WO2015044130A1 - Materialprüfgerät und prüfverfahren zur zerstörungsfreien prüfung von eigenschaften eines prüflings - Google Patents

Materialprüfgerät und prüfverfahren zur zerstörungsfreien prüfung von eigenschaften eines prüflings Download PDF

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WO2015044130A1
WO2015044130A1 PCT/EP2014/070226 EP2014070226W WO2015044130A1 WO 2015044130 A1 WO2015044130 A1 WO 2015044130A1 EP 2014070226 W EP2014070226 W EP 2014070226W WO 2015044130 A1 WO2015044130 A1 WO 2015044130A1
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WO
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permanent magnet
movement
sensor
test
testing device
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/070226
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Scherer
Original Assignee
Magnetische Prüfanlagen Gmbh
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.)
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Application filed by Magnetische Prüfanlagen Gmbh filed Critical Magnetische Prüfanlagen Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013—Arrangements for scanning

Definitions

  • the invention relates to a material testing device for non-destructive testing of properties of a test specimen at and / or in the vicinity of a surface of the specimen as well as a test device that can be carried out using such a material test device.
  • NDT non-destructive testing
  • Eddy current testing has proven itself in the testing of electrically conductive materials in many applications, such as automated nondestructive testing of semi-finished products for the metal-working and metalworking industries, and for testing safety-critical and mission-critical components for land - and aircraft or in plant construction.
  • the sensor systems used for eddy current testing are commonly referred to as "eddy current probes”.
  • a conventional eddy current probe constructed with coils comprises one or more field coils (or excitation coils), which are connected to an AC voltage source to perform the test and then generate a high frequency alternating electromagnetic field which penetrates the test material during testing and substantially generated in a near-surface layer of the test material eddy currents, which react by counter-induction on one or more measuring coils (or receiver coils) of the eddy current probe.
  • Field coils and measuring coils can be separated, but it is also possible that a coil serves as a field coil and as a measuring coil.
  • a defect in the tested area such as a crack, contamination or other material inhomogeneity, interferes with the propagation of the eddy currents in the test material and thus alters the eddy current intensity and thereby also the intensity of the secondary magnetic field applied to the measuring coil.
  • the resulting electrical impedance changes in a measuring coil lead to electrical measuring signals in the form of electrical voltage changes, the can be evaluated by means of an evaluation device to identify and characterize defects. Electrical impedance changes can also be used on defect-free material for testing or measurement purposes, eg, in measurements of electrical conductivity or magnetic permeability.
  • the eddy current test allows a test for near-surface defects with high sensitivity and spatial resolution.
  • the invention has for its object to provide a material tester, which can be used for the eddy current test under many different test conditions.
  • a detection of deeper-lying defects in metallic specimens with good spatial resolution and high testing speed should be made possible.
  • a material testing apparatus having the features of claim 1 is provided. Further provided is a test method having the features of claim 12, which can be performed using such a material tester.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
  • the material testing device has a base body that defines a reference surface.
  • the reference surface is a surface defined or definable in the coordinate system of the basic body, e.g. a flat surface which, in the intended use of the material testing device, faces the surface of the test object and / or lies in the vicinity thereof and / or runs essentially parallel to the surface of the test object.
  • the front side of the material testing device facing the test object can be regarded as the reference surface.
  • a permanent magnet is mounted on or in the base body and stored by suitable storage facilities so that it is movable relative to the main body. Due to the construction of the bearing devices, the permanent magnet gets certain degrees of freedom of movement for movement in one or more dimensions.
  • a drive system is used to generate a movement of the permanent magnet relative to the base body according to a predetermined movement pattern in such a way that in this relative movement of the relative distance and / or a relative angular position between the permanent magnet and the reference surface changes several times.
  • the material testing device (at least) a sensor sensitive to changes in magnetic fields, which is permanently or phase-wise arranged in the region of the magnetic field generated by the permanent magnet.
  • the sensor is separate from the permanent magnet and does not move with it.
  • the sensor generates e.g. electrical sensor signals when the strength of a magnetic field in the region of the sensor changes over time.
  • devices for connecting the sensor to an evaluation device are provided. To carry out a material test, the sensor is connected via the connection devices to an evaluation device, which may be a constructive component of the material testing device, but may also be arranged outside the material testing device remote from it.
  • the sensor signal occurring at the sensor results from a superposition of the effect of the moving permanent magnet on the sensor and a reaction of the test object on the sensor.
  • the test object consists of an electrically conductive material at least in the region of its surface, a non-destructive eddy current test can be carried out with such a material tester.
  • the time-varying magnetic field necessary for inducing the eddy currents is not generated by means of a variable-current magnetic field.
  • NEN coil exciter coil
  • magnetizable material it may under certain circumstances be magnetized with the aid of the permanent magnet at least partially, but possibly even to saturation, as a result of which influences due to permeability fluctuations of the test material can be reduced. This makes it possible to achieve an improvement in the signal-to-noise ratio. It is thus also proposed to use the material testing device for testing a test piece of magnetizable material.
  • a permanent magnet or permanent magnet is preferably a magnet made of at least one piece of a magnetizable material which retains its static magnetic field without, as in the case of electromagnets, requiring an electrical current flow for generating the magnetic field.
  • the energy density of the permanent magnet given by the product of magnetic flux density B and magnetic field strength H, should as a rule be as high as possible, so that the lowest possible ratio between the dead weight of the permanent magnet and the generated magnetic field strength can be achieved. This makes it possible to realize even complex movement patterns with phase-wise strong accelerations.
  • the permanent magnets are a rare earth magnet consisting essentially of a ferrous metal such as iron, cobalt or nickel and one or more rare earth metals such as neodymium, samarium, praseodymium, dysprosium, terbium or gadolinium, optionally also with yttrium.
  • a rare earth magnet consisting essentially of a ferrous metal such as iron, cobalt or nickel and one or more rare earth metals such as neodymium, samarium, praseodymium, dysprosium, terbium or gadolinium, optionally also with yttrium.
  • Other magnetic materials For example, aluminum-nickel-cobalt or bismanol (an alloy of bismuth, manganese and iron) can be used as a permanent magnet.
  • Some advantages of the claimed invention could also be achieved with a permanent magnet having at least one DC-current coil, which should be connected to a constant current source as much as possible to achieve a constant magnetic field.
  • a single sensor sensitive to magnetic field changes may be sufficient.
  • a corresponding embodiment has exactly one sensor. It is also possible to provide two, three or more such sensors.
  • a single permanent magnet is provided, whereby the construction of the material testing device is simple, inexpensive and robust.
  • the evaluation is simplified because sensor signals must be evaluated only in relation to movements of a single permanent magnet.
  • the material testing device has two or more permanent magnets, wherein the plurality of permanent magnets can be moved according to different movement patterns in temporal coordination with each other. As a result, complex spatial / temporal changes in the magnetic field in the test object can be caused, if necessary, in order to work, for example, in a wider range of penetration depths.
  • the evaluation of the sensor signals can be correspondingly more expensive.
  • An array arrangement with a plurality of permanent magnets and sensors is also possible.
  • the sensor is spatially separated from the permanent magnet and does not move with it.
  • the position of the sensor relative to the body can thus be fixed during the test. This can result in particularly robust and simple constructions.
  • the sensor may, for example, be attached directly or indirectly to or in the base body, so that it is always located in a firmly defined position with respect to the reference surface.
  • the sensor it is also possible for the sensor to be arranged on a separate component from the main body, in order, for example, to face away from the permanent magnet during the test Rear of the specimen to be arranged in a fixed spatial relationship to the body.
  • the permanent magnet is supported so that it can perform a nonrotatory movement.
  • a non-rotational movement in this sense is a movement that can not be fully described as a rotation about an axis of rotation passing through the permanent magnet.
  • a non-rotational movement may thus contain rotational components, but there are other components of motion present.
  • the permanent magnet is supported so that it can perform a linear oscillatory motion relative to the reference surface.
  • the direction of movement can, for example, run perpendicular to the reference surface.
  • a preferred permanent magnet defines a magnetic axis that passes between opposing magnetic poles (north pole and south pole). Within the permanent magnet, the field lines run parallel to the magnetic axis and emerge at the mutually opposite pole faces of the permanent magnet substantially parallel to the magnetic axis.
  • a linear oscillation movement may be parallel to the magnetic axis, so that the field lines can penetrate the specimen surface substantially parallel to the normal direction of the specimen. It can thereby be achieved that in the vicinity of the surface no or only a very small change in the temporal change of the magnetic flux density results, so that even at higher frequencies of motion no significant skin effect occurs and the magnetic field can reach greater penetration depths.
  • the drive system may be configured to move the permanent magnet during the test according to a periodic pattern of motion.
  • the periodic movement pattern may be, for example, a sinusoidal movement pattern, ie a movement pattern to which a single frequency can be assigned. The evaluation of the sensor signal can be aligned to this test frequency.
  • the permanent magnet is moved during the test according to an at least approximately rectangular movement pattern, so that the movement can be described by a defined spectrum of frequencies.
  • the evaluation can be aligned to these frequencies.
  • different penetration depths can be realized.
  • more complex movement patterns can also be generated, for example in such a way that the permanent magnet is moved in accordance with a wavelet-shaped movement pattern.
  • moving permanent magnets can, if required, produce much stronger magnetic fields or much stronger eddy currents without consuming more (electrical) energy for the generation.
  • the potentially low energy consumption results in a particular suitability of material testing equipment as portable devices and / or as hand-held devices.
  • Some embodiments are hand-held and / or portable material testing devices.
  • the material testing device has a mains independent power supply, for example with a battery or an accumulator. As a result, universal applications are possible even in hard to reach places.
  • the drive system has a piezo drive with at least one piezoelectric element which is connected or connectable to an AC voltage source Piezo drive, the piezoelectric effect is used to generate the movements of the permanent magnet.
  • a piezoelectric element which contracts or expands depending on an applied electrical voltage can be used, for example, as a direct drive for a linear movement of a permanent magnet.
  • the stroke and its time course are well controlled via the applied electrical voltage.
  • Gear or other transmission means for transmitting the movement of a drive element to the permanent magnet may be provided, but are preferably not present, so that there is a simple gear-free structure of the drive system.
  • the drive system includes an electric motor as a drive element, wherein the electric motor can be coupled as an electric direct drive directly or via a transmission with the permanent magnet.
  • An electric motor e.g. may be favorable for generating rotational movements of the permanent magnet.
