DE2442040A1

DE2442040A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung von winkelstellungen und zur messung von winkeln oder winkelverschiebungen

Info

Publication number: DE2442040A1
Application number: DE2442040A
Authority: DE
Inventors: Christian Flambard; Alain Lambert; Miguel Sancho Pavon
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1974-03-19
Filing date: 1974-09-03
Publication date: 1975-10-02
Also published as: FR2265064A1; FR2265064B1; JPS50126291A; SE7411571L; IT1021392B; GB1464025A; JPS5427275B2; DE2442040C3; DE2442040B2; US3937067A; CA1008553A; SE408095B

Description

ΠιρΙ.-lnp.

Rudolf Busst'lmeier

nip I.-Ing.

Rolf Churner

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R C Ii 11 π ρ C η S I r :ι Ii e Tl-I 08 2 1/2 S8 Posisi-hcikkiinio München Nr. IS47 8¹I-K(II

Augsburg,.28. August 1974

6730/01/UO/gn

CENTRE TEGiINIQUE DES INDUSTRIES MECANIQUES

52, Avenue Felix-Louat

F-60300 S e η 1 i s Prankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung von Winkelstellungen und zur Messung von Winkeln oder Winkelverschiebungen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Winkelstellungen und zur Messung von Winkeln und Winkelverschiebungen, insbesondere im Rahmen nicht zerstörender Materialprüfung mittels Ultraschall.

Bei der nicht zerstörenden Materialprüfung, mittels Ultraschall verwendet man mechanische Schwingungen hoher Frequenz im Ultraschallbereich mit dem Ziel,

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Informationen über die Eigenschaften und Fehler des untersuchten Materials zu erhalten. Diese Informationen werden aus der Analyse der Transmissions-, Reflexions-, Beugungs-, Difusions- oder Strahlungsphänomene der Ultraschallwellen ermittelt. Zur Beobachtung dieser Phänomene ist es sehr häufig notwendig, die Sonden, die das Ultraschall-Strahlenbündel emittieren und/oder empfangen, bequem orientieren zu'können und die Winkel zu erfassen oder zu messen, welche die Ausbreitungsrichtungen der Ultraschallwellen mit der Oberfläche der untersuchten Materialien bilden.

Bei den herkömmlichen Verfahren werden diese Winkel nach der Orientierung der Sonden bestimmt. Sie werden unabhängig von der Beobachtung des Ultraschallstrahles gemessen. Diese Messungen erfordern sehr präzise, heikel zu bedienende Gerätschaften.

Die vorliegende Erfindung hat gegenüber diesen bekannten Verfahren insbesondere die Aufgabe, eine sehr genaue Winkelmessung zu ermöglichen, die Auswertung der Meßergebnisse zu erleichtern und den entsprechenden Apparat zu vereinfachen, insbesondere für den Fall, in dem die Winkel gesucht und bestimmt werden, die Maxima oder Minima der Ultraschallenergie entsprechen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 13 beschrieben. Die Erfindung besteht im wesent-

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lichen darin, die Länge des Wegs, die von dem Ultraschall durchlaufen wird, meßbar durch die Zeit, welche die Ultraschallwellen zum Durchlaufen des ¥egs brauchen, mit der Winkelstellung des Ultraschall— Strahles zu verknüpfen.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei der nicht zerstörenden Materialprüfung durch Analyse der oben erwähnten Phänomene verwenden. Die erfaßten Winkelstellungen sind also im allgemeinen solche eines Ultraschallstrahls, der auf einecu im wesentlichen feststehenden Punkt des Materials hin -emittiert oder von einem im wesentlichen feststehenden Punkt dieses Materials empfangen wird.

Das Verfahren ist jedoch gleichermaßen vorteilhaft bei der Erfassung oder Messung von Winkeln in jedem anderen Anwendungsgebiet anwendbar. Eine besondere Ausführungsart des Verfahrens besteht darin, den Ultraschallstrahl eine Winkelverschiebung ausführen zu lassen, die einem zu messenden Winkel entspricht, die Variation in der Durchlaufzeit der Ultraschallbahn bei dieser Verschiebung zu messen und daraus den Wert des Winkels mittels einer bestimm-ten Beziehung, welche die Variation der Bahnlänge mit den Winkelverschiebungen des Strahls verknüpft, zu ermitteln.

