CN109564088A - 用于借助运行时间测量来测量试验对象的太赫兹测量装置和太赫兹测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过运行时间测量在确定至少一个距离(d1、d2、d3、d4)的情况下来测量试验对象(2)的太赫兹测量装置(1)，其中，所述太赫兹测量装置(1)具有：用于发射太赫兹辐射(5)并且探测由试验对象(2)反射的太赫兹辐射的太赫兹发射和接收单元(3)，和用于确定太赫兹辐射的运行时间和试验对象(2)的至少一个距离的评估单元(12)，在这里规定：设有至少一个、优选多个被动的太赫兹接收设备(4)，所述太赫兹接收设备的光轴(C‑4)相对于太赫兹发射和接收单元(3)的光轴(C‑3)位错或倾斜地设置并且探测由太赫兹发射和接收单元(3)发射的且在试验对象(2)上反射的第二太赫兹辐射(6b)；设有数据连接(10)，用于借助于同步信号(S1)来同步太赫兹发射和接收单元(3)和所述至少一个被动的太赫兹接收单元(4)，其中，评估单元(12)或太赫兹接收单元(4)由反射的第二太赫兹辐射(6b)和同步信号(S1)确定第二运行时间(Δt3，Δt4)和第二距离。

Description

用于借助运行时间测量来测量试验对象的太赫兹测量装置和 太赫兹测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于借助运行时间测量来测量试验对象的太赫兹测量装置和太赫兹测量方法。

背景技术

在这样的测量装置和测量方法中，太赫兹辐射由太赫兹发射和接收单元沿着光轴辐射到试验对象上并且由该试验对象往回反射的辐射又由该太赫兹发射和接收单元探测，其中，可以确定辐射的运行时间。在这里，例如可以发射脉冲的辐射并且测量脉冲的运行时间，或者在频率范围中进行测量的情况下可以发射频率调制的辐射，其中，这样的测量方法可以在技术上相对应或者描述为相对于彼此的傅立叶变换。因此，可以测量太赫兹辐射可穿透的试验对象，尤其是塑料、此外还有石材、如陶土、瓷器料、陶瓷和例如纸。

太赫兹辐射在折射率不同的材料(例如折射率n0＝1的空气和折射率例如大约为1.5的塑料材料)之间的分界面上部分地被反射，从而可以探测垂直地在分界面上反射的且沿着光轴朝太赫兹发射和接收单元往回反射的辐射。

在测量中，在太赫兹发射和接收单元中通常对发射的辐射和探测的反射的辐射进行叠加，从该叠加中可以非常准确地确定运行时间。因此，可以确定与试验对象的距离，此外还可以确定试验对象在垂直于光轴的分界面上的层厚度。

因此，为了完全地或全面地测量试验对象、例如管，需要较高数量的太赫兹发射和接收单元，所述太赫兹发射和接收单元通常还进行机械调节，以便对试验对象在其表面或其周边上进行完全地检测。然而，这样的机械调节通常是耗费的。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种太赫兹测量装置和太赫兹测量方法，其能以相对小的耗费实现对测量对象的宽面的测量。

该任务通过按照独立权利要求的太赫兹测量装置和太赫兹测量方法解决。从属权利要求描述优选的进一步改进方案。

按照本发明的太赫兹测量方法尤其是可以以按照本发明的太赫兹测量装置实施；按照本发明的太赫兹测量装置尤其是设置用于实施按照本发明的太赫兹测量方法。

因此，除了太赫兹发射和接收单元之外还设有至少一个被动的太赫兹接收单元，所述被动的太赫兹接收单元探测由太赫兹发射和接收单元发射的且在试验对象上反射的第二辐射。在这里，被动的太赫兹接收单元接收同步信号，所述同步信号确定太赫兹辐射的发射时刻。

由此，已经实现如下优点：能以低的仪器耗费和相对小的能量耗费实现对试验对象的宽面的测量，尤其是还能以对单元的少的机械调节或完全不对该单元进行机械调节地实现对试验对象的宽面的测量。在太赫兹辐射不垂直地射在分界面上的情况下的测量是可能的，所述测量能够检测试验对象的大的区域。

