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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelstromsonde, mit
der eine zerstörungsfreie Positionsdetektion
von elektrisch leitfähigen
Objekten, insbesondere eine Positionsdetektion von leitfähigen Materialien
auf einem nichtleitenden Träger
(z. B. Kunststoffträger)
möglich
ist.
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Wirbelstromsonden
bzw. Wirbelstromprüfsonden
zur Bestimmung von Materialeigenschaften, wie beispielsweise Eigenspannungen
von Proben, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Bei diesen
Wirbelstromsonden (somit auch bei der erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde,
die nachfolgend im Detail beschrieben wird) werden durch eine Spule (Anregungsspule),
die ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, im zu untersuchenden, leitfähigen Material Wirbelströme induziert.
Bei der Messung wird dann mittels der Wirbelstromsonde die durch
das Magnetfeld im Material induzierte Wirbelstromdichte detektiert.
Dazu wird eine zweite Spule der Wirbelstromsonde, die Messspule,
verwendet. Alternativ kann zur Messung der induzierten Ströme jedoch
auch die Anregungsspule selbst verwendet werden.
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Techniken,
die zur Positionsbestimmung von leitfähigen Materialien auf nichtleitenden
Trägern
eingesetzt werden können,
sind das Durchstrahlen der leitfähigen
Materialien mit Röntgenstrahlung
oder auch das Abscannen der Oberfläche mit elektromagnetischen
Sensoren (Metalldetektoren). Diese Techniken sind wohlbekannt, werden
aber häufig
aus wirtschaftlichen Gründen
nicht eingesetzt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom oben beschriebenen
Stand der Technik, eine Wirbelstromsonde so weiterzubilden und zur
Verfügung
zu stellen, dass mittels der Wirbelstromsonde eine einfache und
schnelle Positionsbestimmung von leitfähigen Materialien bzw. leitfähigen Objekten
auf nichtleitenden Trägern
möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Wirbelstromsonde gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein entsprechendes Wirbelstrom-Abtastverfahren
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Abtastverfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde
bzw. des erfindungsgemäßen Abtastverfahrens
lassen sich jeweils den abhängigen
Ansprüchen
entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen
sind im Anspruch 21 beschrieben.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung nun zunächst allgemein beschrieben,
dem schließt sich
ein Ausführungsbeispiel
an. Hierbei muss die vorliegende Erfindung nicht genau in derjenigen Kombination
von Einzelmerkmalen, wie sie in dem noch zu beschreibenden, speziellen
Ausführungsbeispiel
ausgebildet ist, realisiert werden, sondern kann, im Rahmen des
durch die unabhängigen
Ansprüche gegebenen
Schutzumfangs (auf Basis des allgemeinen Fachwissens des Fachmanns),
auch in einer anderen Kombination von Einzelmerkmalen realisiert werden.
Insbesondere müssen
einzelne Merkmale, die beim Ausführungsbeispiel
gezeigt sind, nicht in Kombination mit anderen einzelnen Merkmalen
des Ausführungsbeispiels
realisiert werden, sondern können
auch unabhängig
von letzteren im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert sein.
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Grundgedanke
des Lösungsweges
der vorliegenden Erfindung ist das kreuzweise Übereinanderlegen zweier Arrays
von Spulen, eines ersten Arrays (nachfolgend auch: Zeilenspulenarray)
und eines zweiten Arrays (nachfolgend auch: Spaltenspulenarray).
Jedes dieser Arrays besteht aus einer Mehrzahl einzelner Zeilen
bzw. Spalten von jeweils mehreren Einzelspulen (jede dieser Zeilen
bzw. Spalten wird nachfolgend als Zeilenspulenanordnung bzw. Spaltenspulenanordnung
bezeichnet). Jede einzelne Zeile des Zeilenspulenarrays bzw. jede
einzelne Spalte des Spaltenspulenarrays weist somit eine Mehrzahl
von Einzelspulen auf, wobei die Einzelspulen einer Zeile des Zeilenspulen arrays
bzw. diejenigen einer Spalte des Spaltenspulenarrays elektrisch jeweils
in Reihe geschaltet sind (die in den Zeilen bzw. Zeilenspulenanordnungen
angeordneten Einzelspulen werden nachfolgend auch als Zeilenspulen bezeichnet,
die in den Spalten bzw. den Spaltenspulenanordnungen angeordneten
Einzelspulen auch als Spaltenspulen).
