DE10149317A1

DE10149317A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Dichtevariationen

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Publication number: DE10149317A1
Application number: DE2001149317
Authority: DE
Inventors: Martin G Schinker; Heinrich Spiecker
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-10-06
Also published as: DE10149317B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung und ein Verfahren, die dielektrischen Eigenschaften bzw. die Dichtevariationen entlang einer Meßspur in nicht leitenden Materialien mit Hilfe der logarithmischen Messung der Ausbreitung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen durch ein erfindungsgemäßes Sende-Empfangs-Antennensystem zu messen. Die Form und die Größe des erfindungsgemäßen Antennensystems erlaubt die mikroskopische Analyse von oberflächennahen Bereichen von Proben beliebiger Form. Die Messungen können mit hoher Abtastgeschwindigkeit bei hoher örtlicher Auflösung durchgeführt werden. Durch die Verwendung von hochfrequenten Wellen geringer Intensität (5 mW bis 50 mW) und geringer Frequenz (10·5· Hz bis 10·10· Hz) ist das Verfahren frei von gesundheitsgefährdender Strahlung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zur hochauflösenden, kontinuierlichen Vermessung der Dichteverteilung in elektrisch nicht leitenden, inhomogenen Materialien, wie z. B. Holz, in einer nicht-destruktiven Weise.
Die wachstumsbedingte Dichtevariation von Holz ist ein wesentliches Strukturmerkmal von Bäumen und somit maßgebend für die Entstehung von Jahrringen und Zuwachszonen anderer Periodizität. Die Ermittlung des Radialzuwachses und der Dichteverteilung von Holzstrukturen z. B. in Stammquerschnitten ist von großem Interesse in der Dendrochronologie, Dendroökologie und Dendroklimatologie, in der Klima- und Umweltforschung. Ein anderes wichtiges Einsatzgebiet der Bestimmung der Dichteverteilung liegt in der Forstwirtschaft bei der Bewertung der Qualität der Baumstämme für die Weiterverwertung des Holzes z. B. in der Papierindustrie, in der Parkettfertigung, im Möbelbau und im Bausektor.
Mehrere verschiedene Methoden der Dichte-Bestimmung wurden bisher in Industrie und Labor erarbeitet. Die gravimetrische Methode, bei der eine Probe geschliffen und gewogen wird und anschließend nach kleinen Abspanschritten gemessen wird, ist die direkteste Methode, aber auch die langwierigste.
Eine viel verwendete, hoch auflösende, jedoch zeitaufwenige Methode zur Messung der wachstumsbedingten Dichtevariation in Holzpräparaten stellt das röntgendensitometrische Verfahren dar. Varianten dieses Verfahrens werden beispielsweise in den Patentschriften SI 9700184 und US 5,970,116 sowie einem Fachartikel von Schweingruber offengelegt. Hierzu werden meist sorgfältig senkrecht zur Baumachse orientierte und dickenkalibrierte Präparate aus Baumscheiben herausgesägt. Anschließend wird mit Lösungsmitteln der Ligninanteil aus dem Zeilverbund herausgeschwemmt. Vom verbleibenden Zellulosegerüst der Zellen wird dann mittels einer nahezu punktförmigen, weit entfernten Röntgen-Lichtquelle ein Schatten der Holzstruktur auf einen für Röntgen-Strahlung sensibilisierten, dicht unterhalb des Holzpräparates angebrachten Planfilmstreifen geworfen, der nach Maßgabe der Absorption der Röntgen-Strahlung durch die unterschiedlichen morphometrischen Eigenschaften der Holzzellen mehr oder weniger stark belichtet wird. Nach der chemischen Entwicklung des Filmstreifens gibt dieser im Schwärzungsbild die reziproke Dichteverteilung der Holzzellen wieder. Schließlich wird in einem Mikrodensitometer der belichtete Filmstreifen hinsichtlich der Schwärzungs-Dichteverteilung mit Hilfe eines sehr feinen Blendenspaltes abgetastet und die aus der lokalen Filmschwärzung über ein Kalibrierverfahren ermittelte Holzdichte gegen den Abtastweg aufgetragen.
Wie man erkennt, sind diese röntgendensitometrischen Meßverfahren sowohl präparativ als auch apparativ sehr aufwendig und damit kostenintensiv. Zudem lassen sich nur relativ kleine Ausschnitte aus Baumscheiben in einem Arbeitsgang untersuchen, nicht jedoch große und insbesondere ganze Stammquerschnitte. Für das lückenlose Zusammenfügen röntgendensitometrisch gewonnener Dichtedaten ganzer Stammscheiben ist folglich ein zusätzlicher Aufwand nötig, der, ebenso wie die verschiedenartigen Präparationsschritte an der Holzprobe und am Röntgen-Film zu geometrischen Fehlern führen kann.
Weiterhin wird das lokale Auflösungsvermögen der röntgendensitometrischen Dichtemessung u. a. durch die Abbildungseigenschaften des Schattenwurfs bestimmt. Auch bei Verwendung idealer, punktförmiger Röntgen-Lichtquellen und bei parallelem Lichteinfall wird infolge der unvermeidbaren Volumen-Streuung der Röntgen-Strahlung im Holzpräparat das anfangs enge Lichtbündel beim Durchtritt durch die mm-dicke Holzprobe aufgeweitet und somit die Schärfe des Schattenwurfs verschmiert. Zudem wird die Abbildungsqualität durch die wachstumsbedingte Fehlorientierung der Zellanordnungen längs der Jahresringgrenzen parallel zur Baumachse verschlechtert.
