DE19639213A1 - Shearing-Speckle pattern interferometry for oscillating object - Google Patents
Shearing-Speckle pattern interferometry for oscillating objectInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung schwingender Objekte mittels der Shearing-Speckle-Interferometrie.The invention relates to methods and devices for the examination of vibrating Objects using shearing speckle interferometry.
Bisher bekannt gewordene Verfahren und Vorrichtungen dieser Art (DE 44 14 287 A1, DE 44 46 887 A1) befassen sich nahezu ausschließlich mit der Untersuchung von stationär angeordneten Objekten. Dazu wird zunächst ein sog. Nullshearogramm bei unbelastetem Objekt erzeugt, mit einem optoelektronischen Bildaufnehmer, insbesondere auf CCD- Basis, aufgenommen und dann in einem Speicher, z. B. einem Frame-Grabber, gespei chert. Anschließend wird das Objekt belastet, und es wird dann ein zweites, sog. Bela stungsshearogramm aufgenommen und ebenfalls abgespeichert. Durch Subtraktion oder Addition beider Shearogramme kann das Ergebnis pixelweise auf einem Bildschirm dargestellt werden. Ist zusätzlich eine rechnerische Auswertung erwünscht, werden die Shearogramme zusätzlich bei mehreren, genau definierten Phasenverschiebungen von z. B. 0°, +120° und -120° aufgenommen, wobei die Phasenschiebung z. B. mittels einer Vorrichtung nach Art eines Michelson-Interferometers erfolgt.Methods and devices of this type which have become known to date (DE 44 14 287 A1, DE 44 46 887 A1) deal almost exclusively with the examination of stationary arranged objects. For this purpose, a so-called zero shea program is first carried out when there is no load Object generated with an optoelectronic image sensor, especially on CCD Base, recorded and then in a memory, e.g. B. a frame grabber chert. The object is then loaded, and then it becomes a second, so-called Bela Stungshearogramm recorded and also saved. By subtraction or Adding both shea programs can result in pixel by pixel on one screen being represented. If a mathematical evaluation is also required, the Shearograms additionally with several, precisely defined phase shifts of e.g. B. 0 °, + 120 ° and -120 ° added, the phase shift z. B. by means of a Device like a Michelson interferometer.
Daneben ist es bereits bekannt (DE 44 46 887 A1), zu Schwingungen angeregte Objekte während des Schwingungsvorgangs zu untersuchen, indem z. B. Verschlüsse einer Abbildungsoptik so gesteuert werden, daß ihre halbe, einfache oder doppelte Frequenz mit der Anregungsfrequenz des schwingenden Objekts übereinstimmt, wozu die Verschlüsse z. B. als akusto- oder elektrooptische Modulatoren ausgebildet werden. Dadurch ist es im Prinzip möglich, reine in-plane und out-of-plane Dehnungen in Echtzeit sichtbar zu machen.In addition, it is already known (DE 44 46 887 A1), objects excited to vibrate to investigate during the vibration process by z. B. closures one Imaging optics are controlled so that their half, single or double frequency with the excitation frequency of the vibrating object coincides with the closures e.g. B. as acoustic or electro-optical modulators. This makes it in Principle possible to see pure in-plane and out-of-plane strains in real time do.
Bei der Untersuchung schwingender Objekte ergeben sich allerdings erhebliche Probleme. Diese bestehen einerseits darin, daß die bisher übliche Differenzbildung aus einem früher abgespeicherten, nicht belasteten Zustand des Objekts und einem durch die Schwingung sich zufällig ergebenden, belasteten Zustand des Objekts zu sehr unscharfen Echtzeit- Bildern führt. Dies ist vor allem eine Folge davon, daß jede CCD-Zelle während der üblichen Videotakte von 25 msec Dauer in unterschiedlicher Weise belichtet wird, so daß eine Vielzahl von überlagerten Bildelementen entsteht, die insgesamt zu einem Mischbild mit geringem Kontrast führen. Außerdem ergibt sich der wesentliche Nachteil, daß während der Schwingungen keine definierten Phasenschiebungen möglich und daher die üblicherweise angewendeten Auswerteverfahren nicht durchführbar sind. Eine rechnerische Ermittlung der Dehnungen ist daher bisher nicht möglich.When examining vibrating objects, however, there are considerable problems. On the one hand, these consist in the fact that the previously usual difference formation from an earlier one stored, unloaded state of the object and one due to the vibration resulting randomly loaded state of the object to very fuzzy real-time Leads pictures. This is mainly due to the fact that every CCD cell during the usual video clocks of 25 msec duration is exposed in different ways, so that a large number of superimposed picture elements are created, which together form a mixed picture with low contrast. There is also the major disadvantage that no defined phase shifts possible during the vibrations and therefore the evaluation methods usually used cannot be carried out. An arithmetic So far, it has not been possible to determine the strains.
Vor diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die eingangs erläuterten Verfahren und Vorrichtungen dahingehend zu verbessern, daß einerseits Echtzeit-Betrachtungen mit gutem Kontrast vorgenommen und andererseits die von den schwingenden Objekten erhaltenen Shearogramme rechnerisch ausgewertet werden können.In view of this prior art, the invention is based on the object described at the outset to improve methods and devices explained in that one hand Real-time observations made with good contrast and on the other hand those of the Shearograms obtained from vibrating objects can be evaluated mathematically can.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Ansprüche 1, 4 und 6.The features of claims 1, 4 and 6 serve to achieve this object.
Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous features emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in conjunction with the accompanying drawing Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Durchführung der digitalen Shearografie; Figure 1 shows a known device for performing digital shearography.
Fig. 2 in einem Schaubild die Änderungen der konventionellen Echtzeit-Streifenfunktion [1 - Jo (Ω)] gegen Ω, mit Ω=δ × ;2 shows in a diagram the variations of the conventional real-time strip function [1 - J o (Ω)] against Ω, with Ω = δ ×.
Fig. 3 in einem Schaubild die Änderungen der Echtzeit-Streifenfunktion bei Anwendung der Erfindung mit erneuertem Referenz-Bild Jo (Ω) gegen Ω mit Ω=δ × ; FIG. 3 is a graph × the changes in the real-time function in strip application of the invention with renewed reference picture J o (Ω) against Ω with Ω = δ;
Fig. 4 Echtzeit-Darstellungen von digitalen Zeitmittelungs-Shearogrammen für eine umlaufend eingespannte rechteckige Stahlplatte mit vier auf der Rückseite angebrachten Aussparungen bei Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen, wobei (a) die Form und die Lage der vier Aussparungen zeigt und (b) bis (f) die digitalen Zeitmittelungs-Shearo gramme entsprechend den Schwingungsfrequenzen von 4317 Hz, 4411 Hz, 4486 Hz, 4875 Hz bzw. 4960 Hz zeigen; Fig. 4 real-time representations of digital time averaging shearograms for a circumferentially clamped rectangular steel plate with four recesses on the back when excited with different frequencies, (a) showing the shape and position of the four recesses and (b) to (f ) show the digital time averaging shearograms corresponding to the vibration frequencies of 4317 Hz, 4411 Hz, 4486 Hz, 4875 Hz and 4960 Hz;
Fig. 5 digitale Zeitmittelungs-Shearogramme einer allseitig eingespannten, dünnen, kreisförmigen Aluminiumplatte bei harmonischer Anregung mit den Frequenzen (von links nach rechts) 1270 Hz, 4300 Hz bzw. 4860 Hz; Fig. 5 digital time averaging Shearogramme a mutually clamped, thin, circular aluminum plate at harmonic excitation at the frequencies (left to right) 1270 Hz, 4300 Hz and 4860 Hz;
Fig. 6 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur digitalen Shearografie mit stroboskopischer Beleuchtung unter Benutzung eines akusto-optischen Modulators (AOM) für Schwingungsmessungen; Figure 6 schematically illustrates the structure of an apparatus for digital shearography with stroboscopic illumination using an acousto-optic modulator (AOM) for vibration measurements.
