n e t e c k n a t av att en ljuskälla med korta ljuspulser sänder korta ljuspulser mot banan eller arket; och att fortplantningshastigheten för ultraljudsvågor, som alstras i banan eller arket som en följd av den ter- miska effekt ljuspulserna inducerar, mäts.
2. 2. Sätt enligt krav 1, att ultraljudshastigheterna, som svarar mot den k ä n n e t e c k n a t av termiska effekt som inducerats av ljuspulserna, detekteras medelst en piezoelektrisk omvandlare som är i fysisk kontakt med banan eller arket.
3. 3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n'a t av att sättet utförs utan fysisk kontakt med banan eller arket. _ íff-.f-