DE19505571A1 - Vorrichtung zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Ankopplung piezoelektrischer Sensoren - Google Patents

Description

Ultraschallwellen eignen sich für die zerstörungsfreie Untersuchung von Werk­ stoffen und Bauteilen. Der Grund ist ihre Reflexion an inneren Grenzflächen, welche einen lokalen Impedanzsprung verursachen.

Dieser Impedanzsprung, der auch an der Werkstückoberfläche auftritt, erfordert ein geeignetes Koppelmittel, um die Einschallung in ein Werkstück (Ultraschall­ messung) als auch die Aufzeichnung vom im Werkstück entstehenden Schall­ wellen (Schallemission) zu ermöglichen.

Die Qualität experimenteller Daten hängt dabei empfindlich von der Reproduzier­ barkeit der Ankopplung des Sensors an die Werkstückoberfläche ab. Bei der momentan üblichen Ankopplung piezoelektrischer Sensoren wird der Sensor direkt, d. h. ohne Kontrolle der sich zwischen Sensor und Werkstück einstellenden Schichtdicke, auf dem Werkstück angekoppelt. Hierfür werden handelsübliche Ultraschallkoppelmittel auf Wasser- und Glycerinbasis, mineralische Fette oder Klebstoffe verwendet. Ein Beispiel für die starke Abhängigkeit der gemessenen Signalamplitude von der Schichtdicke bei einem unter konstanten Bedingungen eingeschallten Referenzsignal ist in Fig. 1 gezeigt. Im allgemeinen erhöht sich tendenziell die Signalamplitude bei geringeren Schichtdicken, weil das Koppel­ mittel ausgepreßt wird und der Sensor in direktem Kontakt mit den Rauhigkeits­ spitzen der Werkstückoberfläche kommt. Das Auspressen und damit Fehlen des Koppelmittels kann allerdings auch zu schlechtem Kontakt mit geringen Ampli­ tuden führen. Nur dickere, gleichbleibende Koppelschichten ermöglichen eine gute Reproduzierbarkeit der Ankopplung, wodurch sich allerdings die mittlere Amplitude verringert.

Diese Reproduzierbarkeit der Ankopplung ist das Hauptproblem aller berühren­ den Messungen mit einem piezoelektrischen Sensor. Durch Verwendung der handelsüblichen Ultraschallkoppelmittel läßt sich keine Reproduzierbarkeit erreichen, die es erlaubt, die Ergebnisse verschiedener Messungen direkt miteinander zu vergleichen. Damit besteht die Gefahr einer fehlerhaften Inter­ pretation des Materialverhaltens.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine geeignete Vorrichtung in Verbindung mit einem geeigneten Koppelmittel die Reproduzierbarkeit der Ankopplung piezoelektrischer Sensoren zu verbessern, bei gleichzeitig möglichst hoher mittlerer Amplitude.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Enge Koppelspalte ermöglichen hohe Signalamplituden bei gleichzeitig geringer Reproduzierbarkeit. Größere Spalte verbessern die Reproduzierbarkeit, führen aber zu geringen mittleren Signalamplituden. Die gegensätzlichen Anforderungen an das Koppelmittel bestehen in einer Ankopplung, die wie bei dünnen Schichten hohe Amplituden ermöglicht, gleichzeitig aber eine gute Reproduzierbarkeit wie bei dicken Schichten aufweist.

Um diesen Widerspruch erfindungsgemäß zu lösen, besteht die grundsätzliche Idee darin, den Spalt mit mikroskopisch kleinen, akustischen Wellenleitern zu überbrücken und diese intensiv mit den Oberflächen zu kontaktieren. Diese Anforderungen werden erfindungsgemäß durch die Einführung eines magnetisch aktiven Materials und eines magnetischen Feldes zur Ausübung einer Wechselwirkung auf dieses Material erfüllt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand beispielhafter Ausführungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Einfluß der Schichtdicke eines Koppelmittels auf Reproduzierbarkeit und Höhe der Amplitude,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Verbesserung der Ankopplung mit einer Erzeugung des Magnetfeldes durch einen Seltenerdmagnet,

Fig. 3 das Prinzip der Schallbrückenbildung mit Hilfe ferromagnetischer Teilchen an eine Stahloberfläche (Rauhigkeitsprofil vergrößert dargestellt) in einem senkrecht zu den Oberflächen wirkenden Magnetfeld,

Fig. 4 eine Vorrichtung nach Fig. 2, allerdings mit Elektromagnet zur Erzeugung eines veränderlichen Feldes für die Untersuchung der Wirksamkeit des magnetischen Koppelmittels,

Fig. 5 den Einfluß eines veränderlichen Magnetfeldes (Spulenstrom) auf die Amplitude der Ankopplung,

Fig. 6 die nach der im folgenden Abschnitt angegebenen Formel errechneten Reproduzierbarkeitswerte für verschiedene Arten einer Ankopplung.

