DE3041796A1 - Contactless ultrasonic wave optical receiver - is multidirectional and uses segmented optical receiver and directionally sensitive signal delay structure - Google Patents
Contactless ultrasonic wave optical receiver - is multidirectional and uses segmented optical receiver and directionally sensitive signal delay structureInfo
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Abstract
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM BERIJHRUNGSLOSEN METHOD AND DEVICE FOR CONTACTLESS
OPTISCHEN EMPFANG VON ULTRASCHALLWELLEN. OPTICAL RECEPTION OF ULTRASONIC WAVES.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen, die unter einem Winkel auf die Oberfläche des Prüfstückes auftreffen, indem-die von der Ultraschallwelle ausgelenkten Oberflächengebiete des Prüfstückes beleuchtet und das durch diese Oberflächenschwankungen modulierte Licht nach Durchlaufen eines Interferometers einem aus mehreren Segmenten bestehenden Lichempfänger zugeführt wird. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Aus der DE-OS 27 o7 968 ist beispielsweise ein Verfahren der eingangserwähnten Art bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Teil der Prüfstückoberfläche, von dem eine Ultraschallwelle unter einem vorgegebenen Winkel empfangen wird, streifenförmig beleuchtet. Dabei haben die Streifen einen gleichmäßigen Abstand voneinander, der durch den vorgegebenen Winkel bestimmt ist. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist -vor allem, daß zum Empfang der Ultraschallwellen aus verschiedenen Richtungen der-Abstand der Lichtstreifen entsprechend geändert werden muß.The invention relates to a method for contactless optical Reception of ultrasonic waves that hit the surface of the test piece at an angle impinge by-the deflected by the ultrasonic wave surface areas of the Test piece is illuminated and the light modulated by these surface fluctuations after passing through an interferometer one consisting of several segments Light receiver is supplied. The invention also relates to an apparatus for carrying out the method From DE-OS 27 07 968, for example, is a method known of the type mentioned at the beginning. In this known method, the part the test piece surface from which an ultrasonic wave is below a predetermined Angle is received, illuminated in strips. The strips have one uniform distance from each other, which is determined by the specified angle. The disadvantage of this known method is, above all, that to receive the ultrasonic waves from different directions the distance of the light strips changed accordingly must become.
Aus der erwähnten Offenlegungsschrift ist es ebenfalls bekannt, jedem Licht streifen eine separate Fotozelle zuzuordnen, deren Ausgänge über Verzögerungsleitungen miteinander verbunden sind. Durch diese bekannte Vorrichtung soll erreicht werden, daß Signale, die den aus der jeweils komplementären Richtung ankommenden Ultraschallwellen entsprechen, unterdrückt werden.From the mentioned patent application it is also known to everyone Light strips are assigned a separate photocell, the outputs of which are via delay lines are connected to each other. This known device is intended to achieve that signals that the incoming ultrasonic waves from the complementary direction correspond to be suppressed.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum twerührungslosen optischen Empfang von Ultraschallwellen zu offenbaren, mit dem es möglich ist, auf einfache Weise Ultraschallwellen zu analysieren, die aus verschiedenen Richtungen auf die Oberfläche des Prüfstückes gelangen, ohne daß eine Änderung der Lichtstreifenabstände des Beleuchtungslichtes erforderlich ist.The object of the present invention is to provide a method to disclose for the contactless optical reception of ultrasonic waves, with which makes it possible to easily analyze ultrasonic waves that come from reach different directions on the surface of the test piece without a Change of the light strip spacing of the illuminating light is required.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.This task is achieved by the characteristics of the characterizing part of the Claim 1 solved.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren beschrieben.Further details and advantages of the invention are set out below described on the basis of exemplary embodiments and with the aid of figures.
Es zeigen: Fig.1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Empfang von Ultraschallwellen mit einer ebenen Wellenfront, die aus yorgegebenen Richtungen auf die Oberfläche des Prüfstückes treffen; Fig.2 eine Darstellung zur Erklärung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig.3 eine Vorrichtung gemäß Fig.1, bei der die optischen Signale mit Hilfe von Lichtleitkabeln übertragen werden; 1in.4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit optischen Verzögerungsgliedern; und Fig.5 eine Draufsicht auf einen Lichtempfänger mit kreisförmig angeordneten Segmenten zum Empfang von kugelförmigen Wellenfronten.The figures show: FIG. 1 a device according to the invention for receiving Ultrasonic waves with a plane wave front coming from given directions hit the surface of the test piece; 2 shows an illustration for explanation the mode of operation of the method according to the invention; 3 shows a device according to 1, in which the optical signals are transmitted with the aid of optical cables; 1in.4 a device according to the invention with optical delay elements; and 5 shows a plan view of a light receiver with segments arranged in a circle for receiving spherical wave fronts.
