DE102008059032B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung ob eine Veränderung eines Substrats unter einer das Substrat bedeckenden Schicht vorliegt - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung ob eine Veränderung eines Substrats (2) in einem Testbereich unter einer das Substrat (2) bedeckenden Schicht (1) vorliegt, wobei: a) in dem Testbereich, an einer Stelle des Substrats (2) auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht (1) mit mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren eine kombinierte magnetische und/oder elektrische Messung vorgenommen wird; und b) untersucht wird, ob eine Relation zwischen mit den unterschiedlichen Messverfahren in dem Testbereich ermittelten Messwerten (18, 19) mit einer in einem Referenzbereich festgestellten Referenzrelation übereinstimmt, wobei – die in dem Referenzbereich festgestellte Referenzrelation zwischen mit unterschiedlichen Messverfahren ermittelten Messwerten (18, 19) besteht, und – im Fall einer Abweichung der Relation von der Referenzrelation festgestellt wird, dass das Substrat (2) verändert wurde.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung ob eine Veränderung eines Substrats unter einer das Substrat bedeckenden Schicht vorliegt, sowie eine Messvorrichtung zur Messung einer Schichtdicke einer bedeckenden Schicht auf einem Substrat.
• Ein Substrat kann beispielsweise die Karosserie eines Fahrzeugs sein, das von einer Lackschicht bedeckt ist. Das Auffinden einer Schweißnaht oder eines Schweißpunktes unter der Lackierung kann in vielen Situationen von Bedeutung sein, beispielsweise beim Kauf eines gebrauchten Fahrzeugs. Der potentielle Käufer ist dann mit Frage konfrontiert: Entspricht das Fahrzeug den Angaben des Verkäufers? Ist es wirklich unfallfrei oder hat es bereits Unfallschäden erlitten, für deren Beseitigung neue Blechteile mittels Schweißen angefügt wurden, wobei die Schweißnähte unter einer Lackierung verborgen sind?
• Aus der DE 14736968 ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannt, bestehend aus einer Induktionseinrichtung zum Erzeugen eines pulsförmig oder periodisch sich zeitlich ändernden Magnetfeldes, das im Prüfling Wirbelströme induziert, die ein mit den Eigenschaften oder Fehlern des Prüflings in Beziehung stehendes Magnetfeld hervorrufen, und aus magnetempfindlichen Nachweismitteln für das durch die Wirbelströme hervorgerufene Magnetfeld. Die Nachweismittel bestehen aus mindestens einem magnetempfindlichen Halbleiter.
• Aus der DE 1773857C ist eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung metallischer Materialien auf Wirbelstrombasis bekannt, die eine ein Magnetfeld abfühlende Sonde mit einer Magnetisierungsspule und einer Halleffekteinrichtung, welche miteinander magnetisch gekoppelt sind, einen ersten Oszillator mit einem Ausgangssignal einer Frequenz f₁, das der Magnetisierungsspule zugeführt wird, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, und eine mit einem Demodulator verbundene Anzeigevorrichtung zur Anzeige der Amplitude des demodulierten Signals aufweist. Die Halleffekteinrichtung ist mit einem zweiten Oszillator mit einem Ausgangssignal einer Frequenz f₂ versehen. Eine Mischeinrichtung ist an die ersten und die zweiten Oszillatoren gelegt, um die ersten und die zweiten Oszillatorausgangsignale der Frequenz f₁, f₂ zu überlagern. Eine mit der Mischeinrichtung und der Halleffekteinrichtung verbundene Vorrichtung speist die überlagerten Signale in die Halleffekteinrichtung ein. Der Demodulator, der mit dem Ausgang der Halleffekteinrichtung verbunden ist, ist auf die Frequenz f₂ abgestimmt.
• Aus der DE 4333419A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung von eisenfreien oder nicht-magnetischen Schichten auf einem eisenhaltigen oder magnetischen Substrat und von nicht leitenden Schichten auf einem leitenden Substrat bekannt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Prüfen, ob ein eisenhaltiges Substrat vorliegt, durch Messen einer magnetischen Flussdichte an einem Pol eines in der Messsonde befindlichen Magneten; Bestimmen der Schichtdicke anhand der gemessenen magnetischen Flussdichte, falls ein eisenhaltiges Substrat ermittelt wird; oder Messen von im Substrat auftretenden Wirbelstromeffekten und Bestimmen der Schichtdicke anhand dieser Messung, falls ein leitendes Substrat vorliegt.
• Aus der EP 0 650 028 A2 ist ein Messverfahren zur Ermittlung der Dicke einer Probe basierend auf einem magnetischen Gleichfeld bekannt. Hierzu wird zumindest ein Teilbereich der Probe in einen magnetisch nahezu gesättigten Zustand gebracht, die Zunahme der magnetischen Permeabilität in dem Teilbereich ermittelt und daraus die Dicke der Probe hergeleitet. Ferner ist eine Streufluss-Messung vorgesehen. Dieses zweite Messverfahren ist allerdings nicht auf eine Messung der Probendicke ausgerichtet.
• Aus der DE 195 11 397 C1 ist ein Gerät zur Feststellung eines Lackschadens mit einem magnetfeldabhängigen Sensor und Anzeigeelementen bekannt. Ein Diskriminator gibt das von der Dicke der Lackschicht auf einem Grundmaterial abhängige Signal des Sensors in Abhängigkeit von seiner Größe auf einen von mindestens zwei Kanälen. Jedem Kanal ist ein Anzeigeelement zugeordnet, das bei Vorliegen eines Signals auf seinem Kanal anzeigt. Die Messung ist auf eine Dickenbestimmung einer Lackschicht auf einem leitenden Substrat gerichtet.
• Aufgabe der Erfindung ist, die bekannten Verfahren zur Materialprüfung eines Substrats unter einer bedeckten Schicht hinsichtlich Zuverlässigkeit zu verbessern.
• Vorstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
• Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung ob eine Veränderung eines Substrats in einem Testbereich unter einer das Substrat bedeckenden Schicht vorliegt. Das Substrat kann ein ferromagnetisches und elektrisch leitfähiges Material sein, die bedeckende Schicht kann ein schlecht leitendes Material sein. Insbesondere kann das Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger und magnetisierbarer Substrate verwendet werden.
• In dem Testbereich, an einer Stelle des Substrats wird auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht mit mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren eine kombinierte magnetische und/oder elektrische Messung vorgenommen. Das kann heißen, dass mindestens zwei Einzelmessungen durchgeführt werden, wobei eine Einzelmessung mit einem Messverfahren, eine zweite Einzelmessung mit einem anderen Verfahren, usw., durchgeführt wird. Das Durchführen mehrerer Messungen mit unterschiedlichen Verfahren kann als eine kombinierte Messung verstanden werden. Eine beabstandete Messung ist vorteilhafterweise dann sinnvoll, wenn eine Berührung zwischen einem Messkopf einer Messvorrichtung und der bedeckenden Schicht zu vermeiden ist, beispielsweise wenn die bedeckende Schicht eine druckempfindliche Lackschicht ist, oder wenn das unbedeckte Substrat vorliegt, so dass z. B. die Luft in dem Messspalt zwischen Messkopf und Substrat die bedeckende Schicht ist.
• Eine Substratveränderung wird in Abhängigkeit davon erkannt, ob eine in einem Referenzbereich festgestellte Referenzrelation bzw. Relationen zwischen mit unterschiedlichen Messverfahren ermittelten Messwerten in einem Testbereich unverändert bleibt. Unter Referenzbereich kann ein geometrischer Bereich des Substrats verstanden werden, in welchem mit hoher Wahrscheinlichkeit das Substrat, beispielsweise durch gezielte Manipulationen, nicht verändert wurde und somit in einem Originalzustand ist. Aus den im Referenzbereich erzielten Messergebnissen wird die Referenzrelation gewonnen. Diese wird gespeichert und mit der aus Messergebnissen im Testbereich gewonnenen Relation verglichen. Unter Testbereich wird ein Bereich des Substrats verstanden, in welchem mittels Messungen festgestellt werden soll, ob das Substrat gegenüber dem Referenzbereich unverändert ist. Wenn die Relation der mit unterschiedlichen Verfahren gewonnenen Messwerte im Testbereich von der Referenzrelation abweicht, dann wurde das Substrat im Testbereich verändert. Vorteilhafterweise müssen die Materialeigenschaften des Substrats nicht quantitativ bekannt sein, da lediglich Relationen oder funktionale Abhängigkeiten von Messwerten geprüft werden.
• Gemäß einer Ausführungsform können die Messwerte einer Schichtdicke der bedeckenden Schicht zugeordnet werden.
• Ein Detektionskriterium für eine Substratänderung im Testbereich gegenüber dem im Referenzbereich vorliegenden Originalzustand kann derart definiert werden, dass das Detektionskriterium erfüllt ist, wenn die Relation im Testbereich von der Referenzrelation abweicht.
• Die Referenzrelation kann vorzugsweise darin bestehen, dass die mit einem Messverfahren an einem Messort ermittelten Messwerte in einem konstanten Verhältnis zu den mit einem anderen Messverfahren am selben Messort ermittelten Messwerten stehen.
• Die Referenzrelation kann vorzugsweise ein konstantes 1:1 Verhältnis sein. Dann wird das Detektionskriterium durch die Abfrage geprüft, ob die mit den mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren erhaltenen Werte gleich sind. Im Fall ungleicher Werte wird festgestellt, dass das Substrat verändert wurde.
• In einem 2D-Koordinatensystem, in dem auf jeweils einer Achse die mit einem ersten und mit einem zweiten Messverfahren ermittelten Messwerte aufgetragen sind, können die gemessenen Werte auf einer Detektionskurve liegen, sofern sie das Detektionskriterium nicht erfüllen. Falls die Relation darin besteht, dass die mit jeweils einem Messverfahren ermittelten Messwerte in einem konstanten Verhältnis zueinander stehen, ist die Detektionskurve eine Gerade. Die Erfüllung des Detektionskriteriums würde dazu führen, dass die Messwerte in dem 2D-Chart von der Geraden abweichen, d. h. abseits von der Geraden liegen. Dadurch wird es einer Bedienperson ermöglicht, die Erfüllung des Detektionskriteriums an einem Bildschirm visuell zu überprüfen. Ein automatisches Triggern des Detektionskriteriums ist durch eine rechnerische Prüfung möglich, ob sich die Messwerte innerhalb eines Korridors um die Detektionskurve oder um die Gerade befinden, wobei die Breite des Korridors voreinstellbar ist.
• Eine Substratveränderung liegt dann vor, wenn das Substrat an den gemessenen Stellen Materialeigenschaften, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit und/oder magnetische Permeabilität, hat, welche von den Materialeigenschaften des Substrats im Referenzbereich abweichen. Eine Abweichung liegt beispielsweise an einer Fügestelle von Materialien mit unterschiedlichen Werten magnetischer Permeabilität, an einer Schweißnaht, oder an einer strukturellen Substratveränderung, z. B. einer Kerbe oder Aussparung, vor.
