DE1260617B

DE1260617B - Method and device for determining electrical and / or magnetic parameters of an electrically non-conductive material by measuring resonance with microwaves

Info

Publication number: DE1260617B
Application number: DE1962E0023874
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Hans-Jochen Krumme
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1962-11-16
Filing date: 1962-11-16
Publication date: 1968-02-08
Also published as: SE323141B; GB1006523A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln elektrischer und/oder magnetischer Kenngrößen eines elektrisch nichtleitenden Stoffes durch Resonanzmessung bei Mikrowellen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln elektrischer und/oder magnetischer Kenngrößen eines elektrisch nichtleitenden Stoffes durch Resonanzmessung bei Mikrowellen, indem der Prüfling in ein durch einen Mikrowellengenerator beaufschlagtes Hohlleitergebilde eingebracht wird und die gesuchten Kenngrößen mit Hilfe einer Auswerteeinrichtung ermittelt werden.Method and device for determining electrical and / or magnetic Characteristics of an electrically non-conductive substance through resonance measurement with microwaves The invention relates to a method for determining electrical and / or magnetic Characteristics of an electrically non-conductive substance through resonance measurement with microwaves, by placing the test specimen in a waveguide structure acted upon by a microwave generator is introduced and the required parameters with the help of an evaluation device be determined.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens. The invention also relates to a device for exercising the Procedure.

Es ist bereits bekannt, zum Ermitteln, z. B. von Permeabilitäts- oder Dielektrizitätskonstanten, Materialproben in Wellenleiter, insbesondere Resonatoren, einzubringen und die dadurch hervorgerufenen Sinderungen der Resonanzdaten zu bestimmen (Proc. It is already known to determine, e.g. B. of permeability or dielectric constants, material samples in waveguides, especially resonators, and to determine the resulting reductions in the resonance data (Proc.

IEE 107, November 1960, 8. 522 bis 527; IRE Transactions on Mikrowave Theory and Technics, Juli 1960, S. 402 bis 410).IEE 107, Nov. 1960, pp. 522-527; IRE Transactions on Microwave Theory and Technics, July 1960, pp. 402-410).

Die bekannten Meßmethoden gestatten aber nur die Untersuchung von Probestücken, die etwa in Form von kurzen zylindrischen Stäben mit geringem Durchmesser oder in Form von kleineren Streifen vorliegen. Es ist infolgedessen notwendig, daß aus dem Stoff, dessen Kenngrößen ermittelt werden sollen, zunächst einmal ein Prüfling mit den erforderlichen Abmessungen hergestellt wird. The known measurement methods only allow the investigation of Test pieces roughly in the form of short cylindrical rods with a small diameter or in the form of smaller strips. It is therefore necessary that First of all, a test object from the substance whose parameters are to be determined is made with the required dimensions.

Die Meßergebnisse, die unter Verwendung dieses Prüflings erhalten werden, müssen dann als für den gesamten Stoff geltend angesehen werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die elektrischen und magnetischen Kenngrößen, z. B. einer aus der laufenden Produktion stammenden großflächigen Platte oder Folie, nicht über deren gesamte Oberfläche gleichmäßig sind, so daß die mittels als Proben dienenden kleineren Prüflingen erhaltenen Meßergebnisse praktisch nur für denjenigen Teil der Platte oder Folie, aus dem die Probe entnommen ist, maßgeblich sind. The measurement results obtained using this specimen must then be regarded as applicable to the entire substance. It has however, it has been shown that the electrical and magnetic parameters, e.g. B. one Large sheet or film from ongoing production, not over whose entire surface are uniform, so that the means used as samples measurement results obtained practically only for that part of smaller test objects the plate or film from which the sample is taken are relevant.

