EP2027430A1 - Verfahren zum bestimmen der schichtdicke einer elektrisch leitfähigen beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen substrat - Google Patents

Verfahren zum bestimmen der schichtdicke einer elektrisch leitfähigen beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen substrat

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Publication number
EP2027430A1
EP2027430A1 EP07729503A EP07729503A EP2027430A1 EP 2027430 A1 EP2027430 A1 EP 2027430A1 EP 07729503 A EP07729503 A EP 07729503A EP 07729503 A EP07729503 A EP 07729503A EP 2027430 A1 EP2027430 A1 EP 2027430A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current sensor
eddy current
voltage
induced voltage
air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07729503A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gabriel Daalmans
Sergej Scheiermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2027430A1 publication Critical patent/EP2027430A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • G01B7/10—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance
    • G01B7/105—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance for measuring thickness of coating

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the layer thickness of an electrically conductive coating which is applied to an electrically conductive substrate of a test object.
  • Non -destructive methods are required for numerous material tests .
  • the surfaces of metal parts are often exposed to an environment that causes corrosion, oxidation, diffusion, and other aging processes.
  • the surfaces of such a substrate are provided with one or more protective layers.
  • the protective layers are also, albeit to a lesser extent, exposed to external influences. But internal influences can also trigger aging processes. In the boundary layers between the
  • Substrate and the coating take place physical and chemical ⁇ cal reactions, such as diffusion and oxidation, through which the quality of the coating changes.
  • US Pat. No. 6,377,039 B1 discloses a system for determining properties of a coated substrate.
  • the test object is exposed to an electromagnetic alternating field with adjustable frequency.
  • eddy currents are induced in the test object.
  • the result of the eddy currents sired electromagnetic field and its induced voltage clamping ⁇ is detected.
  • the frequency spectrum of the induced voltage is determined.
  • the layer thickness is made available to the user as a function of the measurable variables, so that the layer thickness can be determined indirectly.
  • the data set with the impedances or material-induced stresses in the eddy current probe is expanded depending on the frequency, layer thickness and electrical and magnetic properties of the layers.
  • the impedances or voltages are represented in the complex plane as so-called lattice structures.
  • the lattice structures arise from two approximately vertically intersecting groups of curves.
  • a curve is created by the variation of a first parameter with fixed values for all other parameters.
  • the family of curves by another value of a second Para ⁇ meters.
  • the grid now arises by connecting the impedances for a given value of the first parameter and a variable value of the second parameter.
  • the method according to the invention comprises the following steps: a) detecting the induced voltage in an eddy current sensor in air as a function of the frequency of a field of excitation, b) providing a plurality of coated reference objects, each comprising a substrate and a Beschich ⁇ tion of the same Materials such as the substrate and the coating of the test article, wherein the reference articles have different known layer thicknesses, c) detecting a reference voltage as a function of the frequency of the exciter field for each reference object with the eddy current sensor, d) determining a material-induced voltage from the reference voltage and the induced voltage of the eddy current sensor in air as a function of the frequency for each reference object, e) forming a normalized amplitude of the material-induced voltage as a function of the frequency for each reference object, f) establishing a calibration curve representing the no rmtechnisch Ampli amplitude ⁇ the material-induced voltage as a function of the layer thickness of the coating is, g tand)
  • the essence of the invention is that, on the one hand, by detecting the reference voltage in step c) and, on the other hand, by normalizing the material-induced voltage in step e), those properties which depend, for example, on the properties of the eddy current sensor or on the exciting current are eliminated.
  • This allows the use of a structurally simple measuring device. It can be used eddy current sensors, which are constructed of commercially available components.
  • the material-induced voltage is the difference vector in the complex voltage plane between the vector of the reference voltage and the vector of the induced voltage of the eddy current sensor in air.
  • the amplitude and / or the phase of the complex materialindu ⁇ ed voltage can be determined.
  • At least one uncoated reference object is provided, from which a further reference voltage is detected as a function of the frequency of the exciter field with the eddy current sensor. This can compensate for influences that are due to the substrate.
  • a further material-induced voltage from the further reference voltage and the induced voltage of the eddy current sensor in the air is determined by the uncoated reference object.
  • the material-induced voltage of the uncoated reference article of the Diffe ⁇ ence vector in the complex voltage level between the vector of the further reference voltage and the vector of the induced voltage of the eddy current sensor to the air is provided. Since ⁇ with is used for the uncoated reference object, the moving ⁇ che measuring methods as reference coated objects.
  • step a) it is further determined in step a) at which frequency or at which frequencies in the eddy current sensor a resonance or resonances occur.
  • the calibration curve is created for such a frequency at which no resonances occur in the eddy current sensor. This will ensure that the
  • Eddy current sensor behaves linearly with respect to the relevant variables.
  • the eddy current sensor used comprises a flexible sheet and at least one coil. Due to the flexible patch, the eddy current sensor can be connected to the
  • the eddy-current sensor used has at least one coil which is used both as an exciter coil and as a detector coil. This is a particularly simple and inexpensive construction.
  • the eddy current sensor used may have at least one separate exciter coil and at least one separate detector coil. The influence of the excitation ⁇ stream is less on the measurement.
  • the employed eddy current sensor having a coil is formed as a flat conductor track at least the up on the flexible face piece ⁇ is introduced.
  • the eddy current sensor can be adapted to the structure of the surface of the test object with high accuracy.
  • the conductor track of the coil is formed spirally. This can generate a particularly strong magnetic field.
  • the conductor track of the coil may also have a meandering shape.
  • the connection terminals may be arranged outside the coil is ⁇ so that between the coil and the coating is no disturbing part.
