DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Magnetooptische Wirbelstromprüfsysteme

Zielke, Reiner Dipl.-Phys., Crostack, Horst-Artur Prof. Dr.-Ing.,
Schoon, Harald Dipl.-Ing.; Universität Dortmund
Lorenz Andreas Dipl.-Chem., Görnert Peter Prof. Dr.;
Innovent Jena
Rudolf Hergt Dr. habil.; IPHT Jena
Kontakt: Zielke Reiner Dipl.-Phys.

Zusammenfassung

Im Beitrag werden Wirbelstromprüfsysteme vorgestellt, bei denen die Magnetfeldmessung mit Hilfe von magnetooptischen Sensoren erfolgt. Die Wirbelströme werden, wie bei einem konventionellen System, mit Hilfe einer Anregungsspule im Bauteil induziert. Die Magnetfeldmessung erfolgt jedoch mit einer optisch aktiven Schicht und einem Laserstrahl und unter Ausnutzung des Faraday-Effektes. Die Magnetfeldinformation liegt dabei in Form von Intensitätsänderungen des von der optisch aktiven Schicht reflektierten Laserstrahls vor. Die Intensität des Laserstrahls wird mit einer Fotodiode gemessen, wobei das Meßsignal mit dem eines konventionellen Systems vergleichbar ist. Weiterhin kann eine CCD-Kamera zur Visualisierung der Magnetfeldverteilung eingesetzt werden.

Prinzip der Wirbelstromprüfung

Die zerstörungsfreie und berührungslose Wirbelstromprüfung ist insbesondere zur oberflächennahen Prüfung elektrisch leitfähiger Materialien geeignet. Der Aufbau eines Tastsensors sowie die Funktionsweise des Wirbelstromverfahrens ist im Bild 1 schematisch abgebildet. Der Tastsensor besteht aus einer Sende- und Empfangsspule, wobei die Sendespule mit einem Wechselstrom betrieben wird und somit ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Dieses dringt in das Material ein und induziert dort Wirbelströme. Die Verteilung und die Stärke des Wirbelstroms sind von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Bauteils abhängig. Der Wirbelstrom erzeugt ebenfalls ein magnetisches Wechselfeld, was jedoch nach der Lenz'schen Regel das Feld der Sendespule abschwächt.


Bild 1: Prinzip der Wirbelstromprüfung

Diese Abschwächung wird mit Hilfe der Empfangsspule, welche innerhalb der Sendespule liegt, nachgewiesen. Auf diese Weise lassen sich Materialeigenschaften, welche einer Änderung der elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften verur-sachen, empfindlich nachweisen. Das laterale Auflösungsvermögen des Sensors ist dabei von der Sensorgröße anhängig. Um zwei nebeneinander liegende Risse auflösen zu können, ist ein Sensor notwendig, dessen Nachweisbereich (Sensordurchmesser) vergleichbar mit dem Abstand zwischen den Rissen ist. Daher sind für Untersuchungen mit hohem lateralen Auflösungsvermögen Sensoren mit sehr kleinen Durchmessern notwendig. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Empfangsspule, welche integral das Magnetfeld innerhalb der Sendespule misst, durch einen anderen Sensor mit hohem lateralen Auflösungsvermögen zu ersetzen. Hierzu bietet sich der 1845 von Michael Faraday gefundene Effekt an.

Magnetfeldmessung mit dem Faraday-Effekt

Der für die Messung zu Grunde liegende Faraday-Effekt ist im Bild 2 skizziert. Voraussetzung hierzu ist ein Lichtstrahl mit einer definierten Ausbreitungsrichtung k und Polarisationsrichtung E, welcher in ein optisch aktives Material eindringt.


Bild 2: Prinzip des Faraday-Effekts

Dort wird die Polarisationsrichtung des Lichtes in Abhängigkeit des Magnetfeldes (B), der Länge (L) des Materials und der materialabhängigen Verdetkonstante (V) gedreht. Dieser Effekt ermög-licht es, 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 einer leicht messbaren Größe wie z. B. in eine Intensitätsänderung des Lichtes umgewandelt werden. Dieser Vorgang ist im Bild 3 dargestellt.


