Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Messungen am Wirbelstromsensor

1. Messung der in der Messspule induzierten Spannung

Zur Durchführung von Messungen (bei der Verwendung einer Stahlprobe als Messobjekt) wurde die induzierte Spannung in der Messspule in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen. Der Messfrequenzbereich reichte von 100 kHz bis 10 MHz. Simulationen legten den Bereich zwischen 100 kHz und 100 MHz als sinnvoll fest [ISW05]. Die bei der Messung verwendete Frequenzquelle kann eine maximale Frequenz von 50 MHz erzeugen.

Um Rauschsignale und parasitäre Kapazitäten bei der Messung zu vermindern, wurden die Kontaktdrähte von Erreger- und Messspule um den magnetischen Ring gewickelt. Um Auswirkungen des Abstands auf die induzierte Spannung in der

Messspule zu vermeiden, wurde die Lage des Sensors vom Messobjekt konstant gehalten. Als Material für das Messobjekt wird nichtrostender Stahl gewählt (Eigenschaften siehe Tabelle 8.4).

Es werden zwei Messreihen durchgeführt. Bei der ersten Messreihe werden Sensoren ohne magnetischen Kern vermessen. Bei diesen Versuchen wird jeweils die in der Messspule induzierte Spannung abgelesen (Bild 8.10). Dabei wird das Messobjekt über dem Sensor positioniert und ein konstanter Abstand zwischen Sensor und Messobjekt eingestellt. Der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt beträgt 100 µm (da bei diesem Abstand die Messwerte am deutlichsten ablesbar sind). Der Frequenzbereich reicht von 100 kHz bis 3 MHz.

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In der Messspule induzierte Spannung [mV]
12

10

8

6

4

2

0

2005 imt 5017-075
10 100 1.000 10.000

Frequenz [kHz]

Bild 8.10: Induzierte Spannung in der Messspule in Abhängigkeit von der Frequenz bei den Sensoren ohne magnetischen Kern (Aufbauvariante 3), Abstand zum Messobjekt: 100 µm

In der zweiten Versuchsreihe erfolgt die Vermessung von Sensoren mit magnetischem Kern. Es wurde der gleiche Abstand zwischen Sensor und Messobjekt wie bei der ersten Versuchsreihe eingestellt. Das Messobjekt wird beibehalten. Der Frequenzbereich liegt zwischen 100 kHz und 30 MHz. Auch hier wird der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt während der Messung konstant gehalten (Bild 8.11).

In der Messspule induzierte Spannung [mV]
80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

1.000


10.000

Frequenz [kHz]


100.000

2005 imt 5017-076
Bild 8.11: Induzierte Spannung in der Messspule in Abhängigkeit von der Frequenz bei den Sensoren mit magnetischem Kern (Aufbauvariante 4), Abstand zum Messobjekt: 100 µm

Bei der Auswertung beider Versuchsreihen ist zu beobachten, dass die induzierte Spannung in der Messspule mit Erhöhung der Frequenz wächst. Beim Vergleich beider Messreihen kann man feststellen, dass die induzierte Spannung bei den Sensoren mit magnetischem Kern viel höher als bei den Sensoren ohne magnetischen Kern ist (Bild 8.12). Dieser Effekt ist durch bessere Fokussierung von Wirbelströmen im Messobjekt durch den Einsatz des magnetischen Kerns zu erklären.

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In der Messspule induzierte Spannung [mV]
²⁰ mit

magn.

₁₅ Kern

10
5
0

100
1.000

Frequenz [kHz]

10.000

2005 imt 5017-077
ohne magn. Kern

Bild 8.12: Vergleich der induzierten Spannung von Sensoren mit und ohne magnetischen Kern (Aufbauvariante 3 und 4), Abstand zum Messobjekt: 100 µm

Aus den Messergebnissen kann man ablesen, dass sich die induzierten Spannungen in der Messspule beim Sensor ohne magnetischen Kern konstant erhöhen. Beim Sensor mit magnetischem Kern können drei Bereiche unterschieden werden. Der erste Bereich liegt zwischen 100 kHz und 1 MHz. In diesem Bereich erhöhen sich die induzierten Spannungen sehr langsam von 2,7 auf 7,1 mV. Bei weiterer Frequenzerhöhung wachsen die Spannungen schneller an und liegen im Frequenzbereich von 1 bis 2 MHz zwischen 7,1 und 15,5 mV. Im dritten Bereich zwischen 2 und 3 MHz nimmt die Spannungerhöhung wieder ab und liegt bei 5,8 mV.

2.