  • the substrate of the Referenzge ⁇ genstands with the substrate of the test object is identical. This reduces the influence of the substrate. Gleichzei ⁇ tig characterized the influence of the coating increases on the measurement.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a first exporting ⁇ approximate shape of an eddy current sensor for the process according OF INVENTION ⁇ dung
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a second exporting ⁇ approximate shape of the eddy current sensor for the process according OF INVENTION ⁇ dung
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a first exporting ⁇ approximate shape of an eddy current sensor for the process according OF INVENTION ⁇ dung
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a second exporting ⁇ approximate shape of the eddy current sensor for the process according OF INVENTION ⁇ dung
  • FIG. 3 is a schematic plan view of a third exporting ⁇ approximate shape of the eddy current sensor for the inventions dung modern methods
  • FIG. 4 is a schematic plan view of a fourth exporting ⁇ approximate shape of the eddy current sensor for the process according OF INVENTION ⁇ dung,
  • FIG. 5 is a diagram of the phase of a complex voltage as a function of frequency
  • FIG. 6 is a schematic representation of differential vectors in the plane of the complex voltage
  • FIG. 7 is a graph of normalized amplitude of a material-induced voltage versus frequency
  • FIG. 8 is a graph of a calibration curve, which represents the amplitude, normalized with respect to the material-induced voltage as a function of the layer thickness
  • FIG. 9 shows the diagram of the calibration curve from FIG. 8, in which a measured value is plotted and from this the layer thickness is determined graphically, and
  • FIG. 10 is an equivalent circuit diagram and a schematic sectional ⁇ intention of the eddy current sensor and theticians ⁇ tands.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a first guide From ⁇ form an eddy current sensor, the extension for the proper OF INVENTION ⁇ method is usable.
  • the eddy current sensor comprises a flexible sheet 10, on which a coil 12 is applied.
  • the coil 12 is formed as a spiral conductor ⁇ path.
  • On the sheet 10 is located au ⁇ ßerrenz the coil 12 at one end of the conductor track, a first terminal 14 within the coil 12 is located at the other end of the strip conductor, a second connection terminal 16.
  • the coil 12 is provided as an excitation coil and also as a detector coil.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a second embodiment of the eddy current sensor.
  • the second embodiment of the eddy current sensor comprises a flexible sheet 10, on which a coil 18 is applied.
  • the coil 18 is alsobil ⁇ det as a meandering conductor.
  • the first connection terminal 14 and the second connection terminal 16 are located in each case at the two ends of the meander-shaped conductor track of the coil 18.
  • the connection terminals 14 and 16 are spaced apart from the turns of the coil 18. This has the advantage that the eddy current sensor can be arranged on a test object so that the terminals 14 and 16 have no contact with the test object.
  • the coil 18 is provided both as an excitation coil and as a Detek ⁇ torspule.
  • the constructive effort is low, because only one coil erforder ⁇ is Lich, who holds two functions, namely as excitation coil and a detection coil.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a third embodiment of the eddy current sensor for the method according to the invention.
  • the third embodiment of the eddy current sensor also includes a flexible face piece 10.
  • On the FLAE ⁇ chen Culture 10 is an excitation coil 20 and a detection coil 22 is applied.
  • the exciter coil 20 and the detector coil 22 are formed as helical conductor tracks.
  • the Detek ⁇ torspule 22 is located inside the excitation coil 20.
  • At the two ends of the conductor track of the excitation coil 20 are the first connecting terminal 14 and the second connection 16.
  • At the ends of the track of the detector coil 22 are a third terminal 24 and a fourth terminal 26th
  • FIG. 4 is a schematic plan view of a fourth embodiment of the eddy-current sensor.
  • the fourth embodiment of the eddy current sensor comprises a flexible sheet 10.
  • an excitation coil 28 and a detector coil 30 is applied on the sheet 10.
  • the excitation coil 28 and the detector coil 30 are formed as meandering conductor tracks.
  • the excitation coil 30 is located within the detector coil 28.
  • At the two ends of the trace of the exciter coil 28 are the first terminal 14 and the second terminal 16.
  • At the ends of the trace of the detector coil 30 are the third terminal 24 and the fourth terminal 26th
  • the terminals 14, 16, 24 and 26 are spaced from the turns of the coils 28 and 30.
  • the vortex ⁇ current sensor can be arranged on the test object so that the terminals 14, 16, 24 and 26 have no contact with the test object.
  • eddy current sensors are preferably formed as planar coils.
  • the patch 10 is flexible in all four embodiments so that the eddy current sensors are geometrically adaptable to the surface of the test article.
  • the conductor tracks of the coils 12, 18, 20, 22, 28 and 30 are preferably made of copper.
  • the patch 10 is made of Kapton foil, for example.
  • an eddy-current sensor is selected which is suitable for a test object.
  • the voltage U (air, ⁇ ) on the coil 12 or 18 or on the detector coil 22 or 30 is detected as a function of the frequency ⁇ , when the eddy current sensor is in the air. It also determines those frequencies at which resonances occur. These frequencies are not used in the later analysis since the eddy current sensor does not behave linearly at these frequencies.
  • FIG. Figure 5 is a graph showing the phase of the detected complex voltage as a function of frequency.
  • the function value corresponds to the tangent function of the phase.
  • a first characteristic 32 relates to a measurement in which the eddy current sensor is in the air.
  • a second characteristic 34 relates to a measurement in which the eddy current sensor is arranged on a special alloy.
  • a third characteristic 36 represents a measurement in which the eddy current sensor is located on an aluminum sample. In this example resonances occur in two places. The frequency range between 4 MHz and 6 MHz, however, is free of resonances, so that this frequency range is particularly suitable.
  • the reference articles each have a coating with different layer thicknesses.
  • the layer thicknesses can be measured optically, for example, and are thus known.
  • At least one reference item is uncoated.
  • the coating of the reference Jacobs ⁇ tände is made of the same material as the Be ⁇ coating of the test object.
  • the eddy current sensor detects a reference voltage U (x, ⁇ ) as a function of the frequency. Between the reference voltage U (x, ⁇ ) and the voltage U (air, ⁇ ) at which the eddy current sensor is in the air, the difference vector in the plane of the complex voltage is determined. This difference vector corresponds to a complex material-induced voltage U mat (x).
  • FIG. 6 is a schematic representation of the relevant voltage vectors in the complex voltage plane.
  • the two Cartesian coordinates correspond to the real part or the imaginary part of the voltage.
  • a vector U (air, ⁇ ) corresponds to the voltage at which the vortex ⁇ current sensor is in the air.
  • the reference voltage U (x, ⁇ ) is also shown as a vector.
  • the differential ⁇ vector of the above two vectors corresponds to the material mat induced voltage U (x).
  • the normalized amplitude for the material-induced voltage is formed.
  • FIG. 7 shows the normalized amplitude
  • Each characteristic corresponds to a specific layer thickness of the coating of the reference object.
  • the lowest characteristic ⁇ line corresponds to the uncoated reference object.
  • one or more calibration curves are created.
  • the calibration curves represent the normalized amplitudes for the material-induced voltage as a function of the layer thickness.
