JP2016532091A - 誘電性物質の厚さまたは深さの非破壊的絶対測定 - Google Patents
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Abstract
Description
現代の化学処理は、しばしば誘電性物質から作られる部材の使用を伴う。一般的な誘電性物質の製品形態は、繊維強化プラスチック(しばしば、「ファイバーグラス」または「FRP」と呼ばれる)の管および容器を含む。これらの物質は、飲み水の処理および廃水処理などの近代的なインフラストラクチャにおいても一般的に使用される。そのような物質の厚さを非破壊で計測するための改良された手段、とりわけ、製品が現在も使用中で、誘電性部材の片側のみにアクセスできる状況で採用することができる手段について、まだ満たされていない必要性が存在する。(本発明は多数の用途を有し、FRPの検査に限定はされない。)
様々な工程においてしばしば用いられる流体の腐食性質または研磨性質に起因して、壁の厚さはしばしば、使用に起因する劣化の直接的な結果として、時間とともに減少する。これらの使用に起因する厚さの変化は、従来の手段を介しては、非破壊で検出するのは困難である。
幾つかのマイクロ波非破壊検査技術が、(非特許文献2)に開示されている。
(非特許文献3)は、検出器の線形アレイによって検出された伝搬と共に、タイヤ内部のダイポール送信アンテナからのマイクロ波の伝搬をタイヤの接地面を介して計測することにより、タイヤ内の欠陥を検出するための方法を開示している。伝搬率の差は、厚さの変化または欠陥と相関していた。
(特許文献8)は、同一強度だが180度の位相シフトを伴った2つの送信源から木材を通してマイクロ波を透過させることにより、木材の節を検出するための方法について開示している。透過されたマイクロ波は木材の反対側上で検出される。木材に節が無い場合、検出器におけるマイクロ波場にはヌルがあるが、節がある場合には、検出器におけるマイクロ波放射線の位相および振幅は、変更される。
(特許文献11)は、材料を透過したマイクロ波の偏波における変化を計測することにより、誘電性物質中の光学異方性を判定するための方法について開示している。
厚さの見かけの変化(これは物質中のマイクロ波波長の単位で計測されるのである)が、寸法の実際の変化(たとえば、インチまたはセンチメートルで計測される)か、または密度の変化(屈折率、したがって波長に変化を引き起こす)のいずれかから生じ得る。そうでないことが文脈によって明示されない限りは、この開示および特許請求の範囲において用いられるように、「厚さ」という用語は、調査放射線の波長の単位で計測されるような、物質の見かけの厚さを指すと理解されるべきである。換言すると、「厚さ」は見かけの厚さであり、これは、物体の実際の寸法と、位置に応じて変動し得る物体の密度および屈折率との両方の関数であり得る。本発明は、検査される物質内部の波長の単位で計測される、被検査物の厚さ(または特徴の深さ)の非破壊測定のための装置および方法、ならびに、バルク誘電性物質の非破壊評価(NDE)においてそのように測定された厚さ情報の使用を提供する。物質の屈折率は、その化学組成に依存する。屈折率は、一定の化学組成であっても、密度の関数として変動する。屈折率の密度依存性は、電磁エネルギーが様々な密度の領域を介して伝搬するので、電磁エネルギーの波長の変化をもたらす。したがって、被検査物中の、大きさが既知である、定在電磁波の位置の変化を判定する能力が、屈折率の測定、よって密度(または、密度と逆に関係している多孔度)の測定を可能にする。
好ましいトランスデューサは、ガンダイオードに基づくマイクロ波送受信機であった。たとえば、B.ヘイル(B.Hale)(編)、「アマチュア無線のための1989年ARRLバンドブック(The 1989 ARRL Handbook for the Radio Amateur)」、p.32〜57&32〜58、第66版、1988年、「マイクロ波ガンプレクサ:概論(The Microwave Gunnplexer:An Introduction)」、様々な著者、日付なし、M/A−COM半導体製品(M/A−COM Semiconductor Products)、「バラクター調整済ガンプレクサ送受信機“フロントエンド”(Varactor Tuned Gunnplexer Transceiver“Front End”)」、1985年、マイクロ波アソシエイツ(Microwave Associates)、「商用用途のためのバラクター調整済ガン発振器送受信機(Varactor Tuned Gunn Oscillator Transceivers for Commercial Applications)」、1977年を参照されたい。本発明のプロトタイプの実施形態で用いられたトランスデューサは、調整可能な10、25、または35ギガヘルツ送受信機であった(所望される場合、たとえば5〜50GHzなど、周波数はより高くもより低くもなり得た)。送受信機は、導波管部有りでもまたは無しでも使用することができた。検出器は、集合の一部として組み込まれた、2つのマイクロ波周波数ダイオードを有した。検出器ダイオードは、トランスデューサのハウジングの前面と開口部との間の、出射ビームの内側に配置された。トランスデューサは周波数が安定しており、所望のマイクロ波出力エネルギーを生成するために、5〜10ボルトの直流電源のみを必要とした。トランスデューサはハウジング内部に搭載され、ハウジングは手動で動かすことができ、または、将来の実施形態では、好ましくは自動検査装置(ロボット)によって移動される。