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In jedem Falle ißt es vorteilhaft, das Verfahren in einem Bereich relativ kleiner Winkelverschiebungen zu benutzen. Dann ist es leichter, eine einfache Beziehung zwischen den Variationen des Bahnwegs und den Winkelverschiebungen aufzustellen, beispielsweise eine annähernd lineare Beziehung.

Im Falle nicht zerstörender Materialprüfung läßt sich das Verfahren insbesondere zur Durchführung von Versuchen verwenden, in denen man ein einfallendes Ultraschall-Strahlenbündel einer Reflexion an einem im wesentlichen feststehenden Punkt der Oberfläche des zu untersuchenden Materials unterwirft und die Variation der Energie des reflektierten Strahls als Punktion des Einfallwinkels beobachtet. Das Verfahren erlaubt also insbesondere die Bestimmung der kritischen WinkelStellungen des einfallenden Strahls, oberhalb derer die longitudinalen oder die transversalen Wellen Totalreflexion erfahren, und der Winkelstellungen, in denen Rayleigh-Wellen erzeugt werden. Die entsprechenden Winkel werden dabei durch charakteristische Maxima und Minima der reflektierten Energie deutlich.

Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise in der Bahn des Ultraschallstrahles mindestens ein bewegliches Element umfassen, das eine Winkelverschiebung des Strahls und/oder eine Veränderung der Bahnlänge ermöglicht. Dieses bewegliche Element kann eine Lmissionssonde und/oder Empfangssonde des Strahls sein oder auch ein Zwischenelement zur Ablenkung des Strahls, beispielsweise ein

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Spiegel, ein Prisma oder die Oberfläche des zu prüfenden Materials selbst.

Die Winkelstellung des Strahls und die Variation der Bahnlänge des Ultraschalls können auch durch zwei verschiedene bewegliche Elemente ermöglicht werden, deren Bewegungen in geeigneter Weise verknüpft sind. Es ist jedoch im allgemeinen vorteilhafter, ein einziges bewegliches Element mit Mitteln auszustatten, die diesem die Ausführung kombinierter Rotations- und Translationsbewegung gestatten und die bestimmte Beziehung zwischen der Winkelversehiebung des Strahlenbündels und der Variation des Strahlenwegs des Ultraschalls sicherstellen. .

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigen

Pig. 1 schematisch eine erste Ausführungsförni, bei der eine einzige Sonde zur Emission und Absorption der Ultraschallstrahlen verwendet wird;

Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungß-

form, bei der zwei verschiedene Sonden zur Emission und zur Absorption des Ultraschalls verwendet werden;

Fig. 3 schematisch eine Vorrichtung mit beweglichem Spiegel;

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Fig. 4 eine Ausführungsvariante der Mittel

zur Verschiebung des beweglichen Spiegels;

Fig. 5 die Variation der Energie eines reflektierten Strahlenbündels als Funktion des Einfallswinkels und damit die Anwendung der Erfindung bei der nicht zerstörenden Materialprüfung;

Fig. 6 im Teilschnitt eine besondere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 einen Teilschnitt gemäß VII-VII durch die Vorrichtung gemäß Fig. 6;

Fig. 8 einen Teilschnitt gemäß VIII-VIII durch die-Vorrichtung von Fig. 6;

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung in teilweisem Längsschnitt;

Fig. 10 die. Vorrichtung von Fig. 9 im Querschnitt X-X von Fig. 9.

Die verschiedenen im folgenden beschriebenen Vorrichtungen ermöglichen gemäß der Erfindung die Beobachtung eines Ultraschall-Strahlenbündels während seiner Winkelverschiebungen, indem eine entsprechende begleitende Variation der Bahnlänge, die von den ültraschallstrahlen zwischen ihrer Emission und ihrem Empfang durchquert wir.d_s bewirkt wird. Diese Va-

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riation der Bahnlänge folgt einer bestimmten Beziehung zu den Winkelverschiebungen des Strahlenbündels, so daß die Winkelstellung des Strahlenbündels durch Messung der Zeit ermittelt werden kann, die ein Ultraschallimpuls zur Durchquerung der Bahn benötigt. Dabei .wird allgemein auf den be-, vorzugten Fall Bezug genommen, injdem daß verwendete Ultraschall-Strahlenbündel in Richtung auf einen festen Punkt an der Oberfläche des Materials ausgesandt wird oder in|dem das Strahlenbündel nach mindestens einmaliger Reflexion an dieser Oberfläche empfangen wird.

