DE102014103684A1

DE102014103684A1 - Magnetfeldsensoranordnung

Info

Publication number: DE102014103684A1
Application number: DE102014103684.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bürkle; Hubert Grimm
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2015-09-24
Also published as: WO2015140220A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) zur magnetischen Streuflussmessung in einer ferromagnetischen Messstruktur (14). Die Anordnung (10, 50, 60, 70, 80) umfasst eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (40), eine Sensoreinrichtung (16), durch die ein Verlauf eines Magnetflusses Φ (18) und ein Verlauf des durch Materialfehlstellen oder Inhomogenitäten der Messstruktur (14) erzeugten Streuflusses (54) in Richtung einer Oberfläche (20) der Messstruktur (14) durch Ausgabe zumindest eines Signalwertes detektierbar ist, und eine Auswerteeinrichtung (56). Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung (16) unmittelbar an einer Magnetfluss-Austrittsfläche (22) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) angeordnet ist. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) ist eingerichtet, das Messmagnetfeld H in einer Größenordnung zu erzeugen, die ausreicht, eine magnetische Sättigung des Magnetflusses zumindest im Bereich der Oberfläche (20) der Messstruktur (14) zu bewirken. Die Auswerteeinrichtung (56) ist eingerichtet, einen quantitativen Verlauf des Signalwertes mit zumindest einem vorspeicherbaren Signalwerteverlauf zur Detektion einer Materialfehlstelle oder Materialinhomogenität der Messstruktur (14) auszuwerten. In einem Nebenaspekt wird eine Sensorprüfvorrichtung vorgeschlagen, die eine Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) und einen relativ hierzu verfahrbaren Messstrukturträger umfasst. Letztlich wird die Verwendung einer derartigen Anordnung (10, 50, 60, 70, 80) in verschiedenen Bereichen der magnetischen Streuflussmessung vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur magnetischen Streuflussmessung in einer ferromagnetischen Messstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Sensoranordnungen zur magnetischen Streuflussprüfung als zerstörungsfreies Prüfverfahren sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Sie dienen zur manuellen oder automatisierten Oberflächenprüfung von Bauteilen oder Halbzeugen aus magnetisierbaren Werkstoffen, wie beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt oder diesbezügliche Legierungen. Mit Hilfe einer Streuflussmessung können Risse und oberflächenoffene oder auch innerhalb des Werkstoffs verborgene Poren bestimmt werden. Das Messprinzip beruht darauf, dass die zu untersuchende Messstruktur temporär magnetisiert wird, um mit einem Prüfkopf berührungslos oder berührend abgescannt zu werden. Die Risse oder Poren innerhalb oder auf der Messstruktur bewirken eine Änderung des magnetischen Flussverlaufs und somit eine Streuung der magnetischen Feldlinien, die von der Sensoranordnung detektiert werden kann. In rotationssymmetrischen Messstrukturen können rotierende Sensoranordnungen angewendet werden, die um die Längsachse der Messstruktur kreisen.
Für die Magnetisierung der Messstruktur werden Permanentmagnete oder stromdurchflossene Spulen verwendet, wobei in der Regel die Messstruktur nahe der Oberfläche magnetisiert wird. In einem homogenen oder fehlerfreien ferromagnetischen Material breitet sich der magnetische Fluss in der Messstruktur in Richtung des magnetischen Gegenpols aus, um den magnetischen Kreis zu schließen. Eine homogener magnetischer Fluss wird durch einen Oberflächenfehler, einen Riss, eine Inhomogenität oder ein Gefügefehler im Material gestört, wobei der Fluss einer lokalen Störung ausweicht und einen anderen Verlauf annimmt.
Der Verlauf der Feldlinien außerhalb der Messstruktur kann durch eine berührungsfreie oder berührende Sonde, die einen entsprechenden Magnetfeldsensor umfasst detektiert werden. In der Regel ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die die Sensorsignale analysiert und bei einem Fehler eine entsprechende Fehlstelle anzeigt. Zur Analyse von großflächigen Messstrukturen wird in der Regel die Messstruktur gegenüber der Sensoranordnung bzw. die Sensoranordnung gegenüber der Messstruktur verfahren, um alle Bereiche der Messstruktur abtasten, bzw. scannen zu können.
Einsatzgebiete für eine derartige Sensoranordnung ist beispielsweise die Produktion von Rohren und Stahlplatten aus ferromagnetischem Material, aber auch sicherheits- und funktionskritische Fertigbauteile, wie Zahnräder, Befestigungselemente, Turbinenflügel oder ähnliche Materialien, die im Betrieb unter hohen mechanischen Belastungen stehen. Bei einer besonderen Streuflussmessmethode, der sogenannten MFL-Methode (magnetic flux leakage) wird im Bereich der Prüfung von Pipelines oder Tanks ein extrem starkes Magnetfeld eingesetzt, um die Oberfläche bis zu einer gewissen Tiefe der Pipelinewandung bzw. der Tankwandung sättigend zu magnetisieren. Zwischen den Polen des Magnetes wird eine Sensoranordnung angeordnet, um magnetische Streufelder, die von Fehlstellen herrühren, aufnehmen zu können.
Durch eine Vielzahl von Sensoren können Lage und Anordnung von Fehlstellen im Material erkannt werden. Derartige Sensoranordnungen werden insbesondere für eine sogenannte In-Line-Inspection (ILI) eingesetzt, bei der ein autonom verfahrbares Prüfgerät innerhalb einer Pipeline Risse und Fehlstellen der Außenwandung untersucht. In der Regel werden die Magnetfeldsensoren zwischen den Polen einer Magnetfelderzeugungseinrichtung angeordnet, und sind lediglich dazu ausgelegt Oberflächenfehler zu detektieren. Die hierbei auftretende magnetische Flussdichte ist in einer Größenordnung von bis zu 1mT, und liegt damit weit unterhalb der Sättigung des magnetischen Materials der Messstruktur, so dass eine magnetische Feldführung nur entlang der Oberfläche der Messstruktur gegeben ist. Tieferliegende Fehlstellen können mit derartigen Streuflussmessmethoden in der Regel nicht erkannt werden, da die Magnetfelder nicht weit genug in die Messstruktur eintreten. Des Weiteren treten Streuflüsse bei den genannten Feldstärken und innenliegenden Fehlern der Werkstoffe nur selten nach außen und werden im Inneren des noch ungesättigten Materials geführt, so dass Sensoren außerhalb der Messstruktur tieferliegende Fehlstellen nicht detektieren können.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2008 020 194 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von oberflächennahen Materialfehlern mittels Streuflussmessung bekannt, wobei zur Detektion von verborgenen Fehlstellen in einer Messstruktur einem magnetischen Gleichfeld ein magnetisches Wechselfeld überlagert wird. Durch eine Sensoranordnung, die sich zwischen den Polen einer Magnetfelderzeugungseinrichtung befindet, werden Streufelder gemessen, die sowohl von oberflächennahen als auch im Inneren verborgenen Fehlstellen verursacht werden.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv einfache und hochsensitive Sensoranordnung vorzuschlagen, die in der Lage ist, sowohl oberflächennahe, als auch im Inneren einer Messstruktur verborgene Fehlstellen, Risse und Poren zu detektieren, und die obengenannten Nachteile des Stands der Technik überwindet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Gelöst wird die oben genannte Aufgabe durch eine Sensoranordnung und eine Sensorvorrichtung nach der Lehre der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß umfasst die Sensoranordnung zur magnetischen Streuflussmessung in einer ferromagnetischen Messstruktur eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes H, eine Sensoreinrichtung, durch die der Verlauf eines Magnetflusses Φ und ein Verlauf des durch Materialstellen oder Inhomogenitäten der Messstruktur erzeugten Streuflusses in Richtung einer Oberfläche der Messstruktur durch Ausgabe zumindest eines Signalwertes detektierbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, die zur Auswertung eines Signalwerts der Sensoreinrichtung ausgelegt ist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung unmittelbar an einer Magnetfluss-Austrittsfläche der Magnetfelderzeugungseinrichtung angeordnet ist, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung eingerichtet ist, das Messmagnetfeld H in einer Größenordnung zu erzeugen, die ausreicht, eine magnetische Sättigung des Magnetflusses zumindest im Bereich der Oberfläche der Messstruktur zu bewirken, und dass die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, einen quantitativen Verlauf des Signalwerts mit zumindest einem vorgespeicherten Signalwertverlauf zur Detektion einer Materialfehlstelle oder Materialinhomogenität der Messstruktur auszuwerten.
