CN104903717A - 用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于探测导电材料中的异常的微分传感器具有：永磁体（PM）；具有一个或多个第一绕组的第一线圈（S1），所述第一绕组围绕永磁体走向并且定义第一线圈轴（A1）；具有一个或多个第二绕组的第二线圈（S2），所述第二绕组围绕永磁体走向并且定义第二线圈轴（A2），所述第二线圈轴横向于、尤其是垂直于第一线圈轴走向。优选地，还提供与之垂直定向的第三线圈（S3）。磁通量变化的分量能够针对多个空间方向分开被检测并且评估。传感器是检验系统的一部分，所述检验系统包括传感器和评估设备（A），所述评估设备配置用于针对每个线圈分开检测微分传感器的线圈（S1、S2、S3）的绕组中感应的电压或者从中推导出的信号以及通过应用至少一个评估方法将它们相关。

Description

用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法

背景和现有技术

本发明涉及用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法。

如今对原料中的异常进行无损探测很重要。异常例如能够是缺陷、例如裂缝、杂质或者其他的材料异质性，例如电导率的局部不均匀性。对具有高负载-质量比率的材料的大的需求要求特别高的材料品质。为了节约成本并且确定每个生产件的质量，已越来越多地将无损方法用于探测和定位缺陷以及用于确定材料参数。因为金属原料对工业而言扮演特殊的角色，所以导电材料的无损检查是研究、开发和应用的主题。

当今，在无损材料检验（non-destructive testing, NDT）的情况下，根据检验物类型和待检查材料的所寻求特性，使用多种不同的方法。根据T. Aastroem 在17th World Conference on Nondestructive Testing, 2008的文章“From Fifteen to Two Hundred NDT Methods in Fifty Years” ，由现有技术已知多于200种方法用于无损原料检验。

特别是电磁方法已被证明对于探测导电材料中的异常是有效的。然而被提供以供使用的方法部分地在分辨率、穿入深度和行进时间和/或检验速度方面是受限制的。而识别此类的缺陷的概率也应该还要提高。

采用尺寸更大或更小的（mehr oder minder）传感器阵列的传感器的布置能够借助于相应算法实现对缺陷的重构。然而，这样的布置以传感器的紧凑构造方式为前提。

在多个应用领域中，涡流检验（eddy current testing, ECT）已被证明在检验导电材料时是有效的，例如在对用于产生金属和加工金属的工业的半成品的自动化无损检验的情况下，以便针对汽车和飞机或在设备制造中执行对安全性相关和功能关键的构件的检验。

利用线圈构造的常规涡流传感器包括一个或多个场线圈（或激励线圈），所述线圈连接到交流电压源以便执行检验并且接着能够产生电磁交变场（初级场），所述电磁交变场在检验时穿入检验材料并且主要在检验材料的靠近表面的层中产生涡流，所述涡流通过互感反作用于涡流探测器的一个或多个测量线圈（和/或接收线圈）。被检验区域中的缺陷（例如裂缝、杂质或者其他的材料异质性）干扰涡流在检验材料中的扩散并因此改变涡流强度以及由此还改变反作用于测量线圈的次级磁场的强度。测量线圈中由此引起的电特性、例如阻抗的变化导致以电压变化形式的电测量信号，所述测量信号能够借助于评估设备评估，以便于识别和特征化缺陷。涡流传感器也能够针对检验目的或测量目的、例如在测量电导率或者磁导率时在无缺陷材料处使用。

涡流检验允许以高灵敏度和位置分辨率来对靠近表面的缺陷进行检验。尤其是应用所谓的“motion induced remote field eddy current testing”（其由 Sun, Y., Udpa, S., Lord, W., Udpa, L. 和Ouyang, T. 在AIP Conf. Proc. 557 (2001) 第1541-1548页的文章“Application of Motion Induced Remote-Field Eddy Current Effect to Online Inspection and Quality Examination of Rolling Metallic Strips”中描述）示出在高检验速度时的高位置分辨率。

例如Mook, G., Michel, F.和 Simonin, J.在                                                 vestnik - Journal of Mechanical Engineering 57 (2011) 3, 第227-236页中的文章“Electromagnetic Imaging Using Probe Arrays”  中描述的提供图像的（bildgebend）方法也示出相对于待检查材料中的异常的高灵敏度。

将磁交变场用于产生穿入检验物材料的磁初级场具有的缺点是到待检查材料中频率限制的穿入深度。因此当深度超过穿入深度的三倍时，位于较深处的异常和沟状异常的深度通常不能足够好地被确定（参见Mook, G., Hesse, O. & Uchanin, V.在: 9th European Conference on Non-Destructive-Testing, 2006中的文章“Deep Penetrating eddy currents and Probes”）。已观察到，然而，大约对应于穿入深度的深度中的异常也已经能够使这种类型的传感器系统遇到问题。所使用传感器系统的位置分辨率与频率相关的穿入深度相对应。如果人们想要探测位于深处的异常，那么需要较低的频率。因此只有较低的检验速度是可能的，由此提高检查对象通过传感器系统的行进时间。

