DE19729730C1 - Vorrichtung zur Messung und/oder Abbildung elektrischer, magnetischer und mittelbar daraus ableitbarer Materialeigenschaften - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung elektri­ scher, magnetischer sowie mittelbar hieraus ableitbarer Mate­ rialeigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Messung und/oder Abbildung elektrischer, magnetischer und mittelbar daraus ableitbarer Materialeigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruches 29.

Hochfrequenz- oder Mikrowellen-Reflexions-, Transmissions- oder Resonatoranordnungen sind bekannte Gebilde zur Ermittlung von Materialparametern bestimmter Proben und Meßgüter, so z. B. der Dielektrizitätskonstante, der magnetischen Permeabilität, des Wassergehalts oder der Dichte.

Transmissionsmessungen benötigen mit mindestens je einer Sende- und Empfangseinrichtung einen relativ hohen Aufwand, sind an bestimmte Probengeometrien und -abmaße gebunden, er­ fordern zwingend die Zugänglichkeit der Probe von zwei Seiten und sind damit nur für einen eingeschränkten Bereich von Meß­ aufgaben geeignet.

Reflexionsmessungen erfordern nur die Probenzugänglichkeit von einer Seite und haben damit prinzipiell einen größeren Anwen­ dungsbereich. Es ergeben sich jedoch auch hier methodenspezi­ fische Einschränkungen.

Eine bekannte Möglichkeit besteht darin, die Probe in das Ende eines Hohlleiters oder einer Koaxialleitung einzubringen, eine Messung des Reflexionsfaktors durchzuführen und daraus die gesuchten Materialparameter zu ermitteln. Diese Methode setzt zwingend voraus, daß von Zeit zu Zeit diskrete Proben des zu untersuchenden Stoffes entnommen und entsprechend den geome­ trischen Abmessungen des Hohlleiters in ihrer Form und Ober­ flächenbeschaffenheit konditioniert werden, wodurch der Zeit- und Arbeitsaufwand zur Bestimmung der Materialparameter extrem ansteigt.

Für förderbare Medien, insbesondere flüssige Stoffe, läßt sich für online-Bestiminungen der Materialparameter Feuchte und Dielektrizitätskonstante auch die in DE 42 11 362 A1 be­ schriebene Anordnung einer teilweise als Hohlleiter ausgeführ­ ten Rohrleitung verwenden, in der das Transmissions- oder Reflexionssignal ausgewertet wird. Auch hier muß aber die Probe in die Mikrowellen-Anordnung eingebracht werden.

In ähnlicher Art funktionieren Anordnungen auf der Grundlage des Resonator-Prinzips. Wie in der PCT-Anmeldung WO 91/12518 beschrieben, wird eine Probe entweder diskontinuierlich oder kontinuierlich in einen Resonator so eingebracht, daß die Feldlinien im Bereich der Probengrenzfläche parallel zur Probe verlaufen und aus dessen Verstimmung oder Halbwertsbreiten- Änderung oder beiden Parametern der Wassergehalt bestimmt wird. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt in der Notwendig­ keit, das Meßgut direkt oder über einen Bypass in den Resona­ tor einzubringen. Eine Beschränkung für die meßbaren Proben­ größen und -geometrien ergibt sich aus der Notwendigkeit einer Parallelität zwischen Probengrenzfläche und Feldlinien, deren Verlauf wiederum von der Probengröße und -geometrie beeinflußt wird, sowie aus der Anregung mehrerer Schwingungsmodi je nach Resonatorgröße und -geometrie.

Wie in [Stuchly, M. A., Stuchly, S. S.: Coaxial line reflection method for measuring dielectric properties of biological sub­ stances at radio and microwave frequencies - A review. IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-29, 1980, pp. 176-183] be­ schrieben, wie eine Anordnung z. B. durch eine auf das Material aufgesetzte offene Koaxialleitung gebildet, bei der das Streu­ feld einer elektromagnetischen Welle aus der offenen Fläche zwischen Außenleiter und Innenleiter der speisenden Koaxial­ leitung ins Medium übergeht und anhand der Änderung des Refle­ xionsfaktors am Eingang der Leitung Rückschlüsse auf die di­ elektrischen Eigenschaften des Materials gezogen werden kön­ nen. Der offenkundige Nachteil dieser Anordnung besteht in der geringen Apertur der Koaxialleitung und damit der geringen Reichweite des Streufeldes und der kleinen Wechselwirkungs­ fläche mit dem in seinen Eigenschaften zu bestimmenden Meßgut. Aufgrund des geringen Wechselwirkungvolumens hängt das Meß­ signal sehr stark von der Oberflächenbeschaffenheit der Probe, lokalen Inhomogenitäten und dem Koppelspalt zur Probe ab, so daß die Meßgenauigkeit einer solchen Anordnung ohne aufwendige Probenvorbehandlung nur sehr beschränkt ist.

Eine elegante Möglichkeit zur Messung der Dielektrizitätskon­ stante von Probenmaterialien wird in EP 0657733 A2 beschrie­ ben. Jedoch hat auch die in dieser Schrift dargestellte Vor­ richtung einige Nachteile: Die verwendeten HF-Resonatoren sind aufgrund ihres Aufbaus empfindlich gegenüber bei den meisten Anwendungen vorhandenen mechanischen Belastungen, so daß es zu einer Verstimmung derselben kommen kann und die Meßgenauigkeit der Anordnung darunter leidet. Weiterhin greift das Streufeld der Festkörperresonatoren nur relativ wenig in das in seiner Dielektrizitätskonstante zu bestimmende Meßgut ein, so daß eine Aussage über die Dielektrizitätskonstante im wesentlichen nur für die Oberfläche des Meßguts gemacht werden kann, nicht über deren Volumen. Darüberhinaus ist die Anordnung nur mit relativ hohem mechanischen Aufwand herzustellen. Weitere Nach­ teile des Verfahrens liegen in der für beide Resonatoren benö­ tigten großen Meßfläche und der Empfindlichkeit gegenüber Unterschieden der Probeneigenschaften und Ankoppelbedingungen zwischen den Wechselwirkungsflächen beider Resonatoren.