Fig. 7 Phasenverteilungen von Shearogrammen, die die Verformungsgradienten für die dünne kreisförmige Aluminiumplatte nach Fig. 5 bei Anwendung derselben Anregungs methode und derselben Frequenzen (wiederum von links nach rechts) zeigen; Fig. 7 phase distributions of Shearogrammen, which at application of the same excitation method, the deformation gradients for the thin circular aluminum plate of FIG 5 and (again from left to right) show the same frequencies.
Fig. 8 die dynamische Untersuchung einer Turbinenschaufel, wobei (a) die untersuchte Turbinenschaufel, (b) die Phasenverteilung des Shearogramms für den Verformungs gradienten ∂w/∂x und die Frequenz f = 1572 Hz, (c) die entfaltete Phasenverteilung und (d) das 3D-Diagramm des Feldes der Verformungsgradienten zeigt; Fig. 8 shows the dynamic study of a turbine blade, wherein (a) the investigated turbine blade, (b) gradient the phase distribution of Shearogramms for the deformation ∂w / ∂x and the frequency f = 1572 Hz, (c) the unwrapped phase distribution and (d ) shows the 3D diagram of the field of the deformation gradients;
Fig. 9 jeweils Streifenmuster, wobei (a) Verformungsfeld (w), das durch Integration des entfalteten Phasenbildes aus Fig. 8c erhalten wird, und (b) das 3D-Verformungsfeld, d. h. den Schwingungszustand darstellt; 9 shows stripe patterns in each case, with (a) deformation field (w), which is obtained by integrating the unfolded phase image from FIG. 8c, and (b) the 3D deformation field, ie the vibration state;
Fig. 10 in (a) ein Streifenmuster, das das Biegedehungsfeld εxx, das durch Differentiation des Phasenbildes des in Fig. 8b gezeigten Shearogramms erhalten wurde, und in (b) das 3D-Diagramm des Biegedehnungsfeldes; Fig. 10 (a) is a strip pattern that the Biegedehungsfeld ε xx, which was shown Shearogramms 8b by differentiating the phase image of the in Fig obtained, and (b) the 3D diagram of the bending strain field.
Fig. 11 ein Blockschaltbild des Steuergeräts nach Fig. 6; und FIG. 11 shows a block diagram of the control device according to FIG. 6; and
Fig. 12 die Frontplatte eines Gehäuses des Steuergeräts nach Fig. 6. Fig. 12 shows the front panel of a housing of the control device according to Fig. 6.
Schwingungen i.a. und Resonanzen im besonderen sind unerwünschte Erscheinungen in Bauteilen und Strukturen, weil erhöhte Spannungen und Energieverluste sie begleiten; sie sollten deshalb vermieden oder weitgehend reduziert werden.Vibrations in general and resonances in particular are undesirable phenomena in Components and structures because they are accompanied by increased tensions and energy losses; she should therefore be avoided or largely reduced.
Holografie und Speckle Pattern (Muster) Interferometrie (SPI) sind zwei typische experi mentelle Analysemethoden zur vollflächigen und berührungslosen Verformungsmessung. Sie wurden in den letzten Jahren zur Schwingungsanalyse von Bauteilen und Strukturen z. B. als qualitative, flächenoptische Modalanalyse angewendet. Die Grenzen dieser Techniken liegen bei der Empfindlichkeit gegen Starrkörperbewegungen und der starken Streifenzunahme aufgrund der Verformung, die die Interpretation der Streifenmuster erschweren. Der weitere Nachteil der Methoden rührt von dem geringen Meßbereich her, so daß nur kleine Deformationen gemessen werden können.Holography and speckle pattern interferometry (SPI) are two typical experi mental analysis methods for full-area and non-contact deformation measurement. In recent years, they have been used for vibration analysis of components and structures e.g. B. applied as a qualitative, surface-optical modal analysis. The limits of this Techniques include sensitivity to rigid body movements and strong ones Streak increase due to the deformation that the interpretation of the stripe pattern complicate. The further disadvantage of the methods stems from the small measuring range, so that only small deformations can be measured.
Die Lösung des Problems, die unempfindlich gegen Starrkörperverschiebungen ist und einen größeren Meßbereich zuläßt, stellt die Shearografie (auch Speckle Pattern Shearing Interferometry oder SPSI genannt) dar. Anstelle der Verformungsmessung mittels Hologramminterferometrie und SPI mißt die Shearografie direkt die Ableitung der Ganzfeld-Verformung, bedingt durch das sich "selbstkalibrierende" optische System. Mit der Anwendung der Bildverarbeitung, die das Naßentwickeln und die optische Rekon struktion der Shearogramme auf Filmen eliminiert, wird die shearografische Messung in der Industrie und im Labor wirtschaftlicher und schneller.The solution to the problem that is insensitive to rigid body displacement and allows a larger measuring range, shearography (also speckle pattern shearing Interferometry or SPSI called). Instead of the deformation measurement using Hologram interferometry and SPI directly measure the derivative of the shearography Whole-field deformation caused by the "self-calibrating" optical system. With the application of image processing, wet developing and optical recon structure of the shearograms on films is eliminated, the shearographic measurement in in industry and in the laboratory more economical and faster.
In der konventionellen Echtzeit-Beobachtungs-Technik zur Schwingungsmessung bezieht sich das Referenz-Bild bei der Doppelbelichtungsmethode üblicherweise auf den stationä ren Grundzustand; die laufenden Bilder werden vom ursprünglichen Referenzbild in Echtzeit subtrahiert und das Ergebnis kann im Videotakt mit geringerem Streifenkontrast beobachtet werden.In conventional real-time observation technology relates to vibration measurement With the double exposure method, the reference image is usually on the stationary one ren ground state; the running images are in from the original reference image Subtracted in real time and the result can be in video clock with less stripe contrast to be observed.
