WO1996035942A1 - Process for testing solid bodies for stresses - Google Patents

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WO1996035942A1
WO1996035942A1 PCT/EP1996/001897 EP9601897W WO9635942A1 WO 1996035942 A1 WO1996035942 A1 WO 1996035942A1 EP 9601897 W EP9601897 W EP 9601897W WO 9635942 A1 WO9635942 A1 WO 9635942A1
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WO
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solid
energy
frequency
intensity
measuring
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Application number
PCT/EP1996/001897
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French (fr)
Inventor
Gert Goch
Bernhard Schmitz
Stefan Hock
Klaus Lechleiter
Wolf Burkart
Original Assignee
Zf Friedrichshafen Ag
Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/248—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet using infrared
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the invention relates to a method for the detection of mechanical stress states, in particular of internal stresses and load stresses (compressive stress or tensile stress), in a solid body which absorbs energy (light, electromagnetic radiation, etc.).
  • the principle of the measuring method is based on the fact that a solid during periodic or pulsed irradiation with high-energy radiation also heats up periodically in accordance with the modulation frequency or pulse sequence of the excitation source at the irradiated locations due to the absorption of the radiation energy, and the heat generated from the location of the irradiation spreading out as a thermal wave in the solid.
  • the properties of this thermal wave with regard to amplitude and phase relationship between the excitation and response signals depend on the properties of the solid. Amplitude and phase signals are therefore suitable measurands for describing the thermal properties of a solid.
  • a solid If a solid is subjected to high-energy, intensity-modulated radiation, heat is generated at the location of the radiation absorption and the heating spreads out as a periodically varying temperature in the form of a thermal wave in the solid.
  • the heat expansion and the resulting temperature distribution is physically described by the heat diffusion equation with location-dependent thermal properties (thermal conductivity, density, heat capacity) of the solid. It follows from this equation that the depth of penetration of the damped and highly dispersive thermal wave penetrating into the solid has a strong dependence on the modulation frequency of the exciting radiation.
  • both the amplitude and the phase of the thermal response signal to the excitation frequency contain information about the material property and its change, whereby it should be noted that the thermal properties, in particular the thermal diffusivity and thermal effusivity (which again in a different way from thermal conductivity, density and heat capacity), depending on the microscopic properties of the material, such as. B. the voltage states.
  • the amplitude contains information on the absorption coefficient and the thermal characteristics of the body being examined. It depends on the optical, thermal and geometric properties of the sample surface.
  • the phase relationship between the excitation and the thermal response signal contains information about the propagation behavior of the thermal wave in the solid and is thus influenced by material properties which influence the diffusion of the heat, that is to say the thermal diffusivity. Since the propagation behavior of the signal in the solid also depends on the modulation frequency of the excitation source, information from different depths and surrounding distances from the excitation location can also be received by the response signal by changing the modulation frequency.
  • the thermal characteristics in particular the thermal diffusivity, change at different locations. Since the thermal diffusivity or the thermal parameters are in turn dependent on the microscopic state of the material, the material state can also be inferred from this, the depth profile of the thermal properties being correlated with the course of stress states in the interior of the material.
  • response-dependent frequency signals are obtained from the same distances due to the spherical propagation of a wave, which correspond to a spherical surface, but which lie in different depth ranges of the solid.
  • This can be partial be undesirable since only one response signal from a certain depth is required in each case, in particular since residual stresses are also often depth-dependent.
  • it is advantageous to provide a large excitation surface relative to the measurement surface of the response signal and / or the depth of penetration of the signal into the solid body, the measurement surface being in each case sufficiently spaced from the edges of the excitation surface. This ensures that the response signal is almost one-dimensional and changes in the signal are only depth-dependent.
  • the diffusion equation at the measurement site also becomes one-dimensional and mathematical models can be used to reconstruct the only depth-dependent thermal parameters from the frequency profile of the thermal signals (amplitude and phase).
  • the surface of a solid is excited on an excitation surface A with an intensity-modulated, energy-carrying radiation with a modulation frequency f, whereby any radiation can be used.
  • An intensity-modulated laser in the visible to ultraviolet range is preferably used here, but simple light, high-energy X-ray radiation or other electromagnetic radiation, high-energy electron radiation or other particle radiation can also be used.
  • the energy response of the solid body with respect to intensity and / or phase shift to the modulation frequency is measured, the heat response (according to the Planck 1 see steel law) preferably being included here
  • An infrared sensitive detector is measured.
  • Other detection methods such as photothermal beam deflection, interferometry, thermal reflection, beam deflection in reflection, can also be used if the geometric conditions at the measuring location allow this.
  • This measurement is carried out for a multiplicity of different modulation frequencies f x at the same measuring location and a comparison of the intensity and / or phase profile between a standard solid of the same material or another location of the specimen and the specimen to be examined is made via the frequencies f x performed.
  • This comparison preferably consists in a simple subtraction (phase signal) or quotient formation (amplitude signal) of the values of the corresponding excitation frequency, as a result of which a so-called contrast curve is obtained.
  • a change in the thermal properties up to a depth predetermined by the modulation frequency and thus the presence of a tension state of the sample body at the location to be examined can be concluded.
  • the frequency-dependent amplitude and phase contrast functions differ characteristically in the case of existing tensile or compressive stresses, so that the ratio at different modulation frequencies is sufficient to clearly distinguish tensile and compressive stresses.
  • the size is to be correlated with the level of tensile or compressive stress. It is therefore emphasized that a calibration must be carried out for each base material, since the correlation of tensile and compressive stresses with the changes in the thermal parameters is material-specific.
  • a device for detecting stress states, in particular residual stresses (compressive stress or tensile stress) in an energy-absorbing solid requires the following units: a source for emitting an intensity-modulated, energy-carrying excitation radiation with a
  • Modulation frequency f which irradiates an excitation surface A on the solid; a measuring device for registering the energy response of the solid (detector) with respect to intensity and / or phase shift to the modulation frequency on a measuring surface m on the solid; an electronic unit (with periodic excitation: lock-in amplifier), which determines the amplitude and phase from the modulator and detector signals; an electronic system that compares the intensity and / or phase curve between one
  • the device can also be designed in such a way that the measuring area m is so much smaller than A that m lies within A, so that influences from the edge areas are negligible.
  • the device according to the invention can additionally or exclusively be equipped with a measuring device for registering the mirage effect for registering the heat response of the solid.
  • the measuring device can advantageously also be equipped with an infrared detector for measuring the energy response of the solid.
