DE3612651C2

DE3612651C2 -

Info

Publication number: DE3612651C2
Application number: DE3612651A
Authority: DE
Inventors: Makoto Hayashi; Masahiro Otaka; Tasuku Hitachi Ibaraki Jp Shimizu; Shinji Katsuta Ibaraki Jp Sakata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-04-15
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 1988-12-01
Also published as: US4764970A; DE3612651A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen von Rissen beispielsweise an der Oberfläche von Bauteilen für Kernkraftanlagen, Dampfturbinen, Wasserturbinen und dergleichen. Ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der DE-Z "Materialprüfung", Band 18 (1976) Nr. 9 (September), Seiten 342 bis 344 (Dobmann et al.) bekannt.

In dieser Druckschrift ist beschrieben, wie zweidimensionale Risse vermittels einer finite-Element-Methode festgestellt werden. Für das genaue Erfassen des Entwicklungsstadiums von Rissen ist jedoch deren Erfassung in allen drei Raumdimensionen unerläßlich. Die Feststellung dreidimensionaler Risse nach der genannten Druckschrift bedingt jedoch zuerst eine Festlegung des Ausmaßes des Risses an der Oberfläche und dann der Tiefe. Damit ist jedoch keine genaue Ermittlung der dreidimensionalen Rißform oder der exakten Rißtiefe möglich.

Ein dem geschilderten Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung ähnliches Vorgehen wird in der DE-Z "Thyssenforschung", 1. Jahrgang 1969, Heft 3, Seiten 116 bis 121 (M. Strässer) beschrieben. Dabei wird die Oberfläche eines Prüflings von Hand abgetastet und die erhaltenen Potentialverteilungen werden mit empirisch an Modellkörpern ermittelten Potentialverteilungen verglichen. Wie bei der eingangs genannten Druckschrift wird dabei der Rißverlauf jeweils nur zweidimensional festgestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem bzw. mit der die Formen von sich beispielsweise an Bauteilen entwickelnden Oberflächenrissen äußerst genau erfaßt werden können.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Verfahrensanspruchs 1 bzw. des Vorrichtungsanspruchs 3 genannten Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß wird demnach in folgenden Schritten vorgegangen: Speichern verschiedener Elemente mit unterschiedlichen Streckungsverhältnissen in einem Speicher, Aussuchen des einer gemessenen Potentialverteilung nächsten Streckungsverhältnisses unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Potentialdifferenzverhältnis und der Tiefe des Risses bezüglich verschiedener Arten von Streckungsverhältnissen, Abrufen des Elementes mit dem erhaltenen Streckungsverhältnis aus dem Speicher und Ändern der Form des Elementes gemäß der Potentialverteilung, Analysieren des elektrischen Feldes, Vergleichen der gemessenen Potentialverteilung mit der analysierten Potentialverteilung, bis beide Potentialverteilungen zusammenfallen, und Beurteilen der Elementform im Zeitpunkt des Zusammentreffens der Potentialverteilungen, die dann die tatsächliche Rißform ist.

Das zu messende Potentialdifferenzverhältnis ist durch die Form des Risses mit beeinflußt, so daß es nicht möglich ist, die Rißform allein aufgrund des Potentialdifferenzverhältnisses zu bestimmen. Durch die erfindungsgemäße Analyse des elektrischen Feldes ist es jedoch möglich, die Rißform exakt zu erfassen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patentanspruch 2 dargestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Patentanspruch 3 ist zur Feststellung der Form eines dreidimensionalen Risses ein XY-Scanner zur Ausführung einer Abtastoperation durch einen Meßkopf mit Stromführungssonden und Meßsonden und ein Mikrocomputer vorgesehen. Aufgrund der Notwendigkeit, einen elektrischen Strom vertikal durch die gerissene Oberfläche anzulegen, ist der Meßkopf mit einem Mechanismus versehen, der ihn bezüglich einer zur Oberfläche des Prüflings senkrechten Achse drehbar macht. Des weiteren ist eine Anzahl von Stromzuführungssonden zum Aufbau eines gleichförmigen elektrischen Feldes vorgesehen. Durch eine Anordnung von Meßsonden jeweils zwischen Stromzuführungs-Sondenpaaren ist es möglich, die Potentialverteilung sowohl längs des Risses wie quer zum Riß mit dem gleichen Ergebnis zu erfassen. Gleichzeitig ist es damit auch möglich, eine eventuelle Neigung des Risses zur Oberfläche zu erhalten, und zwar aufgrund der Tatsache, daß bei geneigten oder schiefen Rissen die Potentialverteilung unsymmentrisch ist.

Die Unteransprüche 4 bis 10 beinhalten bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung nach Anspruch 3, die insbesondere zur einfachen und schnellen Erfassung der erfindungsgemäß wesentlichen Potentialverteilung um den Riß beitragen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Potentialverteilung in der Nähe eines Risses, die durch Analyse einer finite-Element-Methode erhalten wird;

Fig. 2 ein Diagramm für die Potentialverteilung der Fig. 1 in der Nähe des Risses in einer zum Riß parallelen Richtung;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Relation zwischen der Potentialdifferenz an jedem Meßpunkt und der Rißtiefe wiedergibt, wobei ein Prüfling aus rostfreiem Stahl verwendet wurde;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Rißform-Erfassungsvorrichtung;

Fig. 5 eine detaillierte Ansicht der Rißform-Erfassungsvorrichtung;

Fig. 6 ein Diagramm für das Verfahren zur Bestimmung der Form eines Oberflächenrisses anhand der Potentialverteilung, die aus der Analyse der effektiv gemessenen Werte erhalten wird;

Fig. 7 eine Ansicht eines Rißdetektorkopfes;

Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Anordnung der Stromzuführungs- Sondenpaare und der Potentialmeßsonden des Detektorkopfes der Fig. 7;

Fig. 9 bis 13 Draufsichten, die andere Anordnungen der Sonden wiedergeben;

Fig. 14 eine Ansicht der Stromzuführungs- und Potentialmeßsonde;

Fig. 15 eine Ansicht, die einen anderen Aufbau der Sonde wiedergibt;

Fig. 16 eine weitere Ansicht einer Stromzuführungssonde;

Fig. 17 eine Ansicht einer anders aufgebauten Stromzuführungssonde;

Fig. 18 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Rißform-Erfassungsvorrichtung, die für jede Stromzuführungssonde eine unabhängige Konstantstromquelle aufweist;

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Rißform-Erfassungsvorrichtung, bei der die Stromzuführungssonden an den Seitenplatten einer Antriebseinrichtung angebracht sind;

Fig. 20 eine schematische Ansicht der Potentialverteilung, die durch Abtasten der Oberfläche eines Risse aufweisenden Bauelements erhalten wurde;

Fig. 21 eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer Rißform-Erfassungsvorrichtung;

Fig. 22 ein Flußdiagramm zum Erfassen der Rißform;

Fig. 23 eine Teilansicht der Elemente für die Rißform, falls das Streckungsverhältnis 1,0 beträgt;

Fig. 24 eine Teilansicht der Elemente, falls das Streckungsverhältnis 0,5 beträgt;

Fig. 25 ein Diagramm für eine Potentialverteilung, die effektiv um einen Riß herum gemessen wurde;

Fig. 26 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Beziehung zwischen der Potentialverteilung und der Rißtiefe;

Fig. 27, 28 und 30 Diagramme, die Korrekturmethoden für die Daten der Element-Knotenpunkte wiedergegeben;

Fig. 29 ein Diagramm, das die effektiv bzw. tatsächlich gemessenen Werte der Potentialverteilung den Analysewerten der Potentialverteilung gegenüberstellt;

Fig. 31 ein Diagramm, bei dem ein Element in rechteckige Segmente unterteilt ist;

Fig. 32 und 33 Diagramme, die das Korrekturverfahren für die Daten der Element-Knotenpunkte darstellen, und

Fig. 34 ein Diagramm, das ein Verfahren zur Beurteilung der Rißform unter Verwendung von rechteckigen Elementen wiedergibt, und zwar ohne Bewegung der Knotenpunkte.

