DE3029776A1

DE3029776A1 - Verfahren zum beruehrungslosen empfang von ultraschallwellen

Info

Publication number: DE3029776A1
Application number: DE19803029776
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 5000 Köln Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co; Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1982-02-18
Also published as: US4388832A; JPS5750656A; DE3029776C2; JPS6319822B2

Description

Krautkrämer GmbH 18. JuLi 198o

Luxemburger Str. 449 P/bdl

5ooo Köln 41 K-146

VERFAHREN ZUM BERÜHRUNGSLOSEN EMPFANG VON ULTRASCHALU-JELLEN.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Empfang von ultraschallwellen, die auf die Oberfläche eines Prüfstückes auftreffen, indem die im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächengebiete des Prüfstückes mit Laserlicht beleuchtet und das durch die Oberflächenschwankungen modulierte Meßlicht mit Hilfe eines Laufzeitinterferometers demoduliert wird.

Wird in einem zu prüfenden Prüfstück eine Ultraschallwelle erzeugt, dann ist ihre Ausbreitung im Prüfstück an den Stellen gestört, die andere akustische Eigenschaften besitzen als die Umgebung. Solche Stellen können z.B. Fremdeinschlüsse, Materialtrennungen, Gefügeänderungen usw. sein. An der Oberfläche des zu prüfenden Prüfstückes wird in jedem Falle ein Ultra— Schallwellenrelief vorhanden sein, das Informationen aus dem Inneren des Prüfstückes enthält. Es ist bekannt, dieses Ultraschallwellenrelief beispielsweise mit Hilfe von elektroakustischen Wandler abzutasten, in elektrische Signalspannungen umzuwandeln und aus dem zeitlichen Verlauf dieser Spannungen oder nur aus ihrer Amplitude einen Befund über das Prüfstück zu bilden. Zur Abtastung des Ultraschallwellenreliefs sind auch berührungslos arbeitende optische Verfahren bekannt, die optische Interferometeranordnungen verwenden (vgl. das Buch "Werkstoffprüfung mit Ultraschall" von J.H. Krautkrämer, 3. Auflage, 1975, erschienen im Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, auf den Seiten 162—17o, insbesondere auf den Seiten 168-17o). Hierbei wird die Oberfläche des PrüfStückes_von der die Schallwellen empfangen werden sollen, mit einfarbigem Licht, z.B. aus einem Laser (oftmals ein frequenzstabilisierter Einmodenlaser), beleuchtet. Das an der

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Oberfläche des Prüfstückes reflektierte bzw. gestreute Laserlicht ist durch den Dopplereffekt infolge der ültraschallschwingungen der Prüfstückoberfläche frequenzmoduliert. In Interferometeranordnungen xiird diese Frequenzmodulation in HelÜgkeitsschwankungen (Amplitudenmodulation) umgewandelt und in Fotodetektoren in elektrische Signalspannungen umgesetzt, die z.B. auf einem Kathodenstrahloszilloskop angezeigt und zur Befundbildung herangezogen werden.

In einer derartigen Interferometeranordnung wird allgemein der eintretende Lichtstrahl aufgespalten, über 2 verschiedene Wege durch das Interferometer geführt und wieder vereinigt. Wird das Licht auf dem einen optischen Weg um eine Zeit verzögert, die ungefähr der halben Schwingungsdauer der Ultraschallwelle entspricht, kann man nach Wiedervereinigung der beiden Lichtstrahlen erreichen, daß in dem Gesichtsfeld des Interferometers Dunkelheit, maximale Helligkeit oder eine mittlere Heiligkeit vorhanden ist. Ist das in das Interferometer eintretende Licht nun mit der Frequenz der Ultraschallwelle moduliert, so wird die Helligkeit im Gesichtsfeld des Interferometers mit dieser Frequenz schwanken. Hier angeordnete Fotodetektoren geben also eine elektrische Signalspannung ab, in deren zeitlichen Verlauf diese Helligkeitssclxwankungen enthalten sind.

