DE2733760B2 - Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und Dielektrizitätszahl von dielektrischen Schichten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und Dielektrizitätszahl von dielektrischen Schichten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

und dessen Dicke zu
T1-T0
ergibt, mit q> = Lichtgeschwindigkeit, T\ = erster Nulldurchgang des aus der Differenz entstandenen Wellenzuges.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Impulsgenerator mit einer Flankensteilheit von mehr als 1010 V/S in Verbindung mit einer breitbandigen Antenne (z. B. Steghohlleitungshorn) und einem breitbandigen Sicht- und Aufzeichnungsgerät (Sampling-Oszillograph) besteht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Messung der Dicke von Schichten sind vielfach bekannt. So wird nach der Beschreibung des Gerätes »Dickenmesser für Fahrbahnbeläge Stratotest« der Firma Elektrophysik, Köln (1) die Schichtdicke von Straßenbelägen mit elektromagnetischen Feldern dadurch bestimmt, daß der Abstand einer Metallfolie zu einer stromdui chflossenen Spule gemessen wird. Ferner ist in der DE-OS 22 44 166 (2) ein Verfahren beschrieben, mit dem Eis, Wasser oder Matsch auf Straßen festgestellt werden kann. Die US-PS 26 65 466 (3) beschreibt ein CW-FM Radar zur Dickemessung von Eis im Meer, welches von der starken Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften von (Salz-) Wasser und
Eisschichten Gebrauch macht. Nach Nye »Measuring the Change in Thickness of the Antarctic Ice Sheet« Nature Physical Science, Vol. 240, No. 6,1972, S. 7-9 (4) wird zur Messung von Meereseisschichten bei Frequenzen um 35 MHz die Phasenbeziehung des Strensignals
zum Basisband ausgenutzt und die Form der Einhüllenden in (Phasen-) Beziehung zu einem CW-Träger gesetzt
In FR-PS 22 26 670 (5) wird ein Verfahren beschrieben, das die Messung der Dicke von Schneeschichten mit kurzen (Subnanosekunden) Impulsen im Mikrowellenbereich beschreibt
In der US-Patentschrift 36 97 282 (6) findet sich ebenfalls eine Systembeschreibung eines Kurzimpulsradargerätes zur Ortung verborgener Gegenstände
μ (Rohre) in der Erde.
Weiterhin wird das Prinzip des Kurzimpulsradars zur Entfernungsmessung in der OS 22 19 022 (7) herangezogen. Robinson, Weir und Young verwenden in »Location and Recognition of Discontinuities in Dielectric Media Using Synthetic RF Pulses« Proa IEEE, Jan. 74, S. 36 ff. (8) synthetisch durch Umrechnung aus dem Frequenz- in den Zeitbereich erzeugte breitbandige HF-Impulse zur Ortung und Klassifizierung metallischer und dielektrischer Streukörper.
jo Breitbandige Mikrowellenimpulse werden auch in (9) »Radargerät für die Suche von Objekten im Erdboden«
NTZ 1974 H2 K23 zur Ortung von Streukörpern in der Erde herangezogen. Das zu (1) genannte Verfahren setzt voraus, daß an
i) den Stellen, an denen eine Messung der Dicke des Straßenbelags vorgenommen werden soll, vor dem Aufbringen der Asphaltschicht eine Metallfolie eingelegt wird. Gemäß (2) wird lediglich eine Beziehung zwischen der reflektierten Mikrowellensnergk. und dem Zustand der Oberfläche eines Fensters hergestellt, wobei die Mikrowelle auf das in die Straßenoberfläche eingelassene Fenster von unten aufgestrahlt wird. Dabei können nicht die Parameter mehrerer Schichten (z. B. Dicke um.1
•Γ) Dielektrizitätszahl) jeweils unabhängig voneinander bestimmt werden, da ias bekannte Meßverfahren nur die Bestimmung einer unbekannter Größe zuläßt. Bei Anwendung auf die Dickenmessung von Straßer.belägen müßte man daher für jede Kombination von Belägen (Asphalt, Beton usw.) mit dem Straßenuntergrund (z. B. Schotter) eine andere Eichkurve benutzen. Im allgemeinen ist die Untergrundstruktur nach Zusammensetzung und Schichtung am Meßort nur ungenau bekannt, so daß die Wahl einer Eichkurve nicht eindeutig ist und daher u. U. sehr große Meßfehler resultieren.