有利地，被动的太赫兹接收单元或用于评估的评估单元补充地考虑存储的关于其光轴的定位和定向以及关于太赫兹发射和接收单元的光轴的定位和定向的几何构造、尤其是相对的几何布置结构的数据。这样的几何数据可以提前通过测量、尤其是但也通过在第一测量对象上的校准来确定，从而所述数据接着可以被考虑用于评估。

有利地，设有多个太赫兹接收单元，这些太赫兹接收单元分别被动地接收所发射的辐射。为了测量作为试验对象的管，例如可以将多个单元设置成圆形的、尤其是大致半圆的，从而这些单元以其重叠的发射和接收-锥体或者角度能够宽面地检测试验对象。在这里，尤其是也能够全面地测量试验对象，因为辐射分别穿过试验对象的前壁和后壁并且在这里产生测量信号。

经由数据连接输出用于确定发射时刻的同步信号、例如触发脉冲或模拟信号、例如锯齿波信号；所述同步信号尤其是可以直接由发射用的太赫兹发射和接收单元输出，因此所述太赫兹发射和接收单元尤其是也可以是主单元，所述主单元将同步信号连同关于发射时刻的信息输出给至少一个用作从单元的太赫兹接收单元。由此，尤其是也可以由彼此处于数据连接的单元构成模块化的系统、例如总线系统，所述系统必要时可以被扩展并且部分地进行更换。备选于此地，中央的系统、例如星形的具有中央的控制单元的系统也是可能的。数据连接可以经由电缆进行，或者也可以无线地进行。

按照一种优选的构造方案，在多个单元的许多个单元中任一单元可以暂时是太赫兹发射和接收单元，并且因此例如可以作为主单元确定针对相应地是被动的接收单元的其他单元的发射时刻。因此，所述主单元或者发射单元的功能可以相应地变换。由此，能实现在耗费小的情况下的非常大面积的测量的优点，因为在相应多个补充地进行探测的光轴的情况下能实现对发射的光轴的不同的定位和定向。

因此，可以以低的耗费进行宽面的、尤其是也全面的测量。不同于在仅直接的垂直的反射的情况下进行探测的系统，可以利用发射单元的宽的发射锥体和接收单元的宽的接收锥体。

对试验对象的测量可以在连续的过程中、例如在生产试验对象时或在生产试验对象之后直接进行。

在这里，可以确定距离、亦即试验对象与相应的单元的距离，并且还可以确定层厚度、例如壁厚，此外也可以确定作为空气层的层厚的内径。补充地，可以探测附加地出现的测量峰值作为缺陷部位。

按照本发明的太赫兹测量方法和按照本发明的太赫兹装置尤其是对于探测试验对象中的缺陷部位或者缺陷也是有利的，因为通过多个太赫兹接收单元能够探测试验对象的大的区域。因此，缺陷部位可以作为附加的测量峰值被探测，所述附加的测量峰值尤其是不能与任何按照规定的分界面相配。因此，在识别出足够高的附加的、不能与任何分界面相配的测量峰值的情况下、亦即例如在超过信号界限值的情况下，可以输出故障信号。

在这里，多个太赫兹发射和接收单元可以围绕试验对象或试验对象位置分布地设置并且分别确定一个或多个缺陷部位的位置点量。控制和评估设备可以从多个位置点量中确定各个缺陷部位的位置和/或大小和/或形状。

能够在壁区域之间或者在分界面之间识别出缺陷部位。此外，不按照规定的壁区域或分界面本身也可以被评价为缺陷部位。尤其是，可以将由被动的接收单元接收的且不能与任何规则的壁区域相配的非垂直的反射评价为缺陷部位。

在评价信号幅值时，当信号幅值例如超过阈值时，可以将足够高的不按照规定的测量峰值评价为缺陷部位。在这里，可以由多个被动的太赫兹接收单元分别确定一个或多个缺陷部位的位置点量，并且因此由多个位置点量确定缺陷部位的布置结构和形状。