Vielfach werden für die Bestimmung der gewünschten Material­ parameter auch nichtresonante offene Leitungsanordnungen wie z. B. Mikro-Streifenleiter verwendet, die einseitig mit dem Meßgut in Verbindung gebracht werden und bei denen die Lei­ tungsparameter Dämpfung und Phasenverschiebung zur Bestimmung der Materialparameter genutzt werden. Der Nachteil dieser Anordnungen besteht in der durch die geringen Abstände zwi­ schen Hin- und Rückleitung bedingten geringen Reichweite des Feldes in das Meßgut hinein. Deshalb können Materialparameter nur in der unmittelbaren Umgebung der Leitung gemessen werden und es besteht eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber der Beschaffenheit der Probenoberfläche oder den Ankoppelbedingun­ gen, so daß sich der Anwendungsbereich dieser Methode auf sehr glatte oder flüssige und pastöse Proben beschränkt.

Eine weitere im wesentlichen für Flüssigkeiten, pastöse und körnige Substanzen nutzbare Anordnung im Zusammenhang mit einem Auswerteverfahren ist in DE 195 20 021 A1 beschrieben. Hierbei wird eine einzelne Leitung, z. B. eine Paralleldraht­ leitung, direkt in das Meßgut eingebracht, so daß das Meßgut das Leitungsdielektrikum bildet. Aus der Frequenzabhängigkeit des Reflektionsfaktors oder dem Abstand der meßbaren Resonanz­ minima wird dann die Ausbreitungskonstante der Leitung oder die Dielektrizitätskonstante des Meßgutes berechnet. Die we­ sentlichen Nachteile dieser Anordnung liegen darin, daß die Leitung direkt in das Meßgut eingebracht werden muß, so daß keine zerstörungsfreie Anwendung bei Festkörpern möglich ist, daß das Material die Leitungen eng ohne Luftspalt umschließen muß und daß sich die Resonanzfrequenzen materialabhängig so stark ändern, daß die Frequenzabhängigkeit der Materialeigen­ schaften zu berücksichtigen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung und/oder Abbildung elektrischer, magnetischer sowie mittelbar hieraus ableitbarer Materialeigenschaften mittels hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen zu schaffen, die die erwähnten Beschränkungen vermeidet, eine verbesserte Tiefenwirksamkeit besitzt und in weiten Grenzen eine Anpassung der Oberflächengeometrie und der Meßempfindlichkeit an die zu untersuchenden Proben gestattet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 32 in Verbindung mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren zur Berechnung der Materialparameter aus den gemessenen Resonator- oder Re­ flexionskenngrößen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Als Applikator wird entsprechend Anspruch 1 eine im ausge­ werteten Frequenzbereich resonante Struktur aus miteinander gekoppelten Ein- oder Mehrleiterstrukturen bekannter Bauart benutzt, die zumindest im Bereich einiger der sich bei Reso­ nanz auf den Strukturen ausbildenden Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte in Richtung des Meßobjektes offen und so angeordnet sind, daß das resultierende Überlagerungsfeld ihrer Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte an der Grenzfläche zum Meßobjekt eine vorgegebene Feldgeometrie möglichst gut annähert.

Wird eine solche Leiterstruktur in der Nähe einer ihrer Reso­ nanzfrequenzen elektrisch angeregt, bilden sich auf den gekop­ pelten Leitungen stehende Wellen mit einer definierten lokalen Verteilung von gleich- und gegenphasig schwingenden Bereichen oder Spannungsmaxima aus, denen entsprechende Ladungsschwer­ punkte zugeordnet werden können. Ist die Leitung im Bereich dieser Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte offen, überla­ gert sich dem hauptsächlich im Innenraum zwischen Hin- und Rückleitung konzentrierten elektromagnetischen Feld der ein­ zelnen Leitungsabschnitte ein weiterer, von zueinander gegen­ phasig schwingenden Leitungsbereichen verursachter Streufeld­ anteil.

Während die Leitungseigenschaften der Segmente, wie Ausbrei­ tungskonstante und Wellenwiderstand, aufgrund der geringen Ausdehnung des leitungsgebundenen Feldanteils erst bei sehr geringen Entfernungen zwischen Applikator und Meßprobe beein­ flußt werden, führt das elektrische und magnetische Streufeld zwischen den gegenphasig schwingenden Bereichen schon bei wesentlich größeren Probenabständen zu auswertbaren Verschie­ bungen der Resonator- oder Reflexionskenngrößen, beispiels­ weise zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, der Güte, der Impedanz oder des Reflexionsfaktors. Durch eine geeignete Applikatorgeometrie kann die Gewichtung beider Feldanteile so aufeinander abgestimmt werden, daß eine auswertbare proben­ abhängige Verschiebung der Resonatorkenngrößen eintritt, ohne daß sich die Feldverteilung entlang der Leitung und damit auf der Applikatoroberfläche grundlegend ändert.

Die Reichweite des von den entgegengesetzten Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkten ausgehenden Streufeldes hängt dabei hauptsächlich von deren Abstand und den mit der Probe wechsel­ wirkenden offenen Flächen ab, so daß es mit den beanspruchten Applikatorstrukturen durch eine zielgerichtete Veränderung dieses Abstandes bei ansonsten unveränderter Leitungslänge und -dimensionierung, z. B. durch entsprechende Leitungsführung, möglich ist, die Streufeldreichweite oder die Meßempfindlich­ keit und damit den maximal möglichen Probenabstand sowie das Eindringvermögen in das Probenmaterial bei nahezu unveränder­ ten Resonanzkenngrößen separat einzustellen.

Durch geeignete Verlegung mehrerer Leitungen oder die Auswahl und gegenseitige Positionierung der zum Meßobjekt offenen Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte ist es dabei möglich, eine vorgegebene Ladungsverteilung in der Nähe des Applikators oder auf der Oberfläche des Meßobjektes anzunähern. Diese Annäherung kann umso besser erreicht werden, je feiner und zahlreicher die resonanten Leitungssegmente gewählt werden.

Auf diese Weise läßt sich ein Satz von speziell an bestimmte Meßaufgaben oder Proben angepaßten Applikatoren mit unter­ schiedlichen Meßbereichen, Meßempfindlichkeiten, Feldreich­ weiten oder Eindringtiefen bei nahezu identischen Resonanz­ kennwerten erstellen, der die Lösung vielfältiger Meßaufgaben mit derselben Hochfrequenzmeßeinrichtung und allen Folgebau­ gruppen und mit demselben Auswertungsalgorithmus gestattet.

