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Size adapted GMR arrays for the automated inspection of surface breaking cracks in roller bearings
(2014)
Their small size together with a remarkable field sensitivity are the most prominent features of present-day GMR sensors paving the way for various applications in automated non-destructive testing (NDT). This work presents a prototype for fast and automated magnetic testing of roller bearings. A local magnetization unit excites the magnetic field inside the bearing. As a result of a design study and the following wafer fabrication the probe was equipped with NDT-adapted GMR sensor arrays in which 48 elements measures the field response. The detection of artificial and 40 µm deep defects could be resolved with a SNR better than 20 dB. In addition, we report of first results of a POD (Probability of Detection) analysis using GMR sensors to investigate bearings with EDM (electronic discharge machining) notches having depths down to 10 µm. Finally, we estimate successfully the depth of a 57 µm notch from the measured data.
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.
At BAM, the Federal Institute for Materials Research and Testing, a group of scientists develops NDT-applications based on GMR sensor technology. In particular, the knowledge gained in the field of automated testing systems based on the magnetic flux leakage (MFL) were combined with GMR sensors to achieve high resolution testing of ferromagnetic materials.
In cooperation with Europe's second largest steel producer, Tata Steel Europe, BAM is working on solutions for the detection of small inhomogeneities in thin steel plates. The objective is to incorporate an automated testing facility in a production line.
Before setting up an automated testing system, a feasibility study was carried out in order to verify the ability of GMR-MFL-testing and eddy current testing (ET) for the detection of hidden defects in thin steel plates. For this purpose, Tata Steel Europe fabricated in a first step test samples of 0.2 mm thick steel plates in which defects of different depth (5 – 60 µm) were introduced. Only in case of GMR-MFL-testing, we were able to detect parts of the hidden defects trustworthily with a SNR better than 10 dB. The lift off between sensor and surface was 250 ìm. On this basis, we investigated different testing scenarios including velocity tests and different lift offs. The achieved results for this special testing problem were presented leading to a practical example for GMR-based testing and paving the way to an automated testing system in a production line.
Seit einigen Jahren beschäftigt sich eine Gruppe der BAM mit der Entwicklung angepasster GMR-Sensorik (giant magneto resistance, Riesenmagnetwiderstand) für spezielle ZfP-Probleme. Hierbei wurden reichhaltige Erfahrungen auf dem Gebiet der automatisierten Streuflussprüfung mit GMR-Sensoren gesammelt (DACH-Tagung 2012, Graz).
Die an der BAM gewonnenen Erkenntnisse veranlassten Europas zweitgrößten Stahlhersteller, Tata Steel Europe, mit der BAM eine Lösung für ein spezielles Prüfproblem zu finden. Ziel ist es, dünne Bleche im Fertigungsprozess auf kleinste Inhomogenitäten automatisiert zu prüfen.
In einem ersten Schritt wurden durch die Tata Steel Europe 0,2 Millimeter starke Testbleche hergestellt, in die Fehler von 5-60 Mikrometern Tiefe eingebracht wurden. Anschließend wurden von der BAM vergleichende Prüfungen mit Wirbelstrom und GMR-Streufluss durchgeführt. Nur mit letzterer Methode gelang es, einen Teil der verdeckten Testfehler sicher zu detektieren. In einem zweiten Schritt wurden verschiedene Untersuchungen zur Praxistauglichkeit der Sensorik (Prüfgeschwindigkeit; Sensorabstand etc.) durchgeführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen und ein möglicher Weg zum praktischen Einsatz der Sensorik werden vorgestellt.
We present a simulation study which pursues the objective to find probe geometries for a MR-based eddy current (EC) probe (MR magneto resistance, e.g., GMR giant magneto resistance, TMR tunnel magneto resistance). MR sensor technology exhibits two significant advantages compared with conventional coil systems. First, MR sensors are relatively frequency-independent within common EC-frequency ranges which enable us to operate them in hidden defects testing problems. Secondly, MR technology is well suited for miniaturization helping us to design small elements in the order of below 100 µm. In this paper simulation and experimental results obtained with the probes for low frequency application, i.e. for hidden defects detection are discussed.
Our simulations are based on two different approaches for a better validation, a commercial finite element method software (Opera, Vectorfields) and the semi-analytical software CIVA. We investigated both coil arrangement in order to excite sufficient high eddy currents inside the test samples and position of MR-elements at the array chip. In doing so the MR sensors were positioned that they are not exposed to excitation fields. In addition, different coil geometries, in particular coil length, e.g. Ι = 20 mm, were analyzed in order to generate a consistent eddy current distribution beneath an array of up to 32 MR-elements. To prove obtained probe principles we built GMR-EC-probes. The first test measurements are in good agreement with the simulations performed by BAM and CEA. On basis of our findings the IMAGIC consortium developed new MR-EC-probes using integrated ASIC technology.