Nach (3) ist die starke Frequenzabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften von Salzwasser- und Eisschichten eine notwendige Vorausse.zung für die
uo Brauchbarkeit des beschriebenen Verfahrens. Es werden zwei verhältnismäßig weit auseinanderliegende Frequenzen, nämlich 100 MHz und 4000 MHz benutzt (Zwei-Frequenz-Radar). Bei Asphalt oder ähnlichen Materialien liegt keine oder nur eine unwesentliche Änderung der dielektrischen Eigenschaften in dem betrachteten Frequenzbereich vor. Daher ist dieses Zwei-Frequenz-Radar-Verfahren in dieser Art auf Asphaltdickenmessung nicht anwendbar. Auch das in
Spalte 4 dieser US-PS genannte »Pulse radar system« arbeitet bei zwei Bandmittenfrequenzen und macht dabei von den speziellen dielektrischen Eigenschaften von Eis und Wasser Gebrauch,
Nach (4) wird nur die Einhüllende des Empfangssignals ausgewertet Die Form des Basisbandsignals, die wesentlich aussagekräftiger ist, wird nicht verwendet FQr die Anwendung bei der Asphaltdickenmessung muß jedoch die zu benutzende Anordnung mit handlichen Abmessungen nut wesentlich höheren Frequenzen als 35 MHz arbeiten. Ferner liegt der interessierende Meßbereich bei einigen mm bis einigen cm. Schließlich sollte der Abstand der Stinde-/Empfangsantenne (Fernfeld) von der Straßenoberfläche nicht größer als 1 bis 2 m sein. Aus den genannten Gründen kommen für den gedachten Zweck praktisch nur Frequenzen oberhalb 1 GHz in Frage. Würde man das von Nye beschriebene Verfahren der phasenabhängigen Einhüllenden in diesem Bereich anwenden, so müßte der Abstand Antenne/Straßenoberfläche sehr genau auf etwa ± 1 mm geregelt werden, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten. Ferner gibt die Auswertung der Einhüllenden nur sehr ungenaue Aussagen bei der Messung von relativ dünnen Schichten bezogen auf die Wellenlänge. Nur bei verhältnismäßig dicken Schichten, wobei die Durchlaufzeit der elektromagnetischen Welle etwa gleich der Anstiegzeit der Einhüllenden ist, können nach dem Verfahren mit einer Messung gleichzeitig Dicke und Dielektrizitätszahl einer Schicht bestimmt werden.
Die Grenze der Anwendbarkeit von (5) liegt dort, wo Schichten so dünn sind, daß die zur Messung benutzten Impulse sich überlagern und ohne weitere Maßnahmen keine Aussagen mehr über die zu untersuchende Struktur möglich sind. Auch Verfahren, bei denen die Korrelationsfunktion in einer Art und Weise wie etwa in (8) beschrieben, verwendet wird, eignen sich wegen der bei ihnen auftretenden Mehrdeutigkeiten und zeitlichen Überlappungen der Korrelationsprodukte nicht für relativ dünne Schichten,
In (6), (7), (8) und (9) werden ebenfalls Verfahren beschrieben, üie sich nicht ohne zusätzliche Maßnahmen zur Analyse bezüglich Dicke und Dielektrizitätszahl von für Mikrowellen transparenten Schichten anwenden lassen, wenn diese Schichten ein starkes Ineinanderlaufen der zur Messung benutzten Impulse auf Grund ihrer geringen Dicke hervorrufen.