• An einer bestimmten Stelle eines Substrats kann ein Stück aus dem Originalmaterial herausgeschnitten und durch ein anderes ersetzt sein. Das neue Material kann eine magnetische Permeabilität haben, die sich von der des Originalmaterials im Referenzbereich unterscheidet. Bei der Ausführung von Messungen quer über die Fügestelle können die unterschiedlichen Messverfahren Messwerte ergeben, die das Detektionskriterium erfüllen.
• An einer anderen Stelle des Substrats kann ein herausgeschnittenes Substratstück durch eines mit identischen Materialeigenschaften ersetzt sein, wobei eine Schweißnaht existiert. Bei Ausführung von Messungen quer über die Schweißnaht kann die strukturelle Änderung an der Fügestelle zu Messwerten führen, die das Detektionskriterium erfüllen.
• Gemäß einer Ausführungsform können die mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren ein statisches und ein dynamisches Messverfahren sein. Sofern die Messwerte einer Dicke zugeordnet werden, ist es vorteilhafterweise damit möglich, bei einer örtlichen Änderung von zugleich Schichtdicke und Substrateigenschaften, eine Kompensation der messbaren Effekte dieser Änderungen weitgehend zu vermeiden. Das heißt, bei Nutzung eines einzigen Messverfahrens ist es möglich, dass eine örtliche Änderung von zugleich Schichtdicke und Substrateigenschaften sich dahingehend kompensieren, dass die Messung eine gleichbleibende Schichtdicke anzeigt. Demgegenüber ist bei kombinierter Nutzung eines statischen und eines dynamischen Messverfahrens die Wahrscheinlichkeit für sich gegenseitig aufhebende Messeinflüsse mit beiden Messverfahren sehr viel geringer und damit die Zuverlässigkeit der aus der Messung gewonnenen Aussage sehr viel höher.
• Für das statische Verfahren kann z. B. ein statisches Magnetfeld mit Hilfe eines Permanentmagneten oder einer von einem konstanten Strom durchflossenen Spule erzeugt werden, und für das dynamische Verfahren kann z. B. ein dynamisches Magnetfeld mit Hilfe einer von einem Wechselstrom durchflossenen Spule erzeugt werden. Vorteilhafterweise ist es damit möglich, an einer elektrisch nichtleitenden und nicht wesentlich magnetisierenden Schicht auf einem ferromagnetischen, elektrisch gutleitenden Substrat eine Schichtdickenmessung durchzuführen.
• Gemäß einer Ausführungsform kann vor Ausführung der kombinierten Messung für jedes Messverfahren jeweils eine Kalibrierung durchgeführt werden. Beim Messen kann eine funktionale Abhängigkeit eines Messwerts, beispielsweise einer Spannung oder eines Stroms, von der Schichtdicke der bedeckenden Schicht festgestellt werden. Die gemessene Spannung ist also eine Funktion der Schichtdicke. Diese Funktion ist charakteristisch für ein Messverfahren und für ein gemessenes Objekt. Unter Kalibrierung wird z. B. die Ermittlung der Umkehrfunktion, auch Kalibrierfunktion genannt, im Rahmen von Referenzmessungen, individuell für das genutzte Messverfahren und für das gemessene Objekt, verstanden, wobei die Schichtdicke eine Funktion der gemessenen Spannung ist. Nachdem die Werte der realen und der gemessenen Schichtdicke voneinander abweichen können, kann beim Kalibrieren eine Übereinstimmung zwischen gemessenen und realen Werten durch Anpassung der Kalibrierfunktion hergestellt werden. Unter Referenzmessung wird z. B. eine kombinierte Messung verstanden, welche im Referenzbereich des Substrats durchgeführt wird.
• Die Kalibrierung kann auch dazu dienen, die Referenzrelation zwischen mit unterschiedlichen Messverfahren ermittelten Messwerten festzulegen und die Detektionskurve im Referenzbereich zu ermitteln. Die Detektionskurve ist aus mit unterschiedlichen Messverfahren im Referenzbereich gewonnenen Messwerten zusammengesetzt, welche der Referenzrelation entsprechen.
• Vorteilhafterweise kann eine Referenzmessung, ebenso wie auch eine Messung im Testbereich, in einem definierten Abstand, beispielsweise mittels eines definierten Abhebens des Messkopfes der Messvorrichtung von der bedeckenden Schicht, oder von dem Substrat, falls keine bedeckende Schicht vorhanden ist, ausgeführt werden. Der Messkopf kann beispielsweise über den Referenzbereich oder den Testbereich automatisch nach einem voreinstellbaren Muster bewegt werden, wobei die Messungen in regelmäßigen Zeitabständen ausgeführt werden. Das definierte Abheben und Bewegen der Messkopfes in einer definierten Höhe kann beispielsweise mittels einer externen Vorrichtung und/oder einer im Messkopf integrierten mechanischen Vorrichtung durchgeführt werden.
• Vorteilhafterweise kann für jedes Messobjekt eine kombinierte und/oder eine synchrone Kalibrierung durchgeführt werden. Unter einer kombinierten Kalibrierung wird die Ausführung von Kalibrierungen für alle verfügbaren Messverfahren verstanden. Unter einer synchronen Kalibrierung wird die Ausführung von gleichzeitigen oder quasi-gleichzeitigen kombinierten Kalibrierungen verstanden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vor Ausführung der kombinierten Messung für jedes Messverfahren jeweils ein Nullabgleich durchgeführt werden. Unter Nullabgleich wird eine Anpassung der Kalibrierfunktion verstanden, im Rahmen von Referenzmessungen, mittels einer mathematischen Operation, beispielsweise Addieren oder Subtrahieren eines Offset-Betrags, zur Kompensation von Offset-Effekten. In einem 2D-Koordinatensystem, in dem auf jeweils einer Achse die mit einem Messverfahren ermittelten Messwerte aufgetragen sind, bewirkt der Nullabgleich, dass die Detektionskurve durch den Schnittpunkt der Koordinatenachsen verläuft.
• Vorteilhafterweise kann für jedes Messobjekt ein kombinierter und/oder synchroner Nullabgleich durchgeführt werden. Unter einem kombinierten Nullabgleich wird die Ausführung von Nullabgleichen für alle verfügbaren Messverfahren verstanden. Unter einem synchronen Nullabgleich wird die Ausführung von gleichzeitigen oder quasi-gleichzeitigen kombinierten Nullabgleichen verstanden.
• Gemäß einer Ausführungsform können die Kalibrierung und/oder der Nullabgleich mindestens eine Referenzmessung umfassen, d. h. eine kombinierte Messung im Referenzbereich. Hierbei können folgende Schritte ausgeführt werden: Aufsetzen eines Stapels mit einer oder mehreren Referenzschichten mit vorbekannter Dicke auf die bedeckende Schicht oder auf das unbeschichtete oder unbedeckte Substrat, und Durchführen einer kombinierten Messung auf dem Substrat mit aufgesetztem Stapel. Die Referenzschichten können einheitliche oder unterschiedliche Dicken haben, so dass mittels Stapeln mehrerer Referenzschichten beliebige Dicken erreicht werden können.
• Die Kalibrierfunktion kann mathematisch durch ein von der Schichtdicke abhängiges Polynom approximiert werden. Anpassen der Kalibrierfunktion kann heißen, dass die Polynomkoeffizienten der approximierten Kalibrierfunktion so bestimmt werden, dass eine oder mehrere Randbedingungen erfüllt werden. Eine Randbedingung kann darin bestehen, dass die Detektionskurve, in einem 2D-Koordinatensystem in dem auf jeweils einer Achse die mit dem ersten und mit dem zweiten Messverfahren ermittelten Messwerte aufgetragen sind, einen voreinstellbaren Verlauf, beispielsweise eine Gerade, aufweist. Dieser Vorgang wird Linearisierung genannt. Durch Festlegung der Detektionskurve wird implizit auch die Referenzrelation festgelegt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren eine kombinierte Messung mit zumindest zwei Teilschritten umfassen. In einem Teilschritt wird eine Messung mit nur einem der mindestens zwei Messverfahren ausgeführt, wobei die Teilschritte zeitgleich oder quasi-zeitgleich oder sequentiell ausgeführt werden. Der Vorteil von zeitgleichen oder quasi-zeitgleichen Messungen liegt darin, dass bei Ausführung der Messungen im Verlauf einer Bewegung der Messkopfes über dem Substrat, die Teilmessungen einer kombinierten Messung am selben Messort ausgeführt werden und somit Informationen über dieselbe Schichtdicke der bedeckenden Schicht liefern.
• Gemäß einer Ausführungsform kann eine Messreihe, umfassend eine Vielzahl von kombinierten Messungen, an unterschiedlichen Messorten auf dem Substrat durchgeführt werden. Jede Einzelmessung der Messreihe kann an einem Messort, und die Messreihe kann in einem aus einer Vielzahl von Messorten bestehenden Ortsbereich ausgeführt werden. Die mit einem Messverfahren durchgeführten Messungen ergeben eine Schichtdicken-Matrix, die mit einem anderen Messverfahren durchgeführten Messungen ergeben eine zweite Schichtdicken-Matrix, usw. Jede Schichtdicken-Matrix zeigt eine funktionale Ortsabhängigkeit der mit dem betreffenden Messverfahren gemessenen Schichtdicken. Durch einen Vergleich der gemessenen Schichtdicken-Matrizen kann eine Aussage über den Ort oder den Ortsbereich gewonnen werden, an dem das Detektionskriterium erfüllt ist. Wenn der Ortsbereich beispielsweise einen Schweißpunkt oder eine Schweißnaht entlang einer Linie umfasst, lassen sich der Punkt oder die Linie durch Ausführen der Messreihe auffinden.
• Gemäß einer Ausführungsform kann die Messreihe mittels einer Messvorrichtung durchgeführt werden. Die Messreihe kann während einer Bewegung der Messvorrichtung auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht durchgeführt werden.
• Unter Bewegung wird verstanden, dass die Messvorrichtung kontinuierlich, manuell oder maschinell, bewegt wird. Hierbei wird der Messkopf der Messvorrichtung direkt auf der berührenden Schicht aufgesetzt. In kurzen Zeitabständen, während der Bewegung, wird eine kombinierte Messung als Einzelmessung der Messreihe ausgeführt.
• Unter Bewegung wird auch verstanden, dass folgende Schritte wiederholt ausgeführt werden: Positionieren der Messvorrichtung an einen voraussichtlichen Messort, Fixieren des Messkopfes auf oder in einer festlegbaren Höhe über der bedeckenden Schicht, und Ausführen der kombinierten Messung als Einzelmessung der Messreihe.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Messvorrichtung nach Anspruch 11. Die Messvorrichtung umfasst eine Vorrichtung zum Herstellen eines statischen Magnetfelds, welche eine Permanentmagnet oder ein statischer Elektromagnet, beispielsweise eine mit Gleichstrom gespeiste Spule, sein kann.
• Die Messvorrichtung umfasst auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines dynamischen Magnetfelds, welche ein dynamischer Elektromagnet, beispielsweise eine mit Wechselstrom gespeiste Spule, sein kann.
• Die Messvorrichtung umfasst mindestens einen Magnetfeldsensor zur Messung eines statischen und eines dynamischen Magnetfelds, welcher ein Hallsensor sein kann, der sowohl ein statisches als auch ein dynamisches Magnetfeld detektieren kann. Es können auch Vorrichtungen eingesetzt werden, wobei sowohl das Herstellen als auch das Detektieren des dynamischen Magnetfelds mittels eines einzigen Elements umgesetzt werden, beispielsweise eine mit Wechselstrom betriebene Spule, deren komplexe Impedanz sich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Messobjekts, d. h. des mit einer Schicht bedeckten Substrats, ändert.