Mit anderen Worten wird eine Sensoranordnung vorgeschlagen, die eine Magnetfelderzeugungseinrichtung umfasst, mit der ein statisches Messmagnetfeld H in einer Größe erzeugt werden kann, die ausreicht, oberflächennahe Bereiche einer zu untersuchenden Messstruktur, möglichst magnetisch zu sättigen, so dass die Hysteresekennlinie abflacht und eine Steigung von μ_r = 1 annähert. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung kann beispielsweise ein Permanentmagnet oder eine stromdurchflossene Spule sein. Sie ist ausgelegt, ein Magnetfeld zu erzeugen, das eine Sättigung des Magnetflusses in der Oberfläche und in tieferen Regionen der Messstruktur bewirken kann. Hierzu sind starke Magnetfelder zu erzeugen, um entsprechend der Hysteresekennlinie des Werkstoffs der Messstruktur in einen abgeflachten Bereich zu verfahren, bei dem die Masse der Weiss'schen Bezirke des Werkstoffes ausgerichtet ist, so dass eine zusätzliche Änderung in der magnetischen Feldstärke eine Änderung des Magnetflusses im Bereich von µ₀H, bei µ_r~1 erzeugt werden kann. Somit sind in dem ferromagnetischen Werkstoff die Weiss'schen Bezirke in der Umgebung der Messanordnung annähernd ausgerichtet, so dass eine Materialstörung im Magnetfeldfluss eine extrem starke Veränderung der Flusslinien in der Luft erzeugt, so dass diese auch bei tief liegenden Rissen oder Poren ein Austreten von Magnetfeldern in die Luft bewirken.
Im Gegensatz zu den meisten aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen ist die Sensoreinrichtung, die den Magnetfeldsensor umfasst, unmittelbar oder in räumlicher Nähe an einem Pol der Magnetfelderzeugungseinrichtung angeordnet. Grundsätzlich ist die Sensoreinrichtung dem Magnetfluss Φ ausgesetzt, wobei eine Änderung des Magnetfeldflusses Φ durch ein Streumagnetfeld nur eine geringe Auswirkung auf die Gesamtgröße des von der Sensoreinrichtung erfassten Magnetfelds hat. Die Sensoreinrichtung ist daher derart auszulegen, dass sie insbesondere sensitiv im Bereich hoher Magnetfelder ist, die eine Größenordnung aufweisen, die den Werkstoff der Messstruktur weitestgehend in Sättigung bringt. Eine Auswerteeinrichtung wertet einen Signalwert, insbesondere eine relative Signalwertänderung der Sensoreinrichtung aus, und vergleicht den quantitativen Verlauf des Signalwerts mit vorgespeicherten Verläufen bekannter Fehlstellen bzw. mit einem Sensorwertverlauf in einem ungestörten Material, einem Sensorwertverlauf eines Oberflächenrisses, eines Tiefenrisses, einer Oberflächenfehlstelle oder einer Tiefenfehlstelle. Da naturgemäß die Fehlstellen nur eine geringe Änderung der absoluten Magnetflussstärke unmittelbar in der Nähe eines Pols der Magnetfelderzeugungseinrichtung hervorruft, muss eine entsprechende hochsensitive Sensoreinrichtung vorgesehen sein, die eine hohe Ortsauflösung und eine hohe Sensitivität, insbesondere eine hohe Sensorkennliniensteigung im Bereich der Messmagnetfeldstärke bezüglich von relativ geringen Änderungen eines hohen statischen Magnetfeldes detektieren kann. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen, bei denen die Sensoreinrichtungen zwischen Polen einer Magnetfelderzeungungseinrichtung angeordnet ist, vereinfacht sich die Sensoranordnung, da die Sensoreinrichtung unmittelbar an einem einzigen Pol angeordnet sein muss, so dass dieser beispielsweise in Form eines Stabes oder Stiftes über die Oberfläche der Messstruktur gezogen werden kann, und nicht zwei Pole gleichzeitig an der Messstruktur anliegen müssen. Aufgrund der hohen Feldstärke des statischen Messmagnetfelds H wird eine Sättigung bis in die Tiefe des Materials der Messstruktur erreicht, so dass tieferliegende Fehlstellen und Inhomogenitäten detektiert werden können, die für bislang bekannte Streuflussmessverfahren nicht erkennbar waren.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Sensoreinrichtung einen Sensorträger und einen auf diesen angeordneten Sensorchip umfassen, wobei der Sensorträger auf der Polaustrittsfläche oder an einer der Polaustrittsfläche begrenzenden Seitenfläche angeordnet ist. Der Sensorchip ist der Träger des Magnetfeldsensors und ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einem Sensorträger, beispielsweise auf einem Chipträger bzw. Substrat angeordnet. Der Chipträger kann unmittelbar auf der Polaustrittsfläche eines Permanentmagneten oder eines Eisenjochs eines Elektromagneten angeordnet sein, insbesondere senkrecht zur Polaustrittsfläche angeordnet sein, sofern die Polaustrittsfläche parallel zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet ist. Alternativ kann der Chipträger parallel zur Polaustrittsfläche angeordnet sein, wenn die Austrittsfläche senkrecht zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet ist. Hierdurch ist die Sensoreinrichtung insbesondere für Magnetfeldkomponenten sensitiv, die senkrecht zur Oberfläche der Messstruktur gerichtet sind. Der Sensorträger kann alternativ an einer der Polaustrittsfläche begrenzenden Seitenfläche angeordnet sein, die mit einem hohen Magnetfeld beaufschlagt ist, insbesondere dann, wenn die Magnetfeldstärke derart hoch ist, dass sich die Oberfläche der Messstruktur in magnetischer Sättigung befindet, und somit nicht alle Magnetfeldlinien unmittelbar in die Messstruktur hineingezogen, sondern sich ein gestreutes Magnetfeld ergibt, das insbesondere bei tieferliegende Störungen im Inneren der Messstruktur eine hohe Änderung zeigt.