Fertigung und Erprobung eines Mikro-Wirbelstromsensors zur Abstandsmessung

Erkennung von Oberflächenfehlern bei Cu- und Stahl Messobjekten

Obwohl der Wirbelstromsensor für Abstandsmessung eingesetzt wurde, soll seine Eignung zur Erkennung von Werkstoffdefekten hier untersucht werden. Für die Erkennung von Oberflächenfehlern mit dem Wirbelstromsensor wurden zwei Messobjekte ausgewählt.

Die Größe der Messobjekte betrug ca. 5 x 10 mm. Auf der Oberfläche jedes Messobjektes wurde mit Hilfe eines Diamantstiftes ein Kratzer erzeugt. Größe und Profil dieses Fehlers wurde mit dem Tastschnittgerät mehrmals vermessen und ausgewertet. Bild 8.25 zeigt Profile der Fehler a) Kupfer und b) Stahl.

1. 
   Kupfer
   

2. 
   
   2005 imt 5017-091
   Stahl
   

Bild 8.25: Fehlerprofil
Materialfehler Messobjekt

Messobjekt

Sensor

Sensor

2005 imt 5017-092

a) Null-Position b) Messweg

Bild 8.26: Messwegeinstellung

Induzierte Spannung in der Messspule [mV]
3,8

3,7

3,6

3,5

3,4

3,3


2005 imt 5017-093
3,2

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Abstand [mm]

Bild 8.27: Fehlersuche beim Messobjekt aus Kupfer

Bei der Deklaration von Oberflächenfehlern mit dem Wirbelstromsensor wird die in der Messspule induzierte Spannung gemessen. Um diese Messungen durchzuführen, werden Messobjekt und Sensor so positioniert, dass sich die Fehlerstelle des Messobjektes gegenüber der Mitte des Sensors befindet. Der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt wird auf 50 µm eingestellt. Die Arbeitsfrequenz beträgt 500 kHz. Die Probe bewegt sich während der Messung. Der Messweg wird auf 2 mm eingestellt, so dass die Fehlerstelle in der Mitte des Messweges liegt (Bild 8.26). Bild 8.27 präsentiert die Messergebnisse der Messung mit dem Kupfermessobjekt. Im Bild kann man erkennen, dass sich die in der Messspule induzierte Spannung an der Fehlstelle erhöht und die Position des Fehlers anzeigt.

2,9

Induzierte Spannungen in der Messspule [mV]
2,85
2,8
2,75
2,7
2,65

2,6

2005 imt 5017-094
0 1 2 3 4
Abstand [mm]

Bild 8.28: Fehlermessung beim Messobjekt aus Stahl

Das gleiche Ergebnis wird auch bei der Messung mit dem Stahlmessobjekt beobachtet. Im Gegensatz zum Kupfermessobjekt sinken die in der Messspule induzierten Spannungen und bestimmen die Lage des Fehlers (Bild 8.28). In beiden Fällen werden Messpunkte beobachtet, die nicht in das Messprofil passen. Beim Messobjekt aus Kupfer liegen diese bei ca. 3,33 mV und bei Stahl bei ca. 2,84 mV.

Wenn man beide Messungen an den Messobjekten aus Kupfer und Stahl vergleicht, stellt man fest, dass im Bereich des Fehlers die Messwerte in zwei Gruppen geteilt werden können. Die erste Gruppe erfasst die Werte, die bei der Messung erwartet werden, die zweite Gruppe beinhaltet die Messergebnisse, die bei der Messung als falsch erkannt werden können. Bei Kupfer sind es die Werte, die niedriger liegen als die Werte bei der Messung ohne Fehler. Bei Stahl sind es die höheren Werte im Vergleich zu der Messung ohne Fehler.

Um die Entstehung dieser Werte zu erklären, muss man den Messvorgang genauer betrachten. Bei diesen Messungen ist es nicht möglich, die Position des Sensors mikrometergenau festzulegen. Die Fehlerabmessung liegt zwischen 100 und 200 µm. Am Rand des Kratzers werden Materialerhöhungen vermessen, die bei der Fehlerherstellung entstanden und die fehlerhaften Messwerte produzierten. In diesem Fall wird der Sensor nicht genau über der Mitte des Fehlers positioniert, so dass die Materialerhöhungen am Rand gemessen werden. Da die Absolutwerte der Erhöhungen bei manchen Proben genauso groß sind wie die Risstiefe, wird bei dieser Messung nicht die Tiefe des Fehlers, sondern die Höhe des Randes gemessen.