DE102008027525B4

DE102008027525B4 - Eddy current probe

Info

Publication number: DE102008027525B4
Application number: DE102008027525.5A
Authority: DE
Inventors: Yi Jia; Susanne Hillmann; Henning Heuer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2028-06-04
Also published as: DE102008027525A1

Abstract

Wirbelstromsonde umfassend eine mit einer Spannungsquelle verbindbare Anregungsspule (1) zur Erzeugung eines Magnetfeldes am Ort eines zu vermessenden Objekts (O), eine Messspule (2), von der ein in ihr induziertes Spannungssignal abgreifbar ist und einen die Anregungsspule (1) und die Messspule (2) tragenden Spulenkörper (K), wobei die Anregungsspule (1) und die Messspule (2) einen gemeinsamen elektrischen Masseanschluss (3) aufweisen, und wobei die Anregungsspule (1) zumindest abschnittsweise als ebene erste Spirale (1a) und die Messspule (2) zumindest abschnittsweise als ebene zweite Spirale (2a) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spirale (1a) und die zweite Spirale (2a) auf einer Oberfläche des Substrats (6) des tragenden Spulenkörpers (K) angeordnet sind, dass die Windungen der ersten Spirale und diejenigen der zweiten Spirale versetzt zueinander und von einem gemeinsamen Spiralzentrum nach außen gesehen jeweils abwechselnd so verlaufen, dass die beiden Spiralen (1a, 2a) zwei ineinander geschachtelte, ineinander gewickelte und in einer Ebene (E) verlaufende konzentrische Spiralen in Form von einlaufender und auslaufender Spirale ausbilden, und dass die Breite der einzelnen Spiralwicklungen der beiden Spiralen (1a, 2a) in der Spiralebene von außen zum Spiralzentrum hin gesehen abnimmt und die Höhe der einzelnen Spiralwicklungen der beiden Spiralen (1a, 2a) senkrecht zur Spiralebene von außen zum Spiralzentrum hin gesehen zunimmt.Eddy current probe comprising an excitation coil (1) which can be connected to a voltage source for generating a magnetic field at the location of an object to be measured (O), a measuring coil (2) from which a voltage signal induced in it can be tapped off and one the excitation coil (1) and the measuring coil (2) supporting bobbin (K), wherein the excitation coil (1) and the measuring coil (2) have a common electrical ground terminal (3), and wherein the excitation coil (1) at least in sections as a planar first spiral (1a) and the measuring coil ( 2) is formed at least in sections as a planar second spiral (2a), characterized in that the first spiral (1a) and the second spiral (2a) on a surface of the substrate (6) of the supporting bobbin (K) are arranged, that the Windings of the first spiral and those of the second spiral offset from each other and seen from a common spiral center outwards each alternately so run that the two Sp 1a, 2a) form two concentric spirals in the form of incoming and outgoing spirals, which are nested one inside the other and wound in a plane (E), and that the width of the individual spiral windings of the two spirals (1a, 2a) in the spiral plane of decreases seen outside the spiral center out and increases the height of the individual spiral windings of the two spirals (1a, 2a) seen perpendicular to the spiral plane from the outside to the spiral center out.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelstromsonde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Wirbelstromprüfverfahren unter Einsatz einer solchen Wirbelstromsonde.The present invention relates to an eddy current probe according to the preamble of claim 1 and to an eddy current testing method using such eddy current probe.

Wirbelstromprüfsonden, wie die nachfolgend im Rahmen der Erfindung beschriebene werden generell beispielsweise zur Bestimmung von Materialeigenschaften, wie beispielsweise Eigenspannungen von Proben bzw. Objekten eingesetzt. Bei einer solchen Prüfung werden durch eine Spule (Anregungsspule), die ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, im zu untersuchenden, leitenden Material Wirbelströme induziert. Bei der Messung wird dann mittels der Wirbelstromsonde die Wirbelstromdichte durch das vom Wirbelstrom im Material erzeugte Magnetfeld detektiert, wobei zu der Messung dieses Magnetfeldes eine zweite Spule der Wirbelstromsonde, die Messspule, verwendet wird. Bei der Wirbelstromprüfung wird insbesondere ausgenutzt, dass beispielsweise Verunreinigungen oder Beschädigungen in einem elektrisch leitfähigen Material eine andere elektrische Leitfähigkeit oder eine andere Permeabilität als das eigentliche Material haben. Das Messsignal hängt insbesondere von den drei Parametern Leitfähigkeit des Materials, Permeabilität des Materials und Abstand zwischen Wirbelstromsonde und Materialoberfläche ab. Einsatzgebiete der Wirbelstromprüfung sind insbesondere Rissprüfungen oder Schichtdickenmessungen.Eddy current probes, such as those described below within the scope of the invention, are generally used, for example, for determining material properties, such as, for example, residual stresses of samples or objects. In such a test, eddy currents are induced by a coil (excitation coil) which generates an alternating magnetic field in the conductive material to be examined. During the measurement, the eddy current density is then detected by means of the eddy current probe by the magnetic field generated by the eddy current in the material, wherein a second coil of the eddy current probe, the measuring coil, is used for the measurement of this magnetic field. In the case of eddy current testing, particular use is made of the fact that, for example, impurities or damage in an electrically conductive material have a different electrical conductivity or a different permeability than the actual material. The measurement signal depends in particular on the three parameters conductivity of the material, permeability of the material and distance between eddy current probe and material surface. Fields of application of the eddy current test are in particular crack tests or layer thickness measurements.

Oberflächenbehandlungen, wie beispielsweise Kugelstrahlen, Lasereinstrahlen oder Polieren bei Komponenten mit niedriger Verformbarkeit werden in der industriellen Anwendung breit gefächert eingesetzt, z. B. zur Behandlung von Flugzeugkomponenten. Komponenten, die entsprechend Oberflächen-behandelt wurden, können durch bewusst eingebrachte oberflächennahe Eigenspannungen auf die Komponenten ausgeübte Zugbelastungen ausgleichen und damit die Lebensdauer solcher Komponenten deutlich verlängern. Die Bestimmung bzw. Vermessung solcher oberflächennaher Eigenspannungen ist somit von Bedeutung. Die Messung geschieht hierbei vor allen Dingen mit Wirbelstromsonden, insbesondere mit Hilfe von Wirbelstromsonden, die einen Luftkern aufweisen.Surface treatments such as shot blasting, laser blasting or polishing in low ductility components are widely used in industrial applications, e.g. B. for the treatment of aircraft components. Components that have been surface-treated in this way can compensate for tensile stresses exerted on the components by deliberately introducing near-surface residual stresses and thus significantly extend the service life of such components. The determination or measurement of such near-surface residual stresses is thus important. The measurement is done here above all with eddy current probes, in particular with the aid of eddy current probes, which have an air core.

Für die Ausbildung solcher Wirbelstrom-basierter Messsysteme ist der konkrete Aufbau der eingesetzten Wirbelstromsonde entscheidend. Insbesondere bei höheren Frequenzen beeinflusst dieser Aufbau das Verhalten und die Eigenschaften des Messsystems erheblich. Kritisch ist hierbei insbesondere, dass das Verhalten von Wirbelstromsonden mit Luftkern bei hohen Messfrequenzen ganz anders sein kann, wie das Verhalten bei tieferen Messfrequenzen. Hierbei beeinflussen insbesondere parasitäre Kapazitäten der Luftkern-Wirbelstromsonden wesentlich die Sensoreigenschaften, wie beispielsweise die Sensorempfindlichkeit, die durch teilweises oder ganzes Abheben des Sensors vom auszumessenden Objekt verursachten Unsicherheiten und die auftretenden Resonanzfrequenzen, Insbesondere haben Untersuchungen gezeigt, dass die unechten Selbst- und Streukapazitätseffekte eine genaue Messung von Wirbelstrom-induzierten Leitfähigkeitsänderungen bei Frequenzen von mehr als 25 MHz sehr schwierig machen, insbesondere da auch bereits das kleinste, nur teilweise Abheben der Sonde vom Objekt einen großen Einfluss hat.For the formation of such eddy current-based measuring systems, the specific structure of the eddy current probe used is crucial. Especially at higher frequencies, this design significantly affects the behavior and properties of the measurement system. In particular, it is critical here that the behavior of air core eddy current probes at high measurement frequencies can be quite different, such as behavior at lower measurement frequencies. In particular, parasitic capacitances of the air core eddy current probes significantly affect the sensor characteristics, such as the sensor sensitivity, the uncertainties caused by partially or completely lifting the sensor from the object to be measured, and the resonant frequencies that occur. In particular, studies have shown that the spurious self and stray capacitance effects are accurate Measurement of eddy current-induced conductivity changes at frequencies of more than 25 MHz make it very difficult, especially since even the smallest, only partial lifting of the probe from the object has a great influence.

