A contribution to the experimental validation in Lorentz force eddy current testing

Carlstedt, Matthias

Nondestructive testing (NDT) of electrically conductive components and assemblies is an integral part of the product life cycle of almost every technical product in our daily life. Particularly in the automotive and aerospace industry, the use of modern light-weight materials allows the development of ever more powerful and efficient mechanical structures. These heavy duty components must be tested for their structural integrity in the production phase as well as in the subsequent operating phase in order to ensure safe and reliable operation. Lorentz force eddy current testing (LET), which is investigated in this work, is one of the testing methods that are capable to meet the growing requirements of these industries. The thesis begins with a brief introduction into the state-of-the-art in NDT and a presentation of the involved industrial markets. Subsequently, the related work in the field of motion-induced eddy current testing methods is described. A particular focus is on the experimental investigations carried out in previous feasibility studies. The consideration of the physical phenomena relevant to the measuring principle, by means of the dimensional analysis, allows a deepening insight into the interactions of the electromagnetic and geometric parameters. A comprehensive numerical study accompanies this study and leads to the elaboration of practical scaling laws. The most comprehensive part of the thesis is the classification and the systematic description of the measurement procedure of LET and a representative overview of the measurement performance of the developed experimental setup. In this study, a novel multi-component sensor system is used, which allows simultaneous recording of the occurring measuring forces as well as their accelerating effect on the measurement setup. The idealized (deterministic) measurement process is extended to a real measurement process by considering the involved physical quantities as random variables. It is analyzed that the statistical properties of the measurement result, e.g. mean and variance of a physical quantity, are not independent of time. Thus, a measurement signal of a single measurement cannot provide a complete measurement result for the non-stationary measurement process. Therefore, the assembling of an artificial signal ensemble of sequential measurements is suggested, which for the first time enables the calculation of complete measurement results in LET. The mechanical modeling of the dynamics of the experimental setup is another novelty in the theoretical description of LET measurement process. For this purpose, the process of system identification is presented exemplary for two practically relevant examples. This allows a straight modeling of the mechanical system by an appropriate signal preprocessing and a model-specific parameter estimation. Based on these mechanical models, the design process of digital filters is shown in order to compensate the frequency-dependent sensitivity of the applied force sensor.

Die zerstörungsfreie Materialprüfung elektrisch leitfähiger Komponenten und Baugruppen ist ein integraler Bestandteil im Produktlebenszyklus heutiger technischer Produkte. Insbesondere im Automobilbau sowie der Luft- und Raumfahrttechnik ist durch den Einsatz moderner Leichtbaumaterialien die Entwicklung immer leistungsfähigere mechanischer Komponenten möglich. Diese hochbeanspruchbaren Bauteile müssen sowohl in der Fertigungsphase als auch in der späteren Betriebsphase auf ihre strukturelle Integrität geprüft werden, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Die in dieser Arbeit untersuchte Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung ist eines der Prüfverfahren, welche in diesem Zusammenhang erforscht und weiterentwickelt werden. Nach einer kurzen Einführung in den Stand der Technik der zerstörungsfreien Materialprüfung und einer Vorstellung der relevanten Märkte, werden die vorangegangen Arbeiten auf dem Gebiet der bewegungsinduzierten Wirbelstromprüfverfahren beleuchtet. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf den experimentellen Untersuchungen, welche in vorangegangenen Machbarkeitsstudien erfolgreich durchgeführt wurden. Die Betrachtung der für das Messprinzip relevanten physikalischen Phänomene ermöglicht mittels der durchgeführten Dimensionsanalyse einen vertiefenden Einblick in die Wechselwirkungen der elektromagnetischen und geometrischen Größen. Umfassende numerische Studien begleiten diese Untersuchung und führen zur Formulierung von praktischen Skalierungsregeln. Den umfassendsten Teil der Arbeit bilden die Klassifizierung und die systematische Beschreibung des untersuchten Messverfahrens, sowie die repräsentative Darstellung experimenteller Studien. Hierbei kommt ein mehrkomponentiges Sensorsystem zum Einsatz, welches die zeitgleiche Erfassung der auftretenden Messkräfte sowie deren Beschleunigungswirkung auf den Messaufbau ermöglicht. Das idealisierte Messverfahren wird durch die Betrachtung der beteiligten physikalischen Größen als Zufallsvariablen zu einem realen Messprozess erweitert. Dabei zeigt sich, dass die statistischen Eigenschaften des Messprozesses nicht zeitunabhängig sind und somit ein Messsignal einer einzelnen Messung kein vollständiges Messergebnis, im Sinne einer experimentellen Standardabweichung, liefern kann. Aus dieser Einsicht heraus werden Ansätze für die Bildung von künstlichen Signalscharen beschrieben und in unterschiedlichen experimentellen Studien erprobt. Diese Signalensembles, welche aus Einzelsignalen bestehen, ermöglichen dabei erstmals eine statistische Auswertung der Messergebnisse. Einen Neuheitswert stellt ebenfalls die in der Arbeit vorgestellte Erweiterung des Messmodells zu einem nicht rückwirkungsfreien Messverfahren dar, welches die mechanische Wechselwirkung der Lorentzkraft und des mechanischen Messaufbaus beschreibt. Hierfür werden für zwei praktisch relevante Beispiele geeignete Verfahren zur Systemidentifikation vorgestellt, welche sowohl in der Signalvorverarbeitung als auch der modellspezifischen Parameterschätzung eine einfache Modellbildung des mechanischen Systems ermöglichen. Aus den so gewonnenen mechanischen Modellen wird anschließend beispielhaft der Entwurf digitaler Filter zur Kompensation des frequenzabhängigen Übertragungsverhaltens dargestellt.

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Carlstedt, Matthias: A contribution to the experimental validation in Lorentz force eddy current testing. Ilmenau 2017.

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