Digital-Shearografie (DSPSI oder TV-Shearografie) ist eine Weiterentwicklung der fotografischen Shearografie. Zwischen beiden Methoden besteht kein Unterschied in der optischen Theorie, doch ist DSPSI ein rechnerunterstützter Vorgang, der zu einem beschleunigten Prüfablauf führt, weil das Shearogramm in Echtzeit (mit Videotakt) beobachtet werden kann. Fig. 1 zeigt die experimentelle Anordnung der Digital-Shearo grafie. Das Prüfobjekt wird von einem aufgeweiteten Laserstrahl beleuchtet. Das von der Objektoberfläche reflektierte Licht interferiert in der Bildebene der CCD-Shearing- Kamera, vor deren Objektiv sich ein Michelson-Interferometer befindet, so daß seitlich vershearte Bilder des Objekts in der Bildebene der CCD-Kamera dadurch erzeugt werden, indem der Spiegel 1 aus der senkrechten Position um einen kleinen Winkel verdreht wird. Die Lichtstrahlen der beiden Bilder interferieren und bilden ein Interferogramm oder Specklemuster.Digital shearography (DSPSI or TV shearography) is a further development of photographic shearography. There is no difference in the optical theory between the two methods, but DSPSI is a computer-aided process, which leads to an accelerated test sequence because the shea program can be observed in real time (with video clock). Fig. 1 shows the experimental arrangement of the digital shearo graph. The test object is illuminated by an expanded laser beam. The light reflected from the object surface interferes in the image plane of the CCD shearing camera, in front of the lens of which there is a Michelson interferometer, so that laterally overheard images of the object in the image plane of the CCD camera are generated by the mirror 1 being off the vertical position is rotated by a small angle. The light rays of the two images interfere and form an interferogram or speckle pattern.
Zur Schwingungsmessung mit der konventionellen Echtzeit-Subtraktions-Methode zeichnet die CCD-Kamera zuerst die Intensitätsverteilung Ir(x,y) das dem stationären Grundzustand des Objekts entsprechende Specklemuster auf und speichert es im Referenz-Bildspeicher nach Gl. (1):For vibration measurement using the conventional real-time subtraction method, the CCD camera first records the intensity distribution I r (x, y) of the speckle pattern corresponding to the stationary basic state of the object and stores it in the reference image memory according to Eq. (1):
Ir(x,y) = 2 Io {1 + γcos[Φ(x,y)]} (1)I r (x, y) = 2 I o {1 + γcos [Φ (x, y)]} (1)
in der Io die mittlere Intensität zweier vershearter Lichtwellen, γ die Modulation des Interferenzterms und Φ(x,y) der beliebige relative Phasenwinkel zwischen zwei vershearten Bildern ist. Wird das Objekt angeregt, dann ändert sich die Intensitätsverteilung des Specklemusters geringfügig aufgrund der Differenz in der relativen Phasenwinkel- Verteilung nach Gl. (2):in which I o is the mean intensity of two light waves that have been exchanged, γ is the modulation of the interference term and Φ (x, y) is any relative phase angle between two images that have been exchanged. If the object is excited, the intensity distribution of the speckle pattern changes slightly due to the difference in the relative phase angle distribution according to Eq. (2):
I(x,y) = 2 Io {1 + γcos[Φ(x,y) + Δ(x,y,t)]} (2)I (x, y) = 2 I o {1 + γcos [Φ (x, y) + Δ (x, y, t)]} (2)
in der Δ die relative Phasenänderung infolge der Lichtwegdifferenz durch das schwingen de Objekt ist. Die digitale Subtraktion zwischen dem aktuellen und dem Referenz-Bild ergibt ein sichtbares Streifenmuster, ein sog. Digital-Shearogramm. Eine kommerzielle Bildverarbeitungskarte erlaubt, das laufende Bild vom Referenz-Bild in Echtzeit zu subtrahieren und das Digital-Shearogramm auf dem Monitor im Videotakt zu beobachten.in the Δ the relative phase change due to the light path difference due to the oscillation object is. The digital subtraction between the current and the reference image results in a visible stripe pattern, a so-called digital shea program. A commercial one Image processing card allows the running image from the reference image in real time subtract and watch the digital shea program on the monitor in video clock.
Wenn das Objekt in einem stationären Zustand mit einer Frequenz schwingt, die höher ist als es dem Videotakt entspricht, ändert sich das Specklemuster entsprechend und seine Intensität wird vom CCD-Chip der Kamera während der Zeitspanne Tf für die Bildauf nahme integriert. Während das Objekt schwingt, wird das Bild in dem aktuellen Bild speicher als Zeitmittelungs-Korrelogramm aufgezeichnet (Fig. 2).If the object vibrates in a steady state at a frequency that is higher than the video clock, the speckle pattern changes accordingly and its intensity is integrated by the CCD chip of the camera during the time period T f for image recording. While the object is swinging, the image is recorded in the current image memory as a time averaging correlogram ( Fig. 2).
Im Fall der Sinusschwingung kann die Amplitude A(t) gegen die Zeit folgendermaßen geschrieben werden:In the case of the sine wave, the amplitude A (t) versus time can be as follows to be written:
A(t) = A sin ωt = (u ex + v ey + w ez) sin ωt (4)A (t) = A sin ωt = (ue x + ve y + we z ) sin ωt (4)
wobei A bzw. ω der Amplitudenvektor bzw. die Winkelgeschwindigkeit sind; u, v, w stellen die Komponenten des Amplitudenvektors in x, y und z-Richtung und ex, ey und ez die Einheitsvektoren ebenfalls in x, y und z-Richtung dar. Die relative Phasendifferenz Δ(x,y,t) ist mit dem Gradienten der Verformung infolge des Shearing Prinzips der Shearografie verknüpft. Wenn die Shearrichtung in der x-Richtung liegt, ist Δ(x,y,t) folgendermaßen gegeben:where A and ω are the amplitude vector and the angular velocity; u, v, w represent the components of the amplitude vector in the x, y and z direction and e x , e y and e z the unit vectors also in the x, y and z direction. The relative phase difference Δ (x, y, t ) is linked to the gradient of the deformation due to the shearing principle of shearography. If the shear direction is in the x direction, Δ (x, y, t) is given as follows:
Δ(x,y,t) = δx [(ks A/x)] sin ωt
= δx (u/x ks ex + v/x ks ey + w/x ks ez) sin ωt (5)Δ (x, y, t) = δx [(k s A / x)] sin ωt
= δx (u / xk s e x + v / xk s e y + w / xk s e z ) sin ωt (5)
Darin sind δx der Shearbetrag in x-Richtung und ks der Empfindlichkeitsvektor. ks ist die Winkelhalbierende zwischen der Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung und seine Größe |ks| entspricht (4π/λ) cos (Θ/2); Θ ist der Beleuchtungswinkel (Fig. 1). Durch Drehen der Beleuchtung in die Richtung senkrecht zur Objektoberfläche fällt sie mit der z- Richtung zusammen, wodurch ksex = ksey = 0 und ksez = /ks/ = (4πλ (für Θ = 0° und λ = Wellenlänge des Lasers) werden. Damit ist die relative Phasendifferenz Δ(x,y,t) nur noch mit der out-of-plane Verformungsneigung verbunden:Here δx is the shear amount in the x direction and k s is the sensitivity vector. k s is the bisector between the direction of illumination and observation and its size | k s | corresponds to (4π / λ) cos (Θ / 2); Θ is the lighting angle ( Fig. 1). By turning the lighting in the direction perpendicular to the object surface, it coincides with the z direction, whereby k s e x = k s e y = 0 and k s e z = / k s / = (4πλ (for Θ = 0 ° and λ = wavelength of the laser), so that the relative phase difference Δ (x, y, t) is only associated with the out-of-plane tendency to deform:
Damit kann Gl. (3) folgendermaßen geschrieben werden:Eq. (3) are written as follows:
worin Jo die Besselfunktion erster Art nullter Ordnung und Ω = δx (4π/λ) (δw/δx) sind. Bei der konventionellen Echtzeit-Subtraktions-Methode werden die aktuellen Bilder entsprechend I (x,y)ave wiederholt im Videotakt von den im stationären Objektzustand aufgezeichneten Referenzbildern Ir(x,y) subtrahiert und erscheinen in Echtzeit auf dem Bildschirm als Gl. (8) dargestellt:where J o is the Bessel function of the first kind of zero order and Ω = δx (4π / λ) (δw / δx). In the conventional real-time subtraction method, the current images corresponding to I (x, y) ave are repeatedly subtracted in video clock intervals from the reference images I r (x, y) recorded in the stationary object state and appear in real time on the screen as Eq. (8) shown:
Gl. (8) zeigt, daß das Echtzeit-Subtraktions-Streifenmuster eines schwingenden Objekts durch ein Streifensystem mit [1 - Jo (Ω)] moduliert wird (Fig. 2), wobei sich ein schlechter Streifenkontrast einstellt.Eq. (8) shows that the real-time subtraction stripe pattern of a vibrating object is modulated by a stripe system with [1 - J o (Ω)] ( FIG. 2), with poor streak contrast.
