DE4030801A1 - Messanordnung zur beruehrungslosen bestimmung der dicke und/oder thermischen eigenschaften von folien und duennen oberflaechenbeschichtungen und/oder der absorptionseigenschaften inhomogener materialien - Google Patents
Messanordnung zur beruehrungslosen bestimmung der dicke und/oder thermischen eigenschaften von folien und duennen oberflaechenbeschichtungen und/oder der absorptionseigenschaften inhomogener materialienInfo
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Description
Das Prinzip der Dickenbestimmung von Folien und dünnen Oberflä
chenbeschichtungen mit Hilfe der instationären Wärmeleitung ist
seit langem bekannt. Es beruht darauf, bei einer zeitlich ver
änderlichen Aufheizung einer Probenoberfläche den daraus resul
tierenden zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur auszu
werten. Es läßt sich zeigen, daß der zeitliche Verlauf der Tem
peratur nach einer zeitlich definierten Aufheizung empfindlich
von der Dicke sowie den thermischen Kenngrößen einer Schicht
oder Folie abhängt. Im Prinzip kann die Aufheizung dabei einen
zeitlichen Verlauf haben, der zwischen einem Einzelimpuls und
einer periodischen sinusförmigen Form liegt. Ist die Anregung
periodisch, so stellt sich die Temperaturoszillation hinsicht
lich Amplitude und Phase in charakteristischer Weise ein.
Eine Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/
oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflä
chenbeschichtungen ist beispielsweise aus Z. Werkstofftech. 15,
140 bis 148 (1984) bekannt. Bei der dort dargestellten Ver
suchsanordnung wird die von einem Laser erzeugte und in einem
nachgeordneten Modulator in der Intensität periodisch veränder
te Heizstrahlung auf das Meßobjekt gerichtet. Die absorbier
te Heizstrahlung erzeugt dann sogenannte Wärmewellen, die von
Grenzflächen im Probeninneren reflektiert werden. Diese reflek
tierten Wärmewellen werden dann an der Oberfläche des Meßob
jekts über die resultierende Modulation der thermischen Emis
sion nachgewiesen. Hierzu wird ein Infrarot-Detektor verwendet,
dessen Ausgangssignal in einem phasenempfindlichen Lock-In-Ver
stärker mit dem Referenzsignal des Modulators verglichen wird.
Der derart ermittelte Phasenunterschied gibt dann Aufschluß
über die jeweilige Schichtdicke, wobei durch einen Schiebe
schlitten auch eine lokale Ortsauflösung ermöglicht wird.
Ähnliche Meßanordnungen, bei welchen das Meßobjekt durch ge
wöhnliche Infrarotstrahler oder Infrarotlaser aufgeheizt wird,
sind aus Z. Technisches Messen 49, 1982, Heft 11, S. 391 bis
398 bekannt.
Aus der DE-A-36 31 652 ist eine weitere Meßanordnung zur berüh
rungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und dünnen Oberflä
chenbeschichtungen bekannt, bei welcher die Genauigkeit der
Messungen dadurch erheblich gesteigert wird, daß der Strah
lungsempfänger, insbesondere durch ein vorgeschaltetes Filter,
auf einen von der anregenden Heizstrahlung separaten Empfangs
bereich begrenzt wird. Die Heizstrahlung wird bei dieser be
kannten Meßanordnung über einen flexiblen Lichtleiter auf das
Meßobjekt übertragen.
Bei den bekannten Meßanordnungen wird die zur Ausbreitung von
Wärme im Meßobjekt benötigte Temperaturänderung durch Absorp
tion einer Heizstrahlung erzeugt, deren Wellenlängen im sicht
baren, im nahen Ultraviolett und im nahen Infrarot liegen.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu
grunde, eine Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der
Dicke und/oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen
Oberflächenbeschichtungen zu schaffen, die auch bei Meßobjekten
mit optisch verdeckten Schichten angesetzt werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß bei einer induktiven Aufheizung des Meßobjekts durch
ein intensitätsmoduliertes Magnetfeld auch Messungen an einer
Vielzahl von Meßobjekten durchgeführt werden können, bei wel
chen eine Aufheizung durch Absorption von Licht nicht möglich
ist. So können insbesondere auch optisch verdeckte Schichten
aufgeheizt werden. Außerdem können durch die selektive Anregung
elektrisch leitender Stoffe diese auch in einer nichtleitenden
Umgebung nachgewiesen werden. Ein weiterer Vorteil der indukti
ven Aufheizung besteht darin, daß gegenüber einer Aufheizung
durch Licht und insbesondere gegenüber einer Aufheizung durch
Laserstrahlen nur ein geringer Aufwand erforderlich ist. Die
bei herkömmlichen Meßanordnungen erforderlichen Filter zur
Trennung von anregender Heizstrahlung und emittierter thermi
scher Strahlung können bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung
entfallen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprü
chen 2 bis 5 angegeben.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist durch die Wahl der Hoch
frequenz und die davon abhängige geringe Eindringtiefe der Wir
belströme insbesondere für Schichtdickenmessungen geeignet.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht eine besonders
einfache Intensitätsmodulation des Magnetfeldes durch eine ent
sprechende Modulation der Arbeitsfrequenz des Hochfrequenz-Mo
dulators.
