DE102017208874A1

DE102017208874A1 - Wirbelstromsensor für zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats

Info

Publication number: DE102017208874A1
Application number: DE102017208874.5A
Authority: DE
Inventors: Henning Heuer; Martin Schulze; Iben Khaldoun Lefkaier; Mohammed Naïdjate; Bachir Helifa; Feliachi Mouloud
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2018-11-29
Also published as: WO2018215373A1; EP3631435A1; WO2018215373A8; US20200088685A1; US11287398B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wirbelstromsensorelement (2) für zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats, das eine Baugruppe (3) aus zumindest einer ersten und einer zweiten Flachspule (4, 5, 6, 7) aufweist, wobei die erste Flachspule (4) und die zweite Flachspule (5) jeweils eine dreieckige Form mit einem ersten bis dritten Spulenrand aufweisen, wobei einer der Ränder (4b) der ersten Flachspule (4) und einer der Ränder (5a) der zweiten Flachspule (5) benachbart und parallel zueinander angeordnet sind und wobei die Baugruppe (3) eine viereckige Form aufweist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Wirbelstromsensor für das zerstörungsfreie Prüfen eines Substrats, der eine Mehrzahl der Wirbelstromsensorelemente (2) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wirbelstromsensor für das zerstörungsfreie Prüfen eines Substrats, insbesondere auf das Prüfen eines geschichteten Substrats, das aus Lagen besteht, die durch Fasern mit einer bevorzugten Richtung verstärkt sind. Darüber hinaus bezieht die Erfindung sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Wirbelstromsensors, wobei der Wirbelstromsensor eine Mehrzahl von Wirbelstromsensorelementen aufweist, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wirbelstromsensorelements. Darüber hinaus bezieht die Erfindung sich auf eine Verwendung einer Baugruppe, die zumindest eine erste und eine zweite Spule aufweist, wobei die Baugruppe eine viereckige Form aufweist, als Sensor für ein zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats.
Für das zerstörungsfreie Prüfen von Materialien ist die Verwendung von Wirbelstromsensoren hinreichend bekannt. Allgemein gesagt weist ein Wirbelstromsensor eine Flachspule auf, die in unmittelbarer Nähe zu der Oberfläche des zu prüfenden Materials angeordnet ist. Wenn ein Signal, z. B. eine Wechselspannung, an die Kontakte an dem Ende des Drahts, der die Spule bildet, angelegt wird, wird die Sensorspule erregt, und es wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das in das zu untersuchende Material eindringt. Das elektromagnetische Wechselfeld ruft in dem Material Wirbelströme hervor, die ihrerseits durch die Spule als Impedenzänderung erfasst werden. Der geprüfte Oberflächenbereich ist durch die Kontur der Spule gegeben, an die das Signal angelegt wird.
Die Verwendung eines Wirbelstromsensors ist insbesondere bekannt für das Prüfen von geschichteten Materialien, wie beispielsweise Laminaten, insbesondere für das Prüfen von Lagen, die aus kohlenstofffaserverstärkten Polymer(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)-Schichten bestehen. In diesem Zusammenhang wird ein Wirbelstromsensor, der gewöhnlich eine rechteckige Form aufweist, verwendet, um die Anzahl sowie die Ausrichtung von Lagen zu untersuchen. Die relative Ausrichtung der Lagen wird von der Ausrichtung der Kohlenstofffasern deduziert, die jede Lage verstärken.
Unter Verwendung eines Wirbelstromsensors mit einer Spule in rechteckiger Form erfordert die Untersuchung eines größeren Abschnitts der Oberfläche des CRFP ein Verschieben der Spule bezüglich der zu inspizierenden Oberfläche. Darüber hinaus muss die Spule, um Informationen über die Ausrichtung der Kohlenstofffasern innerhalb jeder Lage zu gewinnen, parallel zu der zu untersuchenden Oberfläche gedreht werden. Die mechanische Drehung beinhaltet das Eingreifen eines Bedieners, wodurch die Präzision der Messung reduziert wird. Ein Bereitstellen eines automatischen Systems zum Bewegen, insbesondere zum Drehen des Wirbelstromsensors relativ zu der zu untersuchenden Oberfläche macht das System teuer. Zusätzlich zu der Ungenauigkeit eines menschlichen Bedieners und den Kosten eines automatischen Systems zum Verschieben des Wirbelstromsensors relativ zu der Oberfläche sind beide Alternativen hinsichtlich einer Ausführungszeit für das zerstörungsfreie Prüfen (non-destructive testing, NDT) nachteilig.
Bis heute schien es keine Alternative zur mechanischen Drehung der Wirbelstromsensoren beim Untersuchen eines Materials auf Richtungsinformationen zu geben, insbesondere beim Prüfen eines Materials wie z. B. ein Laminat, das aus Lagen von CFRP besteht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Wirbelstromsensor zu schaffen, der nicht relativ zu der zu untersuchenden Oberfläche gedreht werden muss, um Richtungsinformationen zu gewinnen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Wirbelstromsensor mit den Merkmalen von Anspruch 13, insbesondere durch einen Wirbelstromsensor für zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats, der eine Mehrzahl der Wirbelstromsensorelemente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, wobei die Wirbelstromsensorelemente in einer viereckigen Ordnung benachbart und parallel zueinander derart angeordnet sind, dass beliebige zwei benachbarte Sensorelemente zwei parallele Ränder aufweisen.
Der erfindungsgemäße Wirbelstromsensor aktiviert einen ersten Betriebsmodus gemäß einem Verfahren nach Anspruch 21, nämlich einem Verfahren zum Betreiben eines Wirbelstromsensors, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Bereitstellen eines Wirbelstromsensors gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20 und Durchführen der Schritte (b) und (c) für ein erstes Wirbelstromsensorelement und anschließend für ein zweites Wirbelstromsensorelement:
(b) Erregen der Wirbelstromsensorelemente durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule derart, dass der Strom, der den Innenrand der ersten Spule überquert, antiparallel zu dem Strom ist, der den Innenrand der zweiten Spule überquert, und
(c) Erfassen des Ansprechverhaltens des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Spulen des jeweiligen erregten Wirbelstromsensorelements.

Der erfindungsgemäße Wirbelstromsensor aktiviert einen zweiten Betriebsmodus gemäß einem Verfahren nach Anspruch 23, nämlich einem Verfahren zum Betreiben eines Wirbelstromsensors, das die folgenden Schritte aufweist:

a. Bereitstellen eines Wirbelstromsensors gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20,
b. Erregen des Wirbelstromsensors durch simultanes und gemeinsames Erregen jedes der zumindest zwei Wirbelstromsensorelemente durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule jedes der Wirbelstromsensorelemente, wodurch bewirkt wird, dass der Strom, der einen Außenrand des ersten Wirbelstromsensorelements überquert, antiparallel zu einem Strom ist, der einen Außenrand eines zweiten Wirbelstromsensorelements überquert, das benachbart zu dem ersten Wirbelstromsensorelement ist.