• Die Messvorrichtung umfasst ferner eine Auswerteeinheit, welche ausgebildet ist aus der statischen und aus der dynamischen Magnetfeldmessung ermittelte Messwerte miteinander zu vergleichen. Eine Substratveränderung wird in Abhängigkeit davon erkannt, ob eine in einem Referenzbereich festgestellte Referenzrelation zwischen Messwerten, die mit einem statischen und mit einem dynamischen Magnetfeldmessverfahren ermittelten wurden, in einem Testbereich unverändert bleibt. Wenn die Relation der mit unterschiedlichen Verfahren gewonnenen Messwerte im Testbereich von der Referenzrelation abweicht, dann ist das Substrat im Testbereich verändert. Eine Abweichung der Messwerte von der Referenzrelation kann als Detektionskriterium zur Feststellung einer Substratveränderung gegenüber dem Originalzustand aufgefasst werden. Im Fall einer Abweichung kann die Auswerteeinheit ein akustisches oder optisches Warnsignal für eine Bedienperson ausgeben. Ferner kann die Auswerteeinheit die Abweichung graphisch anzeigen, beispielsweise in einem 2D-Chart, und der Bedienperson eine Bewertung überlassen, ob eine Substratveränderung vorliegt.
• Gemäß einer Ausführungsform kann die Messvorrichtung dazu ausgebildet sein, eine statische und eine dynamische Magnetfeldmessung zeitgleich oder quasi-zeitgleich oder sequentiell durchzuführen. Durch zeitgleiche oder quasi-zeitgleiche Messungen ist es möglich, die Messungen im Verlauf einer Bewegung der Messvorrichtung innerhalb des zu messenden Ortsbereichs auszuführen, so dass der Messort für beide Messverfahren gleich ist.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Auswerteeinheit dazu ausgelegt sein, die Messwerte zu verarbeiten, bevor sie miteinander verglichen werden, um eine Vergleichbarkeit der Messwerte zu ermöglichen. Die Verarbeitung umfasst die Anwendung mathematischer Operationen deren Parameter aus einer Kalibrierung und/oder einem Nullabgleich ermittelt wurden, welche im Vorfeld der kombinierten Messung ausgeführt wurden, beispielsweise um eine Referenzrelation und darauf basierend eine Detektionskurve festzulegen. Das Vergleichen der Messwerte kann eine Prüfung einer Relation der verarbeiteten Messwerte umfassen, ob die Relation mit der Referenzrelation übereinstimmt, oder ob die Messwerte von der Detektionskurve abweichen.
• Gemäß einer Ausführungsform werden die Messwerte einer Schichtdicke der bedeckenden Schicht zugeordnet.
• Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigt
• Ein erstes Beispiel einer detektierbaren Substratänderung;
• Ein zweites Beispiel einer detektierbaren Substratänderung;
• Lokalisierung eines Schweißpunktes oder Schweißnaht oder einer Strukturänderung, wobei eine elektrisch isolierende bzw. schlecht leitende und schlecht magnetisierbare Beschichtung 1 und ein elektrisch leitfähiges und magnetisierbares bzw. ferromagnetisches Substrat 2 dargestellt sind, das eine Schweißnaht 3 mit anderen elektrischen und/oder magnetischen Eigenschaften beinhaltet. Die eingesteckte Messsonde 4 in der zentralen Kontrolleinheit 9 wird zur Lokalisierung der Schweißnaht über die Oberfläche geführt 5;
• Lokalisierung eines Schweißpunktes bzw. Schweißnaht und/oder eines anderen Materials 6, das andere elektrische und/oder magnetische Eigenschaften im Vergleich zum Original-Substrat besitzt und über die Schweißung mit dem Substrat verschweißt ist;
• Qualitative oder quantitative Bestimmung der Rauigkeit 7 des Substrats auf einer ebenen Oberfläche;
• Lokalisierung geänderter Substrat-Rauigkeiten 8 auf einer ebenen Oberfläche;
• Lokalisierung von Rissen und Löchern im Substrat, wobei exemplarisch ein Riss 10 dargestellt ist;
• Lokalisierung von Spachtelungen, Füllungen oder Korrosion im Substrat, die andere elektrische oder magnetische Eigenschaften aufweisen. Exemplarisch ist eine Spachtelung 11 dargestellt;
• Prinzipielle Darstellung des Messverfahrens mit den beiden linearisierten Messsignalen Δz_S und Δz_d sowie dem Auswertalgorithmus, so dass die beiden Messinformationen der Substrateigenschaft B_St und der Schichtdicke Δz_i separiert bzw. orthogonalisiert auswertbar sind. Das Messsignal zur Bestimmung der statischen bzw. quasistatischen Magnetfeldeinkopplung in das Substrat 12 und das Wirbelstrom-Messsignal 13 zur Bestimmung der dynamischen Magnetfeldeinkopplung sind im Allgemeinen temperaturkompensiert;
• Exemplarische Darstellung der Funktionsweise des Algorithmus mit einer Kalibriergeraden als exemplarische ”Ortskurve” bzw. Referenzrelation in der Δz_S; Δz_d-Ebene, die die Änderung der Messwerte aufgrund von Beschichtungsdicke beschreibt sowie die exemplarischen Wertepaare (Δz_S, Δz_d), die eine Abweichung zur Kalibriergeraden aufgrund von Strukturänderungen besitzen.
• Exemplarische Darstellung des kombinierten Nullabgleichs und einer Einpunktkalibrierung mit einer Referenzbeschichtung bzw. Referenzfolie oder einer Zweipunktkalibrierung mit zwei Referenzfolien. Die Dicke der Beschichtung kann dabei auch den Extremwert Null annehmen, so dass praktisch direkt auf dem unbeschichteten Substrat gemessen wird. Für Anwendungen, bei denen die Beschichtungsdicke über einen größeren Messbereich variiert, kann es zweckmäßig sein, dass mehr als zwei Kalibrierfolien zur Bestimmung der Kalibrierfunktionen verwendet werden;
• Prinzipielle Darstellung der Funktionskomponenten eines Messgeräts;
• Exemplarische Darstellung des mechanischen Aufbaus eines Messkopfes im Schnitt mit Spule zur Generierung des statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldes und Wirbelstrom-Spule zur Wirbelstrom-Messung;
• Alternativer mechanischer Aufbau eines Messkopfes mit Permanentmagnet zur Generierung des statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldes und Wirbelstrom-Spule zur Wirbelstrom-Messung.
• In ist ein erstes Beispiel einer detektierbaren Substratänderung dargestellt, wobei ein Substrat 2 unter einer das Substrat 2 bedeckenden Schicht 1 vorliegt. Das Substrat 2 umfasst ein erstes Teilsubstrat 201, dessen Materialeigenschaften mit denen eines Referenzsubstrats übereinstimmen, an das ein zweites Teilsubstrat 202 mittels Schweißen angefügt wurde. Es ist nicht bekannt, ob die Materialeigenschaften des zweiten Teilsubstrats 202 mit denen des ersten Teilsubstrats 201 übereinstimmen. Die Messung wird mit einer Messvorrichtung durchgeführt, wobei eine Schweißnaht 3 an einer der Messvorrichtung abgewandten Seite des Substrats 2 ausgebildet ist.
• An einer ersten Teststelle, welche eine Stelle des Teilsubstrats 201 auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht 1 ist, wird mit einem kombinierten statischen und dynamischen magnetischen Messverfahren eine erste kombinierte Messung durchgeführt. An einer zweiten Teststelle, an einer Stelle des Teilsubstrats 202, wird eine zweite kombinierte Messung unter gleichen Bedingungen wie die erste Messung durchgeführt. An einer dritten Teststelle, an einer Fügestelle 10 zwischen den Teilsubstraten 201, 202, wird eine dritte kombinierte Messung unter gleichen Bedingungen wie die erste Messung durchgeführt.
• Eine Referenzrelation zwischen mit unterschiedlichen Messverfahren erhaltenen Messwerten wurde zuvor anhand von Referenzmessungen in einem Referenzbereich mit einer ebenen Substratoberfläche, festgestellt. Die Referenzrelation ist eine 1:1 Relation.
• Bei der ersten Messung wird festgestellt, dass die an der ersten Teststelle mit unterschiedlichen Messverfahren erhaltenen Messwerte zueinander bzw. in Relation gleich sind oder einer 1:1 Relation entsprechen. Folglich ist das Detektionskriterium nicht erfüllt, das erste Teilsubstrat 201 wird als unverändert gegenüber dem Referenzsubstrat im Referenzbereich erkannt.
• Falls das zweite Teilsubstrats 202 unterschiedliche Materialeigenschaften als das erste Teilsubstrat 201, beispielsweise eine andere magnetische Permeabilität, aufweist, wird bei der zweiten Messung festgestellt, dass die an der zweiten Teststelle mit unterschiedlichen Messverfahren erhaltenen Messwerte voneinander abweichen. Folglich ist das Detektionskriterium erfüllt, das erfindungsgemäße Verfahren erkennt eine Veränderung des zweiten Teilsubstrats 202 gegenüber dem Referenzsubstrat. Die Gründe dafür sind, dass einerseits ein Übergang zwischen zwei Teilsubstraten 201, 202 mit unterschiedlichen Materialeigenschaften, beispielsweise magnetische Permeabilität, vorliegt. Andererseits weist die Fügestelle 10 veränderte strukturelle Eigenschaften auf, und zwar eine Einkerbung oder Vertiefung. Demgegenüber weisen das erste und das zweite Teilsubstrat 201, 202, sowie der Referenzbereich, eine ebene Substratoberfläche auf.
• Bei der dritten Messung wird festgestellt, dass die an der dritten Teststelle mit unterschiedlichen Messverfahren erhaltenen Messwerte voneinander abweichen, so dass das Detektionskriterium auch an der dritten Teststelle erfüllt ist.
• Falls das zweite Teilsubstrats 202 gleiche Materialeigenschaften wie das erste Teilsubstrat 201 aufweist, wird nach der zweiten Messung das Detektionskriterium nicht erfüllt. Jedoch nach der dritten kombinierten Messung wird das Detektionskriterium erfüllt. Grund dafür ist die oben dargestellte Änderung der strukturellen Eigenschaften des Substrats 2 an der Fügestelle 10 zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsubstrat 201, 202.
• In ist ein zweites Beispiel einer detektierbaren Substratänderung dargestellt, wobei ein Substrat 2 unter einer das Substrat 2 bedeckenden Schicht 1 vorliegt. Das Substrat 2 umfasst ein drittes Teilsubstrat 203, dessen Materialeigenschaften mit denen eines Referenzsubstrats übereinstimmen, an das ein viertes Teilsubstrat 204 mittels Schweißen angefügt wurde. Anders als in , wo die Schweißstelle 3 an der Substratrückseite ausgebildet ist, ist in die Schweißstelle 3 an der Substratvorderseite ausgebildet.
• An der Konfiguration gemäß werden, ebenso wie in dem Beispiel gemäß , drei Messungen an drei analog positionierten Teststellen ausgeführt. Die Ergebnisse der ersten und dritten Messung weisen keine Unterschiede gegenüber auf. Bei der dritten Messung über der Fügestelle 10 wird in die Schweißnaht 3, anstatt der Einkerbung 10 gemäß , von dem Magnetfeld der Messvorrichtung erfasst. Die Schweißnaht 3 weist eine strukturelle Änderung gegenüber den Teilsubstraten 203, 204 auf. Diese Änderung unterscheidet sich zwar von der Einkerbung 10 in der , die Auswirkung auf das Messergebnis ist nicht gravierend: Das Detektionskriterium wird gemäß an der dritten Teststelle ebenfalls erfüllt. Gegenüber 1a tritt im Messergebnis lediglich ein quantitativer Unterschied auf, weil die Schweißnaht 3, über die strukturelle Änderung hinaus, auch eine Änderung der Materialeigenschaften gegenüber den Teilsubstraten 203, 204 aufweist. Es ist also zu erwarten, dass die Abweichungen der Messwerte von der Detektionskurve, welche in einem 2D-Chart eine 45°-Gerade ist, in der Konfiguration gemäß größer als in der Konfiguration gemäß sind.