  • the drive system may also be designed as a pneumatic drive system, for example, as a drive element can be provided via a pneumatic air driven impeller or a turbine.
  • the permanent magnet is mounted so that it can perform a rotational movement about an axis of rotation, which is preferably directed perpendicular to the reference surface.
  • a rotatable permanent magnet is preferably mounted so that its magnetic axis is perpendicular to the axis of rotation.
  • the senor includes a coil assembly having one or more coils, which may be wound from wire, for example, or fabricated by printed wiring methods.
  • a coil arrangement can be designed as an absolute coil arrangement or as a differential coil arrangement. Coil arrangements may be particularly advantageous in the evaluation of signals at high frequencies.
  • the sensor it is also possible for the sensor to have at least one GMR sensor arrangement, that is to say a sensor arrangement which uses the so-called GMR effect (giant magnetoresistance) or giant magnetoresistance for detecting alternating magnetic field strengths.
  • GMR sensor arrangement that is to say a sensor arrangement which uses the so-called GMR effect (giant magnetoresistance) or giant magnetoresistance for detecting alternating magnetic field strengths.
  • GMR effect giant magnetoresistance
  • giant magnetoresistance giant magnetoresistance
  • the senor has a superconducting quantum interference unit (SQUI D).
  • SQUI D superconducting quantum interference unit
  • An evaluation device for evaluating sensor signals is assigned to the material testing device.
  • the evaluation device can be integrated in the material testing device so that the material testing device forms a complete material testing system. It is also possible that the evaluation device is a material testing device separate unit to which the material testing device via cable or wireless (wireless) is connected. This makes particularly lightweight and compact material testing equipment possible.
  • the type of evaluation depends on the desired type of material testing.
  • the evaluation device is configured to evaluate sensor signals resolved according to amplitude and phase with respect to the movement of the permanent magnet. The movement of the permanent magnet generates a reference signal on the sensor, which changes in a characteristic manner due to the presence of the test object to be tested, the changes with respect to the reference signal permitting statements about the properties of the test object.
  • the base body is formed in the manner of a substantially closed housing or forms part of a closed housing, wherein the permanent magnet, a drive of the drive system and preferably also the sensor are arranged within the housing. These units are thus well protected against damage and contamination.
  • a single connection device may be sufficient to obtain electrical connections for supplying the drive of the drive system as well as for transmitting electrical sensor signals.
  • the Materialprüfêt may optionally be so compact dimensioned that it can be easily brought as a hand-held device by a user to the test area of a DUT.
  • the dimensions of the material testing device are not limited in principle.
  • the invention also relates to a test method for the non-destructive testing of properties of a test object at or in the vicinity of a surface of the test object.
  • the test method uses at least one material tester of the type described here.
  • the material tester is positioned relative to the specimen such that the reference surface is in contact with the surface or at a defined distance from the surface.
  • a movement of the permanent magnet according to a predetermined movement pattern is generated by means of the drive and sensor signals generated by the sensor are evaluated by means of the evaluation device for characterizing the test object.
  • the material testing device can be moved, for example, in the manner of a scanning movement over the surface to be tested in order to be able to scan larger surface areas without gaps, if necessary.
  • a local test is also possible in which the material tester rests during the test with respect to the test specimen.
  • the possibilities of using the material testing device are not limited to this. If appropriate, it is also possible to carry out a measurement of the mechanical impedance of test piece material with the aid of the material testing device, whereby the test piece material does not necessarily have to be electrically conductive for this purpose.
  • the term "impedance" is intended here to summarize all resistances that counteract the propagation of mechanical vibrations in a certain environment.For example, if the material testing device is placed on the test object so that it is in touching contact with it, the movement of the permanent magnet can become defined
  • the mechanical feedback from the device under test to the material tester can be used to determine the characteristics of the device under test, and it may be sufficient to evaluate any detuning of the sensor signal due to the changed vibration situation For example, a changed impedance can be manifested in a reduction or increase in the oscillation amplitude, which can be determined and evaluated.
  • the material testing device in addition to a sensor sensitive to changes in the magnetic field, also has one or more vibration-sensitive sensors, for example a structure-borne sound sensor or an airborne sound sensor, for example a microphone or like.
  • vibration-sensitive sensors for example a structure-borne sound sensor or an airborne sound sensor, for example a microphone or like.
  • a combination material testing device can be created, which can also measure mechanical impedances in addition to electrical impedances and evaluate them for characterizing test specimen properties.
  • the frequency spectrum of the excited mechanical vibrations when excited with pulses or square wave signals can be detected and evaluated.
  • the two measuring methods can be carried out at the same time on the same test volume or offset in time from one another.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a material testing device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows in FIG. 2A possibilities of movement of a permanent magnet and in FIGS
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a material testing device according to another embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a possibility of use in the on-board monitoring of moving components of a transmission.
  • the schematic Fig. 1 shows a longitudinal section through a material testing apparatus 100 according to an embodiment of the invention in carrying out a test method for non-destructive testing of properties of a specimen 190 in the region of the surface 192.
  • the specimen consists in the example of an electrically conductive metallic material and shall With the help of the material tester by means of eddy current technology to be checked for the presence of defects that are located on the surface or near the surface inside of the material.
  • the material testing device 100 is part of a material testing system 105, to which, in addition to the material testing device 100, there is also a supply and evaluation unit 180, to which the material testing device is connected via a connection cable 182.
  • the material testing device 100 has a stable sleeve-shaped main body 1 10 made of an electrically non-conductive, non-magnetizable material, for example, a sufficiently strong plastic material or a ceramic material.
  • the main body is closed at its front side facing the test specimen for the test with a flat end plate 1 12 and at the opposite rear side via a connecting element 1 14.
  • the central axis 1 15 of the body is also the scholarraceachse of Materialprüfêts, which runs in the z-direction of the device fixed coordinate system KS.
  • the end plate 1 12 consists of an electrically non-conductive and non-magnetizable material, such as a sufficiently strong plastic material or a ceramic material and is easily replaceable in the example on the body by means of screws or the like. attached.
  • the flat front side of the end plate which is oriented perpendicular to the tester axis 1 15 and is to be used for the test specimen, serves as a reference surface 1 13 for the purposes of this application. This choice is expedient, but not mandatory.
  • connection element 1 14 are plug elements for connecting the connecting cable 182.
  • the main body 1 10, the end plate 1 12 and the connecting element 1 14 enclose an interior 1 16, in which the essential electrical and mechanical components of the material testing protected against damage and contamination are housed.
  • a piezo drive 120 with one or more piezoelectric elements is fixedly mounted on the main body 1 10 by means of a holding device 122.
  • Connection lines 124 for the electrical supply of the piezo drive lead through the connection element 1 14 via the connection cable 182 to an AC voltage source in the supply and evaluation unit 180.
  • the AC voltage source can be a signal generation unit for generating an electrical control signal (eg sine, rectangle, wavelet etc.). and a connected power amplifier for amplifying this control signal.
  • a permanent magnet 130 is attached, which is a rare earth bar magnet in the example.
  • the magnetic axis 132 of the rod-shaped permanent magnet that is to say the connecting line between the north pole N and the south pole S, is parallel to the tester axis 1 15 or parallel to the axis of motion 122 of the piezoelectric element.
  • zoantriebs aligned so that the permanent magnet with the aid of the piezoelectric actuator 120 in a direction parallel to the normal direction of the end plate extending direction of movement can be moved to the end plate to or from this.
  • the amplitude (stroke) and the time profile of this linear movement can be controlled by means of the alternating voltage acting on the piezo drive 120, so that the permanent magnet can be moved back and forth in accordance with a predetermined movement pattern.
  • the permanent magnet 130 permanently generates a magnetic field without energy supply, whose magnetic field lines F emerge from the permanent magnet 130 at the poles substantially parallel to the magnetic axis 132 or perpendicular to the reference plane 13.
  • the linear oscillation movement generated with the aid of the piezo drive 120 runs parallel to the course of the field lines at and in the vicinity of the pole faces.
  • a single magnetic field sensitive sensor 140 is arranged in the form of a wire coil.
  • the coil of the sensor 140 defines a coil plane 142, which is aligned parallel to the end plate 1 12 and perpendicular to scholar marunterachse 1 15.
  • the coil is attached via corresponding holding devices on the inside of the main body 1 10 and connected via connecting lines 144 with associated connector elements in the connection element 1 14. Alternatively, the coil can also be fastened to the end plate and optionally be exchangeable therewith.
  • the material tester is brought with its sensor side (side with cover plate) in the vicinity of the specimen 190 that the end plate 1 12 either contacted the surface or at such a small distance A (test distance) is arranged to this that the Magnetic field lines generated by the permanent magnet on the end face facing the test specimen still penetrate more or less parallel to the normal direction N of the specimen surface, ie perpendicular to the surface profile, into the specimen material.
  • the stroke H of the oscillation movement and the test distance A are preferably adapted to one another such that this condition applies to all stroke positions of the permanent magnet.
  • the lateral divergence of the field lines to return to the opposite pole takes place only at a greater distance from theticianlingsober Structure within theticians.
  • the permanent magnet is moved with the aid of the piezo drive according to a predetermined movement pattern relative to the surface 192 such that in the relative movement between the permanent magnet and educalingsober Design a multiple change of the relative distance between permanent magnet and surface 192 takes place.
  • the permanent magnet oscillates parallel to the scholar réelleachse 1 15 and perpendicular to the reference surface 1 13 and the specimen surface.
  • a conventional eddy current probe could be operated so that the coil of the sensor 140 serves not only as a measuring coil but also as an exciting coil.
  • the coil would be charged with alternating current.
  • the alternating magnetic field generated by the coil could have a similar course of the field line as the magnetic field generated by the permanent magnet.
  • the magnetic field strength B would change periodically with the frequency of the alternating current so that a time-varying magnetic field with dB / dt + 0 would result in the region of the surface 192.
  • 192 eddy currents would already arise directly on the surface, which counteract their cause and would make the penetration of the primary magnetic field into the material more difficult (so-called skin effect).
  • the primary alternating magnetic field is generated in another way, namely with the aid of a specifically moved permanent magnet.
  • the temporal change of the generating magnetic field in the vicinity of the surface is very small (dB / dt ⁇ 0) because the field strength in the vicinity of the frontal pole in the direction of the magnetic axis is sufficient small distance to the specimen surface only relatively little changes (low field gradient, field lines approximately parallel to the magnetic axis 132).
  • a temporal change dB / dt of a magnetic field with magnetic flux density B can be caused by a movement of a permanent magnet relative to an inspecting test object P (see FIG.