Was die Wirbelstromsensorelemente angeht, sieht die Erfindung gemäß Anspruch 1 ein Stromsensorelement für zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats vor, das eine Baugruppe aus zumindest einer ersten und einer zweiten Flachspule aufweist, wobei die erste Flachspule und die zweite Flachspule jeweils eine dreieckige Form mit einem ersten bis dritten Spulenrand aufweisen, wobei einer der Ränder der ersten Flachspule und einer der Ränder der zweiten Flachspule benachbart und parallel zueinander angeordnet sind und wobei die Baugruppe eine viereckige Form aufweist.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung gemäß Anspruch 25 die Verwendung einer Baugruppe, die zumindest eine erste und eine zweite Spule aufweist, wobei die Baugruppe eine viereckige Form aufweist, und wobei die Baugruppe ferner die Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, als Sensor für ein zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats.
Weiterhin das Wirbelstromsensorelement gemäß Anspruch 1 betreffend, sieht die Erfindung ferner ein Verfahren gemäß Anspruch 11 zum Betreiben des Wirbelstromsensorelements vor, wobei das Verfahren den Schritt eines Erregens des Wirbelstromsensorelements durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule aufweist, so dass der Rand der ersten Flachspule und der Rand der zweiten Flachspule, die benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, durch Ströme in antiparallelen Richtungen überquert werden.
Die Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass bei Bereitstellung von zwei parallelen elektrisch leitfähigen Drähten, wenn der erste Draht von einem elektrischen Strom mit einer ersten Richtung überquert wird und der zweite Draht von einem entsprechend gewählten elektrischen Strom in einer Richtung, die antiparallel zu der ersten Richtung ist, überquert wird, die resultierenden elektromagnetischen Felder der zwei entgegengesetzt überquerten Drähte sich überlagern, so dass sie einander aufheben können, mit dem Effekt, dass das resultierende elektromagnetische Feld um die zwei parallelen Drähte in einem erheblichen Ausmaß verschwindet.
Was ein einzelnes Wirbelstromsensorelement angeht, wenn gemäß dem Verfahren zum Betreiben dieses einzelnen Wirbelstromelements diese einzelne Wirbelstromelement durch simultanes Anlegen eines Signals (z. B. einer Wechselspannung) an der ersten Spule bzw. der zweiten Spule derart erregt wird, dass der Rand der ersten Flachspule und der Rand der zweiten Flachspule benachbart und parallel angeordnet sind, können diese zwei Ränder von Strömen in antiparallelen Richtungen überquert werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass an den zwei parallelen Rändern die elektromagnetischen Felder der zwei Ströme sich derart überlagern, dass das resultierende elektromagnetische Feld nahezu verschwindet. Tatsächlich ist das elektromagnetische Feld des erregten einzelnen Wirbelstromelements dasjenige der verbleibenden Seiten der zumindest zwei dreieckförmigen Spulen, d. h. dasjenige einer wirksamen Spule mit der viereckigen Form des Wirbelstromsensorelements.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist für das Wirbelstromsensorelement vorgesehen, dass die Baugruppe eine rechteckige Form aufweist. Insbesondere ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel für den Wirbelstromsensor vorgesehen, dass die Baugruppe eine quadratische Form aufweist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist jede der zumindest zwei Flachspulen des Wirbelstromsensorelements die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf.
Für das Wirbelstromsensorelement weist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel jede der Spulen die Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf.
Für das Wirbelstromsensorelement ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Baugruppe zwei Flachspulen aufweist.
Insbesondere ist für ein Wirbelstromsensorelement, das genau zwei Flachspulen aufweist, von denen jede die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist, vorgesehen, dass die zwei Flachspulen derart angeordnet sind, dass die Hypotenusekanten der ersten Spule und der zweiten Spule parallel sind.
Bei einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Baugruppe vier Flachspulen derart aufweist, dass für eine beliebige der Spulen ein erster Rand dieser Spule parallel zu einem Rand einer ersten benachbarten Spule ist und ein zweiter Rand dieser Spule parallel zu einem Rand einer zweiten benachbarten Spule ist.
Für das Wirbelstromsensorelement ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die zumindest eine Spule mit der dreieckigen Form, insbesondere alle Flachspulen der Baugruppe, für eine Betriebsfrequenz von 0,8 bis 2 MHz, insbesondere von etwa 1 MHz, entworfen ist.
Für das Wirbelstromsensorelement ist es ein Vorteil, falls alle Flachspulen der Baugruppe kongruent zueinander sind. Folglich sind die Dimensionscharakteristiken sowie die elektrischen Charakteristiken aller Flachspulen grob dieselben.
Was das Verfahren zum Betreiben des Wirbelstromsensorelements angeht, ist bevorzugterweise zum Durchführen des Verfahrens vorgesehen, den Schritt, Erfassen des Ansprechverhaltens des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung in den Flachspulen des Wirbelstromsensorelements' durchzuführen, um die Messung des Ansprechverhaltens der Spule mit der wirksamen viereckigen Form des Wirbelstromsensorelements abzuschließen.
Was das Sensorelement gemäß Anspruch 13 angeht, sind die zumindest zwei Wirbelstromsensorelemente in einer viereckigen Ordnung, benachbart und parallel zueinander derart angeordnet, dass beliebige zwei benachbarte Sensorelemente zwei parallele Ränder aufweisen. Diese Anordnung lässt einen ersten Betriebsmodus gemäß dem Verfahren nach Anspruch 21 zu, indem die Schritte (b) und (c) nacheinander für zwei unterschiedliche Wirbelstromsensorelemente durchgeführt werden, um an zwei unterschiedlichen Stellen der zu untersuchenden Oberfläche räumlich hochaufgelöste Informationen zu gewinnen. Insbesondere die Position der zwei erregten Wirbelstromsensorelemente kann zufällig gewählt sein, um eine erste und grobe Inspektion des zu untersuchenden Substrats auf Defekte oder Mängel durchzuführen.
Eine bevorzugte Weise, um das Verfahren zum Betreiben der Wirbelstromsensors gemäß dem Verfahrensanspruch 21 durchzuführen, sieht vor, dass die zwei Wirbelstromsensorelemente, die nacheinander erregt werden, zueinander benachbart sind, so dass das zweite Wirbelstromsensorelement zu dem ersten Stromelement benachbart ist, um ein Abtasten der zu untersuchenden Oberfläche in der Richtung zu ermöglichen, in der die zwei benachbarten Wirbelstromsensorelemente sich erstrecken.
Was das Sensorelement gemäß Anspruch 13 angeht, sind die zumindest zwei Wirbelstromsensorelemente in einer viereckigen Ordnung benachbart und parallel zueinander derart angeordnet, dass beliebige zwei benachbarte Sensorelemente zwei parallele Ränder aufweisen. Diese Anordnung lässt einen zweiten Betriebsmodus gemäß dem Verfahren nach Anspruch 23 zu, indem gemäß Schritt (b) simultan ein Signal an jede der zwei Spulen jedes der zwei benachbarten Wirbelstromsensorelemente angelegt wird, wodurch bewirkt wird, dass der Strom, der den Außenrand des ersten Wirbelstromsensorelements überquert, antiparallel zu einem Strom ist, der den Außenrand eines zweiten Wirbelstromsensorelements überquert. Die antiparallelen Ströme in den Außenrändern der benachbarten Wirbelstromsensorelemente bewirken, dass die jeweiligen elektromagnetischen Felder sich derart überlagern, dass das resultierende elektromagnetische Feld nahezu verschwindet. Folglich weisen die zwei benachbarten Wirbelstromsensorelemente, wenn dieselben simultan mit einem entsprechenden Signal erregt werden, d. h. mit einer entsprechend gewählten Wechselspannung, einen Erfassungsbereich auf, der grob gesehen die Summe der Bereiche der zwei benachbarten Wirbelstromsensorelemente ist.
Da die zwei benachbarten Wirbelstromsensorelemente sich in einer spezifischen Richtung erstrecken können, können durch gemeinsames und simultanes Erregen der zwei benachbarten Wirbelstromsensorelemente Richtungsinformationen erhalten werden. Insbesondere gilt, falls beide des ersten und des zweiten Wirbelstromsensorelements, die benachbart zueinander sind, gemeinsam und simultan erregt werden, ist der resultierende wirksame Sensor gleich einer einzelnen Spule in rechteckiger Form, wobei die längeren Kanten doppelt so lang wie die kürzeren Kanten sind. Natürlich kann vorgesehen sein, dass drei oder mehr paarweise angrenzende Wirbelstromsensorelemente gleichzeitig erregt werden, um einen wirksamen Sensor mit einem größeren Untersuchungsbereich zu erhalten. Falls die drei oder mehr Wirbelstromsensorelemente in einer spezifischen Richtung angeordnet sind, z. B. in einer horizontalen, einer vertikalen oder einer diagonalen Richtung in einer Ebene, können spezifische Informationen bezüglich einer bevorzugten Ausrichtung in dem Bereich der zu untersuchenden Oberfläche gewonnen werden.
Was das Verfahren gemäß Anspruch 23 angeht, ist es bevorzugterweise zum Durchführen des Verfahrens vorgesehen, das Ansprechverhalten des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Wirbelstromsensorelemente zu erfassen.
Was den Wirbelstromsensor gemäß Anspruch 13 angeht, ist es bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Wirbelstromsensorelemente ein Array aus Spalten und Zeilen bilden. Durch selektives Adressieren benachbarter Wirbelstromsensorelemente können bevorzugte Richtungsinformationen entlang den Spalten, entlang den Zeilen und entlang einer Diagonale zwischen den Spalten und den Zeilen erhalten werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Wirbelstromsensor ferner eine Steuereinheit (engl.: control unit, CU) auf, die konfiguriert ist, simultan ein Signal an die Spulen einer Teilgruppe der Spulen anzulegen, wobei die Teilgruppe zumindest eines der Wirbelstromsensorelemente aufweist. Falls die Teilgruppe ein einzelnes Wirbelstromsensorelement aufweist, ermöglicht es die Steuereinheit, den Wirbelstromsensor gemäß dem Verfahren von Anspruch 21 zu betreiben, d. h. in dem oben beschriebenen ersten Betriebsmodus, der ferner ein Abtasten der zu untersuchenden Oberfläche mit einer hohen räumlichen Auflösung beinhaltet. Falls die Teilgruppe zumindest zwei zueinander benachbarte Wirbelstromsensorelemente entlang zumindest einem Paar von Außenrändern aufweist, ermöglicht es die Steuereinheit, den Wirbelstromsensor gemäß dem Verfahren von Anspruch 23, d. h. in dem oben beschriebenen zweiten Betriebsmodus, derart zu betreiben, dass der wirksame erfasste Bereich eine bevorzugte Richtung aufweist und es zulässt, Richtungsinformationen der geprüften Oberfläche zu detektieren. Kurz gesagt ermöglicht es die Steuereinheit, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel Teil des Wirbelstromsensors ist, Betriebsmodi durchzuführen und ermöglicht ein Umschalten zwischen den Betriebsmodi.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Wirbelstromsensor eine Steuereinheit auf, die derart konfiguriert ist, dass benachbarte Innenränder der Flachspulen einer Teilgruppe mit Strömen in antiparalleler Richtung bereitgestellt sind.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Wirbelstromsensor die Steuereinheit auf, die derart konfiguriert ist, dass der gemeinsame Außenrand der Flachspulen einer Teilgruppe mit einem Strom in einer gemeinsamen Umfangsrichtung bereitgestellt ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Wirbelstromsensor die Steuereinheit auf, die ferner konfiguriert ist, nacheinander ein Signal an eine erste Teilgruppe und an eine zweite Teilgruppe anzulegen, wobei die zwei Teilgruppen sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken.
Darüber hinaus ist es bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Steuereinheit des Wirbelstromsensors ferner konfiguriert ist, das Ansprechverhalten des Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Spulen zu erfassen, an die das Signal angelegt worden ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung zumindest eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie aus dem angehängten Anspruchssatz ersichtlich.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die angehängten Figuren beschrieben.

1a ist eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Wirbelstromsensorelements gemäß der Erfindung,
1b ist eine schematische Draufsicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Wirbelstromsensorelements gemäß der Erfindung,
2 ist eine perspektivische schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Wirbelstromsensors gemäß der Erfindung, das die Wirbelstromsensorelemente von 1a und 1b beinhaltet,
3 ist eine schematische Draufsicht eines Details von 1a und 1b,
4 zeigt eine Reproduktion von 1a, um den Stromfluss auf ein gemeinsames Erregen der vier Spulen des Wirbelstromsensorelements 2 von 1a (links) hin zu demonstrieren und zeigt eine perspektivische Ansicht der zweidimensionalen Verteilung des Magnetpotentialvektors auf ein gemeinsames Erregen der vier Spulen des Wirbelstromsensorelements 2 (rechts) hin,
5 zeigt eine perspektivische Ansicht der zweidimensionalen Verteilung eines Magnetvektorpotentials, berechnet für ein System aus einer rechteckigen Spule (a, links) und einer Teilgruppe des vorgeschlagenen Mehrelementsensors, wobei die Teilgruppe drei benachbarte Wirbelstromsensorelemente, wie in 1a dargestellt, in einer Zeile angeordnet aufweist (b, rechts),
6 zeigt eine perspektivische Ansicht der zweidimensionalen berechneten Verteilung des Betrags des elektrischen Felds an der vorderen Oberfläche der Last (z = 0), (a) für die rechteckige Spule von 5 (links) und auf der rechten Seite für die Teilgruppe des Mehrelementsensors, wobei die Teilgruppe drei benachbarte Wirbelstromsensorelementen von 5 (rechts) aufweist,
7 zeigt eine Draufsicht der Verteilung des Betrags des elektrischen Felds für eine Teilgruppe, die drei Wirbelstromsensorelemente aufweist, die in einer Zeile angeordnet sind, an der vorderen Oberfläche der Last (z = 0), (links): ohne Berücksichtigung von nicht-erregten Elementen (Sigma = 0), und (rechts): mit nicht-erregten Elementen, die physikalisch dargestellt sind (Sigma = 30,6 10⁶ S/m),
8 zeigt eine Draufsicht des Wirbelstromsensors mit vier unterschiedlichen Feldkonfigurationen, die durch Betreiben des Mehrelement-Wirbelstromsensors erzeugt werden, wobei die erregten vier unterschiedlichen Teilgruppen des Mehrelement-Wirbelstromsensors ein Sensor sind, der äquivalent zu einer rechteckigen Spule ist, die mit 0°, 45°, 90° und -45° ausgerichtet ist,
9 zeigt eine Draufsicht der Wirbelstromverteilung in unterschiedlichen Lagen eines Laminats (0°, 45°, 90°, -45°), die in der rechten Spalte durch Teilgruppen eines Mehrelementsensors bewirkt wird und in der linken Spalte durch eine einzelne rechteckige Spule bewirkt wird (3,2 mm x 1 mm),
10 zeigt ein Diagramm, das den normierten Widerstand der Spule in Abhängigkeit von ihrem Drehwinkel über einem Laminat aus vier Lagen anzeigt (0°/45°/90°/-45°),
11 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm als schematisches elektrisches Modell einer Spule im Allgemeinen und
12 zeigt zwei Diagramme mit dem berechneten Frequenzansprechverhalten einer Spule (3), aus der der Wirbelstromsensor besteht.