因此，按照本发明尤其是可以在没有额外耗费的情况下确定缺陷部位的位置、形状和/或大小，因为优选可以通过多个接收单元从多个方向进行三角法检测。

太赫兹辐射尤其是在0.01THz至10THz、例如0.1至3THz的频率范围中输出。在这里，尤其是全电子的发射和接收单元并且还有接收单元是可能的，因此所述全电子的发射和接收单元例如在频率调制中借助于偶极子产生太赫兹辐射，亦或用于在时域中进行测量的光电系统产生例如作为脉冲的辐射的太赫兹辐射。

附图说明

以下根据附图借助于一些实施例更详细地阐述本发明。在此：

图1以在测量作为试验对象的管时的俯视图示出按照一种实施方式的太赫兹测量装置；

图2在呈现光路的情况下示出图1的局部放大图；

图3示出测量的信号幅值关于a)太赫兹发射和接收单元的和b)太赫兹接收单元的时间的图表；

图4示出在探测缺陷部位时的构造。

具体实施方式

用于测量试验对象2、在这里塑料管2的太赫兹测量装置1具有一个用作主单元的太赫兹发射和接收单元3和多个用作从单元的太赫兹接收单元4。(主单元-)太赫兹发射和接收单元3发射例如在0.01THz至10THz、尤其是0.1THz至3THz的频率范围中的太赫兹辐射5；为此，太赫兹发射和接收单元3全电子地构成，亦即其例如在频率调制中通过偶极子产生太赫兹辐射5，亦或例如在时域中进行测量的情况下光电地产生例如作为脉冲的辐射的太赫兹辐射。

太赫兹发射和接收单元3能实现对相对于所发射的太赫兹辐射5的发射时刻t0的运行时间Δt的测量，所述太赫兹辐射接着从试验对象2往回反射至太赫兹发射和接收单元3。在太赫兹发射和接收单元3中将发射的太赫兹辐射5与反射的太赫兹辐射6a叠加或混合，以便由此例如确定相位差，因此可以由所述相位差准确地确定发射的太赫兹辐射5的运行时间Δt。

图3a示出在测量塑料管2的前壁区域时太赫兹发射和接收单元3的接收的信号幅值S3作为时间t的函数：发射的太赫兹辐射5首先在塑料管2的外侧2a上部分地反射，因为发生从环境、例如折射率n0＝1的空气至试验对象2的塑料材料的过渡，其中针对通常的塑料材料而言例如折射率n2＝1.5。因此，在时刻t1探测第一测量峰值。接着，发射的太赫兹辐射5进入试验对象2的壁并且在从塑料材料过渡至空气时在内表面2b上再次部分地被反射，其中，反射的太赫兹辐射6往回反射通过试验对象2的塑料材料至太赫兹发射和接收单元3。接着，在获悉折射率n2的情况下，可以由时间差Δt＝t2-t1确定外表面2a与内表面2b之间的距离。

在这里，太赫兹辐射5垂直地发射到外表面2a和内表面2b上，从而所确定的距离d(t2-t1)事实上又给出外表面2a与内表面2b之间的垂直的距离d2并且因此又给出壁直径d1。因此，在多层的试验对象、如塑料管2中能够以一次测量探测出折射率不同的相继的层的多个层厚度。因此，按照图1首先可以探测从太赫兹发射和接收单元3至外表面2a的距离d1，然后探测前壁区域的层厚d2作为外表面2a与内表面2b之间的距离，此外探测管内径作为中间的空气层、亦即内部空间2d的层厚d3，并且接着探测相对置的壁区域的层厚d4作为内表面2b与外表面2a在那里的距离。

信号幅值S3在图3中根据发射的太赫兹辐射5可以是时间或频率的函数，其中时间相关性和频率相关性通过傅立叶变换可以彼此换算。

此外，太赫兹接收单元4也探测由太赫兹发射和接收单元3发射的且在试验对象2上反射的太赫兹辐射6b，亦即所述太赫兹接收单元在这种测量时构成为纯被动的，而不主动地发射太赫兹辐射。太赫兹接收单元4的光轴C-3沿周向围绕试验对象2、亦即圆形地、例如以半圆地设置在外部机架8上，所述外部机架与整个太赫兹测量装置1的对称轴A同中心地构成。因此，在这种理想的布置结构中全部的单元3、4相应地这样构成，使得其光轴C-4和C-3延伸通过对称轴A。