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Sensoreinrichtung zumindest einen Sensorchip auf Basis eines GMR-Sensorchips (Giant-Magneto-Resistance-Chip), insbesondere eines GMR-Multilayersensorchips, wobei der GMR-Sensorchip einen H50-Parameter für eine 50%-ige Gesamtwiderstandsänderung in einem Bereich der Flussdichte von 100 mT bis 400 mT, bevorzugt 200 mT bis 280 mT, insbesondere 250 mT bis 280 mT des Magnetflusses durch den Sensorchip aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinrichtung zumindest einen, vorzugsweise eine Vielzahl von Sensorchips als GMR-Sensorchips aufweist, wobei diese bevorzugt als Multilayersensorchips ausgelegt sind. Ein GMR-Sensorchip, der auch als Riesenmagnetowiderstand bezeichnet wird, umfasst Strukturen mit abwechselnd magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten mit einiger Nanometer Schichtendicke, wobei der GMR-Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Struktur von der gegenseitigen Orientierung in der Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängt, und bei einer Magnetisierung in entgegengesetzter Richtung höher als bei einer Magnetisierung in der gleichen Richtung ist. Multilayer-GMR-Sensorchips weisen eine sehr hohe Widerstandsänderung und eine symmetrische Kennlinie für positive und negative Magnetfeldrichtungen auf und beinhalten als magnetisches Material insbesondere Kupfer oder Ruthenium und als magnetisches Material Permalloy (Ni81Fe19) oder Kobalt-Eisen (Co90Fe10). Die RKKY-Austauschwechselwirkung über nichtmagnetische Zwischenschichten führt zu einer parallelen oder antiparallelen Ausrichtung der magnetischen Lagen zueinander. Multilayer-GMR-Sensoren weisen nur eine ungefähr 1 nm nichtferromagnetische Zwischenschicht auf, die eine RKKY-Kopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten bewirkt, und die magnetischen Schichten somit miteinander koppeln. Hierdurch kann eine parallele oder antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung der gekoppelten Schichten energetisch bevorzugt werden, wobei der elektrische Widerstand bei einer antiparallelen Ausrichtung höher ist. Wird bei einem GMR-Multilagen-Sensor bei Anlegen eines externen Magnetfelds die Magnetisierung der Schichten in eine parallel ausgerichtete Konfiguration gedreht, verringert sich der Widerstand des Schichtpakets. Der H50-Parameter für eine 50%-ige Gesamtwiderstandsänderung liegt bei derartigen GMR-Sensoren im Bereich von 100 mT bis 400 mT, so dass extrem hohe Magnetfelder sensitiv erfasst werden können. In diesen Feldstärkebereichen liegt somit eine hohe Kennliniensteilheit vor. Bei derartig hohen Feldstärken befinden sich ferromagnetische Materialien in der Regel im Sättigungsbereich, wobei die Sättigung bis tief unter die Oberfläche einer Messstruktur reicht. Eine derartige Sättigung bewirkt, dass auch tiefliegende Fehlstellen im Material durch einen großen Streufluss an der Oberfläche der Messstruktur detektiert werden können. GMR-Multilayersensorchips sind in der Lage, bei derartig hohen Feldstärken eine hohe Sensitivität aufzuweisen, so dass eine Veränderung des Streuflusses eine große Widerstandsänderung hervorruft, und somit auch zuverlässig tieferliegende Fehlstellen in einer Messstruktur erkannt werden können. GMR-Sensoren weisen eine magnetische Vorzugssensitivtätsebene auf, wobei Magnetfeldkomponenten, die in der Schichtebene liegen, hochsensitiv detektiert werden, und senkrecht zur Schichtebene stehende Komponenten gar nicht oder nur gering detektierbar sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Ebene des Sensorchips senkrecht zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet sein, so dass Felder aus einer ebenfalls senkrecht zur Messstrukturfläche stehenden Magnetfluss-Austrittsfläche aus der Magnetfelderzeugungseinrichtung austreten, und zunächst parallel zur Oberfläche der Messstruktur verlaufen, und dann in die Messstruktur abknicken. Der Magnetfluss kann im abknickend verlaufenden Bereich zur Messstrukturoberfläche erfasst werden.
Alternativ kann die Ebene des Sensorchips auch parallel zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet sein, wobei die Magnetfeldaustrittsebene der Magnetfelderzeugungseinrichtung ebenfalls parallel zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet sein kann. In diesem Fall bietet es sich auch an, als Sensoreinrichtung einen Hall-Sensorchip einzusetzen, da dieser insbesondere bei einer Durchflutung senkrecht zur Oberfläche des Sensorchips sensitiv ist. Hall-Sensoren können konstruktiv derart ausgelegt sein, dass sie hohe Feldstärken, insbesondere im Bereich von 100 mT bis 400 mT mit einer hohen Kennliniensteilheit sensitiv erfassen können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung einen Permanentmagneten mit einem Nord- und einem Südpolen umfassen, oder eine elektrische Stromspule umfassen, wobei die Magnetfluss-Austrittsfläche zumindest an einem Magnetpol oder an einer Flussaustrittsfläche eines Magnetfeld-Führungsjochs definiert ist. So wird im Falle eines Permanentmagneten oder einer elektrischen Magnetspule an einem der Polaustrittsflächen des Nord- bzw. Südpols bzw. an einem der Eisenjochflächen einer Stromspule, an dem das Messmagnetfeld H austritt, die Sensoreinrichtung angeordnet, wobei diese Magnetfelder parallel zur Werkstückoberfläche bzw. senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet sein können.
Grundsätzlich kann die Austrittsfläche der Magnetfelderzeugungseinrichtung parallel zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet sein, so dass der Magnetfluss des Messmagnetfelds H senkrecht zur Messstruktur-Oberfläche ausgerichtet ist. Hierdurch wird eine hohe Magnetisierung der oberflächennahen Bereiche der Messstruktur erreicht.