Für den Belichtungsvorgang wird eine Strahlungsquelle benötigt und dies birgt die bekannten Gefahren der Verwendung ionisierender oder Röntgen-Strahlung von Gesundheitsschäden für die Anwender dieses Verfahrens.
Ein weiterer Nachteil der bisherigen Technik ist die Zerstörung der Probe im Vorbereitungsprozess, was den Einsatz dieser Methoden weitgehend limitiert. Auch haben die Geräte hohe Anschaffungskosten und eine genaue Kenntnis der Gerätehandhabung durch den Benutzer ist unerläßlich.
In der Patentschrift SE 9601083 wird eine zerstörungsfreie Meßmethode offengelegt, aber auch hier werden Röntgenstrahlen mit ihrem bekannten gesundheitlichen Gefahrenpotential benutzt.
Aus US 3,784,905 ist ein Meßverfahren zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften von Asphaltaufbauten in Straßen bekannt, bei dem ein großer schlittenartiger Kondensator über die zu untersuchende Oberfläche geführt wird. Die Kapazität des Kondensators wird durch die dielektrischen Eigenschaften des Straßenaufbaus beeinflußt. Die hierdurch verursachte Veränderung der Kondensatorkapazität bewirkt die Verstimmung eines Meßschwingkreises, wobei die Frequenzverschiebung des Schwingkreises als ein Maß für die dielektrischen Eigenschaften des Straßenaufbaus bewertet wird. Das Verfahren arbeitet mit einer Frequenz um 10⁵ Hz. Die Kondensatorfläche liegt im Bereich um einen halben Quadratmeter. Eine Anwendung dieses Verfahrens zur Bestimmung der Dichtevariationen in Holz wird nicht beschrieben und würde wegen der Konstruktion des Messkondensators auch nicht die geforderte Auflösung bieten.
Mit dem gleichen Ziel der Bewertung von Asphaltaufbauten arbeitet das in US 5,900,736 vorgestellte Verfahren, bei dem die Impedanzänderung eines großen Meßkondensators ausgewertet wird, die sich im dabei verwendeten Frequenzbereich von 50 Hz bis 50 kHz ergeben, wenn der Meßkondensator über die Oberfläche bewegt wird. Auch hier ist die für die Untersuchung von Holz geforderte Auflösung nicht zu erwarten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Dichtevariabilität in elektrisch nicht leitenden, inhomogenen Materialien zu schaffen, die die bekannten Nachteile des Standes der Technik beseitigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Meßverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften weder die Verstimmung eines Meßschwingkreises durch die Variation des Mediums welches im Meßkondensatorfeld liegt, noch die Impedanzänderung ausgenutzt, vielmehr die Verkopplung der Energie zwischen einem Festfrequenzoszillator und einem Festfrequenzdetektor über ein aperiodisches Sende-Empfangs-Antennensystem.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß bei geringem präparativen und apparativen Aufwand großflächige ebene Probenoberflächen mit hoher Geschwindigkeit hinsichtlich der Dichteverteilung abgetastet werden können. Die beim sonst üblichen Meßverfahren (Röntgendensitometrie) nötige Zerteilung der Proben kann bei diesem Verfahren entfallen. Durch das erfindungsgemäße Meßverfahren und die hierfür entwickelte Vorrichtung läßt sich z. B. die Holzdichte entlang von Radien auf eben gefrästen Stammscheiben mit hoher Meßgeschwindigkeit abtasten und mit den Jahrringkoordinaten verknüpfen, wobei z. B. die Lage der Jahrringgrenzen, die periodischen Radialzuwächse und intraannuelle Dichteschwankungen mit hoher Genauigkeit bei geringem präparativen und zeitlichen Aufwand bestimmt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird lediglich eine Werkstoffoberfläche vorausgesetzt, die den Kontakt zur Meßsonde zuläßt. Eine Gesundheitsgefahr durch ionisierende Strahlen besteht nicht.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren und die Meßapparatur werden nun mit Bezugnahme auf die nur ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 die schematische Darstellung der Meßvorrichtung,
Fig. 2 einen Meßschrieb (a) nach Anwendung der röntgendensitometrischer und (b) nach Anwendung der erfindungsgemäßen Meßmethode des in (c) dargestellten Stammquerschnitts und
Fig. 3 exemplarische, schematische Darstellungen einiger möglicher Sondentypen.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren besteht darin, daß die Meßvorrichtung einer speziellen, erfindungsgemäßen Tastsonde entlang der interessierenden Oberflächenstrukturen, z. B. Jahrringen und anderen Zuwachszonen, bewegt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der quasi-mikroskopischen Charakterisierung der dielektrischen bzw. Dichteeigenschaften von glatten, bevorzugt ebenen, elektrisch nicht oder sehr schlecht leitenden Oberflächen, z. B. von großen Holzpräparaten.
Ein Ausführungsbeispiel der Meßvorrichtung besteht aus folgenden funktionellen Einheiten (siehe Abb. 1):

