DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ein abstandskorrigierter Mikrowellensensor

Christoph Sklarczyk, Markus Kühn, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie
Prüfverfahren (IZFP), Saarbrücken
Kontakt: C. Sklarczyk

Zusammenfassung

Elektrisch nichtleitende und schwach leitende Prüfobjekte lassen sich berührungslos und zerstörungsfrei mittels Mikrowellensensoren bezüglich ihrer Materialeigenschaften und ihrer Geometrie (Schichtdicke, Hohlräume, Lunker, usw.) charakterisieren. Die Messsignale der für den Industrieeinsatz in Frage kommenden Sensoren sind außer von den Objekteigenschaften auch vom Abstand zwischen dem Sensor und dem Prüfobjekt abhängig. Zur Eliminierung der Abstandsabhängigkeit ist der Einsatz eines zusätzlichen, unabhängigen Abstandsmessgeräts, z.B. eines Lasertriangulationssensors oder eines luftgekoppelten Ultraschallwandlers, nötig. Im folgenden werden experimentelle Erfahrungen mit einem abstandskorrigierten, berührungslos arbeitenden frequenzmodulierten Dauerstrich-Radarsensor (FMCW-Radar) im Frequenzbereich zwischen 75 und 100 GHz beschrieben. Dabei wird die Phase des Zwischenfrequenzsignals ausgewertet. Wichtig ist, dass die Nichtlinearität der Frequenz-Spannungs-Kennlinie des Radarsensors eliminiert wird.

Keywords:
Berührungslos, Mikrowellen, Radar, Abstand, Schichten

1 Einleitung

Mikrowellen-Freifeldverfahren gestatten die berührungslose Charakterisierung von Prüfobjekten. Aufgrund der geringen abgestrahlen Leistungen und somit vernachlässigbaren thermischen Belastung der Prüfobjekte arbeiten sie zerstörungsfrei. Für viele Applikationen ist eine online Prozessüberwachung möglich. Einige wichtige Anwendungen an nicht- oder halbleitenden Werkstoffen sind [1]:

  • Bestimmung der Feuchte
  • Bestimmung von Materialeigenschaften wie Dielektrizitätskonstante, Dichte oder Porosität
  • Schichtcharakterisierung und Schichtdickenmessung
  • Nachweis von Defekten, Einschlüssen oder Hohlräumen, meistens in Verbindung mit bildgebenden Methoden (Rasterverfahren)
  • Bestimmung von Anisotropien

Lange Zeit war die Mikrowellentechnik kompliziert und teuer, so dass ihr Verbreitungsgrad geringer war, als es ihrem Potenzial entspricht. Mit der Entwicklung hochintegrierter Hochfrequenzbauelemente (MMIC: Monolithic Microwave Integrated Circuits) auf GaAs- oder Si-Basis verbessert sich die Situation seit einigen Jahren. Die MMIC's können bei entsprechender Stückzahl deutlich billiger als aus Einzelkomponenten aufgebaute Mikrowellenschaltungen sein. Unten wird ein hochintegriertes Radar vorgestellt.

2. Radarsensor

Für die unten beschriebenen Untersuchungen wurde ein Mikrowellensensor nach dem Prinzip des FMCW-Radars (Frequency Modulated Continuous Wave, frequenzmoduliertes Dauerstrichradar) eingesetzt. Hierbei werden die von einem elektrisch durchstimmbaren Oszillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) erzeugten Mikrowellen von einer Antenne abgestrahlt und am Prüfobjekt reflektiert oder gestreut (Abb. 1). Die Frequenzveränderung erfolgt meistens zeitproportional, d.h. die Modulationsfunktion ist dreiecks- oder sägezahnförmig. Es treten jedoch in der Praxis nichtlineare Abweichungen auf, die korrigiert werden müssen (s.u.). Sende- und Empfangsantenne sind im hier beschriebenen Fall identisch. Die empfangenen Mikrowellen werden nach dem passieren eines Zirkulators oder Richtkopplers mit einem Teil der gesendeten Mikrowellen gemischt (multipliziert), woraus das Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) resultiert, dessen Frequenz der Differenz von Sende- und Empfangsfrequenz entspricht und dessen Amplitude und Phase zur Charakterisierung des Prüfobjekts genutzt werden können. Die Differenz beider Frequenzen wird durch die Laufzeit der Mikrowellen zwischen Radar-Modul und Prüfobjekt bestimmt. Mit einer Bandpassfilterung lassen sich Störreflexe eliminieren. Idealerweise ist das ZF-Signal eines einzigen Reflektors sinusförmig. Mit einer Fourier-Transformation lässt sich daraus das in der Impulsradartechnik bekannte Echo-Signal erzeugen.