存在其中描述用于探测缺陷的方法和传感器的大量文件，其中在传感器和待检查原料之间实现相对移动。

Sun, Y., Kang, Y.和 Quio，C.在: NDT & E International 44 (2011)的1至7页的文章“A new NDT method based on permanent magnetic field perturbation”描述用于借助于磁通泄漏检验来检验铁磁材料的无损方法。垂直于待检验组件表面取向的永磁体被接收线圈围绕。因而，当磁体在该垂直的取向上、以与表面的定义间距沿着检验物表面被引导时，能够观察到所谓的PMFP效应（永磁场扰动效应）。该方法应该有如下能力：能够以足够的灵敏度探测铁磁材料中不同定向的缺陷。

专利US 7023205B1描述一种涡流传感器，所述涡流传感器有能力穿过导电障碍物探测导电构件。传感器包括被线圈围绕的永磁体。涡流传感器能够装配在壳体外侧处用于涡轮机或者其他具有旋转组件的机器，以便于穿过壳体测量沿着壳体内侧移动的导电组件、例如涡轮机叶片的特性。

WO 00/58695中介绍用来测量金属对象的参数的方法，在该方法中求得作用于金属对象上的力。在此金属对象不仅理解为金属流体而且理解为有限尺寸的金属固体。

专利US 6002251中介绍用于借助于涡流传感器来测量“远场”（remote field）的传感器布置，其中实现激励线圈和接收线圈的局部分离以及激励系统的磁屏蔽。

WO 2007/053519 A2描述借助于制动力对缺陷的探测，当磁体相对于测试对象移动时，该制动力作用于该磁体上。

近几年在伊尔梅瑙工业大学开发了新型非接触无损的材料检验方法，该方法以名称“洛伦兹力-涡流检验”（Lorentz Force Eddy Current Testing, LET）已知。基本原理例如在Brauer, H., Ziolkowski, M.在: Serbian Journal of Electrical Engineering 2008, 5, 第11 – 20页中的文章“Eddy Current Testing of Metallic Sheets with Defects Using Force Measurements”中描述。如果金属检验物和永磁体被相互置于相对移动中时，那么在检验物中感应涡流，这些涡流又引起洛伦兹力，该洛伦兹力造成磁系统处相应的反作用力。例如通过裂缝或者其他缺陷引起的检验物材料导电率的不均匀性在此在洛伦兹力的变化中被示出，该变化能够借助于磁系统处的力传感器证实。洛伦兹力-涡流检验使得借助对作用于磁系统上的洛伦兹力的测量来探测位置较深处的缺陷成为可能。

DE 102011056650A1描述用于基于洛伦兹力-涡流检验来确定原料电导率的方法和布置。在此充分利用了洛伦兹力包括在不同方向上的多个力作用。测量第一力作用和在其他方向上起作用的第二力作用并且通过彼此间构造商来计算出所属量度。此外，也能够将该方法用来定位原料中的异质性。

尽管有大量各种现有的、用来无损原料检验的传感器系统，然而继续存在对如下传感器和传感器系统的需求，所述传感器和传感器系统允许以高灵敏度可靠地探测异常。尤其是，以高检验速度探测待检查材料中位于较深处的异常继续呈现未以令人满意的方式解决的问题。

任务和解决方案

本发明的任务是，提供用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法，它们允许在高检验速度时也以高灵敏度和低误探测率来探测异常，其中也能够实现对在待检查材料中位于较深处的异常的探测。

为了解决所述任务以及其他任务，提供具有权利要求1的特征的微分传感器。此外提供具有权利要求6的特征的检验系统。该任务此外还通过用于探测导电材料中的异常的、具有权利要求13的特征的方法（所述方法能够在应用所述传感器和/或所述检验系统的情况下执行）来解决。

在从属权利要求中给出有利的改进方案。通过参考使全部权利要求的文本成为说明书的内容。

根据一个方面，所要求保护的发明提供用于探测导电材料中的异常的微分传感器。出于在待检验材料中产生涡流的目的，传感器包含（至少）一个永磁体。当代替利用交变电流运行的激励线圈而使用永磁体时，能够提高原料中（初级）磁场的穿入深度。由此可能的是，也探测位于材料表面下较深处的异常。

为了产生传感器信号，传感器具有：第一线圈，所述第一线圈具有一个或多个第一绕组，所述第一绕组围绕永磁体走向并且定义第一线圈轴；以及第二线圈，所述第二线圈具有一个或多个第二绕组，所述第二绕组围绕永磁体走向并且定义第二线圈轴，其中第二线圈轴横向于第一线圈轴走向。因此，这些线圈具有如下的线圈轴，所述线圈轴不互相平行，而是相互处于有限的角度。概念“线圈轴”在此表示如下的方向，该方向基本垂直于通过绕组的走向定义的绕组平面。线圈的定向也能够通过垂直于相应线圈轴的线圈平面定义，所述线圈平面同样横向于彼此。

由所感应涡流引起的次级磁场与由永磁体提供的初级磁场相互影响。如果现在在相对移动时异常成功通过由初级磁场影响的区域，那么次级磁场被该异常干扰并且通过磁通量的与此联系的变化在（至少）两个线圈中分别感应电压。

在此上下文中，概念“微分传感器”描述传感器的如下能力，即通过检测绕组中和/或线圈中感应的电压来检测磁通量Φ的时间变化。因为随着时间t的该变化能够通过微分dΦ/dt来描述，所以传感器称为“微分传感器”。“微分”传感器与已知的涡流-微分探针的不同之处尤其在于：在涡流-微分探针的情况下，轴平行的线圈成对地以差相互连接（in Differenz zueinander geschaltet）（例如借助反向的卷绕方向（Windungssinn）），以便于获得微分信号，而“微分传感器”的线圈不以差相互连接，而是产生互不相关的信号，所述信号也能够互不相关地被评估。