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Die
einzelnen Spulen des Zeilenspulenarrays werden zeilenweise angeregt
(d. h. es werden aufgrund der Reihenschaltung jeweils alle Einzelspulen
einer Zeile gleichzeitig angeregt, wobei dann die einzelnen Zeilen
zeitlich nacheinander angeregt werden können, z. B. mit Hilfe eines
Multiplexers). Ebenso wird das Spaltenspulenarray spaltenweise angeregt,
d. h. die einzelnen Spaltenspulenanordnungen werden z. B. zeitlich
nacheinander angeordnet, wobei jeweils die Einzelspulen der gerade
angeregten Spaltenspulenanordnung gleichzeitig angeregt werden.
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Die
durch das zeilenweise und spaltenweise Anregen der einzelnen Spulen
in dem untersuchten Gegenstand induzierten Wirbelströme werden
dann mit der Wirbelstromsonde gemessen und ausgewertet.
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Die
erfindungsgemäße Wirbelstromsonde kann
in einer ersten vorteilhaften Variante so realisiert werden, dass
alle Einzelspulen (des Zeilenspulenarrays bzw. des Spaltenspulenarrays)
als kombinierte Anregungs- und
Messspulen eingesetzt werden: Mit ihnen wird dann sowohl zeilenweise
bzw. spaltenweise die vorbeschriebene Anregung durch Verbindung
des jeweiligen Arrays mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle,
als auch die entsprechende Erfassung der in dem vermessenen Objekt bzw.
einer vermessenen Fläche
induzierten Wirbelströme
vorgenommen. Bei einer dergestaltigen Ausbildung weist die erfindungsgemäße Wirbelstromsonde
dann genau ein Spaltenspulenarray und genau ein darüber gelegtes
bzw. in das Spaltenspulenarray verschachteltes Zeilenspulenarray
auf.
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Diese
Konfiguration kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass
die Zeilenspulenanordnungen des Zeilenspulenarrays und die Spaltenspulenanordnungen
des Spaltenspulenarrays ineinandergeschachtelt (wie nachfolgend
noch näher
beschrieben) auf ein und derselben Seite einer Leiterplatte angeordnet
werden. Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde ist somit
die herkömmliche
Leiterplattentechnologie einsetzbar.
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In
einer zweiten vorteilhaften Variante ist es jedoch auch möglich, die
erfindungsgemäße Wirbelstromsonde
mit zwei Zeilenspulenarrays und mit zwei Spaltenspulenarrays zu
versehen. Jeweils ein Zeilenspulenarray und ein Spaltenspulenarray
werden dann (vorzugsweisen ineinandergeschachtelt, es sind aber
auch einander nebengeordnete Anordnungen denkbar) in ein und derselben
Ebene angeordnet, wobei die beiden mit jeweils einem Zeilenspulenarray
und Spaltenspulenarray versehenen Ebenen dann beabstandet voneinander
ausgebildet werden. Eine der Ebenen kann dann als Anregungsebene
eingesetzt werden, d. h. die Zeilenspulenanordnungen und die Spaltenspulenanordnungen
in dieser Ebene werden mit einer Wechselspannungsquelle verbunden
und zur Erzeugung des Untersuchungsmagnetfeldes eingesetzt, während die
Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen der zweiten
Ebene (Messebene) dann zum Nachweis der induzierten Wirbelströme eingesetzt
werden. Wie nachfolgend noch näher
beschrieben, hat diese Variante insbesondere den Vor teil, dass aufgrund
der Separierung der Anregungsspulen und der Messspulen eine bessere
thermische Kompensation erfolgen kann; zudem ist eine bessere Flächenausnutzung durch
die einzelnen Spulen möglich.
Diese Variante kann insbesondere in der Multilayer-Leiterplattentechnologie
realisiert sein: Die Spulen in der Anregungsebene werden dann auf
ein und derselben Seite (der Oberseite) einer ersten, oberen Leiterplatte angeordnet,
die Spulen in der Messebene auf der Oberseite einer weiteren, zweiten
Leiterplatte, die dann unterhalb der ersten Leiterplatte und parallel
zu dieser in Sandwichtechnik angeordnet wird. Die entsprechenden
Verdrahtungen bzw. elektrischen Anschlüsse der Einzelspulen beider
Ebenen können dann
auf der Unterseite der zweiten Leiterplatte realisiert werden.