2 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Wirbelstromsensors 1 für ein zerstörungsfreies Prüfen (NDT) eines Substrats, insbesondere für das NDT eines laminierten Substrats, das vier Lagen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (carbon fiber reinforced plastic, CFRP) aufweist.
Der Wirbelstromsensor weist eine Baugruppe aus Flachspulen auf, insbesondere eine rechteckige Baugruppe aus 36 Flachspulen, die auf eine feste Weise auf einer starren Substratschicht 21 angeordnet sind. Wie ersichtlich ist, weist der Wirbelstromsensor 1 eine Mehrzahl von zumindest drei, insbesondere neun Wirbelstromsensorelementen auf.
In 2 ist eines der Wirbelstromelemente mit dem Bezugszeichen ,2' bezeichnet und ist ausführlicher in 1a dargestellt.
1a zeigt das Wirbelstromsensorelement 2 auf schematische Weise. Wie ersichtlich ist, weist das Wirbelstromsensorelement 2 eine Baugruppe 3 aus zumindest einer ersten Flachspule 4 und einer zweiten Flachspule 5 auf. Tatsächlich weist die Baugruppe 3 ferner eine dritte Flachspule 6 und eine vierte Flachspule 7 auf. Wie ersichtlich ist, weisen die erste und die zweite Flachspule 4, 5 jeweils eine dreieckige Form auf. Darüber hinaus weist die Baugruppe 3 insgesamt eine viereckige, insbesondere eine rechteckige und speziell eine quadratische Form auf.
Alle der vier Flachspulen 4, 5, 6, 7 der Baugruppe 3 sind kongruent zueinander, was bedeutet, dass die dimensionalen Größen sowie die elektrischen Charakteristiken der vier Spulen 4, 5, 6, 7 gleich sind. Im Folgenden wird lediglich die erste Flachspule 4 ausführlicher beschrieben.
3 zeigt die erste Flachspule 4 mit der dreieckigen Form. Wie ersichtlich ist, weist die Flachspule 4 die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, mit einer Länge ,D' für beide Schenkel des Dreiecks. Darüber hinaus weist die Flachspule 4 die Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit einem Winkel von 90° an der Stelle auf, wo die beiden Schenkel aufeinandertreffen. Die dritte Kante gegenüber dem rechten Winkel wird als ,Hypotenusekante‛ des Dreiecks bezeichnet.
Die Flachspule 4 ist durch ein elektrisch leitfähiges Drahtmaterial gebildet, das auf eine Substratschicht aufgebracht ist. Das Drahtmaterial bildet die Flachspule 4 mit einer Außenlänge D der zwei Schenkel von ca. 1 mm, einer Leitungsbreite I_p von ca. 6 µm, einem Abstand zwischen den Leitungen von ca. 3 mm und einer Anzahl von Windungen n von 33 auf. Die dargestellte dreieckförmige Flachspule 4 ist für eine Betriebsfrequenz von 0,8 MHz bis 2,0 MHz, insbesondere von ca. 1 MHz entworfen.
Die erste Flachspule 4 weist zwei Kontaktpunkte 8, 9 auf, so dass ein Signal, insbesondere eine Wechselspannung, an die Flachspule 4 angelegt werden kann. Sobald ein Signal, insbesondere die Wechselspannung, an die Kontaktpunkte 8, 9 angelegt ist, wird die Flachspule 4 erregt und ein Wechselstrom überquert das Drahtmaterial der Flachspule 4, wodurch bewirkt wird, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld die Ränder der Flachspule 4 umgibt. Das elektromagnetische Wechselfeld ruft in dem zu untersuchenden Substrat Wirbelströme hervor, die wiederum die Impedanz der Flachspule 4 ändern. Die Impedanzänderung kann erfasst werden, um Informationen über das zu untersuchende Substrat zu gewinnen.
Folglich kann die Flachspule 4 als eine Wirbelstromsensoreinheit agieren. Das Anlegen einer Betriebsfrequenz von ca. 1 MHz hat den Effekt, dass nicht-erregte benachbarte Spulen, die bezüglich der erregten Spulen ,im Ruhezustand‛ sind, das Messergebnis in keinem erheblichen Ausmaß beeinflussen (unten, mit Bezugnahme auf 7).
Die Außenkontur des Leiters, der die Spule 4 bildet, verleiht der Spule 4 eine dreieckige Form. Insbesondere die Spule 4 weist die Form eines gleichschenkligen Dreiecks auf, wobei zwei Kanten 10, 11 (die ,Schenkel‛) des Dreiecks dieselbe Lände D aufweisen. Wie weiter ersichtlich ist, weist die Flachspule 4 die Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf, da der Winkel zwischen den Schenkeln 10, 11 ca. 90° beträgt. Die dritte Kante des Dreiecks gegenüber dem rechten Wickel wird Hypotenusekante oder Basis 12 genannt.
Wie in 1a ersichtlich ist, weist das Wirbelstromsensorelement 2 vier Spulen 4, 5, 6, 7 auf, von denen jede die dreieckige Form aufweist, die in 3 mit Bezugnahme auf die erste Flachspule 4 ausführlicher beschrieben ist. Die vier Flachspulen 4 bis 7 sind so angeordnet, dass die Scheitelpunkte jedes Dreiecks, wo der jeweilige rechte Winkel gebildet ist, sich in der Mitte des Quadrats treffen, so dass die Kontur des Quadrats durch die Hypotenusekanten 4c, 5c, 6c, 7c oder die Basen jeder der dreieckigen Spulen 4, 5, 6 und 7 gebildet ist. Insbesondere weist die Baugruppe 3 die vier Flachspulen 4, 5, 6, 7 auf, so dass für jede beliebige der Spulen ein erster Rand dieser Spule zu einem Rand einer ersten benachbarten Spule parallel ist und ein zweiter Rand dieser Spule zu einem Rand einer zweiten benachbarten Spule parallel ist. Angefangen mit der ersten Flachspule 4 ist ein erster Rand 4a der ersten Flachspule 4 parallel zu einem Rand 7b der vierten Spule 7, die benachbart zu der ersten Spule 4 ist, und ein zweiter Rand 4b ist parallel zu einem Rand 5a der zweiten Spule 5, die benachbart zu der ersten Spule 4 ist. Auf ähnliche Weise ist, angefangen mit der dritten Flachspule 6, ein erster Rand 6a der dritten Spule 6 parallel zu einem Rand 5b der zweiten Spule 5, die benachbart zu der dritten Spule 6 ist, und ein zweiter Rand 6b ist parallel zu einem Rand 7a der vierten Spule 7, die benachbart zu der dritten Spule 6 ist. Insbesondere der zweite Rand 4b der ersten Flachspule 4 ist benachbart und parallel zu dem ersten Rand 5a der zweiten Flachspule 5 angeordnet.
Die Baugruppe 3 der vier Spulen 4, 5, 6, 7 des Wirbelstromsensorelements 2 kann als so angeordnet betrachtet werden, dass vier Paare von zueinander parallelen Rändern gebildet sind, nämlich die Ränder 4a, 7b zwischen der vierten und der ersten Spule 7, 4, die Ränder 4b, 5a zwischen der ersten und der zweiten Spule 4, 5, die Ränder 5b, 6a zwischen der zweiten und der dritten Spule 5, 6 und die Ränder 6b, 7a zwischen der dritten und der vierten Spule 6, 7. Die Ränder 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b können als ,Innenränder‛ betrachtet werden, da sie nicht zu der allgemein viereckigen, insbesondere rechteckigen, genauer gesagt quadratischen Form der Baugruppe 3 beitragen. Tatsächlich beruht die quadratische Form der Baugruppe 3 auf den Hypotenusekanten 4c, 5c, 6c und 7c der jeweiligen dreieckförmigen Flachspulen 4, 5, 6, 7.
Das Wirbelstromsensorelement 2, wie in 1a dargestellt, ermöglicht es, ein Verfahren zum Betreiben dieses Wirbelstromsensorelements 2 durchzuführen, wobei das Verfahren den Schritt eines Erregens dieses Wirbelstromelements 2 durch simultanes Anlegen eines Signals, insbesondere einer Wechselspannung, an die erste Spule 4 und an die zweite Spule 5 aufweist, so dass der Rand 4b der ersten Flachspule 4 und der Rand 5a der zweiten Flachspule 5, die benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, durch Ströme in antiparallelen Richtungen überquert werden. Insbesondere, da die Spulen 4 und 5 kongruent zueinander sind, ist es möglich, eine Spannung mit gleicher Polarität und grob demselben absoluten Wert an jede der Spulen 4 und 5 simultan anzulegen, mit dem Effekt, dass die elektromagnetischen Felder entlang der benachbarten und parallelen Ränder 4b, 5a dazu tendieren, sich derart zu überlagern, dass das resultierende elektromagnetische Feld in einem erheblichen, insbesondere einem maximalen Ausmaß verschwindet. Infolgedessen würde der Oberflächenbereich, der untersucht wird, der einer Spule sein, deren Kontur durch die Schenkel 5b und 4a der Spulen 4 und 5 sowie die Außenränder 4c, 5c begrenzt würde.
Insbesondere ist es möglich, ausgehend von dem Wirbelstromsensorelement 2, wie in 1a dargestellt, das Verfahren zum Betreiben dieses Wirbelstromsensorelements 2 dahin gehend durchzuführen, dass das gesamte Wirbelstromsensorelement 2 durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der Spulen 4, 5, 6 und 7 erregt wird, so dass die resultierenden elektromagnetischen Felder entlang den vier Paaren von zueinander parallelen benachbarten Innenrändern 7b, 4a und 4b, 5a und 5b, 6a sowie 6b, 7a zu einem maximalen Ausmaß verschwinden, mit dem Effekt, dass das resultierende elektromagnetische Feld des Wirbelstromsensorelements 2 durch die Außenränder der Kontur des Wirbelstromsensorelements 2 gegeben ist, d. h. durch die vier Hypotenusekanten 4c, 5c, 6c und 7c. Infolgedessen hat das erregte Wirbelstromsensorelement 2 den Effekt einer quadratförmigen Spule. Um dieses Ergebnis zu erzielen, muss ein Signal, insbesondere eine Wechselspannung mit gleicher Polarität und grob demselben absoluten Wert, simultan an jede der Spulen 4, 5, 6 und 7 angelegt werden, wodurch bewirkt wird, dass die Ströme in benachbarten Spulen die Spule in derselben Richtung (in 1a: gegen den Uhrzeigersinn) überqueren.
Sobald das Wirbelstromsensorelement 2 wie oben beschrieben erregt wurde, wird der Detektieren einer Impedanzänderung in den Flachspulen 4, 5, 6, 7 des Wirbelstromsensorelements 2 erfasst wird.
1a zeigt das beschreibungsgemäße Wirbelstromsensorelement 2, das vier Spulen 4, 5, 6, 7 aufweist und als ein ,Vierspulen-Wirbelstromsensorelement‛ bezeichnet werden kann. Darüber hinaus zeigt 1b eine zweite Art eines Sensorelements 102, das zwei Flachspulen aufweist und als ein ,Zweispulen-Wirbelstromsensorelement‛ bezeichnet werden kann. Wie in 1 ersichtlich ist, ist die erste Spule 4 benachbart zu einer zweiten Spule 14.
1b zeigt ein Wirbelstromsensorelement 102 für das zerstörungsfreie Prüfen eines Substrats, das eine Baugruppe 103 aus zwei Flachspulen 4, 14 aufweist, wobei die erste Flachspule 4 und die zweite Flachspule 14 jeweils eine dreieckige Form mit einem ersten bis dritten Spulenrand 4a, 4b, 4c, 14a, 14b, 14c aufweisen. Die zweite Spule 14 ist mit der ersten Spule 4 kongruent, die bezüglich 3 oben ausführlich beschrieben wurde. Insbesondere weist die zweite Spule 14 die Form eines rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks auf:
Wie in 1b ersichtlich ist, ist die Hypotenusekante 4c der ersten Spule 4 benachbart und parallel zu der Hypotenusekante 14c der zweiten Spule 14 derart angeordnet, dass die Baugruppe 103 eine viereckige, insbesondere eine rechteckige, genauer gesagt eine quadratische Form aufweist. Insbesondere die zwei Flachspulen 4, 14 sind derart angeordnet, dass die Hypotenusekanten 4c, 14c der ersten Spule 4 und der zweiten Spule 14 parallel sind. Bezüglich der quadratförmigen Kontur des Wirbelstromsensorelements 102 sind die Hypotenusekanten 4c, 14c als Innenränder zu betrachten, da sie nicht zu der Form beitragen. Vielmehr wird die quadratische Form des Wirbelstromsensorelements 102 durch die Außenränder 14a, 14b und 4a, 4b der dreieckförmigen Flachspulen 4, 14 begrenzt.
Bezüglich des Verfahrens zum Betreiben des Wirbelstromsensorelements 102 wird bevorzugterweise, um das Verfahren zum Erregen des Wirbelstromsensorelements 102 durchzuführen, ein Signal, insbesondere eine Wechselspannung, an jede der ersten Flachspule 4 und der zweiten Flachspule 14 derart angelegt, dass der Rand 4c der ersten Flachspule 4 und der Rand 14c der zweiten Flachspule 14, die benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, durch Ströme in antiparallelen Richtungen überquert werden. Insbesondere, wenn eine erste Spannung an die erste Flachspule 4 und eine zweite Spannung an die zweite Flachspule 14 angelegt wird, wenn die Spannungen denselben absoluten Wert und dieselben Polaritäten aufweisen, verschwindet das resultierende elektromagnetische Feld an den parallelen und benachbarten Rändern 4c, 14c zu einem maximalen Ausmaß. Um dieses Ziel zu erreichen, muss wiederum das Signal, insbesondere die Wechselspannung mit gleicher Polarität und ungefähr demselben absoluten Wert, simultan an jede der Spulen 4, 14 angelegt werden, wodurch bewirkt wird, dass die Ströme in den zwei benachbarten Spulen die Spule in derselben Richtung (in 1b: im Uhrzeigersinn) überqueren.