プロトタイプの実施形態においては、各検出ダイオードから見て出力信号が一定の振幅および周波数を維持するように、発信マイクロ波ビームの経路内部の固定された位置に検出ダイオードが配置された。あるいは、検出ダイオードの位置は、スタンドオフ距離を変動させることとは関係なく、可変とすることができる。マイクロ波が、トランスデューサから検査されている被検査物へと放射された。マイクロ波ビームが、異なる誘電率の物質の境界面(たとえば、空気と被検査物の境界面、または、バルク被検査物とその内部のきずまたは特徴の境界面)に来る度に、マイクロ波エネルギーの一部が透過され、一部が反射される。反射された部分は、入射角度、物質間の誘電率の差(これは屈折率に関係している)、表面のテクスチャ、および他の要因に依存していた。調査ビームの反射部分のうちの幾らかはトランスデューサに戻り、そこで検出ダイオードによって検出された。反射信号および送信信号は同一の周波数であったが、(概して)振幅と位相の両方が異なっていた。これらの単純な正弦波または疑似正弦波は検出ダイオードにおいて合わせられ(混合され)、検査対象の試料(または試料の一部)が変化すると変化する直流電圧を生成した。大抵の被検査物には多くの境界面があり、多くの反射信号を生成した。しかしながら、反射信号の複雑さとは関係なく、被検査物に対するトランスデューサの位置と調査周波数の両方が一定に保持される場合、検出器ダイオードの出力は一定の直流電圧を生成した。この一定の直流電圧は、時には「シグナル」と呼ばれる。「シグナル」は、複数の検出器からの複数の成分を含むことができる。
この新しい技術は、異なる誘電率(たとえば、全般的な厚さの変化を含む)を有する物質間の境界面がマイクロ波反射鏡として作用するという原理に、部分的に基づいている。異なるXおよびY位置におけるシグナルを計測することにより走査が実施され、データが画像を生成するために使用される場合、これらの厚さの変化は(被検査物の厚さマップと同様に)直接的に表示することができる。
位相平面らせん上のある点から中心までの距離は、「ベクトルの大きさ」と呼ばれ、厚さに応じて多かれ少なかれ指数関数的に変化する(厚さが薄いほど長くなり、厚さが厚いほど短くなる−図3を参照)。この理想的な指数関数的な挙動は、実効チャネル利得同士が同一であり、かつ、2つの検出器の間の実効位相差が正確にλ/4(空気中のλ)である場合に、発生する。ベクトルの大きさと位相角度との組み合わせが厚さを一義的に測定するために使用されるので、理想的にはトランスデューサは、検出器同士の間の実効位相角度がλ/4となるように配置される。
Claims (19)
- 非破壊的かつ一義的にバルク誘電性物質の厚さを計測するか、バルク誘電性物質中の特徴の深さを計測するか、またはそれらの両方を行うための方法であって、以下のステップ、すなわち、
(a)マイクロ波源からマイクロ波を生成するステップであって、前記マイクロ波が実質的に一定の周波数を有する、ステップ、
(b)生成されたマイクロ波の第1の部分を前記物質に当てて定在波を生成するステップであって、前記定在波が、前記マイクロ波の波長と、前記源から前記物質の最も近い表面までの距離と、前記源から前記物質の最も遠い表面までの距離または前記源から前記物質中の特徴までの距離とに依存する、ステップ、
(c)少なくとも2つの異なる検出器の各々において、前記生成されたマイクロ波の第2の部分と反射されたマイクロ波とを混合し、前記検出器の各々について干渉信号を生成するステップであって、前記検出器同士が互いに空間的にずらされており、前記干渉信号が前記物質の厚さに依存するか、前記物質中の特徴の深さに依存するか、またはそれらの両方であり、前記検出器同士の間の空間的ずれの結果として、前記マイクロ波の前記周波数において前記異なる検出器同士の間に位相差が存在する、ステップ、
(d)前記物質上のまたは内部の1つの位置または複数の位置の各々について、位相平面空間中の点を判定するステップであって、前記位相平面空間の座標が、前記1つの位置または複数の位置の各々について前記検出器の各々において生成される前記干渉信号の大きさおよび符号に対応する、ステップ、および