  • the position of the permanent magnet and the direction of its magnetization (or the magnetic axis) are time-dependent changed by translation, rotation or combinations of these movements relative to the DUT.
  • the position is described by the location coordinate z M , the rotation with respect to a reference direction with the angle ⁇ ⁇ -
  • the coordinate system is arbitrarily selected so that the device under test is at rest and the permanent magnet is moving. However, this is not mandatory. It is now possible to carry out the relative movement of the permanent magnet according to a specific movement pattern, so that advantageous properties result for the application.
  • FIGS. 2B to 2D A few examples of possible movement patterns are shown schematically in FIGS. 2B to 2D.
  • the permanent magnet can be moved in accordance with a periodic movement pattern, which can be represented as a sinusoidal profile, for example the distance between the permanent magnet and the specimen surface.
  • This periodic movement can be assigned a single frequency, according to which can be evaluated by means of the evaluation.
  • the movement pattern may also be an approximately rectangular movement (relative to the time axis), with phases of strong acceleration varying more or less abruptly with phases without movement.
  • An approximate rectangular profile of the motion can be synthesized through a spectrum of motion frequencies. Accordingly, it is possible to evaluate simultaneously at several different frequencies.
  • the motion pattern may also be another repeating pattern, such as a wavelet motion pattern.
  • a wavelet motion pattern This shows, by way of example, that it is possible within the scope of the claimed invention to select motion patterns which result in the test specimen eddy current distributions which can not be realized with conventional test systems or only with considerable effort.
  • a current-carrying field coil With a current-carrying field coil, the shape of the generated magnetic field is essentially maintained, while the strength and the sign change. With a moving permanent magnet, however, the strength of the generated remains Magnetic constant over time, but it changes its shape relative to the DUT, since the relative position and / or the relative orientation change.
  • a material testing apparatus 300 which has a permanent magnet 330 which can be rotated by means of a drive in the form of an electric motor 320 about an axis of rotation which is aligned coaxially with the housing axis 315 but perpendicular to the magnetic axis 332 of the permanent magnet 330.
  • the permanent magnet rotates in a plane parallel to the end plate 312 or parallel to the reference plane parallel thereto.
  • a GMR sensor 340 is provided in the example.
  • the material tester 300 is brought into the vicinity of the test piece 390 such that the end plate 312 is arranged at a small test distance A with respect to the surface 392.
  • the permanent magnet is then rotated by means of the electric motor according to a predetermined movement pattern, e.g. with constant speed or periodically or aperiodically changing speed.
  • a predetermined movement pattern e.g. with constant speed or periodically or aperiodically changing speed.
  • the constant change of direction of the exciting magnetic field generates corresponding eddy currents, which counteract the exciting field.
  • the overlay is detected with the GMR sensor. This magnetic "rotating field" may allow increased sensitivity for minor defects such as holes or holes, and the signals may also be less dependent on the orientation of an error, such as a crack, in the device under test Sensors, eg coil arrangements, are used.
  • the invention is not limited to the embodiments shown so far.
  • the relative movement between the permanent magnet and the test specimen may optionally also in an existing mechanical system with moving parts are integrated, so that no additional device is necessary for the generation of the movement of the permanent magnet.
  • components of the mechanical system are used as parts of the drive system. This can lead to the reduction of complexity.
  • a zero-current test in a machine during operation can be realized by simply mounting a sensor for receiving the generated fields at a suitable location while mounting a permanent magnet at a suitable other location so that it is more suitable relative to the test object Way can move.
  • eddy current tests in a running internal combustion engine are possible.
  • FIG. 4 shows two intermeshing steel gears 470, 490 of a transmission into which, for the purpose of a permanent on-board diagnosis, two permanent magnets and a sensor 440 of a material testing device 400 according to an embodiment are integrated.
  • a sensor is attached, which is connected to an evaluation device 480.
  • the sensor is fixed with respect to the gear housing and is supported by a housing-side holding device 422. During the rotation of the gears, the sensor regularly generates sensor signals whose shape also depends on the nature of the gears in the edge region influenced by the magnetic field of the permanent magnets.
  • the condition of the edge zone of the second gearwheel 490 changes as a result of wear (for example, breakage of a piece of material, cracking)
  • the signal shapes change. This is monitored by the evaluation device. Possibly. We generate an error signal that indicates the wear of the DUT (second gear 490).
  • the test method is used to detect defects located at or near a surface of a sample that is made of an electrically conductive material at least in the region of the surface, and eddy currents are excited by movement of the permanent magnet in the material. which generate a temporally and / or spatially varying secondary magnetic field, which is superimposed on the magnetic field of the permanent magnet in the region of the sensor, and wherein a superposition of the magnetic field of the permanent magnet and the secondary field detected by the sensor and sensor signals for identifying and characterizing the defects are evaluated.
  • the method can also be used on defect-free test specimens, for example to perform permeability measurements and / or conductivity measurements.
  • the material tester can also be used for (quantitative) measurement purposes and thus also be referred to as a measuring device.
  • a method is proposed for detecting defects which are located at or in the vicinity of a surface of a test object which, at least in the region of the surface, consists of an electrically conductive material, eddy currents being excited in the material by means of an excitation arrangement, a magnetic alternating field generated by the eddy currents is detected by means of a sensor and sensor signals for identifying and characterizing the defects are evaluated.
  • the method is characterized in that to excite the eddy currents (at least) a permanent magnet in the vicinity of the surface is arranged and by means of a drive, a relative movement of the permanent magnet relative to the surface according to a predetermined movement pattern is generated such that during the relative movement of a multiple Changing a relative distance between the permanent magnet and the surface and / or a relative angular position between the permanent magnet and the surface takes place.

Abstract

Ein Materialprüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an und/oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings hat einem Grundkörper (110), der eine Referenzfläche (113) definiert, einen Permanentmagneten (130), der an oder in dem Grundkörper montiert und relativ zum Grundkörper beweglich gelagert ist sowie ein Antriebssystem zum Erzeugen einer Bewegung des Permanentmagneten relativ zu dem Grundkörper gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster derart, dass bei der Relativbewegung ein mehrfacher Wechsel eines relativen Abstands und/oder einer relativen Winkellage zwischen dem Permanentmagnet und der Referenzfläche erfolgt. Weiterhin weist das Materialprüfgerät einen für Änderungen von Magnetfeldern sensitiver Sensor (140) auf, der sich nicht mit dem Permanentmagneten mitbewegt und dauerhaft oder phasenweise im Bereich des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist, und es sind Einrichtungen zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinrichtung vorgesehen.

Description

Materialprüfgerät und Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines
Prüflings
Beschreibung
HI NTERGRUND Die Erfindung betrifft ein Materialprüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an und/oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings sowie ein unter Verwendung eines solchen Material prüf geräts durchführbares Prüfverfahren.
Bei der zerstörungsfreien Materialprüfung (non-destructive testing, NDT) werden heutzutage in Abhängigkeit von der Art des Prüflings und der gesuchten Eigenschaften des zu untersuchen- den Materials unterschiedliche Verfahren eingesetzt, beispielsweise die Wirbelstromprüfung, die magnetische Streuflussprüfung oder die Ultraschallprüfung.
Die Wirbelstromprüfung (eddy current testing, ECT) hat sich bei der Prüfung elektrisch leitender Materialien in vielen Anwendungsgebieten bewährt, beispielsweise bei der automatisierten zerstörungsfreien Prüfung an Halbzeugen für die metallerzeugende und metallverarbeitende In- dustrie, zur Durchführung von Prüfungen an sicherheitsrelevanten und funktionskritischen Bauteilen für Land- und Luftfahrzeuge oder im Anlagenbau. Die für die Wirbelstromprüfung eingesetzten Sensorsysteme werden üblicherweise als„Wirbelstromsonden" bezeichnet.
Eine konventionelle, mit Spulen aufgebaute Wirbelstromsonde umfasst eine oder mehrere Feldspulen (bzw. Erregerspulen), die zur Durchführung der Prüfung an eine Wechselspan- nungsquelle angeschlossen werden und dann ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen können, welches bei der Prüfung in das Prüfmaterial eindringt und im Wesentlichen in einer oberflächennahen Schicht des Prüfmaterials Wirbelströme erzeugt, die durch Gegeninduktion auf ein oder mehrere Messspulen (bzw. Empfängerspulen) der Wirbelstromsonde zurückwirken. Feldspulen und Messspulen können getrennt sein, es ist jedoch auch möglich, dass eine Spule als Feldspule und als Messspule dient. Ein Defekt im geprüften Bereich, beispielsweise ein Riss, eine Verunreinigung oder eine andere Materialinhomogenität, stört die Ausbreitung der Wirbelströme im Prüfmaterial und verändert somit die Wirbelstromintensität und dadurch auch die Intensität des auf die Messspule rückwirkenden magnetischen Sekundärfeldes. Die dadurch verursachten elektrischen Impedanzänderungen in einer Mess- spule führen zu elektrischen Messsignalen in Form elektrischer Spannungsänderungen, die mittels einer Auswerteeinrichtung ausgewertet werden können, um Defekte zu identifizieren und zu charakterisieren. Elektrische Impedanzänderungen können auch an defektfreiem Material für Prüfzwecke oder Messzwecke genutzt werden, z.B. bei Messungen der elektrischen Leitfähigkeit oder der magnetischen Permeabilität. Die Wirbelstromprüfung erlaubt eine Prüfung auf oberflächennahe Defekte mit hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung. Die Frequenzabhängigkeit der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes und eine geringere Ortsauflösung und Geschwindigkeit bei tiefen Frequenzen schränken jedoch die Möglichkeiten zur Identifikation tiefer liegender Defekte in Leitermaterialien ein. In den letzten Jahren wurde an der Technischen Universität Ilmenau ein neuartiges kontaktloses Prüfverfahren entwickelt, mit dem diese Nachteile abgemildert oder vermieden werden können (vgl. z.B. Brauer, H., Ziolkowski, M., "Eddy Current Testing of Metallic Sheets with De- fects Using Force Measurements" Serbian Journal of Electrical Engineering 2008, 5, Seiten 1 1 - 20). Die Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung (Lorentz Force Eddy Current Testing, LET) ermöglicht eine Detektion tiefer liegender Defekte anhand von Messungen der auf ein Magnetsystem wirkenden Lorentzkräfte. Werden ein metallischer Prüfling und ein Permanentmagnet in eine Relativbewegung zueinander versetzt, so werden im Prüfling Wirbelströme induziert, die wiederum eine Lorentzkraft hervorrufen. Eine Inhomogenität der elektrischen Leitfähigkeit des Prüflingsmaterials, z.B. hervorgerufen durch einen Riss oder einen anderen Defekt, zeigt sich dabei in einer Veränderung der Lorentzkraft, die mithilfe einer Kraftmessung am Magnetsystem nachgewiesen werden kann. Das Verfahren soll eine Identifikation tief liegender Defekte und einen Einsatz unter schwierigen Umgebungsbedingungen ermöglichen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Materialprüfgerät bereitzustellen, welches für die Wirbelstromprüfung unter vielen unterschiedlichen Prüfbedingungen genutzt werden kann. Insbesondere soll eine Detektion tiefer liegender Defekte in metallischen Prüflingen mit guter Ortsauflösung und hoher Prüfgeschwindigkeit ermöglicht werden.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben wird ein Materialprüfgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereitgestellt. Weiterhin wird ein Prüfverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 12 bereitgestellt, welches unter Verwendung eines solchen Materialprüfgeräts durchgeführt werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Materialprüfgerät hat einen Grundkörper, der eine Referenzfläche definiert. Die Referenzfläche ist eine im Koordinatensystem des Grundkörpers definierte bzw. definierbare Fläche, z.B. eine ebene Fläche, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Materialprüfgerätes der Oberfläche des Prüflings zugewandt ist und/oder in deren Nähe liegt und/oder im Wesentlichen parallel zur Prüflingsoberfläche verläuft. Beispielsweise kann die dem Prüfling zuzuwendende Vorderseite des Materialprüfgeräts als Referenzfläche betrachtet werden. Ein Permanentmagnet ist an oder in dem Grundkörper montiert und durch geeignete Lagereinrichtungen so gela- gert, dass er relativ zum Grundkörper beweglich ist. Durch die Konstruktion der Lagereinrichtungen bekommt der Permanentmagnet gewisse Bewegungsfreiheitsgrade zur Bewegung in einer oder mehreren Dimensionen. Ein Antriebssystem dient zum Erzeugen einer Bewegung des Permanentmagneten relativ zu dem Grundkörper gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster in der Weise, dass bei dieser Relativbewegung der relative Abstand und/oder eine relative Winkellage zwischen dem Permanentmagneten und der Referenzfläche mehrfach wechselt.