Die Weiterbildung nach Anspruch 4 gewährleistet eine wirksame
Unterdrückung von durch die niedrige Frequenz der Intensitäts
modulation des Magnetfeldes verursachten Störfeldern. Die Stör
feldunterdrückung kann dabei gemäß Anspruch 5 auf besonders
einfache Weise durch einen Chopper als Modulator realisiert
werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar
gestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Die Zeichnung zeigt in stark vereinfachter schematischer Dar
stellung eine Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der
Dicke von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen. Mit die
ser Meßanordnung soll an einem mit No bezeichneten Meßobjekt
beispielsweise die Dicke einer auf Stahlblech aufgebrachten
Emailleschicht gemessen werden. Hierzu wird zunächst das in
einem Induktor I erzeugte, intensitätsmodulierte Magnetfeld Mf
auf die Oberfläche des Meßobjekts Mo gerichtet. Für die Erzeu
gung des intensitätsmodulierten Magnetfeldes Mf ist ein Hoch
frequenz-Generator HG vorgesehen, der über einen Transformator
T an den Induktor I angeschlossen ist, und der durch die Modu
lations-Frequenz MF eines Funktionsgenerators Fg angesteuert
ist. Die Arbeitsfrequenz des Hochfrequenz-Generators HG beträgt
beispielsweise 300 kHz, während die für die Intensitätsmodula
tion des Magnetfeldes Mf verantwortliche Modulations-Frequenz
MF wesentlich geringer ist und beispielsweise 5 bis 10 Hz be
trägt.
Das intensitätsmodulierte Magnetfeld Mf bewirkt durch die ent
stehenden Wirbelströme eine Aufheizung elektrisch leitender
Schichten des Meßobjekts Mo. Elektrisch nichtleitende Schich
ten, wie z. B. die genannten Emailleschichten, werden dabei von
den elektrisch leitenden Schichten her erwärmt, so daß an der
Oberfläche des Meßobjekts Mo eine Temperaturoszillation auf
tritt. Die entsprechende, vom angeregten Meßobjekt No emittier
te thermische Strahlung St wird über einen Hohlspiegel Hs zu
einem Strahlungsempfänger Se umgelenkt. Bei diesem Strahlungs
empfänger Se handelt es sich um einen Infrarot-Detektor.
Zur Unterdrückung von Störfeldern, die durch die niedrige Modu
lations-Frequenz MF hervorgerufen und praktisch nicht abge
schirmt werden können, sind ein Modulator M und ein erster
Lock-In-Verstärker LI1 vorgesehen. Bei dem Modulator M handelt
es sich um einen Chopper, der zwischen Meßobjekt Mo und Hohl
spiegel Hs in den Strahlengang der vom angeregten Meßobjekt No
emittierten thermischen Strahlung St eingefügt ist. Die Fre
quenz, mit welcher der Chopper betrieben wird, muß höher sein
als die Modulations-Frequenz NF aber niederiger als die Ar
beitsfrequenz des Hochfrequenz-Generators MG. Sie beträgt bei
spielsweise 300 Hz. Vom Modulator M bzw. Chopper wird ein ers
tes Referenzsignal Rs1 mit der vom Chopper erzeugten Frequenz
dem ersten Lock-In-Verstärker LI1 zugeführt. Der Lock-In-Ver
stärker LI1, dem auch das Ausgangssignal As des Strahlungsemp
fängers Se zugeführt wird, ist nur für die vom Chopper erzeugte
Frequenz empfindlich. Die damit verbundene Störfeldunterdrük
kung bewirkt, daß das Ausgangssignal As2 des ersten Lock-In-
Verstärkers LI1 nur von der vom angeregten Meßobjekt Mo emit
tierten thermischen Strahlung St abhängig ist.