Das hier beschriebene Abzugsver/ahren vermeidet die genannten Nachteile üblicher Korrelationstechniken dadurch, das durch das Heranziehen entsprechender Nulldurchgänge Eindeutigkeit erzielt wird und durch den Subtraktionsvorgang auch sich zeitlich überlappende Signale trennbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das es ermöglicht, mit einem Meßvorgang die Dicke und die Dielektrizitätszahl der Schichten zu ermitteln, wobei die Schichten eine verhältnismäßig geringe Dicke, z. B. in der Größenordnung des Asphaltbelags auf Straßen, haben können und wobei die Meßanordnung handliche Abmessungen und eine hinreichende Meßgenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst. Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßftil Verfahrens ist im Anspruch 2 angegeben.
Die Erfindung wird mit Hilfe der Fig. la, Ib, Ic sowie 2a, 2b, 2c an Hand eine:. Alisführungsbeispiels näher erläutertr Dabei zeigen die Fig.la, Ib, Ic die Meßanordnung in schematischer Darstellung, während die Fig.2g, 2b, 2c die Auswertung der Messung erläutern. Ein Impulsgenerator 1 mit einer Anstiegszeit
des Impulses von weniger als 1 ns, der z, B. einen Spannungssprung erzeugt, ist über eine Koaxialleitung und einen Koaxial-Hohlleitungsübergang an eine Sendeantenne 2, z.B. eine X-Band Hornantenne, angeschlossen. Nach Fourier enthält jeder hinreichend
ίο steilflankige Impuls Spektralanteile im cm-Wellenbereich. Diese Spektralanteile werden von der Sendeantenne abgestrahlt Die untere Grenzfrequenz der Grundmode Wi0 eines genormten X-Band Hohlleiters (a = 22,86 mm) liegt bei 6,56 GHz. Mit der beschriebe-
Ii nen Anordnung können Impulse von mehreren GHz Bandbreite abgestrahlt werden. Die von den zu untersuchenden dielektrischen Schichten D\ und Di reflektierte elektromagnetische Welle gelangt über eine Empfangsantenne 3 von der gleichen Bauart wie die
2» Sendeantenne 2 und die folgende Koaxialleitung zu einer Abtasteinheit (Sampling-Kopf) -I, In dieser wird durch zeitlich verschobene Abtastung ons periodisch wiederkehrenden Signals eine zeitliche Dehnung des Signals bei gleichzeitiger Bandbreitenreduktion bewirkt Zur Darstellung dieses zeitlich gedehnten Signals findet ein Sichtgerät 5 (Oszillograph und/oder Schreiber) Verwendung. Die Amplitude des Empfangssignals am Eingang der Abtasteinheit soll mindestens 10 mVss betragen, um einen hinreichenden Signal-Rausch-Abstand zu gewährleisten. Daher muß je n^ch Entfernung und Reflexionsverhalten der dielektrischen Schichten das von der Sendeantenne abgestrahlte Signal, bezogen auf die Koaxialleitung (50 Ohm), eine Amplitude von 0,1 bis 10 VM aufweisen. Zur Erzeugung eines Sendesignals
j-, von 0,1 V55 ist bei der beschriebenen Anordnung eine Flankensteilheit des von dem Impulsgenerator 1 abgegebenen Impulses von ca. 3 ■ 1010 V/s erforderlich. Falls eine höhere Sendeleistung benötigt wird oder wenn die Spannungsänderung von 3 · IO10 V/s nicht
•in erbracht werden kann, wird der Pegel des Sendesignals durch Einfügen eines breitbandigen Verstärkers 6 (Fig. Ib) angehoben. Der Pegel des Empfangssignals am Eingang des Sampling-Kopfes 4 läßt sich ebenso durch einen breitbandigen Verstärker 7 erhöhen
« (Fig. Ic).
Zur Signalauswertung wird zunächst der zeitliche Verlauf der von der Sendeantenne 2 abgestrahlten elektromagnetischen Welle aufgenommen, indem man an Stelle der dielektrischen Schichten D\ und D2 eine
->n Metallplatte anordnet. Das so erhaltene reflektierte Signal S\(t) ist in Fig.2a dargestellt. Im weiteren Verlauf findet ein Vergleich des von den dielektrischen Schichten reflektierten Signals S2 (t) (F i g. 2b) mit S\(t) statt. F'i.r diese Analyse kann näherungsweise angenommen werden, daß ein Reflexionsverhalten wie beim senkrechten Einfall ebener, homogener Wellen vorliegt. Für den Reflexionsfaktor η eines dielektrischen Halbraumes gilt
I +
wobei er ι die Dielektrizitätszahi der Schicht Dy ist.
