DE102014116497A1 - Method for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials - Google Patents

Method for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials Download PDF

Info

Publication number
DE102014116497A1
DE102014116497A1 DE102014116497.0A DE102014116497A DE102014116497A1 DE 102014116497 A1 DE102014116497 A1 DE 102014116497A1 DE 102014116497 A DE102014116497 A DE 102014116497A DE 102014116497 A1 DE102014116497 A1 DE 102014116497A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
examination object
permittivity
field
examination
measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102014116497.0A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102014116497B4 (en
Inventor
Simone Gäbler
Henning Heuer
Marcus Klein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SURAGUS GmbH
Original Assignee
SURAGUS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SURAGUS GmbH filed Critical SURAGUS GmbH
Priority to DE102014116497.0A priority Critical patent/DE102014116497B4/en
Publication of DE102014116497A1 publication Critical patent/DE102014116497A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102014116497B4 publication Critical patent/DE102014116497B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/023—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil
    • G01N27/025—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance where the material is placed in the field of a coil a current being generated within the material by induction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/44—Resins; rubber; leather
    • G01N33/442—Resins, plastics

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der lokalen effektiven Permittivität von Untersuchungsobjekten (7), die mindestens ein elektrisch nicht leitendes und/oder schwach leitendes Material aufweisen. Mittels eines oder mehrerer induktiver Bauteile (13) wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld in einem Frequenzbereich von vorzugsweise 1 MHz bis 100 MHz erzeugt, dessen Veränderung, hervorgerufen durch das Untersuchungsobjekt (7), mittels induktiver, ggf. differentiell verschalteter Sensoren (3) gemessen wird. Die Messungen können kontaktfrei oder mit schleifender Berührung des Untersuchungsobjektes (7) durchgeführt werden, wobei es ausreicht, zum Untersuchungsobjekt (7) von einer Seite Zugang zu haben. Außerdem ist die Prüfung von komplexen Bauteilen ermöglicht. Vorteil des Verfahrens ist die Möglichkeit der Charakterisierung von leitfähigen und nicht-leitenden Untersuchungsobjekten (7), da die verwendeten Frequenzen unterhalb des Mikrowellenbereiches liegen. Mit einem nach diesem Verfahren arbeitenden Messgerät (1) können lokale Aussagen bzw. Homogenitätskarten (durch scannende Messungen) bezüglich dielektrischer Materialeigenschaften, Materialzusammensetzung, Materialzustand und/oder geometrische Eigenschaften abgeleitet werden.The invention relates to a method for measuring the local effective permittivity of examination objects (7), which have at least one electrically nonconductive and / or weakly conductive material. By means of one or more inductive components (13), a high-frequency alternating electromagnetic field is generated in a frequency range of preferably 1 MHz to 100 MHz, the change, caused by the examination object (7), by means of inductive, possibly differentially interconnected sensors (3) is measured , The measurements can be carried out without contact or with sliding contact with the examination subject (7), it being sufficient to have access to the examination subject (7) from one side. In addition, the testing of complex components is possible. Advantage of the method is the possibility of characterization of conductive and non-conductive examination objects (7), since the frequencies used are below the microwave range. With a measuring device (1) operating according to this method, local statements or homogeneity maps (by scanning measurements) with respect to dielectric material properties, material composition, material condition and / or geometric properties can be derived.

