JP3510256B2 - 誘電／磁気材料の非破壊テストのための装置 - Google Patents

誘電／磁気材料の非破壊テストのための装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明の背景 1.発明の分野 本発明は、非破壊テストの装置、特に誘電／磁気構造
の真性電磁特性を評価するためのプローブに関する。
2.関連技術の説明 電磁波と誘電／磁気構造との間の相互作用は、被検査
体から波を反射させ、反射した波を分析することによっ
て分析されることができる。誘電プローブは、基本的
に、誘電／磁気構造の表面で電磁波を方向付け、波形の
変化を分析する分析器へ反射された波を方向付けるため
の導管である。分析は、概して反射された波の位相と大
きさの両方の測定を含む。反射された或いは吸収された
エネルギーの量は、被検査体の真性の電磁特性に因るの
で、真性特性は反射された波の大きさ及び位相から導き
出され得る。関連する物理及び数学の原理は、基本的な
電磁法則の、特に同じ基本的な原理に従って作動するア
ンテナの、実用的な知識を持つ人々には公知である。
従来の誘電プローブは、その全てがVHF/UHFの帯域の
マイクロ波及び／或いは電磁波のような高周波数の波を
伝えることができるものである。両口導波管、開放共振
器、交互配置型誘電電位計、及び同軸ケーブルを含む、
材料に対して波を方向付けるための色々な導管を使用す
る。公知のように、波の電界ベクトルＥ及び磁界ベクト
ルＨは、何れも分極成分（ε′、μ′）と損失成分
（ε′′、μ′′）の両方を含む、材料の誘電率ε及び
材料の透磁率μによって夫々影響される。夫々のベクト
ルの結合は、Ｅベクトル及びＨベクトルの相対的大きさ
を変え、それによって波の全体的な位相及び大きさの両
方を変える。
誘電及び／或いは磁気の材料と電磁波の相互作用の理
論は、一般的に公知であるが、μ及びεの特定の組合せ
は反射された波で従来の測定技術によって区別できない
ので、真性特性ε及びμの一方は他方を導き出すために
分かっていなければならない。
非磁気料の透磁率μは自由空間の透磁率の定数に等し
いと仮定され得るので、この場合は問題ではない。しか
し、磁気効果が重要である場合は、μを測定する別の方
法が必要とされる。従来の誘電プローブは、ある材料の
誘電特性の外にその真性透磁率を測定することはできな
い。
透磁率に関する知識は、色々な状況に於て重要であり
得る。最大の吸収或いは透過の厚さは非磁気材料と磁気
材料とでは違うので、アンテナに精通している人々によ
って評価されるであろうように、例えば、μ及びεの相
互作用は、比較的に薄い被覆の構造を評価するのに重要
である。純誘電材料は、入射放射線の波長の1/4でエネ
ルギーの最大量を吸収し、磁気材料は入射放射線の1/2
で最も多いエネルギーを吸収する。従って、如何なる被
覆された被検査造の完全な分析には、被覆が磁気特性を
有する時は何時でも、少なくとも定性的な、μの知識を
必要とする。
勿論、誘電プローブは対照的に、従来の磁気プローブ
を使って、磁気材料の透過率を測定することは可能であ
る。これは一般的に、材料に印加され且つそれがセンス
・コイルによって読まれ得る磁性芯トランスデューサを
によって方向付けられる磁気フラックスの変化を読むこ
とによって具現される。しかし、別々の磁気の及び誘電
のプローブを使用することは、実行の困難さ及び特に高
周波数で使用されるこのμ測定技術の無力さを含む、数
多くの制限がある。
発明の要約 従って、本発明の目的は、被検査体即ち検査する材料
に対して電磁波を方向付けることと、電磁波と被検査体
との間の相互作用によって生じる変化に対して反射され
た波を分析することとによって作動する型の従来のもの
とは別のプローブを使って、非磁性の被検査体だけでな
く、磁性の被検査体も分析することができる装置を提供
することである。
本発明の別の目的は、電磁波の透磁性の効果が反射さ
れた波のスペクトル（振幅及び位相）を分析することに
よって導き出され得る、磁気材料を分析するための装置
を提供することである。
更に別の目的は、材料の厚さ及び材料の別の構造的特
性が、反射されたスペクトルを標準値と比較することに
よる被検査体から反射された波の分析によって導き出さ
れ得る、磁性の被検査体と非磁性の被検査体の両方を分
析するための装置を提供することである。
最後に、本発明のまた別の目的は、誘電／磁気材料の
真性磁気特性、更に加えて真性電気特性を分析すること
ができ、更に構造が単純で、製造し易い誘電プローブを
提供することである。
これらの目的は、材料へ電磁波を方向付けるためと、
反射された波を分析器へ戻るように誘導するための導管
即ちスリーブが、磁気フラックス発生器、例えば導管の
周わりに巻付けられた電磁コイルを具備し、このフラッ
クスを印加したり除去したりするように選択的にエネル
ギーを加えられることができ、印加した状態と除去した
状態での両方の反射された波のスペクトルが比較され
る、誘電プローブを提供することによって達成される。
本発明の特に有益な実施例に於て、コイルからのフラ
ックスは、波が方向付けられる領域にフラックスを集中
するようんに、同軸ケーブルの外側の導体を取り囲む軟
磁気材料の導管及び同軸ケーブルの軟磁性の内側の導体
によって分析される構造に集中され、且つ印加される。
