DE102005041089B3

DE102005041089B3 - Vorrichtung zum Erfassen von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand

Info

Publication number: DE102005041089B3
Application number: DE102005041089A
Authority: DE
Inventors: Gabriel Daalmans
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: DAALMANS, GABRIEL, 91315 HOECHSTADT, DE
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: WO2007025848A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand. Die Vorrichtung umfasst wenigstens zwei Eingangsklemmen (12, 14) zum Anlegen einer Versorgungsspannung sowie wenigstens einen Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) und wenigstens eine Induktionsspule (22, 24, 26, 28) zum Erfassen eines Wirbelstromfeldes, die nach einem vorbestimmten Schema zwischen den Eingangsklemmen (12, 14) geschaltet sind. Weiterhin sind wenigstens zwei Ausgngsklemmen (16, 18) zum Abgreifen einer Spannung vorgesehen, die mit wenigstens einem Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) und/oder wenigstens einer Induktionsspule (22, 24, 26, 28) gekoppelt sind. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat (10), auf dem der Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) und die Induktionsspule (22, 24, 26, 28) nach einem vorbestimmten Schema angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Messanordnung zum Erfassen von Materialdefekten in einem Prüfgegenstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 19.
Die im Laufe der Zeit auftretenden Veränderungen der mechanischen und chemischen Eigenschaften des elektrisch leitfähigen Prüfgegenstands wirken sich auch auf dessen elektrische und magnetische Eigenschaften aus. Durch Korrosion, Oxidation, Diffusion und weitere Alterungsprozesse werden beispielsweise die spezifische elektrische Leitfähigkeit und die relative Permeabilität des Prüfgegenstands verändert. Die Erfassung dieser elektrischen und magnetischen Größen ermöglicht somit die zerstörungsfreie Feststellung von mechanischen und chemischen Veränderungen beim Prüfgegenstand.
Dabei wird an dem Prüfgegenstand ein magnetisches Wechselfeld angelegt, das von einem Erregerstrom I_Err mit vorgegebener Frequenz f erzeugt wird. Das magnetische Wechselfeld induziert Wirbelströme im Prüfgegenstand, die wiederum ein magnetisches Wirbelfeld aufbauen. Das Wirbelfeld wird erfasst und ausgewertet.

In 6 und 7 sind Spulenanordnungen gemäß dem Stand der Technik dargestellt. 6 zeigt eine Draufsicht einer bekannten Spulenanordnung, die eine Erregerspule 52 und eine Detektorspule 54 umfasst. Die Erregerspule 52 und die Detektorspule 54 sind als Leiterbahnen auf demselben Substrat ausgebildet. Durch die Erregerspule 52 fließt ein Erregerstrom I_HF mit hoher Frequenz. Die Erregerspule 52 ist zwischen einer ersten Eingangsklemme 12 und einer zweiten Eingangsklemme 14 geschaltet. Die Detektorspule 54 ist zwischen einer ersten Ausgangsklemme 16 und einer zweiten Ausgangsklemme 18 geschaltet. Aus der zwischen der ersten Ausgangsklemme 16 und der zweiten Ausgangsklemme 18 anliegenden Spannung lassen sich Materialdefekte im Oberflächenbereich feststellen. Mit mehreren solchen Vorrichtungen lassen sich gleichzeitig an mehreren Stellen des Prüfgegenstands Informationen über den Oberflächenbereich ermitteln. In 7 ist eine Draufsicht einer zweiten Spulenanordnung gemäß dem Stand der Technik dargestellt, die ebenfalls eine Erregerspule 56 und eine Detektorspule 58 umfasst. Sowohl die Erregerspule 56 als auch die Detektorspule 58 ist als mäanderförmige Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildet. Dabei verläuft die Erregerspule 56 innerhalb der Detektorspule 58. Die Erregerspule 56 ist zwischen einer ersten Eingangsklemme 12 und einer zweiten Eingangsklemme 14 geschaltet. Die Detektorspule 58 ist zwischen einer ersten Ausgangsklemme 16 und einer zweiten Ausgangsklemme 18 geschaltet.

Die Eindringtiefe λ des Wirbelstroms hängt insbesondere von der Frequenz f des Erregerstroms I_Err und von den Materialeigenschaften des Prüfgegenstands ab und ist gegeben durch λ = √[ρ/(πμf)], (1)wobei ρ der spezifische Widerstand, μ die relative Permeabilität und f die Frequenz des Erregerstroms I_Err ist. Das Wirbelfeld wird beispielsweise mittels einer Induktionsspule erfasst. Die an der Induktionsspule anliegende Induktionsspannung Udet = Re(U) + j Im(U) (2)umfasst einen Real- und Imaginärteil. Die Induktionsspannung hängt von der Frequenz f des Erregerstroms I_Err ab und nimmt mit dieser zu. Somit ist die Empfindlichkeit bei den hohen Frequenzen f am größten. Für diese hohen Frequenzen f in dem Bereich von etwa 100 kHz bis etwa 20 MHz beträgt die Ein dringtiefe λ bei üblichen elektrischen Leitern weniger als 1 mm. Demzufolge können beim Prüfgegenstand mit dieser Methode nur Materialdefekte innerhalb einer Schicht von etwa 1 mm unter der Oberfläche bestimmt werden.