Description

Die Erfindung betrifft die Charakterisierung der effektiven Permittivität von nicht oder schwach leitenden Feststoffen (z. B. Polymeren, Keramik, Beton etc.), Flüssigkeiten, und Gasen in Einstoffsystemen, in Schichtsystemen und /oder in Kombination mit einem oder mehreren anderen elektrisch leitenden oder nicht-leitenden Materialien (z. B. dielektrische Schichten auf Metall, Verbundwerkstoffe wie glasfaserverstärkte oder kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe, textilen Werkstoffen oder Halbzeugen, Garnsystemen, Faserbündeln etc.) und umfasst die relative und absolute Bestimmung der Permittivität, die Charakterisierung einer Permittivitätsänderung über der Zeit sowie ein Permittivitätsmapping (d. h. die Messung von Permittivitätswerten an einer Vielzahl von Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsgegenstandes) zur Identifikation lokaler Permittivitätsabweichungen oder -änderungen. Bei konstanter Permittivität umfasst sie die Bestimmung des Materialvolumens, der Geometrie bzw. der Materialzusammensetzung im Messbereich, relativ oder absolut (z.B. Dickenmessung), bzw. als Veränderung über die Zeit oder den Ort (z. B. Defektoskopie). Bei elektrisch schlecht leitfähigen Materialien/Materialverbunden umfasst die Erfindung zudem die parallele Charakterisierung von Permittivität und Leitfähigkeit. The invention relates to the characterization of the effective permittivity of non or weakly conductive solids (eg, polymers, ceramics, concrete, etc.), liquids, and gases in single-component systems, in layer systems, and / or in combination with one or more other electrically conductive or Non-conductive materials (eg dielectric layers on metal, composites such as glass fiber reinforced or carbon fiber reinforced plastics, textile materials or semi-finished products, yarn systems, fiber bundles, etc.) and includes the relative and absolute determination of permittivity, the characterization of a Permittivitätsänderung over time and a permittivity mapping (ie, the measurement of permittivity values at a plurality of positions on the surface of the object under investigation) for identifying local permittivity deviations or changes. At constant permittivity, it involves determining the volume of material, geometry or composition of matter in the measurement area, relative or absolute (e.g., thickness measurement), or as a change over time or location (eg, defectoscopy). In electrically poorly conductive materials / composites, the invention also includes the parallel characterization of permittivity and conductivity.

Zur Messung der Permittivität von Materialien sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Man unterscheidet dabei kapazitive Verfahren und Mikrowellen-/Terahertzbasierte Verfahren. Various methods are already known for measuring the permittivity of materials. A distinction is made between capacitive methods and microwave / terahertz-based methods.

Zu den kapazitiven Verfahren zählen die Frequenzbereichsspektroskopie, bei der das zu untersuchende Material einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und die Polarisations-/Depolarisationsstrommessung, bei der das zu untersuchende Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird. Mit einem Amperemeter und kontaktierend positionierten Elektroden wird jeweils der durch das zu untersuchende Material fließende Wechselstrom gemessen. Capacitive methods include frequency domain spectroscopy, which subjects the material under investigation to an alternating electromagnetic field, and the polarization / depolarization current measurement, which subjects the material under investigation to an electrostatic field. With an ammeter and electrodes positioned in contact, the alternating current flowing through the material to be examined is measured in each case.

Kapazitive Verfahren zur Permittivitätsmessung weisen zahlreiche Nachteile auf. Beispielsweise ist zumeist ein direkter Kontakt der Elektroden zum Material erforderlich. Die Nutzung paralleler Platten als Elektroden ist meist nicht am Bauteil selbst, sondern nur an dünnen Materialproben möglich. Die hierfür notwendige Probenpräparation ist sehr aufwendig (gesputterte Oberfläche für guten Kontakt zur Elektrode, hohe Anforderungen bezüglich Planheit etc.) und damit fehleranfällig. Für Messungen an Werkstücken oder Bauteilen, die nur einseitigen Zugang erlauben, werden einseitige Elektroden wie z.B. Interdigitalelektroden verwendet. Von außen aufgesetzt haben Sie nur eine geringe Eindringtiefe oder eine schlechte Ortsauflösung bei höherer Eindringtiefe. Wenn die Elektroden bei der Fertigung mit eingearbeitet werden, kann das z. B. eine Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften nach sich ziehen. Zudem wird nur punktuell, d. h. in der unmittelbaren Umgebung der Elektroden, gemessen. Bei leitfähigen Materialien kommt es zudem unabhängig von der Elektrodenform zu einer Elektrodenpolarisation, die die Messergebnisse verfälscht. Capacitive methods for permittivity measurement have numerous disadvantages. For example, direct contact of the electrodes with the material is usually required. The use of parallel plates as electrodes is usually not possible on the component itself, but only on thin material samples. The sample preparation required for this is very expensive (sputtered surface for good contact with the electrode, high demands on flatness, etc.) and thus prone to errors. For measurements on workpieces or components which allow only one-sided access, one-sided electrodes, e.g. Interdigital electrodes used. From the outside you have only a small penetration depth or a poor spatial resolution at higher penetration depth. If the electrodes are incorporated during manufacture, the z. B. influence the mechanical properties. In addition, only selectively, d. H. in the immediate vicinity of the electrodes. With conductive materials, there is also an electrode polarization, regardless of the electrode shape, which falsifies the measurement results.