Die Echtzeit-Subtraktions-Technik mit wiederholt erneuertem Referenzbild nach der Erfindung zeigt das Streifenmuster eines schwingenden Objekts, das durch ein Streifensy stem mit Jo²(Ω) und nicht mit [1 - Jo(Ω)] wie im vorherigen Fall moduliert wird, wodurch der Streifenkontrast des "Schwingungsshearogramms" sehr viel besser wird. Bei der Messung wird das aktuelle Bild ständig von dem unmittelbar vorhergehenden Bild sofort subtrahiert und nicht von dem Referenzbild des stationären Grundzustands. Die Phasen schiebung wird während der Videosequenz in jedem weiteren Bild vorgenommen, und zwar mittels des elektrisch angetriebenen und vom PC gesteuerten Piezospiegel 2 im Michelson-Interferometer (Fig. 1). Wenn das aktuelle Bild das N-te Bild darstellt, so ist das Referenzbild das (N-1)-te Bild und nicht das erste Bild wie bei der konventionellen Methode. Deshalb wird das Referenz-Bild ständig erneuert.The real-time subtraction technique with repeatedly renewed reference image according to the invention shows the stripe pattern of a vibrating object that is modulated by a stripe system with J o ² (Ω) and not with [1 - J o (Ω)] as in the previous case , which makes the strip contrast of the "vibration show program" much better. During the measurement, the current image is continuously subtracted from the immediately preceding image and not from the reference image of the steady state. The phase shift is carried out during the video sequence in every further image, namely by means of the electrically driven and PC-controlled piezo mirror 2 in the Michelson interferometer ( FIG. 1). If the current image is the Nth image, the reference image is the (N-1 )th image and not the first image as in the conventional method. Therefore the reference picture is constantly renewed.
Wenn das Prüfobjekt in einem stationären Zustand mit einer Frequenz schwingt, die höher ist als der Videotakt, dann ist das aufgezeichnete Bild als (N-1)-tes Bild ein Zeitmitte lungs-Shearogramm während der (N-1)-ten Bildperiode Tf (vgl. Gl. (7)) und wie folgt festgelegt:If the test object vibrates in a steady state at a frequency higher than the video clock, then the recorded image as the (N-1) th image is a time averaging shea program during the (N-1) th image period T f (see Eq. (7)) and determined as follows:
IN-1 (x,y)ave = 2 I₀[1+γcos Φ (x,y) J₀(Ω)] (9)I N-1 (x, y) ave = 2 I₀ [1 + γcos Φ (x, y) J₀ (Ω)] (9)
Nach der Einführung einer 90° Phasenschiebung (wie bei diesem experimentellen Aufbau, aber auch jeder andere Wert ist möglich) wird das N-te Bild aufgezeichnet:After the introduction of a 90 ° phase shift (as with this experimental setup, but any other value is also possible) the Nth image is recorded:
IN (x,y)ave = 2 I₀ {1+γcos[Φ (x,y) + 90°] J₀ (Ω)}
= 2 I₀ [1-γ sin Φ(x,y) J₀ (Ω)] (10)I N (x, y) ave = 2 I₀ {1 + γcos [Φ (x, y) + 90 °] J₀ (Ω)}
= 2 I₀ [1-γ sin Φ (x, y) J₀ (Ω)] (10)
Das aktuelle Bild, z. B. das N-te Bild, wird ständig digital vom vorhergehenden Bild beispielsweise vom (N-1)-ten Bild subtrahiert. Die Quadrierung des digitalen Subtrak tionsergebnisses (oder der Absolutwert der Subtraktion) zeigt sich auf dem Monitor als sichtbares Muster:The current picture, e.g. B. the Nth picture, is constantly digital from the previous picture for example subtracted from the (N-1) th image. Squaring the digital subtrak result (or the absolute value of the subtraction) appears on the monitor as visible pattern:
undand
Is² = 8 I² I₀γ² cos² [Φ(x,y) - 45°] J₀²(Ω) (12)I s ² = 8 I² I₀γ² cos² [Φ (x, y) - 45 °] J₀² (Ω) (12)
Wenn sich die Frequenz der Objektschwingung ändert, verändert sich das Streifenmuster entsprechend und kann in quasi-Echtzeit beobachtet werden. Gl. (12) beschreibt ein erfindungsgemäßes Echtzeit-Subtraktions-Streifenmuster eines schwingenden Objekts, das durch ein Streifensystem Jo²(Ω) moduliert wird, dessen Streifenkontrast exzellent ist. Weiterhin wird die Zeitdifferenz zwischen der Registrierung der aktuellen und Referenz- Bilder stark verkürzt, wodurch niedrigfrequente Störungen infolge von thermischen Luft- und Umgebungsschwingungen unterdrückt werden. Diese Vorteile gegenüber der kon ventionellen Echtzeit-Subtraktions-Technik, bei der das Streifensystem lediglich mit [1-Jo(Ω)] moduliert wird, werden für die qualitative Analyse wie NDT und flächenoptische "Modalanalyse" genutzt.If the frequency of the object vibration changes, the stripe pattern changes accordingly and can be observed in quasi real time. Eq. (12) describes a real-time subtraction stripe pattern of a vibrating object according to the invention, which is modulated by a stripe system J o 2 (Ω), the stripe contrast of which is excellent. Furthermore, the time difference between the registration of the current and reference images is greatly shortened, as a result of which low-frequency interference due to thermal air and ambient vibrations are suppressed. These advantages over conventional real-time subtraction technology, in which the strip system is only modulated with [1-J o (Ω)], are used for qualitative analysis such as NDT and surface-optical "modal analysis".