In Fig.1 ist mit 1 ein Laser bezeichnet, der die Oberfläche 2 eines Prüfstückes 3 beleuchtet. Die im Takt der Ultraschallwelle 4 ausgelenkte Oberfläche 2 bewirkt eine Phasenmodulation des Laserlichtes. Nach Durchlaufen dieses Lichtes durch ein Laufzeitinterferometer 5 ergibt sich an dessen Ausgang Licht, das eine der Phasenmodulation entsprechende Amplitudenmodulation aufweist. Dieses Licht wird dann mit Hilfe eines aus mehreren Segmenten bestehenden Lichtempfängers 6 empfangen und in entsprechende elektrische Signale umgesetzt, mit Hilfe eines Schaltungsvorrichtung 7 analysiert, dann in einem Verstärker 8 verstärkt und schließlich in einer Einheit 9 angezeigt.In Fig.1, 1 denotes a laser that the surface 2 of a Test piece 3 illuminated. The surface deflected in time with the ultrasonic wave 4 2 effects a phase modulation of the laser light. After passing through this light by a transit time interferometer 5 results at its output light, the one has amplitude modulation corresponding to the phase modulation. This light will then received with the aid of a light receiver 6 consisting of several segments and converted into corresponding electrical signals with the aid of a circuit device 7 analyzed, then amplified in an amplifier 8 and finally in one unit 9 displayed.
Der Lichtempfänger 6 enthält als Segmente Fotodetektoren 60o bis 632, die matrixförmig angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden 12 Fotozellen verwendet (in der Praxis können loo Fotozellen oder mehr verwendet werden). Die Fotozellen sind jeweils zeilenförmig durch elektrische Sammelleitungen 61, 62, 63, 64 miteinander verbunden,.The light receiver 6 contains photodetectors 60o to 632 as segments, which are arranged in a matrix. In the illustrated embodiment 12 photocells used (in practice loo photocells or more can be used will). The photocells are each arranged in rows through electrical bus lines 61, 62, 63, 64 connected to one another.
so daß am Ausgang des Lichtempfängers 6 insgesamt 4 Signalleitungen vorhanden sind.so that at the output of the light receiver 6 a total of 4 signal lines available.
Die Schaltungsvorrichtung 7 enthält 3 Verzögerungsglieder 71, 72, 73 und 3 Addierer 74, 75, 76. Die jeweiligen Eingänge der Verzögerungsglieder 71, 72, 73 sind mit den Sammelleitungen 61, 62, 63 des Lichtempfängers 6 verbunden. Die Eingänge der Addierer sind sowohl mit den Verzögerungsglieder 71, 72, 73 verbunden als auch mit der Sammelleitung 64 des Lichtempfängers 6.The circuit device 7 contains 3 delay elements 71, 72, 73 and 3 adders 74, 75, 76. The respective inputs of the delay elements 71, 72, 73 are connected to the bus lines 61, 62, 63 of the light receiver 6. The inputs of the adders are both connected to the delay elements 71, 72, 73 as well as with the collecting line 64 of the light receiver 6.
Die Länge der Verzögerungsglieder 71, 72, 73 bzw. die Stellen, an denen die als Verzögerungsglieder dienende Verzögerungsleitungen abgegriffen werden, richtet sich nach den zu empfangenen Winkeln g der auf die Oberfläche des Prüfstückes auftreffenden Ultraschallwellen 4. Der Zusammenhang zwischen der Verzögerungszeit und Einfallswinkel wird weiter unten näher erläutert.The length of the delay elements 71, 72, 73 or the locations from which the delay lines serving as delay elements are tapped, depends on the angles g to be received on the surface of the test piece incident ultrasonic waves 4. The relationship between the delay time and angle of incidence is explained in more detail below.
Als Verzögerungsglieder können neben Verzögerungsleitungen auch Schieberegister Magnetbänder mit versetzten Schreib- und Leseköpfen etc. verwendet werden.In addition to delay lines, shift registers can also be used as delay elements Magnetic tapes with staggered read and write heads etc. can be used.