Abb 1: Schema des FMCW-Radar-Sensors

Der hier eingesetzte MMIC ist eine Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik (IAF), Freiburg. Er vereinigt auf einer Fläche von ca. 3 * 2 mm² alle Hochfrequenzbauelemente auf einem Chip [2]. Dieser ist in einem Metallgehäuse eingebaut, das die Anschlüsse für die Spannungsversorgung, die Modulationsspannung und das ZF-Signal sowie die Antenne (hier eine Hornantenne) enthält. Die Frequenzen von Modulationsspannung und ZF-Signal liegen normalerweise bei einigen 100 Hz bis zu einigen kHz und können mit herkömmlicher Messtechnik gehandhabt werden. Die Trägerfrequenz liegt im Bereich von 77 GHz oder 94 GHz, der maximal mögliche Wobbelhub bei 5 GHz. Das ZF-Signal wird von einer in einem PC eingebauten Messwerterfassungskarte digitalisiert und auf Festplatte abgelegt.

Abb 2a: MMIC-Chip (Größe ca. 3 * 2 mm², Foto: IAF) Abb 2b: FMCW-Radarmodul mit Hornantenne (Foto: IAF)

Der Radar-Sensor ist in erster Linie für Reflexionsmessungen geeignet, da er nur über eine Antenne verfügt. Er kann bei für Mikrowellen teilweise transparenten Körpern jedoch auch im Transmissionsmodus betrieben werden, wenn sich das Prüfobjekt zwischen dem Sensor und einem Spiegel befindet.

3. Eliminierung der Nichtlinearität des Oszillators

Die Wobbelung erfolgt bei einer dreiecksförmigen Modulationsfunktion über eine Rampe aufwärts oder abwärts. Bestrahlt man einen dominanten Reflektor und verfolgt man die Momentanfrequenz des ZF-Signals über die Zeit für eine einzelne Rampe, so lässt sich die Nichtlinearität des Oszillators an der Abweichung von der im Idealfall konstanten Frequenz des ZF-Signals ablesen. Am Beispiel einer Al-Platte, die im Abstand von mehreren Metern vom Radar-Modul aufgestellt wurde, lässt sich erkennen, dass die Frequenz des ZF-Signals im Verlauf der Dreiecksfunktion abfällt. Die mittlere Frequenz steigt erwartungsgemäß mit dem Abstand an, da die Laufzeitdifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal ansteigt (Abb. 3). Die Rippel sind durch Störreflektoren bedingt, die nicht herausgefiltert werden konnten.

Abb 3: Zwischenfrequenz-Zeit-Verlauf mit Auswirkung der Nichtlinearität

Die Nichtlinearität lässt sich in diesem Fall gut durch eine Gerade approximieren. Die dreiecksförmige Modulationsfunktion kann nach einer mathematischen Umformung so modifiziert werden, dass eine konkav eingedellte Funktion entsteht, mit der die Nichtlinearitäten weitestgehend eliminiert werden (Abb. 4, s. auch [3]). Dies lässt sich an Hand der nach einer Fourier-Transformation gewonnenen Radarechos des Al-Reflektors erkennen: Abb. 5a zeigt das Amplitudendichtespektrum für die unmodifizierte Dreiecksfunktion. Dieses weist neben dem Hauptmaximum zahlreiche Nebenmaxima auf, die zusätzliche nicht existierende Reflektoren vortäuschen. Mit der modifizierten, mit einem Arbiträrfunktionsgenerator erzeugten Modulationsfunktion können diese Maxima zum größten Teil unterdrückt werden (Abb. 5b).

Abb 4: Vergleich von modifizierter (Arbiträrfunktion, dünne Linie) und unmodifizierter Dreiecksfunktion (dicke Linie) der Modulationsspannung
Abb 5a: Amplitudenspektrum bei Modulation mit Dreiecksfunktion
Abb 5b: Amplitudenspektrum bei Modulation mit modifizierter Dreiecksfunktion

4 Schichtdickenbestimmung mit Abstandskorrektur

Eine mögliche Anwendung der Mikrowellentechnik besteht in der Charakterisierung, insbesondere der Dickenbestimmung, der Kunststoff-Korrosionsschutzschichten auf einem Stahlrohr. Dies sollte unmittelbar nach dem Beschichtungsvorgang geschehen, wenn die Schicht noch heiß und weich ist und von einer Messapparatur nicht berührt werden darf. Der Abstand zwischen dem Rohr und dem Sensor ändert sich jedoch im Verlauf des Beschichtungsprozesses aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Rohrgeometrie. Da die Luftstrecke zwischen Sensor und Rohr Teil des mit Mikrowellen bestrahlten Gesamtsystems ist, bewirkt dies Schwankungen der Amplitude und Phase des ZF-Signals und würde eine Schichtcharakterisierung unmöglich machen. Daher muss die Luftstrecke mit einem unabhängigen Messsensor gemessen werden und der ermittelte Messwert zur Korrektur des ZF-Signals genutzt werden.

