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Verfahren zur Anzeige Von Fehlern in magnetisierbaren Werkstoffen
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von
Fehlern in magnetisierbaren Werkstoffen.
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Zur Fehlerprüfung von Werkstücken aus magnetisierbarem Material sind
im wesentlichen drei Gruppen von Verfahren bekannt: Wird das Werkstück mittels eines
äußeren Magnetfeldes oder eines hindurchfließenden Stromes magnetisiert, so treten
an den Stellen, an dienen Fehler eine Verminderung des dem magnetischen Fluß zur
Verfügung stehenden Querschnittes bewirken, Streufelder in den Außenraum hinaus.
Diese können durch magnetfeldempfindliche Sonden (Sondenverfahren) oder durch das
Magnetpulververfahren nachgeiesen werden. Nach dem Wirbelstromverfahren werden mittels
einer wDchselst-omdurchflossenen Spule im Werkstück Wirbelströme erzeugt, deren
Induktionswirkung nach Amplitude und Phase gemessen wird, so daß die Veränderung
einer komplexen Größe zur Fehleranzeige dient. Zur Kennzeichnung des Standes der
Technik wird auf die deutschen Patente 1302687, 2037787 und 2349046 hingewiesen.
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Zur kiaren Begriffsbildung sollen im folgenden alle Fehler, die eine
Snderung der geometrischen Form des Werkstücks bewirken, wie Risse, Lunker oder
korrodierte Stellen, als "geometrische Fehler" bezeichnet werden. Dagegen werden
alle anderen Fehler, beispielsweise infolge innerer Spannungen, plastischer Deformationen
oder Gefügeänderungen unabhängig von der Art ihrer Entstehung als "Störungen" bezeichnet.
In der Technik besteht nicht nur Interesse an der Entdeckung der geometrischen Fehler,
sondern auch an der Kenntnis der Störungen, da sie die nutzbare Belastung mindern.
Ferner wird im folgenden das Ziel der Fehleranzeige insgesamt erweitert: Bisher
hatten die Verfahren das Ziel, Fehler in Werkstücken aufzufinden, die vollständig
aus ferromagnetischem Material bestehen. Andererseits ist bekannt geworden, daß
Werkstücke
aus ichtferromagnetischem Material (beispielsweise austenitischem Stahl) durch Belastung
ferro- bzw. ferrimagnetisch werden. Dies gilt insbesondere für wechselnde Belastung,
wie sie beispielsweise bei Turbinenschaufeln auftritt und zu Ermüdungsbrüchen führen
kann. Auch derartige Gefügeänderungen, die sich in einer Änderung des magnetischen
Ordnungszustandes äußern, sollen im folgenden als Störungen betrachtet und untersucht
werden.
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Die bisher bekannten Streufeldverfahren reagieren nur auf geometrische
Fehler; das Wirbelstroverfahren reagiert zwar auch auf Störungen, führt jedoch leicht
zu Verwechslungen der geometrischen Fehler mit den Storungen. das 'tagnetpulververfahren
hat darüber hinaus den nachteil, daß das Werkstück berührt und nach der Prüfung
gereinigt werden muß. Nehen diesen Mängeln der Informationsgewinnung über die Fehler
haftet den bekannten Verfahren ein Mangel der Informationsverarbeitung an. Die Anzeige
des komplexen Widerstandes bzw. der Sondensignale auf Oszillographen oder durch
akustische Signale ist wenig anschaulich und führt leicht zur Überanstrengung des
Prüfers.
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Daher entsteht die Aufgabe, ein Verfahren zu finden, mit dem geometrische
Fehler und Störungen angezeigt, voneinander unterschieden sowie in übersichtlicher
und leicht auswertbarer Weise dargestellt werden, ohne daß das Werkstück berührt
zu werden braucht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine optische
Fehleranzeige verwendet wird, die dem Ort der Sonde auf dem Werkstück zugeordne-t
ist und daß diese das Vorzeichen und die Größe des Sondensignals erkennen läßt,
welches in phasenrichtiger Beziehung zu einem oder mehreren Werten des magnetischen
Feldes, welches die Ummagnetisierung des Werkstücks bewirkt, ermittelt wird.
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Im folgenden werden unter Sonden alle magnetfeldempfindlichen Sonden
wie Halbleiter, Spulen mit und ohne magnetisierbaren Kern, Magneto-Widerstandssonden
sowie die weiter unten zu erläuternden magneto-optischen Sonden verstanden, sofern
ihr räumliches Auflösungsvermögen als praktisch punktförmig anzusehen ist und
ihr
zeitliches Auflösungsvermögen hoch gegen die Ummagnetisierungszeit des Werkstücks
ist. Mit dem magnetischen Feld ist stets das im Werkstück wirkende Feld gemeint,
also das äußere Magnetfeld vermindert um die durch die Werkstückform bedingte Entmagnetisierung,
bzw. das Feld des hindurchfließenden Stromes.
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Das Vorgehen zur erfindungsgemäßen Lösung der genannten Aufgabe wird
am Beispiel des Falles erläutert, daß das Werkstück ein Blechstreifen aus hochpermeablem
Material und die Sonde eine Induktionsspule ist.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung.
Der Funktionsgenerator 1 erzeugt eine Sinusspannung mit einer Frequenz von 80 Hz,
die den Verstärker 2 ansteuert. Der Strom des Verstärkers fließt über den induktionsarmen
Widerstand 3 in das Helmholtzspulenpaar 4 und erzeugt so ein Feld, welches das Blech
5 praktisch bis zur Sättigung ummagnetisiert. Die in der Spule 6 induzierte Spannung
wird an die Vertikalablenkung des Oszillographen 7 gegeben. Die am Widerstand 3
abfallende Spannung wird der Horizontalablenkung des Oszillographen 7 zugeführt.