Nachteilig ist bei den erwähnten bekannten Verfahren, daß Frequenz- und Amplitudenschwankungen des das Prüfstück beleuchtenden Laserlichtes zu entsprechenden Helligkeitsschwankungen im Gesichtsfeld des Interferometers führen, die die von den Ultraschallwellen verursachten HelligkeitsSchwankungen überlagern.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem eine Verfälschung der Meßergebnisse durch Frequenz- und Amplitudenschwankungen des das Prüfstück beleuchtenden Laserlichtes möglichst vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Es zeigt:

Fig.1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig.2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ.

In Fig.1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, dessen Lichtstrahl 2 auf einen teildurchlässigen Spiegel 3 trifft.Der durchgelassene Lichtanteil 4 (gestrichelte Linie)beleuchtet die Oberfläche 5 des Prüfstückes 6. Das an der Oberfläche gestreute und reflektierte Licht 7 gelangt in ein Laufzeitinterferometer 8, das im dargestellten Beispiel als Michelsoninterferonieter ausgeführt ist. Das sich am Ausgang des Interferometers ergebende helligkeitsmodulierte Licht 17 wird von einem Fotodetektor 9 empfangen. Die sich am Ausgang dieses Detektors ergebenden elektrischen Signalwerte werden dann in einem Verstärker 1o verstärkt und einer Differenzschaltung 11 zugeführt.

Der an dem Spiegel 3 reflektierte Lichtanteil 12 gelangt über einen Umlenkspiegel 13 ebenfalls in das Interferometer 8 und das entsprechende helligkeitsmodulierte Licht 18 in einen Fotodetektor 14. Der entsprechende elektrische Signalwert wird wiederum über einen Verstärker 15 sowie einer elektrischen Verzögerungsleitung 16 der Differenzschaltung 11 zugeführt. Wie in Fig.1 dargestellt, durchlaufen die Lichtstrahlen 12 und 7 im Interferometer 8 parallel zueinander dieselben Wege. Beide Lichtstrahlen sind also örtlich voneinander getrennt.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung beruht im wesentlichen auf dem Gedanken, die elektrischen Signalwerte I , die man am Ausgang des Verstärkers 1o erhält, dadurch von den unerwünschten, auf die Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 zurückzuführenden Schwankungen zu befreien, indem man ein entsprechendes Signal I ' bildet und dieses von I abzieht. I' darf allerdings nur von den Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 und nicht

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auch von den Schwankungen der Oberfläche 5 des Prüfstückes ö abhängen. Daher wird der entsprechende als Vergleichsstrahl verwendete Lichtstrahl 12 aus dem Laserstrahl 2 bereits bevor der Laserstrahl auf die Oberfläche 5 trifft mit Hilfe des Spiegels 3 ausgekoppelt. Aus diesen Grund ist der Vergleichslichtstrahl (12, 18) etwas kurzer als der Meßlichtstrahl (4, 7, 17) Die Signale am Ausgang der Verstärker 1o und 15 I. und I besitzen daher unterschiedliche Phasen hinsichtlich der durch die Frequenz- und Amplituden— Schwankungen verursachten Signalschwankungen. Diese Phasenunterschiede von I und I₀ werden mit Hilfe der Verzögerungsleitung 16 kompensiert. Das elektrische Signal I' am Ausgang der Verzögerungsleitung 16 hat also die gleiche Phase wie das Signal I . Das sich am Ausgang des Differenzgliedes ergebende Signal I- = I. - I„ weist dann praktisch keine Schwankungen mehr auf j die auf die Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 zurückzuführen sind.

Dadurch, daß der Verglaichslichtstrahl (12, 18) auch durch das Interferometer 8 geführt wird, ergeben sich zwei Vorteile: Einerseits sind die optischen Wege von Vergleichslicht und Meßlicht nicht allzu verschieden, so daß mit Hilfe der Verzögerungsleitung 16 nur ein Feinabgleich vorgenommen werden braucht. Andererseits, und dieses ist der wichtigere Grund, wird es erst durch diese Maßnahme möglich, auch FrequenzSchwankungen des Laserlichtes 2 elektrisch zu kompensieren. Denn das Interferometer wandelt diese Frequenzschwankungen in entsprechende Helligkeics- d.h. in Amplituden-Schwankungen um, die dann von den Fotodetektoren in entsprechende Signalschwankungen umgewandelt werden. Und es sind häufig gerade diese von Frequenzschwankungen des Laserlichts 2 stammenden Amplitudenschwankungen des Meßiichtes 17, die kompensiert werden sollen.