- einem Hochfrequenz-Generator (1);
- einer kurzen Verbindung (2) zwischen Generator (1) und Sendeantenne (3b) der Sonde (3);
- der Sonde (3) mit Meßspalt (3a), Sendeantenne (36) und Empfangsantenne (3c);
- einer kurzen Verbindung (4) zwischen der Empfangsantenne (3c) der Sonde (3) und der Detektoreinheit (5);
- der Detektoreinheit (5);
- dem Auswerterechner (6) sowie
- dem Probentisch (8).

Als Hochfrequenz-Generator (1) dient ein Oszillator, der beispielsweise eine quarzstabilisierte Festfrequenz im Bereich von 10⁵ Hz bis 10¹⁰ Hz mit einer Leistung im Bereich von 5 mW bis 50 mW liefert. Die Ausgangsimpedanz des Generators muß dabei an die Impedanz der Sendeseite der Testsonde angepaßt werden.
Die kurzen Verbindungen (2) und (4) werden vorteilsweise durch ein Koaxialkabel geleistet. Diese Kabel sollten vorteilshaft eine möglichst geringe Kapazität aufweisen, weil sie zusammen mit der internen Sondenkapazität bei optimaler Abstrahlung mit dem Ausgangskreis des Generators möglichst in Resonanz sein sollten. Die Kabel sollten durch ein Außengeflecht, das hinreichend dicht ist, abgeschirmt sein, andernfalls kann durch die Maschen des Geflechts Störstrahlung zur Empfangsantenne gelangen. Bei höheren Frequenzen, oberhalb 10⁹ Hz, sollte vorteilhafterweise anstelle eines Metallgeflechts eine massive Rohrabschirmung verwendet werden um das Übersprechen zwischen den Sende- und Empfangskabeln zu unterbinden.
Die Meßvorrichtung der in Abb. 1 exemplarisch dargestellt Tastsonde (3) für die Anwendung zur Messung von Dichtevariationen in Holzoberflächen besteht aus zwei sehr eng benachbarten, gleichartigen, parallelen dünnen Metallstreifen (36 und 3c), die gegeneinander durch eine weitere gleichartige Metallfolie (3d) abgeschirmt sind, wobei einer der Streifen als "Sendeantenne" (36), der andere Streifen als "Empfangsantenne" (3c) fungiert. Die beiden Antennen (36 und 3c) sind in einer Ausführungsform aus sehr dünner Beryllium-Kupfer-Bronze-Folie (z. B. 25 µm Dicke) hergestellt und voreinander durch eine etwa gleich dicke Be-Cu-Bronze-Folie (3d) gegeneinander abgeschirmt. Diese Mittenabschirmung (3d) befindet sich auf Massepotential zusammen mit dem massiven Metallgehäuse (3f) der Sonde. Die beiden Antennen sind gegen Masse durch insgesamt vier sehr dünne, hochwertige dielektrische Folienstücke (3e) aus z. B. Glimmer elektrisch isoliert. Die Folien der beiden Antennen bilden so zusammen mit dem Koaxialkabel und dem Abschirmungen jeweils einen Kondensator von ca. 50 pF bis 150 pF. Eine andere Ausführungsform einer Sende- und Empfangsantennen-Kombination entsprechend dem Stand der Technik, z. B. in Dünnschichttechnologie, ist ebenfalls vorstellbar.
Die beiden Antennen bilden zusammen mit der Metalltrennfolie und dem Gehäuse den eigentlichen Meßspalt (3a), der mit dem Gehäuseboden bündig sein soll, was beispielsweise durch Schleifen und Polieren erreicht werden kann.
Da die Tastsonde bei der eigentlichen Messung in möglichst engem Kontakt mit der Holzoberfläche über die Probe bewegt wird, sollte zur Verminderung von Verschleiß die Bodenfläche der Sonde zusammen mit den beiden eingebetteten Antennen mit einem dielektrischen Hartstoff (z. B. Aluminiumnitrid oder Diamant) wenige Mikrometer dick plasmabeschichtet werden. Der Sondenkörper sollte aus einem elektrisch leitenden, hinreichend verschleißfesten Material bestehen (z. B. härtbarer Stahl). Zur optimalen Positionierung der Meßsonde relativ zur Probenoberfläche (7) kann die Meßsonde (3) wie in Abb. 1 dargestellt, mittels eines Kugelgelenkes (9) justiert werden.