Der Oszillograph stellt somit die induzierte Spannung, die proportional zur zeitlichen
Änderung des Streufeldes ist, als Funktion des von der Spule 4 erzeugten Feldes
dar.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch die so erhaltenen Signale U
als Funktion des Feldes H. Die römischen Zahlen bezeichnen die Quadranten des Diagramms,
die später benötigt werden.
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Befindet sich die Sonde in der Nähe eines geometrischen Fehlers, so
zeigt das Oszillogramm gemäß Fig. 2a einen breiten, wenig strukturierten Verlauf
9, der bei praktisch allen Feldwerten ein Signal aufweist. Dieses Verhalten entspricht
den herkömmlichen Vorstellungen.
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Dagegen zeigen eigene Untersuchungen das überraschende Ergebnis, daß
im Gegensatz zu den herkömmlichen Vorstellungen auch an den Stellen des Bleches
ein Signal auftritt, die keine geometrischen Fehler aufweisen. Und zwar tritt beim
Durchlaufen ganz spezieller, störungs-sensitiver Feldwerte, die im folgenden mit
Hs bezeichnet werden, ein Signal 10 gemäß Fig. 2b auf, welches nach Größe
und
Vorzeichen sehr empfindlich auf Störungen, insbesondere durch innere Spannungen
und äußere Belastungen wie Biegung, Torsion und Zug reagiert, während der Wert von
H5 selbst durch die Belastung praktisch nicht verändert wird. Erfindungsgemäß werden
diese Signale 10, die bei speziellen Feldwerten auftreten, zur Anzeige von Störungen
und zu ihrer Unterscheidung von den geometrischen Fehlern herangezogen. Die Werte
von H5 hängen vom Material ab; in vielen Fällen sind es die Werte, bei denen die
Einmündung der Hysterese in die Sättigung eintritt.
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Zur phasenrichtigen Ermittlung und anschaulichen Darstellung dieser
von der Störung hervorgerufenen Signale wird vom Funktionsgenerator 1 eine Dreiecksspannung
abgenommen, die synchron zur oben genannten Sinusspannung ist. Die Dreiecksspannung
wird dem Trigger-Eingang eines Pulsgenerators 8 zugeführt. Der von diesem erzeugte
unipolare Puls wird der Intensitätsmodulation (Z-Koordinate) des Oszillographen
7 zugeführt und tastet diesen hell. Am Pulsgenerator werden die Triggerschwelle
und die Pulsdauer so eingestellt, daß der Oszillograph hellgestastet wird, wenn
der störungs-sensitive Feldbereich H durchlaufen wird, so daß das 5 zugehörige Sondensignal
optisch hervortritt. Die Einstellung der Triggerschwelle des Pulsgenerators bewirkt
somit die erfindungsgemäße phasenrichtige Ermittlung des Sondensignals im Bezug
auf einen bestimmten Feldwert, also eine feldselektive Signalverarbeitung.
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Diese Art des Vorgehens macht die Unterschiede zu den bisherigen Verfahren
deutlich: Erstens wird auch an den Stellen des Werkstücks ein Streufeld gemessen,
an denen nach herkömmlicher Auffassung gar kein Streufeld entsteht, weil dort keine
Änderung der geometrischen Form des Werkstücks vorliegt. Zweitens wird das Streufeld
nicht als eine im wesentlichen sinusförmige Größe betrachtet, deren Amplitude, Phase
oder Oberwellengehalt gemessen werden, sondern das Streufeld wird als eine keineswegs
sinusförmige Funktion betrachtet, deren funktionaler Zusammenhang mit dem Feld ermittelt
wird und dessen einzelne Abschnitte als Funktion des wirkenden Feldes nach Größe,
Vorzeichen und funktionalem Verlauf angezeigt werden. Entscheidend ist also nicht
das
bloße Vorhandensein eine: Streufeldes, sondern seine korrekte
funktionale Zuordnung zum ummagnetisierenden Feld bzw. der im Werkstück erzeugten
Magnetisierung. Dieses Verfahren bietet gegenüber den herkömmlichen Methoden den
Vorteil, daß geometrische Fehler und Störungen getrennt angezeigt werden. Ferner
werden hierbei auch die nach herkömmlichen Verfahren nur schwer nachzuweisenden
Längsrisse angezeigt, sofern diese Risse durch ihre Entstehung ihre Umgebung deformiert
und somit Störungen erzeugt haben.
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Wird die Sonde auf der Oberfläche des Werkstücks bewegt, so ergibt
bereits die Betrachtung des Oszillograshenbildes mit dem hellgetasteten Signal eine
anschauliche orientierende Übersicht über die im Material vorhandenen Störungen
und deren Inhomogenitäten. Die Art der Belastung, die zur Entstehung eines bestimmten
Sondensignals führt, läßt sich ermitteln, indem absichtlich eine Belastung in Form
von Biegung, Torsion oder Zug hervorgerufen und die entsprechende Veränderung des
Signals beobachtet wird. Der Betrieb des Oszillographen 7 wird zweckmäßig während
der folgenden Verfahren beibehalten, um eine Kontrolle der Triggereinstellung und
des Signalverlaufs zu haben; er kann auch gleichzeitig als Verstärker dienen, indem
seinem Signalausgang das Sondensignal verstärkt entnommen wird.
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Fig. 3 zeigt das weitere Vorgehen zur quantitativen Prüfung. Der Dreiecksgenerator
11 steuert über einen Servomotor 12 die Bewegung der Sonde an der Oberfläche des
Werkstücks in X-Richtung.
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Der Dreiecksgenerator steuert einen Treppengenerator 13 so an, daß
jede Stufe einem Halbzyklus des Dreiecks entspricht. Der Treppengenerator steuert
über den Servomotor 12 die Bewegung der Sonde an der Oberfläche des Werkstücks in
Y-Richtung, so daß insgesamt die Sonde das Werkstück zeilenweise abtastet. Die Spannungen
des Dreiecksgenerators und des Treppengenerators bewirken gleichzeitig die X- bzw.