Bild 3: 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 Laserstrahls in Abhängigkeit des in der Sende-spule 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 Fotodiode bzw. CCD-Kamera detektiert eine hohe Lichtintensität. Erfüllt der Laserstrahl nicht die Bedingung des Polfilters, wird er abgeschwächt, so dass das System eine geringere Intensität detektiert. Somit wird die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule in eine Lichtintensitätsverteilung umgewandelt.

Aufbau der magnetooptischen Wirbelstromprüfsysteme

An der Universität Dortmund wurden beide magnetooptische Wirbelstromprüfsysteme, mit einer Fotodiode und mit einer CCD-Kamera zur Visualisierung des Magnetfeldes, erstellt. Zunächst wird das System mit der Fotodiode beschrieben. Der Aufbau des Systems ist im Bild 4 abgebildet. Die zu untersuchende Probe befindet sich auf dem Manipulator, der in diesem Fall ein sogenannter Hexapod ist, bei dem die sechs Beine einzeln angesteuert werden können, und somit kann die Probe in allen sechs Freiheitsgraden verfahren werden.


Bild 4:
Aufbau des magnetooptischen Wirbelstromprüfsystems mit Fotodiode

Der magnetooptische Sensor ist oberhalb des Manipulators starr befestigt. Zur Messung wird nun die Probe mit Hilfe des Manipulators unterhalb des Sensors verfahren. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass keine Erschütterungen durch den Manipulator am Sensor auftreten können, die den Messbefund verfälschen würden. Das Sensorsystem besteht aus einem Laser gefolgt von einem Isolator, der verhindert, dass das reflektierte Laserlicht zurück in den Laser geleitet wird, was zu Leistungsschwankungen des Lasers führen würde. Nach dem Isolator wird der Laserstrahl auf dem Innendurchmesser der Sendespule aufgeweitet, wodurch gewährleistet ist, dass die gesamte Fläche des Faraday-Rotators zur Messung genutzt wird. Der folgende Aufbau ist rechts im Bild 4 vergrößert dargestellt. Der Laserstrahl durchquert den Strahlteiler, trifft auf den Faraday-Rotator, der innerhalb der Sendespule liegt, dort erfolgt nun die Magnetfeldmessung. Der reflektierte Strahl wird dann über den Strahlteiler auf den Polfilter sowie einer Fokussierungsoptik schließlich auf die Fotodiode geleitet. Das Fotodiodensignal wird nun mit Hilfe des Lock-In-Verstärkers nach Amplitude und Phase ausgewertet. Der PC rechts im Bild wird sowohl für die Ansteuerung des Manipulators als auch für das magnetooptische Prüfsystem eingesetzt. Dieses System liefert, wie ein konventionelles Wirbelstromprüfsystem, eine Empfangsspannung, die nach Amplitude und Phase ausgewertet werden kann. Das System zur Visualisierung des Magnetfeldes innerhalb der Sendespule mit Hilfe einer CCD-Kamera ist im Bild 5 dargestellt.


Bild 5:
Aufbau des magnetooptischen Wirbelstromprüfsystems mit CCD-Kamera

Da dieses System bereits auf Messen wie der MTQ präsentiert wurde, ist um das eigentliche Prüfsystem eine Kammer gebaut worden, die zum einen die Laserschutzbestimmungen einhält und zum anderen Störungen, wie z.B. durch Streulicht, verhindert. Rechts im Bild 5 ist das System mit geöffnetem Gehäuse abgebildet. Der Laser sowie der Isolator ist im hinteren Teil (im Bild nicht sichtbar) untergebracht. Unten links im Bild ist der Modulator zu erkennen, der eine gezielte Belichtung (Ein- und Ausblenden des Lasers bei maximaler Anregungsstromstärke der Sendespule) sowie Belichtungsdauer ermöglicht. Danach wird der Strahl umgeleitet und trifft dann auf den Strahlteiler. Hier wird der Laserstahl wie bei dem Diodensystem in den Sensor geleitet, wo er reflektiert wird und nach Durchqueren des Polfilters auf der CCD-Kamera abgebildet wird. Dieses System gibt die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule in Form eines digitalen Bildes wieder. Bei der Erstellung der beiden Systeme wurde darauf geachtet, dass die magnetooptischen Sensoren, bestehend aus der Sendespule und dem Faraday-Rotator untereinander ausgetauscht werden können, um somit einen besseren Vergleich der beiden Systeme zur gewährleisten.


