DE102014209602A1 - Test method and test device for non-destructive material testing by means of a probe array - Google Patents
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Abstract
Bei einem Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Prüflings 190 wird ein Sonden-Array 110 verwendet, das eine Vielzahl von Prüfsonden P1, P2, ... Pn aufweist. Das Sonden-Array wird in die Nähe einer Oberfläche 192 des Prüflings positioniert. Sondensignale von mehreren Prüfsonden des Sonden-Arrays werden mittels einer Signal-Addierungseinrichtung ADD in einer Additionsoperation zu einem Summensignal addiert und das aus der Additionsoperation resultierende Summensignal wird zur Charakterisierung von Defekten in dem Prüfling in einer Auswertungsoperation ausgewertet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sondensignale vor der Additionsoperation mittels einer Amplitudenfiltereinrichtung AF einer Amplitudenfilterung in Bezug auf einen vorgegebenen Schwellwert unterworfen werden, wobei Sondensignale mit einer Signalamplitude unterhalb des Schwellwerts ausgefiltert und nur Sondensignale mit einer Signalamplitude größer oder gleich dem Schwellwert der Additionsoperation zugeführt werden.In a non-destructive testing of a device under test 190, a probe array 110 is used which has a plurality of probes P1, P2, ... Pn. The probe array is positioned near a surface 192 of the device under test. Probe signals from a plurality of probe probes of the probe array are added to a sum signal by means of a signal adding device ADD in an addition operation, and the sum signal resulting from the addition operation is evaluated to characterize defects in the device under test in an evaluation operation. The method is characterized in that the probe signals before the addition operation by means of an amplitude filter AF are subjected to amplitude filtering with respect to a predetermined threshold, wherein probe signals with a signal amplitude below the threshold filtered out and only probe signals with a signal amplitude greater than or equal to the threshold value of the addition operation become.
Description
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIKAREA OF APPLICATION AND PRIOR ART
Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Prüflings mittels eines Sonden-Arrays, das eine Vielzahl von Prüfsonden aufweist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine zur Durchführung des Prüfverfahrens geeignete Prüfvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.The invention relates to a test method for non-destructive material testing of a test specimen by means of a probe array comprising a plurality of test probes, according to the preamble of claim 1 and a test apparatus suitable for carrying out the test method according to the preamble of claim 6.
Bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (non-destructive testing, NDT), beispielsweise bei der automatisierten zerstörungsfreien Prüfung an Halbzeugen für die metallerzeugende und metallverarbeitende Industrie, zur Durchführung von Prüfungen an sicherheitsrelevanten und funktionskritischen Bauteilen für Land- und Luftfahrzeuge oder im Anlagenbau, werden heutzutage nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Prüfverfahren und entsprechende Prüfvorrichtungen eingesetzt. Beispielsweise hat sich die Wirbelstromprüfung in vielen Anwendungsgebieten bei der Prüfung elektrisch leitender Materialien bewährt. Die für die Wirbelstromprüfung eingesetzten Prüfsonden werden üblicherweise als „Wirbelstromsonden“ bezeichnet. Die Streuflussprüfung, die Ultraschallprüfung, die Prüfung mittels GMR(Giant Magneto-Resistance)-Prüfsonden oder anderer magnetfeldempfindlicher Prüfsonden werden ebenfalls häufig eingesetzt.In non-destructive testing (NDT), for example in the automated non-destructive testing of semi-finished products for the metal-producing and metalworking industry, to carry out tests on safety-critical and mission-critical components for land vehicles and aircraft or in plant construction, nowadays come after different Principles working test methods and corresponding test devices used. For example, the eddy current testing has proven in many applications in the testing of electrically conductive materials. The test probes used for eddy current testing are commonly referred to as "eddy current probes". Stray flux testing, ultrasonic testing, GMR (Giant Magneto-Resistance) probing or other magnetic field sensitive probes are also commonly used.
Die mit einem Prüfverfahren erzielbare Empfindlichkeit für kleine Defekte wird in der Regel durch die Größe des sensitiven Bereichs einer Prüfsonde mitbestimmt, so dass Prüfsonden für die Defektsuche in der Regel kleine Baugrößen haben. Andererseits ist es vielfach gewünscht, größere Flächenbereiche eines Prüflings in relativ kurzer Zeit zu prüfen. Hier kommen dann häufig sogenannte Sonden-Arrays zum Einsatz, die eine Vielzahl von (normalerweise gleichartigen) Prüfsonden in einer vorgegebenen räumlichen Anordnung aufweisen.The small-defect sensitivity that can be achieved with a test method is usually determined by the size of the sensitive area of a test probe, so that probes for defect detection usually have small sizes. On the other hand, it is often desired to test larger surface areas of a test specimen in a relatively short time. Frequently, so-called probe arrays are used here, which have a large number of (normally identical) test probes in a predetermined spatial arrangement.