太赫兹发射和接收单元3例如按照图2以围绕其光轴C-3的充分大的发射锥体或发射立体角7发射太赫兹辐射5，从而发射的辐射5的一部分不垂直地入射到分界面2a、2b上并且相应地侧向地反射离开，从而其作为反射的第二太赫兹辐射6b可以由被动的太赫兹接收单元4之一探测。

太赫兹发射和接收单元3与被动的太赫兹接收单元4经由数据连接10连接，通过所述数据连接可以使所述被动的太赫兹接收单元4与所述太赫兹发射和接收单元3同步。因此，可以将发射时刻t0作为信息传输给被动的太赫兹接收单元4，从而也可以通过被动的太赫兹接收单元4进行运行时间测量：太赫兹接收单元探测太赫兹辐射的运行时间，所述太赫兹辐射作为太赫兹辐射5由太赫兹发射和接收单元3辐射，在试验对象2上反射并且接着作为反射的第二太赫兹辐射6b由一个太赫兹接收单元4探测，如作为信号幅值S4在图3b中示出的那样，其中，例如在时刻t3探测在外表面2a上的反射，而在时刻t4探测在内表面2b上的反射。

数据连接10可以通过信号电缆或电缆系统、例如总线导线系统或星形导线系统构成，或者也作为无线电信号并且因此无线地构成。在这里，可以传输不同的同步信号S1。按照图1中的粗略图，同步信号S1在全电子的太赫兹系统中例如可以借助例如作为锯齿波电压值亦或作为触发脉冲的电压斜坡实现，太赫兹发射和接收单元3利用所述电压斜坡产生其频率调制。

因为被动的太赫兹接收单元4因此接收由相应的分界面2a或2b非垂直地反射出的反射的太赫兹辐射6b，所以首先确定分界面2a、2b彼此间的且朝向被动的接收单元4的非垂直的距离d(t4-t3)。然而按照图2，所确定的能与在t4和t3时的测量峰值相配的距离d(t4-t3)通过太赫兹发射和接收单元3和相应的接收的接收单元3的几何布置结构确定，从而在确定距离时可以考虑这种几何构造。在理想的布置结构中，单元3、4以其光轴C-3和C-4朝向共同的对称轴A定向，从而在管2的中央的层中得到等腰三角形。因为设有多个太赫兹接收单元，但也可以测量如下的试验对象2，所述试验对象相对于对称轴A(例如暂时)位错，从而管轴线B不等于对称轴A。通过多次单独的测量可以较准确地检测错误定位，在所述测量中发射的太赫兹辐射5不仅由太赫兹发射和接收单元3本身测量，而且由多个被动的接收单元4测量。

优选地，可以首先校准图1和图2的太赫兹测量装置1，由此，单元3、4彼此间的准确的二维的几何位置被确定并且对于后续的测量是已知的。

在这里，太赫兹发射和接收单元3可以与被动的接收单元4一起连接到一个共同的评估设备12上，其中，评估设备12例如也可以设置在太赫兹发射和接收单元3本身中。

如在图3b)中在时刻t5所示出的那样，也可以准确地探测在试验对象2中的缺陷部位或缺陷，因为通过多个太赫兹接收单元4可以探测试验对象2的(即使在分界面2a和2b之间的)大的区域。因此，缺陷部位可以作为附加的测量峰值被探测。

按照一种特别优选的实施方式，每个太赫兹接收单元4也可以分别用作主单元-太赫兹发射和接收单元3。因此，例如环绕的测量是可能的，其中多个或者许多发射和接收单元、按照图1因此是九个太赫兹发射和接收单元3实施连续的这样的测量，使得每个所述太赫兹发射和接收单元暂时用作太赫兹发射和接收单元3或者说作为太赫兹发射和接收单元起作用，而其他的太赫兹发射和接收单元用作被动的接收单元4或者说作为被动的接收单元起作用。因此，所述测量例如可以以相继的时间间隔依次轮流地进行。