Als Untersuchung für NDT zeigt sich bei einer schwingenden Platte mit Kerben unter schiedlicher Geometrie, daß beim stetigen Erhöhen der Anregungsfrequenz die Resonanz frequenzen die unterschiedlichen Kerben bei höheren Werten sichtbar werden lassen als die Grundplatte selbst. Die andere Anwendung dieser Technik ist die qualitative "Modal analyse" zum einfachen Auffinden von Resonanzfrequenzen. Das Streifenmuster des zeitgemittelten Digital-Shearogramms zeigt die Ableitung des Amplitudenvektors an jedem Punkt der Objektoberfläche; darin ist für den Streifen mit der größten Helligkeit Ω = 0. Wenn man berücksichtigt, daß Ω = δx (4π(λ)(∂w/∂x) und der Shearabstand δx(4π/λ) ≉ 0 ist, sind die hellsten Streifen die, für die die Ableitung des Amplitudenvek tors (δw/δx) Null ist. Deshalb sind die Stellen, an denen die Verformungsgradienten Null sind, d. h. mit Streifen nullter Interferenzordnung, leicht in einem digitalen Zeitmittelungs- Shearogramm zu detektrieren. Der Streifen nullter Ordnung ist ein wichtiger Parameter für die weitere Analyse und Auswertung von Digital-Shearogrammen.As an investigation for NDT is shown in a vibrating plate with notches below of different geometry that the resonance when the excitation frequency is continuously increased frequencies make the different notches visible at higher values than the base plate itself. The other application of this technique is the qualitative "modal analyze "for easy finding of resonance frequencies. The stripe pattern of the time-averaged digital shearogram shows the derivation of the amplitude vector on each Point of the object surface; in it is for the strip with the greatest brightness Ω = 0. Taking into account that Ω = δx (4π (λ) (∂w / ∂x) and the shear distance δx (4π / λ) ≉ 0, the brightest stripes are those for which the derivative of the amplitude vek tors (δw / δx) is zero. Therefore, the places where the deformation gradients are zero are, d. H. with strips of zero interference order, easily in a digital time averaging Detect shearogram. The zero order stripe is an important parameter for the further analysis and evaluation of digital shearograms.
Die zahlenmäßige Analyse eines Digital-Shearogramms setzt die Kenntnis der Phasenver teilung voraus. Obwohl die Zeitmittelungstechnik das erlaubt, setzt die Phasenschritt- Methode die Anwendung der optischen Phasenmodulation synchronisiert mit der Objekt schwingung in Frequenz und Phase voraus, was die Steuerung und Automatisierung kompliziert. The numerical analysis of a digital shea program sets the knowledge of the phase ver division ahead. Although time averaging technology allows this, the phase step Method the application of optical phase modulation synchronized with the object vibration in frequency and phase ahead, which is the control and automation complicated.
Mit der Phasen-Schiebetechnik von K. Creath kann die Phasenverteilung von Inter ferogrammen gewonnen werden. Jedoch eignet sich diese Technik nur zum Auswerten von Streifenmustern quasistatischer Verformungen, weil sie die Registrierung von drei oder vier Interferogrammen des gleichen Verformungszustands erfordert. Mit der Anwendung der stroboskopischen Beleuchtung unter erfindungsgemäßem Einsatz eines akusto-opti schen Modulators (AOM) kann das Interferogramm in jedem Punkt der Schwingungs periode eingefroren werden, wenn das Objekt mit kurzen Lichtpulsen beleuchtet wird, die mit der Objektschwingung synchronisiert sind (Fig. 6). Mit der Phasen-Schiebe-Technik läßt sich damit die Phasenverteilung des Shearogramms für schwingende Objekte erhalten.With K. Creath's phase shift technology, the phase distribution of interferograms can be obtained. However, this technique is only suitable for evaluating stripe patterns of quasi-static deformations because it requires the registration of three or four interferograms of the same deformation state. With the use of stroboscopic lighting using an acousto-optic modulator (AOM) according to the invention, the interferogram can be frozen at any point in the oscillation period if the object is illuminated with short light pulses which are synchronized with the object oscillation ( FIG. 6). . With the phase shifting technique, the phase distribution of the shearogram for vibrating objects can be obtained.
Die relative Phasenverteilung Φα und Φβ (im Schwingungszustand α und β) kann nur in den Grenzen von 2π bestimmt werden, denn die ermittelte relative Phasendifferenz Δ wird im Bereich 0 bis 2π entfaltet und ergibt als Phasenverteilung ein Modulo-2π-Streifen muster. Die schwarzen Punkte korrespondieren mit Phasenwerten Null und die weißen Punkte mit Phasenwerten 2π. Eine nichtentfaltete Phasenverteilung kann mittels eines Entfaltungs-Algorithmus bestimmt werden, so daß automatische und zahlenmäßige Auswertungen nicht vorgenommen werden können, solange lediglich die nichtentfaltete Phasenverteilung vorliegt.The relative phase distribution Φ α and Φ β (in the vibration state α and β) can only be determined within the limits of 2π, because the determined relative phase difference Δ is developed in the range 0 to 2π and results in a modulo-2π-stripe pattern as phase distribution. The black dots correspond to zero phase values and the white dots correspond to 2π phase values. An undeveloped phase distribution can be determined by means of an unfolding algorithm, so that automatic and numerical evaluations cannot be carried out as long as the undeveloped phase distribution is present.
Fig. 8 zeigt die dynamische Untersuchung einer Turbinen-Schaufel und in Fig. 8a das Prüfobjekt. Die Phasenverteilung des Shearogramms zeigt direkt die Verformungsgradien ten δw/δx bei einer Anregungsfrequenz f = 1572 Hz (Fig. 8b). Fig. 8c zeigt die demodu lierte Phasenverteilung. Fig. 8 shows the dynamic study 8a shows a turbine blade and in Fig., The test object. The phase distribution of the shearogram shows the deformation gradients ten δw / δx at an excitation frequency f = 1572 Hz ( Fig. 8b). FIG. 8c shows the demodu profiled phase distribution.