Die Ultraschallwellen werden in Form von Impulsen von einer Sonde erzeugt, die im allgemeinen von einem piezoelektrischen keramischen Stoff, der periodischen elektrischen Aufladungen unterworfen wird, gebildet ist. Der Empfang kann durch eine weitere Sonde erfolgen oder durch dieselbe Sonde in den Zeitintervallen, die zwischen den aufeinanderfolgenden Impuls-Emissionen liegen. ^ "

Die schematisch in der Fig. 1 gezeigte Vorrichtung umfaßt also eine einzige Sonde 1, die gleichzeitig als Emitter und Empfänger dient. Die Achse der Sonde wird durch zwei Punkte a und b gebildet, die sich durch die Konstruktion der Vorrichtung auf zwei Kurven A und B bewegen müssen. Diese besitzen folgende Eigenschaften:

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Die Richtung a-b verläuft immer durch einen festen Punkt 0 auf der Oberfläche 2, die im allgemeinen von der Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks gebildet wird;

Die Entfernung 0-a ist eine einfache und bekannte Punktion des Einfallswinkel θ gegen die Oberfläche 2, insbesondere eine lineare Funktion.

Ein sphärischer oder zylindrischerSpiegel, der auf den Punkt 0 zentriert ist, kehrt die von der Oberfläche 2 reflektierten Ultraschallwellen um und leitet sie zurück zur Sonde 1. Die Messung der Zeit, die ein Impuls zur Durchquerung des Wegs zwischen Sonde und Spiegel und zurück benötigt, erlaubt, die Entfernung, die von den Wellen durchquert wird, zu bestimmen und daraus mit hoher Genauigkeit den Winkel θ zu ermitteln, Dabei wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Milieu, das zwischen Sonde 1, Oberfläche 2 und Spiegel 3 durchquert wird, als bekannt angenommen. Im allgemeinen handelt es sich um ein flüssiges Kopplungsmedium, das so gewählt werden kann, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen praktisch nicht auf Temperaturveränderungen anspricht. Die zwischen den Winkelverschiebungen der Sonde 1 bei Drehung um den Punkt 0 und der Variation seiner Entfernung vom Punkt 0, d.h. also der Variation der Bahnlänge, die vom Ultraschall durchquert wird, bestehende Beziehung ist durch die Konstruktion der Vorrichtung vollständig definiert. Die Winkel können durch die Durchlaufzeit, die mit sehr großer Genauigkeit gemessen wird, bestimmt werden. Als Beispiel sei eine Rotation der Sondenachse um 10° angenommen, die von einer Varia-

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tion der Entfernung der Sonde von der Oberfläche 2 um 30 mm begleitet wird. Das akustische Kopplungsmedium sei Wasser. Dann kann die Messung der Durchlaufzeit Variationen in der Entfernung von 0,05 mm, entsprechend einer Winkelverschiebung von einer Minute, erfassen.

Die schemtische in Fig« 2 dargestellte Vorrichtung umfaßt zwei Sonden. Eine Emittersonde 4-ist so angeordnet, daß ihre Achse um den festen Punkt 0 auf der Oberfläche des Werkstückes 5 schwenken kann. Die Empfangssonde 6, deren Achse ebenfalls auf den Punkt 0 zentriert ist, ist so beweglich angeordnet, daß die zwei Punkte a und b, welche" ihre Achse bilden, sich auf den Kurven A und B bewegen müssen, die wie diejenigen Kurven A und B von Fig. 1 definiert sind.

In dem betrachteten Falle wird die Emittersonde unabhängig von der Empfangssonde verschoben. Bei einer bestimmten Lage der Emittersonde wird die Empfangssonde verschoben und die Stellung aufgesucht, in der die Empfangssonde Ultraschallimpulse maximaler Energie empfängt und die dem von der Emittersonde herkommenden an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Strahlenbündel entspricht. Die Messung der Zeit, die ein Ultraschallimpuls zur Durchquerung des Wegs zwischen Emittersonde und Empfangssonde bei Reflexion an dieser Oberfläche benötigt, ermöglicht wie im vorhergehenden Fall die Bestimmung der Bahnlänge, die von den Ultraschallwellen durchquert wird,und daraus der Winkelstellungen der Sonden.

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In Abwandlung dieser Vorrichtung können die zwei Sonden, die Emitter- und die Empfangssonde,einer zueinander symmetrischen Bewegung bezüglich der Oberflächennormale des Werkstücks unterworfen werden.

