Entwicklung messtechnischer Module zur mehrparametrischen elektromagnetischen Werkstoffcharakterisierung und -prüfung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterentwicklung der elektromagnetischen Prüfgerätetechnik sowie, darauf aufbauend, mit neuen prüftechnischen Lösungen zur mehrparametrischen Werkstoffcharakterisierung. Im Zentrum der Arbeit standen der Aufbau und die Erprobung eines kompakten mikromagnetischen Prüfgerätes, welches sich durch folgende Merkmale auszeichnet: - vier mikromagnetische Prüfverfahren: Oberwellenanalyse im Zeitsignal der magnetischen Tangentialfeldstärke, magnetische Barkhausenrauschanalyse, Überlagerungspermeabilitätsanalyse und Wirbelstromimpedanzanalyse - Signalverarbeitung nahezu vollständig auf dem PC, welcher das Gerät ansteuert: Hierdurch sind auch tiefgreifende Änderungen der Gerätefunktionalität ohne Veränderung der Hardware möglich. - keine analoge Signalverarbeitung und reduzierte Bauteilanzahl in der Steuerelektronik und Sensorik: Das Ziel bestand hierbei in einer Vereinfachung und Verkleinerung des Geräteaufbaus. Als Nebeneffekt wurde hierdurch die Reproduzierbarkeit der Geräteeigenschaften gesteigert, was im Austausch- oder Reparaturfall relevant ist. - hohe Temperaturstabilität durch temperaturstabile Bauteile im Analogsignalbereich sowie interne Referenzquellen zur Selbstkalibrierung - Mobilität durch geringes Gewicht und kleine Bauform - Anwendungsspektrum übereinstimmend mit demjenigen der 3MA-II-Prüfgeräte des IZFP - geringe Herstellungskosten durch geringe Bauteilanzahl und fertigungsfreundlichen Aufbau Das Erreichen der angestrebten Eigenschaften wurde anhand von Aufgabenstellungen aus der industriellen Praxis und Werkstoffforschung dokumentiert. In mehreren Fällen wurden zusätzlich vergleichende Messungen unter Einsatz der bestehenden 3MA-II-Prüftechnik durchgeführt, um aufzuzeigen, dass das neue Gerät ähnliche Messinformationen ermittelt und mit gleicher oder höherer Genauigkeit kalibriert werden kann. Darüber hinaus wurden messphysikalische Herausforderungen der mikromagnetischen Werkstoffcharakterisierung beleuchtet und dabei geräte- sowie verfahrensseitige Verbesserungs- und Vereinfachungsmöglichkeiten aufgezeigt und umgesetzt. Hierzu zählen: - eine Variante der Regressionsanalyse zur Gerätekalibrierung, welche ein thermisches oder verschleißbedingtes Driften von Prüfgrößen berücksichtigt und solche Lösungsansätze vermeidet, bei welchen sich die Drift von Prüfgrößen (z.B. Veränderung des gemessenen Koerzitivfeldstärkewertes) verstärkt auf das Ergebnis (z.B. den angezeigten Härtewert) niederschlagen würde - eine Variante der Regressionsanalyse, welche einen genetischen Algorithmus zur Auswahl der relevanten Prüfgrößen nutzt und damit eine erhebliche Verbesserung der Kalibriergenauigkeit gegenüber der Vorwärts-Regressionsanalyse erreicht - die Realisierung eines Verfahrens zur Wirbelstrom-Transferimpedanzanalyse ohne dedizierte Bauteile, sondern unter Einsatz des im Prüfgerät ohnehin vorhandenen Elektromagneten zur Erzeugung und der ebenfalls vorhandenen Hallsonde zur Erfassung der durch Wirbelströme beeinflussten Magnetfelder - die Demonstration des vollständig softwareseitigen Geräteabgleichs unter Vermeidung einstellbarer Bauteile, wodurch der Fertigungsprozess beschleunigt und vereinfacht wird - Untersuchungen zum Einfluss von Sensorabständen und Luftspalten im magnetischen Kreis auf die mikromagnetischen Prüfgrößen, im Hinblick auf Möglichkeiten zum Verschleißschutz sowie zur Integration austauschbarer Sensorkomponenten (z.B. Polschuhe als Verschleißteile