  • the calibration curves are calculated from the characteristic field according to FIG. 7 determined. For this purpose, a bestimm ⁇ te frequency is selected, which is outside the resonance range. The function values at this frequency are assigned to the known layer thicknesses.
  • FIG. 8 is an example of the calibration curve Darge ⁇ represents. This calibration curve is shown in FIG. 7, if the Function values can be used for 4 MHz.
  • FIG. 8 verdeut ⁇ light that is a linear relationship between the normalized amplitude and the layer thickness.
  • both the substrate 50 and the coating are made of the same materials as in the reference counter ⁇ facts.
  • the measurement is analogous to the measurements of the reference objects. It is first measured with the same vortex ⁇ current sensor, the complex voltage and then determines the difference vector. The difference vector corresponds to the material-induced voltage. Of these, the amplitude is formed and with respect to the amplitude
  • FIG. 9 shows the calibration curve according to FIG. 8, which additionally has a determined numerical value 40 of the normalized amplitude for the test object 50.
  • the test article 50 has a coating 52 of unknown layer thickness.
  • the numerical value 40 for the normalized amplitude is about 1.017.
  • the layer thickness of the coating 52 can be determined graphically therefrom. In this specific example, the layer thickness is 123 ⁇ m.
  • the calibration curve and the underlying measured values can be stored in a computer system, so that the layer thickness can be calculated and output after input of the amplitude by means of a suitable EDP program.
  • the equivalent circuit diagram comprises an inductance L 0 , an AC voltage source U 0 and a resistor R 0 , which are connected in series and form an exciter circuit.
  • the electrically conductive coating 52 is characterized by a Ri and an inductance Li representable, which are connected in Rei ⁇ hey.
  • the substrate 50 is formed by a reflection ⁇ stand Rb and an inductance L b be displayed, which are connected in series.
  • Mi is the mutual inductance in the coating 52
  • M 2 is the mutual inductance in the coated substrate 50
  • Ii is the current in the coating 52
  • I 2 is the current in the substrate 50.
  • IW (X) I err (Mi ⁇ ) 2 / (j ⁇ Li + Ri) + I err (M 2 CO) 2 / (j ⁇ > L b + R b ). (Ia)
  • IW (X) I err (C0 2 Mi 2 / Ri + C ⁇ W / R f a).
  • IW (b) IerrC0 2 M 3 2 / R b, (3)
  • M 3 strat the mutual inductance in the uncoated Sub ⁇ is fiftieth Since the uncoated substrate 50 from the surfaces moving ⁇ material as the uncoated substrate 50, The material-dependent variables L b and R b can also be used. The mutual inductance M 3 of the uncoated Sub ⁇ strats 50 is different from the mutual inductance M 2 of the coated substrate 50 due to the different spacings between the substrate 50 and the eddy current sensor.
  • the mutual inductances Mi, M 2 and M 3 depend on the distance between the eddy current circuit and the eddy current sensor. Therefore, the ratios between the mutual inductances in Equation (4) are not equal to one.
  • the Jacobin- hang inductances of the technical data of the coils so that the calibration curve and the actual measurement with the sel ⁇ ben eddy current sensor must be carried out.
  • the process according to the invention is a particularly simple and rapid method.
  • the design effort for imple ⁇ ren of the inventive method is relatively ring ge ⁇ .
  • Prototypes of modified substrates 50 and / or coatings can be tested within a short time. It is not necessary for company-internal information to be passed on in advance to external companies, so that special software and / or hardware can be provided. Thus, the manufacturer or developer of the test article is able to perform the inventive method within the company, so that no confidential information must be given to external companies.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (52), die auf einem elektrisch leitfähigen Substrat (50) eines Prüfgegenstands aufgebracht ist. Zuerst wird die induzierte Spannung (U (Luft, ?) ) eines Wirbelstromsensors an der Luft als Funktion der Frequenz (?) eines Erregerfeldes erfasst. Eine Mehrzahl beschichteter Referenzgegenstände wird bereitgestellt, die jeweils ein Substrat und eine Beschichtung aus den gleichen Materialien wie das Substrat (50) und die Beschichtung (52) des Prüfgegenstands umfassen. Die Referenzgegenstände weisen unterschiedliche bekannte Schichtdicken auf. Eine Referenzspannung (U(x,?) ) für jeden Referenzgegenstand wird als Funktion der Frequenz (?) des Erregerfeldes mit dem Wirbelstromsensor erfasst. Anschließend wird eine materialinduzierte Spannung (U<SUB>mat</SUB> (x) ) aus der Referenzspannung (U (x,?) ) und der induzierten Spannung (U (Luft, ?) ) des Wirbelstromsensors an der Luft für jeden Referenzgegenstand bestimmt. Danach wird eine normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung (U<SUB>mat</SUB> (x) ) für jeden Referenzgegenstand gebildet. Daraus wird eine Kalibrierkurve erstellt, die die normierte Amplitude der materialinduzierten Spannung (U<SUB>mat</SUB> (x) ) als Funktion der Schichtdicke (d<SUB>1</SUB>) der Beschichtung (52) darstellt. Die normierte Amplitude wird auf gleiche Weise auch für den Prüfgegenstand bestimmt. Daraus wird die Schichtdicke (d<SUB>1</SUB>) der Beschichtung (52) des Prüfgegenstands mit der Kalibrierkurve ermittelt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen Substrat
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung, die auf einem elektrisch leitfähigen Substrat eines Prüfgegen- Stands aufgebracht ist.
Für zahlreiche Materialprüfungen sind zerstörungsfreie Ver¬ fahren erforderlich. Beispielsweise sind die Oberflächen von metallenen Teilen oftmals einer Umgebung ausgesetzt, die eine Korrosion, Oxidation, Diffusion und weitere Alterungsprozesse bewirkt. Die trifft zum Beispiel auch für ein Schaufelrad ei¬ ner Gasturbine zu, das der Korrosion aufgrund der mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt ist.
Um diese Korrosionsgefahren zu verhindern oder zu verringern, werden die Oberflächen eines solchen Substrats mit einer oder mehreren Schutzschichten versehen. Die Schutzschichten sind ebenfalls, wenn auch im verringerten Umfang, den äußeren Einflüssen ausgesetzt. Aber auch innere Einflüsse können Alte- rungsprozesse auslösen. In den Grenzschichten zwischen dem
Substrat und der Beschichtung finden physikalische und chemi¬ sche Reaktionen, wie zum Beispiel Diffusion und Oxidation statt, durch die die Qualität der Beschichtung sich ändert.