Y-Ablenkung des Oszillographen 14. Das Signal U der Sonde wird zur Spannung des
Treppengenerators addiert, so daß beide gemeinsam die Y-Ablenkung des Oszillographen
14 bewirken.
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p2S Signal des Pulsgcnerators 8 wird der Intensitätsmodulation (Z-Koordinate)
des Oszillographen 14 zugeführt. Die Höhe dieses Pulses und die Intensitätsregelung
des Oszillographen werden so eingestellt, daß der Oszillograph nur aufleuchtet,
wenn der Puls eintrifft, wenn also das ummagnetisierende Feld den durch die Einstellung
der Triggerschwelle des Pulsgenerators 8 selektierten Feldwert durchläuft.
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Die Triggerschwelle wird zunächst auf irgendeinen Feldwert eingestellt,
der ungleich H5 ist und im folgenden mit Ho bezeichnet wird. Bei einem solchen Feldwert
ergeben nur die geometrischen Fehler ein Signal, die Störungen jedoch nicht. Wird
die Sonde durch die Steuerung der Generatoren 11 und 13 über das Werkstück bewegt,
so schreibt der Oszillograph 14, der vorzugsweise ein Speicheroszillograph ist,
das Sondensignal, das dem Wert Ho entspricht, als Funktion des Ortes der Sonde auf
dem Werkstück. Eine Abweichung vom einfachen Bild paralleler Geraden entsprechend
Fig. 3 ergibt sich nur dann, wenn beim Durchlaufen des Wertes Ho an der Werkstückoberfläche
ein Signal induziert wird, also beim Vorliegen geometrischer Fehler.
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Wird dagegen die Triggerschwelle so eingestellt, daß der Puls des
Pulsgenerators 8 ausgelöst wird, während das Feld den störungssensitiven Bereich
Hs durchläuft, dann schreibt der Oszillograph 14 das dem Wert von H5 entsprechende
Signal als Funktion des Ortes, wodurch sich ein Bild entsprechend Fig. 4 ergibt.
Beide Bilder ergeben eine anschauliche Darstellung der geometrischen Fehler und
Störungen, die somit getrennt angezeigt werden.
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Es können auch beide Bilder gleichzeitig geschrieben werden, indem
zwei Pulsgeneratoren verwendet werden, deren Triggerschwellen auf Ho bzw. Hs eingestellt
sind. Dann wird eine Spannung, die dem Puls eines Generators proportional ist, zur
Y-Koordinate des Os2illographen addiert, so daß beispielsweise das Signal der Störungen
gegenüber dem Signal der geometrischen Fehler vertikal nach oben verschoben ist.
Der Oszillograph schreibt dann auf der unteren Hälfte des Leuchtschirms ein Bild
geometrischer Fehler, auf der oberen Hälfte ein Bild der Störungen. Zur Erzielung
eines deutlichen Bildes wird hierbei zweckmäßig die Pulsdauer des Pulsgenerators
8
verringert (beispielsweise auf 1/1000 der Ummagnetisierungszeit) und die Triggerschwelle
auf die Mitte des selektierten Feldintervalls eingestellt, so daß der hellgetastete
Punkt den Extremwerten des Sondensignals folgt.
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Wenn eine höhere räumliche Auflösung erreicht werden soll, ist die
Darstellung des Sondensignals durch die Vertikalablenkung ungünstig, da sich die
Signale benachbarter Orte überlagern. Dann wird zweckmäßig das Sondensignai zur
Intensitätsmodulation des Elektronenstrahls verwendet, indem die Intensitätsregelung
des Oszillographen und die Pulshöhe des Pulsgenerators so eingestellt werden, daß
eine Variation des Sondensignals eine Variation der Intensität des Leuchtflecks
bewirkt. Die geometrischen Fehler und anderen Störungen werden dann jeweils durch
verschiedene Bilder mit Grauton-Abstufungen dargestellt.
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Um alle Informationsmöglichkeiten auszuschöpfen, die erfindungsgemäß
durch die phasenrichtige Ermittlung des Sondensignals im Bezug auf das ummagnetisierende
Feld erhalten werden, wird als zusätzliches Darstellungsmittel die Farbe verwendet.
Fig. 5 zeigt schematisch das Verfahren der Farbsignalverarbeitung. Anstelle eines
Oszillographen wird ein Farbfernsehgerät verwendet. Die Spannungen des Dreiecksgenerators
11 und des Treppengenerators 13 bewirken nach bekannten Schaltungen der Unterhaltungselektronik
die X-Y-Bewegung eines Leuchtflecks auf dem Schirm des Farbfernsehserätes. Die Zuordnung
des Sondensignals zu den Farben erfolgt beispielsweise gemäß Fig. 5. Das Sondensignal
U wird einem Multiplizierer 15 als ein Faktor zugeführt. Der andere Faktor ist das
Signal des Pulsgenerators 8 , dessen Triggerschwelle dem Wert H5 entspricht. Das
vom Multiplizierer erzeugte Produkt ist nur während der Pulsdauer ungleich Null,
so daß am Ausgang des Multiplizierers nur das dem Wert Hs entsprechende Signal U5
erscheint.
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Anstelle eines Multiplizierers kann beispielsweise auch ein Analog-Multiplexer
oder ein Operationsverstärker mit Torschaltung verwendet oder die Versorgungsspannung
des Operationsverstärkers getaktet werden. Dieses Signal U5 wird einer Polaritätentrennschaltung
16 zugeführt. Ist das Signal positiv, was etwa einer
positiven
Krümmung des Bleches entspricht, so wird das Signal über bekannte Potentialtrennschaltungen
der Intensitätssteuerung des Elektronenstrahls zugeführt, der den Rotanteil des
Farbfernsehbildes hervorruft. Ist das Signal negativ, entsprechend einer negativen
Krümmung des Bleches, wird es abgetrennt, vom Invertierer 17 mit minus Eins multipliziert,
damit es wieder als positives Steuersignal zur Verfügung steht, und der Ansteuerung
des Grünanteils des Farbfernsehgerätes zugeführt. Ferner wird das gesamte Sondensignal
einer Zweiweggleichrichterschaltung 18 zugeführt, so daß der Absolutwert des gesamten
Sondensignals gebildet wird, der im wesentlichen von den geometrischen Fehlern herrührt.