Bild 6: Aufbau des magnetooptischen Sensors

Ein solcher für die Messungen eingesetzter Sensor ist im Bild 6 abgebildet. 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 Schichtdicke 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.

Funktionsüberprüfung der magnetooptischen Wirbelstromprüfsysteme

Als Funktionsüberprüfung der beiden Systeme wurde die Vermessung einer Bauteilkante ausgewählt, da hier die zu erwartenden Signaländerungen zwischen Luft und Bauteil maximal sind. Im Bild 7 ist der Messbefund für das Diodensystem sowohl in einer Falschfarbendarstellung als auch in Form eines Linienplots abgebildet.


Bild 7: Funktionsüberprüfung des Diodensystems

Oben im Bild 7 ist die Messsituation abgebildet, bei der das Bauteil unter dem magnetooptischen Sensor innerhalb des rot markierten Messgebiets verfahren wurde. In der Falschfarbendarstellung, bei der die Amplitude des Empfangssignals ausgewertet wurde, ist das Bauteil an Hand des roten Bereichs deutlich zu erken-nen. Der Linienplot, der die Amplitude gegenüber dem Messort wiedergibt, ist ebenfalls die Kante an Hand der starken Signaländerung zu erkennen. Weiterhin erkennt man hierbei, dass dem Messsignal kaum Störungen überlagert sind, also das System stabil und reproduzierbar arbeitet. Die Funktionsfähigkeit des Kamerasystems wurde ebenfalls durch Vermessungen von Bauteilkanten überprüft. Die Messanordnung sowie die Befunde gibt Bild 8 wieder. Hierbei wurde der Sensor mittig über der Bauteilkante positioniert und dass so erhaltene Kamerabild abgespeichert.


Bild 8: Messsoftware

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. Im Fall des Aluminiumbauteils wird das Magnetfeld durch die induzierten Wirbelströme abgeschwächt, so dass das Bauteil dunkel angezeigt wird. Beim Stahl hingegen wird das Magnetfeld auf Grund der Permeabilität verstärkt, wodurch der Stahlkörper durch die hellen Werte angezeigt wird. Die Messungen zeigen, dass beide erstellten Verfahren zur Wirbelstromprüfung geeignet sind.

Messungen an Modellfehlern

Zu weiteren Untersuchungen wurde ein Stahlkörper vermessen, in dem Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser, von 1 mm bis 2 mm, eingebracht wurden. Die Befunde mit beiden magnetooptischen Systemen sind im Bild 9 dargestellt. Dabei sind links die Befunde mit dem Diodensystem in Form einer Falschfarbendarstellung und rechts der Befund mit dem CCD-Kamerasystem abgebildet. Zusätzlich ist oben rechts im Bild der Durchmesser des eingesetzten Sensors eingezeichnet.


Bild 9:
Messungen an Bohrungen

Mit beiden Systemen konnten die Bohrungen exakt detektiert werden, wobei eine trotz des großen Sensordruchmessers hohe laterale Auflösung vorliegt. Die Messung mit dem Diodensystem zeigt auch, dass das Empfangssignal wie bei einem konventionellen Sensor nach Amplitude und Phase ausgewertet wird. Diese Untersuchung zeigt auch einen Vorteil des Kamerasystems. Bei diesem System ist die Fehlerart (hier Bohrung) sofort online zu erkennen, wogegen bei dem Diodensystem die Fehlerart erst nach Abscannen der Probe und anschließender Auswertung zu erkennen ist.