Weiterhin gehört zum Materialprüfgerät (mindestens) ein für Änderungen von Magnetfeldern sensitiver Sensor, der dauerhaft oder phasenweise im Bereich des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist. Der Sensor ist getrennt vom Permanentmagneten und bewegt sich nicht mit diesem mit. Der Sensor generiert z.B. elektrische Sensorsignale, wenn sich die Stärke eines Magnetfeldes im Bereich des Sensors zeitlich ändert. Weiterhin sind Einrichtungen zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinrichtung vorgesehen. Zur Durchführung einer Materialprüfung wird der Sensor über die Anschlusseinrichtungen an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen, die ein konstruktiver Bestandteil des Materialprüfgeräts sein kann, gegebenenfalls aber auch außerhalb des Materialprüfgerätes entfernt von diesem angeordnet sein kann.
Das am Sensor auftretende Sensorsignal ergibt sich aus einer Überlagerung des Effekts des bewegten Permanentmagneten auf den Sensor sowie einer Rückwirkung des Prüflings auf den Sensor. Wenn der Prüfling zumindest im Bereich seiner Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, so kann mit einem derartigen Materialprüfgerät eine zerstörungsfreie Wirbelstromprüfung durchgeführt werden. Allerdings wird das zur Induzierung der Wirbelströme notwendige zeitlich veränderliche Magnetfeld nicht mit Hilfe einer von Wechselstrom durchflösse- nen Spule (Erregerspule) erzeugt, sondern mit Hilfe eines Permanentmagneten, der sich bei der Durchführung des Prüfverfahrens gegenüber der Prüflingsoberfläche gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster bewegt. Durch Vorgabe bestimmter Bewegungsmuster ist es in manchen Fällen möglich, räumlich/zeitliche veränderliche Magnetfelder zu erzeugen, deren Eindringverhalten in das Material anders sein kann als bei Anregung durch zeitabhängige elektrische Ströme in einer Feldspule. In gewissen Fällen ist eine Sondierung von tiefer liegenden Fehlern im Prüflingsmaterial mit höherer Prüfgeschwindigkeit und höherer Ortsauflösung als bei herkömmlichen Wirbelstromsonden möglich.
Im Vergleich zu einer Anregung mit zeitlich veränderlichen elektrischen Strömen über eine Er- regerspule können mit einem bewegten Permanentmagneten bei Bedarf auch andere Verteilungen der Wirbelströme im Prüfling erzeugt werden. Es können räumliche und zeitliche Änderungen der Wirbelstromverteilung erzeugt werden. Das kann vorteilhaft sein, um z.B. Defekte in der Tiefe des Materials zu ermitteln. Gegebenenfalls kann der Skin-Effekt, der die Eindringtiefe bei hohen Prüfsequenzen häufig begrenzt, teilweise vermieden werden. Bei einem in Bezug auf einen Prüfling bewegten Permanentmagneten entsteht der zeitlich veränderliche Anteil des Magnetfeldes zusätzlich zu einem starken statischen Magnetfeld, welches in das Prüflingsmaterial eindringt. Bei der Prüfung von magnetisierbarem Material kann dieses unter Umständen mit Hilfe des Permanentmagneten zumindest teilweise, ggf. aber auch bis in die Sättigung magnetisiert werden, wodurch Einflüsse aufgrund von Permeabilitätsschwankun- gen des Prüflingsmaterials verringert werden können. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erzielen. Es wird somit auch eine Verwendung des Materialprüfgeräts zur Prüfung eines Prüflings aus magnetisierbarem Material vorgeschlagen.
Ein Permanentmagnet bzw. Dauermagnet im Sinne dieser Anmeldung ist vorzugsweise ein Magnet aus mindestens einem Stück eines magnetisierbaren Materials, welches sein statisches Magnetfeld behält, ohne dass, wie bei Elektromagneten, ein elektrischer Stromfluss zur Erzeugung des Magnetfelds benötigt wird. Die Energiedichte des Permanentmagneten, gegeben durch das Produkt aus magnetischer Flussdichte B und magnetischer Feldstärke H , sollte in der Regel möglichst hoch sein, so dass ein möglichst geringes Verhältnis zwischen Eigengewicht des Permanentmagneten und erzeugter Magnetfeldstärke erzielbar ist. Hierdurch lassen sich auch komplexe Bewegungsmuster mit phasenweise starken Beschleunigungen noch realisieren. Vorzugsweise handelt es sich bei den Permanentmagneten um einen Seltenerdmagneten, der im wesentlichen aus einem Eisenmetall wie Eisen, Kobalt oder Nickel und einem oder mehreren seltenen Erdmetallen, wie insbesondere Neodym, Samarium, Praseodym, Dysprosium, Terbium oder Gadolinium besteht, gegebenenfalls auch mit Yttrium. Auch andere Magnetmate- rialien, beispielsweise Aluminium-Nickel-Kobalt oder Bismanol (eine Legierung aus Bismuth, Mangan und Eisen) können als Permanentmagnet verwendet werden. Für manche Anwendungen sollte darauf geachtet werden, temperaturbeständige Permanentmagnete zu verwenden, die ihre magnetischen Eigenschaften auch bei höheren Temperaturen, z.B. bis zu mehreren Hundert °C weitgehend behalten.
Manche Vorteile der beanspruchte Erfindung wären auch mit einem Permanetmagneten zu erreichen, der mindestens eine mit Gleichstrom durchflossene Spule aufweist, wobei diese zur Erzielung eines konstanten Magnetfeldes möglichst an eine Konstantstromquelle angeschlossen werden sollte. Ein einziger für Änderungen von Magnetfeldern sensitiver Sensor kann ausreichen. Hierdurch ist bei einfacher Konstruktion eine präzise Zuordnung zwischen der Prüfposition und dem Sensorsignal bzw. Prüfsignal möglich. Eine entsprechende Ausführungsform hat genau einen Sensor. Es ist auch möglich, zwei, drei oder mehr derartige Sensoren vorzusehen.
Bei manchen Ausführungsformen ist ein einziger Permanentmagnet vorgesehen, wodurch die Konstruktion des Materialprüfgerätes einfach, kostengünstig und robust wird. Außerdem wird die Auswertung vereinfacht, da Sensorsignale nur in Bezug auf Bewegungen eines einzigen Permanentmagneten ausgewertet werden müssen. Es ist jedoch auch möglich, dass das Materialprüfgerät zwei oder mehr Permanentmagnete aufweist, wobei die mehreren Permanentmagneten gemäß unterschiedlicher Bewegungsmuster in zeitlicher Koordination zueinander bewegt werden können. Hierdurch können bei Bedarf komplexe räumlich/zeitliche Änderungen des Magnetfeldes im Prüfling hervorgerufen werden, um beispielsweise in einem größeren Bereich von Eindringtiefen arbeiten zu können. Die Auswertung der Sensorsignale kann entsprechend aufwendiger werden.
Eine Array-Anordnung mit einer Vielzahl von Permanentmagneten und Sensoren ist auch mög- lieh.
Der Sensor ist räumlich getrennt vom Permanentmagneten und bewegt sich mit diesem nicht mit. Die Position des Sensors in Bezug auf den Grundkörper kann somit während der Prüfung festliegen. Hierdurch können sich besonders robuste und einfache Konstruktionen ergeben. Der Sensor kann z.B. unmittelbar oder mittelbar am oder im Grundkörper befestigt sein, so dass er sich in Bezug auf die Referenzfläche immer in einer fest definierten Position befindet. Es ist jedoch auch möglich, dass der Sensor an einem vom Grundkörper gesonderten Bauteil angeordnet ist, um beispielsweise bei der Prüfung an einer dem Permanentmagneten abgewandten Rückseite des Prüflings in fester räumlicher Beziehung zum Grundkörper angeordnet zu werden.