Die Resonanz- oder Reflexionskennwerte des Resonators oder ihre Änderungen bei Annäherung einer Meßprobe bis zu einem vorgegebenen Abstand werden mit einer der im verwendeten Fre­ quenzbereich üblichen Meßanordnungen (Reflektometer, Richt­ koppler, Phasen- oder Quadraturdetektor, Vektorvoltmeter, Netzwerkanalysator, Wobbelmeßplatz) bei einer oder bei mehre­ ren Frequenzen ermittelt. Aus den probenabhängigen Änderungen der Resonatorkenngrößen werden gegebenenfalls nach Ana­ log/Digital-Wandlung mit Hilfe eines Mikrorechners oder -con­ trollers durch Simulationsrechnungen, durch Anpassung an ein geeignetes physikalisches Modell oder durch Interpolation mittels einer Anzahl von Stützstellen, die aus Vergleichs­ messungen von Probennormalen mit bekannten Eigenschaften ge­ wonnen wurden, die interessierenden Materialparameter wie die Dielektrizitätskonstante, die magnetische Permeabilität oder die Materialfeuchte berechnet und angezeigt.

Anspruch 2 beschreibt eine Ausführungsmöglichkeit der Resona­ toren, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rückleitungen der resonanten Leitungs- und leitfähigen Flächenelemente mit ihrem überwiegenden Flächenanteil, ihren Berandungen oder ihren Einhüllenden auf einer gemeinsamen Fläche angeordnet sind. Vorzugsweise dienen hierzu Planarleitungen auf den in der HF-Technik üblichen Leiterplattensubstraten mit oder ohne Luftspalt zur Rückseitenmetallisierung oder Draht- oder Band­ leitungen über einer gemeinsamen leitfähigen Fläche, bei­ spielsweise einer Metallplatte, -folie oder einem leitfähig beschichteten Formkörper. Hierbei bilden die Rückseitenmetal­ lisierung oder die leitfähige Fläche zugleich die gemeinsame Bezugsfläche. Wird der Rückleiter nicht als geschlossene Flä­ che sondern als Gitter- oder Netzstruktur ausgeführt, so bil­ det deren Einhüllende die gemeinsame Bezugsfläche. Die Lei­ tungsstrukturen können weitgehend gerade oder mit spezieller Krümmung ausgeführt sein, vorzugsweise mit einer probenzuge­ wandten Seite näherungsweise parallel zur Probenoberfläche.

Zur Verringerung von rauhigkeitsbedingten Oberflächeneffekten an praktisch relevanten Proben (z. B. keramische Bauteile, Baukörper, körnige Substanzen) ist ein möglichst großer Pro­ benabstand bei ausreichender Meßempfindlichkeit wünschenswert. Außerdem sollten Messungen an granularen und inhomogen zu­ sammengesetzten Proben integral über ein größeres Probenvolu­ men erfolgen. Diesen Anforderungen können nur Resonatoren mit einer möglichst großen Feldreichweite oder einem großen Ab­ stand der entgegengesetzten Ladungsschwerpunkte gerecht wer­ den. Eine Grenze ist hierbei durch die halbe Wellenlänge auf den verwendeten Leitungsabschnitten gegeben, die durch Wahl eines Leitungsdielektrikums mit niedriger Dielektrizitätskon­ stante und Permeabilität, z. B. Luft, maximal bis zu den Frei­ raumgrößen ausgedehnt werden kann.

Eine beliebig geformte Resonatoranordnung besitzt im allgemei­ nen ein von Null verschiedenes Dipolmoment, d. h. die Feld­ anteile der gegenphasig schwingenden Leitungsabschnitte kom­ pensieren sich im Fernfeld nicht vollständig, und es kommt insbesondere bei weit auseinanderliegenden Ladungsschwerpunk­ ten zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen. Diese Wellen werden an den Probengrenzflächen reflektiert und wechselwirken wiederum mit dem Applikator, so daß es insbesondere bei klei­ nen Proben zu schwer kalkulierbaren Einflüssen der Proben­ geometrie auf das Meßergebnis kommen kann. Während die latera­ len Probenabmessungen meist genügend groß gewählt werden kön­ nen, unterliegt die Probendicke oftmals Beschränkungen (z. B. bei Platten, Wänden, Schichtmaterialien).

Zur dickenunabhängigen Messung der Materialparameter ist des­ halb vor allem bei lateral ausgedehnten Resonatoren eine Kom­ pensation der Dipolmomente notwendig. Vorteilhafte Anordnungen zur erfindungsgemäßen Kompensation dieser Diopolmomente werden in den Ansprüchen 3 und 4 beschrieben. Hierbei handelt es sich einerseits um gleichphasig erregte spiegelsymmetrische oder gegenphasig erregte antisymmetrische Resonatorstrukturen, deren Dipolmomente senkrecht zur Spiegelebene sich gerade kompensieren und andererseits um radialsymmetrische Struktu­ ren, deren Dipolmomente sich für geradzahlige Drehachsen in Richtung derselben vollständig kompensieren, für ungeradzah­ lige Drehachsen mit steigender Zahl immer besser kompensieren.

Die Ansprüche 5-8 beschreiben vorteilhafte Realisierungsmög­ lichkeiten der Leitungsresonatoren, z. B. in Form elektrisch leerlaufender (2n + 1)λ/4- oder kurzgeschlossener nλ/2-Leitungen (λ Leitungswellenlänge, n natürliche Zahl), die vorzugsweise dann eingesetzt werden, wenn nur Spannungsmaxima oder Ladungs­ schwerpunkte einer Polarität benötigt werden. Kurzgeschlossene Leitungen oder Leitungsringe, deren Länge einem halbzahligen Vielfachen der Wellenlänge entspricht, enthalten mehrere Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte mit alternierender Polarität. Durch Leitungsabschluß mit definierten Widerständen oder einem Serienwiderstand im Anschlußpunkt läßt sich die Grundgüte der Resonatoren bei Bedarf verringern, so daß sich die Resonanzpeaks verbreitern.

Anspruch 9 beschreibt eine Ausführungsvariante in Form von mit Elektrodenflächen oder -körpern am Ende kapazitiv belasteten, abgeschirmten Leitungen, bei der die Leitungseigenschaften und die Wechselwirkung der Spannungsmaxima oder Ladungsschwer­ punkte mit dem Meßobjekt voneinander völlig unabhängig sind. Hierdurch ergibt sich eine nur von den Elektrodenflächen oder den Oberflächen der Elektrodenkörper abhängige Feldgeometrie, die einer theoretischen Modellierung zugänglich ist und damit standardlose Absolutmessungen gestattet.

Anspruch 10 beschreibt eine Möglichkeit, die Ein- und Aus­ gangsimpedanzen der Resonatoren und der Hochfrequenz-Meßein­ richtung so aufeinander abzustimmen, daß eine definierte elek­ trische Anpassung oder ein definierter Koppelfaktor erreicht wird. Hierzu dienen fest mit den Resonatoren verbundene, in den Applikator integrierte Anpassungsnetzwerke aus konzen­ trierten Bauelementen oder Leitungen, im einfachsten Fall parallel oder in Reihe geschaltete offene oder kurzgeschlosse­ ne Leitungsstücke.