Da die Phasenverteilung für jeden Pixelpunkt in den demodulierten Phasenwerten des Shearogramms zahlenmäßig bestimmt ist, kann das Verformungsfeld w(x,y,t) als Schwin gungsform durch Integration bestimmt werden. Der Schlüssel hierzu liegt in der exakten Kenntnis der Größe für δw/δx und in der Bestimmung des Interferenzstreifen nullter Ordnung, d. h. für die Stellen δw/δx = 0. I.a. müssen die Randbedingungen des zu analysierenden Objekts zur Integration bekannt sein, aber mittels der Interferenzstreifen nullter Ordnung können diese Stellen einfach mit der Zeitmittelungs-Methode bestimmt werden. Weiterhin kann das Streifenmuster, beinhaltend die Ganzfeld-Biege- und Scher dehnungen als zweite Ableitungen der out-of-plane Verformung in Platten durch Diffe rentiation der entfalteten Phasenverteilung für δw/δx erhalten werden.Since the phase distribution for each pixel point in the demodulated phase values of the Shearograms is numerically determined, the deformation field w (x, y, t) as Schwin be determined by integration. The key to this lies in the exact Knowledge of the size for δw / δx and zero in the determination of the interference fringe Order, d. H. for the digits δw / δx = 0. I.a. have to consider the boundary conditions of the analyzing object for integration, but using the interference fringes These zeros can easily be determined using the time averaging method will. Furthermore, the stripe pattern, including the full-field bending and shearing strains as a second derivative of out-of-plane deformation in plates due to differences The unfolded phase distribution can be obtained for δw / δx.
Zu den beiden praktischen Techniken für die qualitative und quantitative Schwingungs analyse mittels Digital-Shearografie gehört somit die erfindungsgemäße Echtzeit-Sub traktions-Methode mit dem fortlaufend erneuerten Referenz-Bild, so daß die Zeitdifferenz zur Registrierung des laufenden und Referenz-Bildes stark reduziert wird verglichen mit der konventionellen Technik. Dadurch werden nicht nur die Starrkörperverschiebungen - bedingt durch das "self-referencing" optische System der Shearografie -, sondern auch niederfrequente Störungen wie Luft- und Umgebungsschwingungen unterdrückt.About the two practical techniques for qualitative and quantitative vibration The real-time sub according to the invention thus belongs to analysis using digital shearography traction method with the continuously renewed reference picture, so that the time difference to register the current and reference image is greatly reduced compared to conventional technology. This not only eliminates rigid body displacements - due to the "self-referencing" optical system of shearography - but also suppresses low-frequency interference such as air and ambient vibrations.
Durch die Anwendung von Lichtpulsen mit einem akusto-optischen Modulator und unter Einsatz der Phasenschiebe-Technik kann die Phasenverteilung des Shearogramms für ein schwingendes Objekt erhalten werden. Die daraus resultierende relative Phasendifferenz, die die Verformungsableitungen beschreibt, wird zahlenmäßig bestimmt. Obwohl lediglich ein eindimensionales dynamisches Phänomen untersucht wird, können ebene und räumli che dynamische Probleme ebenfalls analysiert werden.By using light pulses with an acousto-optical modulator and under Use of the phase shifting technique allows the phase distribution of the shearogram for one vibrating object can be obtained. The resulting relative phase difference, that describes the deformation derivatives is determined numerically. Although only a one-dimensional dynamic phenomenon is investigated, level and spatial dynamic problems are also analyzed.
Fig. 6 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Digital-Shearografie mit stroboskopischer Beleuchtung unter Einsatz eines durch ein Steuergerät gesteuerten akusto-optischen Modulators (AOM). Die stroboskopische Beleuchtung wird durch Triggerung der Bragg- Zelle erreicht. Die Lichtpulse, die mit der Objektschwingung synchronisiert sind, werden vom Funktionsgenerator zur Schwingungserzeugung abgeleitet und vom Steuergerät weitergeleitet, an dem die Triggerposition und -weite eingestellt wird (Fig. 6 unten). Das Steuergerät stimmt zuerst die Triggerposition zum Generieren der Pulse mit einer festen Phase α in jeder Schwingungsperiode ab. Die Intensitäten, die mit jedem Lichtblitz verbunden sind, werden durch die CCD-Kamera aufsummiert und ergeben ein Shearing- Speckle-Interferogramm. Es ist ersichtlich, daß das Interferogramm für einen bestimmten Deformationszustand eingefroren wird. Deshalb kann es mit der Phasenschiebe-Technik weiterverarbeitet werden, um die Phasenverteilung des Shearogramms für ein schwingen des Objekt zu erhalten, wozu der piezoelektrisch gesteuerte Spiegel 2 im Michelson-Inter feromater (Fig. 6) verwendet wird. Der D/A-Wandler liefert die notwendigen Spannungs schritte für die Phasenschiebung von 0, π/2, π bis 3π/2 durch den Spiegel 2. Damit werden 4 Bilder erhalten, die die relative Phasenverteilung Φα des Interferogramms aus den Intensitätsdaten bestimmen: Fig. 6 shows the principle of digital shearography invention with stroboscopic lighting using a controlled by a control device acousto-optical modulator (AOM). The stroboscopic lighting is achieved by triggering the Bragg cell. The light pulses, which are synchronized with the object vibration, are derived by the function generator for generating the vibration and passed on by the control unit, at which the trigger position and width are set ( FIG. 6 below). The control unit first tunes the trigger position for generating the pulses with a fixed phase α in each oscillation period. The intensities associated with each flash of light are summed up by the CCD camera and result in a shearing speckle interferogram. It can be seen that the interferogram is frozen for a certain state of deformation. Therefore, it can be further processed with the phase shifting technique in order to obtain the phase distribution of the shearogram for an oscillation of the object, for which purpose the piezoelectrically controlled mirror 2 in the Michelson interferator ( FIG. 6) is used. The D / A converter provides the necessary voltage steps for the phase shift from 0, π / 2, π to 3π / 2 through the mirror 2 . This gives 4 images that determine the relative phase distribution Φ α of the interferogram from the intensity data:
Φα = arc tan [(I₄-I₂)/(I₁-I₃)] (13)Φ α = arc tan [(I₄-I₂) / (I₁-I₃)] (13)
Danach stimmt der Synchronisator die weitere Triggerposition ab, um Lichtblitze für eine bestimmte Phase β eines Verformungszustands in jeder Schwingungsperiode zu erzeugen. Weitere 4 Bilder mit Intensitätsdaten werden dadurch aufgenommen, daß die Phase um die gleichen Beträge wie beim ersten Datensatz geschoben wird. Die relative Phasenverteilung Φβ des veränderten Interferogramms wird wie Φα berechnet. Daraus kann die relative Phasendifferenz Δ einfach durch Subtraktion mit Φβ von Φα berechnet werden, und die Phasenverteilung des Shearogramms zeigt die folgende relative PhasenverteilungThe synchronizer then adjusts the further trigger position in order to generate light flashes for a specific phase β of a deformation state in each oscillation period. Another 4 images with intensity data are recorded by shifting the phase by the same amounts as for the first data set. The relative phase distribution Φ β of the changed interferogram is calculated like Φ α . From this, the relative phase difference Δ can be calculated simply by subtracting with Φ β from Φ α , and the phase distribution of the shea program shows the following relative phase distribution