Um Wirbelströme des gesamten relevanten Frequenzbereiches erfassen zu können, werden üblicherweise mehrere Vorrichtungen verwendet. Diese Vorgehensweise ist jedoch material- und zeitaufwändig. Es ist außerdem schwierig, die einzelnen Messergebnisse der verschiedenen Vorrichtungen räumlich zu korrelieren.

Um Materialdefekte auch im Inneren des Prüfgegenstands erfassen zu können, muss eine Frequenz f zwischen 100 kHz und einigen wenigen Hz verwendet werden. Bei derart niedrigen Frequenzen wird die Induktionsspannung sehr klein. Aus diesen Gründen werden üblicherweise Magnetfeldsensoren zur Erfassung von Wirbelströmen mit niedriger Frequenz verwendet, um Materialdefekte im Inneren des Prüfgegenstands zu bestimmen.

Es gibt einerseits Vorrichtungen mit Induktionsspulen zum Erfassen von Materialdefekten im Oberflächenbereich des Prüfgegenstands und andererseits Vorrichtungen mit Magnetfeldwandlern zum Erfassen von Materialdefekten im Inneren des Prüfgegenstands. Es sind Vorrichtungen erwünscht, die sowohl Materialdefekte im Oberflächenbereich als auch im Inneren des Prüfgegenstands erfassen können.

Aus der US 6,377,039 B1 ist ein System zum Bestimmen von Eigenschaften eines beschichteten Substrats bekannt. Dabei wird der Prüfgegenstand einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einstellbarer Frequenz ausgesetzt, das Wirbelströme im Prüfgegenstand induziert. Das von den Wirbelströmen erzeugte elektromagnetische Feld bzw. dessen induzierte Spannung wird erfasst. Insbesondere wird das Frequenzspektrum der induzierten Spannung bestimmt. Um physikalische und/oder geometrische Eigenschaften ermitteln zu können, wird dem Benutzer eine Datenbank an Messgrößen, die mittels 2D- oder 3D-Feldberechnung berechnet und mit Messdaten gefittet wurden, für unterschiedliche werte der physikalischen und geometrischen Eigenschaften zur Verfügung gestellt, so dass diese Eigenschaften indirekt bestimmbar sind.

Dieses System benötigt jedoch für jeden Prüfgegenstand einen umfangreichen Datensatz mit detaillierten Informationen über die physikalischen und geometrischen Eigenschaften des Prüfgegenstands. Mittels 2D- oder 3D-Feldberechnung und planarer Wirbelstromsonden mit besonderer Gestaltung wird der Datensatz erweitert mit Impedanzen oder durch das Material induzierten Spannungen in der Wirbelstromsonde in Abhängigkeit von Frequenz, Schichtdicken und elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Schichten. Die Impedanzen bzw. Spannungen werden in der komplexen Ebene als so genannte Gridstrukturen dargestellt. Die Gridstrukturen entstehen dabei aus zwei einander in etwa senkrecht schneidenden Kurvenscharen. Eine Kurve entsteht dabei aus der Variation eines ersten Parameters mit festen Werten für alle anderen Parameter. Eine Kurvenschar entsteht dabei durch Variation eines zweiten Parameters. Das Grid entsteht nun durch Verbinden der ermittelten Impedanzen oder Spannungen für einen gegebenen ersten Parameterwert und einen variablen zweiten Parameterwert. Beispielsweise kann eine Gridstruktur in der komplexen Impedanzebene bei einer festen Erregerfrequenz für ein nichtmagnetisches Grundmaterial mit einer vorgegebenen elektrischen Leitfähigkeit und einer elektrisch leitenden Beschichtung ermittelt werden, indem einerseits die Dicke der Schicht variiert wird bei vorgegebenem Wert der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht und andererseits die Leitfähigkeit der Schicht variiert wird bei vorgegebenem Wert der Schichtdicke. Für die Erstellung des Datensatzes sind vorab zahlreiche Messungen erforderlich. Für die Auswertung sind eine spezielle Software und Hardware erforderlich.

In dem Artikel „Deep Flaw Detection with Giant Magnetoresistive Based Self-Nullittg Probe" von Buzz Wincheski und Min Namkung (Review of Progress in Quantitative NDE, Vol. 19A, AIP, 465, 2000) ist ein Detektor zum Auffinden von Materialfehlern im Inneren von leitenden Materialien beschrieben. Der Detektor umfasst einen GMR-Sensor, eine zylindermantelförmige magnetische Linse, eine innere Spule und eine äußere Spule. Der GMR-Sensor und die innere Spule befinden sich innerhalb der magnetischen Linse. Die innere Spule erzeugt ein statisches Hintergrundfeld. Die magnetische Linse befindet sich innerhalb der äußeren Spule. Die innere Spule und die äußere Spule sind als gewickelte Drahtspulen ausgebildet.