Alternativ kann die Magnetfluss-Austrittsfläche vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet sein, so dass das Messmagnetfeld zunächst parallel zur Oberfläche der Messstruktur ausgerichtet ist, um dann abknickend in die Messstruktur einzutauchen. Befindet sich der Werkstoff der Messstruktur in magnetischer Sättigung, so kann hierdurch ein großflächiger Bereich der Messstruktur von Magnetfeldern durchflutet werden, und entsprechend eine großflächiger Scanbereich für die Analyse von Fehlstellen geschaffen werden. Somit kann ein großflächiger Bereich abgescannt werden und eine große Scantiefe im Inneren der Messstruktur untersucht werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung eingerichtet sein, den Magnetfluss Φ zwischen Magnetfluss-Austrittsfläche und Oberfläche der Messstruktur in einer Flussdichte von 50 mT bis 2 T, insbesondere 150 mT bis 700 mT, bevorzugt 200 mT bis 400 mT, zu erzeugen, wobei bei Verwendung eines Permanentmagneten vorteilhafterweise ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder ein Samarium-Cobalt-Magnet eingesetzt werden kann. Durch die Verwendung eines Permanentmagneten kann ohne Energieaufwand ein starkes statisches Messmagnetfeld H erzeugt werden. Die vorerwähnten Magnetausführungen sind extrem leistungsstark, und können hohe Magnetfelder von 50 mT bis 2 T permanent erzeugen, so dass eine zuverlässige Sättigung einer zu prüfenden Messstruktur bis in hohe Tiefen ohne Hilfsenergie erreicht werden kann.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Sensoreinrichtung eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit zur Erzeugung eines Biasmagnetfelds zur Anpassung der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung umfassen. Eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit kann in unmittelbarer Nähe einer Sensoreinrichtung angeordnet sein und dient dazu, das umgebende Magnetfeld durch Erzeugung eines Gegenmagnetfelds lokal abzuschwächen, um die Magnetfeldstärke in eine Größenordnung zu bringen, die von der Sensoranordnung sensitiv genau erfasst werden kann, d.h. in der eine hohe Steilheit der Sensorkennlinie vorliegt. So kann bei extrem starken Messmagnetfeldern H ein Biasmagnetfeld dazu dienen, lokal die Empfindlichkeit der Sensoranordnung an das starke Messmagnetfeld anzupassen. Hierzu können Sensoranordnungen eingesetzt werden, die bei den eingesetzten Messmagnetfeldern H außerhalb ihres Hochempfindlichkeitsbereichs liegen, und dennoch kann eine hohe Messmagnetfeldempfindlichkeit erreicht werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Sensoreinrichtung eine Ortsauflösung der Magnetfeldänderung von 50 µm oder weniger, bevorzugt 10 µm oder weniger, und insbesondere 3 µm oder weniger, aufweisen. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Sensoreinrichtung ein Array oder eine Vielzahl von Sensorchips umfasst, oder einen Sensorchip umfasst, der eine hohe Ortsauflöseempfindlichkeit aufweist, um mit einer hohen Genauigkeit nicht nur das Vorhandensein einer Fehlstelle, sondern auch dessen Ausdehnung und Struktur bestimmen zu können. Je feiner die Ortsauflösung der Sensoreinrichtung ist, umso genauer kann Lage, Position, Ausrichtung und Ausdehnung von Fehlstellen auf der Oberfläche und in der Tiefe einer Messstruktur bestimmt werden. Dies lässt sich beispielsweise durch ein Array einzelner Sensoreinrichtungen, insbesondere einer Matrixanordnung oder einer Linearanordnung vieler Sensoreinrichtungen, erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform kann die Verwendung von zumindest zwei oder mehreren Sensoreinrichtungen zur Ausbildung einer Gradientensensoranordnung umfasst sein. Eine Gradientensensoranordnung weist sich dadurch aus, dass durch den Vergleich der Sensorwerte zweier oder mehrerer räumlich benachbarter Sensoreinrichtungen ein Sensorgradient erfasst werden kann, der genauer als ein Absolutwert Fehlstellen erkennen lässt. Hierdurch kann die Auflösegenauigkeit und die Sensitivität der Sensoranordnung gesteigert werden. Hierdurch können insbesondere Fehler durch äußere Störfelder eliminiert werden. Durch diese Subtraktion der Signale der Sensoreinrichtungen wird nur ein dem Feldunterschied proportionales Signal erfasst. Da das Magnetfeld in größerem Abstand zur Quelle mit 1/ × 3 abnimmt, folgt daraus, dass der Gradient mit 1/ × 4 abnimmt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Magnetfeldführungsplatte umfasst sein, wobei die Messstruktur zwischen Magnetfelderzeugungseinrichtung mit Sensoreinrichtung und der Magnetfeldführungsplatte zur Messung verfahrbar ist. In diesem Fall wird vorgeschlagen, dass die Messstruktur zwischen der Sensoreinrichtung mit Magnetfelderzeugungseinrichtung und der Magnetfeldführungsplatte verfahren werden kann, wobei die Magnetfeldführungsplatte dazu dient, durch die Messstruktur durchdringende Magnetfelder zu führen, um eine Ausbreitung des Messmagnetfelds einzudämmen und eine verbesserte Magnetflussführung zu erreichen. Hierdurch kann erreicht werden, dass zum einen eine verbesserte Führung des magnetischen Flusses durch die Messstruktur bewirkt wird, zum anderen ein ungewolltes Ausbreiten der starken Magnetfelder verhindert wird, so dass benachbarte Gegenstände nicht vom Messmagnetfeld der Sensoranordnung erfasst werden. Dies kann vorteilhaft sein im Einsatz in komplexen Maschinen oder Anlagen, in denen das Messmagnetfeld räumlich begrenzt sein soll und eine hohe Tiefensensitivität erreicht werden soll.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung umfasst sein, die ein Zusatzmagnetfeld erzeugt, welches das Messmagnetfeld H verstärkt, wobei die Messstruktur zwischen Magnetfelderzeugungseinrichtung mit Sensoreinrichtung und der Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung verfahrbar sein kann. Somit kann entsprechend der oben vorgeschlagenen Ausführungsform, bei der eine Magnetfeldführungsplatte vorgesehen ist, eine Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung umfasst sein, wobei die Messstruktur zwischen der Magnetfelderzeugungseinrichtung und der Sensoranordnung und der Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung verfahrbar ist. Die Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung kann ebenso wie die Magnetfeldführungsplatte dazu dienen, das Messmagnetfeld durch die Messstruktur hindurchzuführen und gezielt eine Führung des Messmagnetfelds und eine Einschränkung des Magnetfeldstreubereichs zu bewirken, so dass insbesondere im Umfeld von magnetfeldsensitiven Strukturen eine Abschirmung des Messmagnetfeldes und eine verbesserte Führung der Magnetfeldlinien erreicht werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann zwischen Sensoreinrichtung und Messstruktur eine Zwischenschicht mit einer magnetischen Suszeptibilität μ_r ≤ 100 zur Ausbildung eines definierten Abstands zwischen Polaustrittsfläche und Oberfläche der Messstruktur vorgesehen sein. In der Regel kann die Sensoranordnung berührend oder berührungslos über die Oberfläche der Messstruktur hinwegstreichen. Durch Anordnung einer Zwischenschicht, beispielsweise einem Kunststofffilm oder einer Kunststoffabdeckung mit einer relativ geringen magnetischen Suszeptibilität kann ein vordefinierbarer Abstand zwischen Sensoranordnung und Messstrukturoberfläche erreicht werden, so dass der Messabstand fixiert ist, und somit reproduzierbare Sensorwerte bei homogener Materialverteilung erreicht werden können. Dies erhöht die Genauigkeit bei der Detektion von Fehlstellen in der Messstruktur und schützt die Sensoreinrichtung vor mechanischer Beschädigung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Auswerteeinrichtung eine Speichereinheit und eine Vergleichseinheit umfassen, wobei die Speichereinheit zumindest einen Satz vordefinierbarer Signalwertverläufe zur Detektion einer Materialfehlerart und/oder einer Materialinhomogenitätsart speichern kann. Die Vergleichseinheit kann eingerichtet sein, auf Basis des vorgespeicherten Signalwertverlaufs und eines gemessenen Signalwertverlaufs eine Größe oder Art eines Materialfehlers und/oder einer Materialinhomogenität auszuwerten. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung durch ein "Teach-in" mit einer Messstruktur ohne Materialfehler, mit einer Messstruktur mit bekannten Oberflächenmaterialfehlern oder mit Tiefenmaterialfehlern Muster von Signalwertverläufen in den Speichereinheiten ablegen, so dass sehr einfach durch Vergleich mit vordefinierbaren Signalwertverläufen bestimmte Fehlerarten im Material der Messstruktur erkannt werden können. So können quantitative Signalwertverläufe mit vordefinierbaren Signalwertverläufen von Musterfehlerstrukturen verglichen werden, so dass eine Detektion von Art und Größe von Fehlern vereinfacht und beispielsweise eine Scangeschwindigkeit und Genauigkeit erhöht werden kann. Die Vergleichseinheit dient dazu, quantitative Signalwertverläufe mit bereits vorab gespeicherten Fehlerwertverläufen zu vergleichen, und die Größe und Art des Materialfehlers oder der Inhomogenität auszuwerten und anzuzeigen. Es können Toleranzschranken definiert werden, wobei Kennwertverläufe innerhalb der Toleranzschranken entsprechend den vorgespeicherten Musterverläufen zugeordnet werden können.