Wenn die Winkerverschiebung der Sonde von Fig. 1 oder der zwei Sonden von Fig. 2 gering ist, können die Kurven A und B durch geradlinige Bahnen ersetzt werden. Die Vorrichtung kann dann beträchtlich gegenüber derjenigen vereinfacht werden', die bei Einhaltung gekrümmter Bahnen erforderlich ist.

Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Sonde oder können die Sonden, die zur Emission und zum Empfang des Ultraschallstrahlenbündels verwendet werden, feststehend sein. Die einander begleitenden Variationen des Einfallswinkels des Strahlenbündels und der Bahnhlänge der Ultraschallwellen kann dann von einem oder mehreren beweglichen Elementen in der Strahlenbahn bewirkt werden, beispielsweise Elemente, welche den Strahl umkehren oder ablenken.

Dementsprechend umfaßt die Vorrichtung von Fig. eine, feste Sonde 7, die zugleich als Emitter und Empfänger dient. Ein beweglicher Spiegel 8 reflektiert die Ultraschallwellen, die von der Sonde 7 ausgesandt werden, in Richtung auf den festen Punkt der Oberfläche 9. Der feststehende Spiegel 1.0 ist sphärisch oder zylindrisch und auf den Punkt 0 zentriert. Er kehrt das bei 0 auf der Oberfläche 9 re-

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flektierte Strahlenbündel um.

In dem in Fig. 3 dargestellten-Falle ist der bewegliche Spiegel 8 ein einfacher Planspiegel, der einer Rotationsbewegung unterworfen werden kann. Dies ist in der Fig. durch verschiedene Stellungen desselben Spiegels gezeigt. Bei dieser Vorrichtung kann die Drehung des Spiegels eine leichte Verschiebung des auf der Fläche 9 des Werkstücks gesehenen Punktes mit sich bringen. Aber bei relativ kleinen Winkelverschiebungen der Achse des einfallenden Straiilenbündels (größenordnungsmäßig einige Grad) bleibt die Verschiebung des Strahlenbündels auf. der Oberfläche des Werkstücks um den Punkt 0 im wesentlichen weit unterhalb der Wellenlänge der verwendeten Schwingung (beispielsweise in der Größenordnung.-von-" 0,05 mm), Sie ist daher vernachläßigbar/

In dem Falle, in dem das einfallende Strahlenbündel bedeutende Winkelverschiebungen ausführen muß, beispielsweise größenordnungsmäßig 10 oder einige -zig-Grad, kann man ein etwas komplexeres System zur Verschiebung des beweglichen Elementes benutzen, damit der Punkt 0, in dem das Strahlenbündel an der Oberfläche des Werkstücks reflektiert wird, im wesentlichen feststehend bleibt.

Ein solches komplexeres System ist in der Fig. gezeigt. Die Funktion des Spiegels 11 auf das Ultraschallstrahlenbündel ist dieselbe wie diejenige des Spiegels 8 in Fig. 3. Er schwenkt jedoch um eine'

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Drehachse 12 am Ende einer Führungsstange 13. Diese Stange verschiebt die Achse 12 linear in der Achse der Emitter- und Empfangssonde des Ultraschallstrahlenbündels. Der Spiegel 11 trägt zudem eine Rolle 14, die sich auf der Nockenflache 15 bei der Bewegung der Stange 13 verschiebt. Auf diese Weise wird eine Rotation des Spiegels um seine Drehachse 12 bewirkt. Das Profil der Nockenflache 15 ist so bestimmt, daß sich eine geeignete kombinierte Translations- und Rotationsbewegung des Spiegels ergibt.

Was nun auch die Mittel zur Emission und zum Empfang des Ultraschallbundels und die Mittel zur Winke !verschiebung des einfallenden Strahlenbündels sind, die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ganz besonders geeignet zur nicht zerstörenden Materialprüfung durch Beobachtung,der Energievariationen des reflektierten Strahlenbündels als Funktion des Einfallswinkels auf die Oberfläche des Materials. Diese Variationen ermöglichen die Bestimmung der kritischen Einfallswinkel für verschiedene Schwingungsarten, die bei der einfallenden Welle im Material erzeugt werden. Diese Winkel sind diejenigen, bei denen die gebeugten longitudinalen und transversalen Wellen mit der Normalen an der Oberfläche einen Winkel von 90 bilden, und diejenigen, bei denen Rayleigh-Wellen erzeugt werden.