Bei manchen Sonden-Arrays mit zwei oder mehr Prüfsonden können die Sondensignale jeder der Prüfsonden unabhängig von den Sondensignalen der anderen Empfängerspulen ausgewertet werden. Es ist auch möglich, eine gemeinsame Auswertung der Sondensignale von einigen oder allen Prüfsonden vorzusehen. Unter anderem gibt es Prüfvorrichtungen, bei denen Signalausgänge der Prüfsonden elektrisch in Reihe geschaltet sind oder geschaltet werden können, so dass das Sonden-Array insgesamt ein Summensignal erzeugt, welches sich aus der Addition von Spannungen oder Spannungsanteilen ergibt, die in den einzelnen Prüfsonden erzeugt werden. Dadurch wird es u.a. möglich, größere Flächen mit höherer Fehlerauflösung zu prüfen.In some probe arrays with two or more probes, the probe signals of each of the probes can be evaluated independently of the probe signals of the other receiver coils. It is also possible to provide a common evaluation of the probe signals from some or all probes. Among other things, there are test devices in which signal outputs of the probes are electrically connected in series or can be switched, so that the probe array produces an overall sum signal, which results from the addition of voltages or voltage components generated in the individual probes , This will make it u.a. possible to check larger areas with higher error resolution.
Werden in Reihe geschaltete Prüfsonden verwendet, kann ggf. auf komplexe Multiplex-Technologie verzichtet werden, da Sondensignale aller in Reihe geschalteten Prüfsonden über einen einzigen Auswertekanal ausgewertet werden können.If test probes connected in series are used, it may be possible to dispense with complex multiplex technology since probe signals of all test probes connected in series can be evaluated via a single evaluation channel.
In der Regel ergeben kleine Defekte Sondensignale mit relativ kleiner Signalamplitude. Kleine Defekte können funktionskritisch für den Prüfling sein. Prüfsonden sollten somit hohe Empfindlichkeit auch für kleine Defekte besitzen. Wenn jedoch auch funktional unkritische Unregelmäßigkeiten als potentielle Defekte identifiziert werden, besteht die Gefahr, auch an sich defektfreie Prüflinge oder Prüflingsabschnitte als defektbehaftet zu verwerfen, wodurch ggf. unnötig viel Ausschuss entsteht. Prüfverfahren und die Prüfvorrichtungen sollten so ausgelegt sein, dass eine zuverlässige Defekterkennung und eine sichere Unterscheidung zwischen gesuchten Defekten und nicht relevanten Pseudodefekten möglich sind.As a rule, small defects result in probe signals with a relatively small signal amplitude. Small defects can be functionally critical for the examinee. Test probes should therefore have high sensitivity even for small defects. However, if functionally uncritical irregularities are also identified as potential defects, there is a risk of discarding defect-free specimens or test specimen sections as being defective, as a result of which unnecessarily much waste may be produced. Test methods and test equipment should be designed to allow reliable detection of defects and reliable discrimination between sought-after defects and irrelevant pseudo-defects.
AUFGABE UND LÖSUNGTASK AND SOLUTION
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Prüfverfahren und eine gattungsgemäße Prüfvorrichtung bereitzustellen, die es erlauben, bei Bedarf auch relativ kleine Defekte in Materialien mit vielen kleinen Unregelmäßigkeiten zuverlässig zu detektieren. Insbesondere soll im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine Reduzierung des Signal/Rausch-Verhältnisses erzielt werden.It is an object of the invention to provide a generic test method and a generic test apparatus, which allow reliable detection of relatively small defects in materials with many small irregularities, if required. In particular, a reduction of the signal-to-noise ratio should be achieved compared to conventional solutions.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Prüfverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 6 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.To achieve these and other objects, the invention provides a test method having the features of claim 1 and a test apparatus having the features of claim 6. Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
Bei dem Prüfverfahren wird das Sonden-Array in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings so positioniert, dass die Prüfsonden in Wechselwirkung mit dem Prüfling treten können. Häufig verbleibt ein geringer Abstand (Prüfabstand) zwischen Prüflingsoberfläche und Prüfsonde. Dies ist jedoch nicht zwingend, es gibt auch Varianten mit Prüfsonden, die zur Prüfung in direkten Kontakt mit der Prüflingsoberfläche gebracht werden. Bei der Durchführung der Prüfung werden dann Sondensignale von mehreren Prüfsonden des Sonden-Arrays in einer Additionsoperation zu einem Summensignal addiert. Dabei ist es möglich, das Summensignal nur aus den Sondensignalen einer Untergruppe aller Prüfsonden des Sonden-Arrays zu bilden, oder aber aus den Sondensignalen aller Prüfsonden des Sonden-Arrays. Das aus der Additionsoperation resultierende Summensignal wird dann zur Charakterisierung von Defekten in dem Prüfling in einer Auswerteoperation ausgewertet. In the test procedure, the probe array is positioned near a surface of the device under test so that the probes can interact with the device under test. Often a small distance (test distance) remains between the surface of the device under test and the test probe. However, this is not mandatory, there are also variants with test probes, which are brought into direct contact with the sample surface for testing. In carrying out the test, probe signals from several probes of the probe array are then added in an addition operation to a sum signal. It is possible to form the sum signal only from the probe signals of a subgroup of all test probes of the probe array, or from the probe signals of all probes of the probe array. The summation signal resulting from the addition operation is then used to characterize defects in the examinee evaluated in an evaluation.