Die bisher bekannten, mit Resonanzmessungen bei Mikrowellen arbeitenden Meßverfahren erlauben jedoch nicht eine fortlaufende Untersuchung der gesamten Oberfläche einer in zwei Dimensionen beliebig ausgedehnten Platte oder Folie, ohne daß diese durch die Herstellung von Proben zerstört werden müßte. Zwar ist durch »Electronics«, 33 (1960), Nr. 49 vom 2. 12. 1960, auch die Messung der Dielektrizitätskonstanten von in zwei Dimensionen beliebig ausgedehnten Prüflingen bekannt, jedoch handelt es sich dort um ein Energiereflektionsverfahren, das eine geringere Meßgenauigkeit als das Resonanzverfahren bedingt. The previously known, working with resonance measurements in microwaves However, measuring methods do not allow a continuous examination of the entire surface a plate or foil that is arbitrarily extended in two dimensions, without this would have to be destroyed by making samples. It is true that through »Electronics«, 33 (1960), No. 49 of December 2, 1960, also the measurement of the dielectric constant of test objects which are arbitrarily extended in two dimensions, but is a matter of fact it is an energy reflection method that has a lower measurement accuracy than the resonance method.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich daher mit der Aufgabe, ein Verfahren zum Ermitteln elektrischer und/oder magnetischer Kenngrößen eines elektrisch nichtleitenden Stoffes durch Resonanzmessung bei Mikrowellen zu schaffen, das in einfacher Weise die genaue und schnelle Untersuchung insbesondere von solchen Prüflingen gestattet, die folien- oder plattenförmig ausgebildet und in zwei Dimensionen (Länge und Breite) beliebig ausgedehnt sind. Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ankopplung des Mikrowellengenerators einerseits sowie der Auswerteeinrichtung andererseits an den Prüfling Hohlleiter verwendet werden, deren für die Wellenausbreitung maßgebliche Grenzfrequenz oberhalb der für die Messung benutzten Frequenz des Mikrowellengenerators liegt, und daß für die Messung die »Ghost-Mode«-Erregung der Hohlleiter an der in ihnen durch den Prüfling verursachten Störstelle ausgenutzt wird. The present invention is therefore concerned with the object of a Method for determining electrical and / or magnetic parameters of an electrical to create non-conductive material by resonance measurement in microwaves, which in a simple and precise way of examining such test items in particular allowed to be formed in the form of a sheet or plate and in two dimensions (length and width) are arbitrarily extended. Based on a method of the initially mentioned type, the object is achieved according to the invention in that to Coupling of the microwave generator on the one hand and the evaluation device on the other Waveguides are used on the test specimen whose decisive factor for the wave propagation Cutoff frequency above the frequency of the microwave generator used for the measurement and that the "ghost mode" excitation of the waveguide at the in the point of interference caused by the test object is exploited.

Die Erfindung macht dabei von der an sich bekannten Tatsache Gebrauch, daß in einem Hohlleiter, der unterhalb seiner Grenzfrequenz betrieben wird, entweder durch geringe Abweichungen von seiner exakten Querschnittsform oder durch Einbringen von dielektrischem Material in diesen Störstellen gebildet werden, an denen örtliche Resonanzen, sogenannte »Ghost-Modes« auftreten. Derartige Resonanzerscheinungen sind im einzelnen in Proc. IRE, Februar 1958, S. 416 bis 418, E. T. Jaynes, »Ghost-Modes in Imperfect Waveguides«, beschrieben. The invention makes use of the fact, known per se, that in a waveguide that is operated below its cutoff frequency, either by slight deviations from its exact cross-sectional shape or by introducing it of dielectric material are formed in these imperfections, where local Resonances, so-called "ghost modes" occur. Such resonance phenomena are in detail in Proc. IRE, February 1958, pp. 416-418, E. T. Jaynes, “Ghost Modes in Imperfect Waveguides «.

Eine technische Ausnutzung solcher »Ghost-Mode«-Resonanzen für die Ermittlung von elektri- schen und magnetischen Stoffkonstanten ist jedoch bislang noch nicht erwogen worden. Beim Verfahren nach der Erfindung wird durch Einbringen des Prüflings zwischen die beiden Hohlleiter eine Störstelle erzeugt, an der veränderte Ausbreitungsbedingungen für die Mikrowelle herrschen. An dieser Stelle treten infolgedessen Resonanzen hoher Güte auf (»Ghost-Modes«), deren Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz der verwendeten Hohlleiter liegen. A technical exploitation of such "ghost mode" resonances for the Determination of electrical chemical and magnetic material constants however, it has not yet been considered. In the method according to the invention by inserting the test object between the two waveguides, an interference point is created, at the changed propagation conditions for the microwave prevail. At this As a result, high-quality resonances occur ("ghost modes"), their frequencies are below the cutoff frequency of the waveguide used.