Die Variation der Energie des reflektierten Strahlenbündels wird von der Empfangssonde gemessen. Sie kann auf einem Oszilloskop sichtbar gemacht werden, dessen Zeitskala direkt den Wert des Einfallswinkels θ ausdrücken kann, da ja die Bahnlänge der Ultraschall-

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wellen und damit die Laufzeit eine bekannte Funktion dieses Einfallswinkels■ist.

Fig. 5 zeigt die Variation der Energie E der empfangenen Ultraschallimpulse als Funktion des Einfallswinkels Θ. Sie läßt die Maxima und Minima erkennen, die verschiedenen kritischen Einfallswinkeln entsprechen, so Q^ für die Longitudinalenwe1-len, θφ für die transversalen Wellen und Qj, für die Rayleigh-Wellen.

Aus den Werten dieser drei Winkel und aus der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Kopplungsmedium, das von dem Strahl durchquert wird, nämlich V-j-, läßt sich die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit für jede der drei verschiedenen Ausbreitungsarten der Vie 11 en durch die folgenden Beziehungen ermitteln:

^VI longitudinale Wellen ^Tr

transversale Wellen

	sin
V - I "	V₁

sin

Hayleigh-Wellen

sin θ-η it

Im allgemeinen begnügt man sich jedoch damit, die Winkel θ-^ und θ_β zu messen, da das Maximum, das den

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transversalen Wellen entspricht, nicht deutlich ist. Die entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit kann aus den beiden anderen errechnet werden.

Aus der Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten, die verschiedenen Ausbreitungsarten der Wellen entsprechen, lassen sich mit bekannten Rechenmethoden die mechanischen Gharakteristika des geprüften Materials, insbesondere der Youngsche Modul und der Poisson-Koeffizient,ermitteln.

Zudem kann durch die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen durch ebenfalls bekannte Methoden die Dicke einer Verkleidung oder die Tiefe einer Behandlung, welche die Veränderung von Eigenschaften der Oberflächenschichten eines Materials bewirkt, beispielsweise thermischer Behandlungen und thermo-chemischer Behandlungen zur Härtung, bestimmt werden.

- Nun werden genauer zwei besondere Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, mit denen die Messung dieser kritischer Einfallswinkel an der Oberfläche eines Materials möglich ist.

Bei der in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigten Vorrichtung wird eine Ultraschallsonde 21 in einer Büchse 22 gehaltert, die formschlüssig mit einer Fläche des Gehäuses 41 verbunden ist, welches die Vorrichtung umgibt. Gegen die gegenüberliegende Fläche des Gehäuses liegt ein zylindrisches Teil an, dessen Achse mit der Achse

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der Sonde 21 übereinstimmt und auf dem ein Spiegel unter 45° gegenüber der Achse angebracht ist. Dieser Spiegel ermöglicht die Justierung der Vorrichtung durch Autokollimation. Durch Drehung des zylindrischen Stückes um 90° um seine Achse kann' das von der Sonde 21 emittierte Ultraschall-Strahlenbündel in eine Richtung senkrecht auf die Oberfläche eines zu untersuchenden Werkstücks reflektiert werden, auf den Punkt 31 von Fig. 6, oder in Richtung eines Spiegels 19, der auf einem beweglichen Teil 24 angebracht ist.

im Betrieb ist der Spiegel 23 so angeordnet, daß er das Ultraschall-Strahlenbündel auf den Spiegel lenkt. Dieser leitet das Strahlenbündel auf das zu untersuchende Werkstück, auf den feststehenden Punkt 31 hin, und zwar unter einem Einfallswinkel, der durch Verschiebung des beweglichen Teils 24 variiert werden kann.

Die Variation des Einfallswinkels des Strahlenbündels erhält man durch Rotation des Teils 24 ^um eine fiktive Achse 25 mittels einer Führungsvorrichtung, Diese Führungsvorrichtung umfaßt zwei feststehende Rollen 26, die gegen zwei symmetrische, zylindrische, am beweglichen Teil 24 herausgearbeitete Laufflächen ,anliegen. Eine Gegenrolle 27. hält das Teil 24 gegen die Rollen 26; sie ist auf einer exzentrischen Achse 28 (Fig.7) montiert, die beim Zusammenbau der Vorrichtung einen geeigneten Sitz des Teiles 24 ermöglicht.

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zylindrische
Der/Spiegel 29 ist so angeordnet, daß er das von

der Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks bei 31 reflektierte Ultraschall-Strahlenbündel empfängt. Er ist feststehend und seine Achse ist parallel zur Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks und verläuft durch den Punkt 31 dieser Fläche. Der Spiegel kehrt also das Ultraschall-Strahlenbündel um in Richtung auf die Sonde 21, die zugleich als Emitter und Empfänger dient.