(e)前記物質上のまたは内部の前記1つの位置または複数の位置の各々について、前記位相平面空間中の判定された前記点を、各位置における前記物質の固有の厚さと、または、前記物質中の特徴についての固有の深さと、またはそれらの両方と、関連付けるステップ
を含む方法。 - 前記方法が前記物質の厚さを計測するために使用される、請求項1に記載の方法。
- 前記物質中の特徴の深さを計測するために使用される、請求項1に記載の方法。
- 前記物質上のまたは内部の複数の位置について、請求項1の各ステップを繰り返すこと、および、前記複数の位置の各々について、厚さの変化を図形で表示するか、特徴の深さを図形で表示するか、またはそれらの両方である画像を形成することを含む方法であって、それによって前記画像が前記物質の厚さを、または前記物質中の特徴の位置を、またはそれらの両方を、視覚的に示す方法。
- 前記画像が2次元である、請求項4に記載の方法。
- 前記画像が3次元である、請求項4に記載の方法。
- 前記画像が3次元であり、前記画像の色の変化を介して前記画像が第4の次元をさらに示し、色の差が前記物質中の欠陥の存在を示す、請求項4に記載の方法。
- 厚さ計測、深さ計測、またはそれらの両方の解像度が、前記マイクロ波の前記波長よりも実質的に小さい、請求項1に記載の方法。
- 前記物質が複合材料である、請求項1に記載の方法。
- 前記検出器の少なくとも一対の間の前記位相差が、前記マイクロ波の波長の約4分の1である、請求項1に記載の方法。
- 前記方法が複数の異なるマイクロ波周波数の各々で繰り返されて、マイクロ波周波数に応じて放射線に対して異なった応答を示す異なる物質同士を識別する解像度を向上させる、請求項1に記載の方法。
- 非破壊的かつ一義的にバルク誘電性物質の厚さを計測するか、バルク誘電性物質中の特徴の深さを計測するか、またはそれらの両方を行うための装置であって、
(a)実質的に一定の周波数のマイクロ波の発生器であって、前記発生器は生成されたマイクロ波の第1の部分を前記物質に当てて定在波を生成するように適合されており、前記定在波が、前記マイクロ波の波長と、前記源から前記物質の最も近い表面までの距離と、前記源から前記物質の最も遠い表面までの距離または前記源から前記物質中の特徴までの距離とに依存する、発生器と、
(b)互いに空間的にずらされた少なくとも2つの異なる検出器であって、前記検出器の各々が、反射されたマイクロ波と前記生成されたマイクロ波の第2の部分とを合わせ、前記検出器の各々について干渉パターンを生成するように適合されており、前記干渉パターンが、前記物質の厚さに依存するか、前記物質中の特徴の深さに依存するか、またはそれらの両方であり、前記検出器同士の間のずれの結果として、前記マイクロ波の前記周波数において異なる前記検出器同士の間に位相差が存在する、検出器と、
(c)コンピュータであって、前記物質上のまたは内部の1つの位置または複数の位置について、位相平面空間内の点を判定するようにプログラムされ、前記位相平面空間の座標が、前記1つの位置または複数の位置について前記検出器の各々において生成される干渉信号の大きさおよび符号に対応しており、かつ、前記1つの位置または複数の位置の各々について、前記位相平面空間内で判定された前記点を、各位置における前記物質の固有の厚さと、または前記物質中の前記特徴についての固有の深さと、またはそれらの両方と、関連づけるようにプログラムされたコンピュータと
を含む装置。 - 前記コンピュータが、前記物質上のまたは内部の複数の位置について、前記物質の厚さ、または前記物質中の特徴の深さ、またはそれらの両方を判定するようにプログラムされ、かつ、前記複数の位置の各々について、厚さの変化を図形で表示するか、特徴の深さを図形で表示するか、またはそれらの両方である画像を形成するようにプログラムされ、それによって前記画像が前記物質の厚さを、または前記物質中の特徴の位置を、またはそれらの両方を視覚的に示す、請求項12の装置。
- 前記画像が2次元である、請求項13に記載の装置。
- 前記画像が3次元である、請求項13に記載の装置。
- 前記画像の色の変化を介して前記画像が情報の第4の次元をさらに示し、色の差が前記物質中の欠陥の存在を示す、請求項13に記載の装置。
- 前記装置が、前記マイクロ波の前記波長よりも実質的に小さな解像度で、厚さ、特徴の深さ、またはそれらの両方を計測するように適合されている、請求項12に記載の装置。
- 前記検出器の少なくとも一対の間の前記位相差が、前記マイクロ波の波長の約4分の1である、請求項12に記載の装置。
- 前記装置が複数の異なるマイクロ波周波数の各々で厚さまたは深さの計測を繰り返すようにプログラムされており、マイクロ波周波数に応じて放射線に対して異なった応答を示す異なる物質同士を識別する解像度を向上させる、請求項12に記載の装置。
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