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In
einer besonders bevorzugten Variante können die Einzelspulen der Wirbelstromsonde
als ineinandergewickelte Zeilen- und Spaltenspulen realisiert werden:
Jede Zeilenspule ist dann als ebene erste Spirale ausgebildet, in
die jeweils genau eine als ebene zweite Spirale ausgebildete Spaltenspule so
hineingewickelt ist, dass die Windungen der ersten Spirale (Zeilenspulenspirale)
und diejenigen der zweiten Spirale (Spaltenspulenspirale) versetzt
zueinander und von einem gemeinsamen Spiralzentrum nach außen gesehen
jeweils abwechselnd verlaufen. Die Zeilenspule und ihre zugeordnete
Spaltenspule bilden somit zwei ineinandergeschachtelte, ineinandergewickelte
und in einer gemeinsamen Ebene verlaufende konzentrische Spiralen
aus. Vorteilhafterweise geschieht die Realisierung in Form von archimedischen
Spiralen (gleicher Abstand von Wicklung zu Wicklung).
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Zur
Anregung und/oder Messsignalauswertung können das oder die Zeilenspulenarray(s)
und das oder die Spaltenspulenarray(s) mit einem Multiplexer verbunden
werden. Die einzelnen Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen werden
dabei zeilenweise bzw. spaltenweise mit den Anschlüssen des
Multiplexers verbunden, so dass die einzelnen Zeilen bzw. Spalten
nacheinander durch Multiplexen anregbar sind. Entsprechend können bei
der Messsignalerfassung die Zeilen bzw. Spalten einzeln nacheinander
erfasst werden.
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Beispielsweise
mit den Signalausgängen des
Multiplexers kann dann eine Messsignal-Auswerteeinheit, die beispielsweise
in Form eines Personal Computers PC mit geeigneten Softwareprogrammen
bzw. Algorithmen realisiert sein kann, verbunden werden. Wie nachfolgend
noch näher
beschrieben, kann mittels unterschiedlicher Algorithmen das erfasste
Feld von Messsignalen dahingehend ausgewertet werden, dass die Positionen
von leitfähigen Objekten
innerhalb einer vermessenen Fläche
bestimmt werden. Mit Hilfe der Auswertealgorithmen ist es somit
möglich,
die zeilenweise durch die Zeilenspulenanordnungen erfassten Summensignale
der Einzelspulen der jeweiligen Zeilen bzw. die entsprechenden Spalten-Summensignale
der einzelnen Spaltenspulen der Spaltenspulenanordnungen so auszuwerten,
dass Orte, an denen leitfähige
Objekte bzw. Strukturen angeordnet sind, bestimmt werden können.
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Im
einfachsten Fall kann die Auswertung dadurch vorgenommen werden,
dass Kreuzungspunkte von lokalen Zeilenmaxima und von lokalen Spaltenmaxima
bestimmt werden, d. h. es werden diejenigen Zeilenspulenanordnungen
bestimmt, bei denen das Summensignal der Zeilenspulen ein lokales
Maximum aufweist, es werden diejenigen Spaltenspulenanordnungen
bestimmt, bei denen das Summensignal der Spaltenspulen ein lokales
Maximum aufweist, und es werden die Kreuzungspunkte der so bestimmten
Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen als diejenigen
Orte identifiziert, an denen leitfähige Objekte/Strukturen vorhanden
sind (oder, je nach Anzahl vorhandener Objekte/Strukturen, zumindest
zu erwarten sind).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante ist jeweils
ein elektrischer Anschluss der Zeilenspulenanordnungen und der Spaltenspulenanordnungen
mit einer Signalauswerteschaltung (z. B. dem Multiplexer und einer
nachfolgenden Messsignal-Auswerteeinheit)
verbunden und der jeweils andere elektrische Anschluss der Zeilenspulenanordnungen
und Spaltenspulenanordnungen mit einem Masseanschluss. Hierbei können insbesondere alle
Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen ein und denselben
Masseanschluss verwenden, was bei der Herstellung in Leiterplattentechnologie
vorteilhaft ist.