Um regelmäßig den aktuellen Zustand solcher beschichteter
Substrate überprüfen zu können, werden zerstörungsfreie Prüf¬ verfahren benötigt .
Aus der US 6,377,039 Bl ist ein System zum Bestimmen von Ei- genschaften eines beschichteten Substrats bekannt. Dabei wird der Prüfgegenstand einem elektromagnetischen Wechselfeld mit einstellbarer Frequenz ausgesetzt. Dadurch werden Wirbelströme im Prüfgegenstand induziert. Das von den Wirbelströmen er- zeugte elektromagnetische Feld bzw. dessen induzierte Span¬ nung wird erfasst. Insbesondere wird das Frequenzspektrum der induzierten Spannung bestimmt. Um die Schichtdicke ermitteln zu können, wird dem Benutzer die Schichtdicke als Funktion der messbaren Größen zur Verfügung gestellt, so dass die Schichtdicke indirekt bestimmbar ist .
Dieses System benötigt jedoch für jeden Prüfgegenstand einen umfangreichen Datensatz mit detaillierten Informationen über die physikalischen und geometrischen Eigenschaften des Prüfgegenstands. Unter Verwendung der zweidimensionalen oder dreidimensionalen Feldberechnung und mit Benutzung besonders ausgestalteter planarer Wirbelstromsonden wird der Datensatz mit den Impedanzen bzw. durch das Material induzierten Span- nungen in der Wirbelstromsonde in Abhängigkeit von Frequenz, Schichtdicke und elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Schichten erweitert. Die Impedanzen bzw. Spannungen werden in der komplexen Ebene als so genannte Gitterstrukturen dargestellt. Die Gitterstrukturen entstehen dabei aus zwei sich in etwa senkrecht schneidenden Kurvenscharen. Eine Kurve entsteht dabei durch die Variation eines ersten Parameters mit festen Werten für alle anderen Parameter. Die Kurvenschar entsteht durch jeweils einen anderen Wert eines zweiten Para¬ meters. Das Gitter entsteht nun durch das Verbinden der Impe- danzen bzw. Spannungen für einen gegebenen Wert des ersten Parameters und einen variablen Wert des zweiten Parameters.
Da die Feldberechnungen aus Differentialgleichungen, nämlich den Maxwell-Gleichungen erfolgen, werden die Absolutwerte der Spannung und der Impedanz nur durch eine Fittprozedur mit
Messdaten erhalten. Deswegen sind für die Erstellung des kompletten Datensatzes vorab zahlreiche Messungen an Testproben erforderlich. Für die Auswertung sind eine spezielle Software und Hardware erforderlich. Die Software und Hardware müssen an den Prüfgegenstand und die zu erfassenden Größen angepasst sein. Die Software und die Hardware werden üblicherweise vom Systemanbieter bereitgestellt. Für eine angepasste Software und Hardware muss der Hersteller und/oder Entwickler des Prüfgegenstands vorab Informationen an den Systemanbieter weitergeben. Es ist jedoch aus Sicht des Herstellers bzw. Entwicklers unerwünscht, vertrauliche technische Daten, ins¬ besondere in der Entwicklungsphase weitergeben zu müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung auf einem elektrisch leitfähigen Substrat bereitzustellen, das mit einem verhältnismäßig geringen messtechnischen und kon- struktiven Aufwand durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Das Verfahren gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf: a) Erfassen der induzierten Spannung in einem Wirbelstromsensor an der Luft als Funktion der Frequenz eines Erregerfeldes, b) Bereitstellen einer Mehrzahl beschichteter Referenzgegenstände, die jeweils ein Substrat und eine Beschich¬ tung aus den gleichen Materialien wie das Substrat und die Beschichtung des Prüfgegenstands umfassen, wobei die Referenzgegenstände unterschiedliche bekannte Schichtdi- cken aufweisen, c) Erfassen einer Referenzspannung als Funktion der Frequenz des Erregerfeldes für jeden Referenzgegenstand mit dem Wirbelstromsensor, d) Bestimmen einer materialinduzierten Spannung aus der Re- ferenzspannung und der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft als Funktion der Frequenz für jeden Referenzgegenstand, e) Bilden einer normierten Amplitude der materialinduzierten Spannung als Funktion der Frequenz für jeden Refe- renzgegenstand, f) Erstellen einer Kalibrierkurve, die die normierte Ampli¬ tude der materialinduzierten Spannung als Funktion der Schichtdicke der Beschichtung darstellt, g) Durchführen der Schritte c) bis e) mit dem Prüfgegens¬ tand, und h) Bestimmen der Schichtdicke der Beschichtung des Prüfgegenstands aus der normierten Amplitude mit der Kalib- rierkurve .
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass einerseits durch das Erfassen der Referenzspannung in Schritt c) und andererseits durch die Normierung der materialinduzierten Spannung in Schritt e) solche Eigenschaften, die beispielsweise von den Eigenschaften des Wirbelstromsensors oder vom Erregerstrom abhängen, eliminiert werden. Dies ermöglicht die Verwendung einer konstruktiv einfachen Messvorrichtung. Es können Wirbelstromsensoren verwendet werden, die aus handelsüblichen Bauelementen aufgebaut sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die materialinduzierte Spannung der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der Referenzspannung und dem Vektor der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft ist. Dadurch werden insbesondere Einflüsse des Wirbelstromsensors eliminiert. Anschließend kann von der komplexen materialindu¬ zierten Spannung die Amplitude und/oder die Phase bestimmt werden .
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens ein unbeschichteter Referenzgegenstand bereitge¬ stellt wird, von dem eine weitere Referenzspannung als Funktion der Frequenz des Erregerfeldes mit dem Wirbelstromsensor erfasst wird. Dadurch lassen sich Einflüsse kompensieren, die auf das Substrat zurückzuführen sind.
Insbesondere wird von dem unbeschichteten Referenzgegenstand eine weitere materialinduzierte Spannung aus der weiteren Re- ferenzspannung und der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft bestimmt. Somit werden auch für den unbe¬ schichteten Referenzgegenstand die Einflüsse des Wirbelstrom¬ sensors eliminiert . Beispielsweise ist vorgesehen, dass die materialinduzierte Spannung des unbeschichteten Referenzgegenstands der Diffe¬ renzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vek- tor der weiteren Referenzspannung und dem Vektor der induzierten Spannung des Wirbelstromsensors an der Luft ist . Da¬ mit wird für den unbeschichteten Referenzgegenstand das glei¬ che Messverfahren wie bei den beschichteten Referenzgegenständen angewandt .
