DE4327712C2 - Sensoranordnung und Verfahren zum Erfassen von Eigenschaften der Oberflächenschicht eines metallischen Targets - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zum Erfassen von Eigen­ schaften der Oberflächenschicht eines metallischen Targets, wobei die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Grundmaterials des Targets bekannt sind, mit einer Kom­ bination von mindestens einem Wirbelstromsensor und mindestens einem Wegmeß­ sensor. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erfassen von Eigenschaften der Oberflächenschicht eines metallischen Targets, wobei die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Grundmaterials des Targets bekannt sind, mit einer Kombination von mindestens einem Wirbelstromsensor und mindestens einem Wegmeßsensor.

Unter dem Erfassen von Eigenschaften der Oberflächenschicht eines metallischen Targets sind bspw. die Überprüfung der Homogenität der Oberflächenschicht des Targets oder auch das Erkennen von Schäden in der Struktur der Targetoberfläche zu verstehen. Besondere Bedeutung kommt der Anwendung der vorliegenden Erfin­ dung zur Messung von Beschichtungsdicken zu. In diesem Falle besteht das Target aus einem metallischen Grundmaterial und einer Beschichtung, die der Oberflächen­ schicht entspricht und vorzugsweise aus einem anderen metallischen Material als dem Grundmaterial gebildet ist. Das Grundmaterial dient also als Träger für die Be­ schichtung bzw. Oberflächenschicht. In der Praxis ist es oftmals erforderlich, die Dicke einer solchen Beschichtung festzustellen. Dies erweist sich jedoch als proble­ matisch, wenn die Beschichtung dabei nicht zerstört werden soll.

Es sind zwar bereits Verfahren zur Dickenmessung für Folien, Bändern oder dgl. aus nichtleitenden Materialien bekannt, welche sich aber weder bezüglich der verwende­ ten Sensoren noch bezüglich des Verfahrens bzw. des dem Verfahren zugrundeliegenden Meßprinzips ohne weiteres auf die Messung der Schichtdicke ei­ ner metallischen Oberflächenschicht auf einem metallischen Grundmaterial übertra­ gen lassen. Das für eine bestimmte Meßanwendung verwendete Meßverfahren und insbesondere die im Rahmen dieses Verfahrens eingesetzten Sensortypen werden nämlich in erster Linie in Abhängigkeit davon gewählt, ob die Schicht, deren Dicke bestimmt werden soll, aus einem leitenden oder einem nichtleitenden Material be­ steht.

Aus der gattungsbildenden DD 2 57 371 A3 ist ein Wirbelstrom-Prüfgerät, nämlich ein sog. Wirbelstrom-Defektoskop, bekannt, mit dem zerstörungsfreie Werkstoffprüfun­ gen elektrisch leitfähiger Werkstoffe durchgeführt werden können. Das bekannte Wirbelstrom-Prüfgerät eignet sich insbesondere für Prüfungen von Werkstoffen, die von dielektrischen Schichten, z. B. Lacken oder ähnlichem, bedeckt sind. Das be­ kannte Wirbelstrom-Prüfgerät umfaßt einen Hochfrequenzgenerator, zwei Wirbel­ stromsonden als Bestandteile zweier Schwingkreise und neben weiteren Kompo­ nenten auch eine Wegmeßeinheit mit zugehörigem Wegaufnehmer und gepufferter Anzeige. Ziel der DD 2 57 371 A3 ist es, den Störeinfluß von Abstandsschwankungen zwischen Wirbelstromsonde und Werkstoffoberfläche zu beseitigen und auf diese Weise die Zuverlässigkeit der Prüfungsergebnisse zu verbessern.

Dazu wird eine Art "Kalibrierverfahren" zum Ermitteln einer optimalen Meßfrequenz vorgeschlagen, bei der Messungen in einem möglichst großen Abstandsbereich zwi­ schen Wirbelstromsonde und Werkstückoberfläche ohne Einfluß auf die Meßergeb­ nisse durchgeführt werden können. Unter Bezugnahme auf Seite 2, Zeilen 31 bis 57 der DD 2 57 371 A3 wird dort der einem Tor sowie einer Wirbelstromsonde nachge­ schaltete Wegaufnehmer und eine Wegmeßeinheit während des eigentlichen Prüf­ vorganges nicht mehr aktiviert. Der Wegmeßaufnehmer sowie die Wegmeßeinheit dienen im Rahmen des bekannten Wirbelstrom-Prüfgeräts lediglich zur Bestimmung des maximalen Abstandsbereichs für eine abstandunempfindliche Prüfung. Der Wegmeßaufnehmer und die Wegmeßeinheit werden daher nur im Rahmen des "Kalibrierverfahrens" des bekannten Wirbelstrom-Prüfgeräts aktiviert.

