Magnetosensorik GMR-Sensoren erkennen Mikrorisse

Das ICE-Unglück von Eschede ist nicht vergessen. Die Ursache war ein Radbruch infolge Materialermüdung. Seitdem werden bei der Bahn und anderswo sicherheitsrelevante Teile mit noch viel akribischerer Sorgfalt geprüft als zuvor. Neuartige Magnetfeldsensoren können jetzt sich anbahnende Schäden in einem sehr frühen Stadium erkennen, lange bevor echte Gefahr besteht. Dank Automatisierbarkeit lässt sich der Vorgang gegenüber früher wesentlich beschleunigen.

Das ICE-Unglück von Eschede ist nicht vergessen. Die Ursache war ein Radbruch infolge Materialermüdung. Seitdem werden bei der Bahn und anderswo sicherheitsrelevante Teile mit noch viel akribischerer Sorgfalt geprüft als zuvor. Neuartige Magnetfeldsensoren können jetzt sich anbahnende Schäden in ­einem sehr frühen Stadium erkennen, lange bevor echte ­Gefahr besteht. Dank Automatisierbarkeit lässt sich der Vorgang gegenüber früher wesentlich beschleunigen.

Mikrorisse sind wie „ein bisschen Schwangerschaft“. Sie fangen ganz klein an und werden dann durch mechanische Beanspruchung mit der Zeit immer größer. Zerstörungsfreie Verfahren, um diese Risse zu erkennen, gibt es seit langem; meist sind diese aber überaus kompliziert und mit viel zeitraubender manueller Arbeit verbunden – was sich dann im Endeffekt auf die Fahrpreise der Bahn auswirkt. So geht die Suche nach neuen Wegen unvermindert weiter. Die Anforderungen sind zum Teil widersprechend: einerseits hoch zuverlässig, andererseits aber schnell und kostengünstig. Das ruft nach Automatisierung.

Da die wichtigsten in der Praxis zu prüfenden Werkstoffe Stähle sind, bieten sich vor allem magnetische Methoden an. Verbreitet ist das Wirbelstrom-Verfahren, allerdings ist die räumliche Auflösung für viele Fälle nicht fein ­genug. Eine Alternative ist MFL, Magnetic Flux Leakage: Hier wird die Oberfläche durch ein externes Gleichfeld vormagnetisiert; dabei verformen sich an den Rissen die Feldlinien (Bild 1). Werden magnetische Mikropartikel mit anhängendem Fluoreszenzstoff auf die Oberfläche gebracht, so bleiben sie an den Rissen bevorzugt hängen, unter UV-Licht werden sie sichtbar. Allerdings lassen sich so keine quantitativen Daten über die Riss-Geometrie gewinnen.

Überlegen ist eine Methode, die an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin entwickelt wurde. Die entscheidenden Elemente sind hier GMR-Sensoren (Giant Magneto-Resistive). Das physikalische Prinzip stammt von Peter Grünberg und Albert Fert, die dafür 2007 den Nobelpreis für Physik erhielten. Extrem dünne Schichten, im Wechsel aus ferromagnetischen und nichtmagnetischen Metallen, zeigen im Magnetfeld eine sehr starke Änderung des elektrischen ­Widerstandes (etwa 10 bis 20 %), daher der Name. Die erste Massenanwendung derartiger Sensoren war in den Leseköpfen von Festplattenlaufwerken, dann auch zunehmend in der Industrie (s. Elektronik 2005, H. 19, S. 76). Mittlerweile sind sie milliardenfach erprobt. Die übliche Schaltung ist eine Wheatstone-Brücke aus vier Einzelelementen; so fällt die Temperaturabhängigkeit weitestgehend heraus. Messbar sind damit Magnetfelder bis herab in den pT-Bereich. Weitere Vorteile sind der weite Frequenzbereich, die niedrige Leistungsaufnahme und die Miniaturisierbarkeit.