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Ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit die Schaltung
des Zeilenspulenarrays und des Spaltenspulenarrays (bzw. des aus
diesen beiden Arrays gebildeten Gesamtarrays). Die Zeilen und die
Spalten werden jeweils komplett als Reihenschaltung angeregt. Als
Rohdaten ergeben sich somit Summensignale für jede Zeile und jede Spalte.
Die Ergebnismatrix wird dann mittels spezieller Algorithmen gebildet.
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Das
erfindungsgemäße Gesamtarray
aus Zeilenspulenarray und Spaltenspulenarray besteht somit aus einer
Matrix mit einer definierten Anzahl von Spulen.
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Vorteilhafterweise
handelt es sich um spiralförmige
Spulen, die in Leiterplattentechnologie hergestellt werden können; das
Ansteuerungs- und Verschaltungskonzept der vorliegenden Erfindung
lässt sich
jedoch auch auf mit anderen Technologien herstellbare Spulen einfach übertragen
(gewickelte Spulen, in Dünnschichttechnik
hergestellte Spulen oder in Keramiktechnologie hergestellte Spulen).
Dabei können
auch ferritische Kernmaterialien zusätzlich eingesetzt werden.
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In
jedem Messpunkt des Arrays können
sich zwei ineinandergewickelte, spiralförmige Spulen befinden. Dabei
gehört
jeweils eine der beiden Spulen zu einer Zeilenspulenanordnung innerhalb
des Zeilenspulenarrays (bzw. zu einem Zeilensensor) und die andere
zu einer Spaltenspulenanordnung innerhalb eines Spaltenspulenarrays
(bzw. zu einem Spaltensensor). Jeweils alle Sensoren (bzw. Zeilenspulen)
einer Zeile der Zeilenspulenarrays werden elektrisch miteinander
in Reihenschaltung verbunden. Genauso werden alle Sensoren (bzw.
Spaltenspulen) einer Spalte des Spaltenspulenarrays elektrisch miteinander
in Serie verschaltet. Jede Zeile und Spalte kann dann mit einem
ihrer Anschlüsse über den
vorbeschriebenen Multiplexer an eine Messelektronik, die beispielsweise
als Einsteckkarte eines PCs ausgebildet sein kann, angeschlossen
werden.
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Der
jeweils andere Anschluss jedes Zeilen- und Spaltensensors wird dann
auf Masse geschaltet, wobei vorteilhafterweise wie vorbeschrieben
für alle Zeilen
und Spalten ein und derselbe Masseanschluss verwendet werden kann.
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Durch
zeitversetztes Durchschalten (Multiplexen) jeder einzelnen Zeile
des Zeilespulenarrays und Spalte des Spaltenspulenarrays wird somit
ein Summensignal über
alle Einzelspulen der jeweiligen Zeile bzw. Spalte gemessen.
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Bei
Verwendung eines einzelnen Zeilenspulenarrays und eines einzelnen
Spaltenspulenarrays erfolgen Anregung und Messwertaufnahme jeweils an
ein und derselben Spule. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die
anregenden Spulen und die messwertaufnehmenden Spulen zu trennen
und z. B. übereinander
in zwei beabstandeten Ebenen anzuordnen.
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Nach
Abschluss eines Messzyklus liegt für jede Spalte und Zeile ein
Messsignal vor. In denjenigen Zeilen, in denen sich ein zu ortendes
leitfähiges Objekt
befindet, ist das Messsignal signifikant verschieden zu den anderen
Zeilen (je nach genauer Spulenkonfiguration bzw. -geometrie kann
insbesondere ein lokales Maximum des Signals vorliegen). Genauso
verhält
es sich mit den Messsignalen aus den Spalten. Aufgrund dieser Informationen
können diejenigen
Zeilen und Spalten separiert werden, auf denen sich ein zu ortendes
Objekt befindet, wodurch die Positionsbestimmung des Objektes auf
dem Raster des Arrays möglich
ist.
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Da
fertigungsbedingt die einzelnen Spulen leicht unterschiedliche elektrische
Eigenschaften haben können,
ist es für
eine sichere Detektion vorteilhaft, vor der eigentlichen Messung
am Prüfobjekt
einen Nullabgleich durchzuführen.
Dies kann dadurch geschehen, dass alle Zeilen und Spalten an Luft
gemessen und normiert werden.