Bei der beanspruchten Erfindung ist nun vorgesehen, dass die Sondensignale vor der Additionsoperation einer Amplitudenfilterung in Bezug auf einen vorgegebenen Schwellwert unterworfen werden, wobei Sondensignale mit einer Signalamplitude unterhalb des Schwellwertes ausgefiltert werden und nur Sondensignale mit einer Signalamplitude größer oder gleich dem Schwellwert der Additionsoperation zugeführt werden.In the claimed invention, it is now provided that the probe signals are subjected to amplitude filtering with respect to a predetermined threshold prior to the addition operation, with probe signals having a signal amplitude below the threshold being filtered out and only probe signals having a signal amplitude greater than or equal to the threshold value of the addition operation ,
Bei einer entsprechend konfigurierten Prüfvorrichtung ist elektrisch zwischen die Prüfsonden und der Signal-Addierungseinrichtung eine Amplitudenfiltereinrichtung geschaltet, die diese Amplitudenfilterung bewirkt.In a correspondingly configured test device, an amplitude filter device is electrically connected between the test probes and the signal adding device, which effects this amplitude filtering.
Die beanspruchte Erfindung beruht u.a. auf der Erkenntnis, dass bei gattungsgemäßen Prüfverfahren und Prüfvorrichtungen beim Einsatz von Sonden-Arrays eventuell ein aus Unregelmäßigkeiten im Prüfling resultierender Rauschhintergrund so stark sein kann, dass die Auflösungsfähigkeit des Prüfsystems für kleine Defekte reduziert wird. Die beanspruchte Erfindung schafft hier Abhilfe, indem vor der Additionsoperation eine Amplitudenfilterung durchgeführt wird. Dadurch wird erreicht, dass bei der Additionsoperation keine Rauschsignalanteile mehr addiert werden, die aus Bereichen stammen, in denen die Signalamplitude unterhalb des Schwellwertes liegt. Bei richtiger Auslegung des Schwellwertes ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass solche Bereiche frei von den gesuchten, eventuell kritischen Defekten sind. Im Ergebnis wird das Signal/Rausch-Verhältnis (signal-to-noise-ratio, S/N ratio) im Vergleich zur herkömmlichen Lösungen verbessert. The claimed invention is based i.a. Based on the knowledge that in generic test methods and test devices when using probe arrays may result from irregularities in the test specimen resulting noise background can be so strong that the resolution of the test system is reduced for small defects. The claimed invention remedy this by performing amplitude filtering prior to the addition operation. This ensures that in the addition operation no noise signal components are added that come from areas in which the signal amplitude is below the threshold. If the threshold value is correctly designed, the probability is high that such areas are free from the sought-after, possibly critical defects. As a result, the signal-to-noise ratio (S / N ratio) is improved as compared with conventional solutions.
Die der Additionsoperation vorgeschaltete Amplitudenfilterung kann sich günstig auf die Detektion jeder Art von Defekten auswirken. Besondere Vorteile werden derzeit bei der Detektion relativ kleiner Defekte gesehen, deren Signalamplitude nur wenig oberhalb des Schwellwertes liegt. Diese können zuverlässig detektiert werden, da deren Signalamplituden die Amplitudenfilterung komplett passieren und zur Signal-Addierungseinrichtung gelangen können. Somit kann eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses für einkanalig ausgewertete Signale von Sonden-Arrays erzielt werden.The amplitude filtering upstream of the addition operation can have a favorable effect on the detection of any type of defects. Particular advantages are currently seen in the detection of relatively small defects whose signal amplitude is only slightly above the threshold. These can be reliably detected, since their signal amplitudes completely pass through the amplitude filtering and can reach the signal adding device. Thus, an improvement in the signal-to-noise ratio can be achieved for single-channel evaluated signals from probe arrays.