Der Messprozess wird abgeschlossen, indem der Schritt ,Erfassen des Ansprechverhaltens des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung in den Flachspulen 4, 14 des Wirbelstromsensorelements 102' durchgeführt wird.
2 zeigt zwei unterschiedliche Typen von quadratförmigen Wirbelstromsensorelementen, nämlich einen ersten Typ, der vier Spulen aufweist, wie oben mit Bezugnahme auf 1a beschrieben ist, und der oben als ,Vierspulen-Wirbelstromsensorelement‛ bezeichnet wird, und einen zweiten Typ, der zwei Spulen aufweist, wie oben mit Bezugnahme auf 1b beschrieben ist, und der oben als ,Zweispulen-Wirbelstromsensorelement‛ bezeichnet wird.
Im Folgenden bezieht sich der Begriff ,Vierspulen-ECSE‛ (ECSE: Abkürzung von ,eddy current sensor element' = Wirbelstromsensorelement) auf den ersten Typ des Wirbelstromsensorelements und der Begriff ,Zweispulen-ECSE‛ auf den zweiten Typ des Wirbelstromsensors.
2 zeigt, dass der Wirbelstromsensor 1 für das zerstörungsfreie Prüfen eines Substrats eine Mehrzahl, d. h. mehr als drei, Wirbelstromsensorelemente 2, 102 aufweist, wobei die Wirbelstromsensorelemente 2, 102 in einer viereckigen, insbesondere einer rechteckigen Ordnung benachbart und parallel zueinander angeordnet sind.
Insbesondere mit Bezugnahme auf das Vierspulen-ECSE, das mit dem Bezugszeichen 2 angegeben ist, ist rechts ein zweites Vierspulen-ECSE 2a sowie ein drittes Vierspulen-ECSE 2b sichtbar. Insbesondere in einer horizontalen Richtung (Pfeil 15) ist das Vierspulen-ECSE 2a zu beiden, dem Vierspulen-ECSE 2 und dem Vierspulen-ECSE 2b, benachbart.
Gleichermaßen ist in einer vertikalen Richtung (Pfeil 16) ein Vierspulen-ECSE 2c zu dem Vierspulen-ECSE 2 und zu dem Vierspulen-ECSE 2d benachbart.
Wie ersichtlich ist, weisen beliebige zwei benachbarte Sensorelemente 2, 2a, 2b, 2c, 2d zwei parallele Ränder auf. Wie im Fall der zwei Vierspulen-ECSE 2, 2a ist der Rand 5a (1a) benachbart und parallel zu einem Rand 17 einer dreieckförmigen Spule, die Teil des Vierspulen-ECSE 2a ist.
Gleichermaßen ist, wie in 2 ersichtlich ist, das Zweispulen-ECSE 102 zu einem anderen Zweispulen-ECSE oben rechts und noch einem anderen Zweispulen-ECSE unten rechts benachbart.
Im Fall beider Typen von Wirbelstromsensorelementen 2, 102 ist ersichtlich, dass dieses Element einen parallelen Rand zu dem benachbarten Wirbelstromsensorelement desselben Typs aufweist. Insbesondere beliebige zwei benachbarte Sensorelemente desselben Typs weisen zwei parallele Ränder auf.
Wie in 2 weiter ersichtlich ist, bilden die Wirbelstromsensorelemente 2, 102 ein Array aus Spalten und Zeilen. Insbesondere für das Vierspulen-ECSE 5, 5a, 5b, 5c, 5d erstrecken sich die Spalten und Zeilen in der horizontalen und der vertikalen Richtung, die durch die Pfeile 15, 16 gegeben sind. Für das Zweispulen-ECSE erstrecken sich die Spalten und Zeilen in einer Richtung in einem Winkel von +45° bezüglich des Pfeils 15 bzw. in einer Richtung in einem Winkel von -45° bezüglich des Pfeils 15 (Pfeile 18, 19).
Mit weiterer Bezugnahme auf 2 kann eine bevorzugte Weise, das Verfahren zum Betreiben des Wirbelstromsensors 1 durchzuführen, beispielhaft wie folgt dargestellt werden:
Angefangen mit dem in 2 dargestellten Wirbelstromsensor 1, der die zwei Vierspulen-ECSE 2, 2a benachbart zueinander aufweist, die sich in der horizontalen Richtung entlang des Pfeils 15 erstrecken, wird als erster Schritt (b) das linke ECSE 2 durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der vier Spulen erregt, so dass der Strom, der den Innenrand der ersten Spule überquert, antiparallel zu dem Strom ist, der den Innenrand der zweiten Spule überquert. Wie oben mit Bezugnahme auf 1a erläutert wird, überlagern die elektromagnetischen Felder sich an den Innenrändern 4a, 7b, 4b, 5a, 5b, 6y, 6b, 7a derart, dass das jeweilige resultierende elektromagnetische Feld dasjenige einer quadratförmigen Spule ist, deren Kontur durch die Ränder 4c, 5c, 6c und 7c begrenzt wird. Bei dem zweiten Schritt (c) wird das Ansprechverhalten des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Spulen 4, 5, 6, 7 des erregten Wirbelstromsensorelements 2 erfasst. Als Nächstes wird das rechte ECSE 2a erregt, wie oben bei Schritt (b) beschrieben ist, und schließlich wird das Ansprechverhalten der vier Spulen des rechten ECSE 2a wie oben beschrieben erfasst. Tatsächlich wurde der Oberflächenbereich unter dem ECSE 2, 2a nachfolgend erfasst, d. h. zwei benachbarte Abschnitte des Oberflächenbereichs wurden in der Richtung des Pfeils 15 ohne relative Bewegung des Wirbelstromsensors 1 bezüglich der zu untersuchenden Oberfläche abgetastet.
Gleichermaßen kann durch aufeinanderfolgendes Erregen und Erfassen des ECSE 2 und 2c ein Abtasten der zu untersuchenden Oberfläche bezüglich der Richtung des Pfeils 16 erzielt werden.
Auf ähnliche Weise kann, ausgehend von dem Zweispulen-ECSE 102, ein Abtasten in der Richtung der Pfeile 18 bzw. 19 erzielt werden.
Tatsächlich ist es möglich, ohne den Wirbelstromsensor 1 relativ zu der Oberfläche zu bewegen, die Oberfläche unabhängig in mehr als drei Richtungen abzutasten. Dieses Abtasten wird oben als der erste Betriebsmodus des Wirbelstromsensors 1 bezeichnet.
Immer noch mit Bezugnahme auf 2 kann eine bevorzugte Weise, den Wirbelstromsensor 1 gemäß dem zweiten Betriebsmodus zu betreiben, beispielhaft wie folgt dargestellt werden:
Angefangen mit dem in 2 dargestellten Wirbelstromsensor 1, der zwei Vierspulen-ECSE 2, 2a benachbart zueinander aufweist, die sich in der horizontalen Richtung erstrecken, wie durch den Pfeil 15 angegeben ist, wird durch simultanes und gemeinsames Erregen jedes der zwei Wirbelstromsensorelemente 2, 2a durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule jedes der Wirbelstromsensorelemente bewirkt, dass der Strom, der einen Außenrand 5a (2) des ersten Wirbelstromsensorelements 2 überquert, antiparallel zu einem Strom ist, der einen Außenrand 17 eines zweiten Wirbelstromsensorelements 2a überquert, das benachbart zu dem ersten Wirbelstromsensorelement 2 ist. Infolgedessen weisen die simultan und gemeinsam erregten benachbarten Wirbelstromelemente 2, 2a den Effekt auf, dass ein einzelner rechteckiger Wirbelstromsensor 2' sich in der Richtung des Pfeils 15 doppelt so lang erstreckt wie in der senkrechten Richtung (Pfeil 16). Ein derartiger wirksamer rechteckiger Sensor ist speziell für Signale entworfen, die eine bevorzugte Ausrichtung in der horizontalen Richtung des Pfeils 15 oder parallel zu derselben aufweisen.
Gleichermaßen könnte das erste Vierspulen-ECSE 2 simultan und gemeinsam mit dem benachbarten Vierspulen-ECSE 2c erregt werden, um den Effekt eine einzelnen rechteckigen Wirbelstromsensors 2" zu erzielen, der sich in der vertikalen Richtung erstreckt, wie durch den Pfeil 16 angegeben ist.
Auf ähnliche Weise könnten mehr als zwei Wirbelstromsensorelemente, die sich in einer Richtung erstrecken, simultan und gemeinsam erregt werden.
Darüber hinaus kann, ausgehend von dem Zweispulen-ECSE 102, dieses Wirbelstromsensorelement zusammen mit zumindest einem benachbarten Zweispulen-ECSE simultan und gemeinsam erregt werden, um die zu untersuchende Oberfläche mit einer bevorzugten Ausrichtung entlang einem der Pfeile 18 bzw. 19 auf Mängel zu prüfen.
Um die oben beschriebenen Betriebsmodi durchzuführen, kann der Wirbelstromsensor 1 eine Steuereinheit 20 aufweisen, die konfiguriert ist, simultan ein Signal, insbesondere eine Wechselspannung, an die Spulen einer Teilgruppe der Spulen anzulegen, wobei die Teilgruppe zumindest eines der Wirbelstromsensorelemente 2, 102 aufweist. Die Steuereinheit 20 ist in 2 und in 3 dargestellt und weist einen leitfähigen Draht auf, der jeden der zwei Kontakte 8, 9 jeder der Spulen berührt, wie für die Spule 4 in 3 veranschaulicht ist. Folglich kann die Steuereinheit 20 jede der 36 Spulen des Wirbelstromsensors 1 individuell adressieren oder kann eine spezifische Teilgruppe der Spulen gemeinsam adressieren, um ein Signal, insbesondere eine Wechselspannung, an die ausgewählten Teilgruppen der Spulen bzw. an die ausgewählte Spule anzulegen.
Falls die Teilgruppe der Spulen genau einem der Wirbelstromsensorelemente 2, 102 entspricht, kann die Steuereinheit 20 konfiguriert sein, das Wirbelstromsensorelement 2, 102 entlang der zu untersuchenden Oberfläche abzutasten, indem benachbarte Wirbelstromsensorelemente in einer der Richtungen gemäß den Pfeilen 18, 19, 15 und 16, d. h. gemäß einem Winkel von 0°, 90°, +45° und -45°, nacheinander erregt werden.
Falls die Teilgruppe der Spulen zwei oder mehreren der Wirbelstromsensorelemente 2, 102 entspricht, kann durch simultanes und gemeinsames Anlegen eines Signals an zwei benachbarte Wirbelstromsensorelemente ein wirksamer Sensor 2', 2" mit einer bevorzugten Empfindlichkeit gegenüber Defekten in einer der Richtungen 18, 19, 15 und 16 emuliert werden.
In jedem Fall kann die Steuereinheit 20 benachbarte Innenränder der Flachspulen der Teilgruppe mit Strömen in antiparallelen Richtungen bereitstellen. Dies wurde im Hinblick auf 1a, 1b für die Wirbelstromsensorelemente 2, 102 ausführlicher erläutert. Darüber hinaus ist, Bezug nehmend auf 2, der wirksame Sensor 2' durch die benachbarten Wirbelstromsensorelemente 2, 2a gebildet. Die Steuereinheit 20 legt ein Signal an die Spulen der Wirbelstromsensorelemente 2, 2a derart an, dass für jedes der Stromsensorelemente 2, 2a ein Strom in einer antiparallelen Richtung bereitgestellt ist. Darüber hinaus sind, da die parallelen Ränder 5a, 17 einen Innenrand bezüglich des wirksamen Sensors 2' definieren, an diesen parallelen Rändern 5, 17 Ströme in einer antiparallelen oder entgegengesetzten Richtung bereitgestellt. Folglich ist der gemeinsame Außenrand der Flachspulen der Teilgruppe 2', insbesondere die Außenkontur, die beide Wirbelstromsensorelemente 2, 2a der Teilgruppe 2' eng umschließt, mit einem wirksamen Strom versehen, der vorgesehen sein kann, in einer gemeinsamen Umfangsrichtung entlang der Außenkontur der Teilgruppe 2' zu queren.
Die Steuereinheit 20 kann ferner konfiguriert sein, nacheinander ein Signal an eine erste Teilgruppe und an eine zweite Teilgruppe anzulegen, wobei die zwei Teilgruppen sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Insbesondere kann die erste Teilgruppe die Teilgruppe 2' sein (2), und die zweite Teilgruppe kann die Teilgruppe 2" sein, wobei jede der Teilgruppen 2', 2" zwei Vierspulen-Wirbelstromsensorelemente aufweist, sich jedoch in senkrechter Richtung erstreckt. Insbesondere kann die Steuereinheit es ermöglichen, den Wirbelstromsensor 1 bezüglich einer richtungsabhängigen Empfindlichkeit zu verschieben.
Die Steuereinheit 20 kann ferner konfiguriert sein, die zumindest eine Teilgruppe in zumindest zwei Richtungen zu verschieben. Falls die Teilgruppe aus einem einzelnen Wirbelstromsensorelement 2, 102 besteht, entspricht dies dem oben beschriebenen Abtast-Betriebsmodus. Falls die Teilgruppe aus zumindest zwei unterschiedlichen Wirbelstromsensorelementen besteht, z. B. dem wirksamen Sensor 2' (2), kann dieses Verschieben erzielt werden, indem zuerst die Wirbelstromelemente 2, 2a simultan und gemeinsam erregt werden (um den wirksamen Sensor 2' zu erhalten) und dann die Wirbelstromelemente 2a, 2b simultan und gemeinsam erregt werden, um eine Verschiebung nach rechts in der horizontalen Richtung des Pfeils 15 bereitzustellen. Auf ähnliche Weise kann der wirksame Sensor 2' in der vertikalen Richtung, in der Richtung des Pfeils 16 verschoben werden.