Der bewegliche Spiegel 19 kann mittels eines Motors 30 in Bewegung gesetzt werden. Dieser versetzt eine Spindel 36 in Drehung mittels einer Antriebsrädervorrichtung 35· Die Spindel wird im Gehäuse 4-1 durch zwei Einheiten 37 gehalten, die ein Drehlager 52 und eine Dichtverbindung 53» die in einem Ring angebracht ist, umfassen.

Die Spindel 36 trägt eine mit ihr zusammenwirkende Mutter 38, die von der Drehung der Spindel in eine Translationsbewegung versetzt wird. Das bewegliche Teil 24, welches den Spiegel 19 trägt, folgt der Translationsbewegung der Mutter 38 getreu mittels einer Rolle 32, die auf einem mit dem Teil 24 fest verbundenen Arm 33 verbunden ist. Eine Feder hält die Rolle 32 im Anschlag an der Mutter. Zwei Anschläge 39, die vom Gehäuse 41 getragen werden, begrenzen die Bahn der Mutter 38 und damit diejenige des Teils 24.

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Das Gehäuse der Vorrichtung ist so konstruiert, daß es mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann. Diese dient dazu, die akustische Kopplung zwischen der Sonde und dem zu untersuchenden Werkstück, zu bilden. Die Dichtung wird bewirktί

in der Höhe der Sonde 21 durch einen Dichtring 42, der auf der Sonde durch einen Ring 43 gehalten wird;

am Ort der. GehäuseÖffnung, die über das zu untersuchende WerkstücK. gelegt wird, durch eine feine, elastische Membran 44, die für Ultraschallwellen durchläßig ist und von einem Ring 45 auf einem Ring 46, der die Öffnung umgibt, getragen wird.

Stopfen 47, die auf dem Oberteil des Gehäuses der Vorrichtung angebracht sind, ermöglichen das Anfüllen mit einer Flüssigkeit oder das Evakuieren der Luft. Unter Druck gesetzt wird durch das Eindringen der Sonde 21 in ihre Büchse 22, v&s die Verformung der elastischen Membran 44c ermöglicht. Die Baueinheit der Elemente 44, 45 und 46 kann leicht abmontiert und wieder angebracht werden. Dadurch können austauschbare Baueinheiten, die der Konfiguration der zu untersuchenden Werkstücke angepaßt sind, verwendet werden»

Zur Prüfung einer ebenen Fläche sind also die Ringe 45 und 46 wie in Fig. 6 dargestellt _r so ausgebildet,

daß sie drei Kugeln 55 enthalten, die sich auf genau bearbeiteten Bezugsflächen auf dem Ring 46 abstützen. Diese Kugeln gehen durch den Ring 45 und dienen dazu,

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daß das zu untersuchende Werkstück an der Vorrich-^ tung richtig anliegt.

Im Falle einer zylindrischen Oberfläche kann die austauschbare Baueinheit verwendet werden, die ebenfalls in Fig. 6 dargestellt ist. Diese umfaßt zwei Schneiden 48, deren Kanten sich in einer Ebene befinden, die eine Mantellinie der zylindrischen Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks enthält. Die richtige Positionierung des Zylinders bezüglich der Vorrichtung erhält man mit Hilfe zweier V-Füße, die in zwei im Gehäuse 41 angebrachten Löchern schwenken. Sie befinden sich an Federn 50 und werden in den Löchern durch Schrauben 51 gehalten. Wenn das zu prüfende Werkstück eine krumme Oberfläche aufweist, können die Ringe 45 und 46 so ausgebildet sein, daß sie der Form der zu prüfenden Werkstücke angepaßt sind. Ebenso kann jede andere besondere Positioniervorrichtung verwendet werden.

-Die Arbeitsweise der in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellten Vorrichtung entspricht' der vorhergegebenen Beschreibung. Hinzuzufügen wäre, daß das Befestigungssystem der Sonde 21 die Wahl einer Sonde ermöglicht,, welche die für jeden Fall geeigneten Eigen-Tschaften aufweist, insbesondere die Eigenschaften im Frequenzgang oder in den Abmessungen des Strahlenbündels.

Wie ebenfalls bereits angedeutet, kann die richtige Lage der Vorrichtung bezüglich der Oberfläche des

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Werkstücks mittels des Umkehrspiegels 23 verifiziert werden. Er wird so geschwenkt, daß er das Strahlenbündel auf die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks hin reflektiert. Die zur Sonde zurückreflektierte Energie ist dann maximal, wenn das Werkstück gut ausgerichtet ist.