Bei manchen Ausführungsformen ist der Permanentmagnet derart gelagert, dass er eine nichtrotatorische Bewegung ausführen kann. Eine nicht-rotatorische Bewegung in diesem Sinne ist eine Bewegung, die nicht vollständig als eine Rotation um eine durch den Permanentmagneten verlaufende Rotationsachse beschrieben werden kann. Eine nicht-rotatorische Bewegung kann somit Rotationsanteile enthalten, es sind aber weitere Bewegungskomponenten vorhanden. Mittels nicht-rotatorischer Bewegungen können ggf. besonders kompakte Bauformen realisiert werden und es können für die Prüfung nützliche Bewegungsmuster bzw. räumlich/zeitliche Magnetfeldänderungen generiert werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen ist der Permanentmagnet derart gelagert, dass er eine lineare Oszillationsbewegung relativ zu der Referenzfläche ausführen kann. Die Bewegungsrichtung kann beispielsweise senkrecht zur Referenzfläche verlaufen. Dadurch sind auf besonders einfache Weise Prüfverfahren möglich, bei denen mittels des Antriebs eine Oszillationsbe- wegung des Permanentmagneten erzeugt wird, die eine senkrecht zur Oberfläche des Prüflings gerichtete Bewegungskomponente aufweist und gegebenenfalls ausschließlich weitgehend senkrecht zur Oberfläche verläuft. Besondere Vorteile von Prüfverfahren, bei denen sich der Abstand zwischen dem Permanentmagneten und der Oberfläche des Prüflings in Normalenrichtung der Prüflingsoberfläche wiederholt ändert, können gegebenenfalls besonders große Ein- dringtiefen des wechselnden Magnetfelds in den Prüfling ermöglichen, was anhand von Ausführungsbeispielen später noch erläutert wird.
Ein bevorzugter Permanentmagnet definiert eine magnetische Achse, die zwischen gegensätzlichen magnetischen Polen (Nordpol und Südpol) verläuft. Innerhalb des Permanentmagneten verlaufen die Feldlinien parallel zur magnetischen Achse und treten an den einander gegenüber liegenden Polflächen aus dem Permanentmagneten im Wesentlichen parallel zur magnetischen Achse aus.
Eine lineare Oszillationsbewegung kann z.B. parallel zur magnetischen Achse verlaufen, so dass die Feldlinien im Wesentlichen parallel zur Normalenrichtung des Prüflings in die Prüflingsoberfläche eindringen können. Dadurch kann erreicht werden, dass sich in der Nähe der Oberfläche keine oder nur eine sehr geringe zeitliche Änderung der magnetischen Flussdichte ergibt, so dass auch bei höheren Bewegungsfrequenzen kein nennenswerter Skin-Effekt auftritt und das Magnetfeld in größere Eindringtiefen gelangen kann. Das Antriebssystem kann beispielsweise so konfiguriert sein, dass der Permanentmagnet während der Prüfung gemäß einem periodischen Bewegungsmuster bewegt wird. Bei dem periodischen Bewegungsmuster kann es sich z.B. um ein sinusförmiges Bewegungsmuster handeln, also um ein Bewegungsmuster, dem eine einzige Frequenz zugeordnet werden kann. Die Aus- wertung des Sensorsignals kann auf diese Prüffrequenz ausgerichtet sein.
Es ist auch möglich, dass der Permanentmagnet während der Prüfung gemäß einem wenigstens annähernd rechteckförmigen Bewegungsmuster bewegt wird, so dass die Bewegung durch ein definiertes Spektrum von Frequenzen beschrieben werden kann. Die Auswertung kann auf diese Frequenzen ausgerichtet sein. Bei einer gleichzeitigen Prüfung mit mehreren Frequenzen können unterschiedliche Eindringtiefen realisiert werden. Es können bei Bedarf auch komplexere Bewegungsmuster erzeugt werden, beispielsweise in der Weise, dass der Permanentmagnet gemäß einem Wavelet-förmigen Bewegungsmuster bewegt wird. Dadurch können vorteilhafte Kombinationen von Prüfsequenzen realisiert werden.
Im Vergleich zur Erzeugung der Wirbelströme mittels stromdurchflossener Leiter (Feldspulen) können mit bewegten Permanentmagneten bei Bedarf viel stärkere Magnetfelder bzw. viel stärkere Wirbelströme erzeugt werden, ohne für die Erzeugung mehr (elektrische) Energie zu verbrauchen. Durch den potentiell geringen Energieverbrauch ergibt sich eine besondere Eignung der Materialprüfgeräte als portable Geräte und/oder als handgehaltenen Geräte. Manche Ausführungsformen sind handgehaltene und/oder portable Materialprüfgeräte. In manchen Ausführungsformen hat das Material prüfgerät eine netzunabhängige Spannungsversorgung, beispielsweise mit einer Batterie oder einem Akkumulator. Hierdurch sind universelle Einsätze auch an schwer zugänglichen Stellen möglich.
Insbesondere wenn die Bewegung bzw. Auslenkung des Permanentmagneten relativ zur nutzbaren räumlichen Ausdehnung des Magnetfeldes klein ist, z.B. bei einer Vibration, kann längere Zeit auf einer Stelle des Prüflings eine bestimmte Wirbelstromverteilung erzeugt werden, so dass an„einer Stelle" gemessen werden kann. Bei manchen Verfahrensvarianten ruht das Materialprüfgerät in Bezug auf den Prüfling. Eine scannende Bewegung des Materialprüfgeräts gegenüber dem Prüfling und/oder umgekehrt ist auch möglich, jedoch für die Funktion nicht erforderlich. Für das Antriebssystem sind unterschiedliche Ausgestaltungen möglich. Bei einer Ausführungsform weist das Antriebssystem einen Piezoantrieb mit mindestens einem Piezoelement auf, das an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist. Bei einem derartigen Piezoantrieb wird der piezoelektrische Effekt zur Erzeugung der Bewegungen des Permanentmagneten verwendet. Ein Piezoelement, welches sich in Abhängigkeit von einer angelegten elektrischen Spannung zusammenzieht oder expandiert, kann z.B. als Direktantrieb für eine Linearbewegung eines Permanentmagneten genutzt werden. Der Hub und dessen zeitlicher Verlauf sind dabei über die angelegte elektrische Spannung gut steuerbar. Getriebe oder andere Übertragungseinrichtungen zur Übertragung der Bewegung eines Antriebselementes zum Permanentmagneten können vorgesehen sein, sind aber vorzugsweise nicht vorhanden, so dass sich ein einfacher getriebefreier Aufbau des Antriebssystems ergibt.
Es ist auch möglich, dass das Antriebssystem einen Elektromotor als Antriebselement enthält, wobei der Elektromotor als elektrischer Direktantrieb unmittelbar oder über ein Getriebe mit dem Permanentmagneten gekoppelt sein kann. Ein Elektromotor z.B. kann zur Erzeugung von Rotationsbewegungen des Permanentmagneten günstig sein.
Insbesondere bei Anwendungssituationen, in denen Druckluft zur Verfügung steht, kann das Antriebssystem auch als pneumatisches Antriebssystem ausgelegt sein, wobei beispielsweise als Antriebselement ein über Druckluft antreibbares Luftrad oder eine Turbine vorgesehen sein kann.
Bei manchen Ausführungsformen ist der Permanentmagnet derart gelagert, dass er eine Rotationsbewegung um eine Rotationsachse ausführen kann, die vorzugsweise senkrecht zur Referenzfläche gerichtet ist. Ein rotierbarer Permanentmagnet wird vorzugsweise so gelagert, dass seine magnetische Achse senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Dadurch kann im Prüfling ggf. ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden, bei dem sich die Ausrichtung der magnetischen Feldlinien in einer Ebene parallel zur Prüflingsoberfläche um die Normalenrichtung zur Prüflingsoberfläche dreht. Damit kann unter Umständen die Empfindlichkeit für kleinere Defekte, wie z.B. Bohrungen oder Löcher, erhöht werden.
Im Rahmen des Materialprüfgerätes bzw. des damit aufgebauten Materialprüfsystems sind unterschiedliche Typen von Sensoren verwendbar. Bei manchen Ausführungsformen weist der Sensor eine Spulenanordnung mit einer Spule oder mehreren Spulen auf, die beispielsweise aus Draht gewickelt oder durch Verfahren der gedruckten Leiterbahnen hergestellt sein können. Eine Spulenanordnung kann als Absolutspulenanordnung oder als Differenzspulenanordnung ausgelegt sein. Spulenanordnungen können besonders bei der Auswertung von Signalen bei hohen Frequenzen vorteilhaft sein. Es ist auch möglich, dass der Sensor mindestens eine GMR-Sensoranordnung aufweist, also eine Sensoranordnung, die den sogenannten GMR-Effekt (giant magnetoresistance) oder Rie- senmagnetowiderstand zur Detektion wechselnder Magnetfeldstärken nutzt. Solche Sensoren können beispielsweise günstig sein, wenn langsamere Bewegungen des Permanentmagneten und entsprechend niedrigere Frequenzen der Bewegung zu analysieren sind.
Es ist auch möglich, dass der Sensor eine supraleitende Quanteninterferenzeinheit (SQUI D) aufweist. Es können mehrere unterschiedliche Technologien kombiniert sein, um eine komplexere Analyse des sich ändernden Magnetfelds im Bereich des Sensors zu ermöglichen.
Dem Materialprüfgerät ist eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Sensorsignalen zuge- ordnet. Die Auswerteeinrichtung kann in das Materialprüfgerät integriert sein, so dass das Materialprüfgerät ein vollständiges Materialprüfsystem bildet. Es ist auch möglich, dass die Auswerteeinrichtung eine vom Material prüfgerät gesonderte Einheit ist, an die das Materialprüfgerät über Kabel oder kabellos (wireless) angeschlossen ist. Hierdurch sind besonders leichte und kompakte Materialprüfgeräte möglich. Die Art der Auswertung richtet sich nach der gewünschten Art der Materialprüfung. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung dafür eingerichtet, Sensorsignale aufgelöst nach Amplitude und Phase in Bezug auf die Bewegung des Permanentmagneten auszuwerten. Die Bewegung des Permanentmagneten erzeugt dabei am Sensor ein Referenzsignal, welches sich durch die Anwesenheit des zu prüfenden Prüflings in charakteristischer Weise verändert, wobei die Ände- rungen in Bezug auf das Referenzsignal Aussagen über die Eigenschaften des Prüflings zulassen.