Abb 6: Schichtdickenbestimmung mit Mikrowellen und einem Abstandssensor

Abb. 6 zeigt schematisch den Messaufbau. Der selbe Punkt des Prüfobjekts wird sowohl mit dem Radarsensor als auch mit einem Lasertriangulationssensor angestrahlt, wobei bei letzterem eine schräge Anstrahlung möglich ist. Die infrarote Laserstrahlung wird an der Kunststoffschicht reflektiert und gestreut, wohingegen fast der gesamte Anteil der Mikrowellen erst an der Grenzfläche Kunststoff-Metall reflektiert wird. Daraus lässt sich eine berührungslose Schichtdickenmessmethode entwickeln, die auch bei Luftstrecken von etlichen cm funktioniert. Es wurden entsprechende Untersuchungen an einer mit einer unterschiedlich dicken PVC-Schicht beschichteten Al-Platte durchgeführt.

Wertet man die Amplitude des ZF-Signals aus, so erhält man bei gleich bleibender Schichtdicke bei einer Variation der Luftstrecke eine periodisch oszillierende Kurve mit einer Periodizität von einer halben Wellenlänge (Abb. 7). Dies spiegelt den Einfluss stehender Wellen wider, die sich vor der Metalloberfläche ausbilden. Auch bei bekannter Luftstrecke ist für eine gemessene Amplitude eine eindeutige Aussage über die Schichtdicke nicht möglich, da sich die für verschiedene Schichtdicken gemessenen Kurven überschneiden.

Abb 7: Abhängigkeit der Amplitude des ZF-Signals vom Abstand zwischen Antenne und Objekt für verschiedene Schichtdicken Abb 8: Abstandsabhängigkeit der ZF-Signalphase für verschiedene Schichtdicken

Es ist daher notwendig, phasenbezogene Messgrößen, bei denen diese Periodizitäten und überschneidungen nicht auftreten, heranzuziehen. Hierbei können Messgenauigkeiten erzielt werden, die einen kleinen Bruchteil der Wellenlänge im Material darstellen. Als Messgröße kann ein Maximum, Minimum oder eine Nullstelle im ZF-Signal verwendet werden. Die Wanderung dieses Signalmerkmals als Funktion von Luftstrecke und Schichtdicke wird softwaremäßig verfolgt. Variiert man bei gleich bleibender Schichtdicke die Luftstrecke, so erhält man eine Schar paralleler Kurven (Abb. 8). Somit ist bei bekannter Luftstrecke eine eindeutige Schichtdickenbestimmung nach vorangegangener Kalibrierung der Messapparatur möglich. Die gegenwärtig erzielte Genauigkeit der Schichtdickenbestimmung ist besser als 0,1 mm und hängt davon ab, wie viele Mittelungen eines Messvorganges zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der jeweiligen Messsituation nötig sind.

Abb 9: PE-beschichtete Stahlprobe

Entsprechende kombinierte Radar-Laser-Messungen wurden an einem mit Polyethylen (PE) beschichteten Rohrabschnitt aus Stahl durchgeführt (Abb. 9). Optische Messungen zeigten, dass die Schichtdicke zwischen ca. 4 und 5 mm schwankte (Abb.10). Der Rohrabschnitt wurde mit einer Positioniereinheit rotiert, während die Sensoren stationär waren. Nach Korrektur der phasenbezogenen Messgröße bezüglich der mit Laser gemessenen Schwankungen der Luftstrecke erhält man die in Abb. 10 gezeigte Mikrowellenmesskurve, die im Vergleich zur optisch gemessenen Schichtdicke ein gegenläufiges Verhalten aufweist. Nach geeigneten mathematischen Umrechnungen lässt sich daraus die Schichtdicke bestimmen. Die weiteren Arbeiten zielen darauf ab, die Messgenauigkeit und -geschwindigkeit zu erhöhen.

Abb 10: Mikrowellenmessung an einem mit Kunststoff beschichteten Rohrsegment

5. Literatur

  1. Zoughi, R.; Ganchev, S.: "Microwave Nondestructive Evaluation - State-of-the-art review", Texas Research Institute, Austin, 1995
  2. Tessmann, A., Kudszus, S., Feltgen, T., Riessle, M., Sklarczyk, C., Haydl, W.H.: "Compact single-chip W-band FMCW radar modules for commercial high resolution sensor applications", IMS 2002 paper no. TH4A-1 for special issue of Transactions of the MTT
  3. Otto, J.: "Mikrowellen messen Füllstände", Design & Electronik-Sensortechnik, 1997, 40 - 44

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