Das bekannte Wirbelstrom-Prüfgerät bzw. die bekannte Sensoranordnung ist in der Praxis problematisch, da zwar ein maximaler Abstandsbereich zwischen Wirbel­ stromsonde und zu prüfender Werkstückoberfläche bestimmt wird, innerhalb dessen abstandsunabhängige Meßergebnisse erzielbar sind. Diese bekannte Sensoranord­ nung liefert allerdings nur zuverlässige Meßergebnisse, wenn die Wirbelstromsonde innerhalb dieses Abstandsbereichs über die Werkstückoberfläche geführt wird. Die Messungen mit der bekannten Sensoranordnung sind also keinesfalls abstand­ sunabhängig, sondern ermöglichen lediglich eine Abstandsvariation in gewissen vorab in einem "Kalibrierverfahren" bestimmten Grenzen.

Aus der DE 32 17 519 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wirbelstromfeldern bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung mittels der Wir­ belstromtechnik bekannt. Diese Druckschrift beschäftigt sich lediglich mit der Erzeu­ gung von Wirbelstromfeldern, und zwar insbesondere mit Wirbelstromfeldern, die bei energetisch günstiger Anregung eine Vergrößerung der Eindringtiefe und eine weit­ gehende Eliminierung der Störfelder bei gleichzeitigem Ausgleich der Übertragungs­ funktionen von Prüfspule und Prüfling ermöglichen. Die bekannte Vorrichtung und das entsprechende Verfahren sollen eine verbesserte Signalinterpretation und Aus­ wertung sowie eine unkomplizierte Automatisierung der Werkstoffprüfung ermögli­ chen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Erfassen von Eigenschaften der Oberflächenschicht eines metallischen Targets anzugeben, womit eine zerstörungsfreie und bezüglich der Ex­ aktheit der Sensorpositionierung möglichst unkritische Messung durchgeführt werden kann. Zusätzlich soll aber keine den Abstand Sensoranordnung/Targetoberfläche be­ rücksichtigende Kalibrierung der Sensoranordnung erforderlich sein.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei der die voranstehende Aufgabe gelöst ist, ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 beschrieben. Diese Sensoran­ ordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Permeabilität und der Leitfähigkeit des Grundmaterials die Frequenz der Wirbelströme derart gewählt wird, daß die Eindringtiefe der vom Wirbelstromsensor erzeugten Wirbelströme min­ destens dem Doppelten der Dicke der Oberflächenschicht entspricht, daß der Weg­ meßsensor zur Bestimmung des Abstandes der Sensoranordnung zur Targetoberflä­ che bei jeder Meßwerterfassung dient und daß eine Auswerteeinheit für die Meßsi­ gnale des Wirbelstromsensors und des Wegmeßsensors vorgesehen ist, mit der Abweichungen der tatsächlich gemessenen Eindringtiefe von der zu erwartenden, in Abhängigkeit von der Frequenz der Wirbelströme und der Leitfähigkeit und Permeabilität des Grundmaterials unter Berücksichtigung einer aus dem gemessenen Abstandswert ermittelten Linearitätskorrektur berechneten Eindringtiefe erfaßbar und auswertbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die voranstehende Aufgabe gelöst ist, ist durch die Merkmale des Patentanspruches 9 beschrieben.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Eindringtiefe von Wirbelströmen in Metalloberflächen in einem definierten funktionalen Zusammenhang zur Frequenz der Wirbelströme und der Leitfähigkeit und Permeabilität des Grundmaterials stehen. Sind also die Frequenz der von einem Wirbelstromsensor erzeugten Wirbelströme und die Leitfähigkeit sowie die Permeabilität eines Targets bekannt, so kann die Ein­ dringtiefe der von dem Wirbelstromsensor erzeugten Wirbelströme berechnet wer­ den. Abweichungen einer tatsächlich gemessenen Eindringtiefe von der zu erwarten­ den, vorab berechneten Eindringtiefe lassen Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Oberflächenschicht des Targets zu, die von den Wirbelströmen durchdrungen wird.

Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, daß zur Umsetzung des vorab beschrie­ benen Prinzips in ein praktikables Meßverfahren Maßnahmen notwendig sind, um die jeweils von Messung zu Messung in zufälliger Weise variierenden Meßbedingungen, wie z. B. unterschiedliche Sensorpositionierungen, zu erfassen, so daß sie bei der Meßwertauswertung berücksichtigt werden können. Erfindungsgemäß wird dazu ein Kombinationssensor vorgeschlagen, d. h. eine Sensoranordnung, die mindestens einen Wirbelstromsensor und mindestens einen Wegmeßsensor umfaßt. Mit Hilfe des Wegmeßsensors wird der Abstand der Sensoranordnung und insbesondere des Wirbelstromsensors zur Targetoberfläche für jede Messung, also während der Meß­ werterfassung, bestimmt.

Auf diese Weise kann der jeweilige Abstand der Sensoranordnung zur Targetoberflä­ che bei der Auswertung der Meßergebnisse berücksichtigt werden.

Da sowohl die Frequenz der Wirbelströme als auch die Materialdaten in der Regel sehr genau bekannt sind und der Abstand der Sensoranordnung zur Targetoberflä­ che immer, für jede Messung aktuell bestimmt wird, entfällt die Notwendigkeit der Ka­ librierung der Sensoranordnung.

Erfindungsgemäß ist schließlich erkannt worden, daß eine besonders hohe Zuverläs­ sigkeit der Messung dann erzielt werden kann, wenn die zu erwartende Eindringtiefe der vom Wirbelstromsensor erzeugten Wirbelströme mindestens dem doppelten der Dicke der Oberflächenschicht entspricht.

Es gibt nun verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für die beiden Sensortypen der Sensoranordnung. Bei der Wahl eines Wirbelstromsensors sind solche Sensoren zu bevorzugen, mit denen sich hochfrequente Wirbelströme erzeugen lassen, da der voranstehend angegebene funktionale Zusammenhang zwischen der Eindringtiefe bzw. der Skintiefe und der Frequenz der Wirbelströme in erster Linie für hochfre­ quente Wirbelströme gegeben ist. Zwar ist auch ein funktionaler Zusammenhang zwischen der Skintiefe und der Frequenz der Wirbelströme bei niedrigeren Fre­ quenzen anzunehmen, dieser ist aber der Auswertung weniger einfach zugänglich.

Als Wegmeßsensor kommen kapazitiv oder auch optisch arbeitende Sensoren in Betracht. Unabhängig vom Sensortyp sind bei der Auswahl konkreter Sensoren sol­ che mit einer robusten Bauweise bzw. Kapselung zu bevorzugen, da die erfindungs­ gemäße Sensoranordnung in der Regel bewegt wird und auch für den Kontakt mit dem Target geeignet sein muß.

Auch im Hinblick auf die möglichen Anordnungen des Wirbelstromsensors bezüglich eines oder mehrerer Wegmeßsensoren sind verschiedene vorteilhafte Realisie­ rungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Sensoranordnung denkbar. Die Anord­ nung des Wirbelstromsensors und eines Wegmeßsensors in einer Achse erweist sich als besonders vorteilhaft, da bei dieser Anordnung eine durch das Verkippen der Sensoranordnung bedingte Meßsignalverfälschung praktisch ausgeschlossen ist. Konkret könnte der kapazitiv oder optisch arbeitende Wegmeßsensor im Inneren der Spule des Wirbelstromsensors und parallel zur Spulenachse angeordnet sein. Aber auch wenn die Sensoren der Sensoranordnung nicht in einer Achse, sondern neben­ einander angeordnet sind, kann ein auf ein Verkippen der Sensoranordnung zurückzuführender Meßfehler wirkungsvoll dadurch vermieden werden, daß mehrere Wegmeßsensoren im wesentlichen gleichmäßig am Umfang des Wirbelstromsensors verteilt angeordnet sind. Eine Verkippung kann auf diese Weise nicht nur erfaßt, son­ dern auch bei der Auswertung der Meßwertsignale berücksichtigt werden.