その結果、反射した波の周波数スペクトルが使用され
て、材料の真性電気特性と磁気特性の両方と、更に加え
て厚さ、分散した被覆材料の場合の均一性、材料の欠損
部、裂け目、或いは隙間、等々に関する情報を含むその
構造とに関する豊富な情報が取り出され得る。
本発明の更に別の特に有益な実施例によると、プロー
ブの大きさ、及び分析される被検査体の奥行きの輪郭を
得るために加えられる波の周波数を変えることによって
入射波の透過の範囲及び／或いは深さを変えることを含
む、プローブを使用する方法が提供される。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の好ましい実施例の原理に従って構成
された誘電プローブの部分断面略側面図である。
図２は、磁性複合材料の透磁率の関数として、界のあ
る及び界のない状況のもとでの図１のプローブによって
反射される波の間の振幅の差のグラフである。
図3aは、加えられる電磁波の周波数の関数として、図
１のプローブによって反射された波の間の位相の差のグ
ラフであり、図3bは、色々な試料の厚さに対する特定の
特徴の周波数の位置のグラフである。
好ましい実施例の詳細な説明 図１は、絶縁材料から作られたスペース４によって、
及び外側の伝導部分５によって、夫々、取り囲まれた内
側導体３を含む同軸ケーブル２を具備する、本発明の原
理に従って構成された誘電プローブ１の最近の好ましい
実施例を示す。同軸ケーブルが図示されているが、この
型のプローブでの同軸ケーブルの機能は、ただ材料に向
って電磁放射線を誘導し、且つ材料から図１に略図で示
されるネットワーク分析器６のような分析器へ反射され
た波を誘導することであり、従って色々な波の誘導体が
図示されたケーブルに入れられ得ることが、当業者によ
って理解されるであろう。
同軸ケーブル、それ自身は公知の型のものであり得、
ケーブルの特別な特徴は材料に方向付けられる波の周波
数によって決まる。上記に記されるように、開放端部の
長方形或いは円形の波誘導体、開放共振器、及び交互配
置型誘電電位計を含む、波のための他の種々の導波管も
代用され得るが、同軸ケーブルはその周波数範囲が広い
ので、及び下記で説明されるようにコイルによって取り
囲まれる透過性のスリーブの使用、及び同じく下記に説
明されるような、ケーブルの中心の導体として鉄のロッ
ド或いは他の適切な軟磁気材料の使用によって印加され
る磁界をサンプルにより容易に結合することができるの
で同軸ケーブルが好ましい。
本発明のこれらの独特の特徴は、特に、テストされる
被検査体に磁界を加えるのを助けるコイル７、及び制御
可能なようにその界を集中させるための構造を具備す
る。コイル７は電流源に連結されて、材料内に界をつく
る従来の電磁コイルである。フラックスの集中は、最初
に、ケーブルの外側導体とコイルとの間に置かれるほぼ
シリンダ型の形状の軟磁気スリーブ８によってもたらさ
れ、そのスリーブはコイルを支持し、材料に対する接触
表面を具備する非磁性フランジ９を具備する。フラック
スの集中は、同軸ケーブル内側導体である軟磁気部材即
ちロッド３の使用によって更に助けられる。スリーブは
分析される被検査体からフランジ９によって間隔をあけ
られ、一方で内側導体は材料に接触するのを意図される
ので、スリーブ８からのフラックスは内側導体３の先端
で集中することになり、フラックスが要求される場所、
即ち波が材料を通り抜ける点を指向するのを確実にす
る。
テスト結果の再現性を確実にするために、内側導体３
は、テストされる材料としっかりと接触して保持されな
ければならない。幸いにも、プローブの単純な特性は、
この目的のために行われる、金属層で伝導するか或いは
それで被覆されるか何れかの、フランジ９のための可撓
性の材料の使用を含む色々な変更を可能にして、プロー
ブが僅かに湾曲した部分を形成するのを可能にする。更
に、枠11によって略図で示された可撓性のブーツ及び真
空システムは、テストされる部分に対してプローブをし
っかりと引っ張るために、フランジ９の周りにしっかり
と合わされ得る。その結果、プローブとテストされる部
分の両方を保護するためにプローブの面の上の薄い保護
層が必要とされ得るということが考えられる。
上記の構造は、磁界を印加したり除去したりするこ
と、及び両方の状況での反射された波のスペクトルを測
定することを含む単純なテスト方法を容易にする。この
方法は、周波数及びプローブの大きさに関する電磁波の
透過依存度の特性を利用して、被検査体の奥行きの輪郭
を得るのに展開され得る。これらのパラメータを変化す
ることによって、被覆体の異なる奥行きが推定され、輪
郭が作られ得る。
コイル７及びフラックスを集中させる部材３及び８の
おかげで、材料の磁気の特性は、材料の磁界のスピン或
いは磁区が入射波の電磁界ベクトルを移動させたり、そ
れと相互に作用したりするの防ぐために、外部の界の印
加を制御して磁界のこの特性を変えることによって分析
されることができる。ベクトルの相互作用が、真性の透
磁率或いは誘電率の定量的測定を行うのに十分精密に制
御されることができない時でさえ、界を印加したり除去
したりすることによって得られる情報は、一組の標準値
に対する比較値が作られ得る定量的な方法に使用される
ことができる。
図２に示されるグラフは、磁性複合材料の既知の透磁
性に対する磁界及び非磁界の条件のもとでの反射波の測