按照图4，在试验对象2中探测在分界面上或在分界面之间、亦即也在试验对象2中或上的缺陷部位20。这样的缺陷部位尤其是可以作为在信号幅值中的附加的测量峰值、亦即在按照规定的分界面2a、2b的测量峰值之间的附加的测量峰值被探测。因此，缺陷部位20尤其是可以在被动的接收单元4的信号幅值S4中被确定，其中，例如可以检查，所确定的附加的测量峰值是否超过阈值并且因此是相关的缺陷部位。

尤其是也可以用三角法探测缺陷部位20，其中被动的接收单元4分别提供缺陷部位的位置点量，并且由此例如确定缺陷部位的形状和/或大小和/或位置。

Claims (18)

1.用于通过运行时间测量在确定至少一个距离(d1、d2、d3、d4)的情况下来测量试验对象(2)的太赫兹测量装置(1)，其中，所述太赫兹测量装置(1)具有：

用于发射太赫兹辐射(5)并且探测由试验对象(2)反射的太赫兹辐射(6a)的太赫兹发射和接收单元(3)，

用于确定太赫兹辐射的运行时间(Δt)和试验对象(2)的至少一个距离(d1、d2、d3、d4)的评估单元(12)，

其特征在于，

设有至少一个被动的太赫兹接收设备(4)，所述太赫兹接收设备的光轴(C-4)相对于太赫兹发射和接收单元(3)的光轴(C-3)位错或倾斜地设置并且探测由太赫兹发射和接收单元(3)发射的且在试验对象(2)上反射的第二太赫兹辐射(6b)，

设有数据连接(10)，用于借助于同步信号(S1)来同步太赫兹发射和接收单元(3)和所述至少一个被动的太赫兹接收单元(4)，

其中，评估单元(12)或太赫兹接收单元(4)由反射的第二太赫兹辐射(6b)和同步信号(S1)确定第二运行时间(Δt3，Δt4)和第二距离。

2.按照权利要求1所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述评估单元(12)或所述被动的太赫兹接收设备(4)考虑存储的关于太赫兹发射和接收单元(3)和太赫兹接收单元(4)的布置结构的几何数据或距离数据，以用于确定第二距离。

3.按照上述权利要求之一所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，多个被动的太赫兹接收单元(4)围绕一个针对试验对象、尤其是管(2)的测量区域设置，尤其是用于全面地测量试验对象(2)。

4.按照权利要求3所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述太赫兹发射和接收单元(3)和所述多个被动的太赫兹接收单元(4)圆形地、例如在形成半圆的情况下围绕对称轴(A)设置，并且所述太赫兹发射和接收单元的光轴和所述多个被动的太赫兹接收单元的光轴(C-3、C-4)延伸通过对称轴(A)或在对称轴(A)中相交，尤其是在共同的平面中延伸通过对称轴或在对称轴中相交。

5.按照权利要求3或4所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述被动的太赫兹接收单元(4)接收未在按照规定的分界面上已反射的太赫兹辐射，并且评估单元(12)或太赫兹接收单元在被动的太赫兹接收单元(4)的信号幅值(S4)中将不与按照规定的分界面对应的测量峰值确定为缺陷部位，尤其是包括确定所述缺陷部位的位置和/或形状和/或大小。

6.按照上述权利要求之一所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述数据连接(10)在所述单元(3、4)之间进行或从中央的评估单元(12)至所述单元(3、4)进行。

7.按照权利要求6所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述数据连接(10)分别在两个相邻的单元(3、4；4、4)之间进行，例如作为总线系统分别在两个相邻的单元之间进行。

8.按照上述权利要求之一所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，发射用的太赫兹发射和接收单元(3)输出同步信号(S1)、例如作为用于确定发射时刻(t0)的触发信号或作为模拟的锯齿波信号，其中，被动的太赫兹接收单元(4)由同步信号(S1)确定发射时刻(t0)。