Im Falle einer von der Sensoranordnung räumlich getrennten Auswerteeinheit sollte die Sensoreinheit so klein wie möglich, d. h. ohne zusätzliche, den Aufbau der Sensoranordnung erweiternde Einheiten, ausgeführt sein, da die Sensoranordnung zur Durchführung einer Messung entweder direkt auf die Targetoberfläche gehalten oder gedrückt wird oder auch in einem Abstand zur Targetoberfläche geführt wird, wobei immer zu bedenken ist, daß die tatsächliche Eindringtiefe der vom Wirbel­ stromsensor der Sensoranordnung erzeugten Wirbelströme mindestens dem dop­ pelten der Dicke der zu untersuchenden Oberflächenschicht entsprechen sollte.

Wie bereits eingangs angedeutet können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung unterschiedliche Eigen­ schaften der zu untersuchenden Oberflächenschicht erfaßt werden. Das Target kann z. B. aus einem einzigen metallischen Material mit bekannter Leitfähigkeit und Per­ meabilität bestehen. Das bedeutet, daß das Material der Oberflächenschicht mit dem Grundmaterial des Targets identisch ist. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich nun Inhomogenitäten in der Oberflächenschicht, d. h. bis zu einer be­ stimmten Tiefe von der Targetoberfläche ausgehend, feststellen. Auch Schäden in der Struktur der Targetoberfläche können erkannt werden.

Bei dem Target kann es sich aber auch um ein beschichtetes Objekt handeln. Bei­ spielhaft sei hier eine mit Chrom beschichtete Messingwalze genannt. Das Target besteht also aus der Messingwalze, die das Grundmaterial bildet und der Chrombe­ schichtung, die hier als Oberflächenschicht bezeichnet wird. Sowohl die Leitfähigkeit und Permeabilität des Grundmaterials als auch die Leitfähigkeit und Permeabilität des Oberflächenmaterials werden als bekannt vorausgesetzt. Dann läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dicke der Beschichtung bzw. der Oberflä­ chenschicht aufgrund einer funktionalen Beziehung zwischen der Frequenz der vom Wirbelstromsensor erzeugten Wirbelströme und der Leitfähigkeiten und Permeabili­ täten des Grundmaterials und des Materials der Oberflächenschicht numerisch be­ rechnen. Dieses Verfahren zur Bestimmung der Dicke der Oberflächenschicht mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist besonders vorteilhaft, da die Messung zerstörungsfrei erfolgt. Die Messung ist außerdem im wesentlichen ab­ standsunabhängig, so daß nur sehr geringe Anforderungen an die Positionierung der Sensoranordnung gestellt werden müssen. Da die Materialdaten in der Regel sehr genau bekannt sind, entfällt auch die Notwendigkeit einer Kalibrierung der Sensoran­ ordnung. Schließlich sei noch erwähnt, daß das erfindungsgemäße Verfahren sowohl auf ferromagnetische Grundmaterialien mit einer nichtferromagnetischen oder ferro­ magnetischen Oberflächenschicht, als auch auf nichtferromagnetische Grundmate­ rialien mit einer nichtferromagnetischen oder ferromagnetischen Oberflächenschicht anwendbar ist.

Im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung wird näher auf den funktionalen Zu­ sammenhang zwischen der Dicke der Oberflächenschicht a, der Frequenz der Wir­ belströme f und der Leitfähigkeiten ϕ und Permeabilitäten µ des Grundmaterials und des Materials der Oberflächenschicht eingegangen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, den Gegenstand der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Zeichnung soll außerdem noch­ mals das der Erfindung zugrundeliegende Modell erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Sensoreinrichtung,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,

Fig. 3 die ideelle Stromverteilung in einem metallischen Target aus einheitlichem Material und

Fig. 4 die ideelle Stromverteilung in einem Target, wobei sich das Material der Oberflächenschicht von dem der Grundschicht des Targets unterscheidet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils eine Sensoranordnung 1, die in einem Abstand zur Oberfläche 4 eines Targets 2 geführt ist. In den beiden dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen umfaßt das Target 2 jeweils ein Grundmaterial 8 sowie eine Oberflächenschicht 3. Das Grundmaterial 8 bildet praktisch einen Träger, der durch die Oberflächenschicht 3 beschichtet ist. Wie bereits erwähnt, besteht das Target 2 aus einem oder mehreren sich unterscheidenden metallischen Materialien. In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen unterscheidet sich das Grundmaterial 8 von dem Material der Oberflächenschicht 3. Als Beispiel für eine solche Materialkombina­ tion sei hier Messing als Grundmaterial und Chrom als Material der Oberflächen­ schicht genannt. Unter bestimmten Bedingungen, auf die nachfolgend noch einge­ gangen wird, sind aber auch andere Materialkombinationen möglich.