In einem nebengeordneten Aspekt der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur magnetischen Streuflussmessung vorgeschlagen, die zumindest eine Sensoranordnung nach einem der oben genannten Ausführungsformen umfasst, und einen verfahrbaren Strukturträger zur Aufnahme und zum Transport einer Messstruktur umfasst, mit der die Messstruktur relativ zur Sensoranordnung während der Messung transportiert werden kann. Die Sensorvorrichtung dient zur automatisierten Untersuchung von Messstrukturen, wobei dies erfordert, dass der Strukturträger die Messstruktur an der Sensoranordnung mit Magnetfelderzeugungseinrichtung vorbeiführt oder die Sensoranordnung an der Messstruktur vorbeigeführt wird. Hierzu kann die Messstruktur in einem Strukturträger aufgenommen, beispielsweise eingespannt, werden, um rotatorisch oder translatorisch an der Sensoranordnung vorbeigeführt zu werden.
In einer Weiterbildung der vorgenannten Sensorvorrichtung kann der Strukturträger relativ zur Sensoranordnung verdrehbar und/oder in zumindest zwei verschiedenen Richtungen verfahrbar sein, um eine Scanngröße, Scangeschwindigkeit, Ortsauflösung oder eine Messgenauigkeit zu erhöhen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können mehrere Sensoranordnungen in einer Arrayanordnung relativ zur Messstruktur angeordnet sein. Hierdurch kann ein großer Oberflächenbereich der Messstruktur untersucht werden, und die Ortsauflösung und damit die Genauigkeit eines Prüfscans verbessert werden. Durch Vergleich der Daten kann ein zweidimensionales Prüfbild erstellt werden, bei dem sowohl in der X- als auch in der Y-Achse eine Fehlerlokalisierung vorgenommen werden kann. Vorteilhaft bietet es sich an, zumindest einer Vielzahl von Sensoreinrichtungen der Sensoranordnungen eine gemeinsame Magnetfelderzeugungseinrichtung zuzuordnen, wobei das statische Messmagnetfeld H den Sensoreinrichtungen mittels magnetleitenden Elementen, beispielsweise einem Jochkamm zugeführt wird. Hierdurch können alle Sensoreinrichtungen von demselben Messmagnetfeld durchflutet werden, und es kann eine zentrale Magnetfelderzeugungseinrichtung für eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen eingesetzt werden.
Anschließend an das vorherige Ausführungsbeispiel können vorteilhafterweise mehrere Sensoranordnungen in einer geometrischen Form komplementär zur Oberfläche der Messstruktur, insbesondere konkav oder konvex gekrümmt oder in einem komplementären Krümmungsverlauf zu einer gekrümmten Oberfläche der Messstruktur angeordnet sein. So kann beispielsweise ein Umfangsbereich eines Rohres oder der vollständige Rohrumfang gleichzeitig entlang der Innenoder Außenoberfläche durch einen Sensorvorrichtung, in der mehrere Sensoranordnungen auf einer formkomplementär gekrümmten Kante eines Sensorträgers gleichabständig angeordnet sind, abgescannt werden. Es ist denkbar, beliebige komplexe Oberflächen einer zu untersuchenden Messstruktur durch eine Kante einer eine Mehrzahl von Sensoreinrichtungen tragenden Messträgeranordnung formkomplementär nachzubilden. Mit einem derart geometrisch an eine Messstruktur-Oberflächenform angepassten Prüfkopf lassen sich komplex geformte Messstrukturen mit hoher Genauigkeit und hoher Scanbreite und damit hoher Geschwindigkeit untersuchen.
Schließlich wird in einem weiteren nebengeordneten Aspekt eine Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der vorangegangenen Ausführungsbeispiele vorgeschlagen, um Materialdefektstellen, Risse oder Materialinhomogenitäten zu untersuchen oder eine Kristallstruktur in einer Messstruktur zu bestimmen, oder ein ferromagnetisches Kennzeichen, das durch eine Vormagnetisierung Weiss'scher Bezirke innerhalb einer Messstruktur eingebracht ist, auszulesen. Mit Hilfe der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung können tieferliegende Risse oder Materialdefektstellen mit hoher Auflösung gemessen werden, da durch die Magnetfeldsättigung innerhalb des Werkstoffs der Messstruktur auch tieferliegende Inhomogenitäten einen Streufluss an der Oberfläche im Bereich der Sensoreinrichtung erzeugt. Kristalline Werkstoffe der Messstruktur können untersucht und deren Homogenität oder Fehlstellen erkannt werden. Ein magnetisches Kennzeichen, d.h. unsichtbares magnetisches Wasserzeichen, das durch Vorausrichtung ferromagnetischer Bereiche im Inneren einer Messstruktur eingeprägt ist, kann mittels der Sensoranordnung ausgelesen werden, um beispielsweise Produkte fälschungssicher zu kennzeichnen oder berührungslos Produktinformationen auszulesen.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 perspektivisch eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung;
2 perspektivisch eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung;
3 perspektivisch zwei weitere Ausführungsformen einer Sensoranordnung;
4 Ausführungsformen von Gradientensensoranordnungen nach der Erfindung;
5 weitere Ausführungsformen von Gradientensensoranordnungen nach der Erfindung;
6 schematisch dargestellte weitere Ausführungsformen von Sensoranordnungen mit Eisenjochstruktur;
7 eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung mit Hall-Sensoreinrichtung;
8 typische Sensorwertverläufe bei der Detektion eines Materialfehlers;
9 Magnetfelddarstellungen von Streuflüssen bei der Detektion eines Risses einer Sensoranordnung;
10 Darstellung eines magnetischen Streuflusses bei der Detektion eines Risses einer weiteren Ausführungsform;
11 Blockdiagrammdarstellung einer Ausführungsform einer Sensoranordnung nach der Erfindung.
In den Figuren sind gleichartige Elemente mit gleichartigen Bezugszeichen beziffert.
In der 1 ist perspektivisch eine erste Ausführungsform 10 einer Sensoranordnung zur Bestimmung einer Streuflussmessung dargestellt. Die Sensoranordnung 10 umfasst einen Permanentmagneten 34 als Magnetfelderzeugungseinrichtung 40. Der Permanentmagnet 34 weist einen Nord- und einen Südpol 24a, 24b auf, wobei beide Pole 24a, 24b eine Magnetfluss-Austrittsfläche 22 umfassen. Das Messmagnetfeld H steht senkrecht auf der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 des Pol 24 und bildet den Magnetfluss Φ 18, und verläuft zunächst parallel zur Oberfläche 20 einer zu untersuchenden Messstruktur 14. Nach Austritt aus der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 wird der Magnetfluss Φ 18 in Richtung Oberfläche 20 der Messstruktur 14 abgelenkt. An der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 des Südpols 24a des Permanentmagneten 34 ist eine Sensoreinrichtung 16 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 16 auf der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 umfasst einen Sensorträger 32 als Chipträger, der einen Sensorchip 30 als GMR-Multilayersensor aufweist. Der GMR-Multilayersensor ist an einer Kante der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 angeordnet, so dass der austretende Magnetfluss Φ 18 durch den Sensorträger 32 und den Sensorchip 30 abknickend durchtreten und in die Oberfläche 20 der Messstruktur 14 eintreten. Ein auf der Oberfläche 20 befindlicher Riss 26 kann durch relatives Bewegen der Sensoranordnung 10 gegenüber der Messstrukturoberfläche 20 durch eine relative Veränderung des Sensorwertes des Sensorchips 30 erkannt werden. Hierzu wird die Sensoranordnung 10 auf der Oberfläche 20 der Messstruktur 14 in Richtung des angedeuteten Scanpfeils 28 bewegt. Die Musterverlauf einer Sensorwertveränderung kann beispielsweise an Mustermessstrukturen 14 aufgenommen werden, so dass bei einer realen Messstruktur 14 eine in Toleranzbereichen ähnlich verlaufende Sensorwertveränderungen mit den durch die Testmessstrukturen verursachten Sensorwertveränderungen verglichen werden können, um auf die Art und die Größe des Risses 26 oder der Materialinhomogenität zu schließen.
