Berührungslose Materialcharakterisierung mit Mikrowellen vom Dezimeter- bis zum Millimeterwellenbereich

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1 Berührungslose Materialcharakterisierung mit Mikrowellen vom Dezimeter- bis zum Millimeterwellenbereich Christoph Sklarczyk Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Saarbrücken Diskussionssitzung Materialcharakterisierung Ruhr-Universität Bochum

2 Anwendungen Anwendungen Mikrowellen-ZFP zerstörungsfrei (geringe Leistung) berührungslos (große Abstände möglich) online-fähig (Prozessüberwachung) Bestimmung von Materialeigenschaften (Dielektrizitätszahl, Dichte, Porosität) Schichtcharakterisierung Feuchtebestimmung Bestimmung geometrischer Größen, z.b. Schichtdicke Bildgebung mit Detektion von Fehlern, Einschlüssen, Delaminationen und Hohlräumen Bestimmung von Anisotropien

3 Prinzip der zerstörungsfreien Prüfung mit Mikrowellen (dm-, cmund mm-wellen) Reflexionsmessung Transmissionsmessung Auswertung der Reflexion, Streuung und Transmission an nichtmetallischen Objekten bzw. Objekten mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (Betrag, Phase)

4 Referenzmesssystem: vektorieller Netzwerkanalysator network analyzer microwave generator reflected signal transmitted signal antenna test object antenna Schema eines vektoriellen Netzwerkanalysatorsystems für das W-band (75 GHz 100 GHz) mit Bildgebung (Scanner) und Computer Controller, data capturing and processing xy j - scanner

5 Monolithically Integrated 94 GHz FMCW Radar Chip Waveguide Antenna MMIC Radarsensor VCO MIXER MPA LNA 50 IF OUT Hochintegriertes 94-GHz frequenzmoduliertes Dauerstrichradar (frequency modulated continuous wave radar module, FMCW) Bandbreite ca. 4 GHz Fotos: IAF

6 Festfrequenz-Mikrowellensensoren Amplituden- und phasensensitive homodyne Mikrowellensensoren für lizenzfreie Frequenzbänder (ISM-bands) Mikrowellensensoren von RPC, Tiflis, Georgien, mit den festen Frequenzen 2,45 GHz und 5,8 GHz und Halbwellendipolantennen Mikrowellensensoren von IMST, Kamp-Lintfort, mit den festen Frequenzen 2,45 GHz (rechts) und 5,8 GHz (links) mit integrierten Patchantennen für Transmission und Reflexion Schema

7 Mehrschichtenmodell zur Berechnung von Transmission und Reflexion elektromagnetischer Wellen

8 Amplitude Vektorieller Netzwerkanalysator 0,3 0,25 Antennenabstand 15 cm Antennenabstand 10 cm Fit (n=5,78) 0,2 0,15 Reflexion an 3 mm dicker Aluminiumoxidprobe 0,1 0, Frequenz [GHz]

9 Amplitude Vektorieller Netzwerkanalysator 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Transmission an 3 mm dicker Aluminiumoxidprobe 0,4 0,3 0,2 Antennenabstand 15 cm 0,1 Antennenabstand 10 cm Fit (n=5,78) Frequenz [GHz]

10 Vector Network Analyzer VNWA Reflexionskoeffizient einer 2 mm dicken PVC-Probe im Fernfeld (Abstand zur Antenne 25 cm) Vergleich einer Messung mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator und mit gefitteten Werten bester Fit mit = 2,72 0,0385 i

11 Vektorieller Netzwerkanalysator VNWA Gleichzeitige Bestimmung von Permittivität und Plattendicke mit Mikrowellen im Freifeld mit zwei Frequenzen Messung mit vektoriellem Netzwerkanalysator an 2 mm dicker PVC-Platte im Reflexionsmodus bester Fit für 201 Frequenzen zwischen 75 GHz und 100 GHz: = i Zweifrequenzmethode: Frequenz 1 [GHz] Frequenz 2 [GHz] Permittivität ,61 0,0164 i 2,07 81,25 93,73 2,69 + 0,0171 i 2,02 78,75 96,25 2,67 0,0117 i 2,03 81,25 87,5 2,65 + 0,141 i 2,02 Dicke [mm] Startwerte der Iteration: = 2,6, d = 1,8 mm

12 Charakterisierung von Straßen mit Breitbandradar (Antenne 2,3 GHz) Signalamplitude als Funktion der Dichte von zwei verschiedenen Asphaltsorten für Straßenbeläge

13 Massspannung [mv] Charakterisierung von Straßen mit Festfrequenzsensor (2,45 GHz) Signalamplitude als Funktion der Dichte von zwei verschiedenen Asphaltsorten für Straßenbeläge SMA 12 S AC 16 BS Breitbandantenne, Abstand 7 cm ,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Raumdichte [g/cm³]

