DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Erprobung magnetooptischer Sensoren für die Wirbelstromprüfung

Zielke, Reiner Dipl.-Phys., Crostack, Horst-Artur Prof. Dr.-Ing.,
Schoon, Harald Dipl.-Ing.; Universität Dortmund
Hergt, Rudolf Dr. habil.; IPHT Jena
Kontakt: R. Zielke, H.-A. Crostack

Zusammenfassung

Im Beitrag wird ein neu entwickeltes Wirbelstromprüfsystem vorgestellt, bei dem die Magnetfeldmessung mit Hilfe von magnetooptischen Sensoren erfolgt. Das System besteht aus einer Anregungsspule, die die Wirbelströme im Bauteil induziert, welche dann mit einer optisch aktiven Schicht und einem Laserstrahl und unter Ausnutzung des Faraday-Effektes nachgewiesen werden. Mit dem erstellten System werden Messungen an Probekörpern zum lateralen Auflösungsvermögen vorgestellt, deren Ergebnisse mit denen von konventionellen Systemen verglichen werden. Weiterhin werden mit Hilfe des Systems die Möglichkeiten zur Visuallisierung der Magnetfeldverteilung durch Einsatz einer CCD-Kamera untersucht.

Prinzip der Wirbelstromprüfung und Grenze des lateralen Auflösungsvermögens konventioneller Sensoren

Das Prinzip der Wirbelstromprüfung ist im Bild 1 skizziert. Mit Hilfe einer mit Wechselstrom betriebenen Sendespule wird im elektrisch leitfähigen Material ein Wirbelstrom induziert, deren Stärke und Verteilung von der elektrischen Leitfähigkeit und der Permeabilität abhängig ist. Dieser erzeugt ein Magnetfeld, welches nach der Lenz'schen Regel dem der Sendespule entgegengesetzt ist. Diese überlagerung der Magnetfelder wird mit Hilfe einer zweiten Spule, der Empfangsspule, nachgewiesen.

Bild 1: Prinzip der Wirbelstromprüfung

Somit können Materialeigenschaften, die eine änderung der elektrischen Leitfähigkeit und/oder Permeabilität bewirken, empfindlich nachgewiesen werden. Der Nachweisbereich des Sensors ist von seiner Bauart und der eingesetzten Anregungsfrequenz abhängig. Für Messungen mit hohen lateralen Auflösungen werden spezielle Tastsensoren eingesetzt.

Im Bild 2 sind zwei Sensoren bestehend aus Sende- und Empfangsspule abgebildet. Mit diesen Sensoren wurde nun der im Bild 3 dargestellte Testkörper vermessen. Hierzu wurde der Wirbelstromsensor mit einer Frequenz von 2 MHz (zur Erhöhung der lateralen Auflösung) betrieben und über den Testkörper mit Hilfe eines Handhabungssystems verfahren. Dabei wurde die erhaltene Empfangsspannung gemäß ihrer Amplitude aufgenommen. Die Meßdaten sind im Bild 3 in Form einer Grauwertdarstellung aufbereitet.

Bild 2: Konventionelle Sensoren Bild 3: Testkörper und Wirbelstrombefund

Der Testkörper wurde aus ST37 - einem handelsüblichen Stahl - angefertigt. Die Abmaße des Testkörpers sind 85x50x15 mm³. In diesem wurden Nuten mit einer Länge von 50 mm und einer Tiefe von 1 mm eingebracht. Dabei beträgt die Nutbreite 2, 1, 0,5 und 0,35 mm. Im Wirbelstrombefund sind die Nuten deutlich zu erkennen. Im Fall der dicht nebeneinander liegenden Nuten, im rechten Teil der Probe, ist jedoch eine Unterscheidung der einzelnen Nuten nicht möglich. Hier reicht das laterale Auflösungsvermögen nicht aus. Zur Steigerung des Auflösungsvermögens kann nun der Auswertealgorithmus optimiert werden. Außerdem kann das Auflösungsvermögen durch Verkleinerung des Sensors gesteigert werden. Allerdings sind deutliche Grenzen durch die Konstruktion gegeben. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Sendespule, welche integral das Magnetfeld innerhalb der Sendespule mißt, durch einen anderen Sensor mit hohem lateralen Auflösungsvermögen zu ersetzen. Eine Möglichkeit hierzu bietet der von Michael Faraday 1845 gefundene Effekt.