• Die zeigt den grundlegenden Aufbau bei der Inspektion von Kraftfahrzeugen. Es wird nach einer Beschädigung oder einer Veränderung an der Stahlkarosserie gesucht, um beseitigte Unfallschäden, beseitigte Hagelschäden oder andere betrügerische Manipulationen am Fahrzeug zu detektieren. Aufgrund der Verschiedenheit der möglichen Veränderungen an der Lackierung wie auch an dem Substrat ist es erwünscht, die Beschichtungsdicke bzw. deren Änderung und die Eigenschaften des Substrats bzw. deren Änderung zu messen.
• Bei vielen Anwendungen besteht die Notwendigkeit, die Eigenschaften bzw. die Veränderung bzw. die Alterung oder die Manipulierung an gut magnetisierbaren Substraten bzw. Materialien bzw. Oberflächen zu charakterisieren bzw. zu prüfen, wobei das Substrat mit einem elektrisch isolierenden bzw. schlecht elektrisch leitenden und schlecht magnetisierbaren Material unbekannter Schichtdicke beschichtet sein kann.
• Die Lokalisierung der geänderten Eigenschaften des Substrates kann durch die Bewegung eines Messkopfes bzw. einer Messsonde über die Oberfläche oder/und durch die Bewegung des zu untersuchenden Substrates erfolgen, wobei beispielsweise translatorische, scannende oder rotatorische Bewegungen möglich sind.
• Insbesondere kann der Messkopf auch abgehoben werden, wobei beispielsweise der Kontakt des Messsonden-Kopfes zur Oberfläche durch die Messsignale oder/und mittels Federmechanismus detektiert wird, so dass beispielsweise nur Messwerte bei aufgesetzter Messsonde erfasst oder ausgewertet werden.
• Die Bewegung der Messsonde und/oder des Prüfobjekts kann dabei manuell oder/und automatisch durch eine mechanische Vorrichtung geschehen.
• Ein Beispiel für eine Anwendung stellt die Prüfung von Fahrzeugen dar. Hierbei werden beispielsweise Schweißnähte oder Schweißpunkte bzw. ausgetauschte Stahlteile unter Lackierungen gesucht, um das Fahrzeug bzw. das Fahrzeugteil auf Manipulation bzw. Originalität zu prüfen (z. B. & ). Vergleichbare Anwendungen sind auch im Brücken-, Schiffs- und Kesselbau sowie bei anderen Stahlkonstruktionen zu finden.
• Die Größe der Messsonde bzw. des Messkopfes kann abweichend von den Abbildungen auf die jeweils vorliegende Anwendung angepasst sein.
• Ein weiteres praktisches Anwendungsbeispiel stellt die Charakterisierung der Oberflächenrauheit eines gut magnetisierbaren bzw. ferromagnetischen Substrates (z. B. ) oder deren Rauhigkeitsänderung (z. B. ) dar, wobei das Substrat mit einem elektrisch isolierenden bzw. schlecht elektrisch leitenden Material unbekannter Schichtdicke beschichtet sein kann.
• Ein weiteres praktisches Anwendungsbeispiel stellt die Lokalisierung von Rissen bzw. Haarrissen oder Löchern in einem gut elektrisch leitfähigen und magnetisierbaren bzw. ferromagnetischen Substrat oder nur in der Oberfläche desselbigen Substrats dar, wobei das Substrat mit einem elektrisch isolierenden bzw. schlecht elektrisch leitenden sowie schlecht magnetisierbarem Material unbekannter Schichtdicke beschichtet sein kann.
• Neben den vorher erwähnten Anwendungen kann die Erfindung bei der zerstörungsfreien Originalitätsprüfung von Fahrgestellnummern oder Produktionsnummern von Kraftfahrzeugen angewendet werden, wobei beispielsweise aufgrund betrügerischer Absichten die Ziffern der Nummer und damit das Substrat manipuliert bzw. verändert wurden. Auch hier kann das gut elektrisch leitfähige und magnetisierbare bzw. ferromagnetische Substrat mit einem schlecht elektrisch leitenden sowie schlecht magnetisierbaren Material unbekannter Schichtdicke beschichtet sein.
• Darüber hinaus kann die Erfindung bei der Materialinspektion angewendet werden, um beispielsweise Materialalterung, Materialkriechen oder Materialermüdung in dem gut elektrisch leitfähige und magnetisierbaren bzw. ferromagnetischen Substrat zu detektieren, das auch mit einem schlecht elektrisch leitenden sowie schlecht magnetisierbaren Material unbekannter Schichtdicke beschichtet sein kann.
• Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zeitlich parallel oder zeitlich nacheinander die Einkopplung eines statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldes in ein magnetisierbares bzw. ferromagnetisches Material und die Einkopplung mindestens eines dynamischen bzw. Wechselmagnetfelds unter Berücksichtigung der Wirbelströme in das zugleich elektrisch leitfähige Substrat gemessen wird.
• Die Messmethode zur Bestimmung der Einkopplung des statischen bzw. quasistatischen Magnetfeldes beruht auf der Messung der magnetischen Flussdichte mit einem Magnetfeldsensor, der statische, quasi-statische und/oder dynamische Magnetfelder detektieren kann. Bevorzugt können hierfür Hall-Sensoren, GMR-Sensoren, AMR-Sensoren und Spulen mit speziellen magnetisierbaren Kernen verwendet werden. Die Erzeugung des statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldes kann mit mindestens einer separaten Spule oder einem Dauermagneten durchgeführt werden.
• Die Messmethode zur Bestimmung der Einkopplung des dynamischen Magnetfeldes beruht auf einer Art der Wirbelstrom-Messmethode, die die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen der Spule und dem Substrat mit Berücksichtigung der induzierten Substratwirbelströme sowie der dynamischen Substrat-Permeabilität nutzt. In diesem Zusammenhang können beispielsweise die dynamischen magnetischen Rückkopplungen, die die dynamische Permeabilität sowie die Wirbelströme im Substrat berücksichtigen, mit einer Tastspulen-Messmethode basierend auf einer separaten Spule (Einspulenverfahren) oder mit einer Tastspulen-Messmethode vom Transformatortyp mit mindestens zwei separaten Spulen detektiert werden.
• Eine derartige Lösung hat den Vorteil, dass durch die statische bzw. quasi-statische Messung keine bzw. zu vernachlässigende Wirbelströme im Vergleich zu der dynamischen Magnetfeld-Einkopplung im Substrat erzeugt werden, so dass durch einen Vergleich beider Messmethoden besonders signifikant Strukturänderungen, Defekte oder Veränderungen am Substrat detektiert werden können.
• Ein weiterer Vorteil ist, dass neben der Analyse der Strukturmessung mittels statischer Magnetfeldmessung auch die Schichtdicke bzw. der Abstand zu dem gut magnetisierbaren Substrat besonders gut bestimmt werden kann, da die dynamischen Magnetisierungs-Eigenschaften des Substrats auf die statische Messung keinen wesentlichen Einfluss haben.
• Weiterhin sind erfindungsgemäß eine gemeinsame und/oder separate Skalierungen, Kalibrierungen sowie gegebenenfalls mindestens eine Umrechnung beider Messsignale vorgesehen, die es ermöglicht, die Messsignal-Änderungen aufgrund einer örtlichen Änderung der Substrateigenschaften von den Messsignal-Änderungen aufgrund einer Schichtdickenänderung zu unterscheiden.
• Das Messprinzip beruht auf dem Vergleich der unterschiedlichen Materialeigenschaften bei der Magnetisierung mit einem statischen bzw. quasistatischen Magnetfeld im Vergleich zu der Magnetisierung und Wirbelstromrückwirkung aufgrund des dynamischen bzw. wechselnden Magnetfelds.
• Unter Substrat bzw. Referenzsubstrat ist jedes gut elektrisch leitfähiges Substrat oder Substrat-Gefüge mit gut magnetisierbaren bzw. ferromagnetischen Eigenschaften zu verstehen.
• Unter Beschichtung bzw. nur Beschichtung bzw. Referenzbeschichtung ist jede Beschichtung zu verstehen, die elektrisch isoliert bzw. schwer elektrisch leitende und nicht wesentlich magnetisierbare Eigenschaften besitzt.
• Die Änderung der Schichtdicke einer Beschichtung auf dem Substrat führt zu einer bestimmten Änderung beider Messsignale. Zur funktionalen Bestimmung der Änderungen beider Messsignale, aufgrund der Änderung der Beschichtungsdicke, ist für das Messverfahren ein kombinierter bzw. komplementärer Nullabgleich, Skalierung bzw. Kalibrierung jeweils beider Messmethoden auf einer Referenzposition des Referenzsubstrates vorgesehen.
• Der kombinierte Nullabgleich beider Messmethoden kann auf dem unbeschichteten Referenzsubstrat mit oder ohne Beschichtung erfolgen, wobei eine synchrone Erfassung der Messwerte beider Messmethoden oder ein quasi-synchrone Erfassung mit automatischem Messmoduswechsel vorgesehen sein kann.
• Die Kalibrier- bzw. Skalierungsfunktionen beider Messmethoden können durch Messungen auf verschiedenen Referenzbeschichtungen bestimmt werden, so dass für beide Messmethoden die Änderungen der Messsignale aufgrund einer Änderung der Beschichtungsdicke bestimmt sind.
• Als Referenzbeschichtungen können beispielsweise definierte Folien dienen, die auf die Referenzposition aufgelegt bzw. positioniert werden. Dieses hat den Vorteil, dass bei den Messungen der verschiedenen Referenzbeschichtungen auf dem Referenzpunkt bzw. Referenzposition (27) jeweils das gleiche Substrat vorliegt, so dass zur Bestimmung der Stützpunkte für die Berechnung der beiden Kalibrierfunktionen hierdurch keine wesentlichen Fehler entstehen.
• Eine andere Methode, mittels Referenzbeschichtungen die beiden Kalibrierfunktionen simultan oder quasi-simultan zu ermitteln, stellt die Bereitstellung von definiert beschichteten Referenzsubstraten dar.
• Eine andere Methode die Kalibrierfunktionen zu bestimmen ohne spezielle Referenzbeschichtungen zu verwenden, kann durch das bestimmte bzw. definierte Abheben der Messsonde von der Oberfläche erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine externe Vorrichtung oder/und eine messsonden-implementierte mechanische Vorrichtung die Messsonde um eine definierte Höhe vom Substrat bzw. vom Referenzpunkt – gegebenenfalls auch mit Beschichtung – abheben. Eine externe Vorrichtung kann beispielsweise ein Roboterarm oder ein Hebevorrichtung in einer Walz- oder Beschichtungsanlage sein, die über eine Wegmess- oder Lagemessvorrichtung verfügt. Eine messsonden-implementierte Vorrichtung kann beispielsweise mit piezobasierten oder elektromagnetischen Aktoren realisiert sein, die die Messsondenspitze bzw. den Messkopf um eine definierte Höhe anhebt.
• Die Bestimmung der Kalibrierfunktionen kann auf Basis der Referenz-Stützstellen, die bei der Messung der Referenz-Beschichtungen bestimmt wurden, mittels Interpolations- oder Approximationsverfahren geschehen. Bevorzugt können dabei beispielsweise lineare, kubische oder andere Polynome höheren Grades lokal oder global über den Wertebereich verwendet werden.
• Die Durchführung eines Nullabgleichs auf einer Referenzposition und die kombinierte Bestimmung der komplementären Kalibrierfunktionen für beide Messmethoden mit der Hilfe mindestens einer Referenzbeschichtung ermöglicht Strukturanalyse-Messungen auf verschiedensten beschichteten und unbeschichteten Referenzsubstraten auch bei Änderung der Beschichtungsdicke.
• Durch den kombinierten Nullabgleich und die kombinierten Kalibrierungen mit mindestens einer oder mehreren Referenzbeschichtungen können magnetisch statische Messsignale und das magnetisch dynamische Messsignal auf dem original bzw. gleichen Referenzsubstrat linearisiert werden, so dass sich für die statische Messmethode das linearisierte Messsignal Δz_S berechnet und für die dynamische Messmethode das linearisierte Messsignal Δz_d berechnet wird. Somit kann mit beiden Messmethoden die Beschichtungsdicke bzw. deren Änderung mit beiden Messmethoden redundant und somit genau erfasst werden, sofern das Referenzsubstrat keine wesentlichen physikalischen Änderungen zeigt.