In der 2 ist entsprechend zur 1 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung dargestellt. Der Aufbau der Sensoranordnung 10 entspricht dabei dem in der 1 dargestellten Beispiel. Als Messstruktur 14 ist ein 3-dimensionale Struktur dargestellt, beispielsweise ein Druckkopf zum Drucken von magnetisierbaren Partikeln, dessen einzelne ferromagnetische Mikrostrukturen 42 auf Oberflächenrisse 26 und Materialinhomogenitäten zu untersuchen sind. Die Sensoranordnung 10 kann gegenüber den Oberflächen 20 der Mikrostrukturen 42 verfahren werden, um Qualität der Werkstoffverteilung der Mikrostrukturen 42 zu bestimmen. Derartige Mikrostrukturen 42 werden beispielsweise mit Hilfe lithografischer Verfahren hergestellt. In den 3a und 3b sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich an dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel orientieren. Die Sensoranordnung 50 umfasst einen Permanentmagneten 40, dessen Nord- und Südpol 24a, 24b derart ausgerichtet sind, dass die Magnetfluss-Austrittsfläche 22 parallel zur Oberfläche 20 der Messstruktur 14 steht. Hierdurch wird der Magnetfluss Φ 18 und damit das Messmagnetfeld H des Permanentmagneten 40 senkrecht zur Oberfläche 20 der Mikrostrukturen 42 ausgerichtet. Auf der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 ist eine Sensoranordnung 16 angeordnet, wobei der Sensorträger 32 rechtwinklig auf der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 angeordnet ist, und der Sensorchip 30 somit ebenfalls rechtwinklig zur Ausrichtung der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist insbesondere zur Inspektion von tiefer liegenden Rissen und Inhomogenitäten innerhalb des Werkstoffs der Mikrostrukturen 42 geeignet.
In der 3a ist eine zusätzliche Magnetfeldführungsplatte 44 dargestellt, die unterhalb der Messstruktur 14 angeordnet ist. Die Magnetfeldführungsplatte 44 ist aus einem hochpermeablen Material, beispielsweise Eisen oder Nickeleisen, das durchdringende Magnetfelder bündeln und ableiten kann. Es können Streufelder im Umfeld der Sensoranordnung 10 minimiert werden. Des Weiteren wird der Magnetfluss Φ 18 zum Durchdringen durch die Messstruktur 14 fokussiert, so dass das tiefe Innere der Mikrostruktur 42 untersucht werden kann.
In der 3b ist im Gegensatz zur 3a keine Magnetfeldführungsplatte 44, sondern eine Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung 46 unterhalb der Messstruktur 14 angeordnet. Die Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung 46 umfasst wiederum einen Permanentmagneten 34, dessen Magnetisierungsrichtung gleichsinnig zur Magnetflussrichtung 18 der Magnetfelderzeugungseinrichtung 40 ausgerichtet ist. Hierdurch wird der Magnetfluss Φ 18 zur Durchdringung der Messstruktur 14 verstärkt, so dass tiefer liegende Fehlstellen und Inhomogenitäten innerhalb der Mikrostrukturen 42 untersucht werden können. Die Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung 46 und die Magnetfeldführungsplatte 44 können bei Bedarf kombiniert werden, vorzugsweise indem eine Magnetfeldführungsplatte 44 unter einer Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung 46 positioniert wird.
In den 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Gradientensensoranordnungen 70 dargestellt. In den 4a bis 4c sind Sensorgradientenausführungsformen dargestellt, die jeweils einen Permanentmagneten 34 als Magnetfelderzeugungseinrichtung 40 aufweisen, bei denen ein Sensorträger 32 auf einer rechtwinklig zur Oberfläche 20 einer Messstruktur ausgerichteten Magnetfluss-Austrittsfläche 22 des Permanentmagneten 34 angeordnet ist.
Wie in 4a dargestellt ist, umfasst die Sensoreinrichtung 16 einen Sensorträger 32, auf dem zwei Sensorelemente 30a, 30b in verschiedenen Höhen gegenüber der Oberfläche 20 einer Messstruktur 14 angeordnet sind. In der 4b sind ebenfalls zwei Sensorelemente 30a, 30b auf dem Sensorträger 32 angeordnet, die nicht in verschiedenen Höhen, sondern in verschiedenen Abständen voneinander entlang einer Kante der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 der Magnetfelderzeugungseinrichtung 40 angeordnet sind. 4c entspricht einer Kombination der in 4a und 4b dargestellten Sensoreinrichtungen 16, so dass vier einzelne Sensorchips 30a bis 30d in verschiedenen Höhen und verschiedenen Abständen voneinander eine Oberfläche 20 einer Messstruktur 14 abtasten können. Eine Vielzahl derartiger Sensorelemente 30a, 30b kann dazu genutzt werden, eine hohe räumliche Auflösungstiefe zu erzeugen und eine Gradientenmessung zu ermöglichen, so dass genaue Abmessungen und Größen von Fehlstellen oder Inhomogenitäten gemessen werden können und Störfelder unterdrückt werden können.
In der 5a und 5b sind weitere Ausführungsformen von Gradientensensoranordnungen 80 dargestellt. Im Gegensatz zu der in 4 dargestellten Ausführungsform sind zwei Sensoranordnungen 16a, 16b auf verschiedenen Polflächen 22a, 22b einer einzelnen Magnetfelderzeugungseinrichtung 40, wie in 5a dargestellt, angeordnet. In der 5b umfasst die Sensoranordnung 80 zwei Magnetfelderzeugungseinrichtungen 40a, 40b, wobei zwei Sensoreinrichtungen 16a, 16b jeweils auf einer gegensinnig polarisierten Polaustrittsfläche 22 der jeweiligen Magnetfelderzeugungseinrichtung 40a, 40b angeordnet sind. Hierdurch können insbesondere große räumliche Abstände auf einer Oberfläche 20 einer Messstruktur 14 untersucht werden. Des Weiteren wird eine Redundanz durch die Messung des Streumagnetflusses durch zwei gleichartige Sensoreinrichtungen 16a, 16b erzeugt. Drittens kann durch eine Kombination der in 4 und 5 dargestellten Gradientensensoren eine multiple Gradientensensoranordnung geschaffen werden, bei der sowohl verschiedene Höhen sowie verschiedene Breiten- und Längenabstände differentiell untersucht werden können.