Das Sonden-Array kann stationär bzw. fest an einer zu überwachenden Komponente angebracht sein. Bei anderen Ausführungsformen werden der Prüfling und das Sonden-Array relativ zueinander entlang einer Bewegungsrichtung bewegt. Eine solche Relativbewegung erlaubt es, eine breite Prüfspur an der Prüflingsoberfläche mit hoher Ortsauflösung zu prüfen, wobei die Breite der Prüfspur der Breite des Sonden-Arrays senkrecht zur Bewegungsrichtung) entspricht und die Ortsauflösung u.a. durch die Ausdehnung der einzelnen Prüfsonden bestimmt wird. Sonden-Arrays können in scannenden Systemen verwendet werden, z.B. für eine Durchlaufprüfung. Mindestens ein Sonden-Array kann z.B. im einen Rotierkopf eines Prüfgeräts eingebaut sein, um in einer Durchlaufprüfung um einen Prüfling herum zu rotieren und die Prüflingsoberfläche entlang einer wendelförmigen Bahn abzutasten.The probe array may be stationary or fixed to a component to be monitored. In other embodiments, the device under test and the probe array are moved relative to one another along a direction of movement. Such a relative movement makes it possible to test a wide test track on the specimen surface with high spatial resolution, the width of the test track corresponding to the width of the probe array perpendicular to the direction of movement) and the spatial resolution u.a. is determined by the extent of the individual test probes. Probe arrays can be used in scanning systems, e.g. for a run test. At least one probe array may e.g. be installed in a rotating head of a tester to rotate in a run test around a DUT and to scan the DUT surface along a helical path.
Um eine zuverlässige Unterscheidung zwischen eventuell kritischen Defekten und unkritischen, defektähnlich erscheinenden Artefakten zu ermöglichen, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Kalibrierungsoperation durchgeführt, wobei der Schwellwert in Abhängigkeit von dem Typ des Prüflings und/oder anderen Kriterien (z.B. Form des Prüflings, Materialeigenschaften des Prüflings etc.) eingestellt wird. Auf diese Weise kann die Diskriminierung von Sondensignalen individuell an einen Prüfling oder an eine Klasse von Prüflingen angepasst werden. In order to allow a reliable distinction between any critical defects and non-critical artifacts that appear to be defective, in a preferred embodiment a calibration operation is performed, the threshold depending on the type of specimen and / or other criteria (eg shape of the specimen, material properties of the specimen etc.) is set. In this way, the discrimination of probe signals can be individually adapted to a candidate or to a class of DUTs.
Bei einer Verfahrensvariante wird bei der Kalibrierungsoperation an einem defektfreien Referenz-Prüfling des fraglichen Prüflingstyps oder einem defektfreien Prüflingsabschnitt eines später zu prüfenden Prüflings die mittlere Rauschsignalamplitude eines Rauschsignals ermittelt, vorzugsweise in Verbindung mit einer Standardabweichung oder einem anderen Parameter, der eine Schwankungsbreite der Signalamplitude repräsentiert. Der Schwellwert wird dann in einem vorgegebenen Abstand oberhalb der Rauschsignalamplitude eingestellt, so dass auch einzelne Rauschsignale, die die mittlere Rauschsignalamplitude etwas übersteigen, im Zweifel noch ausgefiltert werden. Für viele Fälle hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn der vorgegebene Abstand zwischen ca. 10% und ca. 20% der mittleren Rauschsignalamplitude beträgt. Wird die untere Grenze unterschritten, nimmt die Gefahr zu, dass unnötig häufig Rauschsignale aus an sich defektfreien Bereichen bis zur Summenbildung gelangen und dadurch das Gesamtsignal verrauschen. Wird dagegen die Obergrenze überschritten, so nimmt die Gefahr zu, dass kleine, jedoch kritische Effekte nicht als solche erkannt werden, weil die zugehörigen Sondensignale vor der Additionsoperation ausgefiltert werden.In a variant of the method, the average noise signal amplitude of a noise signal is determined during the calibration operation on a defect-free reference test specimen of the test specimen in question or a defect-free specimen section of a specimen to be tested, preferably in conjunction with a standard deviation or another parameter representing a fluctuation width of the signal amplitude. The threshold value is then set at a predetermined distance above the noise signal amplitude, so that even individual noise signals that slightly exceed the average noise signal amplitude, in case of doubt, will be filtered out. For many cases, it has proven to be expedient if the predetermined distance is between approximately 10% and approximately 20% of the mean noise signal amplitude. If the lower limit is exceeded, the risk increases that unnecessarily frequent noise signals from defect-free areas reach the summation and thus the overall signal is noisy. If, on the other hand, the upper limit is exceeded, the risk increases that small but critical effects are not recognized as such because the associated probe signals are filtered out before the addition operation.