Insbesondere die verteilten Streukapazitäten von Wirbelstromsonden mit Luftkern sind wesentliche Aspekte, die für die Entwicklung einer Wirbelstrom-basierten Eigenspannungsmesstechnik bei Frequenzen oberhalb von 25 MHz zu beachten sind. Die Höhe der Streukapazitäten hängt stark von der Windungsgeometrie und dem Vorhandensein von irgendwelchen leitenden Elementen oder Flächen ab.In particular, the distributed stray capacitances of eddy current probes with air core are essential aspects that must be considered for the development of an eddy current based intrinsic voltage measurement at frequencies above 25 MHz. The amount of stray capacitance depends strongly on the winding geometry and the presence of any conductive elements or areas.

So ist aus DE 34 10 547 A1 ein Prüfgerät bekannt, bei dem eine mehrphasige Erregung von Wirbelstromgebern eingesetzt wird.That's how it is DE 34 10 547 A1 a tester known in which a multi-phase excitation of eddy current sensors is used.

Aus DE 40 02 633 A1 ist ein Sensor bekannt, bei dem zur induktiven Detektion von Wirbelstrom- und Streufluß-Magnetfeldern eine Primärwechselfeld-Erzeugerspule und mehrere einzelne Sensoren eingesetzt werden.Out DE 40 02 633 A1 a sensor is known in which a primary alternating field generator coil and a plurality of individual sensors are used for the inductive detection of eddy current and stray flux magnetic fields.

Die EP 1 496 355 A1 betrifft eine Sonde für elektrische Messverfahren, insbesondere Wirbelstrommessungen, mit einem flexiblen Substrat.The EP 1 496 355 A1 relates to a probe for electrical measuring methods, in particular eddy current measurements, with a flexible substrate.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung unter Anwendung von Wirbelströmen mit einem Treiber, der eine Spule mit einer effektiven Spulenachse aufweist, die senkrecht zur effektiven Treiberspulenachse ausgerichtet ist, ist aus EP 0 924 516 A2 bekannt.An apparatus and method for nondestructive testing using eddy currents with a driver having a coil with an effective coil axis that is oriented perpendicular to the effective drive coil axis is out of order EP 0 924 516 A2 known.

Die US 4,042,876 A betrifft ein Prüfsystem für den Einsatz an statischen und dynamischen metallischen oder elektrisch leitenden Oberflächen, bei der die Änderung der Impedanz berücksichtigt wird.The US 4,042,876 A relates to a test system for use on static and dynamic metallic or electrically conductive surfaces, taking into account the change in impedance.

Ein flexibles Wirbelstrom-Prüfarray ist aus US 5,389,876 A und ein mehrschichtiges Wirbelstrom- Prüfarray ist aus US 5,659,248 A bekanntA flexible eddy current test array is off US 5,389,876 A and a multilayer eddy current test array is off US 5,659,248 A known

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, bekannte Wirbelstromsonden bezüglich ihrer Streukapazitätseigenschaften so zu verbessern, dass insbesondere auch genaue Messungen im Frequenzbereich oberhalb von etwa 25 MHz möglich sind.The object of the present invention is thus to improve known eddy current probes with respect to their stray capacitance properties in such a way that, in particular, accurate measurements in the frequency range above about 25 MHz are possible.

Diese Aufgabe wird durch eine Wirbelstromsonde gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Wirbelstromprüfverfahren, welches eine entsprechende Sonde einsetzt, gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich den jeweils abhängigen Ansprüchen entnehmen. This object is achieved by an eddy current probe according to claim 1 and by a Wirbelstromprüfverfahren which employs a corresponding probe, according to claim 12. Advantageous embodiments can be found in the respective dependent claims.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein beschrieben. Dieser Beschreibung schließen sich mehrere vorteilhafte Ausführungsbeispiele an, mit denen beschrieben wird, wie eine erfindungsgemäße Wirbelstromsonde realisiert sein kann. Die einzelnen erfindungsgemäßen Merkmale der speziellen Ausführungsbeispiele können jedoch im Rahmen der Erfindung nicht nur in einer Kombination, wie sie in diesen Ausführungsbeispielen gezeigt ist, auftreten, sondern auch im Rahmen der Erfindung in beliebigen anderen Kombinationen ausgebildet sein bzw. verwendet werden. Bei den nachfolgend beschriebenen speziellen Ausführungsbeispielen sind jeweils dieselben Merkmale bzw. sich entsprechende Merkmale mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.Hereinafter, the present invention will first be described generally. This description is followed by several advantageous embodiments, which describe how an eddy current probe according to the invention can be realized. The individual features according to the invention of the specific embodiments, however, can not only occur in the context of the invention in a combination as shown in these embodiments, but also be formed or used in the context of the invention in any other combinations. In the specific embodiments described below, the same features or corresponding features are denoted by identical reference numerals.

Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist es, die Anregungsspule und die Messspule der Wirbelstromsonde so auszugestalten bzw. elektrisch so zu kontaktieren, dass beide Spulen eine gemeinsame Masse bzw. einen gemeinsamen Masseanschluss aufweisen. Dies bewirkt, dass sich für beide Spulen der gleiche elektrische Referenzpunkt ergibt und dass Störungen (insbesondere Einkopplungsrauschen zwischen den beiden Spulen) reduziert werden. Darüber hinaus hat eine solche Ausbildung eines gemeinsamen Masseanschlusses zur Folge, dass anstelle von 4 elektrischen Anschlüssen für die beiden Spulen nur noch insgesamt 3 elektrische Anschlüsse für diese beiden Spulen notwendig sind. Es werden somit nur noch 3 statt 4 Anschlusspads benötigt.The basic idea of the present invention is to design or electrically contact the excitation coil and the measuring coil of the eddy current probe in such a way that both coils have a common ground or a common ground connection. This causes the same electrical reference point to be obtained for both coils and to reduce interference (in particular coupling noise between the two coils). In addition, such a design of a common ground connection means that instead of 4 electrical connections for the two coils only a total of 3 electrical connections for these two coils are necessary. Thus, only 3 instead of 4 connection pads are needed.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltungsvariante wird dieser gemeinsame Masseanschluss in Verbindung mit einer speziellen Spulenanordnung wie folgt realisiert: Die Messspule und die Anregungsspule werden in einer Ebene (bzw. auf einer gekrümmten Fläche) als 2 ineinander verschlungene bzw. ineinander geschachtelte Spiralen realisiert. Diese beiden Spiralen weisen somit ein gemeinsames Zentrum auf, in welchem die innerste Wicklung bzw. Windung der Spirale der Messspule elektrisch mit der innersten Windung der Anregungsspule verbunden ist. Am Ort dieser Verbindung wird dann die gemeinsame Masseverbindung bzw. der gemeinsame Masseanschluss der beiden Spulen realisiert. Die zweite elektrische Kontaktierung jeder dieser beiden Spulen wird dann am äußeren Umfang der jeweiligen Spulenspirale realisiert.In a particularly advantageous embodiment variant, this common ground connection is realized in conjunction with a special coil arrangement as follows: The measuring coil and the excitation coil are realized in a plane (or on a curved surface) as two intertwined or nested spirals. These two spirals thus have a common center, in which the innermost winding or turn of the spiral of the measuring coil is electrically connected to the innermost turn of the excitation coil. At the location of this connection then the common ground connection or the common ground terminal of the two coils is realized. The second electrical contacting of each of these two coils is then realized on the outer circumference of the respective coil spiral.