Das beschriebene Verfahren hat sich besonders bei Verwendung von Interferometern vom Mach-Zehnder-Typ bewährt, weil in diesem Fall der Meß- und der Vergleichsstrahl nicht Örtlich getrennt voneinander im Interferometer geführt werden müssen, was erhebliche Justierprobleme mit sich bringt. Vielmehr können beide Lichtstrahlen die gleichen optischen Wege durchlaufen, sofern die Richtungen der Lichtstrahlen entgegengesetzt sind. Dieses ist in Fig.2 dargestellt. Dabei sind für die auch in Fig.1 gezeigten Vorrichtungs— teile die gleichen Bezugszeichen gewählt worden.

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Der Meßstrahl 7 (in Fig.2 mit einer offenen Pfeilspitze versehen) teilt sich am Interferometerspiegel 21 in einen Lichstrahl 22 und einen Lichtstrahl 23. Nach Reflexion des Lichtstrahles 23 an den Spiegeln 24 und 25 werden die beiden Lichtstrahlen am Ort des teildurchiässigen Spiegels 26 zur Überlagerung gebracht. Die entsprechenden Helligkeitsschwankungen werden dann von dem Fotodetektor 9 in entsprechende elektrische Signalschwankungen umgewandelt.

Der Vergleichsstrahl 12 (in Fig.2 mit einer geschlossenen Pfeilspitze versehen) wird durch den Spiegel 26 in einen Lichtstrahl 27 und einen Lichtstrahl 28 geteilt, die die gleichen optischen Wege wie die Lichtstrahlen 23 und 22, aber in entgegengesetzter Richtung, durchlaufen.

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Leerseite

Claims

Krautkrämer GmbH 18. Juli 198ü Luxemburger Scr. 449 P/bdl 5ooo Köln 41 K-146 Patentansprüche

1. Verfahren zum berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen, die auf die Oberfläche eines Prüfstückes auftreffen, indem die im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächengebieta des Prüfstückes mit Laserlicht beleuchtet und das durch die Oberflächenschwankungen modulierte Meßlicht mit Hilfe eines Lauf zeitinterferometc-rs demüduliert wird, gekennzeichnet durch die Merkmale

- aus dem das Prüfstück (6) beleuchtenden Laserlicht (2) wird ein Teil als Vergleichslicht (12, 18) ausgeblendet;

- das Vergleichslicht (12, 18) wird ohne daß es vorher auf die Oberfläche (5) des Prüf Stückes (6) fällt₍in das Interferometer (8-, 2o) eingeblendet, wobei

- Vergleichs-02, 18) und Meßlicht (4,7,17) dieselben Wege im Interferometer

(8", 2o) durchlaufen;

- die sich am Ausgang des Interferometers (8; 2o) ergebenden und auf das Vergleichs licht (12, 18) zurückzuführenden HellLgkeitsschwankungen werden mit Hilfe eines Fotodetektors (14) in entsprechende elektrische Signalwerte₍I„,umgewandelt;

- diese elektrischen Signalwerte ,I„,werden nach Durchlaufen einer Verzögerungsleitung (16) in einer Differenzschaltung (11) von den dem Meßlicht (4, 7, 17) entsprechenden elektrischen Signalwerten I abgezogen;

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- wobei die Länge der Verzögerungsleitung (16) so gewählt wird, daß sich am Ausgang der Differenzschaltung (11) ein elektrisches Signalj ergibL, das keine Signalschwankung mehr enthält, die von Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichts (2) hervorgerufen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Interferometer (2o) ein Mach-Zehnder-Interferometer verwendet wird, und daß das Vergleichslicht (12, 18) und das Meßlicht (4, 7, 17) derart in das Interferometer (2o) eingekoppelt werden, daß sie dieselben optischen Wege aber in entgegengesetzter Richtung durchlaufen (Fig.2).

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