In konstruktiver Hinsicht sind zahlreiche Varianten des Materialprüfgeräts möglich. Bei einer Ausführungsform ist der Grundkörper nach Art eines im Wesentlichen geschlossenen Gehäuses ausgebildet oder bildet einen Teil eines geschlossenen Gehäuses, wobei der Permanent- magnet, ein Antrieb des Antriebssystems und vorzugsweise auch der Sensor innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Diese Einheiten sind dadurch nach außen gut gegen Beschädigung und Verschmutzung geschützt. Es kann eine einzige Anschlusseinrichtung ausreichen, um elektrische Anschlüsse zur Versorgung des Antriebs des Antriebssystems sowie zur Übertragung elektrischer Sensorsignale zu erhalten. Das Materialprüfgerät kann gegebenenfalls so kompakt dimensioniert sein, dass es als handgehaltenes Gerät von einem Benutzer bequem an den zu prüfenden Bereich eines Prüflings gebracht werden kann. Die Dimensionen des Materialprüfgeräts sind jedoch prinzipiell nicht beschränkt. Die Erfindung betrifft auch ein Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings. Bei dem Prüfverfahren wird mindestens ein Materialprüfgerät der hier beschriebenen Art verwendet. Das Materialprüfgerät wird in Bezug auf den Prüfling derart positioniert, dass sich die Referenzfläche in Kontakt mit der Oberfläche oder in einem definierten Abstand zur Oberfläche befindet. Für den Messbetrieb wird mittels des Antriebs eine Bewegung des Permanentmagneten gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster erzeugt und durch den Sensor erzeugte Sensorsignale werden mittels der Auswerteeinrichtung zur Charakterisierung des Prüflings ausgewertet.
Das Materialprüfgerät kann beispielsweise nach Art einer Scanbewegung über die zu prüfende Oberfläche bewegt werden, um größere Flächenbereiche gegebenenfalls lückenlos abtasten zu können. Es ist jedoch auch eine lokale Prüfung möglich, bei der das Materialprüfgerät während der Prüfung in Bezug auf den Prüfling ruht.
Mit Hilfe des Materialprüfgerätes ist es möglich, in einem Prüflingsmaterial, welches zumindest im oberflächennahen Bereich aus einem elektrisch leitenden Material besteht, die elektrische Leitfähigkeit dieses Materials und/oder die Permeabilität dieses Materials zu messen und/oder eine Defektprüfung mittels Wirbelstromtechnik vorzunehmen.
Die Nutzungsmöglichkeiten des Materialprüfgeräts sind jedoch hierauf nicht beschränkt. Es ist gegebenenfalls auch möglich, mit Hilfe des Materialprüfgerätes eine Messung der mechanischen Impedanz von Prüflingsmaterial durchzuführen, wobei das Prüflingsmaterial hierzu nicht zwingend elektrisch leitfähig sein muss. Der Begriff „ Impedanz" soll hier alle Widerstände zusammenfassen, die der Ausbreitung von mechanischen Schwingungen in einem bestimmten Umfeld entgegenwirken. Wird das Materialprüfgerät z.B. auf den Prüfling aufgesetzt, so dass es sich in Berührungskontakt mit diesem befindet, kann die Bewegung des Permanentmagneten zu einer definierten Vibration des Materialprüfgerätes führen, welche sich durch den Berüh- rungskontakt auf den Prüfling überträgt. Die mechanische Rückkopplung vom Prüfling zum Materialprüfgerät kann zur Bestimmung von Eigenschaften des Prüflings genutzt werden. Hierfür kann es gegebenenfalls ausreichen, eine eventuelle Verstimmung des Sensorsignals aufgrund der veränderten Schwingungssituation auszuwerten. Beispielsweise kann sich eine veränderte Impedanz in einer Verringerung oder Vergrößerung der Schwingungsamplitude bemerkbar ma- chen, die bestimmt und ausgewertet werden kann.
Es ist auch möglich, dass das Materialprüfgerät zusätzlich zu einem auf Änderungen des Magnetfelds sensitiven Sensor noch einen oder mehrere schwingungssensitive Sensoren aufweist, beispielsweise einen Körperschallsensor oder einen Luftschallsensor, etwa ein Mikrofon oder dergleichen. Auf diese Weise kann ein Kombi-Material prüfgerät geschaffen werden, das neben elektrischen Impedanzen auch mechanische Impedanzen messen und zur Charakterisierung von Prüflingseigenschaften auswerten kann. Damit kann z.B. das Frequenzspektrum der angeregten mechanischen Schwingungen bei Anregung mit Impulsen oder Rechtecksignalen erfasst und ausgewertet werden. Die beiden Messverfahren können zeitgleich am selben Prüfvolumen oder zeitlich versetzt zueinander durchgeführt werden.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
KURZBESCHREI BUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Materialprüfgerät gemäß einer Ausführungs- form der Erfindung;
Fig. 2 zeigt in 2A Bewegungsmöglichkeiten eines Permanentmagneten und in 2B bis
2D schematische Diagramme verschiedener zeitliche Verläufe von Bewegungen des Permanentmagneten;
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein Materialprüfgerät gemäß einer anderen Aus- führungsform der Erfindung; und
Fig. 4 zeigt schematisch eine Nutzungsmöglichkeit bei der on-board-Überwachung von beweglichen Komponenten eines Getriebes.
DETAI LLI ERTE BESCH REI BUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRU NGSFORMEN
Die schematische Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Materialprüfgerät 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei der Durchführung eines Prüfverfahrens zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings 190 im Bereich von dessen Oberfläche 192. Der Prüfling besteht im Beispielsfall aus einem elektrisch leitenden metallischen Material und soll mit Hilfe des Materialprüfgerätes mittels Wirbelstromtechnik auf das Vorhandensein von Defekten überprüft werden, die sich an der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche im Inneren des Materials befinden. Das Materialprüfgerät 100 ist Teil eines Materialprüfsystems 105, zu welchem neben dem Materialprüfgerät 100 noch eine Versorgungs- und Auswerteeinheit 180 gehört, an die das Materialprüfgerät über ein Anschlusskabel 182 angeschlossen ist.
Das Materialprüfgerät 100 hat einen stabilen hülsenförmigen Grundkörper 1 10 aus einem elektrisch nicht leitfähigen, nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise aus einem ausreichend festen Kunststoffmaterial oder aus einem Keramikmaterial. Der Grundkörper ist an seiner dem Prüfling für die Prüfung zuzuwendenden Vorderseite mit einer ebenen Abschlussplatte 1 12 und an der gegenüberliegenden Rückseite über ein Anschlusselement 1 14 abgeschlossen. Die Zentralachse 1 15 des Grundkörpers ist gleichzeitig die Prüfgerätachse des Materialprüfgeräts, welche in z-Richtung des gerätefesten Koordinatensystems KS verläuft.
Die Abschlussplatte 1 12 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden und nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise aus einem ausreichend festen Kunststoffmaterial oder aus einem Keramikmaterial und ist im Beispielsfall leicht auswechselbar am Grundkörper mittels Schrauben o.dgl. befestigt. Die senkrecht zur Prüfgeräteachse 1 15 orientierte, dem Prüfling zuzuwen- dende ebene Vorderseite der Abschlussplatte dient für die Zwecke dieser Anmeldung als Referenzfläche 1 13. Diese Wahl ist zweckmäßig, aber nicht zwingend.
Im Anschlusselement 1 14 befinden sich Steckerelemente zum Anschluss des Anschlusskabels 182. Der Grundkörper 1 10, die Abschlussplatte 1 12 und das Anschlusselement 1 14 umschließen einen Innenraum 1 16, in welchem die wesentlichen elektrischen und mechanischen Kom- ponenten des Materialprüfgerätes gegen Beschädigung und Verschmutzung geschützt untergebracht sind.
Ein Piezoantrieb 120 mit einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen ist mit Hilfe einer Halteeinrichtung 122 fest am Grundkörper 1 10 montiert. Anschlussleitungen 124 zur elektrischen Versorgung des Piezoantriebs führen durch das Anschlusselement 1 14 über das An- schlusskabel 182 zu einer Wechselspannungsquelle in der Versorgungs- und Auswerteeinheit 180. Die Wechselspannungsquelle kann eine Signalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines elektrischen Steuersignals (z.B. Sinus, Rechteck, Wavelet etc.) und einen angeschlossenen Leistungsverstärker zur Verstärkung dieses Steuersignals aufweisen.
An der der Abschlussplatte 1 12 zugewandten Seite des Piezoantriebs 120 ist ein Permanent- magnet 130 befestigt, der im Beispielsfall ein Seltenerd-Stabmagnet ist. Die magnetische Achse 132 des stabförmigen Permanentmagneten, also die Verbindungslinie zwischen Nordpol N und Südpol S, ist parallel zur Prüfgeräteachse 1 15 bzw. parallel zur Bewegungsachse 122 des Pie- zoantriebs ausgerichtet, so dass der Permanentmagnet mit Hilfe des Piezoantriebs 120 in einer parallel zur Normalenrichtung der Abschlussplatte verlaufenden Bewegungsrichtung auf die Abschlussplatte zu oder von dieser wegbewegt werden kann. Die Amplitude (Hub) sowie der zeitliche Verlauf dieser Linearbewegung kann mit Hilfe der auf den Piezoantrieb 120 wirkenden Wechselspannung gesteuert werden, so dass der Permanentmagnet nach einem vorgegebenem Bewegungsmuster hin- und herbewegt werden kann.
Der Permanentmagnet 130 erzeugt ohne Energiezufuhr dauerhaft ein magnetisches Feld, dessen Magnetfeldlinien F aus dem Permanentmagneten 130 an den Polen weitgehend parallel zur magnetischen Achse 132 bzw. senkrecht zur Referenzebene 1 13 austreten. Die mit Hilfe des Piezoantriebs 120 erzeugte lineare Oszillationsbewegung verläuft parallel zum Verlauf der Feldlinien an und in der Nähe der Polflächen.
Im Bereich zwischen dem Permanentmagneten 130 und der Abschlussplatte 1 12 ist ein einzelner magnetfeldsensitiver Sensor 140 in Form einer Drahtspule angeordnet. Die Spule des Sensors 140 definiert eine Spulenebene 142, die parallel zur Abschlussplatte 1 12 bzw. senkrecht zur Prüfgeräteachse 1 15 ausgerichtet ist. Die Spule ist über entsprechende Halteeinrichtungen an der Innenseite des Grundkörpers 1 10 befestigt und über Anschlussleitungen 144 mit zugehörigen Steckerelementen im Anschlusselement 1 14 verbunden. Die Spule kann alternativ auch an der Abschlussplatte befestigt und ggf. mit dieser auswechselbar sein. Beim Anschließen des Anschlusskabels 182 entsteht eine elektrische Verbindung zu der Auswerteeinheit, die in der Versorgungs- und Auswerteeinheit 180 untergebracht ist.