定された振幅の差をプロットすることによって得られ
る。このグラフから明らかなように、振幅の差は透磁率
に多少敏感である。図3aは、位相差がサンプルの厚さに
よって決まることを示す。図3aの曲線の夫々の低周波数
のピークの位置は、ピークの位置が測定される厚さと明
白に相関関係を持つことを示す図3bにグラフで示され
る。
図２、3a、及び3bに示される測定値をとるのに使用さ
れたサンプルのプローブは、１アンペアの電流に連結し
てプローブの先端に2.2KGの界を生成する、1820回巻き
の電磁コイルによって取り囲まれる、ぴったり7mmの同
軸ラインを具備する。このサンプルのフラックス集中器
の材料は、夫々、スリーブには1006ステンレス鋼と、中
心の導体ロッドには純鉄である。これらの材料及び寸法
は、勿論当業者によって変更可能であり、本発明にとっ
ては重要ではない。事実、波誘導体の型、フラックス集
中器の型、及び軸方向の磁界を適用するための手段でさ
えもが、全て本発明の範囲内で変化され得る。従って、
本発明は上記の説明によっては限定されないが、むしろ
添付の請求の範囲によってのみ規定されるということが
意図される。
フロントページの続き (72)発明者 リザ、マーク・エー アメリカ合衆国、ニューヨーク州 11771、オイスター・ベイ、サマース・ ストリート 36 (56)参考文献 特開 平２−110357（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−49074（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−54273（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−2310（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4087745（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 22/00 - 22/04 G01N 27/72 - 27/90 G01R 27/00 - 27/32 G01R 33/00 - 33/26

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被検査体に電磁波を方向付けるための、及
    び反射した波を分析器へ誘導するための手段と； 被検査体に磁界を選択的にかけるための手段： とを具備する、非破壊テスト装置であり、 前記電磁波を方向つけるための手段が同軸ケーブルであ
    り、 前記磁界をかけるための手段が前記ケーブルの外側導体
    の回りに巻かれたコイルと、前記外側導体を取り囲み、
    且つ前記コイルに取り囲まれている軟磁気スリーブと、
    前記外側導体に取り囲まれ且つ前記ケーブルの端部まで
    延在して前記被検査体に接触している軟磁気内側導体と
    を具備し、 前記コイルにより前記軟磁気スリーブ内に最初に誘起さ
    れたフラックスが前記軟磁気内側導体内に集中させられ
    る、 前記非破壊テスト装置。
  2. 【請求項２】前記スリーブがステンレススチールから作
    られる請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】前記コイルによって前記スリーブ内に最初
    に誘起されたフラックスを前記内側導体内に集中させる
    ために、前記スリーブが前記被検査体から間隔をおいて
    配置される、請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】前記内側導体が鉄で作られる請求項１記載
    の装置。
  5. 【請求項５】前記装置を被検査体に対して保持するため
    の手段を更に具備し、前記保持するための手段は、装置
    に取り付けられ被検査体に向かって配置される可撓性真
    空保持ブーツを具備する、請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】請求項１記載の装置を使用する被検査体の
    非破壊テストの方法であり、 ａ）磁界を被検査体に印加すること無しに、同軸ケーブ
    ルを使用して第１の電磁波を被検査体から反射させ、反
    射された波のスペクトルを分析することと;b）コイルと
    軟磁気部材を使用して、磁界を被検査体に印加すること
    と； ｃ）ステップｂ）と同時に、同軸ケーブルを使用して、
    第２の電磁波を被検査体から反射させ、反射された第２
    の波のスペクトルを分析することと； ｄ）ステップ（ａ）及び（ｃ）で得られた夫々の分析さ
    れたスペクトルを比較することと： のステップを具備する、前記テストの方法。
  7. 【請求項７】分析されたスペクトルを標準値と比較し
    て、被検査体に関する定量的な情報を取出すステップを
    更に具備する、請求項６記載の方法。
  8. 【請求項８】大きさの異なるプローブを使用して、被検
    査の奥行きの輪郭を得るステップを更に具備する、請求
    項６記載の方法。
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