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Bereits
mit dem einfachsten Auswertealgorithmus (Suche nach lokalen Maxima)
können
zwei leitfähige
Objekte auf einem nicht leitfähigen
Trägermaterial
von der Größe des Arrays
sicher detektiert werden (bei dieser einfachsten Variante können sich beim
Vorhandensein von mehr als zwei leitfähigen Objekten ggf. Mehrdeutigkeiten
ergeben). Die Ortsauflösung
richtet sich hierbei nach dem Abstand zwischen den Einzelspulen
in Zeilen- bzw. Spaltenrichtung. Die Ortsauflösung kann leicht erhöht werden, indem
die Spulen in Zeilen- oder Spaltenrichtung zueinander versetzt angeordnet
werden. Des Weiteren kann die Ortsauflösung auch dadurch erhöht werden, dass
das Gesamtarray in kleineren Schritten als dem Abstand zwischen
den Einzelspulen in Zeilen- und in Spaltenrichtung entsprechend über das
zu scannende Objekt bewegt wird (man erhält somit insgesamt mehr Messwerte
als der Anzahl der Einzelspulen entsprechend).
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Die
einfachste Möglichkeit
der Erhöhung derjenigen
Anzahl von leitfähigen
Objekten, die sicher detektiert werden kann, besteht in einer Variation
der Scanlinienlage und Erhöhung
der Anzahl derselben durch Drehen des Gesamtarrays während der Messung.
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Durch
geeignete Auswertealgorithmen kann damit eine größere Anzahl von leitfähigen Objekten sicher
geortet werden; die Objekte können
dabei auch unterschiedliche Leitfähigkeiten aufweisen.
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Im
einfachsten Fall können,
z. B. in Leiterplattentechnologie gefertigt, genau ein Zeilenspulenarray
und genau ein Spaltenspulenarray, die dann in ein und derselben
Ebene ineinandergeschachtelt angeordnet sind, verwendet werden (Verwendung der
Einzelspulen als Anregungs- und Messspulen). Durch eine Separie rung
von Anregungs- und Messspulen ist es jedoch möglich, die thermische Kompensation
zu verbessern:
Es werden dann ein Anregungs-Zeilenspulenarray und
ein Anregungs-Spaltenspulenarray (die in einer gemeinsamen Ebene
ausgebildet werden) und ein Mess-Zeilenspulenarray
und ein Mess-Spaltenspulenarray (die ebenfalls in einer gemeinsamen
Ebene, die beabstandet von der Anregungsebene ist, ausgebildet werden)
verwendet. Durch diese räumliche Trennung
der Mess- und der Anregungsspulen wird verhindert, dass die Anregungs-
bzw. Sendespulen ihre thermische Wirkung in die Empfangs- bzw. Messspulen
einstreuen. Eine solche Separierung kann durch eine Multilayer-Leiterplattentechnologie realisiert
sein, bei der auf der Oberseite einer oberen Lage die Anregungsspulen
und auf der Oberseite einer unteren Lage die Messspulen angeordnet
sind. Auf der Unterseite der unteren Lage kann dann die Verdrahtung
bzw. die Gesamtheit der Anschlüsse
der einzelnen Spulen an die Messelektronik ausgebildet sein.
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Durch
die Trennung in eine Anregungsebene und in eine Messebene ist auch
eine bessere Flächenausnutzung
der einzelnen Spulen innerhalb ihres jeweiligen Arrays möglich: Die
Wicklungen der Einzelspulen lassen sich weiter zum Spulenzentrum nach
innen führen.
Dies liegt daran, dass es aufgrund der Multilayertechnologie durch
Einsatz von sog. „blind
vias” möglich wird,
die sichtbare Viaanzahl zu minimieren.
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Die
vorliegende Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass flächige Detektoren
mit einer großen
Pixelanzahl mit geringem technischem Aufwand realisiert werden können. Durch
die vorbeschriebene Verschaltung mit einem Multiplexer ist es insbesondere
möglich,
ein Array aufzubauen, bei dem nur so viele Kanäle wie Zeilen und Spalten vorhanden
sind (z. B. im Falle von acht Zeilenspulenanordnungen und acht Spaltenspulenanordnungen
bzw. von acht Zeilensensoren und acht Spaltensensoren sind es sechzehn
Kanäle),
benötigt
werden. Dadurch kann der Schaltungsaufwand entscheidend minimiert
werden; ebenso ergeben sich Verkürzungen
in der notwendigen Messzeit.