Erfindungsgemäß nimmt bei dieser Spiralanordnung der Anregungsspule und der Messspule die Höhe der einzelnen Wicklungen dieser Spulen hin zum Zentrum der Spiralen (bzw. zum Ort der Anordnung der gemeinsamen Masse) zu und gleichzeitig nimmt in diese Richtung die Breite der einzelnen Spiralwicklungen der beiden Spulen ab (unter Höhe wird hier die Ausdehnung der Spiralwicklungen senkrecht zu der Ebene bzw. zu der Fläche verstanden, in der bzw. auf der die beiden Spulen angeordnet sind; unter Breite wird die Ausdehnung der einzelnen Spiralwicklungen senkrecht dazu bzw. in der Ebene oder der Fläche verstanden). Dieses näherungsweise in Form eines flachen Kegels ausgebildete Spulendesign optimiert die Stromverteilung (in den beiden Spulen bzw. in der durch die gemeinsame Masseverbindung entstehenden Spule kommt es zu einer Veränderung der Stromverteilung zwischen den Windungen in der Spulenmitte und denen am Spulenrand) und verringert somit die Verluste in den Spulen bzw. der Spule, insbesondere die Energieverluste aufgrund einer uneinheitlichen Stromverteilung, ohne dass hierbei die Streukapazität erhöht werden würde. Wie beschrieben ist es hierbei besonders vorteilhaft, sowohl eine Verbreiterung der Spulenwicklungen nach außen, als auch gleichzeitig eine Verringerung der Höhe der Spulenwicklungen nach außen hin zu realisieren. Es ist jedoch auch möglich, lediglich eine Verringerung der Höhe nach außen hin oder lediglich eine Verringerung der Breite nach innen hin zu realisieren.According to the invention, in this spiral arrangement of the excitation coil and the measuring coil, the height of the individual windings of these coils increases toward the center of the coils (or to the location of the common mass), and at the same time the width of the individual spiral windings of the two coils decreases in this direction (FIG. The term "height" is understood here to mean the extent of the spiral windings perpendicular to the plane or to the surface in which or on which the two coils are arranged, "width" being the extent of the individual spiral windings perpendicular thereto or in the plane or the surface ). This coil design, which is approximately in the form of a flat cone, optimizes the current distribution (in the two coils or in the coil resulting from the common ground connection, the current distribution between the turns in the coil center and at the coil edge changes) and thus reduces the losses in the coils or the coil, in particular the energy losses due to a non-uniform current distribution, without this the stray capacitance would be increased. As described, it is particularly advantageous here to realize both a widening of the coil windings to the outside, as well as a reduction in the height of the coil windings to the outside at the same time. However, it is also possible to realize only a reduction of the height to the outside or only a reduction of the width inwards.

Vorteilhafterweise werden die beiden ineinander geschachtelten Spiralen dabei so ausgeführt, dass der innere Durchmesser der Spiralwicklungen (Abstand der inneren Wicklungen vom Zentrum) so klein wie konstruktiv möglich gewählt wird, also deutlich kleiner als der äußere Durchmesser der äußersten Spulenwicklungen (bzw. der Abstand der äußersten Spulenwicklungen zum Zentrum). Solche kleinen inneren Durchmesser verringern ebenfalls die parasitären Kapazitäten in den hohen Frequenzen.Advantageously, the two nested spirals are designed so that the inner diameter of the spiral windings (distance of the inner windings from the center) is chosen as small as possible structurally possible, ie significantly smaller than the outer diameter of the outermost coil windings (or the distance of the outermost Coil windings to the center). Such small inner diameters also reduce the parasitic capacitances in the high frequencies.

In einer weiteren vorteilhaften Variante werden mindestens 6 Windungen, bevorzugt deutlich mehr als 6 Windungen, je Spule (Messspule wie Anregungsspule, die Anzahl der einzelnen Windungen dieser beiden Spulen ist insbesondere bei der vorbeschriebenen Spiral realisierung dieselbe) realisiert: Im Gegensatz zur bisher verbreiteten Annahme nehmen bei hochfrequenter Anwendung die parasitären Kapazitäten nicht mit der Windungszahl der Spulen zu. Normalerweise bilden sich zwischen den einzelnen Windungen und zwischen Windungen und Probe Kapazitäten, so dass die Gesamtkapazität mit zunehmender Windungszahl auch zunimmt. Durch diese spezielle Art der vorbeschriebenen Anordnung der Spulen (ineinander geschachtelte Spiralanordnung in einer Ebene bzw. auf einer Fläche) bzw. durch die Art des kapazitiven Netzwerkes bestehend aus Kapazitäten in Parallel- und in Reihenanordnung, tritt dieser Effekt bei der vorliegenden Erfindung jedoch so nicht auf. Die Gesamtkapazität bleibt im Gegenteil ab 6 Windungen nahezu konstant; die Sonde kann also für die Anwendung in einem hochfrequenten Bereich eine signifikant höhere Windungszahl haben (beispielsweise auch 20, 50, 100 oder mehr Windungen). Dadurch ergibt sich auch eine höhere Sensitivität der Wirbelstromsonde und eine höhere Leistung der Sonde durch höhere Induktivität (ohne dass die Gesamtstreukapazität bei hohen Frequenzen erhöht werden würde).In a further advantageous variant, at least 6 turns, preferably significantly more than 6 turns per coil (measuring coil as excitation coil, the number of individual turns of these two coils is in particular in the above spiral realization the same) realized: In contrast to the previously accepted assumption in high-frequency applications, the parasitic capacitances do not increase with the number of turns of the coils. Normally, capacitances build up between the individual windings and between windings and sample so that the total capacity also increases with increasing number of windings. By this special type of the above-described arrangement of the coils (nested spiral arrangement in a plane or on a surface) or by the nature of the capacitive network consisting of However, capacitance in parallel and series arrangement does not occur in the present invention. On the contrary, the total capacity remains almost constant from 6 turns; The probe can therefore have a significantly higher number of turns for use in a high-frequency range (for example 20, 50, 100 or more turns). This also results in a higher sensitivity of the eddy current probe and a higher power of the probe due to higher inductance (without the total stray capacitance would be increased at high frequencies).

Die drei bei der Wirbelstromsonde notwendigen Verbindungsleitungen (zwei elektrische Kontaktierungen für die beiden Spulen am äußeren Spulenrand und eine elektrische Kontaktierung bzw. gemeinsame Masse im Spulenzentrum) werden in einer besonders vorteilhaften Variante senkrecht zu den Spulen bzw. zur Ebene der Spulenanordnung oder der Fläche, in der die Spulen angeordnet sind, geführt. Dies hat den Vorteil, dass diese Verbindungsleitungen die Windungen der Spulen nicht kreuzen, so dass Störungen, wie Rauschen und kapazitive Effekte vermieden werden können. Wie nachfolgend noch näher beschrieben, werden die Verbindungsleitungen vorteilhafterweise durch schmale Löcher in einem Substrat, auf dem die Spulen angeordnet sind, realisiert.The three required in the eddy current probe connecting lines (two electrical contacts for the two coils on the outer coil edge and an electrical contact or common ground in the coil center) are in a particularly advantageous variant perpendicular to the coil or to the coil arrangement or the surface in the coils are arranged, guided. This has the advantage that these connection lines do not cross the turns of the coils, so that disturbances such as noise and capacitive effects can be avoided. As will be described in more detail below, the connecting lines are advantageously realized through narrow holes in a substrate on which the coils are arranged.