Im Gegensatz zu den bisher bekannten Resonanzmethoden ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht notwendig, daß der Prüfling in Form eines kleineren Probestückes des zu untersuchenden Stoffes vorliegt, sondern er kann beispielsweise eine in Länge und Breite beliebig ausgedehnte Platte oder Folie sein, da die »Ghost-Mode«-Erregung der Hohlleiter auf das gerade zwischen den beiden Hohlleiter befindliche Gebiet der eingebrachten Platte oder Folie örtlich beschränkt ist. In contrast to the previously known resonance methods, it is with However, the method according to the invention not necessary that the test specimen in the form of a smaller sample of the substance to be examined is present, but it can, for example be a plate or foil that is arbitrarily extended in length and width, since the "ghost mode" excitation the waveguide to the area just between the two waveguides the inserted plate or film is locally limited.

Es wird damit ermöglicht, in Länge und Breite praktisch unbegrenzt ausgedehnte Platten oder Folien im Durchlaufverfahren, insbesondere gebietsweise, zu vermessen, wobei über jeder beliebigen Stelle des Materials eine Resonanzmessung durchgeführt werden kann. In erster Linie ist dadurch eine genaue Prüfung auf Gleichmäßigkeit der Meßwerte über die gesamte Fläche des Platten- oder Folienmaterials gewährleistet. Dieses bleibt überdies unzerstört, da sich eine Anfertigung von Probestücken erübrigt. Im Anschluß an die Messungen kann das Material ohne weiteres weiterverarbeitet werden. It is thus made possible, practically unlimited in length and width extensive sheets or foils in a continuous process, especially in certain areas, to be measured, with a resonance measurement over any point of the material can be carried out. First and foremost, this is a precise check for uniformity the measured values are guaranteed over the entire surface of the sheet or film material. In addition, this remains undestroyed, since there is no need to prepare test pieces. Following the measurements, the material can easily be further processed.

Eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verwendeten Hohlleiter an ihren einander zugewendeten Enden jeweils mit Metalifianschen versehen sind, deren Zwischenraum zur Aufnahme des Prüflings bzw. eines entsprechenden Teils des Prüflings dient. Die Metallflansche können vorzugsweise kreisförmig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise beträgt dabei der Durchmesser der Metalffiansche mindestens vier Wellenlängen der für die Messung verwendeten Mikrowellenenergie. Durch die Metallflansche, deren gegenseitiger Abstand jeweils gleich der Dicke des von ihnen aufzunehmenden Prüflings ist, wird sichergestellt, daß sich keine elektromagnetische Energie in den Außenraum ausbreiten kann. A device for performing the method according to the invention is according to a further feature of the invention characterized in that the two used waveguides at their ends facing each other, each with Metalifianschen are provided, the gap between them for receiving the test item or a corresponding one Part of the test item is used. The metal flanges can preferably be circular be. The diameter of the Metalffiansche is advantageously at least four wavelengths of the microwave energy used for the measurement. Through the Metal flanges whose mutual spacing is equal to the thickness of each of them is to be recorded, it is ensured that there is no electromagnetic Energy can spread into the outside space.

Gemäß weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besitzen die verwendeten Hohlleiter entweder rechteckförmige Querschnitte und sind zur Ausbildung des H10-Wellentyps ausgelegt oder sie besitzen kreisförmige Querschnitte und sind zur Ausbildung des Hll-Wellentyps ausgelegt. In beiden Fällen sind dann die Meßergebnisse (Frequenzlage und Bandbreite der »Ghost-Mode«-Resonanz) eindeutig, da die genannten Wellentypen bei den vorgegebenen Abmessungen der Hohlleiter die niedrigsten Grenzfrequenzen besitzen. Have according to a further advantageous embodiment of the invention the waveguides used either have rectangular cross-sections and are used for training of the H10 wave type or they have circular cross-sections and are designed to form the Hll wave type. In both cases the results are then (Frequency position and bandwidth of the "ghost mode" resonance) clearly, as those mentioned Wave types have the lowest cut-off frequencies for the given dimensions of the waveguide own.