  • an electronic system which is suitable: between the two measuring locations or specimens to calculate the contrast curve over the frequency (difference of the measured values depending on the frequency) and / or - the state of tension of the specimen at the location to be examined due to the change in contrast and
  • the last-mentioned measuring devices can also be used according to the invention to carry out an automatic production control in a production process or to detect the wear condition of a tool over a longer period of time on the basis of several comparative measurements and to determine an optimized replacement time of the tool.
  • this method can sweep the surface of a solid and in this way, for example, to display one or more flat images on which the course of the thermal parameters is shown at different depths, the The size and direction of the gradient can be specified in color or by gray values.
  • Fig. 1 basic principle of the measuring arrangement
  • Fig. 2 different variations of 4 to 4 measuring devices according to the invention.
  • Fig. 1 shows the principle of the measuring arrangement.
  • a relatively large excitation area A is subjected to an intensity-modulated radiation (shown here as a chopper) with a modulation frequency f.
  • the radiation strikes the surface and generates thermal waves according to their modulation frequency, the wave fronts of which are shown in simplified form as dashed lines.
  • the solid body emits response signals corresponding to the thermal waves, which are imaged over the measuring surface m in the form of emerging infrared radiation onto an answer detector via an optical element (shown in FIG. 1 as a lens, but also possible as a mirror) which is focused on the surface m by a lens.
  • an optical element shown in FIG. 1 as a lens, but also possible as a mirror
  • a suitable selection of the dimensions of A and m in the area of the measuring surface gives me an area in which the wavefronts spread linearly, so that a one-dimensional, only depth-dependent Response signal can be detected, which is to be interpreted using the diffusion equation.
  • 2 shows a possible arrangement of a measuring device.
  • a laser is shown as the radiation source, the light of which is modulated by a chopper, the information about the respective modulation frequency being transmitted to an electronic system via the information line II.
  • the response signal is measured simultaneously via a response detector and also passed directly to the electronic system via the information line 12.
  • the response detector consists of an infrared-sensitive receiver.
  • the upstream imaging optical element (identified as a lens in FIG. 2) can consist of an IR-transparent lens, a combination of lenses, a mirror, a combination of mirrors or a combination of lenses and mirrors hen.
  • FIG. 3 An alternative embodiment of this is shown in FIG. 3, in which, instead of detecting IR radiation, the effect of the thermal waves on the surrounding medium is measured by deflecting a laser beam due to the temperature-related change in the refractive index.
  • the well-known Mirage effect is used here.
  • Other (not shown here) alternative detection methods are thermal reflection, beam deflection in reflection, photothermal interferometry.
  • FIGS. 4 finally shows a combination of the two principles from FIGS. 2 and 3, the measurement signals here also being forwarded via the information lines II - 13 to the electronic unit and then to the electronic system for evaluation for storage and documentation be directed.
  • the electronic system itself also features via appropriate storage units, e.g. B. to compare and evaluate the previously measured measured values of standard samples with the results of the solid to be assessed or with measured values from other places on the same body according to the above-mentioned method.
  • the results are transferred to a display or a printer.

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Abstract

A process and device are disclosed for detecting stresses in an energy-absorbing solid body. The surface of the solid body is excited by intensity-modulated, energy-carrying radiation. The intensity and/or phase offset with respect to the modulation frequency of the solid body energy response are measured then compared to the intensity and/or phase curve of a standard solid body made of the same material. This comparison allows the presence of stresses at the tested point in the solid body to be determined.

Description

Untersuchungsverfahren zur Erkennung von Spannungszuständen in einem Festkörper Examination method for the detection of stress states in a solid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von mechanischen Spannungszuständen, insbesondere von Eigen¬ spannungen und LastSpannungen (Druckspannung oder Zugspan¬ nung) , in einem Energie (Licht, elektromagnetische Strah¬ lung u. a.) absorbierenden Festkörper.The invention relates to a method for the detection of mechanical stress states, in particular of internal stresses and load stresses (compressive stress or tensile stress), in a solid body which absorbs energy (light, electromagnetic radiation, etc.).
Das Prinzip des Meßverfahrens basiert darauf, daß ein Festkörper bei periodischer oder gepulster Bestrahlung mit einer energiereichen Strahlung sich auch aufgrund der Ab¬ sorption der Strahlungsenergie periodisch entsprechend der Modulationsfrequenz oder Pulsfolge der Anregungsquelle an den bestrahlten Stellen erwärmt und sich die erzeugte Wärme vom Ort der Bestrahlung ausgehend als thermische Welle in dem Festkörper ausbreitet. Entsprechend den physikalischen Gesetzen der Wärmefortpflanzung und Wärmediffusion sind die Eigenschaften dieser thermischen Welle bezüglich Amplitude und Phasenbeziehung zwischen Anregungs- und Antwortsignal abhängig von den Eigenschaften des Festkörpers. Amplituden- und Phasensignal sind damit geeignete Meßgrößen zur Beschreibung der thermischen Eigenschaften eines Fest- körpers.The principle of the measuring method is based on the fact that a solid during periodic or pulsed irradiation with high-energy radiation also heats up periodically in accordance with the modulation frequency or pulse sequence of the excitation source at the irradiated locations due to the absorption of the radiation energy, and the heat generated from the location of the irradiation spreading out as a thermal wave in the solid. According to the physical laws of heat propagation and heat diffusion, the properties of this thermal wave with regard to amplitude and phase relationship between the excitation and response signals depend on the properties of the solid. Amplitude and phase signals are therefore suitable measurands for describing the thermal properties of a solid.
Aus der Offenlegungsschrift DE 39 13 474 AI ist be¬ kannt, daß als punktförmige Anregungsstrahlung ein modu¬ lierter Laserstrahl der Modulationsfrequenz fl verwandt, die entstehende thermische Welle mit Hilfe eines IR-Detek- tors gemessen, die Phasenverschiebung Δ zwischen Anregung und thermischer Antwort bestimmt und mit diesem Meßverfah¬ ren die Oberfläche eines Festkörpers abgescannt wird. Auf- grund der ortsabhängigen Änderungen der Phasenverschiebung wird ein Bild erstellt, aus dem sich auf Änderungen der Materialeigenschaften schließen läßt.From the published patent application DE 39 13 474 A1 it is known that a modulated laser beam of the modulation frequency fl is used as point-like excitation radiation, the resulting thermal wave is measured with the aid of an IR detector and the phase shift Δ between excitation and thermal response is determined and the surface of a solid is scanned with this measuring method. On- Due to the location-dependent changes in the phase shift, an image is created from which changes in the material properties can be concluded.