Aus der DE 196 49 265 A1 ist ein GMR-Sensor mit einer Brückenschaltung bekannt. Als Brückenelemente werden Dünnschichtstreifenleiter verwendet. Die Brückenelemente sind so angeordnet und verschaltet, dass den Brückenelementen einer Halbseite eine parallele Magnetisierung und den Brückenelemente der sich gegenüber stehenden Halbseiten eine antiparallele Magnetisierung aufgeprägt sind. Dieser GMR-Sensor ist insbesondere zur Messung kleiner Magnetfelder und zur Winkelmessung vorgesehen.

In der GB 2 239 525 A ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Schichtdicke einer Beschichtung auf einem Substrat beschrieben. Die Vorrichtung umfasst zwei separat ausgebildete Spulen. Die eine Spule wird in der Nähe des beschichteten Substrats angeordnet. Die andere Spule befindet sich in der Nähe eines unbeschichteten Substrats aus dem gleichen Material. Ein Oszillator, dessen Frequenz sich in einem vorbestimmten Bereich ändert, erzeugt Wirbelströme in dem beschichteten und in dem unbeschichteten Substrat. Die Phasendifferenzen zwischen den in den Spulen induzierten Spannungen werden erfasst, um die Änderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz zu bestimmen. Die Schichtdicke der Beschichtung kann durch den Vergleich der Frequenzspektren der erzeugten Wirbelströme bei dem beschichteten und unbeschichteten Substrat bestimmt werden. Dabei werden die Wirbelströme im Oberflächenbereich erfasst. Mit der Vorrichtung können jedoch keine Materialfehler detektiert werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Erfassen von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand bereit zu stellen, die das Erfassen von Materialfehlern sowohl im Oberflächenbereich als auch im Inneren des Prüfgegenstands ermöglicht, wobei der konstruktive Aufwand für die Vorrichtung verhältnismäßig gering ist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein Substrat vorgesehen, auf dem der Magnetfeldwandler und die Induktionsspule nach einem vorbestimmten Schema angeordnet sind, wobei der Magnetfeldwandler als GMI-Element und die Induktionsspule als Leiterbahn ausgebildet ist.

Der Kern der Erfindung liegt darin, dass der wenigstens eine Magnetfeldwandler und die wenigstens eine Induktionsspule auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Damit können einerseits Wirbelströme im Oberflächenbereich durch die Induktionsspule bei hohen Frequenzen und andererseits auch Wirbelströme und Permeabilitäten im Inneren des Prüfgegenstands bei niedrigen Frequenzen erfasst werden. Auch eine Analyse der Remanenzfelder im Inneren des Prüfgegenstands bei einem magnetischen Gleichfeld ist möglich. Da die Induktionsspule als Leiterbahn ausgebildet ist, kann die Induktionsspule besonders flach ausgestaltet sein. Der Magnetfeldwandler ist als GMI-Element ausgebildet. Das mit Hochfrequenzstrom versorgte GMI-Element reagiert auf magnetische Niederfrequenz- bzw. Gleichfelder, die in der Längsrichtung des GMI-Elements ausgerichtet sind.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Brückenschaltung mit wenigstens vier Magnetfeldwandlern. Die Brückenschaltung ermöglicht eine besonders genaue Messung.

Weiterhin kann die Vorrichtung wenigstens eine Brückenschaltung mit wenigstens vier Induktionsspulen aufweisen. Bereits eine geringfügige Änderung der Induktivität bei einer der Induktionsspulen kann mit der Brückenschaltung gemessen werden.

Die bevorzugte Ausführungsform umfasst eine Mehrzahl von Brückenschaltungen. Dabei können die Ausgangsklemmen zum Abgreifen einer Brückenspannung vorgesehen sein.

Vorzugsweise umfasst das Substrat wenigstens ein Flächenstück oder wenigstens einen Flächenstückabschnitt. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise der Vorrichtung.

Vorzugsweise ist die Leiterbahn auf dem flachen Substrat angeordnet. Auch dies trägt zur kompakten Bauweise der Vorrichtung bei.

Beispielsweise ist das Substrat aus einem flexiblen Material hergestellt. Dadurch ist die Vorrichtung biegbar und kann an die Geometrie des Prüfgegenstands angepasst werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Magnetfeldwandler wenigstens eine Schichtstruktur aus einem weichmagnetischen Material.

Weiterhin kann der Magnetfeldwandler wenigstens ein Kernelement aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen.

Vorzugsweise ist das Kernelement als Flächenstück ausgebildet und zwischen wenigstens zwei Schichtstrukturen angeordnet.

Vorteilhafterweise ist das Kernelement aus Kupfer hergestellt. Dies ermöglicht eine besonders einfache Herstellung der Vorrichtung. Sowohl das Kernelement als auch die Leiterbahn kann aus derselben Folie ausgebildet sein.

Die Vorrichtung kann eine elektronische Schaltung aufweisen, die eingangsseitig mit den Ausgangsklemmen gekoppelt ist.