Die Fig. 1 zeigt ein Äquipotentialdiagramm, das die Potentialverteilung in der Nähe eines Oberflächenrisses wiedergibt.

Dies stellt das Ergebnis dar, das durch eine Analyse gemäß einer finite-Element-Methode bei einem auf einer flachen Platte mit 20 mm Dicke vorliegenden halbkreisförmigen Riß erhalten wurde, der 30 mm lang und 15 mm tief ist. Selbst wenn sich das Material ändert, ändert sich lediglich der Absolutwert des Potentials; die Verteilungsform bleibt jedoch unverändert. Berücksichtigt man die Potentialverteilung auf der Rißoberfläche, so kriechen die Äquipotentiallinien unter die Rißoberfläche. Die Anzahl der Äquipotentiallinien, die unter die Rißoberfläche kriechen, ändert sich entsprechend der Rißtiefe. Es ist ebenso verständlich, daß die Potentialverteilung eine Verteilung aufzeigt, die symmetrisch zur Rißoberfläche ist. Da die Potentiale entgegengesetzte Verteilungen in bezug auf den dazwischenliegenden Riß aufzeigen, kann die Rißstelle auf einfache Weise beurteilt werden. Die Potentialdifferenz erreicht an der Stelle, an der der Riß vorliegt, einen großen Wert.

Die Fig. 2 zeigt das Rechenergebnis der Potentialverteilung in der Nähe des Risses. Die Berechnung wurde für den in Fig. 1 gezeigten Riß ausgeführt. Das Diagramm zeigt die Potentialverteilung in Richtung der X-Achse an Stellen, die um 1, 2, 3, 4, 5 bzw. 10 mm vom Riß in Richtung der Y-Achse abgesetzt sind. Wie aus diesem Diagramm deutlich zu ersehen ist, kann die Rißform in gewissem Grade selbst an einer Stelle beurteilt werden, die vom Riß einen Abstand von 10 mm aufweist. Jedoch ist es schwierig, die Rißform an entfernten Stellen exakt zu erfassen, da das Potential allmählich abfällt. Es ist insbesondere schwierig, das Ende des Oberflächenrisses zu bestimmen.

Wird die Meßstelle näher zum Riß gelegt, so kann das Ende des Oberflächenrisses leicht bestimmt werden, da in der Potentialverteilung am Ende des Risses besondere Punkte auftreten. Außerdem ist das Potential proportional der Rißtiefe. Die Rißform kann demzufolge dadurch bestimmt werden, indem man die Potentialverteilung vom vordersten Abschnitt des Risses in der Nähe des Rißpols längs des Risses mißt oder die Potentialdifferenz quer zum Riß mißt.

Die Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Potentialdifferenz und der Rißtiefe, wobei die Potentialdifferenz an einer Stelle gemessen wird, die um 1 mm von einem auf einer flachen Platte aus SUS 304 befindlichem Riß abgesetzt ist, wobei der Riß in simulierter Art durch Entladung bzw. Ätzung ausgebildet wurde. Die Riß-Streckungsverhältnisse, d. h. a/c (a: Rißtiefe; c: Rißlänge) betragen 1,0; 0,5 und 0,25. Die Potentialdifferenz ist proportional zur Rißtiefe, und zwar ohne Beziehung zum Streckungsverhältnis, obwohl einige Abweichungen bestehen. Folglich kann die Rißform exakter durch Messung der Potentialverteilung in der Nähe des Risses bestimmt werden.

Fig. 4 zeigt in schematischer Ansicht eine Vorrichtung zum Erfassen der Form eines an einem Bauelement befindlichen Oberflächenrisses. Dem Bauelement 1, das den Oberflächenriß 11 aufweist, wird über eine Vielzahl von Stromzuführungs- Sondenpaaren 2 ein Gleichstrom von einer Gleichstrom-Konstantstromquelle 3 zugeführt. Eine Vielzahl von Meßsonden 4 ist zwischen den Stromzuführungs- Sondenpaaren 2 parallel dazu ausgerichtet. Die Stromzuführungs-Sondenpaare 2 und die Meßsonden 4 sind auf einem nichtleitenden Substrat bzw. Trägermaterial (nicht dargestellt) angebracht. Das Substrat ist an seiner Antriebseinrichtung 5 befestigt. Die Rißform-Erfassungvorrichtung umfaßt ebenso einen Abtastmechanismus. Die Potentialdifferenz zwischen den Meßsonden 4 wird über eine Abtasteinrichtung 6 mittels eines Mikrovoltmeters 7 gemessen. Die Ausgangsgröße dieses Mikrovoltmeters 7 wird über eine Schnittstelle bzw. ein Interface 8 einem Mikrocomputer 9 zugeführt. Die eingegebene Potentialdifferenz wird mit einer Bezugskurve verglichen, die vorher im Mikrocomputer abgespeichert wurde, und berechnet, um somit die Rißform zu bestimmen. Das Ergebnis der Berechnung wird mittels eines X-Y Plotters 10 angezeigt. Die Positionierung des Rißdetektorkopfes (vergleiche Fig. 5), der das Substrat mit den daran befestigten Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 und Meßsonden 4 darstellt, wird mit Hilfe der Antriebseinrichtung 5 vorgenommen. Die Antriebseinrichtung 5 wird wiederum vom Mikrocomputer 9 gesteuert.

Fig. 5 stellt eine Detailansicht der Antriebseinrichtung 5 der Rißform-Erfassungsvorrichtung dar. Die Antriebseinrichtung 5 kann mit Hilfe eines Schrittmotors 50 den Rißdetektorkopf 40 mit seinen Meßsonden 4 und Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 um eine Z-Achse drehen. Außerdem weist die Antriebseinrichtung 5 einen Druckluftzylinder 49 auf, mit dessen Hilfe die Meßsonden 4 und die Stromzuführungs-Sondenpaare 2 auf die Oberfläche des zu prüfenden Bauelements gedrückt werden. Ferner hat die Antriebseinrichtung 5 einen X-Achsen-Antriebsmechanismus 51 und einen Y-Achsen-Antriebsmechanismus 52, um den Rißdetektorkopf 40 auf einer zweidimensionalen Ebene bewegen zu können. Jede dieser Koordinatenachsen wird über ein Untersetzungsgetriebe 54, 54′ von einem Motor 53, 53′ angetrieben. Die Y-Achse 52 ist an Seitenplatten 55, 55′ befestigt. An den Seitenplatten 55, 55′ sind ferner Saugscheiben 56 montiert, die durch Druckluft betätigt werden und der Fixierung der Antriebseinrichtung 5 auf der Oberfläche des Bauelements dienen. Die Motoren 53, 53′ zum Antrieb der X- und Y-Achse stehen mit einem Positionssteuergerät 57 in Verbindung, das wiederum von einem Meßsteuersystem 58 gesteuert wird.