Vorteilhafterweise wird in Schritt a) weiterhin festgestellt, bei welcher Frequenz oder bei welchen Frequenzen in dem Wirbelstromsensor eine Resonanz bzw. Resonanzen auftreten. Auf diese Weise kann festgestellt werden, bei welchen Frequenzen der Wirbelstromsensor sich linear verhält und somit für das Verfahren geeignet ist.
Zweckmäßigerweise wird die Kalibrierkurve für eine solche Frequenz erstellt, bei der keine Resonanzen in dem Wirbel- stromsensor auftreten. Dadurch wird gewährleistet, dass der
Wirbelstromsensor sich linear bezüglich der relevanten Größen verhält .
Beispielsweise werden für das Verfahren ausschließlich bau- gleiche Wirbelstromsensoren verwendet. Dadurch wird der Ein- fluss der Eigenschaften des Wirbelstromsensors reduziert.
Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn für das Verfahren stets derselbe Wirbelstromsensor verwendet wird. Auf diese Weise wird der Einfluss der charakteristischen Größen des Wirbelstromsensors eliminiert.
Vorzugsweise umfasst der verwendete Wirbelstromsensor ein flexibles Flächenstück und wenigstens eine Spule. Durch das flexible Flächenstück kann der Wirbelstromsensor an die
Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst werden. Es wird dadurch sichergestellt, dass der Abstand zwischen den Beschichtungen und dem Wirbelstromsensor stets gleich groß ist.
Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der verwendete Wirbelstromsensor wenigstens eine Spule aufweist, die sowohl als Erregerspule als auch als Detektorspule verwendet wird. Dies ist eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise.
Alternativ dazu kann der verwendete Wirbelstromsensor wenigs- tens eine separate Erregerspule und wenigstens eine separate Detektorspule aufweisen. Dabei ist der Einfluss des Erreger¬ stroms auf die Messung geringer.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem verwendeten Wirbel- stromsensor die wenigstens eine Spule als flache Leiterbahn ausgebildet ist, die auf dem flexiblen Flächenstück aufge¬ bracht ist. Dadurch kann der Wirbelstromsensor mit hoher Genauigkeit an die Struktur der Oberfläche des Prüfgegenstands angepasst werden.
Beispielsweise ist bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule spiralförmig ausgebildet. Damit lässt sich ein besonders starkes Magnetfeld erzeugen.
Alternativ dazu kann bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule auch mäanderförmig ausgebildet sein. Dabei können die Anschlussklemmen außerhalb der Spule ange¬ ordnet sein, so dass sich zwischen Spule und Beschichtung kein störendes Teil befindet.
Schließlich ist vorgesehen, dass das Substrat des Referenzge¬ genstands mit dem Substrat des Prüfgegenstands identisch ist. Damit wird der Einfluss des Substrats vermindert. Gleichzei¬ tig erhöht sich dadurch der Einfluss der Beschichtung auf die Messung.
Weitere Merkmale, Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung in der Figurenbeschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläu- tert . Es zeigen:
FIG. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausfüh¬ rungsform eines Wirbelstromsensors für das erfin¬ dungsgemäße Verfahren, FIG. 2 eine schematische Draufsicht einer zweiten Ausfüh¬ rungsform des Wirbelstromsensors für das erfin¬ dungsgemäße Verfahren,
FIG. 3 eine schematische Draufsicht einer dritten Ausfüh¬ rungsform des Wirbelstromsensors für das erfin- dungsgemäße Verfahren,
FIG. 4 eine schematische Draufsicht einer vierten Ausfüh¬ rungsform des Wirbelstromsensors für das erfin¬ dungsgemäße Verfahren,
FIG. 5 ein Diagramm der Phase einer komplexen Spannung als Funktion der Frequenz,
FIG. 6 eine schematische Darstellung von Differenzvektoren in der Ebene der komplexen Spannung,
FIG. 7 ein Diagramm einer normierten Amplitude einer materialinduzierten Spannung als Funktion der Frequenz, FIG. 8 ein Diagramm einer Kalibrierkurve, die die normier¬ te Amplitude der materialinduzierten Spannung als Funktion der Schichtdicke darstellt,
FIG. 9 das Diagramm der Kalibrierkurve aus FIG. 8, bei der ein Messwert eingezeichnet und daraus die Schicht- dicke graphisch bestimmt wird, und
FIG. 10 ein Ersatzschaltbild und eine schematische Schnitt¬ absicht des Wirbelstromsensors und des Prüfgegens¬ tands .
FIG. 1 zeigt eine schematische Draufsicht einer ersten Aus¬ führungsform eines Wirbelstromsensors, der für das erfin¬ dungsgemäße Verfahren verwendbar ist . Der Wirbelstromsensor umfasst ein flexibles Flächenstück 10, auf dem eine Spule 12 aufgebracht ist. Die Spule 12 ist als spiralförmige Leiter¬ bahn ausgebildet. Auf dem Flächenstück 10 befindet sich au¬ ßerhalb der Spule 12 an einem Ende der Leiterbahn eine erste Anschlussklemme 14. Innerhalb der Spule 12 befindet sich am anderen Ende der Leiterbahn eine zweite Anschlussklemme 16. Die Spule 12 ist als Erregerspule und auch als Detektorspule vorgesehen .
In FIG. 2 ist eine schematische Draufsicht einer zweiten Aus- führungsform des Wirbelstromsensors dargestellt. Auch die zweite Ausführungsform des Wirbelstromsensors umfasst ein flexibles Flächenstück 10, auf dem eine Spule 18 aufgebracht ist. Die Spule 18 ist als mäanderförmige Leiterbahn ausgebil¬ det. Die erste Anschlussklemme 14 und die zweite Anschluss- klemme 16 befinden sich jeweils an den beiden Enden der mäanderförmigen Leiterbahn der Spule 18. Die Anschlussklemmen 14 und 16 sind von den Windungen der Spule 18 beabstandet. Dies hat den Vorteil, dass der Wirbelstromsensor an einem Prüfgegenstand so angeordnet werden kann, dass die Anschlussklemmen 14 und 16 mit dem Prüfgegenstand keine Berührung haben. Auch die Spule 18 ist sowohl als Erregerspule als auch als Detek¬ torspule vorgesehen.