由于提供了至少两个不同的线圈（第一线圈和第二线圈）-所述线圈的线圈轴不是互相平行地走向而是横向于彼此地取向，所以能够针对多个空间方向分开检测磁通量的时间变化。因此，提供两个（或更多）具有不平行线圈轴的线圈允许互不相关地检测磁通量变化在空间方向上的分量。基于该功能性，传感器也能够被称为“多分量传感器”，其中概念“分量”在此涉及磁通量变化在不同空间方向上的分量。

已经表明：这种类型的多分量传感器与只具有一个线圈的相应传感器相比能够减小误指示的概率，原因在于能够同时在多个空间方向上检测磁通量变化。因此“真正的”缺陷、例如裂缝或空腔（Lunker）能够根据传感器信号与伪缺陷区分，所述伪缺陷例如只在线圈之一中产生显著的磁通量变化。

尽管两个线圈能够足够用于多维地检测磁通量变化，但是在一优选的实施方式中，第三线圈提供有一个或多个第三绕组，所述第三绕组围绕永磁体走向并定义第三线圈轴，所述第三线圈轴横向于第一线圈轴并且横向于第二线圈轴走向。因此，磁通量的时间变化到不同空间方向上和/或分量中的、还要更精确的拆分（zerlegung）是可能的。优选地，传感器具有恰恰三个不共轴的线圈。

在优选的实施方式中，线圈的线圈轴交替地互相垂直定向，由此将磁通量总变化分离成其到笛卡尔坐标系的三个方向上的分量是可能的。由此大大简化了该评估。也有可能的是，第一线圈、第二线圈以及必要时还有第三线圈相对于彼此这样定向，使得线圈轴相互间具有其他的角，例如60°角或30°角或类似的角。

通常合适的是如下实施方式，其中，第一线圈、第二线圈和/或第三线圈固定在永磁体处。通过永磁体和线圈之间的机械上固定的联接保证：永磁体和线圈之间的相对移动是不可能的，以便线圈中的永磁体的初级磁场在运行期间不能够感应电压并且因此在线圈中感应的电压全部仅仅回溯到次级磁场，所述次级磁场通过材料中的感应涡流被感应。然而也可能的是，一个或多个线圈不直接固定在永磁体处，而是固定传感器的其他组件处，所述其他组件优选地在机械上与永磁体固定地耦合。

此外，线圈在永磁体处的固定使得利用特别小的空间尺寸来实现紧凑传感器的结构成为可能，所述尺寸只需要相应小的构造空间。此外，该结构是节约成本的，原因在于永磁体和线圈外部不需要另外的电/磁分量。紧凑的构造形式也使得这种类型的传感器特别合适于用在传感器阵列中，即在具有多个传感器的传感器系统中，所述传感器互相相对窄地以一维或二维布置存在，以便于能够例如同时检测待检验原料的更大平面区域（Fl?chenbereich）。在有些实施方式中，多个微分传感器构成一维或二维的传感器阵列。

如果人们将根据本发明的微分传感器与用于上面描述的洛伦兹力-涡流检验的传感器比较，则会注意到，根据本发明的微分传感器探测磁通量的变化，而在洛伦兹力-涡流检验的情况下在磁系统处影响的力的绝对值通过相应的力传感器被记录并评估。然而虽然机械的力测量系统基于测量条件只有相对有限的动态性（原因在于，为了进行力测量必须在系统中产生机械变化），在根据本发明的感应传感器的情况下不存在测量动态性的这种限制。

理论上能够表明的是，在洛伦兹力-涡流检验的情况下为了测量而使用的洛伦兹力的变化直接与磁通量变化相关，使得结合洛伦兹力-涡流检验的信号的评估所获得的认识必要时也能够在利用根据所要求保护的发明的微分传感器进行检验时使用。

在有些实施方式中，除了微分传感器之外还提供力传感器，该力传感器在机械上与微分传感器耦合，其方式使得借助于力传感器能在多个空间方向上检测作用于微分传感器的洛伦兹力。由此实现组合传感器或者传感器组合。这种与力接收器的耦合能够实现两个不同方法的同时执行，其中在检验方法中借助于微分传感器通过在多个空间方向上检测的磁通量的变化（dΦ/dt）能够检测缺陷并且同时在测量方法中以同样的检验容积通过适宜地使不同空间方向上的洛伦兹力-分量相关能够检测电导率。

在此描述的类型的微分传感器能够例如结合根据上面提到的DE 102011056650A1、用于确定原料电导率的方法和布置来使用，通过参考其公开内容在此方面成为本说明书的内容。

本发明也涉及用于探测导电材料中的异常的检验系统，其中检验系统具有上面所描述类型的至少一个微分传感器。传感器在检验运行中连接到评估设备，该评估设备配置用于针对每个线圈分开检测至少两个线圈的绕组中感应的电压或者从中推导出的信号，以及通过应用至少一个评估方法将它们相关。

例如评估设备能够设置用于：仅当不仅在第一线圈中而且在第二线圈中感应对于缺陷而言典型的电压变化时，才产生指示缺陷的缺陷信号或者基于其的缺陷显示。由此能够降低误探测率。