Bei der Fig. 5 macht z. B. der Rißdetektorkopf 40 von der Anordnung der Stromzuführungs-Sondenpaare 2 und Meßsonden 4 Gebrauch, die in der später folgenden Fig. 9 gezeigt ist. Die Richtung des Auftretens des Risses wird im wesentlichen vom Material des Bauelements bestimmt. Demzufolge werden die Stromzuführungs-Sondenpaare 2 und die Meßsonden 4 parallel zum Riß angeordnet, wobei eine Abtastung in den Richtungen der X- und Y-Achse 51, 52 erfolgt, um die Potentialverteilung auf der Oberfläche des Bauelements zu messen, auf der sich die Antriebseinrichtung 5 bewegen kann. Liegt kein Riß vor, so tritt zwischen den Meßsonden 4 keine Potentialdifferenz auf. In der Nähe eines Risses tritt jedoch eine Potentialdifferenz auf. Wird die Oberfläche von Beginn an in kleinen Schritten abgetastet, so wird die Meßzeit lang. Deshalb tastet der Rißdetektorkopf 40 zuerst die Oberfläche grob ab, um auf diese Weise eine ungefähre Potentialverteilung und die Stelle des Risses zu bestimmen. Danach werden nur die Abschnitte in der Nähe der Stelle, an der der Riß vorliegt, fein abgetastet, um dadurch eine detaillierte Potentialverteilung zu erhalten und die Rißform bestimmen zu können. Der Meßabstand für eine grobe Messung im ersten Stadium kann 10 mm oder mehr betragen, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Fig. 6 zeigt eine Ansicht, die das Verfahren zur Erfassung der Rißform in weiteren Einzelheiten erläutert. Der Gleichstrom fließt durch das einen Riß 11 aufweisende Bauelement 1 und die Potentialverteilung 14 auf der Oberfläche des Bauelements wird durch Abtasten mit den Meßsonden 4 gemessen und in den Mikrocomputer 9 eingegeben. Die eingegebene Potentialverteilung wird mit einer Bezugskurve 17 verglichen und vom Mikrocomputer 9 berechnet, um die grundlegende Rißform 15 a zu bestimmen. Vom Computer 16 wird eine numerische Analyse wie z. B. eine finite-Element-Methode unter Verwendung dieser Rißform 15 a ausgeführt, um die Potentialverteilung bzw. Bezugskurve 17 zu erhalten. Diese wird dann mit der tatsächlich gemessenen Potentialverteilung 14 verglichen, und Korrekturen wie z. B. 15 b und 15 c werden an der Rißform angebracht, so daß die beiden Potentialverteilungen einander gleich sind. Die Potentialverteilung wird wieder durch Berechnung erhalten. Dieser Prozeß wird wiederholt, und der Riß 18, der erhalten wird, wenn die Potentialverteilung 14, die letztlich effektiv gemessen wird, mit der Potentialverteilung 17, die durch Berechnung erhalten wird, übereinstimmt, als Oberflächen-Rißform bestimmt. Entsprechend diesem Verfahren kann die Rißform selbst dann äußerst exakt erfaßt werden, wenn die Rißform sehr komplitziert ist.

Ist die Rißform einfach, so kann die Rißform durch Kombinieren einer Anzahl von Bezugskurven bestimmt werden.

Die Fig. 7 bis 12 zeigen verschiedene Beispiele für die Anordnung der Stromzuführungs-Sondenpaare und der Meßsonden.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, sind die Stromzuführungs-Sondenpaare 2 und die Meßsonden 4 an dem aus einem nichtleitenden Substrat bestehenden Rißdetektorkopf 40 angebracht. Die Meßsonden 4 sind im Zentrum der Stromzuführungs-Sondenpaare 2 angeordnet. Liegt kein Riß auf der Oberfläche des Bauelements 1 vor, so befinden sich die Meßsonden 4 auf einer Äquipotentiallinie, so daß zwischen den Meßsonden 4 keine Potentialdifferenz auftritt. Ist jedoch irgendein Riß vorhanden, wie in Fig. 2 gezeigt, so tritt infolge einer Störung des elektrischen Feldes eine Potentialdifferenz zwischen den Meßsonden 4 auf. Die Fig. 8 bis 12 zeigen Beispiele für die Sondenanordnung zur Erfassung dieser Störung des elektrischen Feldes.

In Fig. 8 ist eine Vielzahl von Meßsonden 4 dargestellt, die in der Mitte zwischen einem einzigen Stromzuführungs-Sondenpaar 2 angeordnet sind.

In Fig. 9 ist eine Vielzahl von Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 im gleichen Abstand angeordnet, wobei die Meßsonden 4 in der Mitte der Stromzuführungs-Sondenpaare 2 angeordnet sind, um ein gleichförmiges elektrisches Feld im Meßbereich auszubilden.

In Fig. 10 sind die Meßsonden 4 in der Mitte der Stromzuführungs-Sondenpaare 2 und ebenso in der Mitte der benachbarten Stromzuführungs-Sondenpaare 2 angeordnet, so daß die Stromdichte gleich wird.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, bei der in der Mitte zwischen im gleichen Abstand ausgerichteten Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 zwei Meßsonden 4 angeordnet sind, wobei eine dieser Meßsonden 4 stationär ist und die andere sich linear in der Mitte zwischen den Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 bewegen kann, um die Verteilung der Potentialdifferenz kontinuierlich messen zu können.

Fig. 12 zeigt eine Anordnung, bei der zusätzlich zwei Meßsonden 24 zur Erfassung der Rißauftrittsstelle in der Mitte der Meßsonden 4 der in der Fig. 8 gezeigten Anordnung angebracht sind, und zwar in einem rechten Winkel zu den Meßsonden 4 der Anordnung der Fig. 8.

Die in den Fig. 8 bis 12 gezeigten Anordnungen der Stromzuführungs-Sondenpaare 2 und Meßsonden 4 dienen der Messung der Potentialverteilung parallel Riß.

Die Fig. 13 zeigt eine Anordnung, bei der die Stromzuführungs- Sondenpaare 2 parallel zueinander mit gleichem Abstand ausgerichtet sind und Meßsondenpaare 25 parallel zueinander in gleichem Abstand derart ausgerichtet sind, daß die Mitte der Stromzuführungs- Sondenpaare 2 gleichzeitig die Mitte der Meßsondenpaare 25 darstellt und jedes Meßsondenpaar 2 in der Mitte zwischen benachbarten Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 angeordnet ist. Diese Anordnung beseitigt die Notwendigkeit der Abtastung.