Wird nun die Sendeantenne mit dem Hochfrequenzgenerator verbunden, so werden elektromagnetische Wellen in den freien Raum vor dem Meßspalt abgestrahlt und die gestreute Strahlung in sehr geringem Umfang von der benachbarten Empfangsantenne wieder aufgefangen. Der Abstand der im Meßspalt der Tastsonde parallel angeordneten Sende- bzw. Empfangsantenne bestimmt bei diesem Meßverfahren das laterale Auflösungsvermögen. Bei der Anwendung an Holzquerschnittsflächen z. B. sind die Abmessungen der Sende- und Empfangsantennen mit weniger als 2 mm Länge klein gegenüber der Wellenlänge von z. B. 30 mm bei der höchsten Frequenz von 10¹⁰ Hz, so daß die Antennen weitab vom Resonanzbetrieb aperiodisch arbeiten. Die äußere Form der Tastsonde ist zunächst ein Kegel, dessen Spitze, z. B. mittels Schleifen, in beliebige der Meßproblematik angepaßte Formen, z. B. auch ein konkretes Profil, gebracht werden kann. Die Meßvorrichtung der Tastsonde sollte mit geringer Kraft (wenige Newton) gegen die Oberfläche des Präparates gepreßt werden um sicherzustellen, daß die elektromagnetischen Wellen der Sendeantenne sich möglichst nur durch den zu untersuchenden Werkstoff zur Empfangsantenne ausbreiten, nicht jedoch durch einen möglichen Luftspalt. Zwischen der Sende- und Empfangsantenne erfolgt eine Kopplung der elektromagnetischen Strahlung und der Energietransport längs eines Feldraumes, das einerseits durch die geometrischen Abmessungen (Länge und Abstand der Antennen) des Meßspaltes und andererseits durch die dielektrischen Eigenschaften des durch den Feldbereich in der zu untersuchenden Probe bestimmt wird. Mit ansteigender Permittivitätszahl ε_r(= 1,00059 für Luft und 1,3 bis über 2,0 für unterschiedliche Holzarten) nimmt die Streukapazität zu, die durch den materiegefüllten Streukondensator zwischen den mikroskopisch kleinen Sende- und Empfangsantennen gebildet wird. Die Höhe der von der Sonde detektierten Feldstärke ergibt sich u. a. aus dem Wert der durch die Sonde gebildeten Koppelkapazität, d. h. aus der Pemittivitätszahl der Materie längs der Ausbreitungsstrecke zwischen Sende- und Empfangsantenne und den geometrischen Verhältnissen der Sende- und Empfangsantennen.
Die Detektoreinheit (5) besteht beispielsweise aus einem Anpaßverstärker (5a) für das sehr schwache Streusignal der Empfangsantenne, einem Bandfilter (5b) für die Frequenz des Generators (1), einem mehrstufigen linearen, oder vorteilhafterweise logarithmischen Verstärker (5c) mit Gleichrichtung und hoher Dynamik (z. B. Meßumfang 80 bis 100 dB), hoher Linearität (Abweichung ± 1 db) und hoher Empfindlichkeit (z. B. - 90 dBm). Das verstärkte und mit einer logarithmischen Kennlinie gleichgerichtete Empfangssignal setzt sich aus einem Offset-Signal und dem eigentlichen Nutzsignal zusammen, das sich während der Abtastung der Jahrringe als überlagerte niederfrequente Wechselspannungskomponente ergibt. Diese Wechselspannungskomponente wird zunächst durch einen Tiefpaß (5d) von hochfrequenten Rauschanteilen, in einem Niederfrequenzverstärker (5e) von dem Gleichspannungs-Offset-Signal befreit und schließlich auf einen Normpegel von 0 bis 10 Volt nachverstärkt.