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Prüfverfahrens konfigurierte Prüfvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eines Prüflings.The invention also relates to a test apparatus configured for carrying out the test method for the non-destructive testing of a test specimen.
Die Prüfsonden können z.B. als Wirbelstromsonden, als Streuflusssonden oder als GMR-Sonden ausgebildet sein, sodass magnetische Methoden zur Prüfung genutzt werden können. The probes may e.g. be designed as eddy current probes, as stray flux probes or as GMR probes, so that magnetic methods can be used for testing.
Bei einer Ausführungsform weist das Sonden-Array eine Vielzahl von Wirbelstromsonden auf, die eine Erregeranordnung mit mindestens einem elektrischen Leiter zum Anschluss an eine Wechselspannungsquelle sowie eine Empfängeranordnung mit mindestens einer von der Erregeranordnung gesonderten Empfängerspule mit einer oder mehrere Windungen aufweist. Die Erregeranordnung hat einen Erregerabschnitt, in welchem ein Leiterabschnitt oder mehrere Leiterabschnitte derart verlaufen, dass durch den Leiterabschnitt oder die Leiterabschnitte des Erregerabschnitts bei Anschluss an eine Wechselspannungsquelle ein primäres magnetisches Wechselfeld mit um den Erregerabschnitt herum verlaufenden magnetischen Feldlinien erzeugt wird. Die Empfängerspule ist in Bezug auf den Erregerabschnitt derart angeordnet, dass die Empfängerspule vom primären magnetischen Wechselfeld des Erregerabschnitts derart symmetrisch durchsetzt wird, dass eine zeitliche Änderung dϕ/dt des magnetischen Flusses ϕ des primären magnetischen Wechselfeldes durch die Empfängerspule im Wesentlichen verschwindet. Dadurch kann eine Magnetflusskompensation des Primärfeldes in der Empfängerspule erreicht werden. Defekte im Prüflingsmaterial stören diese Symmetrie und führen dann zu Messspannungen, die ausgewertet werden können. Da in einer defektfreien Referenzsituation theoretisch keine Messspannung erzeugt wird, kann die Auswertung mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden. In one embodiment, the probe array comprises a plurality of eddy current probes, which has an exciter arrangement with at least one electrical conductor for connection to an AC voltage source and a receiver arrangement with at least one receiver coil with one or more windings separate from the exciter arrangement. The excitation arrangement has an exciter section in which a conductor section or a plurality of conductor sections run in such a way that a primary alternating magnetic field with magnetic field lines extending around the excitation section is generated by the conductor section or the conductor sections of the exciter section when connected to an AC voltage source. The receiver coil is arranged with respect to the exciter section such that the receiver coil is symmetrically penetrated by the primary alternating magnetic field of the exciter section such that a time change dφ / dt of the magnetic flux φ of the primary alternating magnetic field by the receiver coil substantially disappears. As a result, a magnetic flux compensation of the primary field in the receiver coil can be achieved. Defects in the specimen disturb this symmetry and then lead to measuring voltages that can be evaluated. Since theoretically no measuring voltage is generated in a defect-free reference situation, the evaluation can be carried out with high sensitivity.
Vorzugsweise weisen mehrere oder alle Wirbelstromsonden des Sonden-Arrays eine gemeinsame Erregeranordnung auf. Dadurch weisen die Prüfsonden keine auf unterschiedliche Erregung zurückgehenden Unterschiede auf, wodurch präziser interpretierbare Prüfergebnisse erzielt werden können. Preferably, several or all of the eddy current probes of the probe array have a common excitation arrangement. As a result, the test probes have no differences due to different excitation, whereby more precisely interpretable test results can be achieved.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind. Dabei zeigen:Further advantages and aspects of the invention will become apparent from the claims and from the following description of preferred embodiments of the invention, which are explained below with reference to the figures. Showing:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
Anhand der
Der Prüfling weist an seiner Oberfläche eine gewisse Rauigkeit und einige kleinere Poren und andere Unregelmäßigkeiten
In dem Prüfkopf
In dieser Anmeldung beschreibt der Begriff Sonden-Array in erster Linie einen Mehrfachelementsensor mit vielen Prüfsonden, bei dem die relative Position einzelner Prüfsonden periodisch (z.B. Linie oder Matrix) ist. Es ist jedoch abhängig von der Applikation bzw. von der Prüfaufgabe auch eine unregelmäßige Anordnung von Prüfsonden möglich.In this application, the term probe array primarily describes a multi-element sensor with many probes, in which the relative position of individual probes is periodic (e.g., line or matrix). However, depending on the application or the test task, an irregular arrangement of test probes is also possible.