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Die
vorliegende Erfindung kann insbesondere für Chipkarten eingesetzt werden,
die aus einem nichtleitenden Kunststoffträger mit eingebettetem Mikrochip
bestehen. So können
beispielsweise zur Qualitätssicherung
oder Prozessüberwachung
Vorhandensein und Positionsgenauigkeit des Chips auf dem Kunststoffträger bestimmt
werden.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
Beispiel für
einen schaltungstechnischen Aufbau eines acht Zeilenspulenanordnungen
umfassenden Zeilenspulenarrays und eines acht Spaltenspulenanordnungen
umfassenden Spaltenspulenarrays, die an einen 16 × 2-Kanal-Multiplexer angekoppelt
sind, wobei jeweils ein Kanal zur Anregung und ein Kanal zum Auslesen
verwendet wird;
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2 eine
einzelne Zeilenspule, in die eine Spaltenspule hineingewickelt ist
(beide Spulen befinden sich in ein und derselben Ebene auf einer
Leiterplatte);
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3 eine
Variante des Ausführungsbeispiels,
bei dem durch Gegeneinanderversetzen der einzelnen Zeilenspulenanordnungen
die zu scannende Fläche
besser abgedeckt werden kann;
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4 die
Darstellung von Messergebnissen mit dem gezeigten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Wirbelstromsonde
mit einem Zeilenspulenarray za und einem Spaltenspulenarray sa.
Das Zeilenspulenarray za besteht aus m Zeilenspulenanordnungen z1,
..., zm, wobei jede dieser Zeilenspulenanordnungen jeweils n einzelne
Zeilenspulen aufweist. So bilden die Zeilenspulen z1-1, z1-2, ..., z1-n
die Zeilenspulen der ersten Zeilenspulenanordnung z1, die Zeilenspulen z2-1
bis z2-n die Zeilenspulen der zweiten Zeilenspulenanordnung usw.
bis hin zu den Zeilenspulen zm-1 bis zm-n der tuten Zeilenspulenanordnung.
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Die
einzelnen Zeilenspulen jeder Zeilenspulenanordnung sind elektrisch
miteinander in Reihe geschaltet. Die Zeilenspulen z1-1, ..., z1-n,
..., zm-1, ..., zm-n sind in Form eines regelmäßigen, zweidimensionalen Gitters,
also an den Kreuzungspunkten eines rechteckigen Gitters angeordnet.
Da im gezeigten Fall n = 8 und m = 8 ist (m Zeilenspulenanordnungen
mit jeweils n einzelnen Zeilenspulen, wobei jeweils benachbarte
Zeilenspulenanordnungen konstante Abstände voneinander aufweisen und
parallel zueinander angeordnet sind), ist das gezeigte Zeilenspulenarray
als quadratische Gitter ausgebildet.
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Auf
entsprechende Art und Weise ist aus n = 8 Spaltenspulenanordnungen
s1 bis sn mit jeweils m = 8 einzelnen Spaltenspulen ein regelmäßiges, quadratisches
Spaltenspulenarray sa aufgebaut. Das Spaltenspulenarray kann als
um 90° verdrehtes zweites „Zeilen” spulenarray
angesehen werden, dass dem Zeilenspulenarray überlagert ist.
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Die
Abstände
benachbarter Spaltenspulenanordnungen entsprechen dabei den Abständen benachbarter
Zeilenspulenanordnungen, und das Spaltenspulenarray sa bzw. dessen
Gitter ist (vgl. auch 2) so integriert mit dem Zeilenspulenarray
za in ein und derselben Ebene auf der Oberfläche einer Leiterplatte (nicht
gezeigt) ausgebildet, dass die Kreuzungspunkte des Zeilengitters
und des Spaltengitters, also diejenigen Punkte des Zeilenspulenarrays
und des Spaltenspulenarrays, an denen die Zeilenspulen bzw. die
Spaltenspulen angeordnet sind, aufeinanderfallen. Diese Anordnung
wurde dadurch realisiert, dass jeweils eine Zeilenspule und eine Spaltenspule
zusammen als zwei ineinandergeschachtelte, ineinandergewickelte
und in einer gemeinsamen Ebene auf der Oberfläche der Leiterplatte verlaufende
konzentrische, archimedische Spiralen ausgebildet sind (vgl. 2).