Ein anders aufgebauter Detektor mit im wesentlichen gleichen Eigenschaften ist ebenfalls vorstellbar und in dem Meßverfahren einsetzbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften weder die Verstimmung eines Meßschwingkreises durch die Variation des Mediums welches im Meßkondensatorfeld liegt, noch die Impedanzänderung ausgenutzt, vielmehr die Verkopplung der Energie zwischen einem Festfrequenzoszillator und einem Festfrequenzdetektor über ein aperiodisches Sende-Empfangs-Antennensystem.
Bei Holzoberflächen z. B. bestimmt das wachstumsbedingte Verhältnis von Zellulose und anderen Zellbestandteilen in den Zellwänden zu Luft in den Zell-Lumina die relative Permittivität der Zellstruktur längs der Zuwachszonen. Dichteunterschiede, die sich z. B. durch großlumige und engwandige Frühholzzellen im Vergleich zu kleinlumigen und dickwandigen Spätholzzellen ergeben, gehen somit direkt in die dielektrischen Eigenschaften des Holzes ein, d. h. je dichter die Holzstruktur ist, desto höher ist die Permittivität längs der Ausbreitungsstrecke zwischen Sende- und Empfangsantenne und damit die an der Empfangsantenne detektierte Feldstärke.
Die an der Empfangsantenne induzierte hochfrequente Spannung wird in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung verstärkt und mittels eines logarithmischen Detektors in eine Gleichspannung umgewandelt und registriert.
Das so bearbeitete Meßsignal kann danach zur Registrierung einem Analog-Digitalwandler im Auswerterechner (6) zugeführt werden, der auch die Steuerung des Linearverschiebetisches (8) zur Positionierung und Vermessung der Lage der Jahrringe in der Holzprobe (7) übernimmt.
Die Komponenten Hochfrequenz-Generator (1) und Detektoreinheit (5) können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, das durch die beiden Koaxialkabel (2) und (4) mit der eigentlichen Meßsonde (3) verbunden ist. Hierbei ist jedoch auf höchste gegenseitige Abschirmung zum Beispiel mittels überlappender Gehäusewände zu achten. Es muß verhindert werden, daß vagabundierende Strahlung des Generators über Lecks im Gehäuse zum Eingang des Detektors gelangen und diesen übersteuern kann.
Die Montage der Komponenten der Meßsonde, die teilweise sehr geringe Abmessungen aufweisen, erfolgt unter einem Mikroskop. Andere Methoden der Herstellung sind aber auch denkbar. So läßt sich das Antennensystem der Meßsonde beispielsweise in Dünnschichttechnik herstellen, wodurch eine weitere Miniaturisierung mit erhöhtem örtlichen Auflösungsvermögen realisiert werden kann.
In Abb. 2 sind zum Vergleich Meßbeispiele wiedergegeben, die an einer Fichtenprobe an eng benachbarten Bereichen der gleichen Jahrringe gewonnen wurden, und zwar zeigt Abb. 2a die mittels der Röntgendensitometrie gewonnene Meßkurve, die Abb. 26 die mittels des hier vorgestellten, erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnene Meßkurve und Abb. 2c den entsprechenden Bereich der Holzoberfläche.