Erfindungsgemäß umfassen beide in den Fig. 1 und 2 dargestellten Sensoran­ ordnungen 1 eine Kombination von einem Wirbelstromsensor 5 mit einem Wegmeß­ sensor 6. Die ideelle Eindringtiefe der vom Wirbelstromsensor 5 erzeugten Wirbel­ ströme soll mindestens dem doppelten der Dicke der Oberflächenschicht 3 des Tar­ gets 2 entsprechen. Der Wegmeßsensor 6 bzw. 7 dient zur Bestimmung des Abstan­ des der gesamten Sensoranordnung 1 zur Targetoberfläche 4. Tatsächlich mißt der Wegmeßsensor 6 bzw. 7 seinen eigenen Abstand zur Targetoberfläche 4. Da aber davon auszugehen ist, daß die Sensoranordnung starr ist, da der Wirbelstromsensor 5 und der Wegmeßsensor 6 bzw. 7 in einem gemeinsamen starren Gehäuse ange­ ordnet sind, läßt sich aus dem Abstand des Wegmeßsensors 6 bzw. 7 zur Targe­ toberfläche 4 sowohl der Abstand der gesamten Sensoranordnung 1 zur Target­ oberfläche 4 als auch der Abstand des Wirbelstromsensors 5 zur Targetoberfläche 4 bestimmen.

Mit dem Wirbelstromsensor 5 sind hochfrequente Wirbelströme erzeugbar, was in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 näher erläutert wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wegmeßsensor handelt es sich um einen kapazitiv arbeitenden Wegmeßsensor im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Wegmeß­ sensor 7, der nach einem optischen Meßprinzip arbeitet.

In beiden Fällen sind der Wirbelstromsensor 5 und der Wegmeßsensor 6 bzw. 7 in einer Achse angeordnet, indem der Wegmeßsensor 6 bzw. 7 im Inneren der Spule des Wirbelstromsensors 5 und parallel zur Spulenachse angeordnet sind.

Die Auswertung der Meßsignale des Wirbelstromsensors 5 und des Wegmeßsensors 6 bzw. 7 wird erheblich dadurch vereinfacht, daß die aus Wirbelstromsensor 5 und Wegmeßsensor 6 bzw. 7 gebildete Sensorkombination auf das Grundmaterial 8 des Targets linearisiert bzw. nullpunktabgeglichen ist. In diesem Falle lassen sich nämlich Abweichungen von einem ideellen erwarteten Meßwert besonders einfach feststellen und auswerten.

Nachdem nun zwei vorteilhafte Realisierungmöglichkeiten von Sensoranordnungen beschrieben und erläutert wurden, soll im folgenden anhand der Fig. 3 und 4 das dem vorgeschlagenen Verfahren zur Messung von Beschichtungsdicken zugrunde­ liegende Meßprinzip näher erläutert werden.

Voraussetzung für diese Schichtdickenmessung von elektrisch leitfähigen Metallen ist, daß die kombinierten Metalle unterschiedliche Leitfähigkeiten besitzen bzw. sich in ihrer relativen Permeabilitätszahl unterscheiden. Ferner muß die Beschich­ tungsdicke dünner als die doppelte bis dreifache Eindringtiefe des Wirbelstromsen­ sors sein. Mit diesem Verfahren ist z. B. eine Dicke von 0,3 mm Chrom auf Aluminium oder einem anderen ferro- oder nichtferromagnetischen Metall ausreichend genau meßbar, d. h. bis zu einer Genauigkeit von 1 m. Dazu wird ein auf das Grundmaterial (dicken-) linearisiertes Sensorpaar auf die Beschichtung gehalten bzw. gedrückt, wo­ bei Abstandsschwankungen bis zu 0,5 mm keine oder nur eine geringe Rolle spielen. Dabei ergibt sich im Vergleich zur Messung auf das Grundmaterial eine Meßwertver­ schiebung, die auch als Nullpunktversatz bezeichnet werden kann. Diese Meßwert­ verschiebung steht nun in einem mathematischen Zusammenhang zum Leitfähig­ keitsverhältnis der kombinierten Materialien und zur Dicke der Beschichtung.