Darüber hinaus kann die Steuereinheit 20 ferner konfiguriert sein, das Ansprechverhalten des Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Spulen, an die das Signal angelegt worden ist, zu erfassen.
Das zerstörungsfreie Prüfen eines Substrats unter Verwendung von Wirbelströmen basiert auf der Verteilung und Zirkulation von hervorgerufenen Strömen in einer elektrisch leitfähigen Komponente des Substrats, das untersucht wird. Die Verteilung der hervorgerufenen Wirbelströme hängt stark von dem Profil des elektromagnetischen Erregungsfelds ab.
4 zeigt im linken Teil einen Block aus vier rechtwinkligen, gleichschenkligen dreieckförmigen Spulen, die einen quadratförmigen Block bilden. Dieser Block entspricht dem Wirbelstromsensorelement 2, das oben mit Bezugnahme auf 1a beschrieben wurde.
Ausgehend von dem Gedanken, dass die elektromagnetischen Felder, die durch zwei parallele Drähte erzeugt werden, die durch Ströme mit demselben Betrag, jedoch in entgegengesetzter oder antiparalleler Richtung überquert werden, einander aufheben, können die vier dreieckigen Spulen des linken Teils von 4 derart erregt werden, dass das resultierende elektromagnetische Feld ähnlich dem einer quadratischen Spule ist. Die Felder, die durch Ströme erzeugt werden, die in den diagonalen Leiterabschnitten strömen, weisen denselben Betrag, jedoch unterschiedliche Vorzeichen auf und überlagern sich deswegen, so dass sie einander aufheben. Infolgedessen ist das verbleibende Feld dasjenige aufgrund der Ströme, die in den äußeren Leiterabschnitten strömen. Dies ist in 4, linker Teil gezeigt und wurde oben mit Bezugnahme auf 1a ausführlicher erläutert. Folglich ist, wie 4, rechter Teil zeigt, die berechnete Verteilung 200 des Magnetpotentialvektors des Wirbelstromsensorelements 2, das die vier dreieckförmigen Spulen 4, 5, 6, 7 aufweist, zu einem vernünftigen Ausmaß äquivalent zu derjenigen einer quadratförmigen Spule mit derselben Kontur. Der beschreibungsgemäße Block entspricht dem Vierspulen-Wirbelstromsensorelement 2 wie oben mit Bezugnahme auf 1a beschrieben ist. Im Folgenden ist, wenn die Rede von einem Block ist, ein Vierspulen-Wirbelstromsensorelement 2 gemeint, wie oben mit Bezugnahme auf 1a beschrieben ist.
Ausgehend von dem rechten Teil von 5 kann eine Teilgruppe 202, die drei quadratförmige Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b, 202c aufweist (die jeweils eine Gruppe von vier dreieckigen Spulen aufweisen, wie in 1a bezüglich des Wirbelstromsensorelements 2 erläutert wird), simultan und gemeinsam erregt werden, indem ein Signal an jedes der Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b, 202c der Teilgruppe 202 angelegt wird, um das wirksame elektromagnetische Feld einer rechteckigen Spule mit derselben Kontur wie die der Teilgruppe 202 zu erhalten. Wie ersichtlich ist, bewirkt ein simultanes und gemeinsames Erregen von je zwei benachbarten Wirbelstromsensorelementen (z. B. der benachbarten Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b) durch simultanes Anlegen eines Signals, insbesondere einer Wechselspannung, an jede der vier Spulen jedes der Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b, dass der Strom, der einen äußeren (z. B. rechten) Rand des ersten Wirbelstromsensorelements 202a überquert, in entgegengesetzter Richtung und antiparallel zu einem Strom ist, der einen äußeren (bei diesem Beispiel: linken) Rand des zweiten Wirbelstromsensorelements 202b überquert, das benachbart zu dem ersten Wirbelstromsensorelement 202a ist. Falls die Wechselspannungen denselben Betrag aufweisen, überlagern sich die erzeugten elektromagnetischen Felder entlang der gegenüberliegenden parallelen Ränder, an denen die zwei Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b aneinandergrenzen, um sich in einem erheblichen Ausmaß aufzuheben. Auf ähnliche Weise kann bewirkt werden, dass an den gegenüberliegenden parallelen Außenrändern, an denen die Wirbelstromsensorelemente 202b, 202c aneinandergrenzen, die elektromagnetischen Felder einander aufheben.
Wie 5 zeigt, ist der Magnetpotentialvektor, der für eine einzelne rechteckige Spule 250 (5, links) berechnet wird, mit dem Magnetvektorpotential für die Teilgruppe 202 vergleichbar, die die drei Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b 202c aufweist, die in der horizontalen Richtung benachbart zueinander in einer Zeile angeordnet sind (Pfeil 15, 2), wenn die Sensorelemente 202a, 202b, 202c simultan und gemeinsam durch das Anlegen eines Signals, insbesondere durch das Anlegen einer Wechselspannung (5, rechts), erregt werden. Wie ersichtlich ist, ist das Verhalten des gesamten elektromagnetischen Felds für die zwei Systeme (linker und rechter Teil von 5) äquivalent. Wie im Fall des Mehrelementsensors, der drei quadratförmige Blöcke von 4 (rechts) aufweist, zeigt das elektromagnetische Feld einige Unregelmäßigkeiten, die aufgrund von Unstetigkeiten in der Geometrie des Induktors und von Strom-Singularitäten in den Biegungen der dreieckförmigen Spulen sein, aus denen der quadratförmige Einzelelementsensor besteht.
6 zeigt die berechneten Beträge des elektrischen Felds für eine einzelne rechteckige Spule 250' (6, oberer Teil) im Vergleich zu einer Teilgruppe 202', die drei Wirbelstromsensorelemente aufweist (6, unterer Teil). Im Vergleich zu 5 erstrecken sich die Spule 250' sowie die Teilgruppe 202' in einer Richtung, die senkrecht zu der Richtung des Pfeils 15 ist, der in 5 angegeben ist. Insbesondere erstrecken sich die Spule 250' sowie die Teilgruppe 202' entlang einer Spalte, d. h. entlang des Pfeils 16 ( 2).
7 zeigt den Einfluss von Spulen, die benachbart zu der Teilgruppe 202 sind (5), die die drei quadratförmigen Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b, 202c aufweist. Die Berechnung der Verteilung des Betrags des elektrischen Felds, das die Teilgruppe 202 umgibt, erfolgte, indem in numerischer Hinsicht der Beitrag der benachbarten, nicht-erregten Spulen vernachlässigt wurde (linker Teil) und die Auswirkung der benachbarten, nicht-erregten Spulen (rechter Teil) berücksichtigt wurde. Wie ersichtlich ist, weisen die benachbarten, nicht-erregten Spulen und nicht-erregten Wirbelstromsensorelemente, die bezüglich des erregten Wirbelstromsensorelements 202 als ,im Ruhezustand‛ zu betrachten sind, keinen bedeutsame Auswirkung auf die räumliche Konfiguration des resultierenden elektromagnetischen Felds oder dessen Betrag auf, insbesondere wenn der Wirbelstromsensor mit einer Betriebsfrequenz von ca. 1 MHz betrieben wird.
8 zeigt vier unterschiedliche Teilgruppen, die durch Erregen von vier unterschiedlichen Sätzen von Wirbelstromsensorelementen des Wirbelstrom-Mehrelementsensors erhalten werden. Die grundlegendste Einheit ist die Spule 4 mit der Form eines rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks, die oben mit Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde. Eine Anordnung 3 von vier derartigen Spulen 4, 5, 6, 7 bildet ein quadratförmiges Wirbelstromsensorelement 2 (1a).
Wie in 8, linker oberer Teil ersichtlich ist, resultieren drei Wirbelstromsensorelemente 202a, 202b, 202c, die benachbart entlang einer Zeile angeordnet sind, wenn sie simultan und gemeinsam erregt werden, in der Teilgruppe 202, die erregt werden soll, wobei die Teilgruppe 202 den Effekt eines einzelnen rechteckigen Mehrelementsensors aufweist, der sich in einer horizontalen Richtung (in einem Winkel von 0°, d. h. parallel zu der Richtung des Pfeils 15) erstreckt. Ferner kann ein anderer Satz von drei Wirbelstromsensorelementen 202d, 202b, 202e durch gemeinsames und simultanes Anlegen eines Signals an jedes derselben erregt werden, um eine Teilgruppe 202' zu erregen, die in einer vertikalen Richtung ausgerichtet ist, d. h. in einer Richtung entlang des Pfeils 16, wobei die Teilgruppe 202' den Effekt eines rechteckigen Mehrelementsensors aufweist, der sich in der vertikalen Richtung (in einem Winkel von 90° bezüglich des Pfeils 15, 8, linker unterer Teil) erstreckt.
Darüber hinaus können, wie oben bezüglich 1b erläutert wurde, zwei benachbarte dreieckförmige Spulen 4, 14 simultan erregt werden, um ein quadratförmiges Wirbelstromsensorelement 102 zu ergeben; ein derartiges Wirbelstromsensorelement 102 weist einen Bereich auf, der kleiner als der Bereich der Wirbelstromsensorelemente 2, 202a, b, c, d, e ist.
Das quadratförmige Sensorelement 302, das zwei dreieckförmige Spulen aufweist, die an den jeweiligen parallelen Hypotenusekanten aufeinandertreffen, ist in einem Winkel von +/-45° bezüglich der Wirbelstromsensorelemente 2 geneigt, wie in 8, rechte Spalte ersichtlich ist. Es ist ersichtlich, dass benachbarte Zweispulen-Wirbelstromsensorelemente 302a, 302b, 302c, 302d in einer ersten diagonalen Richtung bezüglich der vertikalen und horizontalen Richtung ausgerichtet sind. Insbesondere die vier Wirbelstromsensorelemente 302a, 302b, 302c, 302d sind in einem Winkel von 45° bezüglich der horizontalen Richtung angeordnet. Darüber hinaus sind die Zweispulen-Wirbelstromsensorelemente 302e, 302f, 302g, 302h entlang einer anderen Diagonalen in einem Winkel von 90° bezüglich der ersten Diagonalen und in einem Winkel von -45° bezüglich der horizontalen Richtung angeordnet.
Darüber hinaus ist es vorgesehen, eine Teilgruppe 302 zu erregen, indem die vier Zweispulen-Wirbelstromsensorelemente 302a, b, c, d, die in einer Linie entlang der Richtung des Pfeils 18 angeordnet sind, simultan und gemeinsam erregt werden. Die erregte Teilgruppe 302 ist in einem Winkel von 45° bezüglich der horizontalen Richtung geneigt (Pfeil 15). Außerdem ist es vorgesehen, eine Teilgruppe 302' simultan und gemeinsam zu erregen, indem die vier Zweispulen-Wirbelstromsensorelemente 302e, f, g, h derart simultan und gemeinsam erregt werden, dass die Teilgruppe 302' in einem Winkel von -45° bezüglich der horizontalen Richtung geneigt ist. Jede der Teilgruppen 302, 302' entspricht einem rechteckigen wirksamen Sensor, der in einem Winkel von +-45° bezüglich der horizontalen Richtung geneigt ist.
Wie aus 8 ersichtlich ist, lässt die dreieckige Form der Spulen 4 (3) eine erhebliche Flexibilität bezüglich der gewünschten Formen eines elektromagnetischen Felds zu. Die Wirbelstromsensorelemente, die zwei oder vier Spulen aufweisen, können derart angeordnet sein, dass sie eine große Anzahl möglicher Elektromagnetisches-FeldKonfigurationen ergeben, so dass ein mechanisches Schwenken, Drehen oder Verschieben des Sensors vermieden werden kann. Darüber hinaus kann die Baugruppe einen relativ breiten Untersuchungsbereich abdecken, wodurch die Anzahl von Abtastvorgängen reduziert werden kann.
Für unterschiedliche Erregungsmodi kann der Wirbelstromsensor 1, der aus dreieckförmigen Spulen besteht (2), derart betrieben werden, dass Teilgruppen der Spulen, wobei eine Teilgruppe zumindest zwei benachbarte Wirbelstromsensoreinheiten aufweist, die Elektromagnetisches-Feld-Konfiguration einer einzelnen rechteckigen Spule aufweisen können, die mit 0°, 45°, 90° und -45° ausgerichtet ist, ohne auf eine mechanische Drehung zurückzugreifen. Diese Eigenschaft kann ausgenutzt und auf die Messung eines Laminats, das aus CFRP-Lagen besteht, angewendet werden.