Gelangt, wie in Fig.1 angedeutet, eine Ultraschallwelle 4 (oder ein Ultraschallimpuls), an die Oberfläche 2 des Prüfstückes 3 unter einem Winkel k + 900, so lenken die als Striche angedeuteten Wellenfronten 41, 42, 43 aufgrund ihrer Schräglage die Oberflächenteilgebiete 21 und 22 zeitlich nacheinander aus.If, as indicated in Fig. 1, an ultrasonic wave 4 (or a Ultrasonic pulse), to the surface 2 of the test piece 3 at an angle k + 900, the wavefronts 41, 42, 43 indicated as lines steer due to their The surface subregions 21 and 22 are inclined in chronological order one after the other.
Da das von dem Laser 1 beleuchtete Oberflächengebiet mit Hilfe der schemativeh angedeuteten Linsen 51 und 52 auf dem Lichtempfänger 6 abgebildet wird, führt die durch die Ultraschallwelle 4 verursachte Oberflächenbewegung zu einer.Since the surface area illuminated by the laser 1 with the aid of the schematically indicated lenses 51 and 52 is imaged on the light receiver 6, the surface movement caused by the ultrasonic wave 4 leads to a.
entsprechenden örtlichen und zeitlichen Helligkeitsänderung auf dem Lichtempfänger 6. Erreicht beispielsweise die Wellenfront 41 das Oberflächengebiet 21, so ergibt sich z.B. auf dem Lichtempfänger entlang der Fotodetektorenreihe 6oo bis 602 ein heller Lichtstreifen. Ansonsten weist die Fläche des Lichtempfängers eine geringere Helligkeit auf. Am Ausgang der Sammelleitung 61 ergibt sich ein entsprechendes elektrisches Signal. Gelangt nun die Wellenfront 41 an das Oberflächengebiet 22, so ergibt sich entlang der Fotodetektorenreihe 610 bis 612 ein heller Lichtstreifen. Man erhält daher jetzt am Ausgang der Sammelleitung 62 ein Signal usw.corresponding local and temporal changes in brightness on the Light receiver 6. For example, the wavefront 41 reaches the surface area 21, for example, on the light receiver along the row of photodetectors, 6oo up to 602 a bright streak of light. Otherwise, the surface of the light receiver points a lower brightness. At the output of the collecting line 61 there is a corresponding one electrical signal. If the wavefront 41 now reaches the surface area 22, this results in a bright strip of light along the row of photodetectors 610 to 612. A signal is therefore now obtained at the output of the bus 62, etc.
Da der jeweilige Zeitraum, nach dem die Signale auf den einzelnen Sammelleitungen erscheinen, abhängig ist von dem Winkel 2 , unter dem die Ultraschallwelle auf die Oberfläche des Prüfstückes 3 trifft, kann man durch entsprechende Zeitverzögerungen der ankommenden Signale diese nach ankommenden Winkeln ordnen.Because the respective period after which the signals on the individual Manifolds appear, depending on the angle 2 at which the ultrasonic wave hits the surface of the test piece 3, one can use appropriate time delays order the incoming signals according to incoming angles.
Wie die jeweiligen Verzögerungszeiten ermittelt werden können, wird im folgenden anhand von Fig.2 erklärt. Diese Figur zeigt einen Schnitt durch das Prüfstück 3 (Fig.1) in der YZ-Ebene. Der von dem Laser 1 (Fig.1) beleuchtete Obetflächenabschnitt liegt zwischen den Punkten 01 und 04. Ferner ist mit I die Fortpflanzungsrichtung einer ebenen unter 300 zur Oberfläche einfallenden Ultraschallwelle bezeichnet. II bedeutet die Fortpflanzungsrichtung einer entsprechenden unter 700 auf die Oberfläche auftreffenden Welle. Mit III ist als weiteres Beispiel eine kugelförmige Wellenfront~bezalchnetw deren~-PElB dem < beleuchteten Oberflächenabschnitt liegt.How the respective delay times can be determined is explained below with reference to FIG. This figure shows a section through that Test piece 3 (Fig. 1) in the YZ plane. The surface section illuminated by the laser 1 (Fig. 1) lies between points 01 and 04. Furthermore, I denotes the direction of propagation a plane ultrasonic wave incident below 300 to the surface. II means the direction of propagation of a corresponding under 700 on the surface impinging wave. As a further example, III is a spherical wavefront ~ rezalw whose ~ -PEIB is the <illuminated surface section.