Die Fig. 14 zeigt den Aufbau der Stromzuführungssonden und der Meßsonden. (Üblicherweise wird als Sonde ein runder Stab aus rostfreiem Stahl oder Werkzeugstahl verwendet, der eine konische Spitze aufweist. Besteht die zu messende Probe jedoch aus einem weichen Material, so wird dieses von der Sonde leicht beschädigt, so daß der Meßkopf jedes Mal angehoben und bewegt werden muß, wenn die Meßposition geändert wird.) Die vorliegende Anordnung ermöglicht die kontinuierliche Messung der Potentialverteilung, während der Meßkopf auf die zu messende Probe gedrückt wird. Am Ende bzw. an der Spitze eines Elektrodenstabs 31 ist ein Zylinder 34 angeordnet. In dem Zylinder 34 sind eine Feder 32, ein Zwischenstück bzw. Käfig 39 aus Silber oder Silberfolie und eine Stahlkugel 33 eingesetzt, wobei alle Teile miteinander elektrisch verbunden sind. Entsprechend dieser Sondenstruktur wird die Stahlkugel 33 mit Hilfe der Feder über das Zwischenstück 39 aus Silber auf die Oberfläche des Bauelements 1 gedrückt. Die Stahlkugel 33 dreht sich bei einer Bewegung der Sonde. Demzufolge kann die Messung der Potentialverteilung kontinuierlich erfolgen und die erforderliche Meßzeit verringert werden.

Die Fig. 15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Sonde. An der Spitze des Elektrodenstabs 31 ist ein abgeschlossenes Ende des Zylinders 36 befestigt. Am anderen geöffneten Ende des Zylinders 36 ist ein Silberfilm 38 angeklebt. Das Innere des Zylinders 36 ist in zwei Abschnitte unterteilt, wobei der dem Silberfilm 38 zugewandte Abschnitt ein flüssigkeitsähnliches Material 37 und der andere Abschnitt die Feder 39 enthält. Bei diesem Aufbau wird der Silberfilm 38 einer Deformation entsprechend dem Oberflächenzustand des Bauelements ausgesetzt, wodurch ein zuverlässiger Kontakt sichergestellt werden kann.

Die Fig. 16 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, das eine flache Silberplatte 22 als Stromzuführungssonde 21 verwendet. Da Silber mit einem hinreichend kleinen spezifischen Widerstand als Elektrodenmaterial verwendet wird, kann zwischen diesen Sonden ein Bereich mit einem parallelen elektrischen Feld sichergestellt werden.

Die Fig. 17 zeigt eine Anordnung, bei der eine Silberbürste 35 an der Spitze der Stromzuführungssonde 31 angeordnet ist. Wird eine solche Stromzuführungssonde verwendet, so kann der Kontaktbereich durch die Bürste 35 vergrößert und der Kontaktwiderstand verringert werden.

Die Fig. 18 zeigt ein Steuersystem, bei dem für eine Vielzahl von Stromzuführungs-Sondenpaaren 2 unabhängige Konstantstromquellen 23 vorgesehen sind. Auf diese Weise kann der Strom, der durch jedes Sondenpaar fließt, gesteuert werden. Da dieses System einen konstanten Strom ungeachtet des Kontaktzustandes der Stromzuführungs-Klemmenpaare 2 liefern kann, wird ein homogenes elektrisches Feld erzeugt.

Die Fig. 19 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rißform-Erfassungsvorrichtung. Im Gegensatz zu der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung sind beim Ausführungsbeispiel der Fig. 19 die Stromzuführungssonden 100 für die Zufuhr des Gleichstromes nicht an dem Rißdetektorkopf angeordnet. Außerdem unterscheidet sich das Verfahren zum Messen der Potentialverteilung. Wie aus der Fig. 19 ersichtlich, sind an den Seitenplatten 55, 55′ der Antriebseinrichtung 5 mit gleichem Abstand eine große Anzahl an Stromzuführungssonden 100 angeordnet. Dabei ist jeder Elektrodenabschnitt der Sonden isoliert am Ende eines Zylinders 105 befestigt, der pneumatisch betätigt wird. Infolge dieser Anordnung ergibt sich im Inneren der Antriebseinrichtung 5 insgesamt ein homogenes elektrisches Feld. Eine Meßsonde 101 für die Messung der Potentialverteilung ist an der Seitenplatte 55′ befestigt, während eine andere Meßsonde 102 am Rißdetektorkopf 40 angebracht ist. Diese Meßsonden 101, 102 werden mit Hilfe von Druckluftzylindern auf die zu messende Probe gedrückt. Demzufolge kann die Potentialverteilung gemessen werden, indem lediglich eine (102) der Meßsonden abtastet. Tastet in diesem Fall die Meßsonde 102 in Richtung der Y-Achse 52 ab, so nimmt die Potentialdifferenz zwischen der Meßsonde 102 und der stationären Meßsonde 101 proportional dem Abstand in Richtung der Y-Achse zu. Dort, wo der Riß auftritt, wird die Potentialdifferenz größer als die, die aus der proportionalen Beziehung zum Abstand vor dem Riß resultiert, und an der Rückseite des Risses kleiner als die der proportionalen Beziehung. In diesem Fall wird die Rißtiefe aus der Potentialdifferenz zwischen dem vorderen und hinteren Abschnitt des Risses bestimmt.

Die Fig. 20 zeigt schematisch die Potentialverteilung in der Nähe des Risses, die mit Hilfe dieser Vorrichtung bestimmt wurde. Die Potentialverteilung ist zur leichteren Darstellung jedoch in Form der Abweichung von der proportionalen Beziehung des Abstandes aufgetragen, d. h. der Abweichung vom Bezugspotential. Da die Potentialverteilungsstörung um den Riß herum auftritt, nimmt die Meßsonde 102 zuerst eine Abtastung der X- und Y-Achse in groben Intervallen vor, um die Stelle des Risses zu erfassen. Anschließend wird die Potentialverteilung in der Nähe des Risses, insbesondere an der Vorder- und Rückseite des Risses, gemessen, um die Rißform exakt bestimmen zu können. Wird anstelle der einzelnen Meßsonde 102 eine Vielzahl von Meßsonden 4 in gleichem Abstand an dem Rißprüfkopf 40 angebracht, um die Potentiale gleichzeitig an verschiedenen Stellen messen zu können, so kann die Meßzeit entsprechend verkürzt werden. Es ist ebenso möglich, einen Aufbau zu verwenden, bei dem nicht die an der Seitenwand 55′ befestigte Meßsonde 101 verwendet wird, sondern zwei Reihen von Meßsonden 4 mit gleichem Abstand am Rißdetektorkopf 40 befestigt sind, die eine Abtastung in Richtung der X-Achse und der Y-Achse vornehmen, um die Potentialverteilung zu bestimmen.

Entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen tastet der Rißdetektorkopf, der eine Vielzahl von Stromzuführungs- Sondenpaaren zur Zufuhr des Gleichstromes und eine Vielzahl von Meßsonden zum Messen der Potentialdifferenz aufweist, die Oberfläche des den Riß aufweisenden Bauelements ab. Aus der Änderung der Potentialdifferenz kann die Auftrittsstelle des Risses bestimmt werden. Danach wird der Gleichstrom dem Riß im rechten Winkel zur Rißrichtung zugeführt und die Potentialverteilung längs oder quer zum Riß in der Nähe des Risses gemessen. Die Rißform kann durch Verwendung der Bezugskurve, die vorher aus dieser Potentialdifferenz ausgearbeitet wurde, exakt bestimmt werden. Demzufolge kann das Entwicklungsstadium des Risses genau erfaßt werden.