Vergleich der Systeme

Im folgenden werden Messbefunde der magnetooptischen Systeme mit dem eines konventionellen Systems verglichen. Zur Prüfung wurde ein Stahlkörper (Bild10, links) ausgewählt, in den Nuten unterschiedlicher Breite und Abstände eingebracht wurden. Dieser wurde nun mit einem konventionellen System (Bild 10, oberer Messbefund), mit dem Diodensystem (mittlerer Messbefund) und mit dem Kamerasystem (unterer Messbefund) vermessen. Die zugehörigen Prüfparameter sind jeweils unter den Messbefunden angegeben. Das höchste laterale Auflösungsvermögen zeigt hierbei das Kamerasystem, da hier die Magnetfeldverteilung innerhalb der Sendespule mit einer dem Laserlicht vergleichbaren axialen Auflösung vermessen wurde. Das Diodensystem hat im Vergleich zum konventionellen System eine leicht bessere laterale Auflösung trotz des erheblich größeren Sensordurchmessers und der geringeren Anregungsfrequenz. Eine Ursache für das höhere Auflösungsvermögen des Diodensystems kann an den unterschiedlichen Messvolumen der Empfangssensoren liegen.


Bild 10:
Vergleich der Systeme

Hierzu wurde mit Hilfe eines Simulationsprogramms der Magnetfeldverlauf entlang der Symmetrieachse der Sendespule für unterschiedliche Anregungsfrequenzen und Materialien berechnet. Das Ergebnis ist im Bild 11 graphisch dargestellt. Oben links im Bild sind die unterschiedlichen Prüfsituationen aufgelistet. Dabei wurde der Magnetfeldverlauf an Luft als Normierung für die anderen Situationen ausgewählt. Mittig im Bild ist die Lage der Sendespule mit ihrer Symmetrieachse z und die Abmaße der konventionellen Empfangsspule (grün) und des magnetooptischen Sensors rot eingezeichnet. Rechts im Bild sind die entsprechenden Magnetfeldverläufe in Form eines Linienplots entlang der Symmetrieachse eingezeichnet.


Bild 11: Magnetfeld innerhalb der Sendespule

Im Folgenden wird nun der Magnetfeldverlauf an Luft (schwarz) und für Aluminium bei einer Prüffrequenz von 100 kHz (dunkelblau) betrachtet. Im Fall des magnetooptischen Sensors wird nur das Magnetfeld direkt an der Oberfläche (Dicke des Faraday-Rotators beträgt ca. 5 µm) gemessen. Dabei haben wir eine Magnetfeldänderung von Luft und Aluminium von 1,0 auf 0,1, also um ca. 90 %. Im Fall des konventionellen Sensors, der über eine größere Länge misst, geht auch der Bereich in die Messung mit ein, bei dem kaum Unterschiede im Verlauf der beiden Magnetfeldverteilungen sind. Somit verändert sich auch die relative Magnetfeldänderung auf ca. 33%. Daher ist der magnetooptische Sensor auf Grund seiner geringeren Messlänge empfindlicher für Magnetfeldänderungen, wodurch er auch ein höheres laterales Auflösungsvermögen besitzt.


Bild 12: Wirbelstromsensoren

Im Bild 12 sind einige konventionelle Sensoren sowie der eingesetzte magnetooptische Sensor abgebildet. Hierbei zeigt der magnetooptische Sensor ähnliche Abmessungen wie der mittlere Sensor, aber ein laterales Auflösungsvermögen wie der hochauflösende konventionelle Sensor links im Bild 12.

Ausblick

Zur Steigerung der Empfindlichkeit des Systems sind eine höhere Verdetkonstante sowie dickere Schichten sinnvoll. Diese Arbeiten werden von Innovent e. v. in Jena durchgeführt. Ein Schwerpunkt der Systementwicklung liegt neben der Erhöhung des lateralen Auflösungsvermögens bei der Erhöhung des axialen Auflösungsvermögens, also einer höheren Empfindlichkeit für tiefliegende Fehler. Hierzu sind Anpassungen bezüglich der Anregung mit der Sendespule sowie bei der Auswertung der Messdaten mit dem Kamerasystem notwendig. Die in diesem Beitrag durchgeführten Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net