Es befinden sich runde Bohrlöcher im Substrat, die einen etwas größeren Durchmesser haben als die Verbindungsleitungen zur Spule. Die Bohrlöcher befinden sich genau über den Anschlussstellen zu den Spulen und führen die Verbindungsleitungen senkrecht von der Spule weg.There are round holes in the substrate that are slightly larger in diameter than the connecting leads to the coil. The holes are located just above the connection points to the coils and lead the connecting lines vertically away from the coil.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform können die beiden Spulen der Wirbelstromsonde am Außenrand von einem ringförmigen Abstandsblock umgeben sein, der über die gesamte Spulengeometrie einen präzise konstant einstellbaren Abstand zwischen Messund Anregungsspule sowie der zu vermessenden Probe ermöglicht. Der Block besteht daher aus einem nicht verformbaren Material (beispielsweise einem Metall).In a further advantageous embodiment, the two coils of the eddy current probe can be surrounded on the outer edge of an annular spacer block, which allows a precise constant adjustable distance between measuring and excitation coil and the sample to be measured over the entire coil geometry. The block is therefore made of a non-deformable material (such as a metal).

Sofern nicht ebene Oberflächen einer Probe vermessen werden sollen, können der Abstandsblock und das Trägersubstrat (auf dem die Spulenwicklungen angeordnet sind) auch nicht eben, sondern gekrümmt (in Anpassung an die zu vermessende gekrümmte Fläche des Objektes) ausgebildet sein, so dass auch auf solchen gekrümmten Probenflächen der Abstand zwischen den einzelnen Spulenwicklungen und der Probe über die gesamte Sensorbzw. Spulenfläche konstant bleibt. Der Abstandsblock ist dann so auszugestalten, dass der Spulenabstand zum zu vermessenden Objekt überall konstant ist.Unless flat surfaces of a sample are to be measured, the spacer block and the carrier substrate (on which the coil windings are arranged) may also be not flat, but curved (in adaptation to the curved surface of the object to be measured), so that also on such curved sample surfaces, the distance between the individual coil windings and the sample over the entire Sensorbzw. Coil area remains constant. The spacer block is then to be designed so that the coil distance to the object to be measured is constant everywhere.

Die erfindungsgemäße Wirbelstromsonde ist, wie aus den speziellen Ausführungsbeispielen noch klar wird, als Wirbelstromsonde mit Luftkern ausgebildet. In einer weiteren vorteilhaften Variante kann der Raum, welcher von den Spulen, dem Abstandsblock, den weiteren Innenflächen der Sonde und der zu vermessenden Probe eingeschlossen wird, als Vakuumbereich ausgeführt werden. Hierzu wird mittels einer Öffnung in der Sondenwand (beispielsweise im Substrat, auf dem die Spulen angeordnet sind und in den darunter liegenden Wandbereichen) nach Aufsetzen des Sensors auf die Probe ein Vakuum in diesem Innenraum erzeugt. Ein solches Vakuum hat zum einen den Vorteil, dass damit der Sensor ohne weitere Befestigung an der Probe haftet und zum anderen, dass ein Vakuum die parasitären Kapazitäten der Spule weiter reduziert und den Einsatz bei sehr hohen Frequenzen somit weiter verbessert.The eddy current probe according to the invention is, as is clear from the specific embodiments, designed as an eddy current probe with air core. In a further advantageous variant, the space which is enclosed by the coils, the spacer block, the further inner surfaces of the probe and the sample to be measured, can be designed as a vacuum region. For this purpose, by means of an opening in the probe wall (for example, in the substrate on which the coils are arranged and in the underlying wall areas), a vacuum is created in the interior after the sensor has been placed on the sample. On the one hand, such a vacuum has the advantage that the sensor thus adheres to the sample without further attachment and, on the other hand, that a vacuum further reduces the parasitic capacitances of the coil and thus further improves the use at very high frequencies.

Es zeigen:Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde im Querschnitt, 1 A first embodiment of an eddy current probe according to the invention in cross section,

2 eine Aufsicht auf die Spulenwicklungen der Wirbelstromsonde aus 1, 2 a plan view of the coil windings of the eddy current probe 1 .

3 das Innere einer Wirbelstromsonde gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, 3 the interior of an eddy current probe according to a second embodiment of the invention,

4 eine erfindungsgemäße Wirbelstromsonde in Form eines dritten Ausführungsbeispiels, 4 an inventive eddy current probe in the form of a third embodiment,

5 die Stromverteilung in der ersten Windung in den Sondenspulen des Ausführungsbeispiels nach 1, 5 the current distribution in the first turn in the probe coils of the embodiment according to 1 .

6 die Gesamtkapazität als eine Funktion des inneren Durchmessers w_i der Wirbelstromsonde gemäß 1 und 6 the total capacity as a function of the inner diameter w _{i of} the eddy current probe according to 1 and

7 die Gesamtkapazität als eine Funktion der Anzahl von Spulenwindungen beim Ausführungsbeispiel 1. 7 the total capacity as a function of the number of coil turns in Embodiment 1.

1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Wirbelstromsonde im Querschnitt durch die Symmetrieachse Z. Diese Wirbelstromsonde weist einen Wirbelstromkörper (tragender Spulenkörper K) auf, welcher im vorliegenden Fall ein Deckelelement (Box 8), einen mit diesem verbundenen Abstandsblock 9, ein im Inneren des durch den Abstandsblock 9 und das Deckelelement 8 ausgebildeten, einseitig offenen Hohlkörper angeordnetes Substrat 6 sowie ein zwischen diesem Substrat 6 und der Innenwandung des Deckelelementes 8 angeordnetes Verbindungselement 7 zwischen Substrat 6 und Deckelelement 8 aufweist. Das Deckelelement 8 sowie der Abstandsblock 9 bilden zusammen einen einseitig offenen, flachen Hohlzylinder aus, dessen eine Deckelfläche (in der Figur unten liegend) offen ist und dessen andere Deckelfläche (in der Figur oben liegend) durch die Grundfläche der Box 8 bzw. des Deckelelementes 8 verschlossen ist. Die kreisförmige Grundfläche der Box 8 bildet somit den oberen Abschluss des gezeigten, einseitig offenen Hohlzylinders, wohingegen die weiteren Wandabschnitte der Box 8 und der daran angrenzend angeordnete Abstandsblock 9 die Seitenwände des halbseitig offenen Hohlzylinders ausbilden. Die Höhe des Hohlzylinders (in Richtung der Zylindersymmetrieachse Z) beträgt hier etwa des Hohlzylinderdurchmessers (Ausdehnung des Hohlzylinders senkrecht zur Zylindersymmetrieachse Z). Der tragende Spulenkörper K ist somit (ebenso wie die gesamte Wirbelstromsonde) rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse Z ausgebildet. 1 shows a first inventive eddy current probe in cross section through the axis of symmetry Z. This eddy current probe has an eddy current body (supporting bobbin K), which in the present case, a cover element (box 8th ), a distance block connected to it 9 , one inside the through the spacer block 9 and the lid member 8th trained, one-sided open hollow body arranged substrate 6 as well as between this substrate 6 and the inner wall of the lid member 8th arranged connecting element 7 between substrate 6 and cover element 8th having. The cover element 8th as well as the spacer block 9 together form a one-sided open, flat hollow cylinder whose one cover surface (lying in the figure below) is open and the other cover surface (lying in the figure above) through the base of the box 8th or the cover element 8th is closed. The circular base of the box 8th thus forms the upper end of the shown, one-sided open hollow cylinder, whereas the other wall sections of the box 8th and the spacer block disposed adjacent thereto 9 form the side walls of the half-open hollow cylinder. The height of the hollow cylinder (in the direction of the cylinder axis of symmetry Z) here is approximately the hollow cylinder diameter (expansion of the hollow cylinder perpendicular to the cylinder axis of symmetry Z). The carrying bobbin K is thus (as well as the entire eddy current probe) rotationally symmetrical about the symmetry axis Z formed.