当还提供与微分传感器在机械上耦合的、上述类型的多维作用的力传感器时，提供用于针对多个空间方向对力传感器的信号进行评估的评估设备。

本发明还涉及用于探测导电材料中的异常的方法，在该方法中应用微分传感器或者具有这种传感器的检验系统。在此在由导电材料制成的检验对象的表面附近布置（至少）一个微分传感器，其方式使得由永磁体产生的磁场能够穿入检验对象直至穿入深度。在微分传感器和平行于移动方向的检验对象之间产生相对移动。这通过在传感器静止的情况下移动检验对象或者在检验对象静止的情况下移动传感器或者通过组合检验对象和传感器的移动能够实现。在此，传感器和检验物表面之间的间距应该是尽可能恒定的。通过该相对移动在材料中在磁场的作用区域中产生涡流，其次级磁场作用于微分传感器的线圈。针对各个线圈分开检测并且通过应用至少一个评估方法而评估在微分传感器的线圈的绕组中感应的电压或者从中推导出的信号，由此能够探测导电材料中的异常。

所述特征和另外的特征除了来自权利要求之外还来自说明书和附图，其中各个特征能够分别单单本身实现或者在本发明的实施方式中成复数（zu mehreren）以次组合的形式以及在其他领域实现并且能够呈现有利的、以及本身可保护的实施方案。本发明的实施例在附图中呈现并且接着得到进一步解释。

附图简短说明

图1示出在检验运行中的、具有根据本发明的一实施方式的微分传感器的检验系统的一实施方式；

图2示意性地示出三维作用的微分传感器的一实施方式；

图3示意性地示出二维作用的微分传感器的一实施方式；

图4示意性地示出常规的洛伦兹力-涡流检验（无缺陷时（-）和有（---）缺陷时）的测量信号，其中4A示出在材料的移动方向上的力信号并且4B示出上升方向上的力信号；

图5示出在根据本发明的一实施方式的微分传感器的情况下感应的电压信号，其中5A示出在x-方向（移动方向）上具有线圈轴的线圈的信号并且图5B示出在z-方向（上升方向）上具有线圈轴的线圈的信号；

图6示意性地示出检验系统，该检验系统配置用于洛伦兹力-涡流检验和微分涡流检验的组合；

图7示出具有多个相同微分传感器的二维传感器阵列；以及

图8示出具有传感器系统的检验系统，所述传感器系统具有两个微分传感器，所述微分传感器出于间距补偿的目的以与检验对象不同的检验间距来布置。

优选实施方式的详细说明

示意性的图1示出在执行用于探测检验对象OBJ中的异常的方法时在检验运行中、具有根据本发明的一实施方式的微分传感器的检验系统的一实施方式，该检验对象至少在表面OB的区域中由导电材料制成，必要时也完全地由导电材料制成。

在该检验布置和/或测量布置的情况下，检验系统相对于空间固定的笛卡尔坐标系KS静止，而检验对象相对于该坐标系以速度v在x方向上的移动方向R上移动。检验对象、例如由钢、铝或其他铁磁金属或非铁磁金属制成的板或条带在示例情况下包含：隐藏的缺陷D1，该缺陷未达到检验对象的表面OB并且位于一定深度；以及靠近表面的、以空腔形式的缺陷D2，该缺陷达到表面OB。

检验系统SYS具有连接到评估设备A的微分传感器SENS1。传感器SENS1具有永磁体PM，所述永磁体在示例情况下是稀土磁体的立方体状（quaderfoermig）件。为了执行该检验，将永磁体带到相对于检验对象在其附近处并且如此定向使得该永磁体的磁轴、即磁北极N和磁南极S之间的连线尽可能垂直于检验对象的表面OB。

传感器具有第一线圈S1，第一线圈S1具有一个或多个第一绕组，所述第一绕组围绕永磁体走向并且定义（垂直于这些绕组定向的）第一线圈轴，该线圈轴在示例情况下平行于永磁体的磁轴或平行于z方向走向。此外还提供第二线圈S2，所述第二线圈S2具有一个或多个第二绕组，所述第二绕组围绕永磁体走向并且定义第二线圈轴，所述第二线圈轴垂直于第一线圈轴走向，即在x方向上，其在检验期间尽可能平行于移动方向R定向。额外还提供第三线圈S3，该第三线圈同样具有一个或多个绕组，所述绕组围绕永磁体走向并且定义第三线圈轴，所述第三线圈轴垂直于第一线圈轴和第二线圈轴并且因此平行于y方向走向。

所述三个线圈轴和/或垂直于相应线圈轴的线圈平面因此交替地互相垂直。这些线圈在示例情况下由绝缘金属丝（Draht）缠绕并且互相电绝缘。线圈例如借助于粘合材料固定在永磁体处，使得相对于该永磁体的移动是不可能的。由永磁体和线圈构成的布置能够注入不导电、不能磁化的塑料合成物（Kunststoffmasse）中，该塑料合成物由于简化的原因而没有呈现。线圈分别彼此分开地连接到评估设备A，其中为各线圈分配自己的输入通道。