Weiterhin wird auf die Patentschrift DE 40 15 893 C2 mit dort enthaltenem weiteren Stand der Technik verwiesen. In dieser Schrift wird ein photothermisches Meßverfahren vorgeschlagen, bei dem das von einem Anregungsstrahl er¬ zeugte Infrarotsignal auf der dem Anregungsstrahl zugewand- ten Seite des Festkörpers gemessen wird, nachdem es nach Durchlaufen des der Abtastung dienenden Abschnitts des Strahlenganges des Anregungsstrahls ausgekoppelt wird, das innere und äußere Inhomogenitäten beinhaltende Infrarotsi¬ gnal und das äußere Inhomogenitäten beinhaltende Bildsignal derart verarbeitet werden, daß ein nur innere Inhomogenitä¬ ten beinhaltendes Ausgangssignal erhalten wird, wobei die Abtastgeschwindigkeit des Anregungsstrahls in Abhängigkeit von der vom Material des Festkörpers vorgegebenen Ausbrei¬ tungsgeschwindigkeit des thermischen Infrarotsignals einge- stellt wird.Furthermore, reference is made to the patent specification DE 40 15 893 C2 with further prior art contained therein. In this document, a photothermal measuring method is proposed, in which the infrared signal generated by an excitation beam is measured on the side of the solid body facing the excitation beam after it has been decoupled after passing through the section of the beam path of the excitation beam that is used for scanning, the inner and infrared signal containing external inhomogeneities and the image signal containing external inhomogeneities are processed in such a way that an output signal containing only internal inhomogeneities is obtained, the scanning speed of the excitation beam depending on the propagation speed of the thermal infrared signal given by the material of the solid body - is posed.
In den oben genannten Schriften wird darauf hingewie¬ sen, daß durch die jeweiligen Verfahren gewollte und/oder unerwünschte thermische Materialveränderungen und -inho o- genitäten (Schichtdicken, Haftungsfehler, Defekte, Härte) feststellbar sind, jedoch wird dem Fachmann keine Lehre mitgeteilt, mit der er in der Lage wäre, aus den photother¬ mischen Signalen auf Spannungszustände in einem Festkörper zurückzuschließen und verschiedene Arten von Spannungen (Eigen-, Lastspannungen) zu detektieren und zu unterschei¬ den. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren darzustel¬ len, mit dem es möglich ist, Spannungszustände in einem Festkörper zu detektieren und die unterschiedlichen Arten von Spannungen anhand der photothermisch gewonnenen Signale zu unterscheiden.In the abovementioned documents it is pointed out that desired and / or undesirable thermal material changes and inconsistencies (layer thicknesses, adhesion defects, defects, hardness) can be determined by the respective method, however no teaching is communicated to the person skilled in the art which would be able to infer voltage states in a solid from the photothermal signals and to detect and differentiate between different types of voltages (intrinsic and load voltages). The object of the invention is to present a method with which it is possible to detect voltage states in a solid and to differentiate the different types of voltages on the basis of the signals obtained photothermally.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Verfahrensanspruches 1 gelöst.The object is achieved by the features of method claim 1.
Demgemäß haben die Erfinder folgendes erkannt:Accordingly, the inventors recognized the following:
Wird ein Festkörper mit einer energiereichen, intensitäts- modulierten Strahlung beaufschlagt, so wird am Ort der Strahlungsabsorption Wärme erzeugt und die Erwärmung brei¬ tet sich als periodisch variierende Temperatur in Form ei- ner thermischen Welle im Festkörper aus. Die Wärmeausbrei¬ tung und die sich daraus ergebende Temperaturverteilung wird physikalisch durch die Wärmediffusionsgleichung mit ortsabhängigen thermischen Eigenschaften (Wärmeleitfähig¬ keit, Dichte, Wärmekapazität) des Festkörpers beschrieben. Aus dieser Gleichung folgt, daß die Eindringtiefe der ge¬ dämpft und stark dispersiv in den Festkörper eindringenden thermischen Welle eine starke Abhängigkeit von der Modula¬ tionsfrequenz der anregenden Strahlung besitzt. Weiterhin ergibt sich, daß sowohl die Amplitude als auch die Phase des thermischen Antwortsignals zur Anregungsfrequenz Infor¬ mationen über die Materialeigenschaft und deren Veränderung enthält, wobei zu beachten ist, daß die thermischen Eigen¬ schaften, insbesondere die thermische Diffusivität und thermische Effusivität (die sich wiederum auf unterschied- liehe Art aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Wärmekapazität zusammensetzen) , abhängig von den mikroskopischen Eigen¬ schaften des Materials, wie z. B. den Spannungszuständen, ist. Die Amplitude enthält Informationen zum Absorptions¬ koeffizienten und den thermischen Kennwerten des untersuch¬ ten Körpers. Sie ist von den optischen, thermischen und geometrischen Eigenschaften der Probenoberfläche abhängig. Die Phasenbeziehung zwischen Anregung und thermischem Ant¬ wortsignal beinhaltet Informationen über das Ausbreitungs¬ verhalten der thermischen Welle im Festkörper und ist damit beeinflußt durch Materialeigenschaften, die die Diffusion der Wärme beeinflussen, also der thermischen Diffusivität. Da das Ausbreitungsverhalten des Signals im Festkörper auch abhängig von der Modulationsfrequenz der Anregungsquelle ist, lassen sich durch Änderung der Modulationsfrequenz auch Informationen aus unterschiedlichen Tiefen und Umge- bungsentfernungen vom Anregungsort durch das Antwortsignal empfangen.If a solid is subjected to high-energy, intensity-modulated radiation, heat is generated at the location of the radiation absorption and the heating spreads out as a periodically varying temperature in the form of a thermal wave in the solid. The heat expansion and the resulting temperature distribution is physically described by the heat diffusion equation with location-dependent thermal properties (thermal conductivity, density, heat capacity) of the solid. It follows from this equation that the depth of penetration of the damped and highly dispersive thermal wave penetrating into the solid has a strong dependence on the modulation frequency of the exciting radiation. Furthermore, it follows that both the amplitude and the phase of the thermal response signal to the excitation frequency contain information about the material property and its change, whereby it should be noted that the thermal properties, in particular the thermal diffusivity and thermal effusivity (which again in a different way from thermal conductivity, density and heat capacity), depending on the microscopic properties of the material, such as. B. the voltage states. The amplitude contains information on the absorption coefficient and the thermal characteristics of the body being examined. It depends on the optical, thermal and geometric properties of the sample surface. The phase relationship between the excitation and the thermal response signal contains information about the propagation behavior of the thermal wave in the solid and is thus influenced by material properties which influence the diffusion of the heat, that is to say the thermal diffusivity. Since the propagation behavior of the signal in the solid also depends on the modulation frequency of the excitation source, information from different depths and surrounding distances from the excitation location can also be received by the response signal by changing the modulation frequency.