Bei den Wirbelstromsensoren in FIG. 1 und FIG. 2 ist der kon- struktive Aufwand gering, da jeweils nur eine Spule erforder¬ lich ist, die zwei Funktionen innehat, nämlich als Erregerspule und als Detektorspule.
FIG. 3 zeigt eine schematische Draufsicht einer dritten Aus- führungsform des Wirbelstromsensors für das erfindungsgemäße Verfahren. Die dritte Ausführungsform des Wirbelstromsensors umfasst ebenfalls ein flexibles Flächenstück 10. Auf dem Flä¬ chenstück 10 ist eine Erregerspule 20 und eine Detektorspule 22 aufgebracht. Die Erregerspule 20 und die Detektorspule 22 sind als spiralförmige Leiterbahnen ausgebildet. Die Detek¬ torspule 22 befindet sich innerhalb der Erregerspule 20. An den beiden Enden der Leiterbahn der Erregerspule 20 befinden sich die erste Anschlussklemme 14 und die zweite Anschluss- klemme 16. An den Enden der Leiterbahn der Detektorspule 22 befinden sich eine dritte Anschlussklemme 24 und eine vierte Anschlussklemme 26.
In FIG. 4 ist eine schematische Draufsicht einer vierten Aus¬ führungsform des Wirbelstromsensors dargestellt. Auch die vierte Ausführungsform des Wirbelstromsensors umfasst ein flexibles Flächenstück 10. Auf dem Flächenstück 10 ist eine Erregerspule 28 und eine Detektorspule 30 aufgebracht. Die Erregerspule 28 und die Detektorspule 30 sind als mäanderför- mige Leiterbahnen ausgebildet. Die Erregerspule 30 befindet sich innerhalb der Detektorspule 28. An den beiden Enden der Leiterbahn der Erregerspule 28 befinden sich die erste Anschlussklemme 14 und die zweite Anschlussklemme 16. An den Enden der Leiterbahn der Detektorspule 30 befinden sich die dritte Anschlussklemme 24 und die vierte Anschlussklemme 26. Die Anschlussklemmen 14, 16, 24 und 26 sind von den Windungen der Spulen 28 und 30 beabstandet. Dadurch kann der Wirbel¬ stromsensor an dem Prüfgegenstand so angeordnet werden, dass die Anschlussklemmen 14, 16, 24 und 26 keine Berührung mit dem Prüfgegenstand haben.
Alle vier in FIG. 1 bis FIG. 4 dargestellten Wirbelstromsensoren sind vorzugsweise als Planarspulen ausgebildet. Das Flächenstück 10 ist bei allen vier Ausführungsformen flexibel, so dass die Wirbelstromsensoren an die Oberfläche des Prüfgegenstands geometrisch anpassbar sind. Die Leiterbahnen der Spulen 12, 18, 20, 22, 28 und 30 sind vorzugsweise aus Kupfer hergestellt. Das Flächenstück 10 ist beispielsweise aus Kaptonfolie hergestellt.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Wirbelstromsensor ausgewählt, der für einen Prüfgegenstand geeignet ist. Anschließend wird die Spannung U (Luft, ω) an der Spule 12 oder 18 bzw. an der Detektorspule 22 oder 30 als Funktion der Frequenz ω erfasst, wenn sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet. Dabei werden auch diejenigen Frequenzen ermittelt, bei denen Resonanzen auftreten. Diese Frequenzen werden bei der späteren Analyse nicht verwendet, da sich der Wirbelstromsensor bei diesen Frequenzen nicht linear verhält .
FIG. 5 zeigt ein Diagramm, in dem die Phase der erfassten komplexen Spannung als Funktion der Frequenz dargestellt ist. Der Funktionswert entspricht der Tangensfunktion der Phase. Eine erste Kennlinie 32 betrifft eine Messung, bei der sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet. Eine zweite Kenn- linie 34 bezieht sich auf eine Messung, bei der sich der Wirbelstromsensor an einer Speziallegierung angeordnet ist. Eine dritte Kennlinie 36 stellt eine Messung dar, bei der sich der Wirbelstromsensor an einer Aluminiumprobe befindet. In diesem Beispiel treten an zwei Stellen Resonanzen auf. Der Frequenz- bereich zwischen 4 MHz und 6 MHz ist dagegen frei von Resonanzen, so dass dieser Frequenzbereich besonders geeignet ist.
Als nächstes werden mehrere Referenzgegenstände bereitge- stellt, die ein Substrat aufweisen, das mit dem Substrat des Prüfgegenstands identisch ist. Die Referenzgegenstände weisen jeweils eine Beschichtung mit unterschiedlichen Schichtdicken auf. Die Schichtdicken können beispielsweise optisch gemessen werden und sind somit bekannt. Wenigstens ein Referenzgegens- tand ist unbeschichtet. Die Beschichtung der Referenzgegens¬ tände ist aus dem gleichen Material hergestellt wie die Be¬ schichtung des Prüfgegenstands . Von jedem Referenzgegenstand wird mit dem Wirbelstromsensor eine Referenzspannung U(x,ω) als Funktion der Frequenz erfasst. Zwischen der Referenzspan- nung U(x,ω) und derjenigen Spannung U (Luft, ω), bei der sich der Wirbelstromsensor an der Luft befindet, wird der Differenzvektor in der Ebene der komplexen Spannung bestimmt. Dieser Differenzvektor entspricht einer komplexen materialinduzierten Spannung Umat (x) . Von dieser materialinduzierten Span- nung Umat(x) werden die Amplitude |Umat(x) I und die Phase φmat ermittelt . In FIG. 6 ist eine schematische Darstellung der betreffenden Spannungsvektoren in der Ebene der komplexen Spannung dargestellt. Die beiden kartesischen Koordinaten entsprechen dem Realteil bzw. dem Imaginärteil der Spannung. Ein Vektor U (Luft, ω) entspricht der Spannung, bei der sich der Wirbel¬ stromsensor an der Luft befindet. Die Referenzspannung U(x,ω) ist ebenfalls als Vektor dargestellt. Der Differenz¬ vektor der beiden vorgenannten Vektoren entspricht der materialinduzierten Spannung Umat (x) .
Von dem unbeschichteten Referenzgegenstand wird ebenfalls ei¬ ne Referenzspannung U(b,ω) gemessen, ein Differenzvektor Umat (b) gebildet und daraus die Amplitude |Umat(b) | bestimmt.
