DE4030801C2 - Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen - Google Patents

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 Mo 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 Mo 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 Mo emittierten thermischen Strahlung St eingefügt ist. Die Fre­ quenz, mit welcher der Chopper betrieben wird, muß höher sein als die Modulations-Frequenz MF, aber niedriger 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 Störfeldunter­ drückung 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 Strahlungsempfänger (Se) für die vom angeregten Meßob­ jekt (Mo) emittierte thermische Strahlung (St), dadurch gekennzeichnet, daß eine Induktor (I) zur Erzeugung eines auf das Meßobjekt (Mo) gerichteten zeitlich intensitätsmodulierten Magnetfeldes (Mf) vorgesehen ist.

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.