Im folgenden sollen die Verhältnisse für die unter 30° auf die Oberfläche des Prüfstückes treffende ebene Welle näher beschrieben werden: Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, besitzt die Wellenfront L dieser Ultraschallwelle zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Laufstrecken L1, L2, L3, L4 (im dargestellten Beispiel ist L1 = O). Die Abstände a zwischen den Orten 01 bis 04 mögen so gewählt sein, daß sie bis auf einen Proportionalitätsfaktor gleich den AbstHnden der Fotodetektoren 600, 610, 620, 630 (Fig.1) entsprechen. Die den Laufstrecken L1, L2, L3, L4 zugeordneten Laufzeiten tL1, tL2, tL3, tL4 ergeben sich durch Division der jeweiligen Laufstrecke durch die Schallgeschwindigkeit des entsprechenden Prüfstückes. Die gesuchten Verzögerungszeiten ergeben sich dann aus der Differenz der größten Laufzeit (tL4) und der der jeweiligen Fotozellenzeile zugeordneten Laufzeit (tL3, tL2, etc.). Denn in diesem Fall kommen alle Signale von den Fotodetektorenzeilen gleichzeitig an dem ihnen zugeordneten Addierer 74 (Fig.1) an.In the following, the conditions for the under 30 ° on the surface the plane wave hitting the test piece can be described in more detail: As can be seen from Fig. 2 is, the wave front L of this ultrasonic wave is different at different times Running distances L1, L2, L3, L4 (in the example shown, L1 = O). The distances a between the locations 01 to 04 may be chosen so that they except for a proportionality factor equal to the distances of the photodetectors 600, 610, 620, 630 (Fig. 1). The transit times tL1, tL2, tL3, tL4 assigned to the routes L1, L2, L3, L4 result by dividing the respective running distance by the speed of sound of the corresponding test piece. The desired delay times then result from the difference between the longest running time (tL4) and that of the respective photocell line assigned runtime (tL3, tL2, etc.). Because in this case all signals come from the photodetector lines at the same time to the adder 74 assigned to them (Fig. 1).
Es erscheint am Ausgang dieses Addierers ein maximaler Signalwert.A maximum signal value appears at the output of this adder.
Die Anschlüsse 711, 712; 721, 722; 731, 732 an den Verzögerungsleitungen 71, 72, 73 sind in dem in Fig.1 dargestellten Ausführungsbeispiel so gewählt, daß an den Ausgängen der beiden anderen Addierer 75 bzw. 76 immer dann ein maximaler Signalwert auftritt, wenn die Ultraschallwellen unter einem Winkel von 45" bzw. 70" auf die Oberfläche des Prüfstückes 3 fallen. Der Schalter S verbindet den Verstärker 8 mit dem Ausgang jeweils eines der Addierer 74, 75, 76.The connections 711, 712; 721, 722; 731, 732 on the delay lines 71, 72, 73 are selected in the embodiment shown in Figure 1 so that at the outputs of the other two adders 75 and 76 there is always a maximum Signal value occurs when the ultrasonic waves are at an angle from 45 "or 70" fall onto the surface of the test piece 3. The switch S connects the amplifier 8 with the output of one of the adders 74, 75, 76.
Anders als in Fig.1 werden in Fig.3 die einzelnen Segmente 6000 bis 6320 des Lichtempfängers 60 nicht durch Fotodetektoren, sondern durch die Endstücke von Lichtkabeln gebildet. (Aus Gründen der besseren Ubersicht wurden nur die drei Lichtleitkabel 11o, 111 und 112 mit Bezugszeichen versehen). Alle in Fig.3 dargestellten Lichtkabel besitzen die gleiche Länge. Lichtkabel der gleichen Zeile werden jeweils mit einer Fotozelle 113, 114, 115, 116 verbunden. Der Vorteil einer derartigen Anordnung gegenüber dem Lichtempfänger nach Fig.1 besteht darin, daß statt 16 lediglich 4 Fotodetektoren benötigt werden.In contrast to FIG. 1, the individual segments 6000 to are shown in FIG 6320 of the light receiver 60 not by photo detectors, but by the end pieces formed by light cables. (For the sake of clarity, only the three Light guide cables 11o, 111 and 112 provided with reference numerals). All shown in Fig.3 Light cables are the same length. Light cables of the same row are each connected to a photocell 113, 114, 115, 116. The advantage of such an arrangement compared to the light receiver according to Figure 1 is that instead of 16 only 4 Photo detectors are needed.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.4 4 wiedergegeben. Dabei sind mit 118, 119 und 120 drei Bündel von Lichtleitkabel bezeichnet. Jedes dieser Bündel besteht aus drei einzelnen Lichtleitkabeln.Another preferred embodiment of the invention is shown in FIG 4 reproduced. There are three bundles of fiber optic cables with 118, 119 and 120 designated. Each of these bundles consists of three individual fiber optic cables.