Zur Durchführung einer Prüfung wird das Materialprüfgerät so mit seiner Sensorseite (Seite mit Abdeckplatte) in die Nähe des Prüflings 190 gebracht, dass die Abschlussplatte 1 12 die Oberfläche entweder kontaktiert oder in einem derart geringen Abstand A (Prüfabstand) zu dieser angeordnet ist, dass die vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldlinien an der dem Prüf- ling zugewandten Stirnseite noch mehr oder weniger parallel zur Normalenrichtung N der Prüflingsoberfläche, also senkrecht zum Oberflächenverlauf, in das Prüflingsmaterial eindringen. Der Hub H der Oszillationsbewegung und der Prüfabstand A sind vorzugsweise so aneinander angepasst, dass diese Bedingung für alle Hubpositionen des Permanentmagneten gilt. Das seitliche Auseinanderlaufen der Feldlinien zur Rückführung zum entgegengesetzten Pol findet erst in größerem Abstand zur Prüflingsoberfläche innerhalb des Prüflingsmaterials statt.
Der Permanentmagnet wird mit Hilfe des Piezoantriebs gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster relativ zur Oberfläche 192 derart bewegt, dass bei der Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Prüflingsoberfläche ein mehrfacher Wechsel des relativen Abstandes zwischen Permanentmagnet und Oberfläche 192 stattfindet. Der Permanentmagnet oszilliert dabei parallel zur Prüfgerätachse 1 15 bzw. senkrecht zur Referenzfläche 1 13 und zur Prüflingsoberfläche.
Der in das Prüflingsmaterial eindringende Teil des vom Permanentmagnet erzeugten primären magnetischen Feldes erzeugt im Prüflingsmaterial Wirbelströme WS, die versuchen, ihrer Ursache entgegenzuwirken in der Weise, dass ein dem Primärfeld entgegen gerichtetes magnetisches Sekundärfeld erzeugt wird. Die Überlagerung aus zeitlich veränderlichem Primärfeld und zeitlich veränderlichem Sekundärfeld erzeugt im Sensor 140 durch Induktion ein Sensorsignal (elektrisches Spannungssignal), welches an die Auswerteeinrichtung übertragen und dort aus- gewertet wird. Dieser Wirkmechanismus ist grundsätzlich der gleiche wie bei konventioneller Wirbelstromprüfung, bei der das magnetische Primärfeld mit Hilfe einer mit Wechselstrom durchflossenen Spule erzeugt wird. Ein wichtiger Unterschied sei hier kurz dargestellt.
Eine konventionelle Wirbelstromsonde könnte beispielsweise so betrieben werden, dass die Spule des Sensors 140 nicht nur als Messspule dient, sondern auch als Erregerspule. In die- sem Fall würde die Spule mit Wechselstrom beaufschlagt. Das von der Spule erzeugte magnetische Wechselfeld könnte einen ähnlichen Verlauf der Feldlinie haben wie das vom Permanentmagnet erzeugte magnetische Feld. Jedoch würde sich in unmittelbarer Nähe der Oberfläche 192 die magnetische Feldstärke B mit der Frequenz des Wechselstroms in Stärke und Vorzeichen periodisch ändern, so dass sich im Bereich der Oberfläche 192 ein sich zeitlich än- derndes magnetisches Feld mit dB/dt + 0 ergeben würde. Somit würden bereits unmittelbar an der Oberfläche 192 Wirbelströme entstehen, die ihrer Ursache entgegenwirken und das Eindringen des primären Magnetfeldes in das Material erschweren würden (sogenannter Skin- Effekt).
Dieser Effekt entfällt bei der gezeigten Ausführungsform zumindest teilweise, da das primäre magnetische Wechselfeld auf andere Weise, nämlich mit Hilfe eines gezielt bewegten Permanentmagneten, erzeugt wird. Bei der Oszillationsbewegung des Permanentmagneten in Normalenrichtung N der Prüflingsoberfläche ist nämlich die zeitliche Änderung des erzeugenden Magnetfeldes in der Nähe der Oberfläche sehr gering (dB/dt « 0) , da sich die Feldstärke in der Nähe des stirnseitigen Pols in Richtung der magnetischen Achse bei ausreichend geringem Ab- stand zur Prüflingsoberfläche nur relativ wenig ändert (geringer Feldgradient, Feldlinien annähernd parallel zur magnetischen Achse 132). Dadurch werden in unmittelbarer Oberflächennähe gegebenenfalls nur Wirbelströme mit geringer Stärke oder gar keiner Wirbelströme erzeugt, so dass sich eine größere Eindringtiefe des magnetischen Wechselfeldes ergibt als im Falle einer konventionellen Erregung mit stromdurchflossenen Spulen. Es gibt im Rahmen der beanspruchten Erfindung zahlreiche Varianten von Materialprüfgeräten und Prüfverfahren. Grundsätzlich kann eine zeitliche Änderung dB/dt eines Magnetfeldes mit magnetischer Flussdichte B (und damit gegebenenfalls der erzeugten Wirbelströme) hervorgerufen werden durch eine Bewegung eines Permanentmagneten relativ zu einem untersuchen- den Prüfling P (vgl. Fig. 2A). Dabei kann die Position des Permanentmagneten sowie die Richtung seiner Magnetisierung (bzw. der magnetischen Achse) zeitabhängig durch Translation, Rotation oder Kombinationen dieser Bewegungen relativ zum Prüfling verändert werden. Die Position sei durch die Ortskoordinate zM beschrieben, die Rotation bezüglich einer Referenzrichtung mit dem Winkel φΜ- Eine sinusförmige Oszillation mit Kreisfrequenz ω in z-Richtung mit der Zeit t wäre dann durch zM (t) = zM0 sin (rot) gegeben. Eine Rotationsbewegung bezüglich einer Referenzlage mit Winkel φΜο wäre durch φΜ (t) = φΜο sin (rot) gegeben. Überlagerungen von Translation und Rotation sind möglich. Bei dem Beispiel in Fig. 2A wird willkürlich das Koordinatensystem so gewählt, dass sich der Prüfling in Ruhe befindet und sich der Permanentmagnet bewegt. Dies ist jedoch nicht zwingend. Es ist nun möglich, die Relativbewegung des Permanentmagneten nach einem bestimmten Bewegungsmuster auszuführen, so dass sich für die Anwendung vorteilhafte Eigenschaften ergeben.
In Fig. 2B bis 2D sind schematisch einige Beispiele für mögliche Bewegungsmuster dargestellt. Gemäß Fig. 2B kann der Permanentmagnet gemäß einem periodischen Bewegungsmuster bewegt werden, welches sich als sinusförmiger Verlauf beispielsweise des Abstands zwischen Permanentmagnet und Prüflingsoberfläche darstellen lässt. Dieser periodischen Bewegung kann eine einzige Frequenz zugeordnet werden, nach der mittels der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden kann. Gemäß Fig. 2C kann es sich bei dem Bewegungsmuster auch um eine annähernd rechteckförmige Bewegung (bezogen auf die Zeitachse) handeln, wobei sich Phasen starker Beschleunigung mehr oder weniger abrupt mit Phasen ohne Bewegung abwech- sein. Ein annäherndes Rechteckprofil der Bewegung kann durch ein Spektrum von Bewegungsfrequenzen synthetisiert werden. Entsprechend kann gleichzeitig bei mehreren unterschiedlichen Frequenzen ausgewertet werden. Gemäß Fig. 2D kann es sich bei dem Bewegungsmuster auch um ein anderes sich wiederholendes Muster, wie z.B. ein Wavelet-Bewegungsmuster, handeln. Dies zeigt beispielhaft, dass es möglich ist, im Rahmen der beanspruchten Erfindung Bewegungsmuster zu wählen, welche im Prüfling Wirbelstromverteilungen zur Folge haben, die mit konventionellen Prüfsystemen nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden können. Zum Verständnis: Mit einer von Strom durchflossenen Feldspule bleibt die Form des erzeugten Magnetfeldes im Wesentlichen erhalten, während sich die Stärke und das Vorzeichen ändern. Bei einem bewegten Permanentmagneten bleibt dagegen die Stärke des erzeugten Magnetfeldes zeitlich konstant, aber es ändert sich seine Form bezogen auf den Prüfling, da sich die relative Position und/oder die relative Orientierung ändern.
Dadurch, dass die Relativbewegungen des Permanentmagneten gegenüber dem Prüfling nach einem bestimmten Bewegungsmuster vorgegeben werden können, können bei der Auswertung des Sensorsignals Verfahren der Signalverarbeitung angewendet werden, die für den jeweiligen Anwendungsfall günstig sind. Beispielsweise können bei einer sinusförmigen Bewegung des Permanentmagneten mit einer Frequenz f die detektierten Wirbelströme spezifisch bei dieser Frequenz untersucht werden, was unter anderem für die Unterdrückung von Rauschen günstig sein kann. Eine mögliche alternative Ausführungsform eines Materialprüfgeräts 300 ist in Fig. 3 gezeigt. Entsprechende Bauteile oder Baugruppen tragen die gleichen Bezugszeichen wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 , erhöht um 200. Hier ist ein Materialprüfgerät 300 realisiert, welches einen Permanentmagneten 330 hat, der mit Hilfe eines Antriebs in Form eines Elektromotors 320 um eine Rotationsachse gedreht werden kann, die koaxial zur Gehäuseachse 315, aber senkrecht zur magnetischen Achse 332 des Permanentmagneten 330 ausgerichtet ist. Dadurch dreht sich der Permanentmagnet im Betrieb in einer Ebene parallel zur Abschlussplatte 312 bzw. parallel zu der hierzu parallelen Referenzebene. Als Sensor ist im Beispielsfall ein GMR- Sensor 340 vorgesehen.