Fig. 21 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel einer Rißform-Erfassungsvorrichtung. Hierbei sind an den Seitenplatten 55, 55′ Saugscheiben 56 befestigt, die durch Druckluft aus einem Kompressor 59 pneumatisch betätigt werden und der Fixierung der Antriebseinrichtung 5 auf der Oberfläche des zu prüfenden Bauelements dienen. Demzufolge kann nicht nur ein Riß an der Wand, sondern auch an einer Decke erfaßt werden. Die Koordinatenantriebsmotoren 53, 53′ stehen mit einem Steuergerät 60 in Verbindung, das wiederum von einem Computer 200 gesteuert wird.

Den am Rißdetektorkopf 40 befestigten Stromzuführungssonden 2 wird ein Gleichstrom von einer Vielzahl von Gleichstromquellen 61 über eine Schalteinrichtung 62 zugeführt, um das elektrische Feld am Bauelement zu erzeugen. Die Potentialdifferenzen, die zwischen einer großen Anzahl an Meßsonden auftreten, werden über eine Abtasteinrichtung 63 in ein Mikrovoltmeter 64 eingegeben und gemessen. Die gemessenen Potentialdifferenzen werden anschließend über ein Interface 65 in den Computer 200 eingegeben. Der jeweilige Eingangsdatenwert wird mit der Positions- bzw. Stellungsinformation von einem Antriebseinrichtungs- Steuergerät 60 zusammengestellt und als Potentialverteilung in einem mit dem Computer 200 verbundenen Speicher 203 abgespeichert. Die Rißstelle wird vom Computer 200 aus der gespeicherten Potentialverteilung bestimmt. Die detaillierte Potentialverteilung in der Nähe des Risses wird gemessen und mit der Potentialverteilung durch Analyse des elektrischen Feldes verhältnismäßig berechnet, um die Rißform zu bestimmen.

Fig. 22 zeigt ein Flußdiagramm zur Bestimmung der Rißform. Zu allererst wird die Potentialverteilung überprüft, indem der Rißdetektorkopf 40 mit Hilfe der in Fig. 21 gezeigten Antriebseinrichtung 5 den gesamten Bereich im Inneren der Antriebseinrichtung 5 grob abtastet. Da die Auftrittsrichtung des Risses meistens von dem Material des Bauelements abhängt, wird demzufolge der Rißdetektorkopf 40 mit Hilfe von Schrittmotoren 53, 53′ so eingestellt, daß der Gleichstrom in einer Richtung fließt, die die Rißoberfläche senkrecht kreuzt. Falls ein Riß vorliegt, ergibt sich z. B. die in Fig. 2 gezeigte Potentialverteilung, so daß der Riß leicht erfaßt werden kann. Der Riß kann selbst an einer Stelle im ausreichendem Maße erfaßt werden, die vom Riß einen Abstand von 10 mm aufweist, jedoch besteht dabei die Möglichkeit, daß ein flacher Riß nicht erfaßt wird. Es ist deshalb sicherer, die Messungen an Stellen vorzunehmen, die vom Riß einen Abstand von 5 mm aufweisen, so daß ein Meßabstand von 10 mm genügt. Die ungefähre Rißstelle, d. h. der vorliegende Rißbereich, wird durch Messung der Potentialverteilung mit solch einem großen Meßabstand bestimmt.

Da, wie aus Fig. 1 ersichtlich, die Potentialverteilungen an der Vorder- und Rückseite des Risses eine Inversion bewirken, kann die Existenz des Risses durch diese Inversionsstelle bestimmt werden. Wird alternativ die Potentialverteilung quer zum Riß gemessen, so wird eine höhere Potentialdifferenz als die Bezugspotentialdifferenz bei fehlendem Riß beobachtet.

Aus einer solchen Stelle mit höherer Potentialdifferenz kann auf die Existenz eines Risses geschlossen werden. Um die Rißform exakt messen zu können, muß der Abstand der Meßposition vom Riß verringert werden. Deshalb wird die Potentialverteilung z. B. mit einem Meßabstand von 1 mm von der Meßstelle gemessen, an der die Inversion beobachtet wird, um die Rißfläche exakt bestimmen zu können. Um die Meßgenauigkeit weiter zu erhöhen, werden die Stellen, an denen die inversen Potentialverteilungen sich entsprechen, mit Hilfe eines feinen Abtastvorgangs des Rißdetektorkopfes 40 aufgefunden. Im Falle der Potentialdifferenzmessung liegt der Riß an einer Stelle, an der die Potentialdifferenz das Maximum erreicht. Anschließend wird die Potentialdifferenz parallel zur Rißoberfläche detailliert an Stellen gemessen, die um 1 mm oder 2 mm von der Vorder- und Rückseite des Risses abgesetzt sind, oder die Potentialdifferenzverteilung wird quer zum Riß detailliert gemessen. Hierbei wird für die Potentialverteilung die Bezugspotentialdifferenz an jenen Stellen bestimmt, an denen kein Riß vorliegt, und zum Zwecke der Auswertung standardisiert.

Die Rißlänge 2 c auf der Oberfläche des Bauelements wird aus der detaillierten Potentialverteilung in der Nähe des Risses bestimmt, und die wirkliche Rißform, d. h. ein Streckungsverhältnis a/c des Risses, wird aus einem maximalen Potentialdifferenzverhältnis V/Vo durch vergleichende Berechnung mittels verschiedener Bezugskurven bestimmt. Die Bezugskurven sind in dem in Fig. 21 gezeigten Potentialdifferenz-Verteilungsspeicher 202 abgespeichert. Als nächstes werden Knotenpunktdaten, die ein Streckungsverhältnis aufweisen, das nahe an dem aufgrund des Ergebnisses der oben beschriebenen Berechnung abgeschätzten Streckungsverhältnisses liegt, aus den Knotenpunktdaten verschiedener Streckungsverhältnisse ausgewählt, die in einem vermaschten Speicher 201 abgespeichert sind, und mit der Rißtiefe zusammengestellt, die aus den Bezugskurven abgeschätzt wurde, um dadurch die Knotenpunkte an den Enden des Risses zu bewegen und zu korrigieren und um die Potentialverteilung zu analysieren. Die Potentialverteilung in der Nähe des Risses wird dann aus der so analysierten Potentialverteilung bestimmt und mit dem Ergebnis der Berechnung verglichen. Eine Korrektur der Rißform für nicht übereinstimmende Abschnitte, d. h. eine Korrektur der Knotenpunke an den Enden des Risses infolge einer Nichtübereinstimmung, wird wiederholt ausgeführt und die Rißform, die für die Analyse verwendet wird, falls diese mit dem Ergebnis der Messung übereinstimmt, wird schließlich als die endgültige Rißform betrachtet.