Wie bereits eingangs erwähnt besteht folgender Zusammenhang zwischen der Ein­ dringtiefe bzw. Skintiefe von hochfrequenten Wirbelströmen in Metalloberflächen und der Frequenz f dieser Wirbelströme, der Leitfähigkeit ϕ und der Permeabilität µ:

Daraus ergibt sich eine Stromverteilung an der Oberfläche, wie sie in Fig. 3 darge­ stellt ist. Der Wirbelstromsensor mißt also in Wirklichkeit nicht gegen die Oberfläche des Metalls, sondern gegen einen Punkt der je nach Skintiefe mehr oder weniger tief im Metall liegt und mit x_s bezeichnet ist.

In einer Modellrechnung kann dieser Punkt z. B. als Schwerpunkt x_s der Stromvertei­ lungsfunktion angenommen werden (dabei werden Reflexionsdämpfung- und Nah­ feldbetrachtungen vernachlässigt).

Bei einem geschichteten Aufbau des Targets ergibt sich ein entsprechendes Modell. Die Stromverteilung dieses Modells ist in Fig. 4 dargestellt. Die Schwerpunktskoordi­ nate x_s ist hier auch eine Funktion der Schichtdicke a und der beiden Skintiefen α und β. Die Schichtdicke a läßt sich nun aus diesem funktionalen Zu­ sammenhang numerisch berechnen. Bevor auf diese Berechnung näher eingegangen wird, sei noch darauf hingewiesen, daß das experimentell ermittelte Verhalten dem aufgeführten Modell sehr nahekommt. Kleinere Abweichungen sind durch die Abstimmung des Sensors an der Flanke der Resonanzkurve und die im Modell vorausgesetzten Vereinfachungen zu erklären. Bemerkenswert ist die geringe Veränderung der Linearitätskennlinie bei Messung gegen nichtferromagnetische Metalle stark verschiedener Leitfähigkeit bei einer deutlichen Nullpunkt- (Schwerpunkt)-Verschiebung von ca. 160 µm.

Mit Hilfe des zweiten Sensors, des Wegmeßsensors, der gegen die Oberfläche des Targets bspw. kapazitiv oder optisch mißt und der vorteilhafterweise in derselben Achse wie der Wirbelstromsensor angeordnet ist, kann durch Differenzbildung der beiden gemessenen Wege die Leitfähigkeit des Metalls oder die Dicke der Be­ schichtung errechnet werden. Je nach Abstimmung des Wirbelstromsensors ergeben sich damit folgende realisierbare Meßmethoden:

1. Schichtdickenmessung

2. Leitfähigkeitsmessung von Metallen (Homogenität)

3. Erkennung von Schäden in der Struktur der Metalloberfläche bis zu einer Tiefe, die kleiner ist als die doppelte Skintiefe.

Schließlich sei noch auf die Auswertung der Sensorsignale eingegangen: Gemessen wird zum einen die Eindringtiefe d der vom Wirbelstromsensor erzeugten Wirbel­ ströme und zum anderen der Abstand d_ref. Schließlich geht noch eine Linearitätskor­ rektur K(d,d_ref) nach der deutschen Patentanmeldung DE 40 11 717 A1 ein. Die Nullpunktverschiebung berechnet sich also wie folgt:

n=d-d_ref+c+K(d,d_ref).

Aus der Nullpunktverschiebung kann nun unter Berücksichtigung der Sensor- und Elektronikkenndaten eine Schwerpunktverschiebung x_s nach dem oben genannten Modell berechnet werden.

x_s = c₁n + c₂

Zu beachten ist, daß c₁ und c₂ schaltungsabhängige Konstanten sind. x_s ergibt sich also aus diesen schaltungsabhängigen Konstanten c₁ und c₂ und dem Meßwert n. Außerdem gilt aber, daß x_s eine Funktion der Skintiefen α und β der Beschichtung und des Trägermetalls sowie der Schichtdicke a ist.

Die voranstehende Formel kann nunmehr nach a numerisch aufgelöst werden.