• Der Nullabgleich und die kombinierte Kalibrierung haben den Zweck die verschiedenen Substrateigenschaften von verschiedenen Referenzmaterialien zu erfassen. Neben den physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität, sind in diesem Zusammenhang auch die Geometrie bzw. Topographie zu berücksichtigen. In praktischen Anwendungen werden beispielsweise häufig spezielle Kalibrierungen auf konkaven oder konvexen Messflächen bestimmt. Deshalb ist es neben den gespeicherten Nullpunktabgleichwerten und/oder Kalibrierungen im Messgerät bzw. in der Messsonde vorteilhaft auch kombinierte Nullpunktabgleiche und Kalibrierungen in der direkten Anwendung vorzunehmen.
• Die Linearisierung beider Messsignale mittels kombinierter Kalibrierung beider Messsignale ergibt bevorzugt somit eine lineare Kalibrierungsgerade als ”Ortskurve” bzw. Referenzrelation in der (Δz_S; Δz_d)-Ebene. Es bestünde auch die Möglichkeit, die Analyse der Substratstruktur mit nicht linearisierten Messsignalen durchzuführen. Dieses hätte jedoch den Nachteil, dass statt einer Kalibrierungsgeraden in der (Δz_S; Δz_d)-Ebene ein anderer Ortskurven-Verlauf mit Änderung der Beschichtungsdicke existieren würde und die Abweichungen von dieser komplizierten Ortskurve aufgrund der Strukturänderung des Substrats schwieriger auszuwerten sind.
• Eine graphische Darstellung des Wertepaares Δz_S; Δz_d kann durch eine Zifferndarstellung oder durch die graphische Darstellung des Wertepaares in der Δz_S; Δz_d-Ebene erfolgen.
• Eine Abweichung der beiden linearisierten Messsignale Δz_S und Δz_d von der Kalibrierungsgeraden als Ortskurve in der Δz_S; Δz_d-Ebene weist auf eine Änderung der Substrateigenschaften hin, die durch ein optisches oder akustisches Alarm bzw. Hinweis dem Anwender signalisiert wird oder/und von einer automatischen Auswert-Vorrichtung beispielsweise in einer Anlage ausgewertet wird. Bevorzugt können beispielsweise für das akustische Alarmsignal Lautsprecher und/oder Piezosignalgeber verwendet werden. Für das optische Signal können beispielsweise Lampen, Leuchtdioden, Flüssigkeitsanzeigen und/oder Computerbildschirme bevorzugt verwendet werden.
• Neben dem Alarm zur Anzeige einer Strukturanormalität bzw. deren Änderung und der damit einhergehenden Abweichung von der Geraden in der Δz_S; Δz_d-Ebene kann darüber hinaus auch ein weiterer Alarm signalisiert werden, wenn nur ein oder beide Messsignale Δz_S; Δz_d oder deren Änderung, einen definierten Wertebereich über- oder unterschreiten. Dieser Alarm kann in gleicher Weise oder auf eine andere Weise signalisiert und/oder automatisch ausgewertet werden.
• Weiterhin ist vorgesehen, dass das Maß der Abweichung der beiden linearisierten Messsignale Δz_S und Δz_d von der Kalibrierungsgeraden oder dessen Änderung dem Anwender signalisiert wird, wobei bevorzugt eine graphische oder akustische Signalisierung in Form eines analogen oder quasi-analogen Signals verwendet wird. Dabei kann beispielsweise das Maß der Abweichung B_St von der Kalibrierungsgeraden auch in Abhängigkeit des Signals Δz_S und/oder des Signals Δz_d und/oder mindestens eines weiteren einstellbaren Parameters gewichtet und/oder skaliert werden. Als graphische Darstellung kann eine Balkenanzeige, ein Zeigerausschlag und/oder die Helligkeit und/oder die Farbe dienen, so dass das Maß der Abweichung in analoger oder quasi-analoger Weise dargestellt wird.
• Für eine Dokumentation oder Auswertung der Daten kann eine Speicherung der Messsignale Δz_S; Δz_d sowie des Maßes der Abweichung vom originalen Referenzsubstrat vorgesehen sein, so dass die Messdaten beispielsweise zur Auswertung und Dokumentation an einen Personalcomputer übertragen werden können.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann es vorgesehen sein, nicht nur einen, sondern mehrere örtlich versetzte Messsonden vorzusehen, so dass gleichzeitig oder quasi-gleichzeitig mehrere Messungen durchgeführt werden können. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn je ein Detektor für die Strukturmessung in eine Raum- bzw. Oberflächenrichtung vorgesehen ist. Da hierdurch die Änderung der Substratstruktur in alle Raum- bzw. Oberflächentangentialrichtungen separat erfasst ist, ergibt sich eine besonders einfache und schnelle Lokalisierung oder Erkennung von Substratveränderungen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann es auch mit der Erfindung vorgesehen sein, dass die Strukturmessung bzw. deren Analyse auch im Nicht-Kontakt mit dem Substrat bzw. mit der Beschichtung erfolgt. In diesem Fall wird statt der Beschichtungsdicken der Abstand bzw. die Höhe zur Substratoberfläche gemessen. Dieser Nicht-Kontaktmodus hat den Vorteil, dass die Messsonde keinen Kontakt zur Beschichtung oder zu dem Substrat hat, so dass keine Reibung entsteht. Beispielsweise kann eine derartige Ausführung der Erfindung bei der Inspektion von Stahl-Eisenbahnschienen oder Stahl-Walzstraßen oder bei der Inspektion von Stahl-Schweißpunkten angewendet werden, wobei beispielsweise das Stahl-Substrat unabhängig von einer Beschichtung analysiert werden kann.
• Für die Messung der Schichtdicke auf dem ferromagnetischen Substrat werden bei den bisherigen manuellen Inspektionen verschiedenste Messmethoden bei mobilen Schichtdickenmessgeräten angewendet, wobei prinzipiell zwischen der Messmethode der Magnetfeldänderung und der magnet-induktiven Messmethode unterschieden wird. In speziellen Geräteausführungen für die Messung von Beschichtungsdicken auf nicht-ferromagnetischen Substraten beinhalten Schichtdickenmessgeräte auch kombiniert eine Wirbelstrommessmethode. Neben der manuellen Umschaltung zwischen der Magnetfeldänderungs-Messmethode und der Wirbelstrommessmethode kann bei diesen Messgeräten auch eine Automatik vorgesehen sein, die die Wirbelstrommessmethode zur Messung der Beschichtungsdicke auf einem elektrisch leitfähigen und nichtferromagnetischen Substrat automatisch aktiviert, wenn kein ferromagnetisches Substrat vorliegt bzw. die Messung der Beschichtungsdicke mit dem Magnetfeldänderungs-Messverfahren eine zu große Beschichtungsdicke bestimmt.
• Anders als bei der hier beschriebenen Erfindung werten diese Schichtdickenmessgeräte jedoch nicht kombiniert die Messsignale der Wirbelstrommessmethode und der Methode der Magnetfeldänderung auf dem ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen Substrat aus, so dass zusätzlich zur Schichtdickenmessung kontinuierlich bzw. in analoger Weise die Struktureigenschaften des ferromagnetischen Substrats analysiert und angezeigt werden. Weiterhin ist kein synchroner Nullabgleich und keine synchrone Kalibrierung beider Messmethoden auf einem unbeschichteten oder beschichten Substrat möglich. Darüber hinaus ist kein Nicht-Kontaktmodus der Messsonde zur Strukturanalyse und keine Abstandbestimmung mit Hinsicht auf das ferromagnetische Substrat vorgesehen.
• Für die Messung der Substratstruktur und der Schichtdicke werden bei den bisherigen manuellen Inspektionen wirbelstrombasierte Strukturmessgeräte angewendet, wobei hierbei beispielsweise Messverfahren der Amplituden-/Phasenauswertung und Messverfahren der Frequenz-/Dämpfungsauswertung nach Impuls- oder Sprunganregung angewendet werden.
• Anders als bei der hier beschriebenen Erfindung können diese auf Wirbelströmen basierenden Strukturmessgeräte jedoch keine statischen Magnetfelder erfassen, so dass die rein statischen bzw. quasi-statischen magnetischen Eigenschaften des Substrats nicht oder nicht genügend genau erfasst werden können. Insbesondere durch die Erfassung der statischen bzw. quasistatischen magnetischen Eigenschaften des Substrats mittels Magnetfeldsensoren, wie beispielsweise einem Hallsensor, können erst die statischen Eigenschaften mit den dynamischen magnetischen Eigenschaften des magnetisierbaren Substrates verglichen und signifikante Substratstruktur-Änderungen detektiert werden. Aufgrund der nicht-linearen bzw. hystereseartigen Eigenschaften sowie der gleichzeitigen meist unterschiedlichen dynamischen Eigenschaften der ferromagnetischen Materialien ergeben sich zwischen statischer (bzw. quasi-statischer) und dynamischer magnetischer Anregung wesentliche Unterschiede, die die hier beschriebene Erfindung nutzt.
• Erfindungsgemäß wird eine Messsonde verwendet, die gleichzeitig oder nacheinander die statischen Eigenschaften mittels Magnetfeldänderungs-Messmethode und die dynamischen elektro-magnetischen Eigenschaften mittels Wirbelstrom-Messmethode verwendet.
• zeigt die Verarbeitung der beiden Messsignale von der Messsonde 4, die das temperaturkompensierte Magnetfeld-Messsignal 12 und das temperaturkompensierte Wirbelstrom-Messsignal 13 ausgibt. Der Magnetfeld-Referenzwert 14 wird von dem Magnetfeld-Messsignal 12 subtrahiert, und diese Differenz ist das Argument für die Magnetfeld-Kalibrierfunktion 16, deren Ergebnis das kalibrierte Magnetfeld-Signal Δz_S 18 ist. Analog wird der Wirbelstrom-Referenzwert 15 vom Wirbelstrom-Messsignal 13 subtrahiert, und diese Differenz ist das Argument für die Wirbelstrom-Kalibrierfunktion 17, deren Ergebnis das kalibrierte Wirbelstrom-Signal Δz_d 19 ist.
• Die Verarbeitung der Signale nach kann auch in der Messsonde geschehen.
• Durch den kombinierten Nullabgleich 30 beider Messmethoden werden gleichzeitig (bzw. quasi-gleichzeitig) der Magnetfeld-Referenzwert 14 und der Wirbelstrom-Referenzwert 15 auf einer xy-Referenzposition 27 bestimmt, so dass die Differenz [12 – 14] und die Differenz [13 – 15] jeweils den Wert Null annehmen.
• Durch die kombinierten Kalibrierungen mittels verschiedener Referenzbeschichtungen 28, 29 bzw. Abstände werden für beide Messmethoden gleichzeitig (bzw. quasi-gleichzeitig) die Magnetfeld-Kalibrierparameter 24 sowie die Wirbelstrom-Kalibrierparameter 23 auf der xy-Referenzposition 27 bestimmt. Bevorzugt werden die Kalibrierparameter 23 & 24 derart gewählt bzw. berechnet, so dass das kalibrierte Magnetfeld-Signal Δz_S 18 und das kalibrierte Wirbelstrom-Signal Δz_d 19 einen geraden Abstands-Ortskurven-Verlauf 25 in Abhängigkeit der Beschichtungsdicke bzw. des Abstandes mit einem exemplarischen Winkel β = 45° ergibt.
• zeigt den geraden Abstands-Ortskurven-Verlauf 25 mit dem Winkel β und exemplarischen abweichenden Messwertpaaren (Δz_S; Δz_d) 26, die von dem geraden Abstands-Ortskurven-Verlauf 25 aufgrund einer Strukturänderung des Substrats abweichen.