检验系统有能力在由线圈检测的区域中探测磁通量Φ的时间变化，其方式是：借助于评估设备检测并评估各个线圈的绕组中感应的电压。磁通量的时间变化能够针对笛卡尔坐标系的三个空间方向分开检测。磁通量变化在z方向上的分量通过第一线圈S1检测并且在该线圈中相应地感应电压U_z。磁通量变化在x方向（即大致平行于检验对象的移动方向R）上的分量在第二线圈S2中产生相应的电压U_x。平行于y方向、垂直于所提及的分量（即朝向移动的横向方向）的分量在第三线圈S3中产生相应的电压U_y。各个电压在评估设备中分开检测并且于是能够借助不同的评估方法使各个电压相关。

因为传感器SENS1有能力在多个空间方向上分开检测磁通量的时间变化，即微分dΦ/dt,所以该传感器也称为“微分多分量传感器”。

图2示意性地示出来自图1的三维作用的传感器SENS1的可能的设计方案。第一线圈S1的绕组和第二线圈S2的绕组在相互垂直的方向上分别直接缠绕在永磁体的外周缘上，而第三线圈S3的绕组垂直于其他两个线圈的绕组围绕这些绕组缠绕。反过来的布置也是可能的。

图3示出传感器SENS2的简化的变型方案，该传感器仅仅具有第一线圈S1和第二线圈S2，使得只能够在两个互相垂直的空间方向上检测磁通量变化的两个分量。这对于许多测量目的和/或检验目的来说能够是足够的。

传感器和/或检验系统的功能原理能够描述如下。通过利用线圈围绕的永磁体PM和由导电材料制成的检验对象之间的相对移动，由永磁体的磁场在检验对象中感应涡流。这些涡流又产生次级磁场，该次级磁场与永磁体的初级磁场相互影响并且叠加在其上。在此，这些线圈“看见”叠加的总场（初级场和次级场），然而其中只有线圈中的次级场的变化作为感应电压被记录。检验对象中的异常造成线圈区域中磁通量的变化并且因此能够通过微分传感器被检测。

检验方法、检验系统和传感器相比较于常规的涡流检验（借助于流有电流的激励线圈激励初级场）有一些优点，所述优点也能够通过起初描述的洛伦兹力-涡流检验取得，尤其是增大的穿入深度。然而相比较于洛伦兹力-涡流检验得到另外的优点，首先鉴于检验的可能的较高动态性（较高的检验速度）以及误探测的避免。为了更好地理解，接下来解释这两种方法和传感器系统的一些共同之处和主要不同之处。

如同已经提及的那样，在洛伦兹力-涡流检验的情况下将直流磁场用在待检验的材料中以便产生涡流，该直流磁场例如通过永磁体或者利用直流电流运行的线圈生成。在与材料相互作用时磁场的时间变化通过在检验对象和直流场源之间产生相对速度而产生。

根据用于移动的载流子的欧姆定律，在磁通量密度B和相对移动的速度v的情况下在检验对象中感应电流密度为j的涡流：

涡流在其侧又与初级直流场相互影响。在材料的容积V中的该互相影响导致对待检验的材料的力作用，该力作用利用洛伦兹力F_LF来表示：

根据牛顿第三定律“作用力=反作用力”必须存在第二力，该第二力反作用于洛伦兹力的引起者（Verursacher），也就是反作用于初级磁场的源，即永磁体PM。该力是矢量值并具有三个空间方向。在图1中，描绘x方向、y方向和z方向上对应的力分量F_x、F_y和F_z。如果待检验材料不包含缺陷，那么涡流的线路不被干扰并且洛伦兹力是恒定的。如果缺陷干扰涡流的线路，则引起能够被测量的力变化。

图4为了进行说明而示出无缺陷（实线）和有缺陷（虚线）的洛伦兹力-涡流检验的典型测量信号，其中4A示出在材料移动方向上的力信号（x轴）以及4B示出在上升方向上的力信号（z轴）。

因为初级磁场是直流场，所以涡流进入材料中的穿入深度通过相对速度被确定并且不是如同在传统涡流检验的情况下那样主要通过激励频率被确定。由此，在同样的测量条件下能够潜在地在更深处探测缺陷。

力能够仅仅借助其作用被测量。通常是应用机械变形本体，在这些变形本体处通过拉长和压缩能够反向计算出起作用的力。该变形本体在结构机械上更适合（eher）有低的刚度。由于该原因，固有频率经常在低的Hz区域。因为高测量速度需要测量系统的高动态性，所以具有低固有频率的系统不合适。当干扰在过短的时间间隔内进行时，干扰绝对（schlichtweg）不被系统发觉（振荡隔绝）。

同样不利的是，持续起作用的洛伦兹力能够影响检验系统。传感机构必须覆盖相应大的测量区域。指示缺陷的干扰与起作用的洛伦兹力相比是小的。相应地，必须保证高分辨率。这两个要求（测量区域、分辨率）是相反的并且呈现目标冲突，该目标冲突通常只能通过技术折衷来解决。

与传统的涡流检验相反，洛伦兹力-涡流检验只是有条件地适合于检验铁磁材料。必须补偿磁体和检验材料之间的高吸引力。否则洛伦兹力以及尤其是由吸引力造成的干扰叠加并且不能令人满意地被探测。