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Jede
Reihenschaltung von Zeilenspulen (also jede Zeilenspulenanordnung)
und jede Reihenschaltung von Spaltenspulen (also jede Spaltenspulenanordnung)
weist einen ersten elektrischen Anschluss 4 und einen zweiten
elektrischen Anschluss 5 auf.
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Die
zweiten elektrischen Anschlüsse 5z-1, ..., 5z-m sämtlicher
Zeilenspulenanordnungen und die zweiten elektrischen Anschlüsse 5s-1 bis 5s-n sämtlicher
Spaltenspulenanordnungen sind elektrisch miteinander und mit einem
einzigen, also ein und demselben Masse anschluss 8 verbunden,
sämtliche
zweite Anschlüsse
befinden sich somit auf Erdpotential.
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Jede
der Zeilenspulenanordnungen und jede der Spaltenspulenanordnungen
ist mit ihrem ersten elektrischen Anschluss 4 mit jeweils
zwei Eingangsanschlüssen 6 eines
Multiplexer 3 verbunden (aus Übersichtlichkeitsgründen sind
nur 4 × 2
dieser Anschlüsse
eingezeichnet): So ist beispielsweise der erste Anschluss 4z-1 der
ersten Zeilenspulenanordnung z1 mit dem Sendeanschluss S9A und ebenso mit
dem Empfangsanschluss S9B des Multiplexers 3 verbunden.
Der erste Anschluss 4z-(m-1) der (m-1)-ten Zeilenspulenanordnung
ist mit dem Sendeanschluss S14A und mit dem Empfangsanschluss S14B
des Multiplexers 3 verbunden. Ebenso ist der erste Anschluss 4s-n der
n-ten Spaltenspulenanordnung sn mit dem Sendeanschluss S1A und dem Empfangsanschluss
S1B verbunden usw. Da hier insgesamt acht Zeilenspulenanordnungen
und acht Spaltenspulenanordnungen ausgebildet sind, sind somit 16 × 2 = 32
Multiplexeranschlüsse 6 notwendig, von
denen die Anschlüsse
S1A bis S16A als Anregungs- bzw. Sendeanschlüsse und die Anschlüsse S1B
bis S16B als Mess- bzw. Empfangsanschlüsse eingesetzt werden.
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Die
Einzelspulen des Zeilenspulenarrays und diejenigen des Spaltenspulenarrays
werden im gezeigten Fall somit als kombinierte Anregungs- und Messspulen
eingesetzt; über
die sechzehn Sendekanäle
S1A bis S16A werden die einzelnen Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen zeilen-
bzw. spaltenweise mit geeigneten Wechselspannungen beaufschlagt,
gleichzeitig bzw. im gleichen Zeitfenster werden die in der untersuchten
Fläche
induzierten Wirbelströme
mittels der sechzehn Empfangskanäle
S1B bis S16B zeilenweise bzw. spaltenweise erfasst.
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Lediglich
als Skizze angedeutet ist eine Spannungsquelle q, die (über den
Multiplexer 3 und dessen Sende- bzw. Anregungsanschlüsse S1A
bis S16A) mit den einzelnen Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen
verbunden ist. Durch Anlegen einer geeigneten Wechselspannungsfolge
mit dieser Spannungsquelle q wird dann die vorbeschriebene zeilen-
und spaltenweise Anregung durchgeführt.
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Die
erfassten bzw. gemessenen Signale werden dann vom Multiplexer 3 über dessen
Ausgangsanschlüsse
einer Messsignal-Auswerteeinheit 7, die hier in Form eines
Personal Computers mit in den Speicher geladenen Auswerteprogrammen
bzw. entsprechenden Auswertealgorithmen ausgebildet ist, übermittelt.
Die Signalübertragung
an den PC 7 kann mit Hilfe einer Steckkarte, auf der auch der Multiplexer 3 angeordnet
ist, erfolgen.