Funktionsweise des magnetooptischen Sensors

Die Grundlage der magnetooptischen Sensoren bildet der Faraday-Effekt, der im Bild 4 skizziert ist. Ein Lichtstrahl mit einer Ausbreitungsrichtung k und einer Polarisationsrichtung E tritt in ein optisch aktives Material ein.

Bild 4: Prinzip des Faraday-Effekts.

Dieses auch als Faraday-Rotator bezeichnete Material dreht nun die Polarisationsrichtung des Lichtes in Abhängigkeit des Magnetfeldes. Somit hat sich die Polarisationsdrehung des Lichtstrahles nach Austritt aus dem Faraday-Rotator um den Winkel q gedreht. Hierbei fand Faraday empirisch folgenden Zusa mmenhang: q = V * L * B

Wobei V gleich der Verdetkonstante, L die Länge des Rotators und B das Magnetfeld ist.

Auf diese Weise ist es möglich die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule in unterschiedliche Polarisationsdrehungen des Lichtes umzuwandeln. Dabei liegt die laterale Auflösung in der Größenordnung der benutzen Wellenlänge des Lichtes. Als nächstes muß nun die Polarisationsdrehung in eine Intensitätsänderung des Lichtes umgewandelt werden, wodurch eine Visuallisierung der Magnetfeldverteilung erreicht wird. Dieser Vorgang ist im Bild 5 dargestellt.

Bild 5: Prinzip des magnetooptischen Sensors

Als Lichtquelle wurde ein Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm eingesetzt. Der Laserstrahl tritt in den Faraday-Rotator ein, der sich anstelle der Empfangsspule innerhalb der Sendespule befindet. An der Spiegelschicht wird dieser reflektiert und verläßt dann wieder die Sendespule, wobei die Polarisationsrichtung des Laserstrahles in Abhängigkeit des in der Sendespule wirkenden Magnetfeldes

gedreht wurde. über den Strahlteiler trifft der Laserstrahl nun auf den Polfilter. Dieser hat die Eigenschaft Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung durchzulassen. Erfüllt der Laserstrahl diese Bedingung, wird er ungehindert durchgelassen und die CCD-Kamera detekiert eine hohe Lichtintensität. Erfüllt der Laserstrahl nicht die Bedingung des Polfilters, wird er abgeschwächt, so dass die Kamera eine geringere Intensität detektiert. Somit wird die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule in eine Lichtintensitätsverteilung umgewandelt. Die Kamera gibt also die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule direkt wieder.

Aufbau des magnetooptischen Wirbelstromprüfsystems

Der an der Universität Dortmund erstellte Prototyp ist im Bild 6 dargestellt.

Bild 6: Aufbau des magnetooptischen Wirbelstromprüfsystems

Unten links im Bild ist der Laser abgebildet, gefolgt von einem optischen Isolator, der eine Reflektion des Laserlichtes verhindert, was zur Leistungsschwankung des Lasers führen kann. Danach folgt ein Modulator, der es ermöglicht, den Laserstrahl ein- und auszublenden. Dieser ist notwendig, um eine gezielte Belichtung der Magnetfeldverteilung zu ermöglichen. Auf Grund der Wechselstromanregung liegen in der Sendespule auch magnetische Wechselfelder vor. Um den Einfluß der induzierten Wirbelströme auf das Magnetfeld zu untersuchen, ist es sinnvoll, immer zum gleichen Zeitpunkt, z. B. bei maximaler Anregungsstromstärke, die Magnetfeldverteilung aufzunehmen. Der Sensor sowie die zu untersuchende Probe sind links oben im Bild separat abgebildet. Der Probekörper wird unterhalb des Sensors mit Hilfe des Verfahrtisches bewegt. Die Bedienung ist mit der eines Lichtmikroskops vergleichbar. Innerhalb des Sensors erfolgt nun die Magnetfeldmessung. Der magnetooptische Sensor ist im folgenden Bild 7 separat dargestellt.

Bild7: Oben, im geöffneten Zustand, ist die Sendespule, durch die der Laserstrahl geleitet wird, zu sehen. Zusätzlich ist auch der verspiegelte Faraday-Rotator zu sehen, wobei die Schichtdiche nur einige µm beträgt. Das Bild unten zeigt den geschlossenen Sensor. Das Meßfeld entspricht dabei ungefähr der Fläche des sichtbaren Faraday-Rotators links am Sensor.