Claims (15)

1. Sensoranordnung zum Erfassen von Eigenschaften der Oberflächenschicht (3) eines metallischen Targets (2), wobei die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Grundmaterials (8) des Targets (2) bekannt sind, mit einer Kombination von minde­ stens einem Wirbelstromsensor (5) und mindestens einem Wegmeßsensor (6), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Permeabilität und der Leitfähigkeit des Grundmaterials (8) die Frequenz der Wirbelströme derart gewählt wird, daß die Eindringtiefe der vom Wirbelstromsensor (5) erzeugten Wirbel­ ströme mindestens dem Doppelten der Dicke der Oberflächenschicht (3) entspricht, daß der Wegmeßsensor (6) zur Bestimmung des Abstandes der Sensoranordnung (1) zur Targetoberfläche (4) bei jeder Meßwerterfassung dient und daß eine Aus­ werteeinheit für die Meßsignale des Wirbelstromsensors (5) und des Wegmeßsen­ sors (6, 7) vorgesehen ist, mit der Abweichungen der tatsächlich gemessenen Ein­ dringtiefe von der zu erwartenden, in Abhängigkeit von der Frequenz der Wirbel­ ströme und der Leitfähigkeit und Permeabilität des Grundmaterials (8) unter Berück­ sichtigung einer aus dem gemessenen Abstandswert ermittelten Linearitätskorrektur berechneten Eindringtiefe erfaßbar und auswertbar sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Wir­ belstromsensor (5) hochfrequente Wirbelströme erzeugbar sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegmeßsensor (6) kapazitiv arbeitet.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegmeßsensor (7) nach einem optischen Meßprinzip arbeitet.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelstromsensor (5) und der Wegmeßsensor (6, 7) in einer Achse ange­ ordnet sind.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelstromsensor und der Wegmeßsensor nebeneinander angeordnet sind.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wegmeßsensoren im wesentlichen gleichmäßig am Umfang des Wirbelstromsensors verteilt angeordnet sind.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf das Grundmaterial (8) des Targets linearisiert bzw. nullpunktsabgeglichen ist.

9. Verfahren zum Erfassen von Eigenschaften der Oberflächenschicht (3) eines metallischen Targets (2), wobei die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Grund­ materials (8) des Targets (2) bekannt sind, mit einer Kombination von mindestens ei­ nem Wirbelstromsensor (5) und mindestens einem Wegmeßsensor (6), dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Permeabilität und der Leitfähigkeit des Grundmaterials (8) die Frequenz der Wirbelströme derart gewählt wird, daß die Eindringtiefe der vom Wirbelstromsensor (5) erzeugten Wirbel­ ströme mindestens dem Doppelten der Dicke der Oberflächenschicht (3) entspricht, daß der Wegmeßsensor (6) zur Bestimmung des Abstandes der Sensoranordnung (1) zur Targetoberfläche (4) bei jeder Meßwerterfassung dient und daß eine Aus­ werteeinheit für die Meßsignale des Wirbelstromsensors (5) und des Wegmeßsen­ sors (6, 7) vorgesehen ist, mit der Abweichungen der tatsächlich gemessenen Ein­ dringtiefe von der zu erwartenden, in Abhängigkeit von der Frequenz der Wirbel­ ströme und der Leitfähigkeit und Permeabilität des Grundmaterials (8) unter Berück­ sichtigung einer aus dem gemessenen Abstandswert ermittelten Linearitätskorrektur berechneten Eindringtiefe erfaßbar und auswertbar sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Überprüfung der Homogenität der Oberflächenschicht (3) des Targets (2) verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Erkennung von Schäden in der Struktur der Targetoberfläche (4) verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Messung der Dicke der Oberflächenschicht (3) des Targets (2) verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Oberflächenschicht (3) aus einem anderen Material als dem Grundmaterial (8) des Targets (2) gebildet ist und die Leitfähigkeit und Permeabilität des Materials der Oberflächenschicht (3) be­ kannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertung der Meßsignale des Wir­ belstromsensors (5) und des Wegmeßsensors (6, 7) neben der Frequenz der Wirbel­ ströme, der Leitfähigkeit und der Permeabilität des Grundmaterials (8) des Targets (2) auch die Leitfähigkeit und die Permeabilität des Materials der Oberflächenschicht (3) zugrunde gelegt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (1) auf die Targetoberfläche (4) gehalten oder gedrückt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung berührungslos erfolgt, indem die Sensoranordnung (1) in einem Abstand zur Targetoberfläche (4) geführt wird.