Somit kann über die Frequenzabhängigkeit des Amplitu¬ den- bzw. des Phasensignals auf eine Änderung der thermi- sehen Kennwerte, insbesondere der thermischen Diffusivität, an unterschiedlich entfernt gelegenen Orten geschlossen werden. Da die thermische Diffusivität bzw. die thermischen Kennwerte wiederum abhängig vom mikroskopischen Materialzu¬ stand sind, läßt sich hieraus auch auf den Materialzustand schließen, wobei sich das Tiefenprofil der thermischen Ei¬ genschaften mit dem Verlauf von Spannungszuständen im Mate- rialinnern korrelieren läßt.It can thus be concluded from the frequency dependency of the amplitude or phase signal that the thermal characteristics, in particular the thermal diffusivity, change at different locations. Since the thermal diffusivity or the thermal parameters are in turn dependent on the microscopic state of the material, the material state can also be inferred from this, the depth profile of the thermal properties being correlated with the course of stress states in the interior of the material.
Bei einer punktförmigen Anregung erhält man aufgrund der kugelförmigen Ausbreitung einer Welle frequenzabhängig Antwortsignale aus gleichen Entfernungen, die einer Kugel¬ oberfläche entsprechen, die allerdings in unterschiedlichen Tiefenbereichen des Festkörpers liegen. Dies kann teilweise unerwünscht sein, da man lediglich jeweils ein Antwortsi¬ gnal aus einer bestimmten Tiefe benötigt, insbesondere, da Eigenspannungen ebenfalls häufig tiefenabhängig sind. Hier¬ für ist es vorteilhaft, eine relativ zur Meßfläche des Ant- wortsignals und/oder der Eindringtiefe des Signals in den Festkörper große Anregungsfläche vorzusehen, wobei die Me߬ fläche jeweils ausreichend Abstand zu den Rändern der Anre¬ gungsfläche haben sollte. Hierdurch wird gewährleistet, daß das Antwortsignal nahezu eindimensional ist und Änderungen im Signal ausschließlich tiefenabhängig sind. Es wird also auch die Diffusionsgleichung am Meßort eindimensional und es läßt sich mit mathematischen Modellen die hier nur noch tiefenabhängigen thermischen Kennwerte aus dem Frequenzver¬ lauf der thermischen Signale (Amplitude und Phase) rekon- struieren.In the case of a punctiform excitation, response-dependent frequency signals are obtained from the same distances due to the spherical propagation of a wave, which correspond to a spherical surface, but which lie in different depth ranges of the solid. This can be partial be undesirable since only one response signal from a certain depth is required in each case, in particular since residual stresses are also often depth-dependent. For this purpose, it is advantageous to provide a large excitation surface relative to the measurement surface of the response signal and / or the depth of penetration of the signal into the solid body, the measurement surface being in each case sufficiently spaced from the edges of the excitation surface. This ensures that the response signal is almost one-dimensional and changes in the signal are only depth-dependent. The diffusion equation at the measurement site also becomes one-dimensional and mathematical models can be used to reconstruct the only depth-dependent thermal parameters from the frequency profile of the thermal signals (amplitude and phase).
Das oben beschriebene Prinzip findet in dem Verfahren zur Erkennung von Spannungszuständen in einem Energie ab¬ sorbierenden Festkörper seinen Niederschlag wie folgt:The principle described above is reflected in the method for detecting stress states in an energy-absorbing solid as follows:
Die Oberfläche eines Festkörpers wird auf einer Anre¬ gungsfläche A mit einer intensitätsmodulierten, energiefüh¬ renden Strahlung mit einer Modulationsfrequenz f angeregt, wobei jegliche Strahlung Anwendung finden kann. Bevorzugt wird hierbei ein intensitätsmodulierter Laser im sichtbaren bis ultravioletten Bereich genutzt, jedoch kann auch ein¬ faches Licht, energiereiche Röntgen-, - oder sonstige elektromagnetische Strahlung, hochenergetische Elektronen¬ strahlung oder auch sonstige Teilchenstrahlung genutzt wer- den. Gleichzeitig wird die Energieantwort des Festkörpers bezüglich Intensität und/oder Phasenverschiebung zur Modu¬ lationsfrequenz gemessen, wobei hier vorzugsweise die Wär¬ meantwort (gemäß dem Planck1sehen St ahlungsgesetz) mit Hilfe eines Infrarot empfindlichen Detektors gemessen wird. Andere Detektionsverfahren, wie photothermische Strahlab¬ lenkung, Interferometrie, Thermoreflexion, Strahlablenkkung in Reflexion, können ebenfalls eingesetzt werden, wenn die geometrischen Bedingungen am Meßort dies zulassen. Diese Messung wird für eine Vielzahl von unterschiedlichen Modu¬ lationsfrequenzen fx am selben Meßort durchgeführt und ein Vergleich des Intensitäts- und/oder Phasenverlaufs zwischen einem Standardfestkörper gleichen Materials oder einem an- deren Ort des Probenkörpers und dem zu untersuchenden Pro¬ benkörper über die Frequenzen fx durchgeführt. Vorzugsweise besteht dieser Vergleich in einer einfachen Subtraktion (Phasensignal) oder Quotientenbildung (Amplitudensignal) der Werte korrespondierenden Anregungsfrequenz, wodurch man eine sogenannte Kontrastkurve erhält. Aufgrund des Kurven¬ verlaufes der Vergleichs- bzw. der Kontrastkurve läßt sich nun auf eine Änderung der thermischen Eigenschaften bis zu einer durch die Modulationsfrequenz vorbestimmten Tiefe und damit auf das Vorhandensein eines Spannungszustandes des Probenkörpers am zu untersuchenden Ort schließen.The surface of a solid is excited on an excitation surface A with an intensity-modulated, energy-carrying radiation with a modulation frequency f, whereby any radiation can be used. An intensity-modulated laser in the visible to ultraviolet range is preferably used here, but simple light, high-energy X-ray radiation or other electromagnetic radiation, high-energy electron radiation or other particle radiation can also be used. At the same time, the energy response of the solid body with respect to intensity and / or phase shift to the modulation frequency is measured, the heat response (according to the Planck 1 see steel law) preferably being included here An infrared sensitive detector is measured. Other detection methods, such as photothermal beam deflection, interferometry, thermal reflection, beam deflection in reflection, can also be used if the geometric conditions at the measuring location allow this. This measurement is carried out for a multiplicity of different modulation frequencies f x at the same measuring location and a comparison of the intensity and / or phase profile between a standard solid of the same material or another location of the specimen and the specimen to be examined is made via the frequencies f x performed. This comparison preferably consists in a simple subtraction (phase signal) or quotient formation (amplitude signal) of the values of the corresponding excitation frequency, as a result of which a so-called contrast curve is obtained. On the basis of the curve of the comparison curve or the contrast curve, a change in the thermal properties up to a depth predetermined by the modulation frequency and thus the presence of a tension state of the sample body at the location to be examined can be concluded.
