DE3029776C2

DE3029776C2 - Verfahren zum berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE3029776C2
Application number: DE3029776A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. 5000 Köln Kaule
Original assignee: Krautkraemer GmbH and Co
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1983-04-07
Also published as: US4388832A; JPS6319822B2; JPS5750656A; DE3029776A1

Description

- daß ein Teil des Laserlichts vor dem Auftreffen auf das Prüfstück (6) als Vergleichslicht (12, 18) ausgeblendet wird,

- daß das Vergleichs- (12,18) und Meßlicht (4, 7, 17) im Interferometer (8; 20) gleich lange Wege durchlaufen,

— daß sich die am Ausgang des Interferometers (8; 20) ergebenden Helligkeitsschwankungen mit Hilfe eines Fotodetektors (14) in entsprechende elektrische Signalwerte, I2, umgewandelt werden und

— daß diese elektrischen Signalwerte, b, nach Durchlaufen einer die Streckendifferenz des Vergleichslichts und des Meßlichts kompensierenden Verzögerungsleitung (16) in einer Differenzschaltung (11) von den dem Meßlicht (4, 7, 17) entsprechenden elektrischen Signal werten, It, abgezogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Interferometer (20) ein Mach-Zehnder-lnterferometer verwendet wird, und daß das Vergleichslicht (12,18) und das Meßlicht (4,7,17) derart in das Interferometer (20) eingekoppelt werden, daß sie dieselben optischen Wege aber in entgegengesetzter Richtung durchlaufen (Fig. 2).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen eines Prüfstücks, bei dem die im Takt der Ultraschallwelle ausgelcnktcn Oberflächengebiete des Prüfstücks mit Laserlicht beleuchtet und mit Hilfe eines Laufzeitinterferometers die dem Meßlicht aufgeprägten Oberflächenschwankungen demoduliert werden.

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 Prüfstücks wird in jedem Falle ein Ultraschallwellenrelief vorhanden sein, das Informationen aus dem Inneren des Prüfstücks 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, Meidelberg, New York, auf den Seiten 162-170, insbesondere auf den Seiten 168-170, sowie die DE-OS 24 57 253). Hierbei wird die Oberfläche des Prüfstücks von der die Schallwellen empfangen werden sollen, mit einfarbigem Licht, ζ. Β. aus einem Laser (oftmals ein frequenzstabilisierter Einmodenlaser), beleuchtet Das an der Oberfläche des Prüfstücks reflektierte bzw. gestreute Laserlicht ist durch den Dopplereffekt infolge der Ultraschallschwingungen der Prüfstückoberfläche frequenzmoduliert In Interferometeranordnungen wird diese Frequenzmodulation in Helligkeitsschwankungen (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 Helligkeit 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 Helligkeitsschwankungen 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, -to Aus der DE-AS 24 20 732 ist eine Anordnung zur Schwingungsmessung von Körpern mittels eines Interferometers bekannt. Um die auftretenden störenden Speckle-Muster zu kompensieren, wird ein Teil des gestreuten Meßlichts ausgekoppelt und einem Fotodetektor zugeführt. Eine Meßvorrichtung zur Kompensation der Frequenz- und Amplitudenschwankungen der Lichtquelle selbst, enthält diese bekannte Anordnung nicht.

Auch bei der DE-AS 15 48 394, die ein Verfahren zur Messung mechanischer Schwingungen mit Hilfe eines Michelson-Interferometers offenbart, werden Frequenz- und Amplitudenschwankungen der Lichtquelle nicht berücksichtigt.

Die GB-PS 1 35 875 schließlich hat ein holographisches Verfahren zum Gegenstand, bei dem ein an einer Flüssigkeitsoberfläche sich ergebendes Schallfeld eines festen Körpers in ein entsprechendes optisches Interferenzmuster umgewandelt wird. Auch diese Schrift enthält keine Maßnahmen zur Kompensation von Frequenz- und Amplitudenschwankungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt 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 Anspruchs 1 gelöst.

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

F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ.

In F i g. 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 5 gestreute und reflektierte Licht 7 gelangt in ein Laufzeitinterferometer 8, das im dargestellten Beispiel als Michelsoninterferometer ausgeführt ist. Das sich am Ausgang des Imerferometers ergebende helligkeitsmodulierte Licht 17 wird von einem Fotodetektor 9 empfangen. Die sich am Ausgang dieses Detektors ergebenden elektrischen Signalwerte werden dann in einem Verstärker 10 verstärkt und einer Differenzschaltung 11 zugeführt.

Der an dem Spiegel 3 reflektierte Lichtanieil 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 F i g. 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 Ii, die man am Ausgang des Verstärkers 10 erhält, dadurch von den unerwünschten, auf die Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 zurückzuführenden Schwankungen zu befreien, indem man ein entsprechendes Signal Γ2 bildet und dieses von Ii abzieht. I₂' darf allerdings nur von den Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 und nicht auch von den Schwankungen der Oberfläche 5 des Prüfstückes 6 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 diesem Grund ist der Vergleichslichtstrahl (12, 18) etwas kürzer als der Meßlichtstrahl (4, 7, 17). Die Signale am Ausgang der Verstärker 10 und 15 Ii und I2 besitzen daher unterschiedliche Phasen hinsichtlich der durch die Frequenz- und Amplitudenschwankungen verursachten Signalschwankungen. Diese Phasenunterschiede von Ii und I2 werden mit Hilfe der Verzögerungsleitung 16 kompensiert Das elektrische Signal I₂' am Ausgang der Verzögerungsleitung 16 hat also die gleiche Phase wie das Signal I|. Das sich am Ausgang des Differenzgliedes 11 ergebende Signal I₃ = Ii -I₂' weist dann praktisch keine Schwankungen mehr auf, die auf die Frequenz- und Amplitudenschwankungen des Laserlichtes 2 zurückzuführen sind.
Dadurch, daß der Vergleichslichtstrahl (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 Helligkeits- 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 Meßlichtes 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 F i g. 2 dargestellt. Dabei sind für die auch in F i g. 1 gezeigten Vorrichtungsteile die gleichen Bezugszeichen gewählt worden.

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

Der Vergleichsstrahl 12 (in F i g. 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum berührungslosen Empfang von Ultraschallwellen eines Prüfstücks, bei dem die im Takt der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberfiächengebiete des Prüfstücks mit Laserlicht beleuchtet und mit Hilfe eines Laufzeitinterferometers die dem Meßlicht aufgeprägten Oberflächenschwankungen demoduliert werden, dadurch gekennzeichnet,