In der Zeichnung ist eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt. In the drawing is an embodiment of a device for exercising of the method according to the invention, for example.

Die Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch eine solche Meßvorrichtung in teilweise schematischer Darstellung. The drawing shows a cross section through such a measuring device in a partially schematic representation.

Ein zu vermessender Prüfling 1 besitzt Folienform (Dicke L) und befindet sich in dem Spalt, der durch zwei kreisförmige Metallflansche 5 und 6 gebildet wird. Diese sind an den einander zugewendeten En- den zweier Hohlleiter 3 und 4 so angebracht, daß die einander gegenüberliegenden Seiten der Flansche 5 und 6 zueinander bündig sind. Zweckmäßigerweise werden, was in der Zeichnung nicht genauso dargestellt ist, die Flansche in ihrer Ausdehnung senkrecht zur Achse der Hohlleiter 3 und 4 nach allen Seiten rings um die Hohlleiter mehrere Wellenlängen groß gemacht, damit an diesen Stellen keine elektromagnetische Energie in den Außenraum sich ausbreiten kann. A test object 1 to be measured has a film shape (thickness L) and is located in the gap formed by two circular metal flanges 5 and 6. These are on the facing end the two waveguides 3 and 4 so attached, that the opposite sides of the flanges 5 and 6 are flush with one another are. Appropriately, what is not shown in the drawing, the flanges in their extension perpendicular to the axis of the waveguide 3 and 4 according to made several wavelengths large on all sides around the waveguide, so on These places do not allow electromagnetic energy to spread into the outside space can.

Durch eine in der Zeichnung der Einfachheit halber nicht gezeigte Vorrichtung wird dafür gesorgt, daß die Achsen der beiden Hohlleiter 3 und 4 möglichst präzise übereinstimmen. Außerdem ist vorgesehen, daß die beiden Hohlleiter 3 und 4 mit Hilfe einer solchen Vorrichtung (Halterung od. dgl.) zur Veränderung des Abstandes zwischen den Metallflanschen 5 und 6 in axialen Richtungen gegenseitig verschiebbar sind, um Materialien mit verschiedenen Folienstärken vermessen zu können. By one not shown in the drawing for the sake of simplicity Device ensures that the axes of the two waveguides 3 and 4 as possible match precisely. It is also provided that the two waveguides 3 and 4 with the help of such a device (holder or the like.) To change the distance between the metal flanges 5 and 6 mutually displaceable in axial directions in order to be able to measure materials with different film thicknesses.

Eine solche Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann darüber hinaus auch dahingehend ausgebildet sein, daß verschiedene Formen von Hohlleitern wahlweise eingesetzt werden können, um in verschiedenen Frequenzbereichen arbeiten zu können. Such a device for performing the method according to the invention can also be designed to the effect that different forms of Waveguides can optionally be used in different frequency ranges to be able to work.

Die Hohlleiter 3 und 4 sind jeweils auf beiden Seiten in Achsrichtung offen. Dies kann ohne Nachteile geschehen, da zufolge der Tatsache, daß die Hohlleiter unterhalb ihrer Grenzfrequenzen betrieben werden, ein exponentieller Abfall der Feldstärken nach außen auftritt, so daß an den offenen Enden selbst, insbesondere dann, wenn die beiden Hohlleiter 3 und 4 jeweils mehrere Wellenlängen lang sind, vernachlässigbar geringe Feldstärken bestehen. The waveguides 3 and 4 are each on both sides in the axial direction open minded. This can be done without any disadvantages, since due to the fact that the waveguide operated below their cut-off frequencies, an exponential drop in the Field strengths occurs to the outside, so that at the open ends themselves, in particular when the two waveguides 3 and 4 are each several wavelengths long, There are negligibly low field strengths.