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Die
vorstehende aufgezeigte Ausführungsvariante
hat insbesondere den Vorteil, dass die Realisierung der Wirbelstromsonde
mit einer geringen Kanalzahl erfolgen kann: Anstelle der Verwendung von
so vielen Multiplexer-Kanälen
wie Einzelspulen ist es hier lediglich notwendig, so viele Multiplexer-Kanäle, wie
es Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen gibt, einzusetzen
(hier sind somit lediglich sechzehn Multiplexer-Kanäle zum Anregen
und sechzehn Multiplexer-Kanäle
zum Messen notwendig). Hierdurch werden sowohl Schaltungsaufwand
als auch Messzeit entsprechend verkürzt.
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Selbstverständlich ist
es jedoch auch möglich,
zwei verschiedene Multiplexer einzusetzen, einen zum Senden und
einen zum Empfangen (es sind dann je Multiplexer nur sechzehn Kanäle notwendig).
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2 zeigt
ein Beispiel für
die integrierte Ausformung der einzelnen Zeilenspulen und Spaltenspulen
der in 1 beschriebenen Wirbelstromsonde. Wie die Figur
zeigt, sind die Zeilenspulen als ebene erste Spiralen 1 ausgebildet
und die Spaltenspulen als ebene zweite Spiralen 2, die
jeweils in die ersten Spiralen so hineingewickelt sind, dass die
Windungen der ersten Spiralen und diejenigen der zweiten Spiralen
versetzt zueinander und vom gemeinsamen Spiralzentrum nach außen gesehen
jeweils abwechselnd verlaufen.
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Jeweils
eine Zeilenspule und eine Spaltenspule bilden somit zusammen ein
Spiralpaar von zwei ineinandergeschachtelten, ineinandergewickelten
und in der gemeinsamen Ebene auf dem Leitersubstrat verlaufenden
konzentrischen Spiralen. Die Anzahl der Wicklungen einer einzelnen
Spule beträgt hier
jeweils sechs.
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3 zeigt
eine Variante der in 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde. Gezeigt
sind hier insgesamt 8 × 8
Zeilenspulen und 8 × 8
Spaltenspulen, die jeweils, wie in 2 gezeigt, ineinandergewickelt
ausgebildet sind. Die 3 skizziert darüber hinaus
die Leitungsführung
zum Anschluss der einzelnen Zeilenspulenanordnungen und Spaltenspulenanordnungen
an den Multiplexer 3.
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Im
Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Fall sind hier jeweils
benachbarte Zeilenspulenanordnungen bzw. die einzelnen Zeilenspulen
dieser Anordnungen in Zeilenrichtung seitlich versetzt gegeneinander
angeordnet. Der Versatz beträgt
hier jeweils etwa 50 der Ausdehnung der einzelnen Spulen in. Zeilen-
bzw. Spaltenrichtung. Durch den Versatz in Zeilenrichtung ergibt
sich eine zickzackförmige
Anordnung der Einzelspulen einer jeden Spaltenspulenanordnung.
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Durch
die gezeigte, versetzte Anordnung der Spulen kann die zu scannende
Fläche
besser abgedeckt werden.
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4 skizziert
schließlich
die Darstellung eines Messergebnisses, das mit der in 1 und 2 gezeigten
Sonde bei Vorhandensein zweier leitfähiger Objekte o1 und o2 auf
einer Fläche
erhalten wurde. 4a) skizziert die
Anordnung der beiden Objekte o1, o2 sowie das darüber angeordnete Zeilenspulenarray
und Spaltenspulenarray der Wirbelstromsonde gemäß 1.
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Wie 4b) und 4c)
zeigen, treten bei denjenigen Zeilenspulenanordnungen (vgl. 4b)), auf deren Höhe jeweils eines der Objekte
angeordnet ist, Signalmaxima auf. Dies sind hier die dritte Zeile
z3 und die siebte Zeile z7.
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Entsprechend
treten bei denjenigen Spaltenspulenanordnungen, die den geringsten
Abstand zu den Orten o1 und o2 der Objekte aufweisen, erhöhte Signalwerte
auf (vgl. 4c)); dies sind hier die
vierte und die fünfte
Spalte s4 und s5.
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Durch
geeignete Auswertung (beispielsweise Suche nach lokalen Maxima in
den zweidimensional aufgetragenen Messergebnissen des Gesamtarrays,
vgl. 4d)) kann somit die Lage der
beiden Objekte o1 und o2 innerhalb der untersuchten Fläche bestimmt
werden.