Dieser Anteil wird der Steuerung des Blauanteils des Farbfernsehgerätes zugeführt.
Somit werden die geometrischen Fehler blau, die anderen Störungen je nach Vorzeichen
rot oder grün dargestellt. Das so gewonnene Bild bzw. die davon hergestellte Photographie
stellt wegen des hohen Aufmerksamkeitswertes der Farbe und ihrer vielfältigen Abstufungen
ein besonders anschauliches Bild der geometrischen Fehler und Störungen dar. Anstelle
eines Farbfernsehgerätes kann auch ein Farbdaten-Sichtgerät verwendet werden, wie
es als Computer-Peripherie-Gerät bekannt ist. Zwischen die Farbsteuersignale, die
von der Schaltung gemäß Fig. 5 geliefert werden, und das Farbfernsehgerät werden
zweckmäßig Tiefpässe mit einer oberen Grenzfrequenz von 100 Hz geschaltet, damit
das Farbfernsehgerät durch die Spannungsspitzen nicht übersteuert wird und kontinuierlich
leuchtet.
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Das vom Multiplizierer 15 selektierte Signal kann parallel zur Steuerung
des Farbfernsehgerätes auch einer Verarbeitung durch Drucker oder Analogwertspeicher
zugeführt werden.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet zur Erzeugung
der Farbsignale farbige Lichtquellen, vorzugsweise Leuchtdioden. Die in Fig. 5 beispielsweise
angegebene Zuordnung des Sondensignals zu den Farben gilt dann sinngemäß für die
Ansteuerung der farbigen Leuchtdioden. Da zur Zeit noch keine blauen Leuchtdioden
erhältlich sind, wird vorzugsweise für den langsam veränderlichen Signalanteil,
beispielsweise für den Absolutwert
des Gesamtsignals, eine trägheitsarme
blaue Glühlampe verwendet.
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Diese Lichtquellen können räumlich eng benachbart angeordnet werden,
so daß sie dem Auge als einzige Lichtquelle erscheinen, deren Farbe den Fehler anzeigt.
Eine derartige kombinierte Lichtquelle wird zweckmäßig an der Sonde befestigt oder
mit ihr starr verbunden mitbewegt, so daß sie bei visueller Betrachtung eine orientierende
Ubersicht über die Homogenität des Werkstücks gibt, während eine Photographie der
Lichtquelle bei der Abtastung des Werkstücks eine Gesamtdarstellung der Fehler im
untersuchten Werkstück liefert.
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Ein dauerhaftes Bild wird erzielt, indem eine große Zahl derartiger
Lichtquellen zeilen- oder matrizenartig angeordnet und mit Anal wertspeichern verbunden
wird. Über bekannte Multiplexerse tnngen wird jeweils der Analogwertspeicher und
die mit ihm verb>tdene Lichtquelle angesteuert, dessen Lage innerhalb der Zeile
oder Matrix dem Ort der Sonde auf dem Werkstück entspricht.
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Eine Erhöhung der Prüfgeschwindigkeit wird erreicht, indem jede Lichtquelle
von einer eigenen Sonde angesteuert wird, so daß die gosalate Prüfeinrichtung eine
zeilen- bzw. matrizenartige kombinl¢xte Anordnung von Sonden, Verstärkern und Lichtquellen
dar-9tllt Eine derartige Kombination wird auf das Werkstueck aufgeset'2t und eigt
durch ihre Licht- und Farbverteilung direkt die im Werkstück darunter befindlichen
Fehler an. Wird das Werkstück beispielsweise durch einen aufgesetzten U-förmigen
Elektromaneten ummagnetisiert, so wird zweckmäßig die genannte Kombination direkt
an dem Elektromagneten befestigt. Die Form der Sonden-VerstArker-Lichtquellen Kombination
ist der Form des zu untersuchenden Werkstücks, beispielsweise Blech oder Rohr anzupassett
sie kann auch eine flexible Manschette sein. Die kompakteste Ausführungsform der
Erfindung besteht darin, Sonden, Verstärker und Leuchtdioden nach der Technik der
integrierten Schaltunged als räumliche Einheit auf einer Platte herzustellen. Einem
derartien Streufeld-Licht-Umsetzer braucht dann nur noch die phasenrichtige Information
über den Verlauf des ummagnetisierenden Feldes zugeführt zu werden damit die darunter
liegenden
geometrischen Fehler bzw. Störungen durch das Aufleuchten
der den betreffenden Orten auf dem Werkstück zugeordneten Lichtquellen markiert
werden. Bei Verwendung von Hall-Generatoren als Sonden kann zur Erzielung der feldselektiven
Signalzuordnung auch deren Steuerstrom getaktet werden.
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Anstelle von Lichtquellen wie Leuchtdioden oder Glühlampen können
auch Anordnungen mit Flüssigkristallen verwendet werden, wie sie von Rechnern und
Uhren bekannt sind. Es sind auch Flüssigkristallanordnungen bekannt, die bei Verwendung
von polarisiertem Licht eine farbige Anzeige liefern, deren Farbe von der angelegten
Spannung abhängt, so daß sie ebenfalls analog zu den beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung benutzt werden können.