Das modellierte System des Laminats, das aus den CFRP-Lagen besteht, ist ein Stapel von vier Lagen, die mit (0°, 45°, 90°, -45°) ausgerichtet sind. Die physikalischen und geometrischen Charakteristiken des modellierten Systems sind durch die folgende Tabelle gegeben:

Parameter	Numerische Werte	Einheit
Laminat
Anzahl der Lagen	4
Faserausrichtung	0°, 45°, 90° und -45°	[Grad]
Leitfähigkeit (σ_□, σ_⊥, σ_#)	(1,104, 2,102, 10)	[S/m]
Lagendicke	125	[µm]
Sensor
Anzahl der Spulen	36
Zwischenraum zwischen den Spulen	0,08	[mm]
Abhebung	0,125	[mm]
Stromstärke	20	[mA]
Frequenz	1	[MHz]

9 veranschaulicht die berechnete Verteilung der auf einem Laminatsubstrat mit den obigen Charakteristiken hervorgerufenen Wirbelströme durch einen einzelnen rechteckigen Sensor (der als Induktor dient), der mit 0° ausgerichtet ist, und dessen äquivalenter Teilgruppe 202, die die drei angrenzenden Wirbelstromsensorelemente 202a, b, c aufweist (8, rechter oberer Teil). Der Sensor (der als Induktor dient) weist im Wesentlichen dieselbe Außenkontur wie die Teilgruppe 202 auf. Ein derartiger Sensor ist in dem linken Teil von 5 dargestellt und der mit dem Bezugszeichen ,250' angegeben.
Es ist festzustellen, dass die Verteilung der hervorgerufenen Wirbelströme durch die zwei Sensortypen in jeder Lage des Laminats ziemlich identisch ist. Dies führt dazu, dass ein identisches Ansprechverhalten bezüglich der Impedanz erwartet wird. Darüber hinaus weisen die in 10 präsentierten Ergebnisse nach, dass der vorgeschlagene Mehrelementsensor, der durch die Teilgruppe 202 gegeben ist (wie in 8, linker oberer Teil dargestellt), die Ausrichtung der Lagen sowie deren Stapelreihenfolge detektieren kann.
Das Polardiagramm von 10 gibt die Intensität des gemessenen Signals hinsichtlich des Drehwinkels der Teilgruppe 202 an, die als Sensor dient, der das Ansprechverhalten der hervorgerufenen Wirbelströme als Impedanzänderung erfasst. Die vier Winkel der erhaltenen Keulen bzw. Erhebungen 300a, b, c, d bestimmen die unterschiedlichen Faserausrichtungen, während deren Betrag die Position der Lage in der zu untersuchenden Probe angibt. Der Vergleich zwischen den Beträgen der Spitzen der Erhebungen 300a, b, c, d zeigt, dass dieselben gemäß der Stapelreihenfolge der Lagen abnehmen. Jedoch muss eine bestimmte Nichtübereinstimmung berücksichtigt werden, was die Anzahl von Windungen und die Dimensionen der Spulen angeht, wenn die erhaltenen Ergebnisse von 10 mit ähnlichen Ergebnissen aus der Literatur verglichen werden (z. B. Menana H. (2009): Non-destructive evaluation of the conductivity tensor of a CFRP plate using a rotating eddy current sensor, XIV International Symposium on Electromagnetic Fields. ISEF 2009, Arras - Frankreich). Es ist ferner festzustellen, dass keine bedeutsame Differenz zwischen den Spitzen bei 45° und 90° besteht; diese Beobachtung könnte durch Veränderung der Größen der äquivalenten rechteckförmigen Teilgruppen von Spulen, die mit 45° und 90° ausgerichtet sind (siehe 8) erklärt werden: Insbesondere die Teilgruppe 302 (8, rechter oberer Teil) weist einen geringfügig höheren effektiven Messbereich im Vergleich zu der Teilgruppe 202' auf (8, linker unterer Teil).
Unter Bezugnahme auf 2 kann das beschriebene Ausführungsbeispiel eines Wirbelstromsensors so vorgesehen sein, dass dasselbe ein rechtwinkliges, insbesondere ein quadratförmiges Array identischer Spulen ist. Insbesondere kann das beschriebene Ausführungsbeispiel des Wirbelstromsensors so vorgesehen sein, dass dasselbe eine einzelne Baugruppe ist, die 36 kongruente Spulen aufweist, von denen jede die Form eines rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecks aufweist, so dass ein Winkel zwischen einer der Seiten (Schenkel) und der Hypotenuse (der Basis) des Dreiecks 45° beträgt. Da die Spulen als identisch zu betrachten sind, was die geometrischen sowie die elektrischen Parameter angeht, wird zum Bestimmen der besten Konfiguration für das optimale Funktionieren des Wirbelstromsensors eine typische, zufällig ausgewählte dreieckförmige Spule 4 (3) bezüglich ihrer geometrischen, elektrischen und physikalischen Charakteristiken charakterisiert und modelliert.
Für eine geometrische Charakterisierung der dreieckförmigen Spulen sind die entwickelte oder die gesamte Länge des Drahts l_total und die gesamte wirksame Oberfläche S_total durch die Gleichungen 1 bzw. 2 gegeben:

wobei D der Außensteg der Spule ist, I_p die Leitungsbreite ist, E_p der Abstand zwischen den Leitungen ist und n die Anzahl der Windungen ist (3).
Für eine elektrische Charakterisierung der dreieckförmigen Spule wird Bezug auf 11 als ein elektrisches Modell der Spule, insbesondere als ein äquivalentes Schaltungsdiagramm der Spule genommen, so dass der Widerstand R, die Kapazität C und die Induktivität L durch die Gleichungen 3 bis 5 wie folgt gegeben sind: $R = \frac{ρ . I_{t o t a l e}}{l p . h p}$
$C = {[\sum_{k = 2}^{n} (1 / ε \frac{h p \cdot l_{k}}{E p})]}^{- 1}$
$L = \frac{ω}{I^{2}} \int \int_{Ω} \int \frac{1}{μ} {| \bar{B} |}^{2} d Ω$
Wobei h_p die Höhe der Leitung ist, ρ den spezifischen Widerstand angibt, ε die elektrische Permittivität ist, ω die Winkelfrequenz ist, Ω der Untersuchungsbereich ist, µ die magnetische Permeabilität ist und B die Magnetflussdichte ist. Für ein Bestimmen der Spuleninduktivität L wurde ein Zensus der gespeicherten magnetischen Energie (Gleichung 5) über das FE(finite Elemente)-Modell bereitgestellt, das entwickelt und weiter unten beschrieben ist, mit Bezugnahme auf Gleichung (9), (10) weiter unten.
Für eine physikalische Charakterisierung der Spule muss das elektromagnetische Verhalten qualifiziert werden. Als ein elektromagnetischer Sensor, der als ein Emitter agiert, muss die emissive Fähigkeit berechnet werden. Falls die Spule als Empfänger verwendet wird, ist es erforderlich, die Empfindlichkeit und das elektrische Rauschsignal derselben zu bestimmen. Die vorgeschlagene dreieckförmige Spule weist die Vielseitigkeit auf, um simultan oder getrennt in Emission und Empfang zu arbeiten. Folglich weisen das Wirbelstromsensorelement, das zwei oder vier Spulen aufweist, sowie eine Teilgruppe, die durch Erregen von zumindest zwei benachbarten Wirbelstromsensorelementen gebildet wird, ebenfalls die Vielseitigkeit auf, simultan oder getrennt in Emission und Empfang zu arbeiten.
Die Empfindlichkeit S einer Spule mit einer Frequenz f ist gemäß Faraday-Lenz-Gesetz durch die Gleichung 6 gegeben:
wobei dV die Spannungsvariation ist, die durch eine Variation in der empfangenen magnetischen Induktion dB provoziert wird.
Das Rauschen v_b einer Spule, wenn dieselbe keinen Strom trägt, ist lediglich ein thermisches Agitationsrauschen. Diese effektive Spannung bei einer Temperatur T und in einem Messfrequenzbereich Δf ist durch die Gleichung 7 gegeben: $v_{h} = \sqrt{4 K . T . R . Δ f}$
(K: Boltzmann-Konstante).
Die emissive Fähigkeit P_e ist das Verhältnis zwischen dem emittierten Feld ,B' und dem Strom ,I', der zur Emission desselben erforderlich ist, gemäß Gleichung 8:
Die Beziehung zwischen der geometrischen, elektrischen und physikalischen Charakteristik, die oben gegeben sind, ermöglicht es, den Einfluss jedes Parameters zu untersuchen und damit die optimalen Dimensionen einer Spule, die für eine spezifische Anwendung geeignet ist, zu bestimmen.

Die folgende Tabelle stellt die Charakteristiken der ausgewählten dreieckförmigen Spule bereit, die zum zerstörungsfreien Auswerten des CFRP verwendet wurde:

	Parameter	Numerische Werte	Einheit
Spulendimensionen	Außenlänge D	1	[mm]
	Leitungsbreite Ip	6	[µm]
	Zwischenraum zwischen den Leitungen Ep	3	[µm]
	Anzahl der Windungen n	33
Elektrische Parameter	Widerstand R	4,24	[Ohm]
	Induktivität L	1,44	[µH]
	Kapazität C	3,5	[fF]
	Empfindlichkeit S	35	[V/T]
	Rauschspannung v_b	0,83	[µV]
	Emissive Fähigkeit P_e	254	[mT/A]