Zur Ausführung der Messungen wird der Motor 30 mit Gleichstrom betrieben, dessen Polarität umgekehrt werden kann. Die Amplitude der an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Echos wird beispielsweise auf dem Schirm einer Kathodenröhre gemessen.

Diese Messungen können beispielsweise zur Bestimmung der Tiefe thermischer Behandlung in den geprüften Werkstücken verwendet werden. Die Messung wird zunächst an einem nicht behandelten Werkstück ausgeführt, für welches man die Lage des Extremums ermittelt, welches dem kritischen Winkel entspricht, bei dem Rayleigh-Wellen (Oberflächenwellen) ausgelöst werden. Eine von diesem Ursprungspunkt ausgehende Kurve erlaubt bei daraufhin ausgeführten Messungen an behandelten Werkstücken die Bestimmung der kritischen Winkel, die zu ihnen gehören, und daraus die Ermittlung der Tiefe der Behandlung durch direkte Ablesung.

Die in den Fig. 9 und 10 dargestellte Vorrichtung umfaßt einen einzigen Umkehrspiegel, der feststeht. Die Variationen im Einfallswinkel und in der Bahnlänge des Ultraschalls erhält man durch manuelle

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Verschiebung der Ultraschallsonde. Eine Emitter-Empfangssonde 56 wird in einer Büchse 57 gehaltert, die im Inneren des Gehäuses 58 der Vorrichtung beweglich ist. Sie sendet die Wellen gegen die Oberfläche des zu prüfenden Werkstücks hin, zum Punkt 0 aus. Ein zylindrischer Spiegel 59 kehrt das von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Strahlenbündel zur Sonde 56 hin um.

Die Büchse 57 trägt Führungen 60 und 61, die an der Büchse mittels Hollen angebracht sind. Sie gleiten auf zwei Säulen 63, die senkrecht in der Vorrichtung befestigt sind. Eine Führung 61 bildet eine Mutter, die mit einer Spindel 64 zusammenarbeitet;und diese Spindel kann durch einen Handbetätigungsknopf 65» der vom Äußeren des Gehäuses 58 zugänglich ist, in Drehung versetzt werden. Eine Feder 66 liegt gegen den Boden des Gehäuses und gegen die Führung 61 an und beseitigt ein eventuelles Spiel.

Die Büchse 57 trägt zudem eine Rolle 67, die in Berührung mit einer feststehenden Nockenfläche 63 durch die Kraft einer Feder 69 gehalten wird, die an der Führung 60 anliegt.

Diese beschriebene Vorrichtung erlaubt wie die vorhergehende die Variation der Bahnlänge der Ultraschallwellen als Funktion der Winkelverschiebungen · der Sonde, deren Achse dauernd auf den Punkt 0 ausgerichtet ist. Die Messungen und die Auswertung der Ergebnisse werden auf dieselbe Weise wie oben ausgeführt.

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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die "besonderen Ausführungsformen, die oben beispielhaft beschrieben sind, beschränkt. Es versteht sich insbesondere, daß die Variation der Bahnlänge des Ultraschalls und die Winkelverschiebung des Strahlenbündels durch Bewegung anderer beweglicher Elemente erzielt werden kann, die in jedem Fall entweder von einer Emissionssonde und/oder einer Empfangssonde für die Ultraschallwellen oder von einem beweglichen Zwischenelement zur Ablenkung des Strahlenbündels gebildet werden können. Ebenso wurde die Erfindung insbesondere im Rahmen ihrer Anwendung bei der nicht zerstörenden Materialprüfung beschrieben. Die beschriebenen Vorrichtungen können aber,ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, zur Winkelmessung in jedem anderen Anwendungsgebiet eingerichtet werden. Es genügt also, daß ein Strahlenbündel einer Winkelversetzung unterworfen wird, die einem: zu messenden Winkel entspricht.