Fig. 7 zeigt die Phasenverteilungen eines Shearogramms für eine schwingende Kreisplatte nach Fig. 5, angeregt mit den gleichen Frequenzen 1270 Hz, 4300 Hz und 4860 Hz (von links nach rechts). Da die relative Phasendifferenz Δ der Shearografie mit den Ver formungsgradienten ∂w/∂x (in x-Shearrichtung) oder ∂w/∂y (in y-Shearrichtung) für senkrechte Beleuchtung und Beobachtung verknüpft ist, beschreibt die Phasenverteilung des Shearogramms Ganzfeld-Informationen der Verformungsgradienten ∂w/∂x oder ∂w/∂y zahlenmäßig. FIG. 7 shows the phase distributions of a shea program for a vibrating circular plate according to FIG. 5, excited with the same frequencies 1270 Hz, 4300 Hz and 4860 Hz (from left to right). Since the relative phase difference Δ of the shearography is linked to the deformation gradients ∂w / ∂x (in the x-shear direction) or ∂w / ∂y (in the y-shear direction) for vertical illumination and observation, the phase distribution of the shearogram describes full-field information the deformation gradients ∂w / ∂x or ∂w / ∂y numerically.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Echtzeit-Betrachtung und der erfindungs gemäßen stroboskopischen Beleuchtung in Verbindung mit der Phasen-Schiebe-Methode ergeben sich aus den Fig. 6 und 11, 12 wie folgt:Further details of the real-time observation according to the invention and the stroboscopic illumination according to the invention in connection with the phase shift method result from FIGS. 6 and 11, 12 as follows:
Die von einem schwingenden oder bewegten Objekt diffus reflektierten Lichtquellen werden nach ihrer Überlagerung als Speckle-Interferogramm gespeichert, das man sich aus der Überlagerung einer Vielzahl von Einzelinterferogramm entstanden denkt, wobei jedes einen augenblicklichen Zustand des bewegten Objekts repräsentiert. Die Superposition aus den Einzelintensitäten resultiert aus der Tatsache, daß die Geschwindigkeit der Objektbe wegung klein im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit ist. In differentiellen Schritten werden somit die Zwischenzustände des Objekts aufgezeichnet.The light sources that are diffusely reflected by a vibrating or moving object are stored after their superposition as a speckle interferogram, which you can choose from the superimposition of a multitude of single interferograms emerged, each represents an instantaneous state of the moving object. The superposition the individual intensities result from the fact that the speed of the object motion is small compared to the speed of light. In differential steps the intermediate states of the object are thus recorded.
Erfindungsgemäß bedeutet die Echtzeit-Differenz-Technik mit ständig erneuertem Referenzbild, daß das Streifenmuster eines schwingenden Objekts, welches durch ein Streifensystem moduliert wird und mit Jo²(Ω) anstelle von [1 - Jo(Ω)] beschrieben wird, worin Jo die Bessel-Funktion erster Art nullter Ordnung und Ω = δx (4π/λ) (∂w/∂x) bedeuten, in Echtzeit beobachtet werden kann. Der Kontrast der Streifen wird sehr viel besser als bei der Echtzeit-Differenz-Methode mit einem festgelegten Referenzbild. Weiterhin ist das Zeitintervall zwischen der Aufnahme der aktuellen und der Referenz- Bilder sehr viel kürzer. Deshalb werden niederfrequente Störungen infolge Wärme schlieren und niederfrequenten Schwingungen weitgehend unterdrückt.According to the invention, the real-time difference technique with a constantly renewed reference image means that the stripe pattern of a vibrating object which is modulated by a stripe system and is described with J o 2 (Ω) instead of [1 - J o (Ω)], in which J o the Bessel function of the first kind of zero order and Ω = δx (4π / λ) (∂w / ∂x) mean can be observed in real time. The contrast of the stripes is much better than with the real-time difference method with a fixed reference image. Furthermore, the time interval between taking the current and the reference images is much shorter. Therefore, low-frequency disturbances due to heat streaks and low-frequency vibrations are largely suppressed.
Mit der Einführung einer stroboskopischen Beleuchtung, die einen akusto-optischen Modulator (AOM) verwendet, kann das Interferogramm, nämlich das Speckle Muster, in jedem Punkt des Schwingungsvorgangs eingefroren werden, indem das Objekt mit kurzen stroboskopischen Lichtblitzen, die mit der Schwingungserregung synchronisiert sind, beleuchtet wird; es kann mit der Phasenschiebetechnik ausgewertet werden, um die Phasenverteilung des Shearogramms für ein schwingendes Objekt zu erhalten.With the introduction of stroboscopic lighting that provides acousto-optical Using the modulator (AOM), the interferogram, namely the speckle pattern, can be used in every point of the vibration process can be frozen by holding the object with short stroboscopic flashes of light that are synchronized with the vibration excitation, is illuminated; it can be evaluated using the phase shifting technique Obtain phase distribution of the shearogram for a vibrating object.
Die relativen Phasenverteilungen Φα (beim Deformationszustand 1) und Φβ (beim Deforma tionszustand 2) können in den Grenzen von 2π bestimmt werden, so daß die berechnete relative Phasendifferenz Δ = Φα - Φβ im Bereich zwischen 0 und 2π liegt und die Phasenverteilung ein modulo-2π-Streifenmuster ist. Die schwarzen Stellen entsprechen den Phasenwerten Null und die weißen Stellen des Phasenwerten 2π. Eine demodulierte Phasenverteilung kann mittels Phasen-Demodulations-Algorithmus bestimmt werden, die Voraussetzung für die automatische und zahlenmäßige Auswertung ist.The relative phase distributions Φ α (in the state of deformation 1) and Φ β (in the state of deformation 2) can be determined within the limits of 2π, so that the calculated relative phase difference Δ = Φ α - Φ β is in the range between 0 and 2π and the Phase distribution is a modulo 2π stripe pattern. The black digits correspond to zero phase values and the white digits correspond to 2π phase values. A demodulated phase distribution can be determined using a phase demodulation algorithm, which is a prerequisite for automatic and numerical evaluation.
Beim Anlegen einer HF-Spannung an den AOM wird dieser für die Laserbeleuchtung aktiviert. In der Vorrichtung nach Fig. 6 erzeugt das Steuergerät aus einer externen Signalquelle (rechnersteuerbarer Funktionsgenerator) das Steuersignal für den piezoelek trischen Schwingungserreger am Untersuchungsobjekt und synchron dazu das in Phasenla ge und Dauer einstellbare Steuersignal zur Öffnung des mit Ultraschall schwingenden Gitters im AOM.When an RF voltage is applied to the AOM, it is activated for the laser lighting. In the device according to FIG. 6, the control unit generates the control signal for the piezoelectric vibration exciter at the object under examination from an external signal source (computer-controlled function generator) and synchronously with the control signal that can be set in phase position and duration for opening the ultrasound-vibrating grating in the AOM.
Der Anschluß einer externen Signalquelle als Ausgangsgröße hat den Vorteil, daß per Hand- oder Rechnereinstellung die Resonanzpunkte des Untersuchungsobjektes durch fahren werden können.The connection of an external signal source as an output variable has the advantage that per Manual or computer adjustment through the resonance points of the examination object can drive.