Anspruch 11 beschreibt Resonatoren mit nur einem Anschlußpunkt in Form eines elektrischen Eintores, die relativ einfach her­ stellbar sind und eine Messung der Resonanzkenngrößen in Re­ flexion mit relativ geringem Aufwand gestatten.

Anspruch 12 beschreibt Transmissionsresonatoren mit einem oder mit mehreren resonanten Zweigen in Form eines elektrischen Zwei- oder Mehrtores, die neben einer Auswertung der Re­ flexionskenngrößen auch noch eine Messung der Transmissions­ kenngrößen ermöglichen.

Anspruch 13 beschreibt Resonatoren, deren elektrisches Außen­ feld hauptsächlich in einer Ebene senkrecht zur Probenober­ fläche verläuft und die somit durch Applikatordrehung eine Messung von Anisotropieeigenschaften gestatten.

Anspruch 14 beschreibt eine Anordnung von mindestens drei derartigen anisotropen Resonatoren in drei verschiedenen Rich­ tungen in Form von gemeinsam gespeisten Transmissionsresonato­ ren, aus deren gleichzeitig oder über einen Multiplexer se­ quentiell gemessenen Transmissionskenngrößen die Anisotropie­ eigenschaften der Probe ohne Applikatordrehung berechnet wer­ den können. Das ist möglich, da sich die Richtungsverteilung anisotroper Probeneigenschaften innerhalb der Wechselwirkungs­ fläche als Ellipse beschreiben läßt, deren Verlauf durch drei Punkte in verschiedenen Richtungen vollständig bestimmt ist.

Die Ansprüche 15 und 16 beschreiben hochsymmetrische oder speziell probenangepaßte Oberflächenformen der Leitungsresona­ toren, die je nach Probengestalt eine für die Messung günstige Feldgeometrie sichern.

Anspruch 17 zeigt eine konstruktiv besonders einfach herstell­ bare Resonatorform, bei der eine durchgehende leitfähige Flä­ che, beispielsweise ein Metallblech oder ein metallisiertes Leiterplattensubstrat den gemeinsamen Rückleiter aller Lei­ tungsstücke bildet und gleichzeitig zu deren mechanischer Befestigung herangezogen werden kann.

Anspruch 18 beschreibt vorteilhaft einsetzbare Möglichkeiten zur Gewährleistung eines definierten Abstandes zwischen der Meßprobe und den Resonatorelektroden durch Distanzkörper wie Ringe oder Scheiben oder durch direktes Aufsetzen entsprechend ausgeformter Resonatorbereiche.

Anspruch 19 zeigt eine Möglichkeit zur Erhöhung der Kopplung zwischen Probe und Applikator durch eine Vergrößerung der Koppelflächen oder eine Abstandsverringerung in den Span­ nungsmaxima oder Ladungsschwerpunkten als den für den Meß­ effekt wichtigsten Wechselwirkungsbereichen oder durch die Kombination beider Möglichkeiten.

Der in Anspruch 20 beschriebe Applikator mit Andruckvorrich­ tung schafft reproduzierbare Bedingungen für die Ankopplung an die Meßprobe und eliminiert besonders bei geringen Koppel­ spalten oder beim direkten Aufsetzen bemerkbare Instabilitäten des Meßergebnisses durch wechselnden Anpreßdruck, Verkanten o. ä.

Eine in Anspruch 21 beschriebene dielektrische Hülle dient dem Schutz des Applikators vor mechanischen Beschädigungen, ver­ bessert u. U. die Ankopplung an das Meßgut und verhindert bei flüssigen, pastösen oder körnigen Proben ein Eindringen des Meßgutes in die Leitungsstrukturen.

Anspruch 22 beschreibt einen Einstich- oder Eintauchapplikator für Messungen an festen, flüssigen, pastösen oder körnigen Substanzen. Hierbei werden die resonanten Leitungssegmente des Applikators zweckmäßig auf einer konvexen Fläche, z. B. auf dem Mantel eines dünnen Zylinders oder schlanken Kegels angeord­ net. Je nach verwendetem Leitungstyp und Probenart kann außer­ dem eine dielektrische Hülle zweckmäßig sein, die ein Ein­ dringen des Mediums in die Leitungszwischenräume verhindert. In Bohrlöchern fester Stoffe kann der Applikator je nach ge­ wünschter Dauerhaftigkeit durch bloßes Einschieben, Klemmen, Kleben, Eingipsen, Einschrauben oder Einschlagen, beispiels­ weise unter Zuhilfenahme von Spreizdübeln, fixiert werden.

Anspruch 23 beschreibt eine spezielle Applikatorform mit ver­ besserter Ankopplung an rauhe oder nicht zur Applikatorvorder­ fläche parallele Proben mit Hilfe eines auf der probenzuge­ wandten Seite des Applikators aufgebrachten leicht deformier­ baren Dielektrikums, das bei entsprechendem Andruck den Zwi­ schenraum zwischen Resonator(en) und Meßobjekt im meßwirksamen Bereich homogen ausfüllt. Hierzu können flüssige, plastische, schmelzbare, thixotrope oder feinkörnige Materialien mit an das Meßobjekt angepaßter Dielektrizitätskonstante und gegen­ über dem Meßgut vernachlässigbaren dielektrischen Verlusten in einer flexiblen Umhüllung, verwendet werden, z. B. in Form eines Schmelzklebers, eines flüssigkeitsgefüllten elastischen Kissens auf der Vorderfläche des Applikators oder einer weich­ plastischen Spreizhülle zum Festklemmen des Applikators in einem Bohrloch.

Anspruch 24 beschreibt Ausführungsformen für die Leitungs­ stücke der Resonatoren. Hierzu kommen, je nach gewünschten Leitungskenngrößen und Feldverteilungen, nahezu alle bekannten Zwei- und Mehrleiteranordnungen, wie Planarleitungen auf di­ elektrischen Substraten mit und ohne Luftspalt, ein- oder mehradrige Draht- und Bandleitungen, über Masseflächen, in Nuten oder als geschlitzte Koaxialleitungen in Frage, wie aus den Ausführungsbeispielen ersichtlich wird. Außerdem ist auch eine Kombination verschiedener dieser Leitungstypen sowie eine gezielte kontinuierliche oder stufenweise Änderung der Leiter­ abmessungen und -abstände längs der Leitungsstücke vorgesehen.