In dem vom Hohlzylinder 8, 9 ausgebildeten Innenraum I ist auf der Innenseite der Box 8 ein flaches kreisförmiges Verbindungselement 7 symmetrisch um die Achse Z angrenzend an die Grundfläche der Box 8 angeordnet. Dieses weist einen kleineren Durchmesser als die Innenwandung der weiteren Wandabschnitte der Box 8 auf und trägt auf seiner der Innenseite der Box 8 abgewandten Seite und ebenfalls im Innenraum I des Hohlzylinders eine Substratschicht 6, welche ebenfalls in Form einer flachen, kreisförmigen Scheibe ausgebildet und symmetrisch um die Achse Z angeordnet ist. Dieses Substrat 6 ist als Träger der Anregungsspule 1 und der Messspule 2 (siehe nachfolgende Absätze) ausgebildet und weist ebenfalls einen kleineren Durchmesser als die Innenwandung der weiteren Wandabschnitte der Box 8 auf.In the hollow cylinder 8th . 9 trained interior I is on the inside of the box 8th a flat circular connecting element 7 symmetrical about the axis Z adjacent to the base of the box 8th arranged. This has a smaller diameter than the inner wall of the other wall sections of the box 8th on and carries on its inside the box 8th opposite side and also in the interior I of the hollow cylinder, a substrate layer 6 which is also formed in the form of a flat, circular disc and arranged symmetrically about the axis Z. This substrate 6 is as a carrier of the excitation coil 1 and the measuring coil 2 (see the following paragraphs) formed and also has a smaller diameter than the inner wall of the other wall sections of the box 8th on.

Auf der dem Verbindungselement 7 gegenüber liegenden, in der Figur unten gezeigten und als ebene Fläche ausgebildeten Oberfläche des Substrates 6 sind in einer gemeinsamen Ebene E parallel zu dieser Oberfläche des Substrates 6 sowohl die Anregungsspule 1 als auch die Messspule 2 wie nachfolgend beschrieben angeordnet.On the connecting element 7 opposite, shown in the figure below and formed as a flat surface surface of the substrate 6 are in a common plane E parallel to this surface of the substrate 6 both the excitation coil 1 as well as the measuring coil 2 arranged as described below.

2 zeigt eine Aufsicht auf die Anordnungsebene E der Anregungsspule 1 und der Messspule 2. Wie 2 zeigt, sind diese beiden Spulen in Form zweier ineinander verschachtelter Spiralen 1a, 2a in der Ebene E angeordnet: Die Anregungsspule 1 ist als eine erste ebene Spirale 1a ausgebildet, die Messspule 2 als eine zweite ebene Spirale, wobei die beiden Spiralebenen identisch sind. Die Windungen der ersten Spirale 1a und die Windungen der zweiten Spirale 2a sind jeweils versetzt zueinander und in konstanten Abständen voneinander ineinander geschachtelt angeordnet, so dass zwei ineinander gewickelte, ineinander konzentrisch verlaufende Spiralen entstehen: Folgt man den Windungen der Spirale 1a der Anregungsspule 1 von außen nach innen (d. h. zur Zentralachse Z bzw. zum gemeinsamen Zentrum Z der beiden Spiralen hin), so kann man die Anregungsspule 1 als eine nach innen laufende bzw. einlaufende erste Spirale ansehen, deren inneres Ende im Bereich des Zentrums Z eine elektrische Verbindung zum inneren Ende der zweiten Spirale 2a der Messspule 2 aufweist. Von dieser inneren Verbindung im Zentrum Z verlaufen dann die Windungen der Spirale 2a (auslaufende Spirale) der Messspule 2 in immer größeren Abständen vom Zentrum Z nach außen zum äußeren Umfang der beiden Spiralen hin zwischen den einzelnen Windungen der einlaufenden Spirale 1a. 2 shows a plan view of the arrangement plane E of the excitation coil 1 and the measuring coil 2 , As 2 shows, these two coils are in the form of two nested spirals 1a . 2a arranged in the plane E: the excitation coil 1 is as a first level spiral 1a trained, the measuring coil 2 as a second plane spiral, the two spiral planes being identical. The turns of the first spiral 1a and the turns of the second spiral 2a are each offset from each other and arranged at a constant distance from each other nested, so that two nested, concentric spirals run into each other: following the turns of the spiral 1a the excitation coil 1 from outside to inside (ie towards the central axis Z or to the common center Z of the two spirals), so you can the excitation coil 1 as an inwardly running or incoming first spiral, whose inner end in the region of the center Z is an electrical connection to the inner end of the second spiral 2a the measuring coil 2 having. From this inner connection in the center Z then run the turns of the spiral 2a (outgoing spiral) of the measuring coil 2 at ever greater distances from the center Z outwards to the outer circumference of the two spirals out between the individual turns of the incoming spiral 1a ,

Zwei benachbarte Windungen der auslaufenden Spirale 2a (dies gilt ebenso für die einlaufende Spirale 1a) weisen hierbei einen Abstand von d zueinander auf. Aufgrund eines symmetrischen Versatzes der Wicklungen der ersten Spirale 1a und der zweiten Spirale 2a beträgt der Abstand einer Windung der ersten Spirale 1a zur benachbarten Windung der zweiten Spirale 2a somit d/2.Two adjacent turns of the expiring spiral 2a (This also applies to the incoming spiral 1a ) have a distance of d from each other. Due to a symmetrical offset of the windings of the first spiral 1a and the second spiral 2a is the distance of a turn of the first spiral 1a to the adjacent turn of the second spiral 2a thus d / 2.

Im Zentrum Z der beiden Spiralen ist nun die elektrische Kontaktierung der inneren Windung der ersten Spirale 1a und der inneren Windung der zweiten Spirale 2a in Form der gemeinsamen Masseverbindung 3 der beiden Spulen 1 und 2 ausgebildet. Insgesamt werden somit lediglich drei elektrische Kontaktierungen benötigt: Die gemeinsame Masseverbindung 3 im Zentrum Z sowie jeweils eine in Bezug auf das Zentrum Z gesehen außen liegende elektrische Kontaktierung jeder der beiden Spulen 1, 2, die in Form eines Kontaktpads 4 ausgebildet ist (das elektrische Kontaktpad 4-2 kontaktiert die äußerste Spulenwindung der zweiten Spule 2a, das elektrische Kontaktpad 4-1 kontaktiert die äußerste Windung der ersten Spule 1a).In the center Z of the two spirals is now the electrical contacting of the inner winding of the first spiral 1a and the inner turn of the second spiral 2a in the form of the common ground connection 3 the two coils 1 and 2 educated. Overall, only three electrical contacts are thus required: The common ground connection 3 in the center Z and in each case one with respect to the center Z seen external electrical contacting of each of the two coils 1 . 2 in the form of a contact pad 4 is formed (the electrical contact pad 4-2 contacts the outermost coil turn of the second coil 2a , the electrical contact pad 4-1 contacts the outermost turn of the first coil 1a ).