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Ansprüche

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Claims

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ANSPRÜCHE

1. !Verfahren zur Erfassung von Winkelstellungen und zur Messung von Winkeln oder Winkelverschiebungen eines Ultraschall-Strahlenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß man die Länge des Weges, der von den Ultraschallwellen durchquert wird, gemäß einer bestimmten Beziehung als Funktion der Winkelverschiebung des Strahlenbündels verändert und die Laufzeit erfaßt, die die Ultraschallwellen zur Durchquerung dieses Wegs benötigen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man insbesondere durch Reflexion an einer bestimmten Fläche eine Abweichung des Strahlenbündels von einem im wesentlichen festen Punkt bewirkt, welcher der Mitte der Winkelverschiebungen entspricht.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Ultraschall-Strahlenbündel einer Winkelverschiebung unterwirft, die einem zu messenden Winkel entspricht, die Variation der Laufzeit der Ultraschallwellen durch diesen Weg bei der genannten Winkelveränderung mißt und daraus den Wert des Winkels mittels der genannten Beziehung ermittelt.

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Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t, daß zur nicht zerstörenden Materialprüfung die erfaßten.Winkelstellungen diejenigen eines Ultraschall-Strahlenbündels sind, das auf einen im wesentlichen festen Punkt am Material hin emittiert oder von einem im wesentlichen festen Punkt des Materials her empfangen wird.

Verfahren nach Anspruch' 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Strahlenbündel zur Erfassung seiner kritischen Winkelstellungen einer Reflexion an einem im wesentlichen festen Punkt der Oberfläche des Materials ausgesetzt wird und die Länge des Weges, der von den Ultraschallwellen zwischen Emission und Empfang durchquert wird und in einer bestimmten Beziehung zur Winkelverschiebung des einfallenden Strahlenbündels in Nähe der kritischen Winkelstellungen steht, variiert wird und die Variationen der Energien des erfaßten Strahlenbündels nach der Reflexion als Punktion der Laufzeit der Ultraschallwellen zwischen Emission und Empfang untersucht werden. '

6. Ultraschallvorrichtung, insbesondere zur nicht zerstörenden Materialprüfung, dadurch ge-, kennzeichnet, daß sie umfaßt

Mittel zur Emission und/oder zum Empfang eines Ultraschall-Strahlenbündels,

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Mittel zur Winkelverschiebung des Strahlenbündels,

Mittel zur Veränderung der Weglänge, die von den Ultraschallwellen durchquert wird, nach einer bestimmten Beziehung als Punktion der Winkelverschiebungen des Strahlenbündels,

Mittel zur Erfassung der Laufzeit der Ultraschallwellen durch diesen Weg.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

Mittel zur Emission eines Ultraschall-Strahlen·*· bündeis auf einen festen Punkt eines Materials hin und/oder

Mittel zum Empfang eines Ultraschall-Strahlenbündels von einem festen Punkt des Materials her,

wobei diese Mittel den Mitteln zur Winkelverschiebung des entsprechenden Strahlenbündel zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,· dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

in der Bahn der Ultraschallwellen mindestens ein. bewegliches Element, welches die Winkelverschiebung des Strahlenbündels und/oder die Ver-

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änderung der Länge des Weges ermöglicht,

wobei dieses bewegliche Element eine Emissionssonde und/oder eine Empfangssonde des Strahlenbündels oder ein Zwischenelement zur Ablenkung des Strahlenbündels sein kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

Mittel zur Emission eines Strahlenbündels, das auf einen festen Punkt auf der Oberfläche eines Materials fällt,

Mittel zum Empfa.ng des mindestens einmal an der genannten Oberfläche reflektierten Strahlenbündels,

Mittel, die die bestimmte Beziehung zwischen der Weglänge der Ultraschallwellen zwischen Emission und Empfang und der Winkelsteilung des einfallenden Strahlenbündels definieren und sicherstellen,

Mittel zur Erfassung der Laufzeit der Ultraschallwellen durch diesen Weg.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur direkten Sichtbarmachung der Variation der Energie des reflektierten Strahlungsbündels als Funktion der Winkelstellung des einfallenden Strahlenbündel umfaßt.

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11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt

ein bewegliches Teil, das eine Sonde oder einen in den Weg des Ultraschal. 1-Strahlenbündels eingesetzten Spiegel trägt,

Mittel zur Bewirkung einer Translationsbewegung einer Schwenkachse des beweglichen Teils, insbesondere mittels Schraube und Spindel,

Mittel zur Führung des Teils auf einer feststehenden Nockenfläche ^an einem oder mehreren Punkten entfernt von der Schwenkachse.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Teil an einer Büchse gelenkig angebracht ist, die auf einer festen Säule gleitet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e kennzeichnet, daß die Schwenkachse durch eine Rolle verkörpert wird, die von einer Feder in Berührung mit einer Antriebsmutter gehalten wird.

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