Aus dem Basissystem der Meßsonde lassen sich weitere Sondentypen ableiten, die den analytischen Erfordernissen angepaßt werden können. In Abb. 3 sind beispielsweise einige mögliche Spalttypen (3a) der Sonde (3) exemplarisch dargestellt. Die verwendeten Abkürzungen T, C und R stehen für Transmitter (Sender), Case (Abschirmung) und Receiver (Empfänger). Die Abb. 3.1-3.3 stellen lineare Meßspalte mit unterschiedlicher Spaltlänge dar. In Fig. 3.4 ist eine kolineare Antennenreihe (1 bis n Detektorkanäle), die unabhängig voneinander über die Kanäle 1 bis n die zu untersuchende Oberfläche analysieren kann, dargestellt. Fig. 3.5 zeigt eine bogenförmige Anordnung von Meßsonden für die simultane Messung der Dichtevariationen in einem gebogene, dreidimensionalen Körper. Des weiteren stellt Fig. 3.6 den Aufbau einer Antenne für die serielle Abtastung mittels einer Sonde dar, die auf unterschiedlichen Anregungsfrequenzen arbeitet und somit eine spektrale Analyse, z. B. mittels einem Spektralanalysator mit Trackinggenerator oder einem Vektoranalysator ermöglicht, woraus sich frequenzabhängige dielektrische Eigenschaften ableiten lassen. Fig. 3.7 und Fig. 3.8 zeigen den beispielsweisen Aufbau von rotationsförmigen Spaltsonden, wie sie beispielsweise für Bohrlochanalysen eingesetzt werden können. Diese Sonden können in ein- oder n-kanaliger Ausführung hergestellt werden. In Fig. 3.9 ist eine Ausführungsform einer Sonde zur Analyse von Klüften wiedergegeben. Alle Darstellungen dienen der Anschauung und begründen keine Einschränkung der möglichen Antennenformen für allgemeine und spezielle Anwendungen.
Beim Abtasten einer Stammquerschnittsfläche längs einer Linie quer zu den Jahrringen z. B., ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung z. B. auf diese Weise die Dichteverteilung der oberflächennahen Zone längs der Meßlinie, wobei die geometrische Auflösung in etwa den Abmessungen des Spaltes entspricht. Geht man von einer zylinderförmigen Feldverteilung im Meßspalt aus, so ist die Meßtiefe in etwa gleich dem Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne.
Während der Messung muß der Meßspalt der Tastsonde in innigem Kontakt zum Werkstoff über dessen Oberfläche geführt werden, weil andernfalls durch den möglicherweise vorhandenen Luftspalt zu geringe Dichtewerte ermittelt werden. Diese Gefahr ist bei Holzpräparaten jedoch relativ gering, weil wegen der geringen Steifigkeit der Holzstruktur bereits bei geringer Anpreßkraft der Tastsonde der direkte Kontakt zu den Holzzellen hergestellt werden kann. Jedoch können auch für sehr steife Materialien mit charakteristischen Zuwachszonen, wie z. B. polierte Achatscheiben, abscheidungsbedingte Dichtevariationen ermittelt werden, wenn durch geeignete Formgebung der Sonde im Bereich des Meßspaltes für den notwendigen Kontakt gesorgt wird.
Grundsätzlich gilt bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren, daß die zu untersuchenden Oberflächen hinreichend trocken sein müssen, weil freies Wasser wegen seiner hohen Permittivitätszahl (= 80) zu einer Verfälschung der Meßergebnisse führen würde. Dies wurde auch schon für die in US 3,784,905 vorgestellte Dichtemessung beschrieben. Literaturverzeichnis Schweingruber, F. H. (1990): Radiodensitometry. In: Cook, E. R & KairiukstsS, A.: Methods of Dendrochronology. Kluver, Dordrecht, 55-63.