Die elektrische Kontaktierung der beiden Kontaktpads 4-1 und 4-2 sowie der gemeinsamen Masse 3 sind nun wie folgt realisiert: Am Ort dieser drei elektrischen Kontakte ist jeweils in Richtung der Zylinderachse Z, d. h. senkrecht zur Spiralebene E eine Bohrung in das Substrat 6, das daran angrenzende Verbindungselement 7 sowie den daran angrenzenden Deckelbereich der Box 8 eingebracht. In diese Rundbohrungen mit möglichst geringem Durchmesser sind Verbindungskabel 5 eingebracht (es sind somit insgesamt drei Verbindungskabel 5 notwendig). Die Arbeitsweise der Wirbelstromsonde ist dann wie folgt: Zwischen die Verbindungsleitung 5a, die das äußere Kontaktpad 4-1 der Anregungsspule 1 kontaktiert und der zentralen Verbindungsleitung 5a, die den gemeinsamen Masseanschluss 3 der beiden Spulen kontaktiert, wird mit Hilfe eines Spannungsgenerators eine beispielsweise sinusförmige Spannung U_E angelegt (Betrieb der Anregungsspule). Das vom zu vermessenden Objekt O (hier lediglich durch Pfeile symbolisiert) modifizierte Wirbelstromfeld wird dann dadurch erfasst, dass zwischen der das äußere Kontaktpad 4-2 der Messspule kontaktierenden Verbindungsleitung 5b und der Verbindungsleitung zum Masseanschluss die in der Messspule 2 induzierte Spannung U_A abgegriffen wird (die zentrale Verbindungsleitung bzw. der zentrale Masseanschluss ist, da sie bzw. er somit sowohl beim Betrieb der Anregungsspule 1 als auch beim Spannungsabgriff mit Hilfe der Messspule 2 eingesetzt wird, hier mit beiden Bezugszeichen 5a, 5b versehen).The electrical contacting of the two contact pads 4-1 and 4-2 as well as the common mass 3 are now realized as follows: At the location of these three electrical contacts in each case in the direction of the cylinder axis Z, that is perpendicular to the spiral plane E, a bore in the substrate 6 , the connecting element adjacent thereto 7 and the adjoining lid area of the box 8th brought in. In these round holes with the smallest possible diameter are connecting cable 5 introduced (there are thus a total of three connecting cables 5 necessary). The operation of the eddy current probe is then as follows: Between the connecting line 5a that the outer contact pad 4-1 the excitation coil 1 contacted and the central connection line 5a that the common ground connection 3 contacted the two coils, with the aid of a voltage generator, for example, a sinusoidal voltage U _E applied (operation of the excitation coil). The eddy current field modified by the object O to be measured (here symbolized only by arrows) becomes then captured by the fact that between the outer contact pad 4-2 the measuring coil contacting connecting line 5b and the connection line to the ground terminal in the measuring coil 2 induced voltage U _{A is} tapped (the central connection line or the central ground terminal is, since it or he thus both in the operation of the excitation coil 1 as well as the voltage tap with the help of the measuring coil 2 is used, here with two reference numerals 5a . 5b Mistake).

Wie 1 durch die Pfeile andeutet, wird die erfindungsgemäße Wirbelstromsonde mit ihrer Unterseite auf das im Außenraum A angeordnete, zu vermessende Objekt O aufgesetzt. Die Ausdehnung des Abstandsblockes 9 in Symmetrieachsen-Richtung Z ist dabei so gewählt, dass die durch den Abstandsblock 9 ausgebildete untere Kante der Wirbelstromsonde einen Abstand D von der Spiralebene E aufweist. Der Abstandsblock 9 ist hier als symmetrischer Kreisring ausgebildet, so dass aufgrund der Anordnung der Spulen 1, 2 in der Ebene E alle Spulenwindungen der beiden Spulen beim Aufsetzen der Wirbelstromsonde auf eine ebene Fläche eines Objektes O denselben Abstand zu dieser Oberfläche des Objektes O aufweisen. Dies stellt eine optimale Erfassung des durch das Objekt O modifizierten Wirbelstromfeldes durch die Messspule 2 sicher.As 1 indicated by the arrows, the eddy current probe according to the invention is placed with its underside on the arranged in the outer space A, to be measured object O. The extent of the distance block 9 in the symmetry axis direction Z is chosen so that by the spacer block 9 formed lower edge of the eddy current probe has a distance D from the spiral plane E. The distance block 9 is designed here as a symmetrical circular ring, so that due to the arrangement of the coils 1 . 2 have in the plane E all coil turns of the two coils when placing the eddy current probe on a flat surface of an object O the same distance to this surface of the object O have. This provides optimal detection of the modified by the object O eddy current field through the measuring coil 2 for sure.

Wie 2 zeigt, erstrecken sich die inneren Windungen der Spulen 1, 2 zudem so weit nach innen zum Zentrum Z hin, dass die jeweils innerste Windung der Spulen 1, 2 einen möglichst geringen Abstand zum Zentrum Z aufweisen. Das Verhältnis des Abstandes der jeweils äußersten Windung der beiden Spulen 1, 2 vom Zentrum (Abstand w_a) und des Abstandes der jeweils innersten Windung der beiden Spulen 1, 2 vom Zentrum Z (Abstand w_i), also das Verhältnis V = w_a/w_i beträgt hier etwa 5. Die Wahl eines möglichst kleinen inneren Abstandes w_i bzw. eines möglichst großen Verhältnisses V verringert die parasitären Kapazitäten in den hohen Frequenzen, die durch die vorbeschriebene Geometrie erzielt werden, weiter.As 2 shows, the inner turns of the coils extend 1 . 2 also so far inward towards the center Z, that the innermost turn of the coils 1 . 2 have the smallest possible distance to the center Z. The ratio of the distance of each outermost turn of the two coils 1 . 2 from the center (distance w _a ) and the distance of the innermost turn of the two coils 1 . 2 from the center Z (distance w _i ), ie the ratio V = w _a / w _i here is about 5. The choice of the smallest possible inner distance w _i or the largest possible ratio V reduces the parasitic capacitances in the high frequencies achieved by the above-described geometry, continue.

Im vorliegenden Beispiel wurden die folgenden Materialien für die einzelnen Bauelemente verwendet: Kupfer für die Anregungsspule 1, die Messspule 2, die Masseverbindung 3, die beiden Verbindungen zu den äußeren Spulenwindungen 4-1 und 4-2 sowie die Verbindungskabel 5. Das Substrat 6 ist aus Kunststoff oder einem anderen nicht-metallischen Material ausgebildet. Wichtig ist hierbei eine möglichst geringe relative Permittivität ε_r (daher kann z. B. Glas oder FR₄ eingesetzt werden).In the present example, the following materials were used for each device: copper for the excitation coil 1 , the measuring coil 2 , the earth connection 3 , the two connections to the outer coil turns 4-1 and 4-2 as well as the connection cables 5 , The substrate 6 is made of plastic or other non-metallic material. It is important here to have the lowest possible relative permittivity ∈ _r (therefore, for example, glass or FR ₄ can be used).

FR4 (Flame Retardant 4) ist ein Leiterplattenmaterial, das weit verbreitet ist. Es besteht aus dem Epoxidharz getränkten Glasfasermatten. Es ist feuerfest, ein sehr guter Isolator mit sehr geringer Permittivität, verlustarm in hohen Frequenzen und hat eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. FR4 wird hauptsächlich wegen seiner geringen Permittivität eingesetzt.FR4 (Flame Retardant 4 ) is a printed circuit board material that is widely used. It consists of glass fiber mats soaked in epoxy resin. It is fireproof, a very good insulator with very low permittivity, low loss at high frequencies and has high strength and rigidity. FR4 is mainly used because of its low permittivity.

Die Verbindung 7 zwischen Substrat 6 und Deckelabschnitt der Box 8 ist ebenfalls aus Kunststoff oder einem anderen nicht-metallischen Material ausgebildet. Die Box 8 selbst sowie der Abstandsblock 9 sind aus Messing ausgebildet (es können jedoch auch andere Metalle eingesetzt werden).The connection 7 between substrate 6 and lid section of the box 8th is also made of plastic or other non-metallic material. The box 8th itself as well as the distance block 9 are made of brass (but other metals can be used).