Die Ankopplung des Generators 2 an den Hohlleiter 3 erfolgt im gezeigten Beispiel auf elektromagnetischem Wege mittels eines Koppelstiftes 7. In gleicher Weise, jeweils auf der anderen Seite des Prüflings 1, wird eine Auswerteeinrichtung 9 über einen Koppelstift 8 elektrisch an den Hohlleiter 4 angekoppelt. Der jeweilige Abstand der Ankopplungsstelle des Generators 2 bzw. der Auswerteeinrichtung 9 vom Prüfling 1 ist dabei vorzugsweise nicht größer als eine halbe Wellenlänge der für die Messung verwendeten Mikrowellenenergie. The generator 2 is coupled to the waveguide 3 as shown Example in an electromagnetic way by means of a coupling pin 7. In the same Way, in each case on the other side of the test piece 1, an evaluation device 9 electrically coupled to the waveguide 4 via a coupling pin 8. The respective Distance of the coupling point of the generator 2 or the evaluation device 9 from Test item 1 is preferably not greater than half a wavelength of the for the measurement used microwave energy.

Für fortlaufendeMaterialuntersuchungen, beispielsweise bei einer laufenden Produktion, kann die beschriebene Meßvorrichtung nahezu völlig automatisiert werden, wenn der Generator 2 ein Wobbelsender und die mittels der Auswerteeinrichtung 9 festgestellten Resonanzdaten zusammen mit den Dickenwerten der Folie einer elektronischen Rechenmaschine zugeführt werden, welche die gesuchten Kenngrößen errechnet und ausdruckt. For ongoing material investigations, for example in a ongoing production, the measuring device described can be almost completely automated if the generator 2 is a wobble transmitter and by means of the evaluation device 9 determined resonance data together with the thickness values of the film of an electronic Calculating machine are fed, which calculates and prints the required parameters.

Derartige Meßvorrichtungen sind bei technisch brauchbaren Abmessungen in der Praxis für Resonanzmessungen im Bereich zwischen 1 und 100 Ghz zu verwirklichen. Such measuring devices are of technically useful dimensions to be realized in practice for resonance measurements in the range between 1 and 100 Ghz.

Claims

Claims: 1. Method for determining electrical and / or magnetic parameters of an electrically non-conductive material through resonance measurement in the case of microwaves by placing the test object in a microwave generator Waveguide structure is introduced and the characteristics sought with the help of a Evaluation device can be determined, characterized by that for coupling the generator (2) to the test item (1) and the evaluation device (9) on these (1) waveguides (3, 4) are used, their for the wave propagation Relevant cut-off frequency above the generator frequency used for the measurement (2) and that for the measurement the "ghost mode" excitation of the waveguide at the in them caused by the test object is exploited.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the two waveguides (3, 4) face one another at their Ends are each provided with metal flanges (5, 6), the space between them for receiving of the test item (1) or a corresponding part of the test item is used.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the metal flanges (5, 6) are circular.

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the waveguide (3, 4) have rectangular cross-sections and to form the Ht0 wave type are designed.

5. Apparatus according to claim 2, characterized in that the waveguide (3, 4) have circular cross-sections and are designed to form the H1 wave type are.

6. Device according to claims 2 and 4 or according to the claims 2 and 5, thereby indicates that the waveguides (3, 4) on both sides are open in the axial direction.

7. Apparatus according to claim 2, characterized in that the two Waveguide (3, 4) to change the distance between the metal flanges (5, 6) are mutually displaceable along their axes.

8. Apparatus according to claim 3, characterized in that the diameter of the metal flanges (5, 6) at least four wavelengths of those used for the measurement Microwave energy is.

9. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the respective distance between the coupling points of the generator (2) or the evaluation device (9) of the test item (1) is not greater than one half the wavelength of the microwave energy used for the measurement.

Documents considered: German Auslegeschrift No. 1 003 295; U.S. Patent Nos. 2613 251, 2567587; “Proc. I.R.E. «46 (1958), Pp. 416 to 418; 48, pp. 229-233 (1960); “Proc. I.E.E. ", 107 (1960), pp. 522 bis 527; "IRE Trans. On Microwave Theory and Technics," July 1960, pp. 402 to 410; »Electronics«, 33 (1960), No. 49, December 2, pp. 71 to 73.