用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法

用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法
【专利说明】用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方 法
[0001] 背景和现有技术 本发明涉及用于探测导电材料中的异常的微分传感器、检验系统和方法。
[0002] 如今对原料中的异常进行无损探测很重要。异常例如能够是缺陷、例如裂缝、杂质 或者其他的材料异质性，例如电导率的局部不均匀性。对具有高负载-质量比率的材料的 大的需求要求特别高的材料品质。为了节约成本并且确定每个生产件的质量，已越来越多 地将无损方法用于探测和定位缺陷以及用于确定材料参数。因为金属原料对工业而言扮演 特殊的角色，所以导电材料的无损检查是研宄、开发和应用的主题。
[0003] 当今，在无损材料检验（non-destructivetesting,NDT)的情况下，根据检验物 类型和待检查材料的所寻求特性，使用多种不同的方法。根据T.Aastroem在17thWorld ConferenceonNondestructiveTesting, 2008 的文章"FromFifteentoTwoHundred NDTMethodsinFiftyYears"，由现有技术已知多于200种方法用于无损原料检验。
[0004] 特别是电磁方法已被证明对于探测导电材料中的异常是有效的。然而被提供以供 使用的方法部分地在分辨率、穿入深度和行进时间和/或检验速度方面是受限制的。而识 别此类的缺陷的概率也应该还要提高。
[0005] 采用尺寸更大或更小的（mehroderminder)传感器阵列的传感器的布置能够借 助于相应算法实现对缺陷的重构。然而，这样的布置以传感器的紧凑构造方式为前提。
[0006] 在多个应用领域中，祸流检验（eddycurrenttesting,ECT)已被证明在检验导 电材料时是有效的，例如在对用于产生金属和加工金属的工业的半成品的自动化无损检验 的情况下，以便针对汽车和飞机或在设备制造中执行对安全性相关和功能关键的构件的检 验。
[0007] 利用线圈构造的常规涡流传感器包括一个或多个场线圈（或激励线圈)，所述线圈 连接到交流电压源以便执行检验并且接着能够产生电磁交变场(初级场)，所述电磁交变场 在检验时穿入检验材料并且主要在检验材料的靠近表面的层中产生涡流，所述涡流通过互 感反作用于涡流探测器的一个或多个测量线圈(和/或接收线圈)。被检验区域中的缺陷 (例如裂缝、杂质或者其他的材料异质性）干扰涡流在检验材料中的扩散并因此改变涡流强 度以及由此还改变反作用于测量线圈的次级磁场的强度。测量线圈中由此引起的电特性、 例如阻抗的变化导致以电压变化形式的电测量信号，所述测量信号能够借助于评估设备评 估，以便于识别和特征化缺陷。涡流传感器也能够针对检验目的或测量目的、例如在测量电 导率或者磁导率时在无缺陷材料处使用。
[0008] 涡流检验允许以高灵敏度和位置分辨率来对靠近表面的缺陷进行检验。尤其是应 用所谓的"motioninducedremotefieldeddycurrenttesting"(其由Sun,Y. ,Udpa, S.，Lord,W.,Udpa,L?和Ouyang,T?在AIPConf.Proc. 557 (2001)第 1541-1548 页 的文章"ApplicationofMotionInducedRemote-FieldEddyCurrentEffecttoOnline InspectionandQualityExaminationofRollingMetallicStrips''中描述）不出在高 检验速度时的高位置分辨率。
[0009] 例 如Mook，G. ,Michel,F.和Simonin,J.在 StrojniSkivestnik-JournalofMechanicalEngineering57 (2011) 3,第 227-236 页中的文章"ElectromagneticImagingUsingProbeArrays"中描述的提供图像的 (bi1dgebend)方法也示出相对于待检查材料中的异常的高灵敏度。