Bild 7: Aufbau des magnetooptischen Sensors

Die Ansteuerungs- und Meßsoftware zeigt Bild 8.

Bild 8: Meßsoftware

Bild 8: Oben links ist das Online-Bild der CCD-Kamera angeben. Bei dieser Messung wurde die Bauteilkante eines Stahlkörpers untersucht. Dieser befand sich links im helleren Bereich. Rechts der dunkle Bereich gibt den Bereich der Luft wieder. Die Kante wurde also eindeutig detektiert.

Der runde Meßbereich ergibt sich dadurch, dass der Laserstrahl die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule, welche rund ist, wiedergibt. Außerhalb dieses Meßbereiches befindet sich die Sendespule. Rechts im Bild ist das Ansteuerungsmenue abgebildet. Dort kann die Frequenz sowie die Amplitude der Erregerspannung eingestellt werden. Zusätzlich kann über den Phasenregler und eine Schwellwertsetzung der Zeitpunkt und die Dauer der Belichtung, Einblenden des Lasers mit Hilfe des Modulators, eingestellt werden. Mit Hilfe des Aufnahme-Schalters kann der Meßbefund digital abgespeichert werden. Mit diesem System wurden nun die folgenden Messungen durchgeführt.

Messungen an Modellfehlern

Mit dem erstellten Prototypen wurden nun Messungen an dem anfangs beschriebenen ST 37-Probekörper durchgeführt. Hierzu wurde der Probekörper auf dem Verfahrtisch befestigt und unter dem magnetooptischen Sensor bewegt. Die einzelnen Nuten wurden dann mit dem System aufgenommen. Die Messungen wurden mit einer Anregungsfrequenz von 16 kHz, also deutlich niedriger und damit mit höherer Eindringtiefe, durchgeführt. Im Bild 9 sind die zugehörigen Meßbefunde sowie der Probekörper und der Befund mit dem oben angegebenen konventionellen System dargestellt.

Bild 9: Messungen an Modellfehlern

Im Fall der Aufnahmen mit dem magnetooptischen System sind die einzelnen Nuten deutlich zu erkennen. Weiterhin sind auch die eng nebeneinander liegende Nuten, im rechten Teil des Probekörpers, deutlich zu unterscheiden. In den Meßbefunden ist zusätzlich die Strecke für einen mm mit angegeben, was ein direktes Ablesen der Nutbreiten ermöglicht. Im Vergleich zur konventionellen Messung, welche mit einem hochauflösenden Tastsensor und einer Anregungsfrequenz von 2 MHz durchgeführt wurde, ist mit dem magnetooptischen System trotz der niedrigeren Frequenz ein erheblich besseres laterales Auflösungsvermögen realisiert worden. Im Fall der konventionellen Messung reichte das Auflösungsvermögen zur Detektion der einzelnen Nuten im rechten Teil der Probe nicht aus.

Bei den Messungen mit dem magnetooptischen System sind bei allen Aufnahmen Artefakte an gleichen Stellen des Sensors zu erkennen. Dabei handelt es sich zur Zeit bei diesem Versuchsmuster noch um Beschädigung der Spiegelschicht des Sensors. Diese ist durch Berührung des Sensors mit dem Probekörper entstanden. In diesen Bereichen findet keine Reflektion des Laserlichtes statt, dadurch erfolgt in diesen Artefakten keine Magnetfeldmessung. Der Sensor ist sozusagen in diesen Bereichen blind. Nach der erfolgreichen Funktionsüberprüfung an Modellfehlern wurde dieses System nun bei praxisnahen Fehlern eingesetzt.

Vermessung von Rißfeldern

Bild 10: Messungen am Rißfeld

Um das System an kleinen natürlichen Fehlern zu überprüfen wurde der Testkörper Nr. 3 nach MTU vermessen. In diesen Testkörper wurden feine Rißfelder eingebracht, die zur Kalibrierung von zerstörungsfreien Prüfsystemen dienen. Der Testkörper sowie drei Meßbefunde, die an unterschiedlichen Stellen des Testkörpers aufgenommen wurden, sind im Bild 10 dargestellt.

Bei allen drei Messungen sind die Risse sowie ihre Verläufe an der Oberfläche deutlich zu erkennen. Jedoch zeigen diese Messungen, dass eine Vergrößerung des Meßbefundes zur exakten Beschreibung der Fehler und deren Verlauf durchaus sinnvoll wäre. Aus diesem Grund wurde im folgenden die Möglichkeit für die Erstellung eines Wirbestrommikroskops untersucht.