Außerdem kann der elektronischen Schaltung eine Auswertungseinheit nachgeschaltet sein.

Dabei ist die elektronische Schaltung und/oder die Auswertungseinheit zum Verarbeiten einer Mehrzahl erfasster Brückenspannungen vorgesehen.

Weiterhin kann die Vorrichtung einen Erregerkreis zum Erzeugen magnetischer Wechselfelder aufweisen. Insbesondere ist der Erregerkreis zum Erzeugen magnetischer Wechselfelder mit niedrigen Frequenzen vorgesehen.

Zur Versorgung des Erregerkreises ist wenigstens eine Wechselspannungsquelle mit niedrigen Frequenzen vorgesehen.

Im Gegensatz dazu sind die Eingangsklemmen zum Anlegen einer Wechselspannung mit einer hohen Frequenz vorgesehen.

Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Messanordnung zum Erfassen von Materialdefekten in einem Prüfgegenstand. Die Messanordnung weist eine Vielzahl der oben beschriebenen Vorrichtungen auf.

Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand beispielhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Vorderansicht eines unbehandelten Substratabschnitts für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
1b eine schematische Vorderansicht des behandelten Substratabschnitts gemäß 1a für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
1c eine schematische Draufsicht des Substratabschnitts gemäß 1b für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2a eine schematische Vorderansicht eines Substratabschnitts mit einem Magnetfeldwandler und einem Spulenabschnitt für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2b eine schematische Draufsicht des Substratabschnitts mit dem Magnetfeldwandler und dem Spulenabschnitt für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 ein schematisches Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Spulenanordnung gemäß 3,
5 eine Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Sensoranordnung gemäß 3,
6 eine Draufsicht einer ersten Spulenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
7 eine Draufsicht einer zweite Spulenanordnung gemäß dem Stand der Technik, und
8 eine schematische Vorderansicht eines alternativen Substratabschnitts mit dem Magnetfeldwandler.
In 1a ist eine schematische Vorderansicht eines unbehandelten Substratabschnitts 10 für eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das Substrat 10 ist aus einem flexiblen Material hergestellt und hat eine Dicke zwischen 20 μm und 200 μm. Auf beiden Seiten des Substratabschnitts 10 befindet sich jeweils eine Kupferfolie 62. Um als Leiterbahnen ausgebildete Spulen in der Kupferfolie zu strukturieren, wird eine lichtempfindliche Folie 64 auf die Kupferfolie aufgebracht und mittels Photolithographie behandelt. Der Rest der Folie 64 wird entfernt und es verbleiben die Leiterbahnen 66 aus Kupfer auf dem Substrat, wie in 1b gezeigt ist. In 1c ist eine schematische Draufsicht des Substratabschnitts 10 gemäß 1b dargestellt.
2a zeigt eine schematische Vorderansicht eines Substratabschnitts 10 mit einem Magnetfeldwandler und einem Spulenabschnitt 68 für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Magnetfeldwandler ist vorzugsweise als ein GMI-Element ausgebildet. Der Magnetfeldwandler umfasst einen Kupferkern 70 und zwei Schichtstrukturen 72 und 74 aus jeweils mehreren weichmagnetischen Schichten. Der Kupferkern 70 ist als Flächenstück ausgebildet. Zwischen dem Substrat 10 und dem Kupferkern 70 befindet sich die untere Schichtstruktur 72. Oberhalb des Kupferkerns 70 ist die obere Schichtstruktur 74 angeordnet. Der Spulenabschnitt 68 ist neben dem Magnetfeldwandler auf dem Substrat 10 angeordnet. Der Spulenabschnitt 68 und der Kupferkern 70 sind mittels dreier Verbindungselemente 76 elektrisch und mechanisch verbunden.
Anstelle des GMI-Elements kann im Prinzip auch jeder andere Magnetfeldwandler verwendet werden. Das GMI-Element hat insbesondere den Vorteil, dass der Hochfrequenzstrom der Spule als Einstellstrom für das GMI-Element verwendet werden kann, was bei der Messung des Magnetfeldes keine Störung verursacht.
In 2b ist eine schematische Draufsicht des Substratabschnitts 10 mit dem Magnetfeldwandler und dem Spulenabschnitt 68 für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Die beiden Schichtstrukturen 72 und 74 wirken als eine magnetische Induktivität für den Transportstrom durch den Kupferkern 70. Die Induktivität bei hohen Frequenzen wird durch ein magnetisches Wechselfeld mit niedrigen Frequenzen oder ein magnetische Gleichfeld geeigneter Orientierung verändert.