• Die Magnetfeld-Kalibrierfunktion 16 f_MK(z) kann beispielsweise durch eine Polynombeschreibung bestimmt sein f_MK(z) = Σ N / i=1a_izⁱ, (1) so dass die Werte zwischen den Stützstellen, die mit den Kalibrierfolien ermittelt werden, für das Messsignal Δz_S möglichst gut approximiert oder interpoliert werden. Der Wert N kann dabei der Anzahl der Kalibrierfolien entsprechen, und die für diesen Fall exemplarischen Magnetfeld-Kalibrierparameter a_i 24 werden durch Interpolationsalgorithmen oder Approximationsalgorithmen bestimmt. Dieses Beispiel der Magnetfeld-Kalibrierfunktion ist nicht beschränkt, da die Kalibrierfunktion auch durch andere globale und zusammenhängende lokale Funktionen definiert sein kann. Eine weitere Lösung zur Definition der Magnetfeld-Kalibrierfunktion ist beispielsweise die Verwendung eines so genannten Akima-Spline-Interpolations-Algorithmus.
• In analoger Weise kann die Wirbelstrom-Kalibrierfunktion 17 f_WK(z) für die Berechnung des Messsignal Δz_d bestimmt sein f_WK(z) = Σ N / i=1b_izⁱ, (2) so dass die Werte zwischen den Stützstellen, die mit den Kalibrierfolien ermittelt werden, für das Messsignal Δz_d mit den Wirbelstrom-Kalibrierparametern b_i 23 möglichst gut approximiert oder interpoliert sind. Auch dieses Beispiel der Wirbelstrom-Kalibrierfunktion ist nicht beschränkt und unabhängig, da die Kalibrierfunktion auch durch andere globale und zusammenhängende lokale Funktionen definiert sein kann. Eine weitere Lösung zur Definition der Wirbelstrom-Kalibrierfunktion ist beispielsweise die Verwendung eines so genannten Akima-Spline-Interpolations-Algorithmus.
• Die Auswertung der Struktureigenschaften des ferromagnetischen Materials geschieht durch den Struktur-Auswertalgorithmus 20, dessen Argumente das kalibrierte Magnetfeld-Signal Δz_S 18 und das kalibrierte Wirbelstrom-Signal Δz_d 19 sind. Die Resultate des Struktur-Auswertalgorithmus 20 sind der Struktur-Bewertungswert B_St 21 und Abstands-Bewertungswert Δz_c 22. Beispielsweise kann der Struktur-Bewertungswert B_St einfach durch die Differenz des kalibrierten Magnetfeld-Signals Δz_S 18 und des kalibrierte Wirbelstrom-Signals Δz_d 19 berechnet werden B_St = Δz_d – Δz_S, (3) wenn der bevorzugte gerade Abstands-Ortskurven-Verlauf 25 durch den Nullpunkt (0, 0) und der Winkel β in gleich 45° ist. Dieses Beispiel ist jedoch nicht beschränkt, da die Bewertung vom geraden Abstands-Ortskurven-Verlauf 25 oder von einem beliebig anderen Abstands-Ortskurven-Verlauf durch einen anderen funktionalen bzw. vektorfunktionalen Zusammenhang berechnet werden kann. In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auch eine Normierung bzw. Gewichtung in Abhängigkeit zu mindestens einem Parameter und/oder zu den Eingangswerten Δz_S und/oder Δz_d geschehen. Dieses hat den Vorteil, dass die Empfindlichkeit des angezeigten bzw. ausgewerteten Struktur-Bewertungswertes B_St partiell in definierten Bereichen der (Δz_S; Δz_d)-Ebene besonders empfindlich oder unempfindlich ist, welches je nach Anwendung unterschiedlich und damit einstellbar vom Anwender oder von einer Automatik gewünscht sein kann.
• Der Abstands-Bewertungswert Δz_c 22 stellt je nach Anwendung den Abstand des Wertepaares (Δz_S; Δz_d) zur Δz_S-Achse oder Δz_d-Achse an Δz_c = min(Δz_S ⋁ Δz_d) (4)
• Hierdurch erhält der Anwender oder eine nachgeschaltete Auswertung zusätzliche Informationen über die Abweichung der Beschichtung im Vergleich zu der Beschichtung auf der xy-Referenzposition 27. Dieses Beispiel ist jedoch nicht beschränkt, da die Änderung des Wertepaares (Δz_S; Δz_d) im Vergleich zur dem Wertepaar auf der Referenzposition auch durch einen anderen funktionalen Zusammenhang berechnet bzw. ausgewertet werden kann. Beispielsweise kann der Abstands-Bewertungswert Δz_c 22 auch den Abstand des Wertepaares (Δz_S; Δz_d) zu dem Ursprung (0, 0) oder dem Winkelabstand zu einer Achse beinhalten.
• zeigt den kombinierten Nullabgleich 30, die erste Kalibrierungsmessung 31 mit der ersten Referenz-Schichtdicke 28 sowie die zweite Kalibrierungsmessung 32 mit der zweiten Referenz-Schichtdicke 29. Der Nullabgleich 30 und die Kalibriermessungen 31, 32 werden jeweils auf der xy-Referenzposition 27 durchgeführt. Die Messsonde 4 ist in diesem Beispiel in die zentrale Kontrolleinheit 9 eingesteckt, die Übertragung der Messdaten kann jedoch auch über ein Kabel bzw. eine Leitung oder über eine Funkverbindung realisiert sein. Bei dem kombinierten Nullabgleich 30 wird der Magnetfeld-Referenzwert 14 und der Wirbelstrom-Referenzwert 15 bestimmt. Nach der erste Kalibrierungsmessung 31 und nach der zweiten Kalibrierungsmessung 32 werden die Magnetfeld-Kalibrierparameter 24 und Wirbelstrom-Kalibrierparameter 23 mittels Approximations- oder Interpolations-Algorithmen bestimmt.
• zeigt den exemplarischen Funktionsaufbau eines Handmessgerätes mit der zentralen Kontrolleinheit 9, die dem Anwender mit Tasten und Menüführung eine komfortable Bedienung ermöglicht und mittels Flüssigkeitskristallanzeige die Messwerte anzeigt. In diesem Zusammenhang können die Werte Δz_S und Δz_d als Schichtdickeninformation sowie der Struktur-Bewertungswert B_St 21 oder/und der Abstands-Bewertungswert Δz_c 22 in separaten Ziffern- oder einer separaten Balkenanzeige erfolgen.
• Die Messsonde beinhaltet einen kombinierten Messkopf 37 sowie eine Messsonden-Kontrollelektronik 33, die einerseits für die Kommunikation bzw. die Übertragung der Messsignale 12, 13 von der Messsonde zur zentralen Kontrolleinheit 9 in analoger oder digitaler Form sorgt und andererseits die interne Erfassung des temperaturkompensierten Magnetfeld-Messsignals 12 und des temperaturkompensierten Wirbelstrom-Messsignals 13 steuert. Die Messsonden-Kontrollelektronik 33 koordiniert die Magnetfeld-Kontrollelektronik 34, die Magnetfeldsensor-Auswertelektronik 35 und die Wirbelstrom-Auswertelektronik 36.
• In der ist im Schnitt die geometrische Anordnung der Magnetfeld-Spule 38, die Wirbelstrom-Spule 40 und der Magnetfeldsensor 39 des Messkopfes 37 dargestellt. Darüber hinaus ist ein Messkopf-Schutz 41 vorgesehen, der den Messkopf 37 bzw. den Magnetfeldsensor 39 vor mechanischen und/oder elektrischen Einflüssen schützt. Durch die Verwendung eines gut magnetisierbaren Kerns 42 kann die Kopplung zum magnetisierbaren Substrat besonders gut gemessen werden. In diesem Zusammenhang könnte in einer weiteren Aufbauvariante auch eine äußere magnetische Schirmung mit hoher Permeabilität vorgesehen sein, die zum Substrat geöffnet ist.
• Zur Messung des Magnetfeld-Messsignals 12 wird die Magnetfeld-Spule 38 mit einem statischen bzw. quasi-statischen Strom aus der Magnetfeld-Kontrollelektronik 34 durchflutet. Das hierdurch generierte statische oder quasistatische Magnetfeld koppelt je nach der Permeabilität des Substrats und dem Abstand bzw. der Dicke der nicht-wesentlich magnetisierbaren Beschichtung ein. In Abhängigkeit der Einkopplung des Magnetfeldes der Magnetfeld-Spule 38 ändert sich die magnetische Flussdichte im Magnetfeldsensor 39, so dass dieses durch die Magnetfeldsensor-Auswertelektronik 35 erfasst wird. Aus dieser Messprozedur wird das Magnetfeld-Messsignals 12 mit einem Mikroprozessor bestimmt und in der Messsonden-Kontrollelektronik 33 gespeichert.
• Abgesehen von einem rein statischen Magnetfeld durch die Magnetfeld-Spule 38 kann die Durchflutungsstromstärke durch die Magnetfeld-Spule 38 auch in Stufen geändert oder/und umgepolt werden, so dass bei den verschiedenen quasistatischen Magnetfeldstärken und/oder Magnetfeldorientierungen gemessen werden kann. Dieses hat unter anderem den Vorteil, dass Fehlereinflüsse aufgrund eines äußeren statischen Störmagnetfeldes rechnerisch eliminiert werden können.
• Bevorzugt wird für den Magnetfeldsensor 39 ein Hall-Sensor verwendet, der sowohl statische und quasi-statische Magnetfelder detektieren kann. Die elektrische Beschaltung des Hallsensors zur Auswertung des statischen und quasi-statischen Magnetfeldes, das den Hall-Sensor durchdringt, kann dabei auf der Basis einer Gleichstrom-Auswerttechnik oder einer Wechselstrom-Auswerttechnik basieren. Bei einer Wechselstrom-Auswerttechnik wird beispielsweise eine so genannte Lock-In-Auswerttechnik angewendet. Neben einem Hall-Sensor können prinzipiell jedoch auch andere Magnet-Feldsensoren verwendet werden, wie beispielsweise GMR-, AMR-Sensoren, TMR-Sensoren oder SQUID's [”Giant-Magneto-Resistance”; ”Anisotrope Magneto-Resistance”; Tunnel-Magneto-Resistance”; ”Supraleitende Quanten-Interferenz-Detektoren”]. Darüber hinaus kann auch eine Spule mit mindestens einem speziellen magnetischen Kernmaterial, bevorzugt mit nicht-lineare magnetischen Eigenschaften, für die Messung des statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldes verwendet werden.
• In einer anderen Messkopf-Aufbau-Variante, die beispielsweise in dargestellt ist, kann das statische Magnetfeld 44 durch einen Permanentmagneten 43 bereitgestellt bzw. generiert werden. Diese einfachere Variante hat jedoch den Nachteil, dass statische magnetische Störfelder vom Substrat einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf das Magnetfeld-Messsignal nehmen, so dass Substrat-Strukturänderungen und spontane Substrat-Magnetisierungen nicht optimal voneinander separiert werden können.
• Zur Messung des Wirbelstrom-Messsignals 13 wird beispielsweise die Wirbelstrom-Spule 40 mit einem Wechselstrom durchflutet. Das hierdurch generierte magnetische Wechselfeld koppelt in Abhängigkeit der elektrischen und magnetischen Eigenschaften in das Substrat sowie den Abstand bzw. die Dicke der nicht-wesentlich magnetisierbaren und nicht wesentlich elektrisch leitfähigen Beschichtung ein, so dass unter Berücksichtigung der rückwirkenden Wirbelströme im Substrat der Scheinwiderstand bzw. die Impedanz der Wirbelstrom-Spule 40 verändert wird.
• Die Änderung des Scheinwiderstandes der Wirbelstrom-Spule 40 kann auf verschiedene Weisen bzw. Techniken durch die Wirbelstrom-Auswertelektronik ausgewertet werden und damit auf verschiedene Weisen das Wirbelstrom-Messsignal 13 bereitstellen. In dieser Hinsicht ist zwischen Frequenzmodulationstechnik, Amplitudenmodulationstechnik, transienter Impulsantworttechnik sowie transienter Sprungantworttechnik zu unterscheiden.
• Bei der Frequenzmodulationstechnik ist die Wirbelstrom-Spule 40 ein Teil eines angeregten Schwingkreises, dessen Resonanz- bzw. Eigenfrequenz von dem komplexen Scheinwiderstand abhängig ist. Durch die Änderung des Scheinwiderstandes wird die Eigenfrequenz verändert und damit die Schwingfrequenz des Schwingkreises verstimmt. In diesem Fall ist die Schwingfrequenz des Schwingkreises das Wirbelstrom-Messsignal 13.
• Eine typische mittlere Schwingfrequenz bei der Frequenzmodulationstechnik ist ca. 12 MHz, so dass aufgrund dieser hohen Frequenz eine nur geringe Eindringtiefe der Wirbelströme in das Substrat existiert und somit Veränderungen an der Oberfläche des Substrats besonders gut detektiert werden.
• Die Amplitudenmodulationstechnik bzw. Lock-In-Technik durchflutet die Wirbelstrom-Spule mit einem elektrischen sinusförmigen Wechselstrom I _WS = I_WSe^iΩt = I_WSe^iφ konstanter Frequenz, um den komplexen Scheinwiderstand Z _WS der Wirbelstrom-Spule 40 durch die Messung der anliegenden komplexen Spannung U _WS = U_WSe^iΩt = U_WSe^iφ an der Wirbelstrom-Spule zu bestimmen