Vorteilhaft ist es bei diesem Untersuchungsverfahren, wenn die Energieantwort auf einer Meßfläche m gemessen wird, die um so viel kleiner als A ist, daß die Meßfläche m so innerhalb der Anregungsfläche A liegt, daß (nichtlinea¬ re) Einflüsse aus den Randbereichen vernachlässigbar sind.It is advantageous in this examination method if the energy response is measured on a measuring surface m which is so much smaller than A that the measuring surface m lies within the excitation surface A in such a way that (nonlinear) influences from the edge regions are negligible.
Ebenfalls ist es möglich, die Energieantwort mit Hilfe des bekannten Mirage-Effektes (photothermische Strahlablen- kung) zu messen, also die Wärmeantwort des benachbarten Mediums, z. B. der Luft, durch die Veränderung ihres Bre¬ chungsindex und einer damit verbundenen Abweichung eines parallel zur Festkörperoberfläche transversierenden Laser- Strahls. Hierfür ist es allerdings notwendig, daß eine ebene Oberfläche vorhanden ist. Erfindungsgemäß kann es auch vorteilhaft sein, die Energieantwort gleichzeitig nach beiden Verfahren zu messen.It is also possible to measure the energy response using the known Mirage effect (photothermal beam deflection), ie the heat response of the neighboring medium, e.g. B. the air, by changing its refractive index and an associated deviation of one parallel to the solid-state surface of the laser beam. To do this, it is necessary to have a flat surface. According to the invention, it can also be advantageous to measure the energy response simultaneously using both methods.
Erfindungsgemäß wird festgestellt, daß die frequenz¬ abhängigen Amplituden- und Phasenkontrastfunktionen sich bei vorliegenden Zug- oder Druckspannungen in charakteri- stischer Weise unterscheiden, so daß das Verhältnis bei verschiedenen Modulationsfrequenzen ausreicht, Zug- und Druckspannungen eindeutig zu unterscheiden. Die Größe ist mit der Höhe von Zug- oder Druckspannungen zu korrelieren. Es wird daher betont, daß für jedes Basismaterial eine Ka- librierung durchzuführen ist, da die Korrelation von Zug- und Druckspannungen mit den Änderungen der thermischen Pa¬ rameter materialspezifisch ist.According to the invention, it is found that the frequency-dependent amplitude and phase contrast functions differ characteristically in the case of existing tensile or compressive stresses, so that the ratio at different modulation frequencies is sufficient to clearly distinguish tensile and compressive stresses. The size is to be correlated with the level of tensile or compressive stress. It is therefore emphasized that a calibration must be carried out for each base material, since the correlation of tensile and compressive stresses with the changes in the thermal parameters is material-specific.
Gemäß dem oben dargestellten Verfahren benötigt man erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Erkennung von Span- nungszuständen, insbesondere Eigenspannungen (Druckspannung oder Zugspannung) in einem Energie absorbierenden Festkör¬ per die folgenden Einheiten: eine Quelle zur Aussendung einer intensitätsmodulier- ten, energieführenden Anregungsstrahlung mit einerAccording to the method described above, according to the invention, a device for detecting stress states, in particular residual stresses (compressive stress or tensile stress) in an energy-absorbing solid, requires the following units: a source for emitting an intensity-modulated, energy-carrying excitation radiation with a
Modulationsfrequenz f, die eine Anregungsfläche A auf dem Festkörper bestrahlt; eine Meßvorrichtung zur Registrierung der Energieant¬ wort des Festkörpers (Detektor) bezüglich Intensität und/oder Phasenverschiebung zur Modulationsfrequenz auf einer Meßfläche m auf dem Festkörper; eine elektronische Einheit (bei periodischer Anregung: Lock-in-Verstärker) , die aus Modulator- und Detektor¬ signal Amplitude und Phase ermittelt; ein elektronisches System, das einen Vergleich des Intensitäts- und/oder Phasenverlaufs zwischen einemModulation frequency f, which irradiates an excitation surface A on the solid; a measuring device for registering the energy response of the solid (detector) with respect to intensity and / or phase shift to the modulation frequency on a measuring surface m on the solid; an electronic unit (with periodic excitation: lock-in amplifier), which determines the amplitude and phase from the modulator and detector signals; an electronic system that compares the intensity and / or phase curve between one
Standardfestkörper gleichen Materials oder einem ande¬ ren Ort des Probenfestkörpers und dem zu untersuchen¬ den Probenfestkörper über die Frequenzen f_. vornimmt.Standard solids of the same material or at a different location of the sample solid and the sample to be examined via the frequencies f_. makes.
Erfindungsgemäß kann die Vorrichtung weiterhin so aus¬ gestaltet werden, daß die Meßfläche m um so viel kleiner als A ist, daß m innerhalb A liegt, so daß Einflüsse aus den Randbereichen vernachlässigbar sind.According to the invention, the device can also be designed in such a way that the measuring area m is so much smaller than A that m lies within A, so that influences from the edge areas are negligible.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zu¬ sätzlich oder ausschließlich zur Registrierung der Wärme¬ antwort des Festkörpers mit einer Meßeinrichtung zur Regi¬ strierung des Mirage-Effektes ausgerüstet sein.Furthermore, the device according to the invention can additionally or exclusively be equipped with a measuring device for registering the mirage effect for registering the heat response of the solid.
Auch ist es vorteilhaft, als Quelle der energieführen den Strahlung einen Laser vorzusehen, jedoch kann auch eine sonstige Strahlungsquelle genutzt werden, sobald sie genü¬ gend Energie führt, wobei die Nutzung hochenergetischer Elektronen vorteilhaft sein kann, da hierdurch die Ein- dringtiefe gesteigert werden kann.It is also advantageous to provide a laser as the source of the energy-carrying radiation, but another radiation source can also be used as soon as it carries sufficient energy, the use of high-energy electrons being advantageous since this can increase the penetration depth .