Die Änderung der Induktivität ist auf eine Drehung der magnetischen Polarisation der weichmagnetischen Schicht zurückzuführen. Somit ändern sich die effektive transversale Permeabilität und die Impedanz des GMI-Elements bei der Spannung mit hoher Frequenz. Letztlich ist die Impedanzänderung auf ein Magnetfeld mit niedriger Frequenz zurückzuführen, das seinen Ursprung zum Beispiel in einem Materialdefekt im Inneren eines Prüfgegenstands hat.
Die GMI-Elemente können sowohl parallel und auch seriell mit der ebenen Induktionsspule geschaltet sein, wobei durch die Schaltung ein Strom mit hoher Frequenz fließt. Durch diesen Strom wird einerseits das GMI-Element elektromagnetisch eingestellt und andererseits das Material des Prüfgegenstands an der Stelle der Induktionsspule erregt. Die GMI-Elemente sind empfindlich für Magnetfelder mit niedriger Frequenz, deren Feldlinien sich entlang der Längsachse der GMI-Elemente erstrecken.
In 3 ist ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung weist eine erste Hochfrequenzklemme 42 und eine zweite Hochfrequenzklemme 44 auf. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine erste Spulenanordnung 20 und eine zweite Spulenanordnung 21 sowie eine erste Sensoranordnung 30 und eine zweite Sensoranordnung 31. Die erste Spulenanordnung 20 ist mit der ersten Sensoranordnung 30 in Reihe geschaltet. Die zweite Spulenanordnung 21 ist mit der zweiten Sensoranordnung 31 in Reihe geschaltet. Die beiden Reihenschaltungen sind parallel miteinander zwischen der ersten Hochfrequenzklemme 42 und der zweiten Hochfrequenzklemme 44 geschaltet.
Die Spulenanordnungen 20 und 21 weisen jeweils eine erste Eingangsklemme 12 und eine zweite Eingangsklemme 14 auf sowie eine erste Ausgangsklemme 16 und eine zweite Ausgangsklemme 18 auf. Die Sensoranordnungen 30 und 31 weisen ebenfalls jeweils eine erste Eingangsklemme 12 und eine zweite Eingangsklemme 14 sowie eine erste Ausgangsklemme 16 und eine zweite Ausgangsklemme 18 auf. Die Ausgangsklemmen 16 und 18 der Spulenanordnungen 20 und 21 sowie der Sensoranordnungen 30 und 31 sind mit dem Eingang einer elektronischen Schaltung 40 gekoppelt. Der elektronischen Schaltung 40 ist eine Auswertungseinheit 50 nachgeschaltet.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine erste Niederfrequenzklemme 46 und eine zweite Niederfrequenzklemme 48. Zwischen der ersten Niederfrequenzklemme 46 und der zweiten Niederfrequenzklemme 48 ist ein Erregerkreis 60 geschaltet.
An den Hochfrequenzklemmen 42 und 44 wird eine Wechselspannung mit hoher Frequenz angelegt.
An den Niederfrequenzklemmen 46 und 48 wird eine Wechselspannung mit niedriger Frequenz angelegt. Der Erregerkreis 60 umfasst Induktivitäten, die in 3 nicht dargestellt sind. Das dadurch erzeugte Magnetfeld mit niedriger Frequenz kann auch dazu verwendet werden, um Defekte in magnetischen Materialien zu finden. Bei ferromagnetischen Materialien können Remanenzfelder, entweder spontan oder durch gezielte Magnetisierung, vorhanden sein. Die Gradienten des Remanenzfeldes weisen auf Inhomogenitäten im Material hin.
Die Frequenz des Erregerkreises 60 hängt von der Art der Untersuchung ab, die durchgeführt werden soll. Bei Remanenzfeldern sind keine Erregungen erforderlich. Bei einer Permeabilitäts- oder Wirbelstromanalyse ist die Frequenz vom Verhältnis zwischen der Eindringtiefe und der Dicke des Prüfgegenstands abhängig. Bei der vollständigen Erfassung des Prüfgegenstands soll die Frequenz so gewählt werden, dass die Eindringtiefe größer ist als die Dicke des Prüfgegenstands. Die Untergrenze der Frequenz hängt jedoch vom Signal-Rauschabstand der Messschaltung ab. Erfahrungsgemäß liegt die Untergrenze bei etwa 1 kHz.
Die Vorrichtung gemäß 3 ist in der Lage, Materialdefekte im Oberflächenbereich und im Inneren des Prüfgegenstands zu erfassen. Die Vorrichtung kann als beweglicher Detektor oder in einer festen Position verwendet werden. Eine Vielzahl solcher Vorrichtungen kann zu einer Messanordnung zusammengefasst werden. Die räumliche Auflösung der Feldverteilung kann in einer festen Position erfasst werden. Für die Erfassung eines größeren Prüfgegenstands ist der bewegliche Detektor vorteilhaft.
4 zeigt eine Draufsicht der bevorzugten Ausführungsform der Spulenanordnung 20 oder 21 aus 3. Die Spulenanordnung 20 bzw. 21 umfasst vier Induktionsspulen 22, 24, 26 und 28. Die Induktionsspulen 22, 24, 26 und 28 sind als serpentinen- oder mäanderförmige Leiterbahnen auf dem Substrat 10 ausgebildet. Die erste Induktionsspule 22 und die zweite Induktionsspule 24 sind in Reihe geschaltet. Die dritte Induktionsspule 26 und die vierte Induktionsspule 28 sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Die beiden seriellen Induktionsspulenpaare 22 und 24 sowie 26 und 28 sind parallel zwischen den beiden Eingangsklemmen 12 und 14 geschaltet. Somit bilden die vier Induktionsspulen 22, 24, 26 und 28 eine so genannte Wheatstonesche Brückenschaltung. Zwischen der ersten Induktionsspule 22 und der zweiten Induktionsspule 24 befindet sich die erste Ausgangsklemme 16. Zwischen der dritten Induktionsspule 26 und der vierten Induktionsspule 28 befindet sich die zweite Ausgangsklemme 18.