Nachfolgend wird die in der Fig. 22 dargestellte Beurteilung der Rißform in weiteren Einzelheiten beschrieben. Ein auf einer Oberfläche eines Bauelements auftretender Riß hat im allgemeinen eine Form, die einer halbelliptischen oder halbkreisförmigen Form angenähert ist. Was die Knotenpunkte, die für die Potentialverteilung auf dem Bauelement nötig sind, angeht, so werden beispielsweise, wie aus Fig. 23 ersichtlich, halbkreisförmige Daten bereitgestellt und die Knotenpunkte entsprechend der gemessenen Potentialdifferenzverteilung bewegt, um Knotenpunktdaten mit einem willkürlichen Streckungsverhältnis zu erzeugen. Da dies jedoch in der Praxis mühsam und zeitaufwendig ist, wird beispielsweise im voraus ein Element-Einteilungsdiagramm mit einem Streckungsverhältnis a/c von 0,5 bereitgestellt und in dem Speicher 201 abgespeichert. Anschließend werden die Knotenpunktdaten, die ein Streckungsverhältnis aufweisen, das im wesentlichen dem Streckungsverhältnis entspricht, das aus dem Ergebnis der Messung der Potentialverteilung abgeschätzt wurde, herausgezogen und anschießend genau korrigiert. Ein solches Verfahren ist rationell. Die Streckungsverhältnisse a/c der in den Speicher 201 abzuspeichernden Knotenpunktdaten betragen 1,0; 0,75; 0,5; 0,2 und 0,1, und was die Rißtiefe anbelangt, so wird die Dicke des Bauelements jeweils nach 5% unterteilt, und zwar in einem Bereich von 5% bis 100% der Dicke.

Nachfolgend wird ein bestimmtes Verfahren erläutert. Die Fig. 25 zeigt eine Potentialverteilung für den Fall, daß der Abstand zwischen den Meßsonden, die den Oberflächenriß zwischen sich aufnehmen, auf einen Wert von 5 mm eingestellt ist. Die Abszisse gibt die Meßstelle x (mm) in Richtung der Oberfläche an, wobei das Zentrum des Risses der Koordinaten-Nullpunkt ist, und die Ordinate des Potentialdifferenzverhältnis V/V _o. Hierbei entspricht das Symbol Vo der Potentialdifferenz an der Stelle, an der kein Riß vorliegt. Wie aus Fig. 25 ersichtlich, ist Vo an jenen Stellen, an denen kein Riß vorliegt, im wesentlichen konstant. An der Stelle, an der der Riß vorliegt, nimmt andererseits die Potentialdifferenz in gleicher Weise wie in Fig. 2 einen großen Wert an. In der Potentialdifferenzverteilung erscheint am Ende des Oberflächenrisses in gleicher Weise wie in Fig. 2 ein besonderer Punkt, wodurch die Rißlänge 2 c auf der Oberfläche einfach bestimmt werden kann.

Als nächstes wird das Streckungsverhältnis a/c des Risses abgeschätzt. Die Stelle, an der das Potentialdifferenzverhältnis das Maximum erreicht, entspricht dem tiefsten Punkt des Risses. Hierbei wird das Potentialdifferenzverhältnis des tiefsten Punktes als V/Vo max. angenommen. Der in Fig. 21 gezeigte Speicher 202 zur Speicherung der Potentialdifferenzverteilung speichert die Tiefe des Risses bei verschiedenen in Fig. 26 gezeigten Streckungsverhältnissen, d. h. die Relation zwischen dem Potentialdifferenzverhältnis V/Vo am tiefsten Punkt und der Rißtiefe a. Hierbei wird im allgemeinen ein Riß verwendet, der durch die Dicke t des zu messenden Bauteils genormt ist. Für Vereinfachungszwecke ist es möglich, die Relation zwischen dem Potentialdifferenzverhältnis V/Vo und der Rißtiefe a durch eine Gleichung n-ter Ordnung anzunähern, wie z. B. durch die folgende Gleichung:

V/Vo = 1 + Aa + Ba² + Ca³ + Da⁴ + Ea⁵

Danach wird in Verbindung mit dem Verhältnis V/Vo max., das am tiefsten Punkt des Risses erhalten wird, die Rißtiefe durch Verwendung der Relation zwischen dem Potentialdifferenzverhältnis V/Vo, das in dem in Fig. 26 gezeigten Speicher 201 abgespeichert ist, und der Rißtiefe a bestimmt. In diesem Fall ergibt sich für die Streckungsverhältnisse a/c von 0,1; 0,2; 0,5; 0,7 und 1,0 eine Rißtiefe von a₁, a₂, a₃, a₄ bzw. a₅. Anschließend wird das Streckungsverhältnis unter Verwendung der so erhaltenen Tiefen a₁, a₂, a₃, a₄ und a₅ bestimmt, wodurch a₁/c, a₂/c, a₃/c, a₄/c bzw. a₅/c bereitgestellt wird. Anschließend wird das Verhältnis dieser Streckungsverhältnisse a₁/c bis a₅/c zum Streckungsverhältnis a/c der verwendeten Bezugskurve bestimmt und das Streckungsverhältnis der Bezugskurve, das nahe bei 1 liegt, wird als Streckungsverhältnis des Risses angenommen, da ein solches Streckungsverhältnis dem tatsächlichen Streckungsverhältnis des Risses angenähert ist. Es wird somit angenommen, daß das Streckungsverhältnis a/c den Wert 0,5 aufweist.

Als nächstes wird die Potentialverteilung berechnet. Zu allererst werden die Knotenpunktdaten des zuerst angenommenen Streckungsverhältnisses a/c = 0,5 aus dem vermaschten Speicher 201 ausgelesen und in den Computer 200 eingegeben. Der Knotenpunkt der der Rißlänge 2 c = 17 mm auf der Oberfläche am nächsten kommt, wird ausgewählt, wie aus Fig. 27 ersichtlich. Die Knoten werden in Richtung der Dicke bei jeweils 5% gesetzt und die Dicke des zu prüfenden Bauelements wird zu 20 mm angenommen. Demzufolge sind die Knoten, die der Rißlänge 2 c = 17 mm auf der Oberfläche am nächsten kommen, jene, die sich an Stellen befinden, die vom Zentrum des Risses um ±10 mm abgesetzt sind, und 5 mm tief sind. Die Knoten, die die Rißenden von 2 c = 20 mm verbinden, was durch eine voll durchgezogene Linie dargestellt ist, werden sowohl in Richtung der Oberfläche (X-Richtung) als auch in Richtung der Tiefe (Y-Richtung) bewegt, wie dies anhand der Strichlinie verdeutlicht wird, so daß die voll durchgezogene Linie mit der Strichlinie übereinstimmt.

Anschließend werden die in Fig. 27 korrigierten Knoten derart bewegt, daß diese mit der Rißtiefe a₃ des tiefsten Punktes übereinstimmen, die anhand der in Fig. 26 gezeigten Bezugskurve mit dem Streckungsverhältnis a/c = 0,5 erhalten wird. Hierbei wird die Bewegung der Knoten so ausgeführt, daß die Form des Risses halbelliptisch wird. Danach wird das elektrische Feld vom Computer 200 anhand der Knotenpunktdaten analysiert, die entsprechend der Strichlinie in Fig. 28 korrigiert wurde.