Einsatz des Systems als Wirbelstrommikroskop

Um kleine Materialfehler exakt untersuchen zu können, wurde der Prototyp um ein Mikroskopobjektiv im Bereich des magnetooptischen Sensors und um ein Okular vor der CCD-Kamera erweitert. Damit kann der Lichtstrahl, welcher die Information der Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule enthält, wie bei einem konventionellen Lichtmikroskop vergrößert werden. Mit dem so erweiterten System wurde nun der vorherige Testkörper mit dem eingebrachten Rißfeld erneut untersucht. Im Bild 11 sind die erhaltenen Ergebnisse dokumentiert.


Bild 11:
Vergrößerung des Risses (Vergrößerungsfaktor: 10)

Bild 12:
Vermessung einer Zugprobe mit Riß

Links im Bild ist der Meßbefund ohne Vergrößerung, wie bei den vorherigen Messungen, abgebildet. Mit dem integrierten Mikroskopobjektiv und dem Okular ist eine Vergrößerung um den Faktor 10 realisiert worden. Die Aufnahme mit dem integrierten Mikroskop ist rechts abgebildet. Der Befund gibt einen Meßbereich von ungefähr 1 mm² wieder und ist im linken Befund eingetragen. Die Mikroskopaufnahme gibt den Rißverlauf sowie die Abmaße des Risses deutlich wieder. Diese Messung zeigt, das mit diesem System eine sinnvolle Vergrößerung eines Meßgebietes möglich ist. In beiden Meßbefunden sind Interferenzstreifen zu erkennen, die den Meßbefund überlagern und das eigentliche Meßsignal stören. Die Ursache für diese Interferenzen sind noch durch die Art des Aufbaus und die Fertigung bedingt. Hierzu erfolgen zur Zeit Untersuchungen zur weiteren Optimierung.

Für den Einsatz als Wirbelstrommikroskop wird ein weiteres Beispiel, die Detektion eines Risses in einer Zugprobe, präsentiert. Im Bild 12 sind sowohl die Ergebnisse mit dem konventionellen System als auch mit dem magnetooptsichen System abgebildet.

Links im Bild sind zwei Befunde mit dem konventionellen System dargestellt. Dabei wurde im oberen Bild ein Absolutsensor und im unteren ein Differenzsensor jeweils mit einer Anregungsfrequenz von 2 MHz eingesetzt. Bei beiden Befunden ist der Riß in der Mitte der Zugprobe deutlich zu erkennen, wobei im Fall der Differenzmessung, wo der Sensor optimal zur Fehlerlage ausgerichtet wurde, eine bessere Anzeige vorliegt.

Der Befund mit dem magnetooptischen Sysrem ist rechts abgebildet. Hierbei ist ebenfalls der Riß und sein Verlauf deutlich zu erkennen, wobei im Vergleich zur konventionellen Messung eine wesentlich höhere laterale Auflösung vorliegt. Auch bei dieser Untersuchung wurde das Wirbelstrommikroskop eingesetzt. Der entsprechende Befund ist ebenfalls im rechten Teil des Bildes 12 dargestellt.

Ausblick

Für die weitere Optimierung des Systems ist eine Weiterentwicklung des Sensors sinnvoll. Hierbei muß eine Steigerung der Empfindlichkeit, z. B. durch Erhöhung der Schichtdicke oder durch eine höhere Verdetkonstante, und der Verschleißschutz (Vermeidung von Beschädigungen der Spiegelschicht) im Vordergrund stehen. Weiteres Potential zur Verbesserung des Systems liegt in der Art der Wirbelstromanregung. Bei den bisherigen Untersuchungen wurde die konventionelle Anregungsart der Tastspule (Sendespule über Bauteil) eingesetzt. Jedoch sind andere Anregungsarten in Hinblick auf eine Empfindlichkeitssteigerung sinnvoll, wie beispielsweise eine Helmholtz-Spule oder auch eine Stromdurchflutung. Für die Anpassung der Anregungsart wären grundlegende Simulationen und Untersuchungen notwendig. Bei den bisherigen Untersuchungen wurde überwiegend mit dem unbearbeiteten Online-Bild der Kamera gearbeitet. Ebenfalls erforderlich ist der Einsatz von Bildverarbeitungsalgorithmen zur weiteren Steigerung des Auflösungsvermögens.

Die in diesem Beitrag durchgeführten Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net