Anspruch 25 spezifiziert eine besondere Klasse von Resonato­ ren, die aus geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig berande­ ten flächigen Leitungselementen bestehen. Sie können bei­ spielsweise auf den in der Hochfrequenztechnik üblichen di­ elektrischen Substraten mit oder ohne Luftspalt, in Form von selbsttragenden leitfähigen Flächen wie z. B. Blechen, Plat­ ten, Netzen oder als leitfähig beschichtete dielektrische Formkörper realisiert sein.

Die Ansprüche 26-28 beschreiben für Messungen an nicht pla­ naren Proben geeignete Applikatorformen, die aus Planarleitun­ gen auf einem flexiblen dielektrischen Substrat in Kombination mit einer flächig wirkenden Andruckvorrichtung bestehen. Der Andruck kann z. B. mit einem feder- oder gewichtsbelasteten Stempel mit einer elastischen Unterlage oder einem hydrosta­ tisch wirkenden flüssigkeitsgefüllten Druckverteilungskissen oder einer Druckmanschette bei rohr- oder stabförmigen Proben realisiert werden. Weitere Möglichkeiten sind die Verwendung von Adhäsivfilmen oder Klebefolien und die Vakuumansaugung mittels in den Applikator integrierter Saugkanäle. Bei aus­ reichender Flexibilität des Applikators oder nicht zu geringen Krümmungsradien wird so ein gut reproduzierbarer vollflächiger Probenkontakt erreicht.

Die Ansprüche 29-32 beschreiben Komplettmeßgeräte oder system­ fähige intelligente Sensorkomponenten, bei denen ein Meßappli­ kator entsprechend den Ansprüchen 1-28 konstruktiv mit ande­ ren zur Messung benötigten Baugruppen derart verbunden ist, daß sich gegenüber einer reinen Kombination mit einer separa­ ten Hochfrequenzmeßeinrichtung wesentliche funktionelle und handhabungstechnische Verbesserungen sowie herstellungstech­ nische Vereinfachungen oder eine Reduzierung des Gesamtauf­ wandes ergeben.

Entsprechend Anspruch 31 wird die Hochfrequenz-Meßanordnung ganz oder teilweise mit dem Applikator zu einer Baueinheit in Form eines Meßkopfes oder Meßkopfteiles zusammengefaßt, wäh­ rend die restlichen Teile der Hochfrequenz-Meßanordnung, der Mikrorechner oder -controller und die Anzeigeeinrichtung in einem Gehäuse zu einem Hand- oder Tischgerät vereinigt werden. Hierdurch wird innerhalb der besonders kritischen Hochfre­ quenzleitungen direkt zu den Resonatoren eine extreme Verkür­ zung erreicht und erforderlichenfalls notwendige Steckverbin­ dungen oder Verbindungsleitungen können zu weniger empfindli­ chen Leitungsabschnitten verschoben werden. Damit können ins­ besondere bei breitbandigen Messungen die Meßgenauigkeit ge­ steigert und aufwendige Korrekturrechnungen vermieden werden.

Die Ausführungsform mit lösbar verbundenem Applikator nach Anspruch 30 gestattet eine Verwendung von auf spezielle Meß­ aufgaben zugeschnittenen Wechselapplikatoren an demselben Grundgerät, was dessen Einsatzbereich wesentlich erweitert. Weitere vorteilhafte Möglichkeiten sind gemäß Anspruch 31 die Integration aller Baugruppen in einem Kompaktgerät oder nach Anspruch 32 in einem intelligenten Sensor mit zusätzlich ein­ gebautem Schnittstellenmodul zur Übertragung der Meßergebnisse und erforderlichenfalls zur Steuerung des Meßablaufs über einen Zentralrechner.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Applika­ tors,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Applika­ tor,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Resonator,

Fig. 4 ein Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Kompakt­ meßgerätes mit abgenommener Abdeckplatte,

Fig. 6 eine Rückansicht des Kompaktmeßgerätes gemäß Fig. 5,

Fig. 7 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ein­ stichapplikator und

Fig. 8 einen Längsschnitt durch den Einstichapplikator gemäß Fig. 7.

Fig. 1 und 2 zeigen einen sehr einfach aufgebauten Applikator 1 zur Dichtemessung in Schaumstoffplatten, der aufgrund der geringen auftretenden Dielektrizitätskonstanten direkt auf das Meßobjekt 2 aufgesetzt wird.

Der den Applikator 1 bildende Streifenleitungsresonator 3 aus sechs gleichmäßig über den Umfang verteilten, im Speisepunkt parallelgeschalteten λ/2-Leiterzugbögen 4 ist auf einem kon­ ventionellen rückseitenmetallisierten Leiterplattensubstrat mit Glasfaserverstärkung aufgebaut.

Der Anschluß erfolgt koaxial, wobei der Innenleiter zentrisch über eine Durchkontaktierung von der Masseseite herangeführt und der Außenleiter auf der Massefläche fest verlötet wird. Parallel zum Innenleiter ist eine Kurzschlußleitung zur Impe­ danztransformation ebenfalls mit der Massefläche verlötet, wodurch eine Verbesserung der Anpassung erreicht wird.

Bei Speisung des Applikators in der Nähe der Resonanzfrequenz bilden sich im mittleren Bereich der Leiterbögen 4 gleichpha­ sige Ladungsschwerpunkte aus, so daß insgesamt verteilt über die gesamte Applikatorfläche eine ringartige Feldverteilung mit im wesentlichen radialen elektrischen Feldkomponenten entsteht.

Zur elektrischen Abschirmung und mechanischen Fixierung ist der Resonator 3 frontbündig in eine Metallkappe 5 eingeklebt, die auch die Fixierung des Anschlußkabels 6 übernimmt.