Die Prüfsonden sind signalleitend, beispielsweise drahtlos oder über elektrische Leitungen, mit einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung
Bei der Prüfvorrichtung, die das Sonden-Array umfasst, ist vorgesehen, dass die Signalinformationen aller Prüfsonden des Sonden-Arrays über einen einzigen Auswertekanal der Auswerteeinheit EV zugeführt werden soll. Dazu werden die Sondensignale von mehreren bzw. allen Prüfsonden des Sonden-Arrays mittels einer Signal-Addierungseinrichtung ADD in einer Additionsoperation zu einem Summensignal addiert, welches dann zur Charakterisierung von Defekten in dem Prüfling in einer Auswertungsoperation ausgewertet wird. Jede Prüfsonde erfasst dabei einerseits Signalanteile, die auf (unkritische) Unregelmäßigkeiten
Die
Bei dem Beispiel des Standes der Technik aus
Derartige Probleme können bei Ausführungsformen der beanspruchten Erfindung vermieden oder vermindert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel in
Der vorgegebene Schwellwert ist im Beispielsfall so eingestellt, dass Signalanteile, die aus den Unregelmäßigkeiten
Die Höhe des Schwellwerts, der zwischen unerwünschten Rauschsignalanteilen und gesuchten Defektsignalanteilen differenziert, kann aufgrund von Vorerfahrungen über typgleiche oder typähnliche Prüflinge voreingestellt sein. Bei manchen Ausführungsformen ist der Schwellwert an der Prüfvorrichtung stufenlos oder in Stufen einstellbar, so dass die Prüfvorrichtung durch Einstellen des Schwellwerts an die jeweilige Prüfsituation und den Typ des Prüflings optimal angepasst werden kann. The magnitude of the threshold, which differentiates between unwanted noise signal components and sought defect signal components, may be preset based on previous experience over type-identical or type-like samples. In some embodiments, the threshold value on the testing device is infinitely or in stages adjustable, so that the test device can be optimally adjusted by adjusting the threshold value to the respective test situation and the type of the test object.
Mithilfe einer Kalibrierungsoperation kann der Schwellwert eingestellt werden. In einem Fall mit idealer Prüfsonde und Amplitudenanalyse wird eine bestimmte Spannung des Rauschsignals gemessen und danach als Schwellwert benutzt. Der Schwellwert kann in Abhängigkeit von dem Typ des Prüflings und/oder in Abhängigkeit vom Prüfsondentyp (z.B. Absolutsonde oder Differenzsonde) eingestellt werden.The threshold value can be set by means of a calibration operation. In a case with an ideal test probe and amplitude analysis, a certain voltage of the noise signal is measured and then used as a threshold value. The threshold may be adjusted depending on the type of device under test and / or on the type of probe (e.g., absolute probe or differential probe).
Bei der Kalibrierungsoperation kann z.B. an einem defektfreien Referenz-Prüfling oder einem defektfreien Prüflingsabschnitt eine Rauschsignalamplitude eines Rauschsignals ermittelt werden und der Schwellwert kann dann in einem vorgegebenen Abstand oberhalb der Rauschsignalamplitude eingestellt werden. In vielen Fällen hat es sich als günstig herausgestellt, wenn der vorgegebene Abstand zwischen 10% und 20% der Rauschsignalamplitude beträgt.In the calibration operation, e.g. On a defect-free reference test piece or a defect-free Prüflingsabschnitt a noise signal amplitude of a noise signal can be determined and the threshold can then be set at a predetermined distance above the noise signal amplitude. In many cases, it has proven to be favorable if the predetermined distance is between 10% and 20% of the noise signal amplitude.
Die Amplitudenfiltereinrichtung kann je nach Anwendungsfall analog oder digital realisiert werden. In
In
Bei den Ausführungsbeispielen ist der Schwellwert für jeden Prüfkanal der gleiche. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es sind auch Varianten möglich, die für unterschiedliche Prüfsonden unterschiedliche Schwellwerte realisieren. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn der Prüfling aus mehreren Materialien besteht und/oder Formänderungen im geprüften Abschnitt aufweist. In the embodiments, the threshold is the same for each test channel. However, this is not mandatory. Variants are also possible which realize different threshold values for different test probes. This can be useful, for example, if the test object consists of several materials and / or has changes in shape in the tested section.
