DE19502756A1

DE19502756A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Schwingungsanalyse von Bauteilen

Info

Publication number: DE19502756A1
Application number: DE1995102756
Authority: DE
Inventors: Gerd Prof Dr Busse; Michail Dr Lyamshev; Jochen Dipl Phys Stanullo
Original assignee: BUSSE GERD PROF DR RER NAT HAB
Current assignee: BUSSE GERD PROF DR RER NAT HAB
Priority date: 1995-01-30
Filing date: 1995-01-30
Publication date: 1996-08-01

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Charak terisierung von Bauteilen und Prozessen durch berührungslose Anregung von Resonanzschwingungen.

Die zerstörungsfreie Prüfung, die in der Qualitätssicherung eine immer wichti gere Rolle einnimmt, verwendet häufig elastische Wellen zur Detektion und Analyse von Defekten. Besonders populär ist die Ultraschallprüfung, die auf Puls-Echo-Verfahren unter Einsatz piezoelektrischer Elemente beruht. Dabei wird der Ultraschall berührend (z. B. mit Wasser) an das Prüfobjekt gekoppelt. Das bedeutet in der Praxis Einschränkungen und apparativen Aufwand.

Es hat darum nicht an Bemühungen gefehlt, Ultraschallwellen kontaktfrei in das Objekt einzubringen und nachzuweisen. Der Ultraschall wird dabei durch einen Laserpuls angeregt und interferometrisch detektiert, wie z. B. von J.-P. Mont chalin, J.-D. Anssel, P. Bouchard, R. Heon (Rev. Progr. Quant. Nondestr. Eval. 7B (1988) S.1607-1614) sowie V. E. Gusev und A. A. Karabutov (,,Laser Op toacoustics", AIP-Press, New York (1993)) beschrieben. Dieses Rasterverfah ren ist jedoch aufwendig und für die Praxis zu langsam.

Einen anderen Lösungsweg verfolgt die Schwingungsanalyse, die das Eigen frequenzspektrum ohne Objektabrasterung aufnimmt und über den Vergleich mit Referenzspektren bewertet. Diese Methode ist in verschiedenen Varianten weit verbreitet. Das Bauteil wird mechanisch angeregt (z. B. Puls, Schwingung, Rauschen) und die Übertragungsfunktion meistens mit einem Piezoaufnehmer erfaßt. Auch hier ist also mechanischer Kontakt zwischen Prüfobjekt und Prüfmittel erforderlich. Dies hat den Nachteil, daß das Ergebnis durch das Prüfmittel verfälscht werden kann, insbesondere bei Bauteilen geringer Masse. Der Einsatz von Vibrometern, die interferometrisch arbeiten, erlaubt eine be rührungslose Detektion (z. B. D. Stehle, Klanganalyse eines Cembalos - der Laser macht′s, Instrumentenbau, Heft 1/2 (1993)). Aber die Schwingungsanre gung, die berührend erfolgt, verhindert immer noch die Prüfung von Bauteilen, die mechanisch schwer oder gar nicht zugänglich sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die eine vollständig berührungslose Auf nahme von Bauteilresonanzspektren ermöglicht. Dadurch werden auch Objekte untersuchbar, deren Beschaffenheit für eine mechanische Ankopplung unge eignet ist (z. B. zu klein, klebrig, naß, porös, . . . ) oder die unter schwierigen Um gebungsbedingungen geprüft werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach den Kennzeichen des Anspruchs 1 und mindestens einem der Unteransprüche 2-10 gelöst.

Hierbei wird die Schwingung z. B. durch Absorption eines intensitätsmodulierten Laserstrahls angeregt, denn diese bewirkt eine periodische thermische Expan sion. Die so erzeugte Schwingung wird z. B. interferometrisch aufgenommen, wobei durch geeignete Signalanalyse ihre Amplitude und Phase erfaßt werden. Durch Variation der Modulationsfrequenz lassen sich die bauteilspezifischen Resonanzen ("Eigenschwingungen") ermitteln. Für die Bauteilcharakterisierung spielt nicht nur die Lage der Resonanzfrequenzen eine Rolle, sondern auch ihre jeweilige Breite.

Vorrichtung und Verfahren werden im folgenden beispielhaft anhand der Über wachung des Sintervorgangs einer Keramikprobe dargestellt:
Bild 1 zeigt den schematische Aufbau mit Laser, Modulator, Bauteil (im Ofen), Vibrometer und Lockin-Verstärker. Letzterer liefert direkt Amplitude und Phase des Vibrometersignals, wobei das Modulatorsignal die Referenz liefert. In Bild 2 sind die Verläufe von Amplitude und Phase in Abhängigkeit von der Modula tionsfequenz dargestellt. Die Änderung der Resonanzfrequenz mit der Sinter temperatur, die bisher nicht in-situ gemessen werden konnte, gibt Bild 3 wie der. Weitere Anwendungen liegen im Bereich der Kleberaushärtung, der Trocknung, der Wasseraufnahme, der Alterungsprozesse und der Erfassung von Schädigungen (z. B. Inspektionen). Diese Charakterisierung erfolgt jeweils im Vergleich mit einem Referenzspektrum, das ein anderes Bauteil oder das selbe Bauteil in einer früheren Phase liefert.

Dementspechend liegt der absehbare Einsatzbereich in der Qualitätssicherung, und zwar einerseits in der Produktion, nämlich der Erfassung von Abweichun gen und der Steuerung entsprechender Herstellungsparameter gemäß Un teranspruch 11, und andererseits in der Lebensdauerüberwachung von Bautei len, indem bei Inspektionen die gebrauchsbedingte Abweichung vom Anfangs spektrum als Aussonderungskriterium angewendet wird.

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Schwingungsanalyse, gekennzeichnet dadurch daß sowohl die Anregung der mechanischen Eigenschwingungen als auch de ren Nachweis berührungslos erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung der mechanischen Eigenschwingungen durch Absorption von gepulsten elektromagnetischen Wellen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung der mechanischen Eigenschwingungen durch Absorption von periodisch modulierten elektromagnetischen Wellen erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die elektromagnetische Welle von einem Laser erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung durch den Einfluß eines gepulsten elektrischen Feldes er folgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung durch den Einfluß eines modulierten elektrischen Feldes erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung durch den Einfluß eines gepulsten magnetischen Feldes erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anregung durch den Einfluß eines modulierten magnetischen Feldes erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2-8, gekennzeichnet dadurch, daß der Nachweis der mechanischen Eigenschwingungen interferometrisch erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2-8, gekennzeichnet dadurch, daß der Nachweis der mechanischen Eigenschwingungen abbildungsoptisch erfolgt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet dadurch, daß die aus dem berührungslos gemessenen Schwingungsspektrum abgeleite te Information zur Steuerung von Produktionsabläufen verwendet wird.