  

  wobei der Betrag des Scheinwiderstandes Z_WS und/oder die Phase φ das Wirbelstrom-Messsignal darstellen können.
• Die Anregungsfrequenzen bei der Amplitudenmodulationstechnik können gewählt werden, so dass unterschiedliche Eindringtiefen der Wirbelströme eingestellt werden können. Dieses hat beispielsweise den Vorteil, dass Veränderungen im Substrat in unterschiedlichen Tiefen detektiert werden können. In dieser Hinsicht können auch durch die Messungen bei mehreren Frequenzen spezifische Tiefen erfasst werden.
• Die transienten Impuls- bzw. Sprungantworttechniken basieren auf einem Schwingkreis, wobei auch hier die Wirbelstrom-Spule eine Komponente eines Schwingkreises darstellt. Nach der Anregung des Schwingkreises mit einem Impuls- oder Sprungsignal wird das Einschwingverhalten des Schwingkreises zeitlich ausgewertet, so dass die Einschwingfrequenz oder/und die Einschwingamplitude das Wirbelstrom-Messsignal bestimmt.
• In einer weiterführenden Variante könnte zu den bestehenden temperaturkompensierten Magnetfeld-Messsignal 12 und dem temperaturkompensierten Wirbelstrom-Messsignal 13 noch ein drittes oder sogar höherstufige Messsignale erfasst werden, wobei alle Signale parallel in analoger Weise nach mit einem Nullabgleich und einer Kalibrierung berücksichtigt sind. Beispielsweise könnten hierfür bevorzugt ein elektrisch kapazitives Messprinzip bzw. kapazitiver Sensor angewendet werden. Auch in diesem Fall könnten die Parameter hinsichtlich des Nullabgleichs und der Kalibrierung als Funktion der Beschichtung bzw. des Abstandes in analoger Weise bei einer Messprozedur nach synchron berücksichtigt bzw. berechnet werden. In diesem Fall würde die Auswertung der Struktureigenschaften nicht nur in der (Δz_S; Δz_d)-Ebene sondern im dreidimensionalen bzw. höherstufigen Signalraum aus den drei bzw. höherstufigen kalibrierten Messsignalen erfolgen. In dieser Hinsicht kann das dritte bzw. höher stufige Messsignal auch den Real- und/oder den Imaginärteil eines elektrisch komplexen kapazitiven oder induktiven Sensors darstellen, wobei für alle Signale eine Temperaturkompensierung vorgesehen sein kann.
• Bezugszeichenliste