Das eine Ende des jeweiligen Lichtleitkabels bildet wiederum ein Matrixelement des mit 100 bezeichneten Lichtempfängers. Das jeweils andere Ende ist mit einem Fotodetektor 124 verbunden. Die Lichtleitkabel-Bündel 118, 119 und 120 besitzen unterschiedliche Längen, um unterschiedliche optische Verzögerungen der detektierten Lichtsignale zu bewirken. Der Fotodetektor wandelt einerseits die über die Lichtleitkabel ankommenden optischen Signale in elektrische Signale um. Andererseits wirkt der Fotodetektor selbst als Addierer. Es sind daher bei dieser Vorrichtung weder elektrische Verzögerungsglieder noch ein separater Addierer erforderlich.One end of the respective fiber optic cable in turn forms a matrix element of the light receiver designated 100. The other end is with a Photodetector 124 connected. The fiber optic cable bundles 118, 119 and 120 have different lengths to different optical delays of the detected To effect light signals. On the one hand, the photodetector converts the data via the fiber optic cable incoming optical signals into electrical signals. On the other hand, it works Photo detector itself as an adder. There are therefore neither electrical in this device Delay elements still require a separate adder.
Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die hier beschriebenen Beispiele beschränkt. Eine Vielzahl weiterer Ausführungsformen wird dem Durchschnittsfachmann aufgrund der vorliegenden Erfindung ohne eigenes erfinderisches Zutun einfallen. Dieses gilt.insbesondere für die Verwendung des Verfahrens zur Messung nicht nur ebener sondern auch zylinder- oder kugelförmiger Wellenfronten.The present invention is of course not limited to that here Examples described are limited. A variety of other embodiments will one of ordinary skill in the art based on the present invention without any inventive element of its own Come up with help. This applies in particular to the use of the method for Measurement of not only flat but also cylindrical or spherical wave fronts.
Beim Empfang kugelförmiger Wellenfronten (fokussierender Empfang) liegen die Fotodetektoren gleicher Laufzeit auf Kreisbögen. Man verbindet daher die Fotoelemente nicht zeilenweise, sondern in Form von Kreisen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für den Empfang von Kugelwellen, deren Mittelpunkt sich direkt unter dem von dem Laser (Fig.1) beleuchteten Oberflächenabschnitt befindet (vgl. auch Fig.3), ist in Fig.5 wiedergegeben. Der zentrale Fotodetektor, unter dem sich der Mittelpunkt der Kugelwelle befindet, ist mit 201 bezeichnet. Dieser Fotodetektor ist über die Verzögerungsleitung 740 mit dem Addierer 780 verbunden. Mit 202 bzw. 203 sind die Fotodetektoren bezeichnet, die sich jeweils auf dem gleichen Kreisbogen befinden. Die diese Fotodetektoren verbindenden elektrischen Leitungen sind strichliert dargestellt. Die den Detektoren zugeordneten Verzögerungsleitungen sind mit 750 bzw. 760 bezeichnet.When receiving spherical wavefronts (focusing reception) the photodetectors with the same transit time lie on circular arcs. Hence one connects the photo elements not line by line, but in the form of circles. A corresponding Exemplary embodiment for the reception of spherical waves, the center of which is directly located under the surface section illuminated by the laser (Fig. 1) (cf. also Fig.3) is shown in Fig.5. The central photodetector, under which the center point of the spherical wave is indicated by 201. This photo detector is connected to adder 780 via delay line 740. With 202 resp. 203 the photodetectors are designated, each on the same arc are located. The electrical lines connecting these photodetectors are dashed shown. The delay lines associated with the detectors are at 750 and 760 respectively.
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