Zur Bestimmung dei Zeitpunktes 7"o wird jeweils der erste Nulldurchgang von S](I) und Sj(t) zur Deckung gebracht. Das Signal S2(t)w\rd dann mit einem Faktor ν
verstärkt und von S\ ^subtrahiert.
Bei einem bestimmten Wert v0 von ν wird Sifrjin der Umgebung von 7ö verschwinden. Aus diesem speziellen Vo ergibt sich der Reflexionsfaktor der ersten dielektrischen Schicht D\ zu
j_
•Ό
Gleichzeitig ist der Zeitpunkt Γι festgelegt als der Punkt auf der f-Achse, an dem das Signal S\(\)\\yc ν = in - l/r, einsetzt(Fig. 2c).
Mit (1) ist bei bekanntem η auch tr ι bestimmt. Damit gilt für die Phasengeschwindigkeit von vrt, ι in der ersten
Atr*\a\, Iptc/tlian Ctkitk
wobei C0 die Lichtgeschwindigkeit ist.
Die gesuchte Dicke </, ergibt sich mit
7, -7·. =2,1, ι·,,»,
, T1 - T1. </,= 2 τ
rhi ■
nnen die Schichtdicke c/> in
Durch Vergleich von Sj mit
Dielektrizitätszahl ef2 und die
ähnlicher Weise ermittelt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nicht nur die Dicke der Asphaltschicht auf Straßen, sondern auch die Dicke der Schicht von Mauerwerk oder anderen in der Bautechnik verwendeten Werkstoffen (Holz, Kunststoff usw.) auf einfache Weise bestimmt werden. Ferner lassen sich Hohlräume lokalisieren und Informationen über den Feuchtigkeitsgehalt der dielektrischen Schichten gewinnen. Auch die Bestimmung der ve" Sehn
Eisschichten is! durchführbar
Zur Kontrolle, ob eine bestimmte Schichtstruktur vorliegt (Straßenbau), genügt der Vergleich des gemessenen Streusignals mit einer Musterfunktion von einer bekannten Struktur. Die oben beschriebene Analyse kann dann entfallen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und Dielektrizitätszahl von dielektrischen Schichten durch Einstrahlung einer elektromagnetischen Welle im Mikrowellenbereich auf die zu messenden Schichten und Empfang der von den dielektrischen Schichten reflektierten und/oder transmittierten Wellen, wobei die elektromagnetische Welle durch ein periodisches impulsförmiges Sendesignal im Sub-Nanosekunden-Bereich angeregt wird, das über eine geeignete Mikrowellenantenne breitbandig (> 1 GHz) abgestrahlt wird, und wobei der Verlauf des empfangenen HF-Signals durch Abtastung (Sampling-Technik) zeitlich gedehnt wird und aus diesem zeitlich gedehnten Signal die Dicke und Dielektrizitätszahl der Schichten bestimmt wird,dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Referenzsignal S\(t) durch Reflexion der aas^esandten Welle an einem Totalreflektor (Metallplatte) gewonnen wird, daß der erste Nulldurchgang (To) des durch Reflexion an der dielektrischen Schicht gewonnenen Meßsignals S2(O mit dem des Referenzsignals in Deckung gebracht wird, daß das Meßsignal danach vom Referenzsignal subtrahiert wird, wozu es um einen variablen Faktor V verstärkt wird, bis das Differenzsignal bei einem Wert Vo in der Umgebung von 71 verschwindet, wonach sich die Dielektrizitätszahl der unbekannten Schicht aus
DE19772733760 1977-07-27 1977-07-27 Verfahren zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und Dielektrizitätszahl von dielektrischen Schichten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Expired DE2733760C3 (de)

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