14 moisture destructive [%] Feuchtemessung an Sanitärkeramik mit modifiziertem Zeitbereichsreflektometrie-Sensor (TDR) berührend, aber nicht zerstörend thickness of specimen 8.2 mm Feuchte von Grünkeramik: Messung durch Wägung vs. Messung mit kalibriertem HF- Sensor (Probendicke 8,2 mm) Minimierung des Einflusses des Salzgehaltes (Ionenleitfähigkeit) moisture by TDR (after calibation) [%]

15 Magnitude Experimentelle Ergebnisse 0,06 0,04 Dichte, kg/m (ohne Probe) Magnitude gegen Abstand zwischen Sensor und Probe für PU-Schaumstoff mit verschiedenen Dichten (IMST- Sensor 2,45 GHz) 0, Distanz [mm] Oszillierendes Verhalten aufgrund von Interferenzen zwischen Probe und Sensor nur teilweise zu entfernen über die Berechnung der Magnitude aus Real- und Imaginärteil des Empfangssignals

16 Anwendung der Mustererkennung Berechnete gegen vorgegebene Dichte von Schaumstoffproben; die Zielwerte liegen auf der Winkelhalbierenden (IMST-Sensor 2,45 GHz) Der Abstand zwischen Sensor und Objekt darf variieren, muss aber bekannt sein. Test der Mustererkennung: Dichte und Dicke einer von 10 Wiederholungsmessungen werden als unbekannt angenommen.

17 Erkennung der Schädigung von Si-Wafern (aus dem Block geschnitten) Messanordnung für Reflexionsund Transmissionsmessung an Waferproben mit Netzwerkanalysatorsystem GHz Empfangsantenne Wafer Sendeantenne Waferabmessungen ca. 150 x 150 x 0,3 mm³

18 Transmissionsamplitude Si-Wafer ( Knister-Wafer und fehlerfreie Wafers) Knister-Wafer einwandfrei Transmissionsmessung an Waferproben GHz Probennummer

19 Experimentelle Anordnung für die Bildgebung flächiger Rasterscan Reflexionsmodus Antenne Probe Antenne hier: offener Wellenleiter für Abbildung im Nahfeld

20 Bildgebende Methoden mit Mikrowellen xy-scan 1 Antenne oder Antennenpaar (meistens ebene Messfläche) eventuell Nutzung der Synthetischen Apertur zur Erhöhung der Ortsauflösung langsam xy-scan mit gebündeltem, geschwenktem Strahl 1 Antenne Antennenarray vollbesetzt (λ/2) eventuell Nutzung der Synthetischen Apertur Antennenarray ausgedünnt (sparse) Kombination von Sende- und Empfangseinheiten (Getakteter Gruppenstrahler, Full Matrix Capture, MIMO) Elektronische Fokussierung eines Reflektorarrays auf den Voxel-Raum Modulierte Streuer-Technik (Modulated Scattering Technique) schnell

21 Detektion von Poren in einem Kunststoff-Bauteil mit Millimeterwellen (94 GHz) 14 mm Schnittbild aus einer Röntgen-Computer- Tomographie Zweidimensionaler Mikrowellenscan (Amplitude) dieses Bereiches (leicht nach unten verschoben) Abmessungen ca. 9,5 * 6,6 mm²

22 Transmissionsamplitude y Fehlerdetektion und Materialcharakterisierung von Wärmedämmstoffen \Sklarczyk \Mikrowellen Daten \URSA, Maximum M:\NMETALLE d. Magnitude \Sklarczyk \Mikrowellen Daten \URSA, Maximum d. Magnitude , , , , x 2.5 Fehler (Harzeinschlüsse) x Randeffekte 0,7 keine Fehler 0, Flächendichte [kg/m²] Probenabmessungen: Länge 250 mm, Breite 250 mm, Dicke 200 mm (Strahlrichtung), GHz (Transmission)

23 Defektdetektion in Glasfaserverbundmaterial optisches Bild Detektion von Bereichen mit fehlerhafter Faserverteilung an einer Blattfeder aus glasfaserverstärktem Kunststoff für die Radaufhängung von Kleinlastern Millimeterwellenbild, zweidimensionaler Scan, 94 GHz-Radar, 120 * 120 mm² Einstellung der Eindringtiefe über Frequenz und Antennenform (Nahfeld)

24 Defektdetektion in Glasfaserverbundmaterial Messergebnisse Statistische Auswertung Bereich 1 klares Orientierungs- Maximum bei 10 Software NDEFO (NonDestructive Evaluation of Fibre Orientation): Auswertung der Faserverteilung in ausgewählten Flächenbereichen Bereich 2 klares Orientierungs- Maximum bei 0 Bereich 3 keine Vorzugs- Orientierung im Bereich des Faserwirbels Millimeterwellenbild