DE4129259A1

DE4129259A1 - Einrichtung zur ermittlung der materialbeschaffenheit elektrisch leitfaehiger koerper

Info

Publication number: DE4129259A1
Application number: DE19914129259
Authority: DE
Inventors: Bernd Schneider; Conrad Kauffeldt; Artur Dr Blueschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2011-08-31
Also published as: DE4129259C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ermittlung der Materialbeschaffenheit elektrisch leitfähiger Körper sowie wahl weise des Abstandes der Einrichtung zur Oberfläche der Körper nach dem Wirbelstromverfahren.

Bei Annäherung der Einrichtung an den elektrisch leitfähigen Körper erzeugt die senkrecht zur Oberfläche liegende Komponente des erzeugten Feldvektors Wirbelströme im leitenden Material, die dann selbst Quelle eines Wechselfeldes sind, welches das erregende Feld zum Teil kompensiert. Der summarische Feld wird registriert und in ein elektrisches Signal gewandelt. Beim Abtasten des Körpers machen sich mechanische Defekte oder Materialunterschiede durch Signalveränderungen (in Amplitude und Phase) bemerkbar, deren Art Rückschlüsse auf die Art und die Abmessungen der Veränderungen (u. a. Defekte) erlauben. Moderne Wirbelstromprüfgeräte dienen der Prüfung von Konstruktions elementen und Halbzeugen auf Fehler (u. a. Korrosionsprüfung, Rißprüfung, Bestimmung von Überhitzungsschäden und Material zusammensetzungen).

Bekannt sind entsprechende Sonden, die auf dem induktiven Prinzip (parametrische, transformatorische und Brückensonden) basieren. Dabei wird das resultierende Feld mittels Spulenanordnungen über die Ermittlung der Impedanzänderungen gemessen (E8-8S 2 75 255, E8- 8S 33 802).

Wegen der Induktionsableitung der Signale und der notwendigen hohen Empfindlichkeit muß eine hohe Arbeitsfrequenz gewählt werden. Das wiederum hat eine geringe Eindringtiefe und Tiefenauflösung zur Folge. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte örtliche Auflösung wegen der minimal möglichen Spulenabmessungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die auch bei niedrigen Arbeitsfrequenzen und damit bei hoher Tiefenauflösung die notwendige hohe Empfindlichkeit aufweist und deren örtliche Auflösung durch Verkleinerung des feldaufnehmenden Elementes erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß innerhalb des induzierten Magnetfeldes zur direkten Messung der Feldverteilung mindestens ein magnetoresistives Element angeordnet ist.

Zur Miniaturisierung weist in einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung die Einrichtung ein flächenförmiges Substrat auf, welches das als Dünnschichtelement ausgebildete magnetoresistive Element trägt. Das Magnetfelderregersystem ist dabei als Spule ausgebildet, welche das Substrat umgibt.

Das Dünnschichtsystem enthält ein oder mehrere in bekannter Weise hergestellte Elemente einer metallischen Schicht (z. B. Permalloy in Verbindung mit einer vormagnetisierenden Schicht und/oder Schirm), deren Widerstand sich unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfeldes ändert, und die Leitungsstruktur, die die Verbindung der Elemente zu äußeren oder inneren (d. h. auf dem gleichen Substrat befindlichen) aktiven und passiven Bauelementen einer Signalverarbeitungselektronik herstellt.

Das Magnetfelderregersystem besteht aus einer Spule und der zuge hörigen Stromversorgung. Die Spule kann in verschiedenartiger Form aus Draht gewickelt werden oder durch Strukturierung einer Leitschicht (z. B. Gold) auf einem Substrat oder auch direkt auf dem Substrat des Sensors erzeugt werden. Die Spulenachse liegt vorzugsweise parallel zur schweren Achse der Magnetisierung des bzw. der magnetoresistiven Elemente (Tastsonden für die normale Feldkomponente der Prüflingsoberfläche) oder senkrecht auf der Elementfläche (Tastsonden für die tangentiale Komponente).

Damit das magnetoresistive Element möglichst dicht an den zu untersuchenden Körper gelangt, liegen in einer weiteren vorteilhaften Auskleidung der Erfindung die Stirnseite der Spule und die Kante des magnetoresistiven Elementes in einer Ebene und bilden die Aufsatzfläche der Einrichtung.

Durch die Nutzung des flußproportionalen magnetoresistiven Effektes gelingt es erstens, ein frequenzunabhängiges Meßsignal zu erzeugen und zweitens, die Frequenz als variablen Parameter zur Ermittlung der Defekttiefe verfügbar zu machen. Ein weiterer Vorteil bei der Nutzung des magnetoresistiven Effektes findet seinen Niederschlag in der hohen Empfindlichkeit der erfindungs gemäßen Einrichtung. Sie ist zum einen bedingt durch die hohe Empfindlichkeit des magnetoresistiven Elementes, zum anderen durch seine geometrische Gestalt, die es erlaubt, den feld empfindlichen Teil in unmittelbare Nähe zur Oberfläche des Prüflings zu bringen und ihn damit der für die Beschaffenheits prüfung maßgeblichen Feldkomponente optimal auszusetzen.