Nicht-kontaktierende kapazitive Verfahren ermöglichen ein Permittivitätsmapping an planaren, elektrisch nicht-leifähigen Proben. WO 2007/137404 A1 beschreibt ein dafür geeignetes Gerät, mit dem Differenzen in der Permittivität zwischen unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche von Papier oder anderem folienartigem Material gemessen werden können. Eine andere Möglichkeit ist single-sided stray-field capacitive imaging. Es ermöglicht ein Permittivitätsmapping an planaren, elektrisch nicht-leifähigen Proben beliebiger Dicke oder Sandwichstrukturen. Das Verfahren hat allerdings eine vergleichsweise schlechte Ortsauflösung. Eine bessere Ortsauflösung kann nur durch kleinere Elektroden erreicht werden, was gleichzeitig einen Verlust an Eindringtiefe und Sensitivität bedeutet und daher nur begrenzt möglich ist. Bei der Anwendung an leitfähigen Materialien kommt es zur Ansammlung von Ladungsträgern auf der Oberfläche, sodass nur eine Charakterisierung der Oberflächenstruktur möglich ist. Die kapazitive Prüfung von Bauteilen mit komplexer dreidimensionaler Form ist derzeit nicht möglich. Non-contacting capacitive methods allow permittivity mapping on planar, electrically non-conductive samples. WO 2007/137404 A1 describes a device suitable for measuring differences in permittivity between different points on the surface of paper or other film-like material. Another option is single-sided stray-field capacitive imaging. It enables a permittivity mapping on planar, electrically non-conductive samples of any thickness or sandwich structures. However, the method has a comparatively poor spatial resolution. A better spatial resolution can only be achieved by smaller electrodes, which at the same time means a loss of penetration depth and sensitivity and therefore is only possible to a limited extent. When used on conductive materials, the accumulation of charge carriers on the surface, so that only a characterization of the surface structure is possible. The capacitive testing of components with complex three-dimensional shape is currently not possible.