9.按照上述权利要求之一所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述太赫兹发射和接收单元(3)构成为主单元，而所述至少一个被动的太赫兹接收单元(4)构成为从单元。

10.按照上述权利要求之一所述的太赫兹测量装置(1)，其特征在于，所述太赫兹发射和接收单元(3)尤其是全电子地借助偶极子发射在0.01至10THz、尤其是100GHz至3THz之间的频率范围中的太赫兹辐射。

11.用于测量试验对象(2)、特别是管(2)的太赫兹测量方法，在该太赫兹测量方法中太赫兹发射和接收单元(3)沿着其光轴(C-3)发射太赫兹辐射(6a)并且探测由该试验对象(2)反射的太赫兹辐射(6a)，其中，由运行时间测量确定至少一个时间差(Δt)并且由此确定距离(d1、d2、d3、d4)，

其特征在于，

此外，至少一个被动的太赫兹接收单元(4)接收由太赫兹发射和接收单元(3)发射的且在试验对象(2)上反射的第二太赫兹辐射(6b)并且由此确定至少一个第二距离，所述被动的太赫兹接收单元的光轴(C-4)相对于太赫兹发射和接收单元(3)的光轴(C-3)位错或倾斜地设置，其中，为了确定第二距离考虑用于确定发射时刻(t0)的同步信号(S1)。

12.按照权利要求11所述的太赫兹测量方法，其特征在于，所述同步信号(S1)由太赫兹发射和接收单元(3)传输至太赫兹接收单元(4)。

13.按照权利要求12所述的太赫兹测量方法，其特征在于，所述太赫兹发射和接收单元(3)将同步信号(S1)输出给所述至少一个太赫兹接收单元(4)，以用于确定发射时刻(t0)，并且太赫兹接收单元(4)由发射时刻(t0)和反射的第二辐射的信号幅值(S4)确定运行时间(Δt3，Δt4)并且由此在考虑存储的关于几何布置结构的数据、尤其是太赫兹发射和接收单元(3)的光轴和太赫兹接收单元(4)的光轴(C-3、C-4)彼此间的距离和/或角度的情况下确定几何距离。

14.按照权利要求11至13之一所述的太赫兹测量方法，其特征在于，至少两个、尤其是多于两个太赫兹发射和接收单元(3)彼此同步，其中，相继进行太赫兹测量，在所述太赫兹测量中分别一个所述太赫兹发射和接收单元(3)主动地发射太赫兹辐射(5)而另外的太赫兹发射和接收单元作为被动的太赫兹接收单元(4)测量反射的辐射，并且接着另一个所述太赫兹发射和接收单元(3)发射太赫兹辐射(5)而至少一个另外的太赫兹发射和接收单元作为被动的太赫兹接收单元(4)探测太赫兹辐射。

15.按照权利要求11至14之一所述的太赫兹测量方法，其特征在于，由反射的第一和/或第二太赫兹辐射(6a、6b)的测量确定与分界面的距离或在试验对象(2)的分界面之间的距离并且此外由探测的第二太赫兹辐射(6b)附加地确定与在试验对象(2)中或上的缺陷部位的距离，尤其是由未在试验对象的按照规定的分界面上已反射的反射的太赫兹辐射。

16.按照权利要求15所述的太赫兹测量方法，其特征在于，所述太赫兹接收单元(4)分别确定一个或多个缺陷部位(10、110)的位置点量，并且由多个位置点量确定各个缺陷部位(10、110)的位置和/或大小和/或形状。

17.按照权利要求11至16之一所述的太赫兹测量方法，其特征在于，所述运行时间测量实现为在时域中的测量、例如在脉冲的太赫兹辐射的情况下实现为在时域中的测量，或实现为在频域中的测量、例如在频率调制的情况下实现为在频域中的测量。

18.按照权利要求11至17之一所述的太赫兹测量方法，其特征在于，管作为试验对象(2)被测量，所述管垂直于由太赫兹辐射确定的探测平面被输送，尤其是在连续过程中连续地被输送，其中，所述管(2)被全面地测量。