Fig. 3 und 4 zeigt eine Variante der Erfindung als wahlweise handbedienbares oder über einen Zentralrechner fernsteuerbares Komplettgerät zur Messung dielektrischer Materialeigenschaften von Plastwerkstoffen bestehend aus
einem durch einen Draht elektrisch kontaktierten Streifenlei­ tungsresonator 3 auf einem dielektrischen Substrat mit Rück­ seitenmetallisierung, der zusammen mit einem am Resonator 3 fest angeschlossenen Mikrowellen-Reflektometer 7 zur Bestim­ mung des frequenzabhängigen Reflektionsfaktors des Resonators 3 im Bereich zwischen 2 und 3 GHz fest in ein metallisches Applikatorgehäuse 5 eingeklebt ist,
einer als Meßobjekt 2 dienenden Plastikplatte, auf die das Applikatorgehäuse 5 direkt aufgesetzt ist, so daß das Streu­ feld des Resonators 3 in die Scheibe eindringt,
einem Mikrocontroller 9, der aus der Frequenzabhängigkeit des Reflexionsfaktors nach bekannten mathematischen Algorithmen die interessierenden Materialparameter berechnet,
einer Speicher-, und Anzeigeeinrichtung in Form eines mit dem Mikrocontroller 9 gekoppelten Speicherschaltkreises 10 und einer LCD-Punktmatrix-Anzeige 11 zur Speicherung und Anzeige der berechneten Materialparameter,
einer Folientastatur 12 zur Gerätesteuerung und Auslösung der Messung sowie einer seriellen Schnittstelle 13 zum Anschluß eines externen nicht näher dargestellten Steuerrechners.

Der Streifenleitungsresonator 3 ist hierbei entsprechend Fig. 3 als kapazitiv gekoppelter, symmetrischer Doppel-Ring mit einer Umfangslänge von 6 cm aufgebaut, so daß sich bei einer Dielektrizitätskonstante des Streifenleitungssubstrats von ca. 4 eine Resonanzfrequenz in der Nähe von 2,5 GHz ergibt. Zur Erzielung eines günstigen Wechselwirkungsabstandes ist der Resonator 3 einige mm zurückgesetzt in das Applikatorgehäuse 5 eingeklebt.

Durch die symmetrische Form schwingen jeweils die Innen- und Außenbereiche der Ringe gegeneinander, und in Probenrichtung tritt kein resultierendes Dipolmoment auf, bzw. es erfolgt keine Abstrahlung von Mikrowellen.

Das Applikatorgehäuse 5 ist über ein Kabel 14 mit lösbarer Steckverbindung mit den restlichen, in einem separaten Handge­ rät 15 integrierten Baugruppen verbunden.

Durch das Vorhandensein sowohl einer Tastatur 12 als auch einer seriellen Schnittstelle 13 ist wahlweise eine lokale Bedienung oder eine Steuerung des Meßablaufes über einen Zen­ tralrechner möglich.

Die Steckverbindung zwischen Applikator 1 und Handgerät 15 ermöglicht den wahlweisen Betrieb verschiedener, auf bestimmte Meßprobleme, Materialarten und Probengeometrien zugeschnitte­ ner Applikatoren 1 an demselben Handgerät 15, so daß sich der Einsatzbereich stark erweitert.

Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausführungs­ variante der Erfindung in Form eines Kompaktmeßgerätes zur Feuchtigkeitsmessung in Bauwerken bestehend aus
einem Zweifach-λ-Resonator in Form eines aus Cu-Blech ausge­ frästen Leiterringes 17 mit Koppelsteg 18, angeordnet über einer geschlossenen Massefläche in Form des zylindrisch ausge­ drehten metallischen Applikatorgehäuses 5,
einer dielektrischen Abdeckplatte aus dem glasfaserverstärkten Leiterplattendielektrikum FR4, die das Applikatorgehäuse 5 gleichzeitig feuchtigkeitsdicht verschließt,
einer massiven Wand als Meßprobe, auf die das Applikatorgehäu­ se 5 mit drei in den Gehäuserand eingepreßten Distanzstiften 19 direkt aufsetzt,
einem kapazitiv gekoppelten nicht näher dargestellten Dioden­ detektor und einem Mikrocontroller 9 mit integrierten Ana­ log/Digital-Wandler, der aus der bei einer Festfrequenz gemes­ senen Detektorspannung einen Feuchteindex berechnet,
einer in die rückseitige Gehäuseabdeckung integrierten Leucht­ diodenzeile als Anzeige 11 und einer ebenfalls in die Rücksei­ te integrierten Folientaste 12 zum Auslösen der Messung.

Die entsprechend der Abbildung ausgefräste Cu-Ringstruktur mit einem Umfang in der Größenordnung der doppelten Wellenlänge wird durch zwei gleichzeitig als Massekontaktierung dienende beidseitig vernietete Stifte 21 im Abstand von ca. 0,5 cm über dem plan ausgedrehten Gehäusegrund fixiert. Damit erhält man zwei symmetrische beidseitig kurzgeschlossene Vollwellenreso­ natoren, auf denen sich jeweils in den im Querschnitt ver­ breiterten Bereichen zwei gegenphasige Ladungsschwerpunkte herausbilden. Die Speisung beider Ringhälften des Resonators erfolgt ebenfalls symmetrisch über den Koppelsteg 18, so daß sich entlang des Ringumfangs alternierende Polaritäten ein­ stellen und im Fernfeld eine vollständige Kompensation der Dipolanteile eintritt.

Der Betrieb des Resonators erfolgt bei einer Festfrequenz auf der Flanke der Resonanzkurve unterhalb der Resonanzfrequenz. Eine probenabhängige Verschiebung der Resonanzkenngrößen führt dann zu einer Änderung des Resonator-Transmissionsgrades zum Diodendetektor.

Der Diodendetektor wird kapazitiv unterhalb des Ringes 17 über einen mit einer Schraube justierbaren, isoliert durch einen Gehäuseboden geführten Koppelstift 22 in der Nähe eines der Ladungsschwerpunkte angekoppelt.

Die übrigen Baugruppen sind gemeinsam auf der Rückseite des Applikatorgehäuses 5 unter einer griffgünstig ausgeformten Plastikabdeckung untergebracht.

Fig. 7 und 8 zeigen einen Einstichapplikator mit dielektri­ scher Hülle bestehend aus einem metallischen Sechskantrohr 23 als mechanischem Träger, auf dessen sechs Flächen jeweils schmale Streifen eines kon­ ventionellen beidseitig metallisierten Leiterplattensubstrats 24 leitfähig aufgeklebt sind.

Das Sechskantrohr 26 wird durch Kleben oder Löten über eine Bodenplatte 20 elektrisch mit dem Außenleiter eines teilweise eingeschobenen koaxialen Anschlußkabels 25 verbunden.

Die den eigentlichen Resonator bildenden Leiterplattensub­ stratstreifen 24 mit einer Länge von annähernd 3λ/2 sind an beiden Enden kurzgeschlossen und werden in der Nähe eines dieser Kurzschlüsse vom Rohrinneren her elektrisch kontak­ tiert. Der elektrische Anschluß erfolgt mittels isoliert durch die Rückseitenmetallisierung und das Sechskantrohr 23 geführter Drähte 26, die die Außenmetallisierungen in einem gemeinsamen Anschlußpunkt mit dem Innenleiter eines Anschluß­ kabels 25 verbinden.

