JPH07507396A - 誘電／磁気材料の非破壊テストのための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 誘電／磁気材料の非破壊テストのための装置本発明の背景 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、構造から波を反射させ、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、 構造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、実用的な知謀を持つ人々には公 知である。

従来の誘電プローブは、その全てがＶ　ＨＦ　／　Ｕ　ＨＦ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、及び共軸ケーブルを含む、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。

非磁気材料の透磁率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１１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。純誘電月料は、 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、如何なる被覆構造の完全 な分析な、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ユ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、構造に於て電磁波を方向付けることと、電磁波と構造 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、非磁気構造だけでな く、磁気構造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構造から反射された波の分析によって導き出さ れｉ辱る、磁気構造と非磁気構造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が、磁気フラックス発生器、例えば導管の周りに巻 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、共軸ケーブルの外側の導体を取り囲 む軟磁気材料の管及び共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、裂は目、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 る構造の厚さ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。

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サ４によって、及び外側の伝導部材５によ って、夫々、取り囲まれた内側導体３を含む共軸ケーブル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。共軸 ケーブルが図示されているが、この型のプローブでの共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。

共軸ケーブル、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 部の長方形成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、共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な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、テストされる構造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、共軸ケーブルの内側導体として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構造からフランジ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、プローブが作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、構造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、−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 の条件のもとて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２．３　ａ　’−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 共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、中心の導体ロツ、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。

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 ての図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。

ＦＩＧ、↑

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．構造に電磁波を方向付けるための、及び波の反射を分析器へ誘導するための 手段と； 電磁波の反射と同期して、構造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。 ２．前記電磁波の方向付け手段が共軸ケーブルである、請求項１記載の装置。 ３．前記磁界を印加する手段が、前記ケーブルの外側導体の周りに巻き付けられ るコイルを具備する、請求項２記載の装置。 ４．前記磁界をかける手段が、前記構造に磁気フラックスを集中させるための手 段を更に具備する、請求項３記載の装置。 ５．前記フラックスを集中する手段が、前記外側導体を取り囲み、更に前記コイ ルによって取り囲まれる軟磁性のスリーブを具備する、請求項４記載の装置。 ６．前記スリーブが、１００６ステンレス鋼から作られる、請求項５記載の装置 。 ７．前記フラックスを集中する手段が、前記ケーブルの端部で前記ケーブルの内 側導体を形成して、前記構造に接触する軟磁性の部材を更に具備する、請求項５ 記載の装置。 ８．前記スリーブが前記構造から間隔をあけられて、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へ前記コイルによって集中させる請求項７ 記載の装置。 ９．前記内側導体が鉄から作られる、請求項７記載の装置。 １０．前記フラックスを集中する手段が、前記ケーブルの端部に軟磁性の内側導 体を具備して前記構造に接触するようにする、請求項４記載の装置。 １１．前記構造上に前記磁気フラックスを集中させるための手段を更に具備する 、請求項２記載の装置。 １２．前記フラックスを集中する手段が、前記外側導体を取り囲み、更に前記コ イルによって取り囲まれる軟磁性のスリーブを具備する、請求項１１記載の装置 。 １３．前記スリーブが、１００６ステンレス鋼から作られる、請求項１２記載の 装置。 １４．前記スリーブが前記構造から間隔をあけられて、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に前記コイルによって集中させる、請求項 １３記載の装置。 １５．前記内側導体が鉄から作られる、請求項１３記載の装置。 １６．前記構造に前記磁気フラックスを集中させるための手段を更に具備する、 請求項１記載の装置。 １７．前記フラックスを集中する手段が、前記電磁波指向手段を取り囲み、更に 前記磁界をかける手段によって取り囲まれる軟磁性のスリーブを具備する、請求 項１６記載の装置。 ！８．前記スリーブが１００６ステンレス鋼から作られる、請求項１７記載の装 置。 １９．前記フラックスを集中する手段が、前記電磁波指向手段の端部で、前記電 磁波指向手段内に配置される軟磁性の心を更に具備する、請求項１７記載の装置 。 ２０．前記スリーブが前記構造から間隔をあけられて、前記磁界をかける手段に 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心内に集中させる、 請求項１９記載の装置。 ２１．前記心が鉄から作られる、請求項１９記載の装置。 ２２．前記磁界をかける手段が、前記電磁波指向手段の周りに巻かれたコイルを 具備する、請求項１記載の装置。 ２３．前記磁界をかける手段が、前記構造上に磁気フラックスを集中させるため の手段を更に具備する、請求項２２記載の装置。 ２４．前記フラックスを集中する手段が、前記電磁波指向手段を取り囲み、更に 前記コイルによって取り囲まれる軟磁性のスリーブを具備する、請求項２３記載 の装置。 ２５．前記スリーブが１００６ステンレス鋼から作られる、請求項２３記載の装 置。 ２６．前記フラックスを集中する手段が、前記電磁波指向手段の端部に配置され て前記構造と接触するようにする軟磁性の心を更に具備する、請求項２５記載の 装置。 ２７．前記スリーブが前記構造から間隔をあけられて、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心に集中させる、請求項２６記 載の装置。 ２８．前記心が鉄からできている、請求項２６記載の装置。 ２９．構造に対して前記装置を保持するための手段とブーツを取り外すための手 段とを更に具備し、前記保持するための手段は装置に取り付けられ、構造に向っ て配置される可撓性のブーツを具備する、請求項１記載の装置。 ３０．ａ）第１の電磁波を構造から反射させ、磁界を構造に印加すること無しに 反射された波のスペクトルを分析することと； ｂ）磁界を構造に印加することと； ｃ）ステップｂ）と同期して、第２の電磁波を構造から反射させ、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； のステップを具備する、構造の非破壊テストの方法。 ３１．分析されたスペクトルを標準値と比較して、構造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３０記載の方法。 ３２．プローブの大きさを変えて、構造の奥行きの輪郭を得るステップを更に具 備する、請求項３０記載の方法。