Als grundlegende Anforderung muß das Steuergerät den Belichtungszeitpunkt immer wieder auf den gleichen Punkt der Erregungskurve steuern, auch wenn sich die Frequenz der Erregung ändert. Es muß also eine phasenstarre Verbindung zwischen dem Erregersig nal des Prüfobjekts und dem Öffnungssignal des AOM hergestellt werden.As a basic requirement, the control unit must always have the exposure time back to the same point on the excitation curve, even if the frequency of arousal changes. So there must be a phase-locked connection between the pathogen sig nal of the test object and the opening signal of the AOM.
Zudem soll der Zeltpunkt der Beleuchtung auf der Erregungskurve in Gradschritten einstellbar sein (0-360°). Die Öffnungsdauer des AOM-Gitters soll ebenfalls in Grad schritten einzustellen sein (1-90°).In addition, the tent point of the lighting on the excitation curve should be in degrees be adjustable (0-360 °). The opening time of the AOM grille should also be in degrees steps must be set (1-90 °).
Zur Erzeugung des Erregersignals werden nach Fig. 11 jeweils 360 Eingangsimpulse (fin) auf einen Binärzähler gezählt. Die parallelen Zählerausgänge dienen dann als Adreßleitun gen für ein Speicher-E-PROM. In dem E-PROM sind digital die Werte einer Sinus- Funktion abgelegt, die durch Hochzählen der Zählerwerte nacheinander ausgelesen werden. Anschließend werden die digitalen Werte über eine D/A-Wandlung und einen Verstärker zur Ansteuerung des Piezo-Verstärkers zur Erregung des Prüfobjekts nach außen geleitet.To generate the excitation signal, 360 input pulses (f in ) are counted onto a binary counter according to FIG. 11. The parallel counter outputs then serve as address lines for a memory E-PROM. The values of a sine function are stored digitally in the E-PROM, which are read out one after the other by counting up the counter values. Then the digital values are sent to the outside via a D / A conversion and an amplifier to control the piezo amplifier to excite the test object.
Während jeder Eingangsimpuls (fin) einen Wert der Erreger-Sinus-Kurve erzeugt, wird gleichzeitig mit dem Wert 00 eine Verzögerung der Schaltung gestartet, die nach einer einstellbaren Anzahl von Eingangsimpulsen (d. h. zu einem bestimmten Wert der Erreger- Sinus-Kurve) über den HF-Modulator den AOM veranlaßt, das Gitter zu öffnen.While each input pulse (f in ) generates a value of the exciter sine curve, a delay in the circuit is started at the same time as the value 00, which after an adjustable number of input pulses (ie to a specific value of the exciter sine curve) the RF modulator causes the AOM to open the grating.
Dies kann zu jedem 1/360. Teil der Sinuskurve (d. h. 1°) eingestellt werden. Nach Ablauf von wiederum einstellbaren 1-90 Eingangsimpulsen (≅ 1-90° der Sinuskurve) wird das schwingende Gitter des AOM wieder in Ruhelage gebracht. Nach 360 Eingangs impulsen (d. h. einer kompletten Sinusperiode) werden alle Zähler und Verzögerungs register gelöscht und der Ablauf wird wiederholt. This can be 1/360 at every. Part of the sine curve (i.e., 1 °). After expiration of again adjustable 1-90 input pulses (≅ 1-90 ° of the sine curve) the vibrating grille of the AOM is brought to rest. After 360 entrance pulses (i.e. a complete sine period) are all counters and delays register is deleted and the process is repeated.
Zur leichteren Bedienung befindet sich am Gerät noch ein Monitorausgang am HF-Teil, der unabhängig das Ausgangstor messen und ggf. darstellen kann. Ein externer Eingang erlaubt die Nutzung des AOMs auch ohne die Funktion des Steuergeräts.For easier operation, there is a monitor output on the HF part of the device, which can independently measure and, if necessary, display the exit gate. An external entrance allows the AOM to be used even without the control unit functioning.
Durch den internen Aufbau muß die Eingangsfrequenz genau 360mal größer sein als die gewünschte Erregerfrequenz. Eine optionale Frequenzanzeige der Erregerfrequenz erlaubt eine leichtere Einstellung der Resonanzpunkte des Prüfkörpers.Due to the internal structure, the input frequency must be exactly 360 times greater than that desired excitation frequency. An optional frequency display of the excitation frequency allows easier adjustment of the resonance points of the test specimen.
Das Steuergerät ist in einem Norm-Elektronik-Gehäuse der Abmessungen 500×140×320 mm³ eingebaut (Fig. 12).The control unit is installed in a standard electronics housing measuring 500 × 140 × 320 mm³ ( Fig. 12).
Intern befinden sich zwei FunktionsplatinenThere are two function boards internally
- - Torgenerierung- gate generation
- - digitaler Sinusgenerator- digital sine wave generator
sowie ein Netzteil und der zugekaufte HF-Modulator für den akusto-optischen Modulator (AOM) im Gehäuse. Optional ist eine Frequenzanzeige der Erregerfrequenz (fout) einge baut und an der Frontplatte ablesbar. Denkbar wäre ebenfalls, einen einstellbaren Rechteckgenerator zur internen Erzeugung der Eingangsimpulse (fin) in das Gehäuse einzubauen.as well as a power supply unit and the purchased RF modulator for the acousto-optical modulator (AOM) in the housing. A frequency display of the excitation frequency (f out ) is optionally installed and can be read on the front panel. It would also be conceivable to install an adjustable rectangular generator for the internal generation of the input pulses (f in ) in the housing.
Auf der Frontplatte befinden sich die Bedienelemente wieThe controls such as are located on the front panel
- - Taster Reset- Reset button
- - Daumenradschalter 3-stellig für Verzögerung 0-360°- 3-digit thumbwheel switch for 0-360 ° deceleration
- - Daumenradschalter 2-stellig für Verzögerung 1-99°- Thumb wheel switch 2-digit for deceleration 1-99 °
- - Drehpotentiometer für die Ausgangsamplitude von fout - Rotary potentiometer for the output amplitude of f out
- - Netzschalter- power switch
sowie die BNC-Anschlußbuchsen fürand the BNC connection sockets for
- - die Eingangsimpulse fin - The input pulses f in
- - die Erregerfrequenz fout - the excitation frequency f out
- - Monitorausgang für das Torsignal (TTL-Pegel)- Monitor output for the gate signal (TTL level)
- - HF-Ausgang zum Anschluß des AOMs- RF output for connecting the AOM
- - Externer Steuereingang für HF-Modulator (0-5 V).- External control input for RF modulator (0-5 V).
Der Netzanschluß befindet sich auf der Rückseite des Gerätes.The mains connection is on the back of the device.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996139213 DE19639213A1 (en) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Shearing-Speckle pattern interferometry for oscillating object |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1996139213 DE19639213A1 (en) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Shearing-Speckle pattern interferometry for oscillating object |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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