Vorteilhaft kann die Meßvorrichtung weiterhin zur Mes¬ sung der Energieantwort des Festkörpers mit einem Infrarot¬ detektor ausgestattet sein.The measuring device can advantageously also be equipped with an infrared detector for measuring the energy response of the solid.
Weiterhin vorteilhaft ist es, die Vorrichtung mit ei¬ nem elektronischen System auszustatten, das geeignet ist: zwischen den beiden Meßorten bzw. Probenkörpern je¬ weils den Kontrastverlauf über die Frequenz (Differenz der Meßwerte in Abhängigkeit von der Frequenz) zu er¬ rechnen und/oder - den Spannungszustand des Probenkörpers am zu untersu¬ chenden Ort aufgrund der Kontraständerung und/oder des Kontrastverlaufes über die Frequenz fx zu detektieren und/oder auf den Spannungsverlauf aus dem frequenzabhängigen Antwortverhalten des Probekörpers zurückzuschließen und/oder mit Hilfe des frequenzabhängigen Kontrastverlaufes über ein iteratives Verfahren die tiefenabhängige thermische Diffusivität at (mit t = Abstand von der Oberfläche des Festkörpers) bzw. die thermischen Kenn¬ werte tiefenaufgelöst zu rekonstruieren und über deren Änderung eine Änderung des Spannungszustandes des un¬ tersuchten Festkörpers zu erkennen.It is also advantageous to equip the device with an electronic system which is suitable: between the two measuring locations or specimens to calculate the contrast curve over the frequency (difference of the measured values depending on the frequency) and / or - the state of tension of the specimen at the location to be examined due to the change in contrast and / or To detect the contrast curve over the frequency f x and / or to draw conclusions about the voltage curve from the frequency-dependent response behavior of the test specimen and / or with the aid of the frequency-dependent contrast curve via an iterative process the depth-dependent thermal diffusivity a t (with t = distance from the surface of the solid) or to reconstruct the thermal parameters in a depth-resolved manner and to recognize a change in the state of tension of the investigated solid by changing them.
Letztgenannte Meßvorrichtungen können erfindungsgemäß auch dazu eingesetzt werden, in einem Produktionsablauf eine automatische Fertigungskontrolle durchzuführen oder auch aufgrund von mehreren Vergleichsmessungen über einen längeren Zeitraum den Verschleißzustand eines Werkzeugs zu detektieren und einen optimierten Austauschzeitpunkt des Werkzeugs zu bestimmen.The last-mentioned measuring devices can also be used according to the invention to carry out an automatic production control in a production process or to detect the wear condition of a tool over a longer period of time on the basis of several comparative measurements and to determine an optimized replacement time of the tool.
Ebenso ist es mit diesem Verfahren auch möglich, die Oberfläche eines Festkörpers abzufahren und auf diese Weise zum Beispiel ein oder mehrere flächige Bilder darzustellen, auf denen der Verlauf der thermischen Kennwerte in unter¬ schiedlichen Tiefen dargestellt wird, wobei zusätzlich die Größe und Richtung des Gradienten farblich oder durch Grau¬ werte angegeben werden kann.It is also possible with this method to sweep the surface of a solid and in this way, for example, to display one or more flat images on which the course of the thermal parameters is shown at different depths, the The size and direction of the gradient can be specified in color or by gray values.
Die Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben, wobei im einzelnen folgendes dargestellt ist:The invention is described in more detail with reference to the following figures, the following being shown in detail:
Fig. 1 Grundprinzip der Meßanordnung;Fig. 1 basic principle of the measuring arrangement;
Fig. 2 verschiedene Variationen von erfindungsgemä- bis 4 ßen Meßeinrichtungen.Fig. 2 different variations of 4 to 4 measuring devices according to the invention.
Fig. 1 zeigt das Prinzip der Meßanordnung. Eine rela¬ tiv große Anregungsfläche A wird mit einer intensitätsmodu- lierten Strahlung (hier als Chopper dargestellt) mit einer Modulationsfrequenz f beaufschlagt. Die Strahlung trifft auf die Oberfläche und erzeugt entsprechend ihrer Modula¬ tionsfrequenz thermische Wellen, deren Wellenfronten ver¬ einfacht als gestrichelte Linien dargestellt sind. Gleich- zeitig strahlt der Festkörper korrespondierend zu den ther¬ mischen Wellen Antwortsignale ab, die über der Meßfläche m in Form von austretender Infrarotstrahlung auf einen Ant¬ wortdetektor über ein optisches Element (in Figur 1 als Linse dargestellt, aber auch Spiegel möglich) , abgebildet werden, der durch eine Linse auf die Fläche m fokusiert ist, gemessen werden. Wie in der Fig. 1 dargestellt und oben näher beschrieben, erhält man durch geeignete Auswahl der Abmessungen von A und m im Bereich der Meßfläche m ei¬ nen Bereich, in dem sich die Wellenfronten linear ausbrei- ten, so daß ein eindimensionales, nur tiefenabhängiges Ant¬ wortsignal detektiert werden kann, welches mit Hilfe der Diffusionsgleichung zu interpretieren ist. Fig. 2 zeigt eine mögliche Anordnung einer Meßvorrich¬ tung. Es ist als Strahlungsquelle ein Laser dargestellt, dessen Licht über einen Chopper moduliert wird, wobei die Information über die jeweilige Modulationsfrequenz über die Informationsleitung II an ein elektronisches System über¬ mittelt wird. Entsprechend der Darstellung aus Fig. 1 wird gleichzeitig über einen Antwortdetektor das Antwortsignal gemessen und über die Informationsleitung 12 ebenfalls di¬ rekt an das elektronische System weitergeleitet. Beispiels- weise besteht der Antwortdetektor aus einem infrarotemp¬ findlichen Empfänger. Das vorgeschaltete, abbildende opti¬ sche Element (in Fig. 2 als Linse gekennzeichnet), kann aus einer IR-transparenten Linse, aus einer Kombination von Linsen, aus Spiegel, aus einer Kombination von Spiegeln oder aus einer Kombination von Linsen und Spiegeln beste¬ hen.Fig. 1 shows the principle of the measuring arrangement. A relatively large excitation area A is subjected to an intensity-modulated radiation (shown here as a chopper) with a modulation frequency f. The radiation strikes the surface and generates thermal waves according to their modulation frequency, the wave fronts of which are shown in simplified form as dashed lines. At the same time, the solid body emits response signals corresponding to the thermal waves, which are imaged over the measuring surface m in the form of emerging infrared radiation onto an answer detector via an optical element (shown in FIG. 1 as a lens, but also possible as a mirror) which is focused on the surface m by a lens. As shown in FIG. 1 and described in more detail above, a suitable selection of the dimensions of A and m in the area of the measuring surface gives me an area in which the wavefronts spread linearly, so that a one-dimensional, only depth-dependent Response signal can be detected, which is to be interpreted using the diffusion equation. 2 shows a possible arrangement of a measuring device. A laser is shown as the radiation source, the light of which is modulated by a chopper, the information about the respective modulation frequency being transmitted to an electronic system via the information line II. According to the representation from FIG. 1, the response signal is measured simultaneously via a response detector and also passed directly to the electronic system via the information line 12. For example, the response detector consists of an infrared-sensitive receiver. The upstream imaging optical element (identified as a lens in FIG. 2) can consist of an IR-transparent lens, a combination of lenses, a mirror, a combination of mirrors or a combination of lenses and mirrors hen.