Claims

1. Eine Vorrichtung zur Messung der dielektrischen Eigenschaften eines Substrats (7), dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsverhalten von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen in dem zu untersuchenden Medium zur Messung ausgenutzt wird.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sende-Empfangs-Antennensystem (3a), welches sich in einer Meßsonde (3) befindet, über die zu untersuchende Oberfläche (7) geführt wird.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sende-Empfangs-Antennensystem (3a) mikroskopisch klein ausgebildet ist.

4. Eine Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sende-Empfangs-Antennensystem (3a) durch einen Hochfrequenz-Generator (1) mit quarzstabilisierter Festfrequenz im Bereich von 105 Hz bis 1010 Hz angeregt wird.

5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sende-Empfangs-Antennensystem (3a) durch einen Hochfrequenz-Generator (1) mit einer Leistung im Bereich von 5 mW bis 50 mW angeregt wird.

6. Eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldstärkeverteilung im Nahfeld der bewegten Meßsonde entlang der Meßspur mittels eines logarithmischen Hochfrequenzdetektors (5) analysiert und mit den Ortkoordinaten in einer Rechnereinheit (6) korreliert wird.

7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Meßsonden (3) unterschiedlichster Geometrie verwendet werden können (z. B. Einzelspalt, kolineare Spalte, gekrümmter Spalt, rotationsförmiger Meßspalt, . . .) die so den geometrischen Erfordernissen der Untersuchungsobjekte (7) angepaßt werden können.

8. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein serieller Meßspalt, der aus n Einzelspalten aufgebaut ist, auf unterschiedlichen Frequenzen f₁ . . . f_n betrieben wird und dadurch eine Spektralanalyse ermöglicht.

9. Eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Messsonde (3) mittels einer Kugelpfanne (9) in engsten Kontakts mit der Probenoberfläche (7) und hinsichtlich der exakten Ausrichtung des Messspalts (3a) relativ zu den zu untersuchenden Strukturen (7) positioniert werden kann.

10. Ein Verfahren zur Messung der dielektrischen Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsverhalten von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen in dem zu untersuchenden Medium zur Messung ausgenutzt wird.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verkopplung der Energie zwischen einem Festfrequenzoszillator und einem Festfrequenzdetektor über ein aperiodisches Sende-Empfangs- Antennensystem zur Messung benutzt wird.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Vermessung der Dichteverteilung in elektrisch nicht oder nur schlecht leitenden, inhomogenen Materialien durchgeführt wird.

13. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein mikroskopisch kleines Sende-Empfangs- Antennensystem, welches sich in einer Meßsonde (3) befindet, relativ zur untersuchenden Oberfläche geführt wird.

14. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine logarithmische Detektion vorgenommen und diese mit der Dichteverteilung korreliert wird.

15. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Meßsonden unterschiedlichster Geometrie verwendet werden können (z. B. Einzelspalt, kolineare Spalte, gekrümmter Spalt, rotationsförmiger Meßspalt, . . .), die so den geometrischen Erfordernissen der Untersuchungsobjekte angepaßt werden können.

16. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung einer Sonde nach Fig. 3.6 eine Spektralanalyse durchgeführt wird, wobei die Einzelspalte der Sonde mit unterschiedlichen Frequenzen erregt und so der abgetastete Probenbereich quasi-simultan analysiert wird.