洛伦兹力-涡流检验不是通过频率相关的穿入深度，而是通过速度相关的穿入深度来限制。速度限制从1m/s的速度开始能够通过力作用的非线性性能（Verhalten）被感觉到。该方法潜在地适合于探测非铁磁材料中透过表面或者位于表面附近的缺陷。检验材料的特定电导率能够借助于两个测量的力分量来确定（参见DE102011056650A1）。

为了去除描述的、该检验与洛伦兹力-涡流检验之间的目标冲突，可能的是只检测力信号的时间变化。信号变化一方面能够通过微分布置确定，所述微分布置需要两个相同类型的测量系统，其中一个测量系统查验待检验材料的无缺陷部分，而另一个测量系统扫描（ueberfahren）缺陷；另一方面，变化能够通过信号的时间求导（微分）被确定。

已知如下是有问题的：确定力信号处的时间导数，原因在于在该情况下人们将噪声增强。更佳的是测量通过时间变化与洛伦兹力相联系的物理量。

力信号由总磁场生成，其通过初级磁场和次级磁场的相互影响形成。次级磁场的时间变化也引起总磁场的时间变化。初级直流部分对时间导数没有影响。次级磁场作为对受干扰的涡流线路的反应而变化。磁场中的该时间变化能够利用不同的传感器、例如感应线圈来测量。在绕组数量为N且线圈面积为A的线圈中，磁通量的时间变化产生电压U:

能够示出：该电压与相应的洛伦兹力分量成比例。

如此产生的电压包含由本体边缘或者材料特性的异常引起的磁场变化。材料特性的异常能够尤其是电导率和磁导率的偏差、夹气和裂缝。基于对时间导数的使用，该方法被称为“微分”方法。尤其是，该方法能够称为“移动感应的次级场-涡流检验”（Motion Induced Secondary Field Eddy Current Testing，MISFECT）。

因为在随时间不可变化的信号的情况下（在检验干预中无材料，材料在检验干预中，但是无缺陷）电压为零并且电压只在变化时被测量，所以覆盖小的测量区域足以探测缺陷。测量系统的现在可能的高分辨率提供对用于缺陷探测的概率的提高。这种传感器是无源的，原因在于不需要能量供应，并且是过载安全的，原因在于只感应不能破坏传感器的低电压。

为了进行说明，图5示出在线圈中感应的、具有不同定向的电压信号，其中5A示出在x方向（移动方向）上具有线圈轴的第二线圈的信号并且图5B示出在z方向（上升方向）上具有线圈轴的第一线圈的信号。

能够使用两个或更多电压信号的时间相关性，以便于减少伪废品（检验为不良的良好部分）。因为磁场中的变化应该同时在多个线圈中出现，所以人们能够忽略仅在传感器的一个分量中出现的故障信号。

与洛伦兹力-涡流检验相反，磁吸引力不再干扰测量系统。相应地，通过在此介绍的移动感应的次级场-涡流检验也能够以高灵敏度和检验速度检查铁磁材料。

迄今描述的类型的微分涡流传感器能够有利地结合多分量-洛伦兹力-涡流传感器应用，该多分量-洛伦兹力-涡流传感器被设计用于检测感应的洛伦兹力的绝对值在相应空间方向上的分量。基于两个方法的关系，由此尤其可能的是：在对缺陷进行无损检验的同时例如还测量已检验材料的特定电导率。

为了进行说明，图6示意性地示出配置用于该类型的组合检验的检验系统SYS1的主要组件。该检验系统的组合传感器SS和/或传感器组合SS具有用于检测三个维度中磁通量变化的微分传感器SENS3，该微分传感器SENS3的构造和功能能够对应于来自图1或图2的传感器SENS1的构造和功能。相应的组件承载与图1和图2中同样的参考标记。参考与此相关的说明书。三个相互正交围绕永磁体PM缠绕的线圈S1、S2、S3彼此分开地连接到第一评估设备A1。

传感器SENS3借助于由不导电、不能磁化的材料制成的保持设备H固定于力传感器F-SENS下侧并且由此与该力传感器F-SENS机械固定地耦合。该保持设备能够例如由传感器SENS3的塑料包封物构成，该塑料包封物粘合在力传感器的合适的连接面处或者与该力传感器用螺丝连接。力传感器F-SENS机械刚性地与检验系统SYS1的空间固定安装的组件K耦合，其在空间中的位置和定向能够通过空间固定的坐标系KS描述。

力传感器示意性地通过低机械刚度的变形本体来表示，该变形本体的拉长或压缩或扭曲（Verschr?nkung）基于外部的力能够通过应变仪或其他电磁转换器检测，其中能够由电转换器信号反向计算出造成变形的力。力传感器连接到第二评估设备A2，利用第二评估设备能够求得力作用在三个空间方向上的所属量度。

组合传感器SS在示例情况下以小的检验间距PA布置在金属导电检验对象OBJ的表面OB之上，该检验对象以速度v平行于x方向相对于静止的组合传感器SS移动。

检验对象例如能够是具有前边缘和后边缘的金属板（在移动方向上看）以及靠近表面的缺陷D3。图4和图5在两个维度中示意性地示出无缺陷（实线）和有缺陷（虚线）的可能的传感器信号，也就是一方面在图4A和图5A中平行于行进方向（x方向）以及在图4B和图5B中在z方向上、即垂直于检验物表面的上升方向上。

