DE4030802C2 - Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflächenbeschichtungen und/oder der Absorptionseigenschaften inhomogener Materialien - Google Patents

Description

Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflächenbe­ schichtungen und/oder der Absorptionseigenschaften inhomogener Materialien.

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.

Aus der DE-A-30 21 096 ist eine Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke von Folien oder des Füll- oder Volumenfaktors von porösen oder netzartigen Materialien bekannt, die einen Mikrowellen-Generator zur Erzeugung von auf das Meßobjekt gerichteten Mikrowellen und einen Mikrowellen-Empfänger für die am Meßobjekt reflektierenden Mikrowellen umfaßt. Der am Meßobjekt reflektierte Anteil der Mikrowellen dient als Maß für die Dicke einer Folie bzw. bei porösem oder netzartigem Material als Maß für dessen Füll- oder Volumenfaktor.

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 Aufheizung des Meßobjekts durch intensi­ tätsmodulierte Mikrowellen auch Messungen an einer Vielzahl von Meßobjekten durchgeführt werden können, bei welchen eine Auf­ heizung durch Absorption von Licht nicht möglich ist. Neben einer Aufheizung optisch verdeckter Schichten können mit Mikro­ wellen insbesondere auch Wasser oder Schichten mit einen hohen Wasseranteil aufgeheizt werden. Derartige Schichten können durch Lichteinstrahlung nicht oder allenfalls nur unwesentlich erwärmt werden. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes von Mikro­ wellen besteht darin, daß durch eine Bestimmung der Absorp­ tionseigenschaften inhomogener Materialien beispielsweise Was­ ser in nicht wasserhaltiger Umgebung nachgewiesen werden kann. Schließlich ist noch hervorzuheben, daß die Verwendung von Mi­ krowellen gegenüber einer Aufheizung durch Licht und insbeson­ dere gegenüber einer Aufheizung durch Laserstrahlen nur einen geringen Aufwand erfordert. Die bei herkömmlichen Meßanordnun­ gen erforderlichen Filter zur Trennung von anregender Heiz­ strahlung und emittierter thermischer Strahlung können bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung entfallen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprü­ chen 2 und 3 angegeben.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, die von einem Mikrowellen-Generator erzeugten Mikrowellen gezielt auf das Meßobjekt zu richten.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 dient dem Schutz von Perso­ nen, die sich in der Nähe des Meßortes aufhalten.

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 Lackschicht gemessen werden. Hierzu werden zunächst die in einem Mikrowellen-Generator MG erzeugten Mikrowellen über einen metallischen Hohlleiter H auf die Oberfläche des Meßobjekts Mo gerichtet. Die Mikrowellen sind dabei durch einen Pfeil Mw auf­ gezeigt. Die Absorption der Mikrowellen Mw im Meßobjekt Mo be­ wirkt an der Oberfläche eine Temperaturoszillation. Die ent­ sprechende vom angeregten Meßobjekt Mo emittierte thermische Strahlung St wird über einen mit Hs bezeichneten Hohlspiegel für Infrarotstrahlung zu einem Strahlungsempfänger Se umge­ lenkt. Bei diesem Strahlungsempfänger Se handelt es sich um einen Infrarot-Detektor.

Die zeitliche Intensitätsmodulation der vom Mikrowellen-Genera­ tor MG erzeugten Mikrowellen Mw wird durch einen Funktionsgene­ rator Fg bewirkt, dessen Modulations-Frequenz MF beispielsweise 200 Hz beträgt. Demgegenüber beträgt die Arbeitsfrequenz des Mikrowellen-Generators MG beispielsweise 2 GHz. Als Mikrowel­ len-Generator MG kann beispielsweise ein Klystron oder auch ein Gunn-Oszillator eingesetzt werden. Bei der Erzeugung und Über­ tragung von Mikrowellen kann dabei auf Erfahrungen in der Mi­ krowellen-Spektroskopie und in der Mikrowellen-Therapie zurück­ gegriffen werden.

Die Signalverarbeitung erfolgt durch einen phasenempfindlichen Lock-In-Verstärker LI, welchem das Referenzsignal Rs des Funk­ tionsgenerators Fg und das Ausgangssignal As des Strahlungsemp­ fängers Se zugeführt werden. Im Lock-In-Verstärker LI werden dann in gleicher Weise wie bei den konventionellen fotothermi­ schen Meßanordnungen durch Vergleich der Signale Rs und As die Amplitude A und Phase P der im Meßobjekt Mo erzeugten Wärmewel­ len ermittelt. Durch Analyse von Amplitude A und Phase P lassen sich Rückschlüsse auf Schichtdicken, Einschlüsse, Ablösungen und dergleichen ziehen, wobei insbesondere auch die Möglichkeit eines Nachweises von Wasser in nichtwasserhaltiger Umgebung hervorzuheben ist. Gegenüber den konventionellen fotothermi­ schen Meßanordnungen können auch optisch verdeckte Schichten aufgeheizt werden. So können beispielsweise lichtabsorbierende Kunststoffbeschichtungen oder Keramikbeschichtungen auf elek­ trisch leitfähigen Materialien derart untersucht werden, daß die Wärme mittels Mikrowellen im elektrischen Leiter erzeugt wird. Dies hat den Vorteil, daß die Wärme nur den einfachen Weg durch die Beschichtung zurücklegen 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 vermessen werden.

Zum Schutz von Personen, die sich im Umfeld der Messungen auf­ halten, ist auf der dem Mikrowellen-Generator MG gegenüberlie­ genden Seite des Meßobjekts Mo eine Mikrowellen-Absorberzelle MA angeordnet. Der Aufbau derartiger Zellen ist beispielsweise aus der Mikrowellen-Spektroskopie bekannt.

Bei dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel wird die sogenannte Frontseitenmethode angewandt, bei welcher eine Seite des Meßobjekts mit Mikrowellen beaufschlagt wird und die von dieser Seite emittierte thermische Strahlung erfaßt wird. Die Anwendung der sogenannten Rückseitenmethode ist jedoch eben­ falls möglich. In diesem Fall wird dann eine Seite des Meßob­ jekts mit Mikrowellen beaufschlagt und die von der gegenüber­ liegenden Seite des Meßobjekts emittierte thermische Strahlung erfaßt.

Claims (3)

1. Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung der Dicke und/oder thermischen Eigenschaften von Folien und dünnen Oberflä­ chenbeschichtungen und/oder der Absorptionseigenschaften inho­ mogener Materialien mittels instationärer Wärmeleitung mit
einem Strahlungsempfänger (Se) für die vom angeregten Meßob­ jekt (Mo) emittierte thermische Strahlung (St),
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Mikrowellen-Generator (MG) zur Erzeugung von auf das Meßobjekt (Mo) gerichteten zeitlich intensitätsmodulierten Mikrowellen (Mw) vorgesehen ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die im Mikrowellen-Generator (MG) erzeugten Mikrowellen (Mw) über einen Hohlleiter (H) auf das Meßobjekt (Mo) gerichtet sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Mikrowellen-Ge­ nerator (MG) gegenüberliegenden Seite des Meßobjekts (Mo) eine Mikrowellen-Absorberzelle (MA) angeordnet ist.