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Die bisherige Beschreibung gilt für den Fall, daß der störungssensitive
Feldbereich bekannt ist. Insbesonde - bei hochpermeablen Werkstoffen ist das beim
Durchlaufen des störungs-sensitiven Feldwertes auftretende Signal so stark ausgeprägt,
daß es zur Triggering des Pulsgenerators 8 dienen kann. Hierzu wird das Sonden-Signal
parallel zur Anordnung gemäß Fig. 5 einem Absolutwertmesser (Zweiweg-Gleichrichterschaltung)
zugeleitet und dieses Signal, das nur noch eine Polarität besitzt, zum Triggern
des Pulsgenerators 8 verwendet. Der hierdurch ausgelöste Puls öffnet über den Multiplikator
15 den Weg des Sondensignals zur optischen Anzeige gemäß Fig. 5 , so daß das Signal
entsprechend seinem tatsächlichen Vorzeichen angezeigt wird. Durch diese Selbststeuerung
des Pulsgenerators wird eine vorherige Kenntnis des störungssensitiven Feldwertes
entbehrlich.
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Sofern das Signal nicht stark genug ausgeprägt ist, um eine Triggerung
zu bewirken, kann das Werkstück einer wechselnden Belastung, beispielsweise Biegung,
ausgesetzt werden. Während dieser Wechselbelastung wird die Triggerschwelle langsam
verschoben und der Wechsel des Sondensignals registriert. Die Triggerschwelle wird
dann auf den Wert eingestellt, der die maximale Änderung des Sondensignals als Funktion
der Belastung ergibt. Diese Ermittlung der Triggerschwelle als Punkt maximaler Änderung
der Sondenspannung kann nach bekannten Schaltungen der Regelungstechnik auch automatisch
erfolgen.
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Für den Fall, daß diese Möglichkeit zur Ermittlung des störungssensitiven
Feldwertes nicht gegeben ist, weil beispielsweise das Werkstück zu starr ist, wird
im folgenden eine vereinfachte Form der erfindungsgemäßen Lösung der eingangs gestellten
Aufgabe beschrieben.
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Dieses Vorgehen macht sich die in eigenen Versuchen festgestellte
Erscheinung zunutze, daß sich die Signale, die von geometrischen Fehlern und Störungen
erzeugt werden, in drei Eigenschaften unterscheiden. Erstens tritt das Signal der
Störungen vorwiegend in den Quadranten I und III der in Fig. 2b dargestellten Funktion
auf. Zweitens erscheint das Signal der geometrischen Fehler praktisch gleichermaßen
in den Quadranten I und II bzw. III und IV. Drittens hat das Signal der geometrischen
Fehler vorwiegend die Frequenz des ummagnetisierenden Feldes mit einem geringen
Oberwellenanteil, während die Störungen scharfe Spitzen erzeugen, die Frequenzanteile
bis zur 1000. Oberwelle der Ummagnetisierungsfrequenz enthalten.
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Die Trennung auf Grund des unterschiedlichen Auftretens der Signale
in den Quadranten geschieht folgendermaßen: Das Sondensignal wird gleichzeitig zwei
Verstärkern zugeführt. Der erste erhält das Signal nur während der Zeit, in der
der Quadrant I durchlaufen wird. Diese Selektion kann wie oben beschrieben durch
einen Multiplikator, einen Analog-Multiplexer, einen Operationsverstärker mit Torschaltung
oder durch Takten der Versorgungsspannung erfolgen. Die Zeit dieser Schaltvorgänge
wird zweckmäßig von dem Pulsgenerator 8 gesteuert, dessen Pulslänge jetzt eine Viertelperiode
des Ummagnetisierungsvorgangs beträgt. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird über
zwei parallel geschaltete Dioden mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung zwei verschiedenfarbigen
Lichtquellen zugeführt. Ist die Sondenspannung positiv, etwa einer Rechts-Torsion
des Bleches entsprechend, so gelangt das Signal am Ausgang des Verstärkers durch
die erste Diode zur ersten Lichtquelle, die beispielsweise rot leuchtet. Ist die
Sondenspannung negativ, einer Links-Torsion des Bleches entsprechend, dann leitet
die zweite Diode, so daß die zweite Lichtquelle beispielsweise grün leuchtet.
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Der zweite Verstärker wird auf gleiche Weise so getaktet, daß er das
Signal verarbeitet, welches im Quadrant 11 erscheint. Dieses rührt in erster Linie
von geometrischen Fehlern her und zeigt daher diese selektiv an, indem der genannte
Verstärker beispielsweise eine blaue Lichtquelle ansteuert.
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Insgesamt handelt es sich bei diesem Verfahren um eine logische UND
Verknpfun von Sondensignal und Verstärker-Lichtquellen Kombination, wobei der Status
der Verstärker-Lichtquellen Kombination sowohl vom Feldquadranten als auch von der
Polarität des Sondensignals abhängt.
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Wenn Störungen auch in unmittelbarer Nachbarschaft zu den geometrischen
Fehlern auftreten, enthält der Quadrant I beide Signalarten. Das Trennungsvermögen
des Verfahrens kann dann verbessert werden, indem das im Quadrant II erzeugte Signal
auf einen Analogwertspeicher gegeben und vom Signal des Quadranten I abgezogen wird.
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Eine weitere Trennung der Signalarten wird durch ihr unterschiedliches
Zeitverhalten ermöglicht. Hierzu wird vor den Verstärker, der die geometrischen
Fehler anzeigen soll, ein Tiefpass geschaltet, der die hohen Frequenzen, die von
der Störung herrühren, sperrt. Vor den Verstärker, der die Störungen anzeigen soll,
wird ein Hochpaß geschaltet, dessen untere Grenzfrequenz über der Feldfrequenz liegt.
Hierdurch werden die Signale, die von den geometrischen Fehlern herrühren, gedämpft.