在移动方向上的力信号Fx在前边缘达到的情况下上升到有限值并且然后保留在基本恒定的水平，直到后边缘经过传感器并且信号再次下降到零。对应于制动力的该信号在存在缺陷时在平坦区域中少量地下降，原因在于该缺陷干扰材料中的涡流扩散并且因此干扰次级场。在上升力的情况下（图4B），使边缘在相反定向的大偏转方面是可以被察觉的，而在边缘之间出现的缺陷引起信号的与之相比小的、接近正弦状的干扰。

在微分传感器SENS3中产生的电压信号具有其它的走向。根据图5A，使本体边缘在第二线圈S2（其线圈轴在x方向上走向）的电压信号中通过在相反方向上大的偏转是可被察觉的，其中然而在从中间穿过未受干扰的检验物材料的情况下，电压信号消失。如果缺陷穿过传感器区域，则形成近似正弦的缺陷信号。通过其线圈平面平行于检验物表面走向的第一线圈S1来检测磁通量变化的如下分量，该分量垂直于检验物表面、即在上升方向上起作用。在此，前边缘和后边缘得出相反定向的大的、歪曲的正弦偏转。在无缺陷的中间区域，电压下降到零。当出现缺陷时，使该缺陷能作为电压信号的歪曲正弦偏转被察觉。

两种类型的信号、即力传感器F-SENS的回溯到力作用的信号和微分传感器SENS3的感应电压都在检验系统SYS1的情况下被评估，以便于获得关于已检验材料的结论（Aussagen）。存在缺陷或不存在缺陷借助于第一评估单元A1从微分传感器SENS3的传感器信号以高灵敏度和高动态性求得。同时，对于来自力传感器的信号的相同的检验容积求得检验物材料的特定电导率。在此构造商F_z/F_x，其被除数包括用于上升方向上力作用的量度（F_z）并且其除数包括用于平行于移动方向的力作用的量度，即用于制动力（F_x）的量度。基于这些测量值能够根据在DE 102011056650A1中描述的方法求得检验物原料的电导率。在此能够通过构造商将磁体的磁通量以及永磁体和原料之间的间距对测量结果的影响降到最低，使得可能以高精确度来非接触地确定电导率。通过参考使DE 102011056650A1的与此相关的公开内容在此方面成为本说明书的内容。

组合检验系统SYS1和/或组合传感器SS具有机械上和电上相对简单且健壮的构造并且能够例如直接结合生产应用于鉴定导电材料，以便于除了对缺陷高动态性且灵敏的检验之外也关于电导率进行还要准确的定量说明。这种组合传感器能够例如在铝生产时以大的优势使用并且能够代替迄今为止的分开的检验方法。

在有些实施方式中，检验系统具有传感器系统,所述传感器系统具有两个或更多微分传感器，所述微分传感器的构造能够相似或彼此相同。

图7示出以传感器阵列AR形式的传感器系统，所述传感器阵列具有多个、例如九个彼此相同的微分传感器，所述微分传感器相对窄地并排以二维平坦阵列布置存在于矩形格栅中，以便于例如能够同时检测待检验原料的更大平面区域。在传感器阵列中也能够提供更少或更多的传感器，例如从4个传感器直至20个传感器或者更多传感器。

单个微分传感器针对（磁通量变化的）每个分量拥有特有的成像功能（点扩展功能）。当现在在传感器阵列中运行多个传感器并且各个传感器的信号通过至少一个评估算法与传感器的位置相关时，能够完成对已检查检验材料的至少二维（2D）、优选三维（3D）成像。使用另外的评估算法能够导致缺陷的3D重构。因此，基于其紧凑的构造形式，微分传感器能够也合适地应用于提供图像的（bildgebend）检验方法或测量方法。

能够将至少两个微分单个传感器用于补偿干扰影响，例如补偿检验间距变化。此外，必须尽可能清楚地知道单个传感器的间距性能（信号振幅与检验间距的相关性）。如果现在人们以两个不同的检验间距运行两个单个传感器，人们能够确定：检验间距变化了哪个量并且相应地修正测量信号（间距补偿）。

借助图8解释这种用于在检验系统SYS3中使用多个微分传感器的可能性。传感器系统SABS具有相同构造形式的第一微分传感器SENS4-1和第二微分传感器SENS4-2。额外地，还能够提供未呈现的另外的微分传感器。这两个传感器能够例如集成在传感器阵列中。每个传感器的相应三个线圈的信号在关联的评估单元Aij中（其中i=1、2、3并且j=1、2、3）分开被检测并然后将它们相关。两个传感器在z方向上相对彼此错开，以便当传感器系统定位在检验物表面OB附近时，所述传感器相对于检验对象OBJ未处于相同高度。第一检验间距PA1大于第二检验间距PA2。通过传感器信号的共同评估能够实现具有间距补偿的检验系统。

在以图解方式呈现的实施方式中，永磁体由至少一个可磁化材料件构成的磁体，所述件保持其静态磁场，而不如同电磁体情况下那样需要用于产生磁场的电流。永磁体是无电流工作的直流磁场源。所要求保护的发明的有些优点必要时也利用直流磁场源实现，该直流磁场源具有至少一个有直流流过的线圈，其中该线圈应该尽可能地连接到恒流源处用于取得恒定磁场。就在此描述的优点保持基本获得而言，概念“永磁体”在更广泛意义上表示直流磁场源。

