DE4003259A1 - Verfahren und vorrichtung zum nachweis von ultraschallwellen bei festkoerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art. Desweiteren be­ zieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Laser-Ulraschall-Systeme sind schon erfolgreich zur Wanddickenmes­ sung während des Warmwalzens verwendet worden. Dies ergibt sich z. B. aus der Veröffentlichung von R. Keck, B. Krüger, G. Coen und W. Häsing "Wanddickenmessung an 1230°C heißen Rohrluppen mit einem neuartigen Laser-Ulraschallsystem", Stahl und Eisen, 1987, S. 1057 bis 1060. Dieses System sieht die Verwendung eines Laser-Interfero­ meters vor, wobei die Oberflächenbewegungen des Prüfgutes eine Fre­ quenzmodulation der Laserstrahlung hervorrufen, in welcher Frequenz und Amplitude der Ultraschallwelle enthalten sind. Zur Demodulation wird über eine Sammellinse ein Teil des zurückgestreuten Lichtes einem Laufzeit-Interferometer zugeführt, in dem das empfangene Licht an einem Strahlteiler aufgespalten und nach Durchlauf unter­ schiedlich langer Wege zur Interferenz gebracht wird. Dabei inter­ ferieren Teile von Wellenzügen miteinander, die zu unterschied­ lichen Zeiten den Laser verlassen haben. Bei konstanter Frequenz des empfangenen Laserlichts liegt eine gleichbleibende Phasenzu­ ordnung im Interferometer vor, so daß sich am Detektor eine konstante Helligkeit ergibt. Das Laserlicht erfährt eine sehr ge­ ringe Frequenzänderung durch Ultraschall wegen des Doppelreffektes, auf Grund welcher die Lichtwellen mit einem zeitlichen Versatz zur Interferenz kommen. Sofern die Phasen einander nicht in ursprüng­ licher Zuordnung überlagern, führen die geänderten Phasenzu­ ordnungen zu unterschiedlichen Helligkeitswerten am Detektor. Die durch Ultraschall bewirkte Frequenzdifferenz der interferierenden Wellen ist ein Maß für die Verstimmung.

Die Verstimmung ist bei Interferenz derjenigen Wellen maximal, die durch maximale Oberflächengeschwindigkeiten in entgegengesetzter Richtung moduliert werden. Maximale Geschwindigkeit herrscht bei den Nulldurchgängen der Ultraschallwelle. Wellen, deren zeitlicher Abstand den Nulldurchgängen der Laufzeitdifferenz in den Interfero­ meterarmen entspricht, werden am empfindlichsten wahrgenommen. Um dieses hohe Maß an Empfindlichkeit sicherzustellen, bedarf die An­ lage einer sehr aufwendigen Einrichtung und Nachregulierung, um die entstehenden Signale in befriedigender Weise auswerten zu können. So führen rauhe Oberflächen des Prüfgutes oder ein schräger Einfall des Laserlichtes, welche beiden Erscheinungen gerade unter betrieb­ lichen Bedingungen bestehen, zu den erwähnten Schwierigkeiten.

Dieses Verfahren läßt es zu, bei entsprechend aufwendig abge­ stimmten und eingestellten Teilen der Einrichtung Abstände bis zu etwa 5 Metern von der Prüfgutoberfläche zu wählen. Vor allem hat dies Bedeutung für hocherhitzten Stahl während des Warmwalzens. Nicht nur für die Anregung, sondern auch für den Empfang werden demnach gepulste Laser mit verhältnismäßig hoher Pulsenergie von 0,5 Joule und einer Pulsdauer von 100 µs für den Empfang und 15 ns für die Anregung vorgesehen. Auf diese Weise können die störenden Einflüsse von Staub einerseits und von mechanischen Schwingungen andererseits überwunden werden.

Demgegenüber soll die vorliegende Erfindung ein leicht durchführ­ bares Verfahren und ein hierfür geeignetes Gerät schaffen, um mit herkömmlichen HeNe-Lasern Doppler-Frequenzhübe an kalten und heißen Festkörperproben aus einer Entfernung bis zu etwa 1 Meter, ge­ gebenenfalls auch weniger, nachzuweisen. Damit soll zugleich eine Entlastung der im Strahlengang des Lasers liegenden optischen Ge­ räte erreicht werden, da letztere bei energiereichen Lasern der Ge­ fahr der Zerstörung ausgesetzt sind.

Die erwähnte Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen entwickelten Vorschläge gelöst.

Mit einer erfindungsgemäß gezielten Einkoppelung des rückgestreuten Lichtes in den Resonator des Lasers kommt es zu einer sehr fein­ fühligen Reaktion auf Phasen- bzw. Frequenzänderungen. Dies führt zu deutlichen Amplitudenänderungen des ausgesandten Laserlichtes. Die nur wenige Prozente, bevorzugt 1 bis 10%, betragende Auskoppe­ lung eines Teilstrahls erlaubt es, die genannten Amplitudenände­ rungen in bekannter Weise photoelektrisch nachzuweisen.

Ein erheblicher Vorteil besteht darin, daß verhältnismäßig leis­ tungsschwache Laser für den Empfang verwendet werden können. HeNe-Laser sowie Argon-Laser führen zu sehr gut verwertbaren Ergeb­ nissen.

Die Abstandslage des Beleuchtungslasers kann bei kalten, polierten Proben bis auf etwa 1 m ausgedehnt werden. Bei gut reflektierenden rauhen Oberflächen gelingt der Nachweis noch aus einem Abstand von 20 bis 30 cm, und sogar bei dunklen und rauhen Oberflächen lassen sich die Ultraschallwellen aus einem Abstand von etwa 5 cm nach­ weisen. Diese Maßangaben gelten für einen handelsüblichen HeNe-Laser mit einer unpolarisierten Dauerstrichleistung von 18 mW. Ein derartiger Laser besitzt nicht nur den Vorteil der leichten Verfügbarkeit. Er führt darüberhinaus auch noch nicht zu Schäden an in seinem Strahlengang liegenden optischen Teilen, wie Strahlen­ teilern bzw. Spiegeln oder Linsen.