Die Grundprinzipien der beanspruchten Erfindung können bei unterschiedlichen Typen von Prüfvorrichtungen und Prüfverfahren genutzt werden. Beispielsweise könnte es sich bei den Prüfsonden um sogenannte GMR-Sonden handeln, die den GMR-Effekt (Giant Magnetoresistance, Riesenmagnetowiderstand) zur Prüfsignalerzeugung nutzen. Es könnte sich auch um Streuflusssonden, Wirbelstromsonden oder andere Magnetsonden handeln. Prüfsonden für bildgebende Verfahren (z.B. magnetooptisches Imaging oder Optikmessungen, Kombinationen von Wirbelstrom- und Lasermessungen etc. können ebenfalls durch Nutzung der beanspruchten Erfindung profitieren. Im Folgenden wird ein nach dem Wirbelstromprinzip arbeitendes Prüfgerät (Wirbelstrom-Prüfgerät) mit Prüfsonden in Form von Wirbelstromsonden näher erläutert.The basic principles of the claimed invention may be utilized in different types of test devices and test methods. For example, the probes could be so-called GMR probes that use the GMR effect (Giant Magnetoresistance) for test signal generation. It could also be stray flux probes, eddy current probes or other magnetic probes. Test probes for imaging techniques (eg, magneto-optic imaging or optical measurements, combinations of eddy current and laser measurements, etc.) may also benefit from the use of the claimed invention. Tester) with probes in the form of eddy current probes explained in more detail.
Bei der Wirbelstromprüfung wird eine Wirbelstromsonde in einem geringen Abstand (Prüfabstand) zur Oberfläche des elektrisch leitendenden Prüflings angeordnet. Eine Wirbelstromsonde hat in der Regel eine Erregeranordnung mit mindestens einem elektrischen Leiter, der zum Anschluss an eine Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, und eine Empfängeranordnung mit mindestens einer Empfängerspule, die ein oder mehrere Windungen aufweist und häufig auch als Messspule bezeichnet wird. Wirbelstromsonden, bei denen die Erregerspule und die Empfängerspule durch dieselbe Spule gebildet werden, werden als parametrische Wirbelstromsonden bezeichnet. Wenn eine Wirbelstromsonde eine Erregerspule und eine davon gesonderte Empfängerspule aufweist, wobei eine Kopplung zwischen Erregerspule und Empfängerspule vermittelt über das Prüflingsmaterial erfolgt, spricht man üblicherweise von transformatorischen Wirbelstromsonden. Im Rahmen der beanspruchten Erfindung können alle Arten von Wirbelstromsonden genutzt werden, wobei transformatorische bevorzugt sind.In the eddy current test, an eddy current probe is arranged at a small distance (test distance) to the surface of the electrically conductive test specimen. An eddy current probe typically has a excitation arrangement with at least one electrical conductor which is provided for connection to an AC voltage source, and a receiver arrangement with at least one receiver coil which has one or more windings and is often referred to as a measuring coil. Eddy current probes in which the exciter coil and the receiver coil are formed by the same coil are referred to as parametric eddy current probes. When an eddy current probe has an exciter coil and a receiver coil separate therefrom, with coupling between the exciter coil and the receiver coil being mediated via the specimen material, one usually speaks of transformer eddy current probes. Within the scope of the claimed invention, all types of eddy current probes may be used, with transformatory ones being preferred.
Die Erregerspule wird zur Durchführung der Prüfung an einer Wechselspannungsquelle angeschlossen und kann dann ein primäres elektromagnetisches Wechselfeld (magnetisches Primärfeld) erzeugen, welches bei der Prüfung in das Prüfmaterial eindringt und im Wesentlichen in einer oberflächennahen Schicht des Prüfmaterials Wirbelströme erzeugt, die durch Gegeninduktion auf die Empfängerspule(n) der Wirbelstromsonde zurückwirken. Das durch die Wirbelströme verursachte sekundäre Magnetfeld (magnetisches Sekundärfeld) ist dabei nach der Lenz’schen Regel dem primären Magnetfeld entgegengesetzt. Ein Defekt im geprüften Bereich, beispielsweise ein Riss, eine Verunreinigung oder eine andere Materialinhomogenität, stört die Ausbreitung der Wirbelströme im Prüfmaterial und verändert somit die Wirbelstromintensität und dadurch auch die Intensität des auf die Empfängerspule rückwirkenden magnetischen Sekundärfeldes. Die dadurch verursachten Änderungen der elektrischen Eigenschaften einer Empfängerspule, z.B. insbesondere der Impedanz der Empfängerspule, führen zu elektrischen Messsignalen, die mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden können, um Defekte zu identifizieren und zu charakterisieren. The excitation coil is connected to an AC voltage source to perform the test and can then generate a primary electromagnetic alternating field (primary magnetic field) which penetrates the test material during testing and generates eddy currents substantially in a near-surface layer of the test material by mutual induction on the receiver coil (n) react back the eddy current probe. The secondary magnetic field (secondary magnetic field) caused by the eddy currents is opposite to the primary magnetic field according to Lenz's rule. A defect in the tested area, such as a crack, contamination or other material inhomogeneity, interferes with the propagation of the eddy currents in the test material and thus alters the eddy current intensity and thereby also the intensity of the secondary magnetic field applied to the receiver coil. The resulting changes in the electrical characteristics of a receiver coil, e.g. in particular the impedance of the receiver coil lead to electrical measurement signals that can be evaluated by means of an evaluation device to identify and characterize defects.