BAM und TATA Steel untersuchen gemeinsam, ob sich die Prüfung von ferritischen Feinblechen mit einer Stärke von etwa 0,2 mm während der Fertigung durch den Einsatz von GMR-Sensorik verbessern lässt. Hierzu wurde eine Vorstudie an Feinblechen mit eingebrachten Mikronuten durchgeführt. Diese Nuten variieren in ihrer Tiefe zwischen 5 μm und 60 μm und wurden verdeckt mit ZfP-angepassten GMR-Sensorarrays geprüft. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten, dass bei verdeckter Prüfung schon kleinste Defekte mit einer Tiefe von 10 μm - gleichbedeutend mit einer Restwanddicke von 90 % – mit einem SNR > 6 dB detektiert werden konnten, wobei der Abstand der Prüfsonde zur Oberfläche bis zu 500 μm betrug. Zudem wurden in der Vorstudie Untersuchungen zur Prüfgeschwindigkeit und Praxistauglichkeit durchgeführt.
Basierend auf den hier gewonnenen Ergebnissen wird ein erster Demonstrator für eine zuverlässige Prüfung eines Teilbereiches von 50 mm des Feinbleches innerhalb einer Produktionslinie aufgebaut. Zum Einsatz kommen Prüfsonden mit jeweils 24 GMR-Sensorelementen. Hierbei wird das Ziel einer umfassenden Prüfung des Feinblechs über die gesamte Breite von 1200 mm angestrebt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Anzahl von mehr als 1000 Sensorelementen dar. Das hierfür entwickelte Prüfkonzept umfasst neben einer angepassten Erzeugung des Magnetfeldes die Entwicklung einer geeigneten schnellen und sicheren Elektronik für die neuen Mehrkanalprüfköpfe. Neben der Vorstellung des Prüfkonzeptes und seiner Eigenschaften vergleichen wir die erzielten Prüfergebnisse an verschiedenen Vergleichsfehlern mit denen der Vorstudie.
Hohe Empfindlichkeit und Ortsauflösung sowie eine kurze Prüfzeit
sind Anforderungen an ein leistungsfähiges Prüfsystem basierend auf magnetischen
ZfP-Verfahren für die Oberflächenprüfung. Dieses soll das sichere Auffinden feinster
Risse mit Tiefen von weniger als 50 Mikrometern gewährleisten.
Um eine gute Ortsauflösung zu gewährleisten, müssen in der Regel der Defektgröße
angepasste Sensoren zum Einsatz kommen. Speziell im Fall von
Risslängen kleiner als ein Millimeter sollten die Sonden für die Streuflussprüfung
ebenfalls Wirkbreiten kleiner als ein Millimeter aufweisen. Durch die daraus folgenden
geringen Spurbreiten ergeben sich allerdings lange Prüfzeiten. Der
begrenzten Prüfzeit und präzisionsbedingten mechanischen Grenzen in der Verfahr-
Geschwindigkeit einer Sonde kann mit einem Multikanalansatz begegnet werden.
Eine hohe Anzahl an Kanälen wiederum führt zu einem Platzproblem in der
Prüfsonde, schließlich erfordert die Verstärkung schwacher Signale im eine Reihe
von aktiven Bauelementen.
Der Schlüssel zur Auflösung dieses Konflikts ist der Einsatz moderner Schaltkreise
wie Multiplexer und FPGA. In diesem Beitrag stellen wir am Beispiel eines
48 kanaligen Testaufbaus für die GMR-basierte Streuflussprüfung ein flexibles miniaturisiertes
Elektronikkonzept vor. Dabei gehen wir auf die einzelnen
Komponenten zur Ansteuerung der Sensoren und zur Signalkonditionierung ein.
Wir berichten vom Design, Aufbau und der Charakterisierung des Multikanalmoduls
und seiner Erprobung im realen Prüfeinsatz.
Magneto-resistive (MR) sensor arrays are suited for high resolution eddy current testing (ET) of aerospace components due to two significant advantages compared to conventional coil systems. First, to obtain high spatial resolution they can be manufactured down to the µm-regime without losing their outstanding field sensitivity. Secondly, MR technology has a relatively frequency-independent sensitivity in the range of common ET-frequencies thus providing a benefit for low frequency applications.
This paper presents measurements using MR array probes consisting of 32 TMR-elements (tunnel magneto resistance), an ASIC, and subsequent readout components. A source for generating the eddy currents inside the material under test is also implemented onboard of the PCB. These probes were developed in the IMAGIC-project* for detection and imaging of surface breaking defects.
The performance of the new sensor system has been investigated for several mock-ups, Aluminum and Titanium plate specimens having small adjacent boreholes with diameter of 0.44 mm and micro notches in the µm-range, respectively. To compare our results we used conventional eddy current probes. The MR sensor elements have a length of around 60 µm leading to a nearly 'point like' measurement. Neighbouring boreholes (depth 0.25 mm) with a separation of 0.6 mm between their centres could be resolved with a good SNR, and more important, the boreholes could be confidently distinguished using the TMR-probes. In case of conventional probes a reliable separation was not possible. In this paper we present the MR-ET-probes of the IMAGIC consortium and a comparison with conventional techniques.
*The IMAGIC-project ('Integrated Magnetic imagery based on spIntronics Components', 2011 – 2014, project reference: 288381) was funded by the European Commission, Seventh Framework Programme. Further partners involved in the consortium beside BAM and CEA were INESC-ID and INESC-MN (Portugal), Sensitec GmbH (Germany), Tecnatom S.A. (Spain), and Airbus Group (France).