In Fig. 29 wird die Beziehung zwischen der Potentialdifferenzverteilung in der Nähe des Risses, die der tatsächlichen Meßposition entspricht, und der Potentialverteilung, die in der oben beschriebenen Art und Weise analysiert wurde, aufgezeigt. Besteht zu den gemessenen Werten, die durch eine voll durchgezogene Linie wiedergegeben sind, irgendein Unterschied, so werden die Knotenkoordinaten der Rißenden in Richtung der Dicke bewegt, und zwar proportional dem Verhältnis des gemessenen Potentialdifferenzverhältnisses zum analysierten Potentialdifferenzverhältnis. Dies ist in Fig. 30 gezeigt. In diesem Diagramm verdeutlicht die bezüglich der Oberfläche zweite voll durchgezogene Linie das Rißende bzw. den Rißrand, falls eine Analyse ausgeführt wurde, und die Strichlinie das Ende, das proportional dem Verhältnis des gemessenen Werts zum analysierten Wert korrigiert wurde.

Als nächstes wird das elektrische Feld durch den Computer 200 analyisert, in dem die in Fig. 30 anhand der Strichlinie dargestellten Knotenelementdaten wieder verwendet und mit den tatsächlich gemessenen Werten verglichen werden. Eine Korrekturbewegung der Knoten am Rißrand wird solange durchgeführt, bis diese miteinander übereinstimmen. Stimmen diese schließlich überein, so wird die zur Analyse verwendete Rißform als tatsächliche Rißform angesehen. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann die Rißform mit einer Genauigkeit von ±0,1 mm bestimmt werden. Die Potentialverteilung muß für diese Zwecke in der Nähe des Risses genau festgestellt werden, jedoch reicht es im allgemeinen aus, die Messung mehrmals auszuführen und den Mittelwert mit Hilfe eines Mikrovoltmeters mit einer Auflösung von etwa 1 µV zu bilden. In den Fig. 27 bis 30 werden die in dem vermaschten Speicher 201 abgespeicherten Knotenpunkte für die Korrektur bewegt, jedoch kann das elektrische Feld analysiert werden, indem neue, durch die Strichlinie in Fig. 27 dargestellte, Knotenpunkte addiert werden.

Die Fig. 31 und die folgenden zeigen noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 31 zeigt den Fall, bei dem die Elemente rechteckig bzw. rechtwinklig sind. Geht man davon aus, daß man die in Fig. 25 gezeigte Potentialdifferenzverteilung von dem Bauelement erhält, so werden die vom vermaschten Speicher 201 abgerufenen Knoten bewegt, wie dies in Fig. 32 gezeigt ist. Mit anderen Worten, der Knoten, der der Rißlänge 2 c = 17 mm am nächsten liegt, wird in der gleichen Weise wie in den Fig. 26 und 27 ausgewählt. In der Fig. 32 beträgt der Knotenabstand in X-Richtung 2,5 mm. Somit liegen die Knoten, die vom Rißzentrum 7,5 mm entfernt liegen, dem Riß am nächsten. Demzufolge werden die Koordinaten dieses Knoten in X-Richtung zusammen mit dem Knoten in Richtung der Tiefe bewegt, bis die Gleichung c = 8,5 mm erfüllt ist.

Werden anschließend die Verhältnisse bei den Rißtiefen a₁ bis a₅ (vergleiche Fig. 26), die durch Verwendung der Bezugskurven der Relation zwischen den Potentialdifferenzverhältnissen V/Vo für verschiedene Streckungsverhältnisse und der Rißtiefe a erhalten werden, auf die Rißlänge c = 8,5 mm bezogen, so wird die Rißtiefe - die durch Verwendung der Bezugskurve erzielt wird, die dem Streckungsverhältnis a/c der verwendeten Bezugskurve am engsten angenähert ist - auf einen Wert von beispielsweise a₃ festgelegt. Der Knoten mit x = 0 mm (auf der Y-Achse), der dem Wert a₃ am nächsten liegt, wird als tiefster Punkt des Risses angenommen. Dieser Knoten wird derart bewegt, daß dieser in Übereinstimmung mit der Rißtiefe a₃ steht. Die Rißform ist beispielsweise in einem Bereich vom Rand der Rißfläche auf der Oberfläche bis zum tiefsten Punkt halbelliptisch.

Obwohl die Knotenpunktelemente in den Fig. 27, 28, 30, 32 und 33 zweidimensional dargestellt sind, so stellen die Knotenpunktelemente jedoch dreidimensionale Elemente dar, die in der Praxis auch in einer Richtung senkrecht zur Rißoberfläche existieren. Da die Rißform eine Kurve darstellt, umfaßt die Anzahl von Knoten, die das Element bildet, Zwischenknoten wie z. B. 21 Knotenpunktelemente, so daß eine Kurve erhalten wird, die an die Rißform angenähert ist. Werden jedoch die in Fig. 32 gezeigten rechteckigen Elemente verwendet, müssen die Knoten und die Zwischenknoten übereinstimmen, und zwar im Gegensatz zu den oben beschriebenen elliptischen Elementen.

Die Potentialverteilung in der Nähe des Risses und schließlich die Potentialdifferenzverteilung können erhalten werden, indem das elektrische Feld vom Computer 200 unter Verwendung der in Fig. 32 gezeigten Knotenpunktdaten analysiert wird und man davon ausgeht, daß das Potential auf der Rißfläche Null ist. Kommt dabei ein Ergebnis heraus, wie in Fig. 29 gezeigt, so werden die Knotenkoordinaten des Rißendes bzw. des Randes, die in Fig. 33 durch eine volle durchgezogene Linie wiedergegeben sind, in Richtung der Tiefe zu einer durch eine Strichlinie dargestellten Form bewegt, und zwar entsprechend dem Verhältnis zwischen dem Potentialdifferenzverhältnis, das auf dem zu prüfenden Bauelement in der gleichen Weise wie in Fig. 30 gemessen wurde, und dem analysierten Potentialdifferenzverhältnis. Das elektrische Feld wird für die Elemente dieser neuen Rißform analysiert und wieder mit den tatsächlichen Meßwerten verglichen. Eine feine Korrektur der Knoten des Rißrandes wird wiederholt, bis der Analysewert mit dem Meßwert übereinstimmt, und die Rißform, die zum Zeitpunkt der Übereinstimmung für die Analyse verwendet wird, wird als tatsächliche Rißform angesehen. Dieses Verfahren bestimmt die Rißform mit im wesentlichen der gleichen Genauigkeit wie das Verfahren, bei dem Knotenpunktdaten für die Rißform verwendet werden, die, wie bereits beschrieben, verschiedene Streckungsverhältnisse aufweisen, und hat gegenüber den letztgenannten Verfahren den Vorteil, daß nur ein Satz von Knotenpunktdaten in dem vermaschten Speicher 201 abgespeichert werden muß, daß die Daten auf einfache Weise bereitgestellt werden können, da die Knoten regelmäßig angeordnet sind, und daß die Daten effektiv mit Hilfe des natürlichen Inkrements aufbereitet werden.