Eine mögliche Vorrichtung nach Fig. 2, auf der ein handelsüblicher piezo­ elektrischer Sensor fest montiert werden kann, besteht aus einem Material mit geringem magnetischen Widerstand, z. B. Weicheisen. Das magnetische Feld wird durch einen Seltenerd-Magnet erzeugt. Der Eisenkern ist an seinem unteren Ende konisch ausgeführt, um eine Konzentration der Feldlinien bis zur Sättigung zu erreichen. Der Spalt zwischen dem Feldkonzentrator und der Werkstück­ oberfläche wird mit speziellem ferromagnetischen Koppelmittel ausgefüllt. Der konstante Abstand zur Oberfläche des Werkstücks wird durch einen Abstandhalter bzw. Unterlegscheibe aus Kunststoff erreicht. Wie schon oben ausgeführt, erreicht man dadurch eine erhebliche Verbesserung der Reproduzier­ barkeit der Ankopplung, bei jedoch gleichzeitig geringerer mittlerer Amplitude.

Weil ein Seltenerdmagnet ein statisches Magnetfeld erzeugt, ist eine solche Vorrichtung ungeeignet zum Nachweis einer Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einem ferromagnetischen Koppelmittel. Zur Untersuchung des ferromagnetischen Koppelmittels bei verschiedenen Feldstärken wurde deshalb eine Vorrichtung mit Elektromagnet nach Fig. 4 gefertigt: Um einen Eisenkern ist ein Elektromagnet angeordnet, mit dem ein magnetisches Feld der gewünschten Stärke erzeugt werden kann. Die Dimensionierung des Elektromagneten richtet sich dabei nach der maximal im Werkstoff zu erzielenden magnetischen Flußdichte (Sättigung).

Das magnetische Koppelmittel wurde durch Mischen von feinem Bariumferrit- Pulver mit mineralischem Öl hergestellt. Dieses magnetische Koppelmittel füllt den Spalt zwischen dem Feldkonzentrator und der metallischen Werkstück­ oberfläche. Auch ohne Anlegen eines magnetischen Feldes zeigte dieses Koppelmittel eine im Vergleich zu mineralischem Fett etwa doppelt so hohe Amplitude. Der Elektromagnet erzeugt ein senkrecht zur Stahloberfläche verlaufendes elektrisches Feld. In Fig. 5 ist der Einfluß des magnetischen Feldes auf das Koppelmittel mit einem Mischungsverhältnis Bariumferritpulver: Öl von 1:3 gezeigt mit dem die besten Ergebnisse erzielt wurden. Unter Einfluß des magnetischen Feldes in Verbindung mit dem Koppelmittel ergaben sich um bis zu Faktor 4 höhere Amplitudenwerte im Vergleich zu mineralischem Fett in derselben Vorrichtung. Um die Reproduzierbarkeit für verschiedene Ankopplungsbedingungen zu bestimmen, wurden jeweils n=15 Messungen in Folge gemacht. Der Mittelwert A der Amplitude und die Standardabweichung ΔA wurden definitionsgemäß errechnet. Die Reproduzierbarkeit R wird schließlich definiert als:

In Fig. 5 sind einige Ergebnisse der Reproduzierbarkeit unter verschiedenen Ankopplungsbedingungen gezeigt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Verbesserung der Ankopplung und der Reproduzierbarkeit bei Messungen mit piezoelektrischen Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein statisches oder auch veränderliches Magnetfeld erzeugt, welches auf ein magnetisch wirksames Koppelmittel aus ferromagnetischen Stoffen z. B. Bariumferritpulver derart wirkt, daß sich im Spalt zwischen der Vorrichtung und der Werkstückoberfläche Schallbrücken ausbilden können, die eine Verbesserung der Reproduzierbarkeit und der Ankopplung bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld durch einen Elektromagneten oder einen Seltenerdmagnet erzeugt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konisch geformter, ferromagnetischer Kern mit glatter Oberfläche das Magnetfeld bis zur Sättigung des Materials aufkonzentrieren kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine konstante Koppelspaltdicke durch einen Abstandhalter bzw. Unterlegscheibe aus Kunststoff erreicht wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein handelsüblicher Sensor durch Verkleben oder Verschrauben dauerhaft auf der Vorrichtung angebracht werden kann.