[0010] 将磁交变场用于产生穿入检验物材料的磁初级场具有的缺点是到待检查材料中 频率限制的穿入深度。因此当深度超过穿入深度的三倍时，位于较深处的异常和沟状异 常的深度通常不能足够好地被确定(参见Mook，G.，Hesse, 0. &Uchanin，V.在：9th EuropeanConferenceonNon-Destructive-Testing, 2006 中的文章"DeepPenetrating eddycurrentsandProbes")。已观察到，然而，大约对应于穿入深度的深度中的异常也已 经能够使这种类型的传感器系统遇到问题。所使用传感器系统的位置分辨率与频率相关的 穿入深度相对应。如果人们想要探测位于深处的异常，那么需要较低的频率。因此只有较 低的检验速度是可能的，由此提高检查对象通过传感器系统的行进时间。
[0011] 存在其中描述用于探测缺陷的方法和传感器的大量文件，其中在传感器和待检查 原料之间实现相对移动。
[0012]Sun,Y.，Kang,Y?和Quio,C?在：NDT&EInternational44 (2011)的 1 至 7页的文章"AnewNDTmethodbasedonpermanentmagneticfieldperturbation"描 述用于借助于磁通泄漏检验来检验铁磁材料的无损方法。垂直于待检验组件表面取向的永 磁体被接收线圈围绕。因而，当磁体在该垂直的取向上、以与表面的定义间距沿着检验物表 面被引导时，能够观察到所谓的PMFP效应(永磁场扰动效应)。该方法应该有如下能力：能 够以足够的灵敏度探测铁磁材料中不同定向的缺陷。
[0013] 专利US7023205B1描述一种涡流传感器，所述涡流传感器有能力穿过导电障碍 物探测导电构件。传感器包括被线圈围绕的永磁体。涡流传感器能够装配在壳体外侧处用 于涡轮机或者其他具有旋转组件的机器，以便于穿过壳体测量沿着壳体内侧移动的导电组 件、例如涡轮机叶片的特性。
[0014] W0 00/58695中介绍用来测量金属对象的参数的方法，在该方法中求得作用于金 属对象上的力。在此金属对象不仅理解为金属流体而且理解为有限尺寸的金属固体。
[0015] 专利US6002251中介绍用于借助于涡流传感器来测量"远场"（remotefield)的 传感器布置，其中实现激励线圈和接收线圈的局部分离以及激励系统的磁屏蔽。
[0016] W0 2007/053519A2描述借助于制动力对缺陷的探测，当磁体相对于测试对象移 动时，该制动力作用于该磁体上。
[0017] 近几年在伊尔梅瑙工业大学开发了新型非接触无损的材料检验方法，该方法以名 称"洛伦兹力-祸流检验"（LorentzForceEddyCurrentTesting,LET)已知。基本原理 例如在Brauer,H. ,Ziolkowski,M?在：SerbianJournalofElectricalEngineering 2008, 5,第 11 - 20 页中的文章"EddyCurrentTestingofMetallicSheetswith DefectsUsingForceMeasurements"中描述。如果金属检验物和永磁体被相互置于相对 移动中时，那么在检验物中感应涡流，这些涡流又引起洛伦兹力，该洛伦兹力造成磁系统处 相应的反作用力。例如通过裂缝或者其他缺陷引起的检验物材料导电率的不均匀性在此在 洛伦兹力的变化中被示出，该变化能够借助于磁系统处的力传感器证实。洛伦兹力-涡流 检验使得借助对作用于磁系统上的洛伦兹力的测量来探测位置较深处的缺陷成为可能。
[0018] DE102011056650A1描述用于基于洛伦兹力-涡流检验来确定原料电导率的方法 和布置。在此充分利用了洛伦兹力包括在不同方向上的多个力作用。测量第一力作用和在 其他方向上起作用的第二力作用并且通过彼此间构造商来计算出所属量度。此外，也能够 将该方法用来定位原料中的异质性。
[0019] 尽管有大量各种现有的、用来无损原料检验的传感器系统，然而继续存在对如下 传感器和传感器系统的需求，所述传感器和传感器系统允许以高灵敏度可靠地探测异常。 尤其是，以高检验速度探测待检查材料中位于较深处的异常继续呈现未以令人满意的方式 解决的问题。
[0020] 任务和解决方案 本发明的任务是