Für die Vornahme der Messungen wird der Laserstrahl mit einer Optik auf die Oberfläche des Prüfgutes fokussiert. Die selbe Optik leitet einen Teil des rückgestrahlten Lichtes zurück in den Laser. Die Rückstrahlung des Prüfgutes bildet in Abhängigkeit von seiner Ober­ flächenbeschaffenheit eine Reflexionskeule aus, die den Winkel festlegt, innerhalb dessen noch eine Einkoppelung von rückge­ strahlter Strahlung in den Laser erfolgen kann. Dadurch ist auch eine große Winkelabhängigkeit vorgegeben.

Zwischen der Fokussierungsoptik und dem Laser wird die Auskoppelung der für den Detektor vorgesehenen Rückstrahlung vorgenommen. Diesem Zweck dient eine (nicht teilverspiegelte) Planglasscheibe.

Im Gegensatz zur schwachen Leistung des Beleuchtungslasers findet die Anregung des Prüfgutes zu Ultraschallwellen zweckmäßig mit einem gepulsten Laser statt, dessen Pulsenergie etwa 1 Joule bei einer Pulsdauer von etwa 15 ns beträgt.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die schematische Zeichnung Bezug genommen.

Demgemäß erkennt man den für den Empfang vorgesehenen Laser 3 von schwacher Leistung, dessen optische Achse 2 ohne Umlenkung auf die Oberfläche 4 des Prüfgutes 5 im Bereich der Ultraschallstrahlung ausgerichtet ist. Im Strahlengang liegt die Glasscheibe 1, die nicht, wie sonst üblich, eine Teilverspiegelung aufweist. An diese Glasscheibe 1 schließt sich zweckmäßig noch eine zeichnerisch nicht wiedergegebene Fokussierungsoptik üblicher Bauart an, so daß die Fokussierung auf den vorgesehenen Bereich der Oberfläche 4 möglich ist.

Das Prüfgut 5 steht weiterhin unter der Anregungsenergie des Lasers 6, bei dem es sich z. B. um einen Excimer-Laser mit einer Puls­ energie von etwa 1 Joule und einer Pulsdauer von etwa 15 ns handelt.

Das von der Oberfläche 4 des Prüfgutes 5 rückgestrahlte Licht trifft auf die Glasscheibe 1, die eine Rückstrahlung bis zu etwa 90% zuläßt, so daß diese durchgelassene Rückstrahlung in den Beleuch­ tungslaser zurückgeführt wird. Die übrige Strahlung (nur etwa 10%) erfährt an der Glasscheibe 1 eine Umlenkung zum Detektor 7. Die Strahlung beaufschlagt in diesem Detektor eine Avalanchediode, der ein Verstärker nachgeschaltet ist. Dessen Ausgangssignal zeigt der Monitor 8. Man erkennt zunächst eine größere Amplitüde bei Eintritt der Ultraschallwellen in das Prüfgut, wohingegen die nächstfolgende Amplitude das erste Echo der Ultraschallwelle ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur interferometrischen Detektion von Oberflächenver­ schiebungen bei Festkörpern, insbesondere von Ultraschall-Ereig­ nissen auf Oberflächen von zu Ultraschall-Schwingungen ange­ regtem Prüfgut, bei dem ein Beleuchtungslaser auf die Prüfgut­ oberfläche einstrahlt und ein Teil der Rückstrahlung auf einen Detektor trifft, dadurch gekennzeichnet, daß von der Rückstrahlung der Prüfgutoberfläche ein Teilstrahl in den Resonator des sie beaufschlagenden Beleuchtungslasesr eingestrahlt wird, während die übrige Rückstrahlung auf den Detektor gerichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der Rückstrahlung 1 bis 10% als Teilstrahl in den Resonator des Beleuchtungslasers eingestrahlt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Detektor verbleibende Rückstrahlung eine Avalanchediode beaufschlagt, deren Signal auf einen nachgeschalteten Verstärker geschaltet ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstrahlung mittels einer unverspiegelten Glasplatte aufgeteilt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung zu Ultraschall-Wellen im Prüfgut mit­ tels eines gepulsten Lasers durchgeführt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem der Strahlengang eines Beleuchtungslasers über einen Strahlenteiler auf die Prüfgutoberfläche im Bereich ihrer Ultraschall-Anregung und die Rückstrahlung über den Strahlen­ teiler auf den Detektor gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlenteiler als unverspiegelte Glasplatte (1) ausgeführt ist,
und daß die optische Achse (2) des Empfangslasers (3) ohne Umlenkung auf die Prüfgutoberfläche (4) gerichtet ist, während die Stellung des Beleuchtungslasers (3) auf seiner optischen Achse (2) veränderbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Beleuchtungslaser (3) eine HeNe mit mW-Dauerstrichleistung ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellstrecke des Beleuchtungslasers (3) von der Oberflächenbeschaffenheit des Prüfgutes abhängig zwischen etwa 1 m und 5 cm derart einstellbar ist, daß blanken Oberflächen die größeren und rauhen, dunklen Oberflächen die geringeren Einstellstrecken zugeordnet sind.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anregung des Prüfgutes (5) zu Ultra­ schall-Wellen ein gepulster Laser (6) mit einer Puls­ energie von etwa 1 Joule und einer Pulsdauer von etwa 15 ns vorgesehen ist.