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Diese Erläuterungen beziehen sich auf den Fall, daß nur die Signale
der Quadranten I und II herangezogen werden. Zur Verdopplung der Signalhöhe können
auch die Signale der Quadranten III und IV ausgewertet werden, wenn auch diese nach
Vorzeichenumkehr phasenrichtig ermittelt werden. Dieses Verfahren entspricht der
herkömmlichen Vorstellung, daß die Magnetisierungskurve punktsymmetrisch ist, daß
also beim Vorzeichenwechsel des Feldes auch die Magnetisierung das Vorzeichen wechselt,
sonst aber unverändert bleibt. Nach eigenen Untersuchungen ist dies jedoch nicht
immer der Fall. Vielmehr muß vor Anwendung des Verfahrens geprüft werden, ob bei
dem verwendeten Werkstück diese Voraussetzung erfüllt und somit die zweimalige Erfassung
des Signals je Zyklus erlaubt ist.
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Nach eigenen Untersuchungen tritt, im Gegensatz zu den herkörinlichen
Vorstellungen, insbesondere bei gekrümmten hochpermeablen Blechen ein deutlicher
Unterschied zwischen den beiden Halbzyklen auf. Die Quadranten III und IV sind also
nicht einfach Spiegelbilder der Quadranten I und II. Dies läßt sich am einfachsten
feststellen, indem das Sondensignal einem Zweikanaloszillographen zug führt wird.
Das Signal wird direkt auf einen Kanal und invertiert auf den anderen Kanal gegeben.
Der Oszillograph arbeitet mit alternierender Darstellung der beiden Kanäle und wird
mit der doppelten Feldfrequenz getriggert. Dann schreibt der Oszillograph die Signale
der beiden Ummagnetisierungshälften direkt übereinander, so daß sie leicht verglichen
werden können. Die in den beiden Halbzyklen gewonnenen Signale können Analogwertspeichern
zugeführt werden, deren Differenz ein besonders empfindliches Maß für Inhomogenität
darstellt. Die Verarbeitung der so gewonnenen Differenzen der Signale in den Halbzyklen
zu optischen Signalen geschieht analog zu dem oben dargestellten Verfahren der Verarbeitung
der Signale, die zwei verschiedenen Feldwerten zugeordnet sind.
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Dieses Verfahren, die Farbe entsprechend der Größe und dem Vorzeichen
des feldseiektiv erfaßten Signal zu steuern, ist bei hochpermeablen Bleichen angebracht,
bei denen die Belastung eine Veränderung des genannten Signals bei praktisch unverändertem
Feldwert H5 bewirkt. Dagegen liegt bei Werkstoffen wie gehärtetem Stahl die Information
über die Inhomogenitaten auch in dem Wert von H selbst. Dasselbe gilt für die eingangs
genannten Werkstoffe, die erst unter dem Einfluß von Belastungen ferromagnetisch
werden.
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Um auch kiese Information in Farben umzusetzen, werden im Takt der
Feldfrequenz zusätzliche Spannungsplse erzeugt. Fig. 6 zeigt einen beispielsweisen
Verlauf dieser Hilfssnannungen UH . Die Spannungspulse werden im Takt der Feld frequenz
erzeugt und mit eier solchen Phasenverschiebung versehen, daß sie den Quadranten
I überdecken, wie in Fig. 6 dargestellt. Mit diesen ililfsspannunyeq wird die Versorgungsspannung
der Lichtquellen
der entsprechenden Farben moduliert. Sie können
auch an Differenzverstärker gegeben werden, die zwischen Sonden und Lichtquellen
geschaltet sind. Somit befinden sich zu verschiedenen Zeiten, d.h.
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zu verschiedenen Phasen des ummagnetisierenden Feldes, verschiedene
Lichtquellen in der Bereitschaft zu leuchten. Die Sondensignale werden, wie oben
beschrieben, nur zur Verarbeitung zugelassen, während das Feld den Quadranten I
durchläuft. Tritt ein positives Sondensignal bei einem kleinen Feldwert auf, leuchtet
die rote Lichtquelle. Je größer das Feld ist, bei dem das Sondensignal auftritt,
desto mehr verschiebt sich die Farbe über Grün nach Blau. Hierbei handelt es sich
um eine logische UND Verknüpfung von Sondensignal und Verstärker-Lichtquellen Kombination,
wobei der Status der Verstärker-Lichtquellen Kombination auch von der Größe des
Feldes abhängt.
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Die Anzeige der Lichtquellen kann auch der Differenz der Signale benachbarter
Sonden zugeordnet werden, wodurch sich eine besonders anschauliche Anzeige des Gradienten
der Materialinhomogenitäten ergibt.
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Die durch die Ummagnetisierung des Werkstücks bedingte Erwärmung kann
vermindert werden, indem beispielsweise bei einer Ummagnetisierungsfrequenz von
80 Hz die Ummagnetisierung nur 1/10 sec lang, also für 8 Perioden erfolgt und die
Leuchtanzeige während der restlichen 9/10 sec durch Analogwertspeicher konstant
gehalten wird, daß also kurze Ummagnetisierungsintervalle mit längeren Pausen abwechseln,
indem der Funktionsgenerator 1 entsprechend getaktet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das magnetische
Streufeld selbst zur Erzeugung des optischen Signals verwendet, indem magneto-optische
Effekte, d.h. der Faraday- und Kerr-Effekt herangezogen werden. In diesem Fall sind
also magnetfeldempfindliche Sonde und optischesAnzeigeorgan identisch. Das erfindungsgemäße
Vorgehen wird im folgenden erläutert. Fig. 7 zeigt schematisch das Verfahren bei
Ausnutzung des Faraday-Effektes.