In einem nächsten Schritt wird die normierte Amplitude für die materialinduzierte Spannung gebildet. Dazu wird die Amp¬ litude I Umat (x) I bezüglich der Amplitude |Umat(b) | normiert. Dadurch werden Frequenzabhängigkeiten der materialinduzierten Spannung, die von den Eigenschaften der Spulen abhängen, eli- miniert .
FIG. 7 zeigt die normierte Amplitude |Umat(x) |/|Umat(b) | für die materialinduzierte Spannung als Funktion der Frequenz. Jede Kennlinie entspricht dabei einer bestimmten Schichtdicke der Beschichtung des Referenzgegenstands. Die unterste Kenn¬ linie entspricht dem unbeschichteten Referenzgegenstand.
In einem weiteren Schritt werden eine oder mehrere Kalibrierkurven erstellt. Die Kalibrierkurven stellen die normierten Amplituden für die materialinduzierte Spannung als Funktion der Schichtdicke dar. Die Kalibrierkurven werden aus dem Kennlinienfeld gemäß FIG. 7 bestimmt. Dazu wird eine bestimm¬ te Frequenz ausgewählt, die außerhalb des Resonanzbereichs liegt. Die Funktionswerte bei dieser Frequenz werden den be- kannten Schichtdicken zugeordnet .
In FIG. 8 ist ein Beispiel für die Kalibrierkurve darge¬ stellt. Diese Kalibrierkurve ergibt sich aus FIG. 7, wenn die Funktionswerte für 4 MHz verwendet werden. FIG. 8 verdeut¬ licht, dass zwischen der normierten Amplitude und der Schichtdicke ein linearer Zusammenhang besteht.
Bei der eigentlichen Messung wird ein Prüfgegenstand mit unbekannter Schichtdicke untersucht. Bei dem Prüfgegenstand sind sowohl das Substrat 50 als auch die Beschichtung aus den gleichen Materialien hergestellt wie bei den Referenzgegens¬ tänden. Die Messung erfolgt analog zur den Messungen der Re- ferenzgegenstände . Es wird zunächst mit demselben Wirbel¬ stromsensor die komplexe Spannung gemessen und anschließend der Differenzvektor bestimmt. Der Differenzvektor entspricht der materialinduzierten Spannung. Davon wird die Amplitude gebildet und bezüglich der Amplitude |Umat(b) | des unbeschich- teten Referenzgegenstands normiert. Aus der normierten Ampli¬ tude lässt sich mit der Kalibrierkurve die Schichtdicke der Beschichtung 52 des Prüfgegenstands ermitteln.
FIG. 9 zeigt die Kalibrierkurve gemäß FIG. 8, die zusätzlich einen ermittelten numerischen Wert 40 der normierten Amplitude für den Prüfgegenstand 50 aufweist. Der Prüfgegenstand 50 weist eine Beschichtung 52 mit unbekannter Schichtdicke auf. In diesem Beispiel beträgt der numerische Wert 40 für die normierte Amplitude etwa 1,017. Mit der Kalibrierkurve lässt sich daraus die Schichtdicke der Beschichtung 52 graphisch bestimmten. In diesem konkreten Beispiel beträgt die Schichtdicke 123 μm. Die Kalibrierkurve und die zugrunde liegenden Messwerte können in einer EDV-Anlage gespeichert werden, so dass mittels eines geeigneten EDV-Programms die Schichtdicke nach Eingabe der Amplitude berechnet und ausgegeben werden kann .
In FIG. 10 ist ein Ersatzschaltbild und eine schematische Schnittabsicht des Wirbelstromsensors und des Prüfgegenstands dargestellt. Das Ersatzschaltbild umfasst eine Induktivität L0, eine Wechselspannungsquelle U0 und einen Widerstand R0, die in Reihe geschaltet sind und einen Erregerkreis bilden. Die elektrisch leitfähige Beschichtung 52 ist durch einen Wi- derstand Ri und eine Induktivität Li darstellbar, die in Rei¬ he geschaltet sind. Das Substrat 50 ist durch einen Wider¬ stand Rb und eine Induktivität Lb darstellbar, die in Reihe geschaltet sind.
Die materialinduzierte Spannung ist bei Vernachlässigung der Kapazitäten gegeben durch:
Umat(x) = jωMiIi + JCOM2I2, (1)
wobei Mi die Gegeninduktivität in der Beschichtung 52, M2 die Gegeninduktivität in dem beschichteten Substrat 50, Ii der Strom in der Beschichtung 52 und I2 der Strom in dem Substrat 50 ist.
Die materialinduzierte Spannung kann auch mit dem Erregerstrom IErr angegeben werden:
IW ( X ) = Ierr (Miω ) 2 / ( j ωLi +Ri ) + Ierr (M2CO)2/ (jκ>Lb+Rb) . (Ia)
Für metallene Materialien gilt im Frequenzbereich von einigen Megahertz :
ω L << R, (2)
so dass sich der Ausdruck für die materialinduzierte Spannung vereinfacht :
IW ( X ) = Ierr ( C02Mi2 /Ri + CύW /Rfa ) . ( Ib )
Für das Substrat 50 ohne Beschichtung 52 gilt:
IW (b ) = IerrC02M3 2/Rb, ( 3 )
wobei M3 die Gegeninduktivität in dem unbeschichteten Sub¬ strat 50 ist. Da das unbeschichtete Substrat 50 aus dem glei¬ chen Material besteht wie das unbeschichtete Substrat 50, können auch die materialabhängigen Größen Lb und Rb verwendet werden. Die Gegeninduktivität M3 des unbeschichteten Sub¬ strats 50 unterscheidet sich von der Gegeninduktivität M2 des beschichteten Substrats 50 aufgrund der unterschiedlichen Ab- stände zwischen dem Substrat 50 und dem Wirbelstromsensor.
Wenn die Materialien des Substrats 50 und der Beschichtung 52 ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen, dann unterscheiden sich die Gegeninduktivitäten Mi und M3 nur geringfügig.