至于其余不强制的是，永磁体或直流磁场源的磁轴尽可能垂直于检验对象的表面。倾斜定向或者平行于检验物表面的定向也是可能的。然而，尤其因为可取得的较高场强，垂直定向能够特别有利。

在以图解方式呈现的实施方式中，不同定向的线圈用作磁场传感器，所述磁场传感器在作用于线圈的磁场变化时产生以感应电压形式的传感器信号。因此概念“线圈”在更广泛意义上代表对磁场变化敏感的传感器，即在作用于传感器的磁场变化时产生与该变化成比例的传感器信号（例如以电压信号的形式）的传感器。一个、多个或者全部线圈必要时也能够由对磁场变化敏感的其他传感器来代替，例如由霍尔传感器或者超导量子干涉单元（SQUID）代替。

因此，根据另一种设计方式，提供用于探测导电材料中的异常的微分传感器，该传感器包括：

直流磁场源；

对磁场变化敏感的第一传感器，该第一传感器定义第一传感器轴；以及

至少一个对磁场变化敏感的第二传感器，该第二传感器定义第二传感器轴，该第二传感器轴横向于、尤其是垂直于第一传感器轴走向，

其中传感器轴分别是传感器的、对磁场变化灵敏度最大的方向。

Claims (13)

1. 用于探测导电材料中的异常的微分传感器，所述微分传感器具有：

永磁体（PM）;

具有一个或多个第一绕组的第一线圈（S1），所述第一绕组围绕所述永磁体走向并且定义第一线圈轴（A1）；以及

具有一个或多个第二绕组的第二线圈（S2），所述第二绕组围绕所述永磁体走向并且定义第二线圈轴（A2），所述第二线圈轴横向于第一线圈轴走向。

2. 根据权利要求1所述的微分传感器，其特征在于，具有一个或多个第三绕组的第三线圈（S3），所述第三绕组围绕所述永磁体走向并且定义第三线圈轴（A3），所述第三线圈轴横向于第一线圈轴（A1）并且横向于第二线圈轴（A2）走向。

3. 根据权利要求1或2所述的微分传感器，其特征在于，所述线圈轴（A1、A2、A3）交替地互相垂直定向。

4. 根据上述权利要求中任一项所述的微分传感器，其特征在于，第一线圈（S1）、第二线圈（S2）和第三线圈（S3）固定在所述永磁体处。

5. 根据上述权利要求中任一项所述的微分传感器，其特征在于，所述微分传感器（SENS3）与力传感器（F-SENS）机械耦合，其方式使得借助于力传感器能够在多个空间方向上检测作用于所述微分传感器的洛伦兹力。

6. 一种用于探测导电材料中的异常的检验系统，所述检验系统具有：

根据上述权利要求中任一项所述的至少一个微分传感器（SENS1、SENS2、SENS3）；和

评估设备（A、A1），所述评估设备（A、A1）配置用于针对每个线圈分开检测在所述微分传感器的线圈（S1、S2、S3）的绕组中感应的电压或者从中推导的信号，以及通过应用至少一个评估方法使它们相关。

7. 根据权利要求6所述的检验系统，其特征在于，所述评估设备（A、A1）配置用于仅当在第一线圈和第二线圈中感应对于缺陷而言典型的电压变化时，才产生指示缺陷的缺陷信号。

8. 根据权利要求6或7所述的检验系统，其特征在于，力传感器（F-SENS），所述力传感器（F-SENS）与所述微分传感器（SENS3）机械耦合，其方式使得借助于所述力传感器能够在多个空间方向上检测作用于所述微分传感器的洛伦兹力,以及

用于针对多个空间方向评估所述力传感器的信号的评估设备（A2）。

9. 根据权利要求6至8中任一项所述的检验系统，其特征在于，在评估所述力传感器的信号的情况下构造商，所述商的被除数包括用于垂直于所述检验物表面的力作用的量度并且所述商的除数包括用于平行于移动方向的力作用的量度。

10. 根据权利要求6至9中任一项所述的检验系统，其特征在于，所述检验系统（SYS3）具有传感器系统（SABS），所述传感器系统（SABS）具有至少两个微分传感器（SENS4-1、SENS4-2），所述至少两个微分传感器彼此错开地设置，其方式使得当所述传感器系统定位在所述检验对象的表面（OB）的附近时，所述至少两个微分传感器具有与检验对象不同的检验间距（PA1、PA2）。

11. 根据权利要求6至10中任一项所述的检验系统，其特征在于，所述评估设备配置用于间距补偿。

12. 根据权利要求6至11中任一项所述的检验系统，其特征在于，多个微分传感器构成一维或二维的传感器阵列（AR）。

13. 用于在应用根据权利要求1至5中任一项的微分传感器的情况下和/或在应用根据权利要求6至12中任一项的检验系统的情况下探测导电材料中的异常的方法，所述方法具有以下步骤：

在由导电材料制成的检验对象的表面附近以如下方式布置所述微分传感器，即由所述永磁体产生的磁场能够穿入所述检验对象中直至穿入深度；

在所述微分传感器和由导电材料制成、平行于移动方向的检验对象之间产生相对移动；

针对每个线圈分开检测在所述微分传感器的线圈（S1、S2、S3）的绕组中感应的电压或者从中推导的信号；以及

通过应用至少一个评估方法来评估在所述线圈中感应的电压或者从中推导的信号。