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Eingeladener Vortrag
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Zunehmend werden hochpräzise Magnetfeldsensoren in der
Materialprüfung verwendet. Aus dem Zoo der Magnetfeldsensoren eignen sich
GMR-Sensoren (Giant Magneto Resistance) aufgrund ihrer hohen Feld-
Empfindlichkeit, ihrem hohen Signal-Rausch-Verhältnis sowie ihrer kleinen
Sensorflächen (verbunden mit einer hohen Ortsauflösung) hierfür im Besonderen.
Mit GMR-Sensoren wurden Risse untersucht und konnten mit einer Tiefe ≤ 50 µm
noch mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis aufgelöst werden. Die an
Prüfkörpern mit künstlich eingebrachten Defekten gemessenen Streufeldsignale
wurden anhand von analytischen Lösungen verifiziert. Anhand der analytischen
Lösungen wurden auch Defektparameter zu den aufgezeichneten Signalen
rekonstruiert.
GMR sensors are increasingly used for magnetic surface inspection due to their high
sensitivity and high spatial resolution. In case of simple planar or cylindrical shaped
components, the GMR-based inspection procedure can be automated easily. In order to
reduce the inspection time we present a GMR-based NDT-system consisting of a yoke
and a coil as a local magnetization unit. This way the global magnetization step and, if
necessary, the corresponding demagnetization cycle can be avoided reducing the
number of working steps. Using a local probe we measured plates, bearings, and rails,
each of which containing real fatigue cracks and reference artificial cracks of different
depths and orientations. Cracks with a depth of 40 ìm could be resolved with a signalto-
noise ratio of about 20. A reduction of the measuring time can be obtained using a
sensor array. We present an optimized sensor array for nondestructive testing
application, where gradiometric arranged GMR layers were fabricated on a board with
up to 48 GMR sensors. Each sensor detects the vertical field gradient. In our example
the baseline was chosen to be 250 ìm which efficiently suppress external background
fields without losing sensitivity for the detection of surface breaking defects.
We present a prototype for automated magnetic stray field testing of ferromagnetic roller bearings. For this purpose NDE-adapted GMR sensor arrays (giant magneto resistance) are used for the detection of surface breaking cracks. The sensors are miniaturized down to the lower µm-regime to achieve adequate spatial resolution. In doing so, sensor arrays with up to 48 elements are used to inspect the bearing surface within a few seconds only. In contrast to magnetic particle inspection (MPI), where the global magnetization requires a further inspection step and succeeding demagnetization, the presented prototype only locally magnetize the surface area in the vicinity of the GMR Sensors. For the local magnetization, the applied sub-surface magnetic field was simulated and proofed for detecting flaws with a depth of a few 10 µm. By multiplexing the sensor array with an adapted read out electronics we quasi simultaneously detect the normal field component of about 100µm above the surface. The detection of artificial notches with a depth of 40 µm and more could be resolved with a SNR better than 20 dB. The presented testing facility is fast and provides a step towards automated testing of safety relevant steel components.
GMR-Sensor Arrays ermöglichen eine örtlich hoch aufgelöste Messung magnetischer Streufeldamplituden an Stahlbauteilen, bei der abhängig von der Größe der zu prüfenden Oberfläche erhebliche Datenmengen erzeugt werden.
Eine automatische Detektion von Rissen kann anschließend mittels digitaler Bildverarbeitung erreicht werden, welche hauptsächlich auf einer Kantenerkennung basiert. Diese wurde anhand einer Magnetometer-Messung getestet, die an einem zylindersymmetrischem Bauteil mit funkenerosiv eingebrachten Rissen geringer Tiefe durchgeführt wurde. Die erzielte Selektion der Defekte wird für eine angestrebte Rekonstruktion der Defektgeometrie benötigt.
Eddy Current Technique is a powerful method for detection of surface notches and of buried flaws during inspection of metallic parts. Recent EC array probes have demonstrated a fast and efficient control of large surfaces. Nevertheless, when the size of flaws decreases or the defect is rather deep, traditional winding coil probes turn out to be useless. Magnetoresistive sensors present the advantages of flat frequency response and micron size. These sensors are hence very attractive for the detection of buried defects that require low frequencies because of skin depth effect. An optimization of the probe with magnetoresistive sensors as receivers has been made by simulations using CIVA software and finite elements methods with OPERA. EC probes for buried flaw detection have been designed. Experimental results have been compared with simulations.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Fast defect parameter estimation based on magnetic flux leakage measurements with GMR sensors
(2011)
We present a fast inverse scheme that is capable of simultaneously estimating the parameters depth, opening and length for rectangular 3D geometries of surface-breaking defects. The parameter estimation is realized by an iterative least-squares minimization using the trust-region reflective algorithm. A semi-analytic magnetic dipole model that allows the sensor characteristics to be incorporated is used for predicting the stray magnetic fields. Giant magneto-resistance (GMR) measurements were carried out on a test specimen that includes a series of artificial defects. For the estimation of the defect depths relative errors between 0.6% and 15.9% have been obtained. Due to its very low computational costs, the inverse scheme can suitably be employed in automated production environments.