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Eine Platte 19 aus Glas mit hohem Faraday-Effekt (Bleiglas oder Glas
mit Seltenen Erden) mit einer Dicke von etwa 5 mm ist auf der dem magnetisierten
Werkstück 5 zugewandten Seite mit der Spiegelschicht 20 versehen. Sie wird nahezu
senkrecht mit linear polarisiertem Licht 21 beleuchtet. An den Stellen des Glases,
die vom magnetischen Streufluß 22 durchsetzt werden, tritt eine Drehung der Polarisationsebene
des Lichtes ein, so daß der Lichtstrahl 23, der die Glasplatte verläßt, durch seinen
Polarisationszustand eine Information über das Streufeld enthält. Das Licht durchläuft
den Analysator 24 und tritt in ein abbildendes optisches System, beispielsweise
das Objektiv eines Mikroskops, welches auf den Spiegel scharf eingestellt ist. Wird
die Durchlaßrichtung des Analysators senkrecht zur Durchlaßrichtung des Polarisators
25 gestellt, so wird das Licht ausgelöscht, so daß das Gesichtsfeld des Mikroskops
dunkel erscheint, sofern das Werkstück fehlerfrei ist. Hat das Werkstück jedoch
einen Fehler, wie in Fig. 7 dargestellt, so bewirkt der links und rechts vom Riss
austretende Streufluß eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes und damit
eine Aufhellung des Gesichtsfeldes. Am Ort des Risses bleibt das Gesichtsfeld dunkel,
weil das Streufeld senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung verläuft und daher keine
Faraday-Drehung hervorruft. Der Riss markiert sich also als dunkler Streifen auf
hellem Untergrund. Wird der Analysator so gestellt, daß er das Licht, welches beispielsweise
links vom Riss reflektiert wurde, auslöscht, so erscheint dieses Gebiet dunkel,
das Gebiet rechts vom Riss hell. In dieser Stellung der Polarisationselemente markiert
sich also der Riss als Übergang zwischen hellen und dunklen Gebieten. Nach eigenen
Erfahrungen ist die gekreuzte Stellung für breite Risse, die andere Stellung für
schmale Risse günstiger.
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Ein besonders empfindlicher Nachweis des Streufeldes, der auch die
Anzeige von geometrischen Fehlern und Störungen unter der Werkstückoberfläche ermöglicht,
gelingt, indem an Stelle einer Glasplatte eine dünne Schicht aus ferromagnetischem
Material, beispielsweise Eisen oder Permalloy (magnetostriktionsarme Eisen-Nickel
Legierung) verwendet wird. Fig. 8 zeigt die Anordnung
bei Verwendung
einer dünnen ferromagnetischen Schicht. Die Schicht 26 hat eine Dicke von etwa 100
nm und wird durch Aufdampfen auf eine Glasplatte 27 mit einer Dicke von etwa 0,2
mm hergestellt.
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In einer solchen Schicht liegt die Magnetisierung in der Schichtebene.
Daher muß die Beleuchtung durch den Lichtstrahl 21 schräg erfolgen, damit die Lichtausbreitungsrichtung
eine Komponente in Richtung der Magnetisierung ernält.
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Eine dünne ferromagnetische Schicht hat gegenüber einer Glasplatte
zwei Nachteile: Erstens zeigt die Schicht Remanenz und zweitens erfolgt die Ummagnetisierung
nicht punktweise, sondern in Form der Weißschen Bereiche mit gezackten Grenzen.
Dem steht jedoch der Vorteil einer weitaus höheren Empfindlichkeit für Streufelder
gegenüber.
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Hierzu wird folgendermaßen vorgegangen: Das Werkstück wird zunächst
bis zur Sättigung magnetisiert, so daß der magnetische Fluß innerhalb des Werkstücks,
die Tangentialkomponente des Streuflusses und des von der Magnetisierungseinrichtung
herrührenden Feldes nach links weisen. Dann ist auch die Schicht einheitlich nach
links magnetisiert. Analysator 25 und Polarisator 24 seien so gestellt, daß die
Schicht im Mikroskop hell erscheint. Wird das Feld abgeschaltet und nach rechts
gerichtet erhöht, so quillt mit zunehmender Feldstärke das nach rechts gerichtete
Streufeld in den Außenraum hinaus, so daß in der Umgebung des geometrischen Fehlers
in der Schicht ein nach rechts magnetisierter Weißscher Bereich entsteht, der im
Mikroskop dunkel erscheint. Dieses Verhalten wird bei Verwendung von Eisenschichten
mit relativ hoher Koerzitivfeldstärke beobachtet. Es entspricht den herkömmlichen
Vorstellungen über das Verhalten des Streufeldes, die auch den Anwendungen des Macjnetpulververfahrens
zu Grunde liegen.
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Darüber hinaus wird bei Verwendung von Permalloyschichten mit niedriger
Koerzitivfeldstärke ein bisher nicht bekanntes Übergangsverhalten deutlich: Bei
geringen Werten des nach rechts gerichteten Feldes werden zunächst die fehlerfreien
Gebiete des Werkstücks nach rechts magnetisiert, während die Umgebung des geometrischen
Fehlers noch in der alten, nach links gerichteten
Magnetisierungsrichtung
verharrt. Daher macht sich in diesem Stadium der Fehler durch einen hell gebliebenen
Weißschen Bereich bemerkbar, der von den dunklen Bereichen der fehlerfreien Gebiete
eingerahmt wird. Dieser Nachweis ist äußerst empfindlich, so daß geometrische Fehler
noch in einer Tiefe unter der Werkstückoberfläche nachgewiesen werden konnen, die
mehr als das Zehnfache des Fehlerdurchmessers beträgt.