In der 6 sind verschiedene Ausführungsformen einer Gradientensensoranordnung 90 dargestellt. Die Gradientensensoranordnung 90 umfasst ein Magnetfluss-Führungsjoch 38 mit der der Magnetfluss Φ 18 einer Magnetfelderzeugungseinrichtung 40, die, wie in 6a dargestellt, eine Stromspule 36 sein kann, oder, wie in 6b dargestellt, ein Permanentmagnet 34 mit Polen 24a, 24b sein kann, geführt werden. In der 6c wird der Magnetfluss Φ 18 von einer stromgeschlossenen Spule 36 erzeugt. Das Magnetfeld-Führungsjoch führt den magnetischen Fluss durch die Nord- und Südpolaustrittsflächen 22a, 22b, wobei entweder auf der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 unmittelbar eine Sensoranordnung 16a und 16b angeordnet sein kann, wie dies 6c darstellt. In den Varianten in den 6a und 6b ist die Sensoreinrichtung 16a und 16b jeweils an Seitenflächen 48a und 48b, die den Magnetfluss-Austrittsflächen 22 benachbart sind, angeordnet. Bei hohen Messmagnetfeldern H, bei denen eine Sättigung des Materials in Nähe der Magnetfluss-Austrittsflächen 22 in der Messstruktur 14 auftritt, fließt der magnetische Fluss Φ 18 auch über die umliegenden Seitenflächen der Magnetfluss-Austrittsflächen 22 in Richtung Messstruktur, wobei Fehlstellen und Inhomogenitäten eine hohe Veränderung dieses des Magnetflusses Φ 18 hervorrufen, und an den Seitenflächen 48 Streuflussveränderungen gut erfasst werden können. Dadurch, dass unmittelbar die Magnetfluss-Austrittsflächen 22 auf der Oberfläche 20 der Messstruktur 14 angrenzen, können hohe Eindringtiefen und eine entsprechend gute Sättigung der Messstruktur 14 erreicht werden.
In der 7 ist eine Ausführungsform einer Sensoranordnung 60 dargestellt, die eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 40 als Permanentmagneten 34 aufweist. Die Magnetfluss-Austrittsfläche 22 des Südpols 24a des Permanentmagneten 34 ist in Richtung einer Oberfläche 20 einer Messstruktur 14 ausgerichtet. Der Magnetfluss Φ 18 durchdringt eine Sensoreinrichtung 16, die einen Chipträger 32 und einen darauf befindlichen Chip 30 umfasst, deren Ebene parallel zur Oberfläche 20 einer Messstruktur 14 ausgerichtet ist. Der Sensorchip 30 ist vorzugsweise ein Hall-Sensor, der orthogonal zu seiner Chipoberfläche magnetfeldsensitiv ist.
In den 8a und 8b sind typische Signalverläufe einer Sensoranordnung 10 bzw. einer Gradientensensoranordnung 70 (8b) dargestellt, die beim Überfahren eines Risses oder einer Materialinhomogenität einer Messstruktur auftreten. In der 8a ist eine Sensorwertveränderung einer Sensoranordnung 10 mit einer Sensoreinrichtung 16 dargestellt. In der 8b ist ein Verlauf einer Gradientensensoranordnung 70 gezeigt.
In der 9 ist ein Messfelderzeugungseinrichtung mit erzeugtem Magnetfluss Φ 18 und eine Magnetflussverteilung 54 bei der Untersuchung einer Messstruktur 14 dargestellt, die durch einen Oberflächenriss 26 gestreut wird. Die Messanordnung 10 umfasst einen Permanentmagneten 34 als Magnetfelderzeugungseinrichtung 40, auf dessen senkrecht zur Oberfläche 20 der Messstruktur 14 ausgerichteten Magnetfluss-Austrittsfläche 22 eine Sensoranordnung 16 angeordnet ist. Die Sensoranordnung 16 wird von links nach rechts relativ zur Messstruktur 14 bewegt. Im oberen linken Teilbild der 9b ist die magnetische Flussverteilung 54 in der Messstruktur 14 dargestellt. Bei Annäherung an einen Riss 26 wird deutlich, dass der Magnetfluss 54 abgelenkt wird, wobei diese Änderung des Magnetflusses 54 durch die Sensoranordnung 16 auf der Magnetfluss-Austrittsfläche 22 detektiert werden kann.
In der 10 ist eine ähnliche Darstellung wie in 9 zur Detektion eines Risses 26 in einer Messstruktur 14 dargestellt. Die verwendete Messanordnung 50 umfasst ebenfalls einen Permanentmagneten 34 als Magnetfelderzeugungseinrichtung 40, dessen Magnetfluss-Austrittsfläche 22 parallel zur Oberfläche 20 der Messstruktur 14 ausgerichtet ist. Rechtwinklig zur Magnetfluss-Austrittsfläche 22 ist eine Sensoranordnung 16 angebracht, die unmittelbar im Magnetfluss Φ 18 liegt. Bei Überfahren eines Risses 26 wird die magnetische Flussverteilung 54 gestreut, wie in der 10b in drei verschiedenen Positionen der Sensoranordnung 50 zum Riss 26 dargestellt, von der Sensoreinrichtung 16 im Verlauf einer Bewegung in Scanrichtung 28 detektiert werden kann.
In der 11 ist in einem Blockdiagramm ein Ausführungsbeispiel 10 einer Sensoranordnung dargestellt. Die Sensoranordnung 10 umfasst eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 40, durch die ein Magnetfluss Φ 18 in die mit einem Pfeil dargestellten Richtung durch eine Sensoranordnung 16 geführt wird. Die Sensoranordnung 16 ist an einer Magnetfluss-Austrittsfläche 22 der Magnetfelderzeugungseinrichtung 40 angeordnet. Die Sensoreinrichtung 16 umfasst einen Sensorchip 30, der auf einem Sensorträger 32 angeordnet ist. Der Sensorchip 32 ist mit einer Auswerteeinrichtung 56 elektrisch verbunden, wobei die Auswerteeinrichtung 56 einen Sensorwert, der von dem Sensorchip 32 erzeugt wird, auswerten kann. Hierzu ist die Auswerteeinrichtung 56 eingerichtet, eine Vielzahl von Sensorwerten auszuwerten, die an unterschiedlichen räumlichen Stellen bei einer relativen Verschiebung des Sensorchips 32 gegenüber einer Messstruktur 14 in Scanrichtung 28 durch eine Magnetflussänderung aufgenommen werden. Die Auswerteeinrichtung 56 umfasst eine Vergleichseinheit 64, an der mehrere Speichereinheiten 58a, 58b und 58c angeschlossen sind. Der quantitative Verlauf eines Sensorwerts des Sensorchips 32 kann mit vorgespeicherten Sensorwertverläufen in den Speichereinheiten 58a, 58b und 58c verglichen werden. So kann beispielsweise die Speichereinheit 58a einen Sensorwertverlauf speichern, der auf eine tief liegende Fehlstelle, Gefügeversatz oder einen tief liegenden Riss hinweist. Der Sensorwertverlauf, der in Speichereinheit 58b gespeichert ist, kann einem Oberflächenrisswertverlauf entsprechen. Der Sensorwertverlauf in der Speichereinheit 58c kann auf Fehlstellen bei der Untersuchung einer Kristallstruktur oder eines Gefüges des Materials einer Messstruktur 14 verglichen werden. Die Auswerteeinheit 56 ist des Weiteren mit einer I/O-Einheit 72 verbunden, durch deren Eingabemittel 66 Messparameter, wie beispielsweise eine Messfeldstärke H oder ein gewünschter Sensitivitätsbereich eingestellt werden können, und durch deren Ausgabemittel 68 ein Messergebnisses, beispielsweise eine Anzeige, ein Drucker oder ein Speichermedium wie z.B. Anzahl und Art von erkannten Fehlern ausgegeben und protokolliert werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Sensoranordnung
12: Streufluss
14: Messstruktur
16: Sensoreinrichtung
18: Magnetfluss Φ / Magnetisierungsrichtung
20: Streuflussdurchsetzte Oberfläche der Messstruktur
22: Messmagnetfeld-Austrittsfläche
24: Magnetpol
26: Riss, Defekt
28: Scanrichtung
30: Sensorchip
32: Sensorträger
34: Permanentmagnet
36: Magnetspule
38: Magnetfeld-Führungsjoch
40: Magnetfelderzeugungseinrichtung
42: Ferromagnetische Mikrostrukturen
44: Magnetfeldführungsplatte
46: Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung
48: Seitenfläche einer Polaustrittsfläche
50: Sensoranordnung
52: Sensoreinrichtung
54: Streumagnetfeld
56: Auswerteeinrichtung
58: Speichereinheit
60: Sensoranordnung
62: Magnetfelderzeugungseinrichtung