Aufgrund dieser Eigenschaften kann die Einrichtung mit einer sehr geringen Anregungsleistung (Anregungsfeldstärke) betrieben wer den, was die Miniaturisierung durch den Einsatz mikroelektro nischer und mikromechanischer Herstellungsverfahren ermöglicht und den mobilen Einsatz in batteriebetriebenen Geräten unter stützt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben:

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung auf dem Substrat mit einer umgebenden Spule

Fig. 2 eine Einrichtung mit mehreren magnetoresistiven Elementen in einer Zeile

Fig. 3 eine Einrichtung mit einer planaren Spulanordnung Fig. 4 eine Einrichtung mit einem Kernkreis als Magnetfeld erregersystem

Gemäß Fig. 1 befindet sich auf einem elektrisch nicht leitenden Substrat 1 ein mittels spezieller, bekannter Verfahren /1/ hergestelltes magne toresistives Element 2 mit entsprechenden Anschlußleitern 3, wobei durch geeignete Bearbeitung des Substrats gewährleistet ist, daß das magnetoresistive Element 2 möglichst nahe und parallel zur Substratkante liegt. Das Substrat trägt außerdem ein Magnetfelderregersystem als gewickelte Spule 5, die das magneto resistive Element umschließt. Die eine Stirnseite 6 der Spule und die Substratkante 4 liegen in einer Ebene und bilden die Aufsatz fläche der Sonde.

Die Einrichtung wird in der Weise betrieben, daß z. B. vermittels einer Spule, die mit einem Wechselstrom gespeist wird, Wirbel ströme im Prüfling 7 induziert werden, die ihrerseits ein Sekundärfeld ausbilden, daß sich dem Primärfeld überlagert. Das Signal des magnetoresistiven Elementes 2 wird in bekannter Weise nach Amplitude und Phase ausgewertet, und der aus beiden Größen gewonnene Meßwert wird in geeigneter Form zur Anzeige gebracht. Ein Gleichfeld zur Einstellung des Arbeitspunktes des magneto resistiven Elementes kann durch Einkopplung eines Gleichstromes in die Felderregerspule oder durch ein separates Element erzeugt werden.

Fig. 2 zeigt abweichend zu Fig. 1 eine Anordnung mit mehreren Elementen, die in einer Zeile 8 angeordnet sind. Die Anordnung erlaubt bei mehrkanaliger Signalauswertung eine genaue Lokalisierung des Fehlers, wobei die Auflösung in Längsrichtung der Zeile durch ihre Periode bestimmt ist.

Zusätzlich enthält die Anordnung mindestens ein weiteres magneto resistives Element 9, das in Differenzschaltung als Kompen sationselement zur Unterdrückung von Temperaturdriftfehlern und äußerer Störfelder eingesetzt wird. Desweiteren kann die Anord nung in ähnlicher Weise Elemente zur Lift-off-Kompensation erhalten.

Zusätzlich zum magnetoresistiven Signal kann auch die Impe danzänderung der Spule ausgewertet werden. Das gewonnene Signal kann als additive Komponente zur Vergrößerung des Grundsignals oder als separate Komponente zur Ableitung von Informationen über die großflächige Beschaffenheit des Prüflings genutzt werden.

Fig. 3 gibt eine planare Spulenanordnung wieder, die mit bekannten Ver fahren der Schichtstrukturierung hergestellt wird. Durch den ebenen Aufbau des magnetoresistiven Elementarrays (Elementfläche senkrecht zur Spulenachse) ist diese Einrichtung für die Aufnahme des Tangetialfeldes an der Oberfläche des Prüflings geeignet.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung, in der als Magnetfelderregersystem ein Kernkreis 10 vergleichbar einem Magnetkopf verwendet wird. Das magnetoresistive Element ist im Spalt des Kernkreises angeordnet.

Claims

1. Einrichtung zur Ermittlung der Materialbeschaffenheit elektrisch leitfähiger Körper sowie wahlweise des Abstandes der Einrichtung zur Oberfläche der Körper nach dem Wirbelstromverfahren mit einem Magnetfelderregersystem, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des induzierten Magnetfeldes zur direkten Messung der Feldver teilung mindestens ein magnetoresistives Element 2 angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein flächenförmiges Substrat 1 aufweist, welches das als Dünnschichtelement ausgebildete magnetoresistive Element 2 trägt und daß das Magnetfelderregersystem als Spule 5 ausgebildet ist, welche das Substrat 1 umgibt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite der Spule 5 und die Kante des magnetorestiven Elementes 2 in einer Ebene liegen und die Aufsetzfläche der Ein richtung bilden.