An den Eingangsklemmen 12 und 14 wird eine Versorgungsspannung angelegt, so dass von der ersten Eingangsklemme 12 zur zweiten Eingangsklemme 14 ein Erregerstrom I_Err fließt. Zwischen den Ausgangsklemmen 16 und 18 liegt eine Brückenspannung ΔU an. Die Brückenspannung hängt insbesondere vom Verhältnis der Impedanzen der Induktionsspulen 22, 24, 26 und 28 ab. Eine geringfügige Änderung der Impedanz bei einer Induktionsspulen 22, 24, 26 oder 28 wirkt sich bereits deutlich auf die Brückenspannung ΔU auf.
Wenn in dem Prüfgegenstand ein Materialdefekt auftritt, wird die durch die Induktionsspulen 22, 24, 26 und 28 gebildete Wheatstonesche Brückenschaltung unsymmetrisch und an den Ausgangsklemmen 16 und 18 tritt die Brückenspannung ΔU = 0,5 IHF δ[2πfHFL) exp[2jπfHFt], (3) auf, wobei δL die Änderung der Induktivität einer Induktionsspule aufgrund des Materialdefekts ist. Die Änderung der Induktivität δL ergibt sich im Allgemeinen durch die lokalen Änderungen des spezifischen Widerstands ρ und der Permeabilität μ.
In 5 ist eine schematische Draufsicht einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoranordnung 30 oder 31 aus 3 dargestellt. Die Sensoranordnung 30 bzw. 31 umfasst vier Magnetfeldwandler 32, 34, 36 und 38. Die vier Magnetfeldwandler 32, 34, 36 und 38 sind ebenso geschaltet wie die vier Induktionsspulen 22, 24, 26 und 28 in 4. Dementsprechend weisen auch die Sensoranordnungen 30 und 31 eine erste Eingangsklemme 12, eine zweite Eingangsklemme 14, eine erste Ausgangsklemme 16 und eine zweite Ausgangsklemme 18 auf. Somit bilden auch die vier Magnetfeldwandler 32, 34, 36 und 38 eine Wheatstonesche Brückenschaltung. Vorzugsweise sind die Magnetfeldwandler 32, 34, 36 und 38 als GMI-Elemente ausgebildet.
Die Brückenspannung an den Ausgangsklemmen 16 und 18 der Sensoranordnungen 30 und 31 ist gegeben durch ΔU = 0,5 δZGMI IHF exp[2jπfHFt]. (4)
Die Materialdefekte bewirken eine Änderung der Impedanz bei einem der GMI-Elemente. Die Änderung der Impedanz folgt aus dem lokalen Gradienten in dem Magnetfeld mit niedriger Frequenz aufgrund elektrischer oder magnetischer Inhomogenitäten. Die Änderung der Impedanz ist gegeben durch δZGMI = (∂Z/∂BLF) δBLF exp[2jπfLFt]. (5)
Nach einer phasenempfindlichen Erfassung mit einer hohen Frequenz f_HF sind die Informationen über Materialdefekte im Inneren des Prüfgegenstands in der Brückenspannung <ΔU> = 0,5 IHF (∂Z/∂BLF) δBLF exp[2jπfLFt] (6) enthalten. Eine weitere phasenempfindliche Erfassung mit der niedrigen Erregerfrequenz f_LF führt auf lokale Änderungen der Amplitude des Feldes mit der niedrigen Frequenz aufgrund der Materialdefekte im Inneren des Prüfgegenstands. Somit ermöglicht die Kombination von Induktionsspulen 22, 24, 26, 28 und GMI-Elementen 32, 34, 36, 38 auf einfache Weise die gleichzeitige Erfassung von Materialdefekten im Oberflächenbereich und im Inneren des Prüfgegenstands.
Die GMI-Elemente 32, 34, 36 und 38 erfassen eine Komponente des Magnetfeldes mit niedriger Frequenz. Um beide Komponenten in der Ebene parallel zur Oberfläche des Prüfgegenstands zu erfassen, kann eine weitere Sensoranordnung verwendet werden, die gegenüber der Sensoranordnung 30 bzw. 31 um 90° gedreht ist. Eine entsprechende Vorgehensweise kann auch bei der Spulenanordnung 20 bzw. 21 gemäß 4 angewandt werden, um eine vollständige Erfassung der Materialdefekte im Oberflächenbereich des Prüfgegenstands zu ermöglichen.
Die Spulen sind im Prinzip für eine Gleichspannung und für eine Wechselspannung bis zu einer Frequenz von etwa 100 MHz verwendbar. Insbesondere für hohe Frequenzen wird für die Spulen ein Material mit geringen Leistungsverlusten verwendet, so dass hohe Temperaturen und eine Zerstörung vermieden werden. Dazu werden Materialien mit hoher Leitfähigkeit, beispielsweise Gold oder grobkristallines Kupfer, verwendet.