Aus Gleichung (Ib) und Gleichung (3) ergibt sich für die normierte materialinduzierte Spannung:
umat(χ)/uMat(b) = + M2 2/M3 2 (4)
Die Gegeninduktivitäten Mi, M2 und M3 hängen vom Abstand zwischen dem Wirbelstromkreis und dem Wirbelstromsensor ab. Daher sind die Verhältnisse zwischen den Gegeninduktivitäten in Gleichung (4) nicht gleich Eins. Außerdem hängen die Gegenin- duktivitäten von den technischen Daten der Spulen ab, so dass die Kalibrierkurve und die eigentlichen Messung mit dem sel¬ ben Wirbelstromsensor durchgeführt werden muss.
Für die Widerstandswerte gilt:
R2 = bpb/ (wλb) , (6)
wobei pi der spezifische Widerstand der Beschichtung 52, pb der spezifische Widerstand des Substrats 50, b die Länge der Leiterbahn, w die Breite der Spule, di die gesuchte Schicht¬ dicke der Beschichtung 52 und λb die Eindringtiefe des Mag¬ netfeldes in das Substrat 50 sind. Für die normierte Span¬ nungsamplitude ergibt sich somit :
Umat (x ) /Umat (b ) = (MI VM3 2 ) ( pbdi/piλb) + M2VM3 2 ( 7 ) Die Gleichung (7) verdeutlicht, dass die normierte Spannungs¬ amplitude in erster Näherung proportional zu der Schichtdicke di ist. Daher ist auch die Kalibrierkurve linear für ein be¬ stimmtes Material.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine besonders einfache und schnelle Methode. Der konstruktive Aufwand zum Durchfüh¬ ren des erfindungsgemäßen Verfahrens ist verhältnismäßig ge¬ ring .
Es können Prototypen modifizierter Substrate 50 und/oder Be- schichtungen innerhalb kurzer Zeit getestet werden. Es ist nicht erforderlich, dass vorab firmeninterne Informationen an externe Firmen weitergegeben werden müssen, damit eine spe- zielle Software und/oder Hardware bereitgestellt werden kann. Somit ist der Hersteller oder Entwickler des Prüfgegenstands in der Lage, das erfindungsgemäße Verfahren firmenintern durchzuführen, so dass keine vertraulichen Informationen an externe Firmen gegeben werden müssen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Beschichtung (52), die auf einem elektrisch leit- fähigen Substrat (50) eines Prüfgegenstands aufgebracht ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist : i) Erfassen der induzierten Spannung (U (Luft, ω) ) in einem Wirbelstromsensor an der Luft als Funktion der Frequenz (ω) eines Erregerfeldes, j) Bereitstellen einer Mehrzahl beschichteter Referenzgegenstände, die jeweils ein Substrat und eine Beschich¬ tung aus den gleichen Materialien wie das Substrat (50) und die Beschichtung (52) des Prüfgegenstands umfassen, wobei die Referenzgegenstände unterschiedliche bekannte Schichtdicken aufweisen, k) Erfassen einer Referenzspannung (U(x,ω)) als Funktion der Frequenz (ω) des Erregerfeldes für jeden Referenzgegenstand mit dem Wirbelstromsensor,
1) Bestimmen einer materialinduzierten Spannung (Umat (x) ) aus der Referenzspannung (U(x,ω)) und der induzierten Spannung (U (Luft, ω) ) des Wirbelstromsensors an der Luft als Funktion der Frequenz (ω) für jeden Referenzgegenstand, m) Bilden einer normierten Amplitude der materialinduzier- ten Spannung (Umat (x) ) als Funktion der Frequenz (ω) für jeden Referenzgegenstand, n) Erstellen einer Kalibrierkurve, die die normierte Ampli¬ tude der materialinduzierten Spannung (Umat (x) ) als Funk¬ tion der Schichtdicke (di) der Beschichtung (52) dar- stellt, o) Durchführen der Schritte c) bis e) mit dem Prüfgegens¬ tand, und p) Bestimmen der Schichtdicke (di) der Beschichtung (52) des Prüfgegenstands aus der normierten Amplitude mit der Kalibrierkurve.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die materialinduzierte Spannung (Umat (x) ) der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der Referenzspannung (U(x, ω)) und dem Vektor der induzierten Spannung (U (Luft, ω) ) des Wirbelstromsensors an der Luft ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von der komplexen materialinduzierten Spannung (Umat (x) ) die Amplitude (|Umat(x) I) und/oder die Phase (φmat) bestimmt werden .
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein unbeschichteter Referenz¬ gegenstand bereitgestellt wird, von dem eine weitere Refe¬ renzspannung (U (b, ω)) als Funktion der Frequenz (ω) des Erregerfeldes mit dem Wirbelstromsensor erfasst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass von dem unbeschichteten Referenzgegenstand eine weitere mate¬ rialinduzierte Spannung (Umat (b) ) aus der weiteren Referenz¬ spannung (U (b, CO)) und der induzierten Spannung (U (Luft, ω) ) des Wirbelstromsensors an der Luft bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die materialinduzierte Spannung (Umat (x) ) des unbeschichteten Referenzgegenstands der Differenzvektor in der komplexen Spannungs-Ebene zwischen dem Vektor der weiteren Referenzspannung (U (b, CO)) und dem Vektor der induzierten Spannung (U (Luft, ω) ) des Wirbelstromsensors an der Luft ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) festgestellt wird, bei welcher Frequenz oder bei welchen Frequenzen in dem Wirbelstromsensor eine Resonanz bzw. Resonanzen auftreten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierkurve für eine solche Frequenz erstellt wird, bei der keine Resonanzen in dem Wirbelstromsensor auftreten.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren ausschließlich bau¬ gleiche Wirbelstromsensoren verwendet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verfahren stets derselbe Wirbel¬ stromsensor verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der verwendete Wirbelstromsensor ein flexibles Flächenstück (10) und wenigstens eine Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) umfasst .
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der verwendete Wirbelstromsensor wenigstens eine Spule (12, 18) aufweist, die sowohl als Erre¬ gerspule als auch als Detektorspule verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge- kennzeichnet, dass der verwendete Wirbelstromsensor wenig¬ stens eine separate Erregerspule (20, 28) und wenigstens eine separate Detektorspule (22, 30) aufweist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die wenigstens eine Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) als flache Leiterbahn ausgebildet ist, die auf dem flexiblen Flächenstück (10) aufgebracht ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) spiralförmig ausgebildet ist.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem verwendeten Wirbelstromsensor die Leiterbahn der Spule (12, 18, 20, 22, 28, 30) mäanderförmig ausgebildet ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat des Referenzgegens¬ tands mit dem Substrat (50) des Prüfgegenstands identisch ist.
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