Fig. 34 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel. Es ist mühsam und zeitaufwendig, elliptische Knotenpunktdaten oder rechtwinklige Knotenpunktdaten im voraus bereitszustellen und die Knotenpunktdaten so zu ändern, daß diese mit der Rißform übereinstimmen. Das folgende Verfahren stellt ein einfaches Verfahren dar, das die Rißform im wesentlichen ohne Änderung der Knotenpunktdaten bestimmt. Zuallererst wird der Bereich um den Riß des Bauelements speziell in feine Elemente unterteilt, wie dies aus Fig. 34 ersichtlich ist. In der Zeichnung wird ein Element verwendet, bei dem jede Seite 1 mm lang ist. Wird z. B. das in Fig. 25 gezeigte Meßergebnis erhalten, so beträgt die Rißlänge auf der Oberfläche 2 c = 17 mm. Als nächstes wird davon ausgegangen, daß der Riß symmetrisch und c = 8 mm ist. Falls der Wert a₃ mit Hilfe des in Fig. 26 gezeigten Verfahrens erhalten wird, wird das elektrische Feld berechnet, indem man jene Elemente als Rißfläche betrachtet, die sich im inneren der einen halbelliptischen Riß darstellenden Halbellipse befinden, wobei deren kleine Achse a₃ ist und der Tiefe des tiefsten Punktes entspricht und dessen große Achse c ist und der Rißoberflächenlänge entspricht. Mit anderen Worten, die Potentialverteilung wird berechnet, indem, wie aus Fig. 29 ersichtlich, die Elemente mit einer links verlaufenden Schraffierung als Rißfläche betrachtet werden, d. h., indem man das Potential als Null betrachtet. Liegt, wie z. B. aus Fig. 29 ersichtlich, irgendeine Differenz vor, so werden ferner die schwarzen Elemente zur Rißfläche hinzugefügt, um das elektrische Feld zu analysieren. Anschließend wird die Potentialdifferenzverteilung mit den Meßwerten verglichen und die Elemente, die gut übereinstimmen, werden als Rißform angesehen. Die endgültige, in den Fig. 30 und 33 gezeigte Rißform ist durch eine Strichlinie in Fig. 34 dargestellt.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen der Form eines Risses, bei dem mittels Stromzuführungs-Sondenpaaren ein Gleichstrom an die Oberfläche eines Bauelementes angelegt, die Potentialverteilung an der Oberfläche abgetastet und aus der Potentialverteilung mittels der finite-Element-Methode durch Vergleich mit vorher ermittelten Bezugs-Potentialverteilungen die Form des Risses bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente für die finite-Element-Methode Halbellipsen mit verschiedenen Streckungsverhältnissen sind und für verschiedene Rißtiefen berechnete Potentialverteilungen als Bezugs-Potentialverteilungen in einem Speicher abgespeichert sind; daß zur Bestimmung des tatsächlichen Streckungsverhältnisses die gemessene Potentialverteilung mit den Bezugs-Potentialverteilungen verglichen und daraus eine erste theoretische Rißform abgeleitet wird; und daß durch Ändern der Form des Elements Korrekturen an der ersten theoretischen Rißform angebracht werden, wobei die entstehende theoretische Potentialverteilung rechnerisch bestimmt und mit der gemessenen Potentialverteilung verglichen wird, und daß dieser Vorgang wiederholt wird, bis die theoretische und die gemessene Potentialverteilung übereinstimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Speicher abgespeicherten Streckungsverhältnisse die Werte 1,0; 0,75; 0,5; 0,2 und 0,1 aufweisen und daß die abgespeicherten Rißtiefen 5% bis 100% der Dicke des Bauelementes in Schritten 5% von betragen.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Anzahl von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2), die mit Gleichstrom-Konstantstromquellen (3) in Verbindung stehen und an ein zu prüfendes Bauelemente (1) einen konstanten Gleichstrom anlegen,
mit einer Anzahl von Potentialmeßsonden (4), die zwischen den Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) angeordnet sind und die Potentialverteilung auf der Oberfläche des Bauelementes (1) messen,
gekennzeichnet durch
einen Rißdetektorkopf (40), an dem wenigstens eines der Stromzuführungs-Sondenpaare (2) und eine der Potentialmeßsonden (4) angeordnet sind,
durch ein Halteelement (51, 52, 55, 55′), das den Rißdetektorkopf (40) an einer bestimmten Stelle hält,
durch eine Antriebseinrichtung (5) für den Rißdetektorkopf (40) zum Abtasten der Oberfläche des Bauelementes (1) entlang von X- und Y-Achsen und zum Drehen des Rißdetektorkopfes (40) um die Z-Achse,
durch einen Mikrocomputer (9, 16) zum Vergleichen der Potentialdifferenz zwischen den Potentialmeßsonden (4) mit Bezugskurven von Potentialverteilungen für verschiedene Rißformen, die im voraus bestimmt wurden,
durch eine Positioniereinrichtung (57) zum Positionieren des Rißdetektorkopfes (40), und
durch ein System (58) zur Steuerung der Messung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rißdetektorkopf (40) eine Vielzahl von Potentialmeßsonden (4) zwischen einem Satz von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) angebracht ist (Fig. 8).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) parallel zueinander an dem Rißdetektorkopf (40) angebracht sind und daß die Potentialmeßsonden (4) reihenweise zwischen den Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) an Stellen angeordnet sind, die vordere und hintere Stromzuführungssonden von benachbarten Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) verbinden (Fig. 9).

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) parallel zueinander auf dem Rißdetektorkopf (40) angebracht sind und daß die Potentialmeßsonden (4) reihenweise an Stellen angeordnet sind, die zwischen vorderen und hinteren Stromzuführungssonden von benachbarten Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) liegen (Fig. 10).

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) parallel zueinander an dem Rißdetektorkopf (40) angebracht sind und daß eine erste Potentialmeßsonde (4) vorgesehen ist, die sich parallel zu den Stromzuführungssonden zwischen einer zwischen den Stromzuführungssonden festgelegten zweiten Potentialmeßsonde und den Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) bewegen kann (Fig. 11).

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) parallel zueinander an dem Rißdetektorkopf (40) angebracht sind, daß erste Potentialmeßsonden (4) zwischen den Stromzuführungs- Sondenpaaren (2) reihenweise angeordnet sind, und daß ein Paar zweiter Potentialmeßsonden (24) derart angebracht ist, daß dieses die ersten Potentialmeßsonden (4) zwischen sich aufnimmt (Fig. 12).

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sätze von Stromzuführungs-Sondenpaaren (2) parallel zueinander an dem Rißdetektorkopf (40) angebracht sind und daß mehrere Sätze von Potential-Meßsondenpaaren (25) zwischen den Stromzuführungs-Sondenpaaren angeordnet sind (Fig. 13).

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rißdetektorkopf (40) erste Potentialmeßsonden (102) befestigt sind, daß mehrere Sätze von Stromzuführungs- Sondenpaaren (100) an den Abstützelementen (55, 55′) zu beiden Seiten der ersten Potentialmeßsonden (102) angebracht sind, und daß zweite Potentialmeßsonden (101) reihenweise an einem der Abstützelemente (55′) befestigt sind, wobei diese zwischen den ersten Potentialmeßsonden (102) am Rißdetektorkopf (40) und den an einem (55′) der Abstützelemente befestigten Stromzuführungssonden angeordnet sind (Fig. 19).