Auf der Basis des theoretischen Modells, wie in dem äquivalenten Schaltungsdiagramm von 11 für eine Spule allgemein dargestellt ist, zeigt 12 das Frequenzansprechverhalten einer dreieckförmigen Spule mit den Parametern der oben gegebenen Tabelle. Es ist ersichtlich, dass die dreieckförmige Spule als ein elektromagnetischer Feldsensor bis zu 800 kHz verwendet werden kann, wo dieselbe ein starkes induktives Verhalten mit einer Phase oberhalb von 60° zeigt. Die Grenzfrequenz ist weitaus größer als 100 MHz.
Nach der Konstruktion der Geometrie der dreieckförmigen Spule und einer Netzerzeugung zum Modellieren des Sensorarrays unter Verwendung der Open-Source-Software GMSH wurden die Daten an einen 3D-finite-Elemente-Gleichungslöser gesendet, wobei die magneto-dynamische Formel AV-A (Gleichung 9, unten, als entscheidende Gleichung beibehalten) implementiert war, dieses mathematische Modell wurde beibehalten, um das elektromagnetische Verhalten des Arrays der dreieckförmigen Sensorspulen zu beschreiben. Die Berechnungen wurden im Harmonische-Betrieb (engl.: harmonic regime) durchgeführt. Ein Strafbegriff (engl.: penalty term) wurde eingeführt, um die Einmaligkeit der Lösung zu gewährleisten (Helifa et al. (2012), Contribution à la simulation du CND par courants de Foucault en vue de la caractérisation des fissures débouchantes. Thèse en sciences et technologies de l'information et de mathématiques, Universite de Nantes).
A and V sind jeweils das Magnetvektorpotential und das elektrische skalare Potential, µ ist die magnetische Permeabilität und σ ist der Tensor der elektrischen Leitfähigkeit gemäß der Lagenausrichtung durch Menana (2009), Gleichung 10:
wobei
die elektrische Leitfähigkeit in der Faserrichtung ist,
die Leitfähigkeit in der transversalen Richtung der Fasern ist und σ_zz die Leitfähigkeit in der Richtung der Lagenstaplung ist. Der Tensor gemäß Gleichung (10) stellt den anisotropen Charakter des Laminat-CFRP-Modell-Systems dar.
Unter Verwendung der Charakteristiken der ausgewählten Spule gemäß der obigen Tabelle und unter Verwendung des oben dargestellten Modells, insbesondere mit den Gleichungen 9 und 10, wurden die Ergebnisse, die in 5, 6, 7 und 8 dargestellt sind, berechnet. Darüber hinaus wurden, unter Verwendung der Charakteristiken des modellierten Systems (Stapel aus vier Lagen, siehe Tabelle oben), die Ergebnisse, die in 9 und 10 dargestellt sind, numerisch erhalten. Das Sensoransprechverhalten, das unter Verwendung einer 3D-finite-Elemente(FE)-Modellierung berechnet wurde, zeigt insbesondere die Fähigkeit des Sensors, die Ausrichtungen von Lagen in CFRP und die Reihenfolge ihrer Stapelung auszuwerten. Der beschreibungsgemäße Wirbelstromsensor, der sich dem zerstörungsfreien Prüfen unter Verwendung von Wirbelströmen widmet, ist eine Alternative zu herkömmlichen Wirbelstromsensoren, die eine mechanische Drehung des Sensors erfordern, um die Ausrichtung von Lagen in CFRP auszuwerten.
Referenzen

Grimberg, R. (2005): Eddy current examination of carbon fibres in carbon epoxy composites und Kevlar, 8^th International Conference of the Slovenian Society for Non-Destructive Testing, 1.-3. September, Portoroz, Slowenien,
Helifa B. (2012): Contribution à la simulation du CND par courants de Foucault en vue de la caractérisation des fissures débouchantes. Thèse en sciences et technologies de l'information et de mathématiques, Université de Nantes.
Menana H. (2009): Non destructive evaluation of the conductivity tensor of CFRP plate using a rotating eddy current sensor, XIV International Symposium on Electromagnetic Fields. ISEF 2009, Arras - Frankreich
Mook G. (2001): Non-destructive characterization of carbon-fiber reinforced plastics by means of eddy currents. Composites Science und Technology, Nr. 61, p. 865-873
Ravat C. (2008): Conception de multicapteurs à courants de Foucault et inversion des signaux associés pour le contröle non destructive. Thése en sciences et technologies de l'information des télécommunications et des systèmes. Université Paris-Sud II.
Savin A. (2000): Evaluation of delamination in Carbon Fiber Composites Using the Eddy Current Method. 15^th WCNDT, Rom 2000.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Menana H. (2009): Non destructive evaluation of the conductivity tensor of CFRP plate using a rotating eddy current sensor, XIV International Symposium on Electromagnetic Fields. ISEF 2009, Arras - Frankreich [0114]
Mook G. (2001): Non-destructive characterization of carbon-fiber reinforced plastics by means of eddy currents. Composites Science und Technology, Nr. 61, p. 865-873 [0114]

Claims

Wirbelstromsensorelement (2; 102) für zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats, das folgende Merkmale aufweist: eine Baugruppe (3; 103) aus zumindest einer ersten und einer zweiten Flachspule (4, 5, 6, 7; 4, 14), wobei die erste Flachspule (4; 4) und die zweite Flachspule (5; 14) jeweils eine dreieckige Form mit einem ersten bis dritten Spulenrand (4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c; 4a, 4b, 4c, 14a, 14b, 14c) aufweisen, wobei einer der Ränder (4b; 4c) der ersten Flachspule (4; 4) und einer der Ränder (5a; 14c) der zweiten Flachspule (5; 14) benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, und wobei die Baugruppe (3; 103) eine viereckige Form aufweist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß Anspruch 1, bei dem die Baugruppe (3; 103) eine rechteckige Form aufweist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem jede der Spulen (4, 5, 6, 7; 4, 14) die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem jede der Spulen (4, 5, 6, 7; 4, 14) die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Baugruppe (103) zwei Flachspulen (4, 14) aufweist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß den Ansprüchen 4 und 5, bei dem die zwei Flachspulen (4, 14) derart angeordnet sind, dass die Hypotenusekanten (4c, 14c) der ersten Spule (4) und der zweiten Spule (14) parallel sind.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Baugruppe (3) vier Flachspulen (4, 5, 6,7) derart aufweist, dass für eine beliebige der Spulen ein erster Rand dieser Spule (4) parallel zu einem Rand einer ersten benachbarten Spule ist und ein zweiter Rand dieser Spule (4) parallel zu einem Rand einer zweiten benachbarten Spule ist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Baugruppe (3; 103) eine quadratische Form aufweist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die zumindest eine Spule mit der dreieckigen Form, insbesondere alle Flachspulen (4, 5, 6, 7; 4, 14) der Baugruppe (3; 103), für eine Betriebsfrequenz von 0,8 bis 2 MHz, insbesondere von etwa 1 MHz, entworfen ist.
Das Wirbelstromsensorelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem alle Flachspulen (4, 5, 6, 7; 4, 14) der Baugruppe (3; 103) kongruent zueinander sind.
Verfahren zum Betreiben eines Wirbelstromsensorelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das den folgenden Schritt aufweist: a. Erregen des Wirbelstromsensorelements (2; 102) durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule (4, 5; 4, 14), so dass der Rand (4b; 4c) der ersten Flachspule (4; 4) und der Rand (5a; 14c) der zweiten Flachspule (5; 14), die benachbart und parallel zueinander angeordnet sind, durch Ströme in antiparallelen Richtungen überquert werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner den folgenden Schritt aufweist: b. Erfassen des Ansprechverhaltens des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung in den Flachspulen (4, 5, 6, 7; 4, 14) des Wirbelstromsensorelements (2; 102).
Ein Wirbelstromsensor für zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats, der eine Mehrzahl der Wirbelstromsensorelemente gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, wobei die Wirbelstromsensorelemente (2; 102) in einer viereckigen Ordnung benachbart und parallel zueinander derart angeordnet sind, dass beliebige zwei benachbarte Sensorelemente (5, 5a) zwei parallele Ränder (5a, 17) aufweisen.
Der Wirbelstromsensor gemäß Anspruch 13, bei dem die Wirbelstromsensorelemente (2; 102) ein Array aus Spalten und Zeilen bilden.
Der Wirbelstromsensor gemäß einem der Ansprüche 13 und 14, der ferner eine Steuereinheit (20) aufweist, die konfiguriert ist, simultan ein Signal an die Spulen einer Teilgruppe der Spulen anzulegen, wobei die Teilgruppe zumindest eines der Wirbelstromsensorelemente (2,102) aufweist.
Der Wirbelstromsensor gemäß Anspruch 15, bei dem die Steuereinheit (20) derart konfiguriert ist, dass benachbarte Innenränder (5a, 17) der Flachspulen der Teilgruppe (2') mit Strömen in antiparallelen Richtungen bereitgestellt sind.
Der Wirbelstromsensor gemäß einem der Ansprüche 15 und 16, bei dem die Steuereinheit (20) derart konfiguriert ist, dass der gemeinsame Außenrand der Flachspulen einer Teilgruppe (2') mit einem Strom in einer gemeinsamen Umfangsrichtung bereitgestellt ist.
Der Wirbelstromsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem die Steuereinheit (20) ferner konfiguriert ist, nacheinander ein Signal an eine erste Teilgruppe (2') und an zweite Teilgruppe (2") anzulegen, wobei die zwei Teilgruppen sich in unterschiedlichen Richtungen (15, 16) erstrecken.
Der Wirbelstromsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem die Steuereinheit konfiguriert ist, die Teilgruppe in zumindest zwei Richtungen zu verschieben.
Der Wirbelstromsensor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem die Steuereinheit (20) ferner konfiguriert ist, das Ansprechverhalten des Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Spulen zu erfassen, an die das Signal angelegt worden ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wirbelstromsensors, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Bereitstellen eines Wirbelstromsensors (1) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20 und Durchführen der Schritte (b) und (c) für ein erstes Wirbelstromsensorelement (2) und nachfolgend für ein zweites Wirbelstromsensorelement (2a): (b) Erregen der Wirbelstromsensorelemente (2, 2a) durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule (4, 5, 6, 7), so dass der Strom, der den Innenrand (4b) der ersten Spule (4) überquert, antiparallel zu dem Strom ist, der den Innenrand (5a) der zweiten Spule (5) überquert, und (c) Erfassen des Ansprechverhaltens des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Spulen (4, 5) des jeweiligen erregten Wirbelstromsensorelements (2, 2a).
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das zweite Wirbelstromsensorelement (2a) benachbart zu dem ersten Wirbelstromsensorelement (2) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wirbelstromsensors, das die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Wirbelstromsensors (1) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, b. Erregen des Wirbelstromsensors (1) durch simultanes und gemeinsames Erregen jedes der zumindest zwei Wirbelstromsensorelemente (2, 2a) durch simultanes Anlegen eines Signals an jede der ersten und der zweiten Spule jedes der Wirbelstromsensorelemente (2, 2a), wodurch bewirkt wird, dass der Strom, der einen Außenrand (5a) des ersten Wirbelstromsensorelements (2) überquert, antiparallel zu einem Strom ist, der einen Außenrand (17) eines zweiten Wirbelstromsensorelements (2a) überquert, das benachbart zu dem ersten Wirbelstromsensorelement (2) ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das ferner den Schritt eines Erfassens des Ansprechverhaltens des erregten Substrats durch Detektieren einer Impedanzänderung der Wirbelstromsensorelemente (2, 2a) aufweist.
Verwendung einer Baugruppe, die zumindest eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, wobei die Baugruppe (3; 103) eine viereckige Form aufweist und wobei die Baugruppe ferner die Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, als Sensor für ein zerstörungsfreies Prüfen eines Substrats.