1

Beschichtung: Elektrisch isolierende bzw. schlecht leitende und schlecht magnetisierbare Beschichtung

2

Substrat: Elektrisch leitfähiges und magnetisierbares bzw. ferromagnetisches Substrat

3

Schweißnaht, Schweißpunkt oder Strukturänderung des Materials

4

Messsonde

5

Bewegung: Manuelle oder automatisierte Bewegung des Messgeräts bzw. der Messsonde über die Oberfläche

6

Substrat mit anderen elektrischen oder/und magnetischen Eigenschaften im Vergleich zu dem Substrat zu Punkt 2

7

qualitatives oder quantitatives Maß für die Rauhigkeit der Substratoberfläche

8

Substrat-Rauhigkeit mit anderen geometrischen und/oder elektrisch und/oder magnetischen physikalischen Eigenschaften im Vergleich zur Rauhigkeit unter Punkt 7

9

zentrale Kontrolleinheit zur Bedienung, Auswertung, Übertragung und/oder Anzeige der Messresultate

10

Risse, Löcher oder andere partielle Anormalitäten mit anderen elektrisch oder/und magnetischen Eigenschaften

11

Spachtelungen, Füllungen oder Korrosion

12

temperaturkompensiertes Magnetfeld-Messsignal der Messmethode zur Bestimmung der statischen bzw. quasistatischen Magnetfeldeinkopplung in das Substrat (z. B. Magnetfeldänderungs-Messmethode)

13

temperaturkompensiertes Wirbelstrom-Messsignal der Wirbelstrom-Messmethode

14

Magnetfeld-Referenzwert für das Magnetfeld-Messsignal der statischen bzw. quasistatischen Magnetfeldeinkopplung, das beispielsweise für einen Nullabgleich verwendet wird

15

Wirbelstrom-Referenzwert für das Wirbelstrom-Messsignal der Wirbelstrom-Messmethode, das beispielsweise für einen Nullabgleich verwendet wird.

16

Magnetfeld-Kalibrierfunktion für Messsignal der statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldeinkopplung

17

Wirbelstrom-Kalibrierfunktion für Messsignal der Wirbelstrom-Messmethode

18

kalibriertes Magnetfeld-Signal Δz_S bzw. der Änderung zugehörig zur statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldeinkopplung

19

kalibriertes Wirbelstrom-Signal Δz_d bzw. der Änderung zugehörig zur Wirbelstrom-Messmethode

20

Struktur-Auswertalgorithmus, so dass die beiden Messinformationen der Substrateigenschaft und der Schichtdicke separiert bzw. orthogonalisiert und vom Anwender ausgewertet werden können.

21

Struktur-Bewertungswert B_St, der ein Maß bzw. Wert für die Substrat-Struktureigenschaften oder/und deren Änderung ist.

22

Abstand-Bewertungswert Δz_c, der ein Maß bzw. Wert für Dicke der Beschichtung oder/und deren Änderung ist

23

Wirbelstrom-Kalibrierparameter für die Skalierungs- und Kalibrierfunktion des Messsignals der Wirbelstrom-Messmethode

24

Magnetfeld-Kalibrierparameter für die Skalierungs- und Kalibrierfunktion des Messsignals der statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldeinkopplung

25

Abstands-Ortskurven-Verlauf, der die Änderung der beiden Messsignale Δz_S und Δz_d in Abhängigkeit von nicht gut magnetisierbaren und nicht gut leitenden Schichtdicken Änderungen auf dem Substrat beschreibt, wobei hierbei exemplarisch bevorzugt eine Gerade den Verlauf kennzeichnet

26

Exemplarische Messwertkombinationen bzw. Vektoren mit den Tupeln Δz_S und Δz_d, die aufgrund einer Strukturänderung zu einem Referenzsubstrat nicht auf der Ortskurve 25 liegen

27

xy-Referenzposition

28

Erste Referenz-Schichtdicke bzw. Referenzschichtdicke 1, die beispielsweise mit einer Folie realisiert wird

29

Exemplarische Referenzbeschichtung bzw. Referenzschichtdicke, die beispielsweise mit einer Folie realisiert wird

30

Kombinierter Nullabgleich auf der Referenzposition

31

Erste Kalibrierungsmessung auf der Referenzposition

32

Zweite Kalibrierungsmessung auf der Referenzposition

33

Messsonden-Kontrollelektronik

34

Magnetfeld-Kontrollelektronik

35

Magnetfeldsensor-Auswertelektronik

36

Wirbelstrom-Auswertelektronik

37

Kombinierter Messkopf

38

Magnetfeld-Spule (statisches bzw. quasi-statisches Magnetfeld)

39

Magnetfeldsensor zur Messung des statischen bzw. quasi-statischen Magnetfeldes

40

Wirbelstrom-Spule zur Wirbelstrom-Messung

41

Messkopf-Schutz für den Messkopf

42

Spulenkern mit hoher magnetischer Permeabilität

43

Permanentmagnet

44

Magnetfeld des Permanentmagnets

201

erstes Teilsubstrat

202

zweites Teilsubstrat

203

drittes Teilsubstrat

204

viertes Teilsubstrat

Claims (15)

1. Verfahren zur Bestimmung ob eine Veränderung eines Substrats (2) in einem Testbereich unter einer das Substrat (2) bedeckenden Schicht (1) vorliegt, wobei: a) in dem Testbereich, an einer Stelle des Substrats (2) auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht (1) mit mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren eine kombinierte magnetische und/oder elektrische Messung vorgenommen wird; und b) untersucht wird, ob eine Relation zwischen mit den unterschiedlichen Messverfahren in dem Testbereich ermittelten Messwerten (18, 19) mit einer in einem Referenzbereich festgestellten Referenzrelation übereinstimmt, wobei – die in dem Referenzbereich festgestellte Referenzrelation zwischen mit unterschiedlichen Messverfahren ermittelten Messwerten (18, 19) besteht, und – im Fall einer Abweichung der Relation von der Referenzrelation festgestellt wird, dass das Substrat (2) verändert wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Schritt b) untersucht wird, ob die mit den mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren erhaltenen Messwerte (18, 19) gleich sind, wobei im Fall ungleicher Werte festgestellt wird, dass das Substrat (2) verändert wurde.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erhaltenen Messwerte (18, 19) einer Schichtdicke der bedeckenden Schicht (1) zugeordnet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens zwei unterschiedlichen Messverfahren ein statisches und ein dynamisches Messverfahren sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor Ausführung der kombinierten Messung für jedes Messverfahren jeweils eine Kalibrierung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor Ausführung der kombinierten Messung für jedes Messverfahren jeweils ein Nullabgleich durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Kalibrierung und/oder der Nullabgleich mindestens eine kombinierte Messung umfasst, welche an einer Stelle des Substrats (2) durchgeführt wird, an der auf der bedeckenden Schicht (1) eine oder mehrere Kalibrierschichten (28, 29) mit vorbestimmter Dicke aufgesetzt ist/sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kombinierte Messung zumindest zwei Teilschritte umfasst, wobei in einem Teilschritt eine Messung mit nur einem der mindestens zwei Messverfahren ausgeführt wird, und wobei die Teilschritte zeitgleich oder quasi-zeitgleich oder sequentiell ausgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Messreihe, umfassend eine Vielzahl von kombinierten Messungen, an unterschiedlichen Orten auf dem Substrat (2) durchgeführt wird, wobei eine Ortsabhängigkeit der Messwerte eine Aussage über den Ort oder den Ortsbereich, an dem das Substrat (2) verändert wurde, ermöglicht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Messreihe mittels einer Messvorrichtung (4) durchgeführt wird, und wobei die Messreihe während einer Bewegung der Messvorrichtung (4) auf oder beabstandet von der bedeckenden Schicht (1) durchgeführt wird.
11. Messvorrichtung (4) zur Messung eines elektrischen und/oder magnetischen Felds auf oder beabstandet von einer bedeckenden Schicht (1) auf einem Substrat (2) in einem Testbereich, umfassend – eine Vorrichtung (43) zum Herstellen eines statischen Magnetfelds; – eine Vorrichtung (40) zum Herstellen eines dynamischen Magnetfelds; – mindestens einen Magnetfeldsensor (39) zur Messung eines statischen und eines dynamischen Magnetfelds; und – eine Auswerteeinheit (35, 36), welche ausgebildet ist aus der statischen und aus der dynamischen Magnetfeldmessung erhaltene Messwerte (18, 19) miteinander zu vergleichen und ausgebildet ist festzustellen, ob eine Relation zwischen mit unterschiedlichen Messverfahren in dem Testbereich ermittelten Messwerte (18, 19) mit einer in einem Referenzbereich festgestellten Referenzrelation übereinstimmt.
12. Messvorrichtung (4) nach Anspruch 11, wobei die Messvorrichtung (4) dazu ausgebildet ist, eine statische und eine dynamische Magnetfeldmessung zeitgleich oder quasi-zeitgleich oder sequentiell durchzuführen.
13. Messvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Auswerteeinheit (35, 36) dazu ausgelegt ist, die Messwerte (18, 19) zu verarbeiten, bevor sie miteinander verglichen werden, um eine Vergleichbarkeit der Messwerte zu ermöglichen.
14. Messvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Messwerte (18, 19) einer Schichtdicke der bedeckenden Schicht (1) zugeordnet sind.
15. Messvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Messvorrichtung (4) dazu ausgebildet ist, Einzelmessungen und/oder Messreihen als in einem definierten Abstand abgehobene Messungen, durch eine definierte Abhebung eines Messkopfes (37) der Messvorrichtung (4), vorzugsweise mittels einer externen Vorrichtung und/oder einer in der Messvorrichtung (4) integrierten mechanischen Vorrichtung, auszuführen.

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