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde. Diese ist grundsätzlich wie die in den 1 und 2 beschriebene Wirbelstromsonde aufgebaut, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden. Zur besseren Übersichtlichkeit sind hier darüber hinaus lediglich das Substrat 6 sowie die Spulen 1, 2 samt ihrer elektrischen Anschlüsse (Pads 4 sowie Masseanschluss 3) gezeigt. Ebenso wie im Beispiel von 1 und 2 sind die beiden Spulen hier in ein und derselben Ebene E angeordnet. Von den äußersten Spulenwicklungen der Spulen 1, 2 zum Zentrum Z der Spulen hin gesehen nimmt jedoch die Höhe der einzelnen Spulenwindungen (Ausdehnung der Windungen in Richtung der Achse Z) bei beiden Spulen 1, 2 zu. Ebenso nimmt die Ausdehnung der einzelnen Spulenwindungen senkrecht zur Achse Z bzw. in der Spiralebene E gesehen (Breite der Windungen) von außen nach innen zum Zentrum hin ab. Die Abnahme der Breite und die Zunahme der Höhe nach innen hin sind dabei im vorliegenden Fall so ausgestaltet, dass die Querschnittsfläche der einzelnen Spulen (Windungsquerschnittsfläche) konstant bleibt. Diese Verbreiterung der Windungen bei gleichzeitiger Verringerung der Windungshöhe reduziert den aufgrund einer nicht-gleichmäßigen Stromverteilung in den einzelnen Windungen ansonsten resultierenden Energieverlust ohne die Streukapazitäten zu erhöhen. 3 shows a second embodiment of an eddy current probe according to the invention. This is basically like the one in the 1 and 2 constructed eddy current probe, so that only the differences will be described below. For the sake of clarity, moreover, only the substrate is here 6 as well as the coils 1 . 2 along with their electrical connections (pads 4 as well as ground connection 3 ). As in the example of 1 and 2 the two coils are arranged here in one and the same plane E. From the outermost coil windings of the coils 1 . 2 However, as seen from the center Z of the coils, the height of the individual coil turns (extension of the turns in the direction of the Z axis) increases with both coils 1 . 2 to. Likewise, the extent of the individual coil turns perpendicular to the axis Z or seen in the spiral plane E (width of the turns) from outside to inside towards the center from. The decrease in the width and the increase in the height inwards are designed in the present case such that the cross-sectional area of the individual coils (winding cross-sectional area) remains constant. This broadening of the turns while reducing the winding height reduces the otherwise resulting energy loss due to a non-uniform current distribution in the individual windings without increasing the stray capacitance.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wirbelstromsonde in einem analogen Querschnitt, wie er in den 1 und 3 gezeigt ist. Auch diese Wirbelstromsonde ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede ebenso aufgebaut, wie die zu den 1 und 2 beschriebene Wirbelstromsonde. 4 shows a further embodiment of an eddy current probe according to the invention in an analogous cross-section, as shown in the 1 and 3 is shown. Also, this eddy current probe is constructed, except for the differences described below, as well as the 1 and 2 described eddy current probe.

Die dem Objekt O (nicht gezeigt) zugewandte Oberfläche des Substrates 6 weist hierbei eine leichte (vom in der Figur unterhalb der Sonde liegenden Objekt O aus gesehen konvexe und von der Deckelfläche der Box 8 aus gesehen konkave) Krümmung auf. Die Spulen 1, 2 sind somit hier nicht in einer Ebene E angeordnet, sondern auf einer leicht gekrümmten Oberfläche des Substrates 6. Im Abstand D von dieser Oberfläche des Substrates 6 ist nun diejenige Fläche des Abstandsblocks 9, die dem Aufsetzen der Sonde auf das Objekt O dient, ebenfalls mit einer entsprechenden Krümmung versehen. Diese Oberfläche des Abstandsblocks 9 sowie die untere Oberfläche des Substrates 6 sind dabei hinsichtlich ihrer Krümmung so ausgebildet, dass diese der Oberfläche des zu vermessenden Objektes O angeglichen sind. Hierdurch wird auch bei nicht ebenen abzutastenden Oberflächen von Objekten O sichergestellt, dass sämtliche Spulenwindungen 1a und 2a denselben Abstand zur Objektoberfläche aufweisen.The surface of the substrate facing the object O (not shown) 6 Here, a slight (seen in the figure below the probe object O from convex and from the lid surface of the box 8th seen from concave) curvature up. The spools 1 . 2 are thus not arranged in a plane E, but on a slightly curved surface of the substrate 6 , At a distance D from this surface of the substrate 6 is now that area of the spacer block 9 , which serves to place the probe on the object O, also provided with a corresponding curvature. This surface of the spacer block 9 and the lower surface of the substrate 6 are in terms of their curvature designed so that they are the surface of the object to be measured O aligned. As a result, it is ensured even with non-planar scanned surfaces of objects O that all coil turns 1a and 2a have the same distance to the object surface.

Ein weiterer bei diesem Ausführungsbeispiel realisierter Aspekt ist mit den Bezugszeichen 10 und 11 bezeichnet: Durch eine in die Deckelfläche der Box 8 eingebrachte Bohrung B ist eine Absaugöffnung 10 ausgebildet, welche mit einer Vakuumpumpe 11 in Verbindung steht. Wird die Sonde mit Hilfe des Abstandsblocks 9 abdichtend abgeschlossen auf die zu vermessende Oberfläche des Objektes O aufgesetzt, so kann der Innenraum des Hohlzylinders (Innenraum I) mit Hilfe der Vakuumpumpe 11 evakuiert werden. Dies bewirkt einerseits eine weitere Verringerung der störenden Streukapazitäten der Anordnung und zum anderen auch ein sicheres Halten des Objektes O an der Sonde.Another aspect realized in this embodiment is denoted by the reference numerals 10 and 11 Designated: By a in the cover surface of the box 8th introduced bore B is a suction opening 10 formed, which with a vacuum pump 11 communicates. If the probe is using the spacer block 9 placed sealingly on the surface to be measured of the object O, so the interior of the hollow cylinder (interior I) by means of the vacuum pump 11 be evacuated. On the one hand, this causes a further reduction of the disturbing stray capacitances of the arrangement and, on the other hand, also a secure holding of the object O on the probe.

5 veranschaulicht die Stromverteilung in einer Spulenwindung bei verschiedenen Messfrequenzen. Für sechs Frequenzen ist nebeneinander jeweils die Stromdichte in ein und demselben rechteckigen Windungsquerschnitt dargestellt. Dabei nimmt die Messfrequenz vom ganz linken Rechteck-Querschnitt (1 MHz) zum ganz rechten Rechteck-Querschnitt (100 MHz) zu. Die dunklen Flächen symbolisieren die höchste Stromdichte, die helleren Flächen symbolisieren geringere Stromdichten. Bei einer niedrigen Messfrequenz von 1 MHz im ganz linken Rechteck ist die Stromdichte über den gesamten Querschnitt gleich bleibend hoch. Mit zunehmender Messfrequenz findet sich eine hohe Stromdichte zunehmend nur noch am äußeren Rand des Windungsquerschnittes. Dieses an den Rand des Leiters drängen des Stromflusses wird durch den Skineffekt verursacht. Diese Abbildung veranschaulicht den sehr großen Einfluss der Spulengeometrie bei hochfrequenter Wirbelstrommessung. Unter Anwendung eines für diesen Sachverhalt entwickelten Simulationsprogramms konnten optimale geometrische Parameter für Hochfrequenz-Wirbelstrom-Spulen entwickelt werden. 5 illustrates the current distribution in a coil winding at different measurement frequencies. For six frequencies, the current density in each case is shown side by side in the same rectangular winding cross-section. The measurement frequency increases from the leftmost rectangular cross section (1 MHz) to the rightmost rectangular cross section (100 MHz). The dark areas symbolize the highest current density, the lighter areas symbolize lower current densities. At a low measurement frequency of 1 MHz in the leftmost rectangle, the current density across the entire cross section is consistently high. As the measuring frequency increases, a high current density is increasingly found only at the outer edge of the winding cross-section. This current flow, which is pushed to the edge of the conductor, is caused by the skin effect. This figure illustrates the very large influence of coil geometry in high-frequency eddy current measurement. Using a simulation program developed for this situation, optimal geometric parameters for high-frequency eddy current coils could be developed.