Bei den GMI-Elementen hängt der relevante Frequenzbereich von deren Impedanz ab. Die Ausgangsspannung des GMI-Elements ist proportional zur Induktivität ohne äußeres Feld: U(1) – U(2) = 0,5 IHF (∂Z/∂BLF) δBLF (7)wobei (∂Z/∂BLF) = ωHF (∂L/∂BLF) ≈ ωHF Δμ(BLF)L(0) (8) und Δμ(B_LF) maximal μ(GMI). Die Feldempfindlichkeit des GMI-Elements ist proportional zur Frequenz des Biasstroms, zur Induktivität des GMI-Elements und zur Änderung der Permeabilität der magnetischen Schichten. Die Änderung der Permeabilität ist proportional zur Permeabilität selbst, so dass diese sehr groß ist. Die Induktivität des GMI-Elements kann durch dessen Länge und Dicke beeinflusst werden. Beispielsweise sind für einen Biasstrom mit einer Frequenz von 1 MHz Magnetschichten mit einer Dicke von etwa 1 μm vorgesehen, wobei die GMI-Elemente eine Länge von etwa 1 mm bis 1 cm aufweisen. Bei höheren Frequenzen sind entsprechend geringere und bei niedrigeren Frequenzen entsprechend höhere Abmessungen vorgesehen.
Im Prinzip kann eine Vielzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusammengeschaltet und von einer Stromquelle versorgt werden.
In 6 und 7 sind Spulenanordnungen gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dabei weisen vergleichbare Komponenten die gleichen Bezugszeichen auf.
6 zeigt eine Draufsicht einer ersten Spulenanordnung gemäß dem Stand der Technik, die eine Erregerspule 52 und eine Detektorspule 54 umfasst. Die Erregerspule 52 ist in etwa als spiralförmige Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildet. Die Detektorspule 54 ist als Leiterbahn auf demselben Substrat ausgebildet und weist etwa die Form einer Acht auf. Durch die Erregerspule 52 fließt ein Erregerstrom I_HF mit hoher Frequenz.
Die Erregerspule 52 ist zwischen einer ersten Eingangsklemme 12 und einer zweiten Eingangsklemme 14 geschaltet. Die Detektorspule 54 ist zwischen einer ersten Ausgangsklemme 16 und einer zweiten Ausgangsklemme 18 geschaltet. Für die an der ersten Ausgangsklemme 16 und der zweiten Ausgangsklemme 18 anliegenden Spannung gilt ΔU = 0,5 IHF δ(2πfHFM) exp[2πfHFt], (9)wobei M die Gegeninduktivität zwischen der Erregerspule 52 und der Detektorspule 54 ist. Die Gegeninduktivität M ist eine Größenordnung kleiner als die Induktivität L aufgrund einer Kopplungskonstante, die frequenzabhängig ist. Nach einer phasenempfindlichen Messung sind die Änderungen δL und δM als Funktion der Koordinaten verfügbar. Daraus lassen sich Materialdefekte im Oberflächenbereich feststellen. Mit mehreren solchen Vorrichtungen lassen sich gleichzeitig an mehreren Stellen des Prüfgegenstands Informationen über den Oberflächenbereich ermitteln.
In 7 ist eine Draufsicht einer zweiten Spulenanordnung gemäß dem Stand der Technik dargestellt, die ebenfalls eine Erregerspule 56 und eine Detektorspule 58 umfasst. Sowohl die Erregerspule 56 als auch die Detektorspule 58 ist als mäanderförmige Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildet. Dabei verläuft die Erregerspule 56 innerhalb der Detektorspule 58. Die Erregerspule 56 ist zwischen einer ersten Eingangsklemme 12 und einer zweiten Eingangsklemme 14 geschaltet. Die Detektorspule 58 ist zwischen einer ersten Ausgangsklemme 16 und einer zweiten Ausgangsklemme 18 geschaltet.
8 zeigt eine schematische Vorderansicht eines weiteren Substratabschnitts mit einem Magnetfeldwandler. Dabei handelt es sich um eine alternative Ausführungsform zum Magnetfeldwandler gemäß 2a. Der Substratabschnitt in 8 umfasst einen Kupferkern 70, eine untere Schichtstruktur 72 und eine obere Schichtstruktur 74. Die Schichtstrukturen 72 und 74 sind aus jeweils mehreren weichmagnetischen Schichten hergestellt. Der Kupferkern 70 ist als Flächenstück ausgebildet und befindet sich zwischen der unteren Schichtstruktur 72 und der oberen Schichtstruktur 74. An zwei Seiten des Kupferkerns 70 befindet sich jeweils ein Verbindungselement 78. Die beiden Verbindungselemente 78 sind, ebenso wie die untere Schichtstruktur 72 und die obere Schichtstruktur 74, aus jeweils mehreren weichmagnetischen Schichten hergestellt. Die untere Schichtstruktur 72 und die obere Schichtstruktur 74 sind mittels der beiden Verbindungselemente 78 verbunden. Somit bilden die untere Schichtstruktur 72, die obere Schichtstruktur 74 und die beiden Verbindungselemente 78 einen geschlossenen Kreis um den Kupferkern 70. Es können sich geschlossene magnetische Feldlinien um den Kupferkern 70 herum bilden. Dies ermöglicht eine effektive Permeabilität, die in etwa dem Materialwert entspricht. Weiterhin ist diese Ausführungsform besonders unempfindlich gegenüber Störungen. Die Ausführungsform gemäß 8 hat etwa die gleiche Baugröße wie die Ausführungsform gemäß 2a.