Eine alternative Ausführung hierzu die Fig. 3, in der anstelle einer Erfassung von IR-Strahlung die Wirkung der thermischen Wellen auf das umgebende Medium über die Ablen¬ kung eines Laserstrahles aufgrund der temperaturbedingten Änderung des Brechungsindex gemessen wird. Es wird sich hierbei also der bekannte Mirage-Effekt zunutze gemacht. Weitere (hier nicht dargestellt) alternative Detektionsver- fahren sind Thermoreflexion, Strahlablenkung in Reflexion, photothermische Interferometrie.An alternative embodiment of this is shown in FIG. 3, in which, instead of detecting IR radiation, the effect of the thermal waves on the surrounding medium is measured by deflecting a laser beam due to the temperature-related change in the refractive index. The well-known Mirage effect is used here. Other (not shown here) alternative detection methods are thermal reflection, beam deflection in reflection, photothermal interferometry.
Fig. 4 schließlich zeigt eine Kombination der beiden Prinzipien aus Fig. 2 und 3, wobei auch hier die Meßsignale jeweils über die Informationsleitungen II - 13 an die Elek¬ tronikeinheit und anschließend zur Speicherung und Dokumen¬ tation an das elektronische System zur Auswertung weiterge¬ leitet werden. Das elektronische System selbst verfügt auch über entsprechende Speichereinheiten, um z. B. die zuvor gemessenen Meßwerte von Standardproben mit den Ergebnissen des zu beurteilenden Festkörpers bzw. mit Meßwerten von anderen Stellen des gleichen Körpers entsprechend dem oben angegebenen Verfahren zu vergleichen und auszuwerten.4 finally shows a combination of the two principles from FIGS. 2 and 3, the measurement signals here also being forwarded via the information lines II - 13 to the electronic unit and then to the electronic system for evaluation for storage and documentation be directed. The electronic system itself also features via appropriate storage units, e.g. B. to compare and evaluate the previously measured measured values of standard samples with the results of the solid to be assessed or with measured values from other places on the same body according to the above-mentioned method.
Nach der Auswertung werden die Ergebnisse an eine An¬ zeige oder einen Drucker übergeben. After the evaluation, the results are transferred to a display or a printer.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Erkennung von Spannungszuständen, insbesondere Eigenspannungen, in einem Energie absorbieren¬ den Festkörper mit folgenden Verfahrensschritten: gleichmäßige Beaufschlagung der Oberfläche des Fest¬ körpers auf einer Anregungsfläche A mit einer intensi- tätsmodulierten, energieführenden Strahlung mit einer Modulationsfrequenz f;1. A method for the detection of stress states, in particular residual stresses, in an energy-absorbing solid body with the following method steps: uniform application of the intensity of the solid body on an excitation surface A with an intensity-modulated, energy-carrying radiation with a modulation frequency f;
Messung der Energieantwort des Festkörpers bezüglich Intensität und/oder Phasenverschiebung zur Modula¬ tionsfrequenz; Durchführung der oben genannten Messung für eine Viel- zahl von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f am selben Meßort;Measurement of the energy response of the solid with respect to intensity and / or phase shift to the modulation frequency; Carrying out the above-mentioned measurement for a large number of different modulation frequencies f at the same measurement location;
Vergleich des Intensitäts- und/oder Phasenverlaufs zwischen einem Standardfestkörper gleichen Materials oder einem anderen Ort des Festkörpers und dem zu un- tersuchenden Festkörper über die Frequenzen f2.Comparison of the intensity and / or phase curve between a standard solid of the same material or another location of the solid and the solid to be examined via the frequencies f 2 .
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch g e e n n ¬ z e i c h n e t , daß die Energieantwort auf einer Me߬ fläche m gemessen wird, wobei m um so viel kleiner als A ist und m innerhalb A liegt, daß Einflüsse aus den Randbe¬ reichen vernachlässigbar sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the energy response is measured on a measuring surface m, m being so much smaller than A and m being within A that influences from the marginal regions are negligible.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Messung der Energieantwort die vom Festkörper ausgesendete Wärmestrah¬ lung mittels eines Infrarotdetektors gemessen oder durch andere Detektionsverfahren, wie: Thermoreflexion, photo- thermische Strahlablenkung und photothermische Interfero¬ metrie, Strahlablenkung in Reflexion, erfaßt wird.3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that for measuring the energy response, the heat radiation emitted by the solid is measured by means of an infrared detector or by other detection methods such as: thermal reflection, photo- thermal beam deflection and photothermal interferometry, beam deflection in reflection, is detected.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch g e k e n n - z e i c h n e t , daß die Energieantwort sowohl gemäß An¬ spruch 2 als auch gemäß Anspruch 3 gemessen wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the energy response is measured both according to claim 2 and according to claim 3.
5. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als energie- führende Strahlung ein Laserstrahl verwendet wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a laser beam is used as the energy-carrying radiation.
6. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Energie¬ antwort mit Hilfe des Mirage-Effektes gemessen wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the energy response is measured with the aid of the Mirage effect.
7. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Vergleich gemäß Hauptanspruch zwischen den beiden Meßorten bzw. Fest¬ körpern jeweils der Kontrastverlauf über die Frequenz (Quo- tientenbildung bei Amplitudensignalen, Differenz der Pha¬ senwerte in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz) ge¬ bildet wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as a comparison according to the main claim between the two measuring sites or Fest¬ bodies, the contrast curve over the frequency (formation of quotients for amplitude signals, difference in Pha¬ sen values depending on the modulation frequency) is formed.
8. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Span¬ nungszustand des Festkörpers am zu untersuchenden Ort auf¬ grund der Kontraständerung und/oder des Kontrastverlaufes über die Frequenz fi detektiert wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a voltage state of the solid at the location to be examined is detected owing to the change in contrast and / or the contrast curve via the frequency fi.
9. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Span¬ nungszustand des Festkörpers am zu untersuchenden Ort de¬ tektiert wird. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a voltage state of the solid at the location to be examined is detected.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß mit Hilfe des frequenzab¬ hängigen Kontrastverlaufes über ein iteratives Verfahren eine tiefenabhängige, thermische Diffusivität bzw. die tie¬ fenabhängigen Kennwerte aus dem frequenzabhängigen Kon¬ trastverlauf rekonstruiert werden und über deren Änderung auf den Tiefenverlauf des Spannungszustandes des untersuch¬ ten Festkörpers geschlossen wird.10. The method according to claim 8, characterized in that ¬ indicates that with the aid of the frequency-dependent contrast curve, an iterative process is used to reconstruct a depth-dependent, thermal diffusivity or the depth-dependent characteristic values from the frequency-dependent contrast curve and change them to the Depth profile of the stress state of the examined solid is closed.
11. Vorrichtung zur Erkennung von Spannungszuständen, insbesondere Eigenspannung, Druckspannung oder Zugspannung, in einem Energie absorbierenden Festkörpers mit folgenden Merkmalen: - es ist eine Quelle zur Aussendung einer intensitäts- modulierten, energieführenden Anregungsstrahlung mit einer Modulationsfrequenz f vorgesehen, die eine An¬ regungsfläche A auf dem Festkörper bestrahlt; es ist eine Meßvorrichtung zur Registrierung der Ener- gieantwort des Festkörpers bezüglich Intensität und/ oder Phasenverschiebung zur Modulationsfrequenz auf einer Meßfläche m auf dem Festkörper vorgesehen; es ist eine Vorrichtung zum Durchfahren einer Vielzahl von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f± der An- regungsstrahlung vorgesehen; es ist ein elektronisches System vorgesehen, das einen Vergleich des Intensitäts- und/oder Phasenverlaufs zwischen einem Standardfestkörper gleichen Materials oder einem anderen Ort des Festkörpers und dem zu un- tersuchenden Festkörper über die Frequenzen f± vor¬ nimmt.11. Device for detecting stress states, in particular residual stress, compressive stress or tensile stress, in an energy-absorbing solid body with the following features: a source is provided for emitting an intensity-modulated, energy-carrying excitation radiation with a modulation frequency f, which has an excitation surface A irradiated on the solid; a measuring device is provided for registering the energy response of the solid body with respect to intensity and / or phase shift to the modulation frequency on a measuring surface m on the solid body; a device is provided for driving through a large number of different modulation frequencies f ± of the excitation radiation; an electronic system is provided which compares the intensity and / or phase profile between a standard solid of the same material or another location of the solid and the solid to be examined via the frequencies f ± .
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Meßfläche m um so viel kleiner als A ist und m innerhalb A liegt, daß Einflüsse aus den Randbereichen vernachlässigbar sind. 12. The device according to claim 11, characterized ge - indicates that the measuring area m is so much smaller than A and m lies within A that influences from the edge areas are negligible.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrich¬ tung zur Registrierung des IR-Signals mittels Detektor ge¬ eignet ist.13. Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that the device is suitable for registering the IR signal by means of a detector.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Vorrichtung zusätzlich auch zur Registrierung des Mirage-Effektes geeignet ist.14. The device according to claim 12, characterized in that the device is also suitable for registering the Mirage effect.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprü¬ che 11 bis 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß als Quelle der energieführenden Strahlung ein Laser vorge¬ sehen ist.15. Device according to one of the preceding claims 11 to 14, characterized in that a laser is provided as the source of the energy-carrying radiation.
16. Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprü¬ che 11 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Messung der Energieantwort des Festkörpers ein Infra¬ rotdetektor vorgesehen ist.16. Device according to one of the preceding claims 11 to 15, characterized in that an infrared detector is provided for measuring the energy response of the solid.
17. Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprü¬ che 11 bis 16, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein elektronisches System vorgesehen ist, das geeignet ist, zwischen den beiden Meßorten bzw. Festkörpern jeweils den Kontrastverlauf über die Frequenz (Phasen- bzw. Ampli- tudenkontrast) zu errechnen.17. Device according to one of the preceding claims 11 to 16, characterized in that an electronic system is provided which is suitable for comparing the contrast curve over the frequency (phase or amplitude contrast) between the two measuring locations or solid bodies. to calculate.
18. Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprü¬ che 11 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein elektronisches System vorgesehen ist, das geeignet ist, den Spannungszustand des Festkörpers am zu untersu¬ chenden Ort aufgrund der Kontraständerung und/oder des Kon¬ trastverlaufes über die Frequenz f zu detektieren. 18. Device according to one of the preceding claims 11 to 17, characterized in that an electronic system is provided which is suitable for determining the voltage state of the solid body at the location to be examined due to the change in contrast and / or the contrast curve over the Detect frequency f.
19. Vorrichtung gemäß einem der vorgehenden Ansprü¬ che 11 bis 18, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein elektronisches System vorgesehen ist, das geeignet ist, den Spannungszustand des Festkörpers am zu untersu- chenden Ort aufgrund einer Rekonstruktion der Diffusivität über das frequenzabhängige Antwortverhalten des Festkörpers zu detektieren.19. Device according to one of the preceding claims 11 to 18, characterized in that an electronic system is provided which is suitable for the voltage state of the solid body at the location to be examined due to a reconstruction of the diffusivity via the frequency-dependent response behavior of the solid body detect.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch g e - k e n n z e i c h n e t , daß das elektronische System auch geeignet ist, mit Hilfe des frequenzabhängigen Kon¬ trastverlaufes über ein iteratives Verfahren eine tiefen¬ abhängige, thermische Diffusitität zu rekonstruieren und über deren Änderung den Tiefenverlauf des Spannungszustan- des des untersuchten Festkörpers zu erkennen. 20. The device according to claim 18, characterized in that the electronic system is also suitable for reconstructing a depth-dependent, thermal diffusivity with the aid of the frequency-dependent contrast curve using an iterative method and changing the depth curve of the voltage state via its change of the examined solid.
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