Bei Speisung mit der Resonanzfrequenz bilden sich auf den Außenleitern jeweils λ/4 von den Kurzschlüssen und λ/2 vonein­ ander entfernt Ladungsschwerpunkte mit alternierender Polari­ tät aus, deren Streufeld ein nahezu rotationssymetrisches Wechselwirkungsvolumen rings um den Applikator 1 erfaßt.

Die gesamte Konstruktion wird durch eine aufgeschobene Teflon­ hülle 27 mechanisch geschützt. Gleichzeitig wird das Eindrin­ gen des Meßgutes zwischen die Leiterstreifen 24 bzw. in den leitungsgebundenen Feldbereich verhindert, so daß sich die Ausbreitungseigenschaften auf der Leitung kaum ändern und die Wechselwirkung mit der Probe praktisch nur durch das ausge­ dehnte Streufeld zwischen den Ladungsschwerpunkten durch die Teflonhülle 27 hindurch stattfindet.

Bezugszeichenliste

1

Applikator

2

Meßobjekt

3

Resonator

4

Leiterzugbogen

5

Metallkappe, Applikatorgehäuse

6

Anschlußkabel

7

Reflektometer

9

Mikrocontroller

10

Speicherschaltkreis

11

Anzeige

12

Folientastatur

13

serielle Schnittstelle

14

Kabel

15

Handgerät

17

Leiterring

18

Koppelsteg

19

Distanzstift

20

Bodenplatte

21

Nietstift

22

Koppelstift

23

Sechskantrohr

24

metallisiertes Leiterplattensubstrat

25

Anschlußkabel

26

Draht

27

Teflonhülle

Claims (32)

1. Vorrichtung zur Messung elektrischer, magnetischer sowie mittelbar hieraus ableitbarer Materialeigenschaften mit­ tels hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen be­ stehend aus einer oder mehreren innerhalb des genutzten Frequenzbereichs elektrisch resonanten Leitungs- oder Flächenstrukturen, im folgenden Resonatoren genannt, in dessen oder deren elektromagnetisches Außenfeld ein Meß­ objekt einbringbar ist, die mit einer mechanischen Halte­ rung oder einem Gehäuse zusammen eine konstruktive Ein­ heit, im folgenden Applikator genannt, bilden und die einzeln oder gemeinsam mit einem oder mehreren von außen zugänglichen elektrischen Anschlußpunkten verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die den Applikator (1) bildenden Resonatoren (3) aus elektrisch gekoppelten Zwei- oder Mehrleiterstruktu­ ren bestehen, die zumindest im Bereich einiger der sich bei Resonanz ausbildenden Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte in Richtung des Meßobjektes (2) offen sind,
• 2. das von den Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkten ausgehende Streufeld zumindest teilweise innerhalb des Meßobjektes (2) verläuft und
• 3. die Leitungsstrukturen so angeordnet sind, daß ein­ resultierendes Überlagerungsfeld ihrer zum Meßobjekt (2) offenen Spannungsmaxima oder Ladungsschwerpunkte an der Grenzfläche zum Meßobjekt (2) an eine zu er­ zielende Feldgeometrie annäherbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rückleitungen der zu einem Reso­ nator (3) gehörenden Leitungs- und Flächenelemente mit ihrem überwiegenden Flächenanteil, mit ihren Berandungen oder ihren Einhüllenden auf einer gemeinsamen Fläche an­ geordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu einem Resonator (3) gehörenden zum Meßobjekt offenen Leitungs- und Flächen­ elemente mit Ausnahme der elektrischen Anschlußpunkte symmetrisch zu einer Spiegelebene angeordnet und elek­ trisch gleichphasig gespeist oder antisymmetrisch zu einer Spiegelebene angeordnet und elektrisch gegenphasig ge­ speist werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zu einem Resonator (3) gehörenden zum Meßobjekt offenen Leitungs- und Flächen­ elemente mit Ausnahme der elektrischen Anschlußpunkte radialsymmetrisch in Bezug auf eine zum Meßobjekt gerich­ tete n-zählige Drehachse mit der natürlichen Zahl n = 2, ..., 120 angeordnet und elektrisch parallelgeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Resonator (3) bildenden Zwei- oder Mehrleiterstrukturen an ihren Leitungsenden elektrisch leerlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Resonator (3) bildenden Zwei- oder Mehrleiterstrukturen an ihren Leitungsenden elektrisch kurzgeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Resonator (3) bildenden Zwei- oder Mehrleiterstrukturen an ihren Enden mit definierten Widerständen abgeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Resonator (3) bildenden Zwei- oder Mehrleiterstrukturen an ihren Speisepunkten über Serienwiderstände definierter Größe angeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Resonator (3) gehörenden Leitungs- und Flächenele­ mente zum Meßobjekt (2) elektromagnetisch abgeschirmt und nur an ihren Leitungsenden mit einem zum Meßobjekt (2) hin offenen leitfähigen Elektrodenkörper oder einer leitfähi­ gen Elektrodenfläche verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Resonatoren (3) und den nach außen geführten elektrischen Anschlußpunkten eine oder mehrere elektrische Impedanztransformationsschaltungen befinden und daß diese Impedanztransformationsschaltungen fest mit den Resonato­ ren (3) verbunden und konstruktiv in den Applikator (1) integriert sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso­ natoren (3) nur einen Anschlußpunkt nach Art einer elek­ trischen Eintorschaltung besitzen.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso­ natoren (3) zwei oder mehrere Anschlußpunkte nach Art einer elektrischen Zwei- oder Mehrtorschaltung besitzen.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die La­ dungsschwerpunkte eines Resonators (3) in einer zur Pro­ benfläche senkrechten Ebene liegen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens drei entsprechend dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 13 ausgeführte und in verschiedenen Richtungen gelegene Transmissionsresona­ toren (3) einen gemeinsamen Anschlußpunkt besitzen und daß ihre jeweiligen zweiten Anschlußpunkte getrennt oder über einen von außen schaltbaren Multiplexer herausgeführt sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Resonator (3) gehörenden Leitungs- und leitfähigen Flächenelemente mit ihrem überwiegenden Flächenanteil oder mit ihren Berandungen auf einer Kugel-, Kegel-, Zylinder-, Ellipsoid-, Prismen-, Pyramiden- oder ebenen Fläche an­ geordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Resonator (3) gehörenden Leitungs- und leitfähigen Flächenelemente mit ihrem überwiegenden Flächenanteil oder mit ihren Berandungen auf einer zur Oberfläche des Meß­ objektes parallelen Fläche angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame leitfähige Fläche den Rückleiter aller zu einem Resonator (3) gehörenden Leitungs- und leitfähigen Flä­ chenelemente bildet.

18. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ap­ plikator (1) auf seiner dem Meßobjekt (2) zugewandten Seite objektspezifisch ausgebildete Auflagepunkte, -flä­ chen oder andere Distanzkörper (19) trägt, die beim Auf­ setzen einen definierten Abstand zwischen Resonator(en) und Meßobjekt (2) garantieren, oder daß ein Teil der Reso­ natorflächen selbst als Auflagefläche ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Meßobjekt (2) zugewandten Leiteroberflächen der Resonato­ ren (3) in den Ladungsschwerpunkten gegenüber dem son­ stigen Leitungsquerschnitt vergrößert und/oder besonders dicht an das Meßobjekt (2) herangeführt sind.

20. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso­ natoren (3) mittels einer Andruckvorrichtung an sich be­ kannter Bauart punktförmig oder flächig an das Meßobjekt (2) angedrückt werden.

21. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ap­ plikator (1) auf seiner dem Meßobjekt (2) zugewandten Seite vollständig oder teilweise mit einer dielektrischen Beschichtung, Abdeckung oder Hülle umgeben ist.

22. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ap­ plikator (1) direkt oder innerhalb einer festen dielektri­ schen Hülle teilweise oder ganz in Meßobjekte (2) mit fester, flüssiger, pastöser oder körniger Konsistenz ein­ getaucht oder eingebettet, eingeklebt, eingeschraubt, eingeschlagen oder eingeklemmt ist.

23. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der probenzugewandten Seite des Applikators (1) ein deformier­ bares Dielektrikum aufgebracht ist, das bei entsprechendem Andruck den Zwischenraum zwischen Resonator(en) und Meß­ objekt im meßwirksamen Bereich homogen ausfüllt.

24. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ tungs- und leitfähigen Flächenelemente der Resonatoren (3) in Mikrostreifenleitungs-, suspended substrate-, Schlitzleitungs-, Koplanarleitungstechnik, als symmetri­ sche oder unsymmetrische Draht- oder Bandleitungen über einer flächenhaft ausgedehnten Rückseitenelektrode oder als geschlitzte Koaxialleitung ausgebildet sind.

25. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ tungs- und leitfähigen Flächenelemente der Resonatoren (3) als geometrisch regelmäßig oder unregelmäßig berandete Flächenelemente in Mikrostreifenleitungs- suspended sub­ strate-Technik oder mit Luft als Dielektrikum ausgeführt sind.

26. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso­ natoren (3) als Planarleitungen auf einem flexiblen Sub­ strat ausgebildet sind und mit einer geeigneten Andruck­ vorrichtung an sich bekannter Bauart flächig an das Meß­ objekt angedrückt werden.

27. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso­ natoren (3) als Planarleitungen auf einem flexiblen Sub­ strat ausgebildet und auf ihrer probenzugewandten Seite mit einem Adhäsivfilm oder einer Klebefolie zum direkten Aufkleben auf das Meßobjekt beschichtet sind.

28. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso­ natoren (3) als Planarleitungen auf einem flexiblen Sub­ strat ausgebildet und auf ihrer probenzugewandten Seite mit rückseitig in einem Anschlußstück mündenden Saugkanä­ len zur Vakuumfixierung am Meßobjekt versehen sind.

29. Vorrichtung zur Messung und/oder Abbildung elektrischer, magnetischer sowie mittelbar hieraus ableitbarer Material­ eigenschaften nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, bei dem das Meßobjekt in den Bereich des elektromagnetischen Außenfeldes des Applikators einbringbar ist, weiterhin bestehend aus einer mit den von außen zugänglichen elek­ trischen Anschlußpunkten des Applikators verbundenen Hoch­ frequenz-Meßeinrichtung zur Bestimmung elektrischer Reso­ nanzkenngrößen der einzelnen Resonatoren und/oder des Übertragungsweges zwischen je zwei der Resonatoren bei einer oder bei mehreren Frequenzen im Bereich zwischen 10 MHz und 1 THz, einem Mikrorechner oder Mikrocontroller, der aus den Resonanzkenngrößen nach bekannten mathemati­ schen Algorithmen die interessierenden Materialparameter berechnet, erforderlichenfalls einer mechanischen Raster­ vorrichtung zur Realisierung einer lateralen Relativbewe­ gung zwischen Applikator und Meßobjekt und einer Speicher- und Anzeigeeinrichtung zur Speicherung und Anzeige der berechneten Materialparameter erforderlichenfalls in Ab­ hängigkeit von der lateralen Meßposition in Form eines Zahlenwertes, einer Kurve oder einer flächenhaften Dar­ stellung, und einer Bedieneinrichtung zur Gerätesteuerung und Auslösung der Messung dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochfrequenz-Meßeinrichtung ganz oder teilweise mit dem Applikator (1) an sich zu einer kompakten Baueinheit in Form eines Meßkopfes zusammenge­ faßt ist, während die restlichen Teile der Hochfrequenz- Meßanordnung, der Mikrorechner oder -controller (9), die Speicher- (10), Anzeige- (11) und Bedieneinrichtung (12) in einem Gehäuse zu einem Hand- (15) oder Tischgerät ver­ einigt sind.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Applikator (1) zusammen mit einem Teil der Hochfrequenz-Meßeinrichtung als separa­ te Baueinheit in Form eines Meßkopfes oder eines Meßkopf­ teiles ausgeführt ist und über eine lösbare mechanische und elektrische Verbindung zu den restlichen Vorrichtungs­ teilen verfügt.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Applikator (1) und alle restli­ chen Vorrichtungsteile mechanisch in einem Gehäuse in Form eines Kompaktgerätes integriert sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Applikator (1), die Hoch­ frequenzmeßeinrichtung, der Mikrorechner oder -controller (9) sowie erforderlichenfalls eine zusätzliche Interface­ baugruppe mechanisch in einem Gehäuse in Form eines intel­ ligenten Sensors integriert sind, während die Speicher- (10), Anzeige- (11) und Bedieneinrichtung (12) ganz oder teilweise in einen Steuerrechner ausgelagert sind, der mit dem intelligenten Sensor über eine Kabel-, Infrarot-, Funk-, Telefon,- Lichtleiter-, Schall- oder andere Verbin­ dung gekoppelt ist.