Auch bei einem beschichteten Prüfgegenstand können mechanische und chemische Veränderungen die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Prüfgegenstands beeinflussen. In den Grenzbereichen zwischen dem Substrat des Prüfgegenstands und der Schutzschicht finden weitere physikalische und chemische Reaktionen, beispielsweise eine Diffusion statt, durch welche die Qualität der Schutzschicht verändert wird. Auch in diesem Fall ermöglicht die Erfassung von elektrischen und magnetischen Größen ein zerstörungsfreies Prüfverfahren zum Feststellen mechanischer Eigenschaften des Prüfgegenstands.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass gleichzeitig Materialdefekte sowohl im Oberflächenbereich als auch Inneren des Prüfgegenstands festgestellt werden können. Weiterhin kann bei einer einzigen Messung ein relativ großer Bereich des Prüfgegenstands erfasst werden. Die vollständige Vorrichtung kann auf einer einzigen Platine angeordnet sein. Schließlich kann das gesamte Volumen des Prüfgegenstands ohne Begrenzung der Eindringtiefe erfasst werden. Die Kombination von Induktionsspulen und Magnetfeldwandler ermöglicht eine vollständige Charakterisierung des Prüfgegenstands in Abhängigkeit der Tiefe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Erfassung von elektrischen Materialfehlern mit hochfrequenten und niederfrequenten Wirbelströmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auch die Erfassung von Oberflächendefekten mit hochfrequenten Wirbelströmen und die Erfassung von magnetischen Defekten mit niederfrequenten Wirbelströmen oder remanenten Gleichfeldern.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen von Wirbelströmen in einem elektrisch leitfähigen Prüfgegenstand, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: – wenigstens zwei Eingangsklemmen (12, 14) zum Anlegen einer Versorgungsspannung, – wenigstens einen Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) und wenigstens eine Induktionsspule (22, 24, 26, 28) zum Erfassen eines Wirbelstromfeldes, die nach einem vorbestimmten Schema zwischen den Eingangsklemmen (12, 14) geschaltet sind, und – wenigstens zwei Ausgangsklemmen (16, 18) zum Abgreifen einer Spannung, die mit wenigstens einem Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) und/oder wenigstens einer Induktionsspule (22, 24, 26, 28) gekoppelt sind, gekennzeichnet durch ein Substrat (10), auf dem der Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) und die Induktionsspule (22, 24, 26, 28) nach einem vorbestimmten Schema angeordnet sind, wobei der Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) als GMI-Element und die Induktionsspule (22, 24, 26, 28) als Leiterbahn ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Brückenschaltung mit wenigstens vier Magnetfeldwandlern (32, 34, 36, 38) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens eine Brückenschaltung mit wenigstens vier Induktionsspulen (22, 24, 26, 28) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Brückenschaltungen (20, 21, 30, 31) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsklemmen (16, 18) zum Abgreifen einer Brückenspannung vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) wenigstens ein Flächenstück oder wenigstens einen Flächenstückabschnitt umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) aus einem flexiblen Material hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) wenigstens eine Schichtstruktur (72, 74) aus einem weichmagnetischen Material aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldwandler (32, 34, 36, 38) wenigstens ein Kernelement (70) aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernelement (70) als Flächenstück ausgebildet und zwischen wenigstens zwei Schichtstrukturen (72, 74) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement (70) aus Kupfer hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine elektronische Schaltung (40) aufweist, die eingangsseitig mit den Ausgangsklemmen (16, 18) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronischen Schaltung (40) eine Auswertungseinheit (50) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (40) und/oder die Auswertungseinheit (50) zum Verarbeiten einer Mehrzahl erfasster Brückenspannungen vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Erregerkreis (60) zum Erzeugen magnetischer Wechselfelder aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerkreis (60) zum Erzeugen magnetischer Wechselfelder mit niedrigen Frequenzen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung des Erregerkreises (60) wenigstens eine Wechselspannungsquelle mit niedrigen Frequenzen vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsklemmen (12, 14) zum Anlegen einer Wechselspannung mit einer hohen Frequenz vorgesehen ist.
Messanordnung zum Erfassen von Materialdefekten in einem Prüfgegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung eine Vielzahl von Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.