Hochfrequente elektromagnetische Verfahren, wie die Mikrowellenspektroskopie oder die Terahertzspektroskopie, arbeiten im Frequenzbereich oberhalb 300 MHz bzw. oberhalb 300 GHz. Bei den Mikrowellenverfahren gibt es offene und geschlossene Anordnungen zur Bestimmung der Permittivität. Geschlossene Anordnung wie Wellenleiterverfahren oder Hohlraumresonatoren erfordern ebenfalls direkten Kontakt zur Probe bzw. arbeiten mit speziell präparierten Probenzellen. In diesem Fall können sie nur im Labormaßstab bzw. nach zerstörender Probenentnahme eingesetzt werden. Die Prüfung ist damit ebenfalls nur punktuell; eine Prüfung kompletter Bauteile ist nicht möglich. Offene Anordnungen erlauben prinzipiell eine zerstörungsfreie und bildgebende Permittivitätsmessung von zweidimensionalen oder teils sogar dreidimensionalen Strukturen. Im Fernfeld ist die Auflösung jedoch auf etwa eine halbe Wellenlänge beschränkt. Hohe Auflösungen im Fernfeld können daher nur mit sehr hochfrequenten Mikrowellengeräten oder zumeist mit Terahertzmessungen erzielt werden. Diese Technologien sind dann entsprechend sehr kostenintensiv. Meist wird daher das elektromagnetische Nahfeld zur Permittivitätsmessung mit Mikrowellen genutzt. Hier hängt die mögliche Ortsauflösung von der Probengeometrie ab. Mit steigender Ortsauflösung sinkt, wie bei den kapazitiven Verfahren, die Eindringtiefe. Bei vielen Mikrowellenverfahren können aber bei gleicher Eindringtiefe höhere Ortsauflösungen erreicht werden. US 3,510,764 A beschreibt ein Verfahren zur Messung einer Permittivitätsänderung unter Verwendung von Mikrowellen-Frequenzbändern. Ebenso beschreiben US 5,233,306 A und WO 2000/077501 A1 Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Permittivität im Mikrowellenfrequenzbereich. High-frequency electromagnetic methods, such as microwave spectroscopy or terahertz spectroscopy, operate in the frequency range above 300 MHz or above 300 GHz. In the microwave method, there are open and closed arrangements for determining the permittivity. Closed arrangements such as waveguide methods or cavity resonators also require direct contact with the sample or work with specially prepared sample cells. In this case, they can only be used on a laboratory scale or after destructive sampling. The test is thus also only selectively; An examination of complete components is not possible. Open arrangements allow, in principle, a non-destructive and imaging permittivity measurement of two-dimensional or even three-dimensional structures. In the far field, however, the resolution is limited to about half a wavelength. High resolutions in the far field can therefore only be achieved with very high-frequency microwave devices or in most cases with terahertz measurements. These technologies are then correspondingly very expensive. In most cases, therefore, the electromagnetic near field is used for permittivity measurement with microwaves. Here the possible spatial resolution depends on the Sample geometry from. With increasing spatial resolution, as with the capacitive methods, the penetration depth decreases. In many microwave methods, however, higher spatial resolutions can be achieved with the same penetration depth. US 3,510,764 A describes a method for measuring a permittivity change using microwave frequency bands. Also describe US 5,233,306 A and WO 2000/077501 A1 Method and apparatus for measuring permittivity in the microwave frequency range.

Mikrowellenverfahren bzw. Terahertzverfahren eignen sich fast ausschließlich für die Charakterisierung elektrisch isolierender Materialien. Bei Messungen an elektrisch leitfähigen oder schwach leitfähigen Materialien ist die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen, und damit die einer Messung zugängliche Schichtdicke unterhalb der Probenoberfläche, auf Grund des bei hohen Frequenzen auftretenden Skin-Effekts minimal. Eine Ausnahme bildet die Mikrowellenspektroskopie an unidirektionalen kohlestofffaserverstärkten Kunststoffen. Diese können charakterisiert werden, wenn die Polarisation des elektrischen Feldes lotrecht zu den Kohlefasern ausgerichtet ist. Die Gerätetechnik der Hochfrequenzverfahren ist sehr anfällig gegenüber Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Diese zum Teil sehr ausgeprägten Umgebungseinflüsse lassen sich nur mit zusätzlichen Mechanismen kompensieren. In EP 1377887 A1 sind zum Beispiel eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kompensation eines Temperatureinflusses beschrieben. Microwave or terahertz processes are almost exclusively suitable for the characterization of electrically insulating materials. For measurements on electrically conductive or weakly conductive materials, the penetration depth of the electromagnetic waves, and thus the layer thickness accessible to a measurement below the sample surface, is minimal due to the skin effect occurring at high frequencies. One exception is microwave spectroscopy on unidirectional carbon fiber reinforced plastics. These can be characterized when the polarization of the electric field is perpendicular to the carbon fibers. The device technology of the high-frequency method is very susceptible to environmental influences, such as temperature and humidity. These sometimes very pronounced environmental influences can only be compensated with additional mechanisms. In EP 1377887 A1 For example, an apparatus and a method for compensating a temperature influence are described.