Anhand der
Die Erregeranordnung
Das Sonden-Array ist mit Mitteln der Leiterplattentechnologie hergestellt. Die Empfängerspulen
Die elektrischen Leiter der Erregeranordnung
Die erste Erregerspule
Bei Anschluss an die Wechselspannungsquelle
Die inneren Leiterabschnitte
Die Empfängerspule
Wird der Erregerabschnitt mit Wechselstrom durchflossen, wird ein magnetisches Primärfeld PF erzeugt, dessen Feldlinien FL in senkrecht zum Verlauf des Erregerabschnitts liegenden Ebenen um den Erregerabschnitt herum verlaufen. Ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldlinien in der Nähe des Erregerabschnitts durchtritt dabei die Empfängerspule und dringt in oberflächennahe Bereiche des Prüflings ein, wo Wirbelströme EC induziert werden. If the excitation section is traversed by alternating current, a primary magnetic field PF is generated whose field lines FL run in planes lying perpendicular to the path of the exciter section around the exciter section. A substantial portion of the magnetic field lines in the vicinity of the excitation section passes through the receiver coil and penetrates into near-surface regions of the test specimen, where eddy currents EC are induced.
Eine Besonderheit besteht darin, dass bei dieser Anordnung in der Empfängerspule
Dabei erzeugt jede nicht parallel zur Empfängerspulenebene verlaufene Komponente des magnetischen Flusses beim Durchtritt durch die Spulenebene eine induzierte Spannung. Aufgrund der magnetischen Symmetrie existiert jedoch eine entsprechende entgegengesetzt gerichtete Komponente, welche eine entsprechende Spannung mit entgegengesetzter Polung induzieren würde, so dass insgesamt kein Ausgangssignal (Messspannung = 0 V) resultiert.In this case, each component of the magnetic flux which does not run parallel to the receiver coil plane generates an induced voltage as it passes through the coil plane. Due to the magnetic symmetry, however, there is a corresponding oppositely directed component, which would induce a corresponding voltage with opposite polarity, so that overall no output signal (measurement voltage = 0 V) results.
Die Signalkompensation erfolgt also durch direkte Kompensation von Magnetfeldflüssen des Primärfeldes in der Empfängerspule. Diese Magnetschlusskompensation oder Primärfeldkompensation führt dazu, dass bei Anordnung dieser Wirbelstromsonde in Luft oder in der Nähe eines defektfreien Materials die totalen Flussänderungen des vom Erregerabschnitt erzeugten primären magnetischen Wechselfeldes und des von den Wirbelströmen des Prüflings erzeugten sekundären Magnetfeldes insgesamt verschwinden, so dass in der Empfängerspule in diesem Fall keine Spannung induziert wird. Die zwischen den Ausgängen der Empfängerspule
Die Wirkung des primären Wechselfeldes ist bei dieser Anordnung besser räumlich konzentriert bzw. fokussiert als im Falle konventioneller Wirbelstromsonden. Eine verbesserte Magnetfeldkonzentration im zentralen Bereich des Prüfvolumens mittig unter der Empfängerspule kann dadurch unterstützt werden, dass auf beiden Seiten neben dem Erregerabschnitt
Jede der Empfängerspulen
In einem Auswertungsmodus wird ein „Summensignal“ ermittelt, indem die Ausgangssignale von mindestens zwei Empfängerspulen der Empfängerspulen-Reihe mittels einer Addierungsoperation addiert werden. Vorzugsweise werden in diesem Addierungsmodus die Ausgangssignale aller Empfängerspulen
In einem anderen, hier nicht näher erläuterten Auswertungsmodus („Einzelsignal“) werden die Ausgangssignale jeder der Empfängerspulen separat verarbeitet und der Position der jeweiligen Empfängerspule in der Reihe zugeordnet. Hierdurch ist eine Lokalisierung von Defekten über die Breite des Sensor-Arrays möglich. In another evaluation mode ("single signal"), which is not explained in detail here, the output signals of each of the receiver coils are processed separately and assigned to the position of the respective receiver coil in the row. This makes it possible to locate defects across the width of the sensor array.
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