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Hierzu wird das Werkstück, beispielsweise ein stählerner Ring mit
einer Wandstärke von 40 mm mit einer Frequenz von 1 Hz ummagnetisiert, indem er
1/10 sec bis zur Sättigung nach links und 9/10 sec bis zu einem kleinen, durch Vorversuche
festgelegten Wert nach rechts magnetisiert wird. Durch die ungleichen Zeiten wird
die Erwärmung der Magnetisierungseinrichtung vermindert; durch die asymmetrischen
Maqnetisierungswerte wird das erwähnte Remaenzverhalten der Schicht eliminiert,
indem diese stets wieder vollständig in den einheitlich nach links gerichteten Magnetisierungszustand
zurückgeführt wird, und das genannte Obergangsverhalten ausgenutzt. Das Werkstück
wird nun unter der Schicht hindurchgezogen. Ist der Teil des Werkstücks unter der
Schicht fehlerfrei, so ist diese während 9/10 sec dunkel, befindet sich ein Fehler
unter der Schicht, so bleibt über dem Ort des Fehlers ein heller Streifen stehen,
der den Fehler mit hohem Aufmerksamkeitsert markiert. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird das Remanenzverhalten der dünnen ferromagnetischen Schicht dadurch
eliminiert, daß diese in ihrer Ebene drehbar gelagert ist.
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Bei höherer Ummagnetisierungsfrequenz, die eine schnellere Prüfung
erlaubt, wird zweckmäßig stroboskopisch beobachtet. Mit einer Sonde, beispielsweise
einer Spule, wird das Streufeldsignal aufgenommen und dem Pulsgenerator 8 zugeleitet,
der das Stroboskop steuert, so daß die stroboskopische Beobachtung analog zu der
vorangegangenen Beschreibung zur Beobachtung der geometrischen Fehler oder Störungen
dient. Die eingangs beschriebenen elektronisch-optischen und das magneto-optische
Verfahren ergänzen sich, indem die ersteren eine hohe zeitliche, das letztere eine
hohe räumliche Auflösung ergeben.
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Eine Steigerung der Nachweisempfindlichkeit wird durch Ausnutzung
der Streufeldrichtung erreicht. Das von der Magnetisierungseinrichtung herrührende,
auch über fehlerfreien Teilen des Werkstücks vorhandene Feld ist vorwiegend tangential
gerichtet, das von den Fehlern herrührende Feld steht normal zur Werkstückoberfläche.
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Die Fig. 9 und 10 zeigen Anordnungen mit dünnen ferromagnetischen
Schichten, die diesen Richtungsunterschied mit Hilfe der Formanisotropie dünner
Schicnten ausnutzen. Das nicht gezeichnete Werkstück hat dieselbe Lage wie in den
Fig. 7 und 8. Gemäß Fig. 9 wird der Lichtstrahl 21 von den dünnen ferromagnetischen
Schichten 28 und 29 reflektiert, die stärker auf die Normalkomponente des Streufeldes
reagieren als die Schicht 26. Links und rechts von einem geometrischen Fehler sind
die Schichten 28 und 29 jeweils gleichsinnig magnetisiert, so daß sich der Drehwinkel
im Strahl 24 verdoppelt. Die Intensität des Lichtes nach dem Analysator 24 ändert
sich, wenn ein Fehler unter den Spiegeln hindurch bewegt wird, so daß auf diese
Weise die Fehleranzeige automatisiert werden kann.
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Durch Differenzmessung mit zwei derartigen Elementen an verschiedenen
Stellen des Werkstücks läßt sich das oben genannte Ubergangsverhalten auswerten.
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Werden zahlreiche derartige Anordnungen zeilen- oder matrizenartig
zusammengesetzt, so entsteht ein furchen- bzw. waffelartiges visuell beobachtbares
Nachweiselement.
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Eine Ausführungsform mit gesteigerter Richtungsselektivität für die
Normalkomponente ist in Fig. 10 dargestellt. Das Licht wird von den ferromagnetischen
Schichten 30 und 32 reflektiert, die praktisch nur noch auf die Normalkomponente
des Feldes reagieren, und dem nichtferromagnetischen Spiegel 31. Ein einzelnes derartiges
Element kann zur Messung des Streufeldes mit Hilfe eines Lichtdetektors im Strahl
23 dienen, während zahlreiche Elemente zusammen ein visuell beobachtbares Rasterbild
ergeben.
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Eine Steigerung der magneto-optischen Wirksamkeit wird erreicht, indem
der Raum zwischen den ferromagnetischen Schichten nicht Luft, sondern ein Medium
mit hohem Brechungsindex ist. Hierdurch
wird die Brechung des Lichtes
in der Schicht, die die Komponente des Lichtes in Richtung der Magnetisierung mindert,
verringert.
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Es kann hochbrechendes Glas verwendet werden, auf das die ferromagnetischen
Schichten 30 und 32 aufgebracht werden. 33 und 34 sind dann die durchsichtigen Außenflächen.
Eine andere Ausführungsform besteht darin, die Flächen 33 und 34 als Glasfenster
auszubilden und den Raum zwischen den Flächen 30 bis 34 mit einer hochbrechenden
Flüssigkeit zu füllen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Richtungsselektion des Streufeldes besteht
in der Ausnutzung der magnetischen Kristallanisotropie geeigneter Materialien. Beispielsweise
können Granate so geschnitten werden, daß die magnetisch leichte Richtung senkrecht
zur Schichtebene liegt. Wird ein solches Granatplättchen an Stelle der Glasplatte
19 eingesetzt, so zeigt es vornehmlich die Normalkomponente des Streufeldes an.
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In solchen Plättchen bilden sich räumlich periodische Strukturen aus
Streifenbereichen und magnetischen Blasen (bubbles), die vom äußeren magnetischen
Feld abhängen. Derartige Strukturen geben Anlaß zur Beugung des Lichtes, so daß
die Fehler des Werkstücks im gebeugten Licht (Dunkelfeldverfahren) nachgewiesen
werden können. An schwer zugänglichen Stellen des Werkstücks, beispielsweise dem
Inneren von Rohren, kann die Beobachtung mit Hilfe von Lichtleitern erfolgen.
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Die genannten Verfahren lassen sich kombinieren mit der Ermittlung
der während der Ummagnetisierung im Werkstück selbst erzeugten elektrischen Spannungen,
die in der deutschen Offenlegungsschrift 23 42 161 beschrieben ist.