6 zeigt in einem Diagramm die Gesamtkapazität einer Wirbelstromspule, aufgetragen über dem Innendurchmesser. Es ist erkennbar, dass mit zunehmendem Innendurchmesser auch die Gesamtkapazität linear zunimmt. Auf Grund dieser Aussage begründet sich derjenige Patentanspruch, der einen möglichst geringen Innendurchmesser fordert, wodurch die parasitäre Gesamtkapazität sehr gering ist und damit die Spule besser für hohe Messfrequenzen geeignet ist. 6 shows in a diagram the total capacity of an eddy current coil, plotted against the inner diameter. It can be seen that with increasing inner diameter, the total capacity also increases linearly. Based on this statement, the one claim that requires the smallest possible inner diameter justified, whereby the parasitic total capacity is very low and thus the coil is better suited for high measurement frequencies.

7 zeigt in einem Diagramm die Gesamtkapazität einer Wirbelstromspule aufgetragen über der Anzahl der Spulenwindungen. Den höchsten Wert erreicht die parasitäre Kapazität bei einer Windungszahl von 2 und sinkt dann bis zu einer Windungszahl von 6 exponentiell ab. Nach diesem optimal niedrigen Kapazitätswert bei 6 Windungen steigt die Kapazität mit zunehmender Windungszahl nur noch geringfügig linear an. Dieser Zusammenhang veranschaulicht die in einem Patentanspruch dargelegte vorteilhafte Variante der Erfindung, dass die Wirbelstromspule eine möglichst hohe Windungszahl haben sollte. Die parasitäre Kapazität steigt zwar ab einer Windungszahl von 6 leicht an, deren Induktivität aber steigt dabei wesentlich stärker, was die Sensitivität der Spule wesentlich verbessert. 7 shows in a diagram the total capacity of an eddy current coil plotted against the number of coil turns. The highest value reaches the parasitic capacitance with a number of turns of 2 and then decreases exponentially up to a number of turns of 6. After this optimally low capacitance value with 6 turns, the capacity increases only slightly with increasing number of turns linearly. This context illustrates the set forth in a claim advantageous variant of the invention that the eddy current coil should have the highest possible number of turns. Although the parasitic capacitance increases slightly from a number of turns of 6, its inductance increases considerably more, which considerably improves the sensitivity of the coil.

Claims

Eddy current probe comprising an excitation coil connectable to a voltage source ( 1 ) for generating a magnetic field at the location of an object to be measured (O), a measuring coil ( 2 ), from which a voltage signal induced in it can be tapped off and an excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) carrying bobbin (K), wherein the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) a common electrical ground connection ( 3 ), and wherein the excitation coil ( 1 ) at least in sections as a plane first spiral ( 1a ) and the measuring coil ( 2 ) at least in sections as a planar second spiral ( 2a ), characterized in that the first spiral ( 1a ) and the second spiral ( 2a ) on a surface of the substrate ( 6 ) of the supporting bobbin (K) are arranged so that the turns of the first spiral and those of the second spiral offset from each other and from a common spiral center outwardly each alternately so that the two spirals ( 1a . 2a ) form two concentric spirals in the form of incoming and outgoing spirals, which are nested, wound into each other and run in a plane (E), and that the width of the individual spiral windings of the two spirals ( 1a . 2a ) decreases in the spiral plane seen from the outside to the spiral center and the height of the individual spiral windings of the two spirals ( 1a . 2a ) increases perpendicular to the spiral plane seen from the outside to the spiral center out.

Eddy current probe according to the preceding claim, characterized in that the common ground connection in the center (Z) of the two spirals is formed and / or that both spirals are formed in the form of two Archimedean spirals running one inside the other (same distance from winding to winding).

Eddy current probe according to one of the preceding claims, characterized in that the number of turns of the first spiral ( 1a ) and / or the second spiral ( 2a ) is at least 5, preferably at least 10, preferably at least 20, preferably at least 50.

Eddy current probe according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio V = w _a / w _{i of} the distances of the outermost turn (w _a ) and the innermost turn (w _i ) from the spiral center (Z) in the first spiral ( 1a ) and / or at the second spiral ( 2a ) is greater than 2, in particular greater than 3, in particular greater than 5, in particular greater than 10.

Eddy current probe according to one of the preceding claims, characterized in that the bobbin (K) as one side with a cover element (box 8th ) closed and on the opposite side (bottom) open, flat hollow cylinder ( 8th . 9 ), wherein the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) in the interior of the hollow cylinder and spaced from the bottom and arranged with the lid member via substrate ( 6 ) and connecting element ( 7 ) are connected.

Eddy current probe according to the preceding claim, characterized in that the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) are arranged in the interior of the hollow cylinder in a plane (E) perpendicular to the cylinder axis (Z).

Eddy current probe according to the preceding claim, characterized in that the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) are arranged in the interior of the hollow cylinder on a in the region of the cylinder axis (Z) perpendicular to this axis and radially outward, in the area remote from the cylinder axis at least in sections, seen from the cover element from a concave curvature surface having.

Eddy current probe according to one of the preceding claims, characterized by an arrangement of the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) in a plane (E), wherein with the excitation coil ( 1 ) connected lines ( 5a ) for connecting the excitation coil ( 1 ) with a voltage source and / or with the measuring coil ( 2 ) connected signal lines ( 5b ) for tapping a voltage signal from the measuring coil ( 2 ) extend perpendicularly away from this plane (E).

Eddy current probe according to one of the preceding claims, characterized by a spacer block ( 9 ), the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) annularly surrounds and which is shaped so that with its help when placing the eddy current probe on a surface of the object to be measured, a constant distance between this surface and the coil turns of the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) can be produced.

Eddy current probe according to the preceding claim, characterized in that the spacer block ( 9 ) is a non-deformable solid and / or consists of or comprises a metal.

Eddy current probe according to one of the preceding claims, characterized in that the bobbin (K) is formed in such a way and a suction opening (B) leading from the body interior (I) to the outside (A) of the body ( 10 ) which is formed so that by means of a to the suction opening ( 10 ) connectable and / or connected vacuum generator, in particular a vacuum pump ( 11 ), after placing the eddy current probe on the object to be measured in the bobbin interior a vacuum can be generated.

Eddy current testing method in which comprises an eddy current probe - an excitation coil connected to a voltage source ( 1 ) for generating a magnetic field at the location of an object to be measured (O), - a measuring coil ( 2 ), from which a voltage signal induced in it can be tapped off, and - an excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) carrying bobbin (K), wherein the excitation coil ( 1 ) and the measuring coil ( 2 ) a common electrical ground connection ( 3 ) and wherein the excitation coil ( 1 ) at least in sections as a plane first spiral ( 1a ) and the measuring coil ( 2 ) at least in sections as a planar second spiral ( 2a ), the first spiral ( 1a ) and the second spiral ( 2a ) on a surface of the substrate ( 6 ) of the supporting bobbin (K) are arranged, wherein the turns of the first spiral and those of the second spiral offset from one another and seen from a common spiral center outwardly each alternately so that the two spirals ( 1a . 2a ) form two concentric spirals in the form of incoming and outgoing spirals, which are nested in one another, wound into each other and run in a plane (E), and the width of the individual spiral windings of the two spirals ( 1a . 2a ) decreases in the spiral plane seen from the outside to the spiral center and the height of the individual spiral windings of the two spirals ( 1a . 2a ) perpendicular to the spiral plane increases from the outside towards the spiral center, is placed on the object to be measured (O), in which by means of the voltage source, an AC voltage is applied to the excitation coil and in which the voltage signal induced in the measuring coil is tapped and evaluated.

Eddy current testing method according to the preceding claim, characterized in that an eddy current probe according to one of the preceding eddy current probe claims 2 to 11 is placed on the object (O) to be measured.

Use of an eddy current probe or an eddy current testing method according to one of the preceding claims for testing the material properties of an object to be measured, for crack testing or layer thickness measurement on the object.