64: Vergleichseinheit
66: Eingabemittel
68: Ausgabemittel
70: Gradientensensoranordnung
72: I/O Einheit
74
76
78
80: Gradientensensoranordnung
90: Gradientensensoranordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008020194 A1 [0007]

Claims

Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) zur magnetischen Streuflussmessung in einer ferromagnetischen Messstruktur (14), umfassend eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) zur Erzeugung eines statischen Messmagnetfeldes H, eine Sensoreinrichtung (16), durch die ein Verlauf eines Magnetflusses Φ (18) und ein Verlauf eines durch Materialfehlstellen oder Inhomogenitäten der Messstruktur (14) erzeugten Streuflusses (54) in Richtung einer Oberfläche (20) der Messstruktur (14) durch Ausgabe zumindest eines Signalwertes detektierbar ist, und eine Auswerteeinrichtung (56) zur Auswertung eines Signalwertes der Sensoreinrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) unmittelbar an einer Magnetfluss-Austrittsfläche (22) der Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) angeordnet ist, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) eingerichtet ist, das Messmagnetfeld H in einer Größenordnung zu erzeugen, die ausreicht, eine magnetische Sättigung des Magnetflusses zumindest im Bereich der Oberfläche (20) der Messstruktur (14) zu bewirken und dass die Auswerteeinrichtung (56) eingerichtet ist, einen quantitativen Verlauf des Signalwertes mit zumindest einem vorspeicherbaren Signalwerteverlauf zur Detektion einer Materialfehlstelle oder Materialinhomogenität der Messstruktur (14) auszuwerten.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) einen Sensorträger (32) und einen auf diesem angeordneten Sensorchip (30) umfasst, wobei der Sensorträger (32) auf der Polaustrittsfläche (22) oder an einer die Polaustrittsfläche (22) begrenzenden Seitenfläche (48) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) zumindest einen Sensorchip (30) auf Basis eines GMR-Sensorchips (Giant-Magneto-Resistance-Chips), insbesondere eines GMR-Multilayersensorchips, umfasst, wobei der GMR-Sensorchip einen H50-Parameter für eine 50%-ige Gesamtwiderstandsänderung in einem Bereich der Flussdichte von 100 mT bis 400 mT, bevorzugt 200 mT bis 280 mT, insbesondere 250 mT bis 280 mT des Magnetflusses durch den Sensorchip (30) aufweist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene des Sensorchips (30) senkrecht zur Oberfläche (20) der Messstruktur (14) ausgerichtet ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass die Sensoreinrichtung (16) einen Hall-Sensorchip als Sensorchip (30) umfasst, und die Ebene des Sensorchips (30) parallel zur Oberfläche (20) der Messstruktur (14) ausgerichtet ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) einen Permanentmagneten (34) mit zwei Magnetpolen (24a, 24b) umfasst, oder eine elektrische Magnetspule (36) umfasst, wobei die Magnetfluss-Austrittsfläche (22) zumindest an einem Magnetpol (24a, 24b) oder an einer Flussaustrittsfläche eines Magnetfeld-Führungsjochs (38) definiert ist.
Sensoranordnung (10, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfluss-Austrittsfläche (22) senkrecht zur Oberfläche (20) der Messstruktur (14) ausgerichtet ist.
Sensoranordnung (50) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfluss-Austrittsfläche (22) parallel zur Oberfläche (20) der Messstruktur (14) ausgerichtet ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) eingerichtet ist, den Magnetfluss Φ (18) zwischen Magnetfluss-Austrittsfläche (22) und Oberfläche (20) der Messstruktur (14) in einer Flussdichte von 50 mT bis 2 T, insbesondere 150 mT bis 700 mT, bevorzugt 200 mT bis 400 mT zu erzeugen, wobei bei Verwendung eines Permanentmagneten (34), vorteilhaft ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder ein Samarium-Cobalt-Magnet eingesetzt wird.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) eine Bias-Magnetfelderzeugungseinheit zur Erzeugung eines Biasmagnetfelds zur Anpassung der Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung (16) umfasst.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (16) eine Ortsauflösung der Magnetfeldänderungen von 50 μm oder weniger, bevorzugt 10 μm oder weniger und insbesondere 3 μm oder weniger aufweist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sensoreinrichtungen (16a, 16b) zur Ausbildung einer Gradientensensoranordnung (70, 80) umfasst sind.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetfeldführungsplatte (44) umfasst ist, wobei die Messstruktur (14) zwischen Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) mit Sensoreinrichtung (16) und Magnetfeldführungsplatte (40) zur Messung verfahrbar ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung (46) umfasst ist, die ein Zusatzmagnetfeld erzeugt, welches das Messmagnetfeld verstärkt, wobei die Messstruktur (14) zwischen Magnetfelderzeugungseinrichtung (40) mit Sensoreinrichtung (16) und der Zusatzmagnetfelderzeugungseinrichtung (46) verfahrbar ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sensoreinrichtung (16) und Messstruktur (14) eine Zwischenschicht mit einer magnetischen Suszeptibilität μ_r ≤ 100 zur Ausbildung eines definierten Abstands zwischen Polaustrittsfläche (22) und Oberfläche (20) der Messstruktur (14) vorgesehen ist.
Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (56) eine Speichereinheit (58) und eine Vergleichseinheit (64) umfasst, wobei die Speichereinheit (58) zumindest einen Satz vordefinierbarer Signalwerteverläufe zur Detektion einer Materialfehlerart und/oder einer Materialinhomogenitätsart speichern kann, und die Vergleichseinheit (64) eingerichtet ist, auf Basis des vorgespeicherten Signalwerteverlaufs und eines gemessenen Signalwerteverlaufs eine Größe eines Materialfehlers und/oder einer Materialinhomogenität auszuwerten.
Sensorvorrichtung zur magnetischen Streuflussmessung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung zumindest eine Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche und einen verfahrbaren Strukturträger zur Aufnahme und zum Transport einer Messstruktur (14) durch die Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) während einer Messung umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturträger relativ zur Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) verdrehbar und/oder in zumindest zwei verschiedene Richtungen verfahrbar ist, um eine Ortsauflösung und/oder Messgenauigkeit zu erhöhen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoranordnungen (10, 50, 60, 70, 80) in einer Arrayanordnung relativ zur Messstruktur (14) angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoranordnungen (10, 50, 60, 70, 80) in einer geometrischen Form komplementär zur Oberfläche (20) der Messstruktur (14), insbesondere konkav oder konvex gewölbt oder in einem komplementären Krümmungsverlauf zu einer gekrümmten Oberfläche (20) der Messstruktur (14) angeordnet sind.
Verwendung einer Sensoranordnung (10, 50, 60, 70, 80) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 16 zur Untersuchung von Materialdefektstellen, Rissen oder Materialinhomogenitäten, oder zur Bestimmung einer Kristallstruktur in der Messstruktur (14), oder zur Detektion eines ferromagnetischen Kennzeichens in der Messstruktur (14).