Die eigentliche Signalverarbeitung erfolgt durch einen zweiten
Lock-In-Verstärker LI2, welchem das Referenzsignal Rs2 des
Funktionsgenerators Fg und das Ausgangssignal As2 des ersten
Lock-In-Verstärkers LI1 zugeführt werden. Im zweiten Lock-In-
Verstärker LI2 werden - in gleicher Weise wie bei den konven
tionellen fotothermischen Meßanordnungen - durch Vergleich der
Signale Rs2 und As2 die Amplitude A und die Phase P der im Meß
objekt Mo erzeugten Wärmewellen ermittelt. Durch Analyse von
Amplitude A und Phase P lassen sich Rückschlüsse auf Schicht
dicken, Einschlüsse, Ablösungen und dergleichen ziehen, wobei
insbesondere auch die Möglichkeit eines Nachweises elektrisch
leitender Materialien in nichtleitender Umgebung hervorzuheben
ist. Gegenüber den konventionellen fotothermischen Meßanordnun
gen können auch optisch verdeckte Schichten aufgeheizt werden.
So können beispielsweise lichtabsorbierende Kunststoffbeschich
tungen oder Keramikbeschichtungen auf elektrisch leitfähigen
Materialien derart untersucht werden, daß die Wärme über Induk
tion im elektrischen Leiter erzeugt wird. Dies hat den Vorteil,
daß die Wärme nur den einfachen Weg durch die Beschichtung zu
rücklegen muß, während im Gegensatz dazu bei der Lichterwärmung
die Wärme den doppelten Weg durch die Beschichtung zurücklegen
muß. Es können somit doppelt so dicke Schichten wie bisher ver
messen werden.
Bei dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel wird das
vom Induktor erzeugte Magnetfeld auf die Rückseite des Meßob
jekts gerichtet, während der Strahlungsempfänger die von der
Vorderseite emittierte thermische Strahlung empfängt. Eine An
ordnung des Induktors auf der Vorderseite des Meßobjekts ist
jedoch ebenfalls möglich. In diesem Fall kann dann beispiels
weise die emittierte thermische Strahlung durch den Induktor
hindurchgeführt werden.
Mit der geschilderten Meßanordnung wurde die Dicke von auf
Stahlblech aufgebrachten Emailleschichten im Bereich von 30 bis
160 µm vermessen, wobei die Meßgenauigkeit bei ± 1% lag. Ne
ben der berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien und
dünnen Oberflächenbeschichtungen kann die beschriebene Meßan
ordnung auch zur berührungslosen Bestimmung der thermischen
Eigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärme von
Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen herangezogen wer
den. Bei allen Messungen ist jedoch Voraussetzung, daß das Meß
objekt mindestens eine elektrisch leitende Schicht besitzt.
Claims (5)
1. Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder
thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflä
chenbeschichtungen mittels instationärer Wärmeleitung mit
- - einem Induktor (I) zur Erzeugung eines auf das Meßobjekt (Mo) gerichteten zeitlich intensitätsmodulierten Magnetfeldes (Mf) und
- - einem Strahlungsempfänger (Se) für die vom angeregten Meßob jekt (Mo) emittierte thermische Strahlung (St).
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Induktor (I) über einen
Transformator (T) an einen Hochfrequenz-Generator (HG) ange
schlossen ist.
3. Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Intensitätsmodulation des
Magnetfeldes (Mf) dem Hochfrequenz-Generator (HG) ein Funk
tionsgenerator (Fg) zugeordnet ist.
4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen Modulator (M) zur
Modulation der vom angeregten Meßobjekt (Mo) emittierten ther
mischen Strahlung (St) und einen dem Strahlungsempfänger (Se)
nachgeordneten, nur für die Frequenz des Modulators (M) emp
findlichen Lock-In-Verstärker (LI1) .
5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Modulator (M) durch einen in
den Strahlengang der thermischen Strahlung (St) zwischen Meßob
jekt (Mo) und Strahlungsempfänger (Se) eingefügten Chopper ge
bildet ist.
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