Für den Prüfbetrieb wird das Materialprüfgerät 300 so in die Nähe des Prüflings 390 gebracht, dass die Abschlussplatte 312 in einem geringen Prüfabstand A gegenüber der Oberfläche 392 angeordnet ist. Der Permanentmagnet wird dann mit Hilfe des Elektromotors gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster rotiert, z.B. mit konstanter Drehzahl oder zeitlich periodisch oder aperiodisch wechselnder Drehzahl. Dadurch dreht sich auch die Richtung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien F innerhalb des Prüflings nach dem gleichen Bewegungsmuster um eine Achse, die parallel zur Normalenrichtung N der Prüflingsoberfläche verläuft. Der ständige Richtungswechsel des erregenden magnetischen Feldes erzeugt entsprechende Wirbelströme, die dem erregenden Feld entgegenwirken. Die Überlagerung wird mit dem GMR-Sensor er- fasst. Dieses magnetische„Drehfeld" ermöglicht ggf. erhöhte Empfindlichkeit für kleinere Defekte wie Löcher oder Bohrungen, ggf. sind die Signale auch weniger stark abhängig von der Ori- entierung eines Fehlers, z.B. eines Risses, im Prüfling. Das Drehfeld kann auch mit anderen Typen von Sensoren, z.B. Spulenanordnungen, genutzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die bisher gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten und dem Prüfling kann gegebenenfalls auch in ein bestehendes mechanisches System mit beweglichen Teilen integriert werden, so dass für die Erzeugung der Bewegung des Permanentmagneten keine zusätzliche Vorrichtung nötig ist. In diesem Fall werden Bestandteile des mechanischen Systems als Teile des Antriebssystems verwendet. Dies kann zur Verringerung der Komplexität führen. Beispielsweise kann eine Wir- belstromprüfung in einer Maschine während des Betriebs realisiert werden, indem lediglich ein Sensor zur Aufnahme der erzeugten Felder an geeigneter Stelle montiert wird, während ein Permanentmagnet an einer geeigneten anderen Stelle montiert wird, so dass dieser sich relativ zum Prüfobjekt in geeigneter Weise bewegen kann. Hierdurch sind beispielsweise Wirbelstromprüfungen in einem laufenden Verbrennungsmotor möglich. Zur Illustration zeigt Fig. 4 zwei ineinander greifende Stahl-Zahnräder 470, 490 eines Getriebes, in das zum Zwecke einer permanenten On-Board-Diagnose zwei Permanentmagnete und ein Sensor 440 eines Materialprüfgeräts 400 gemäß einer Ausführungsform integriert sind. Am Umfang des ersten Zahnrads 470 sind diametral gegenüberliegend zwei Permanentmagnete 430A, 430B angebracht. In der Nähe der Stelle, an der die Zahnräder ineinander greifen, ist ein Sen- sor angebracht, der an eine Auswerteeinrichtung 480 angeschlossen ist. Der Sensor ist bezüglich des Getriebegehäuses ortsfest und wird durch eine gehäuseseitige Halteeinrichtung 422 getragen. Der Sensor erzeugt während des Umlaufs der Zahnräder regelmäßig Sensorsignale, deren Form auch von der Beschaffenheit der Zahnräder in dem vom Magnetfeld der Permanentmagnete beeinflussten Randbereich abhängt. Verändert sich z.B. die Beschaffenheit der Randzone des zweiten Zahnrades 490 durch Verschleiß (z.B. Ausbrechen eines Materialstücks, Rissbildung), so ändern sich die Signalformen. Dies wird über die Auswerteeinrichtung überwacht. Ggf. wir ein Fehlersignal erzeugt, das auf den Verschleiß des Prüflings (zweites Zahnrad 490) hinweist.
Bei manchen Anwendungen wird das Prüfverfahren zum Detektieren von Defekten verwendet, die sich an oder in der Nähe einer Oberfläche eines Prüflings befinden, welcher zumindest im Bereich der Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei durch Bewegung des Permanentmagneten in dem Material Wirbelströme erregt werden, die ein zeitlich und/oder räumlich variierendes magnetisches Sekundärfeld erzeugen, welches dem Magnetfeld des Permanentmagneten im Bereich des Sensors überlagert ist, und wobei eine Überlagerung des Magnetfelds des Permanentmagneten und des Sekundärfeldes mittels des Sensors erfasst und Sensorsignale zur Identifizierung und Charakterisierung der Defekte ausgewertet werden. Das Verfahren kann auch an defektfreien Prüflingen genutzt werden, z.B. um Permeabilitätsmessungen und/oder Leitfähigkeitsmessungen durchzuführen. Das Materialprüfgerät kann auch zu (quantitativen) Messzwecken genutzt werden und somit auch als Messgerät bezeichnet wer- den. Gemäß einer anderen Formulierung wird ein Verfahren zum Detektieren von Defekten vorgeschlagen, die sich an oder in der Nähe einer Oberfläche eines Prüflings befinden, welcher zumindest im Bereich der Oberfläche aus einem elektrisch leitenden Material besteht, wobei mittels einer Erregeranordnung in dem Material Wirbelströme erregt werden, ein durch die Wirbel- ströme erzeugtes magnetisches Wechselfeld mittels eines Sensors erfasst und Sensorsignale zur Identifizierung und Charakterisierung der Defekte ausgewertet werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erregung der Wirbelströme (mindestens) ein Permanentmagnet in der Nähe der Oberfläche angeordnet wird und mittels eines Antriebs eine Relativbewegung des Permanentmagneten relativ zur Oberfläche gemäß einem vorgegebenen Bewe- gungsmuster derart erzeugt wird, dass bei der Relativbewegung ein mehrfacher Wechsel eines relativen Abstands zwischen Permanentmagnet und Oberfläche und/oder einer relativen Winkellage zwischen Permanentmagnet und Oberfläche erfolgt.

Claims

Patentansprüche
1 . Materialprüfgerät zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an und/oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings mit:
einem Grundkörper (1 10), der eine Referenzfläche (1 13) definiert;
einem Permanentmagneten (130, 330, 430A, 430B), der an oder in dem Grundkörper montiert und relativ zum Grundkörper beweglich gelagert ist;
einem Antriebssystem zum Erzeugen einer Bewegung des Permanentmagneten relativ zu dem Grundkörper gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster derart, dass bei der Relativbewegung ein mehrfacher Wechsel eines relativen Abstands und/oder einer relativen Winkel- läge zwischen dem Permanentmagnet und der Referenzfläche erfolgt;
einem von dem Permanentmagnet getrennten, für Änderungen von Magnetfeldern sensitiven Sensor (140, 340, 440), der dauerhaft oder phasenweise im Bereich des vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldes angeordnet ist und sich nicht mit dem Permanentmagneten mitbewegt, und
Einrichtungen zum Anschluss des Sensors an eine Auswerteeinrichtung.
2. Materialprüfgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (140, 340) unmittelbar oder mittelbar am oder im Grundkörper (1 10) befestigt ist.
3. Materialprüfgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Perma- nentmagnet (130, 330) derart gelagert ist, dass er eine nicht-rotatorische Bewegung ausführen kann.
4. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130) derart gelagert ist, dass er eine lineare Oszillationsbewegung relativ zu der Referenzfläche ausführen kann, wobei eine Bewegungsrichtung der Oszillations- bewegung vorzugsweise senkrecht zur Referenzfläche (1 13) verläuft.
5. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät (100, 300) genau einen Permanentmagneten und/oder genau einen Sensor (140, 340, 440) aufweist.
6. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät (100, 300) ein handgehaltenes und/oder portables Materialprüfgerät ist und/oder dass das Material prüfgerät eine netzunabhängige Spannungsversorgung aufweist.
7. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem einen Piezoantrieb (120) mit mindestens einem Piezoelement aufweist, das an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen oder anschließbar ist.
8. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Spulenanordnung, eine GMR-Sensoranordnung oder eine supraleitende
Quanteninterferenzeinheit (SQUID) aufweist.
9. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dafür eingerichtet ist, Detektorsignale aufgelöst nach Amplitude und Phase in Bezug auf die Bewegung des Permanentmagneten auszuwerten.
10. Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper nach Art eines im Wesentlichen geschlossenen Gehäuses ausgebildet ist oder einen Teil eines geschlossenen Gehäuses bildet, wobei der Permanentmagnet (130, 330), ein Antrieb des Antriebssystems und vorzugsweise auch der Sensor (140, 340) innerhalb des Gehäuses angeordnet sind.
1 1 . Materialprüfgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät zusätzlich zu einem auf Änderungen des Magnetfelds sensitiven Sensor noch einen oder mehrere schwingungssensitive Sensoren aufweist, insbesondere einen Körperschallsensor oder einen Luftschallsensor.
12. Prüfverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Eigenschaften eines Prüflings an oder in der Nähe einer Oberfläche des Prüflings
unter Verwendung eines Materialprüfgeräts (100, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei
das Materialprüfgerät in Bezug auf den Prüfling derart positioniert wird, dass sich die Referenzfläche in Kontakt mit der Oberfläche oder in einem definierten Abstand zur Oberfläche befindet;
mittels des Antriebs eine Bewegung des Permanentmagneten gemäß einem vorgegebenen Bewegungsmuster erzeugt wird und
durch den Sensor erzeugte Sensorsignale mittels der Auswerteeinrichtung zur Charakterisierung des Prüflings ausgewertet werden.
13. Prüfverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Materialprüfgerät während der Prüfung in Bezug auf den Prüfling ruht.
14. Prüfverfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet gemäß einem Bewegungsmuster bewegt wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe: periodisches Bewegungsmuster;
sinusförmiges Bewegungsmuster;
rechteckförmiges Bewegungsmuster;
Wavelet-förmiges Bewegungsmuster.
15. Prüfverfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Antriebs eine Oszillationsbewegung des Permanentmagneten erzeugt wird, die eine senkrecht zur Oberfläche des Prüflings gerichtete Bewegungskomponente aufweist.
16. Prüfverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (130) eine magnetische Achse (132) definiert, die zwischen gegensätzlichen magnetischen Polen verläuft, dass Feldlinien (F) im Wesentlichen parallel zur magnetischen Achse aus dem Permanentmagneten austreten und dass eine lineare Oszillationsbewegung des Permanent- magneten parallel zur magnetischen Achse erzeugt wird, so dass die Feldlinien im wesentlichen parallel zur Normalenrichtung (N) des Prüflings (190) in die Prüflingsoberfläche (192) eindringen.
17. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung Detektorsignale aufgelöst nach Amplitude und Phase in Bezug auf die Bewe- gung des Permanentmagneten ausgewertet werden.
18. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prüfling aus einem magnetisierbarem Material geprüft wird, wobei mit Hilfe des Permanentmagneten das Material teilweise oder bis in die Sättigung magnetisiert wird.
19. Prüfverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Materialprüfgerätes eine Messung der mechanischen Impedanz des Prüflings durchgeführt wird, vorzugsweise zusätzlich zu einer Messung der elektrischen Impedanz.
20. Verwendung des Materialprüfgeräts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 zur Prüfung eines Prüflings aus magnetisierbarem Material.
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