Da bereits vielfältigen Ausführungsformen an Verfahren zur Messung der Permittivität existieren, sind auch viele Anwendungsgebiete für eine Permittivitätsmessung bekannt. Beispielweise beschreibt WO 2002/065127 A2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der absoluten Permittivität eines Materials über Vergleichsmessungen. Since various embodiments already exist on methods for measuring the permittivity, many fields of application for permittivity measurement are also known. Example describes WO 2002/065127 A2 an apparatus and method for determining the absolute permittivity of a material via comparative measurements.

Es gibt aber auch Anwendungsgebiete, die bisher mit dem aktuellen Stand der Technik nicht erschließbar waren. Dazu zählt z. B. das hochauflösende Permittivitätsmapping im Frequenzbereich unterhalb der Mikrowellenspektroskopie, wobei die Permittivität an einer Vielzahl von Punkten auf der Oberfläche eines Werkstücks bestimmt wird, um quasi eine „Karte“ der Permittivität des Werkstücks zu erhalten. Besonders hervorzuheben ist die Permittivitätsmessung an elektrisch (schwach) leitfähigen Materialien und Materialverbunden mit guter Eindringtiefe (z. B. etwa 8 mm in multidirektionalem CFK), bzw. die parallele Bestimmung von permittivitäts- und leitfähigkeitsbezogenen Eigenschaften eines Materials. But there are also application areas that were previously not accessible with the current state of the art. This includes z. As the high-resolution Permittivitätsmapping in the frequency range below the microwave spectroscopy, wherein the permittivity is determined at a plurality of points on the surface of a workpiece in order to obtain a quasi "map" of the permittivity of the workpiece. Particularly noteworthy is the permittivity measurement of electrically (weakly) conductive materials and material composites with good penetration depth (eg about 8 mm in multidirectional CFRP), or the parallel determination of permittivity and conductivity-related properties of a material.

Induktive Messverfahren, bei denen in einem (elektrisch leitfähigen) Material ein elektrischer Strom induziert wird, sind hingegen zur Charakterisierung der Permittivität von nicht-metallischen oder elektrisch schwach leitenden Werkstoffen bislang noch nicht eingesetzt worden. In üblicher Weise wird bei induktiven Messverfahren die Permittivität eines Materials vernachlässigt. Inductive measuring methods in which an electric current is induced in an (electrically conductive) material, however, have not yet been used for characterizing the permittivity of non-metallic or electrically weakly conductive materials. In the usual way, the permittivity of a material is neglected in inductive measuring methods.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass es bisher kein Verfahren zur Bestimmung der effektiven Permittivität bzw. für die dielektrische Charakterisierung gibt, das sowohl zerstörungsfrei arbeitet, keinen Kontakt zur Probe erfordert, keine Probenpräparation verlangt, eine hohe Ortsauflösung ermöglicht, für die Charakterisierung komplexer Bauteile geeignet ist und auch an elektrisch (schwach) leitfähigen Materialien einsetzbar ist. In summary, it is stated that there is hitherto no method for determining the effective permittivity or for the dielectric characterization, which works both non-destructively, requires no contact with the sample, requires no sample preparation, permits high spatial resolution, is suitable for the characterization of complex components, and can also be used on electrically (weakly) conductive materials.

Aufgabe der Erfindung ist es, die zerstörungsfreie, berührungslose Messung dielektrischer Eigenschaften von elektrisch nicht bzw. schwach leitfähigen Materialien (umfassend Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase und Materialverbunde wie z.B. Verbundwerkstoffe) mit guter Eindringtiefe und bei Bedarf hochauflösend sowohl punktuell als auch als Mapping (d. h. Messungen an einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen) über zumindest Teilbereiche ihrer dreidimensional strukturierten Oberfläche, mit geringem Aufwand hinsichtlich Zeit-/Personaleinsatz und Präparation der Materialproben zu ermöglichen. Die hierbei eingesetzte Messtechnik soll robust, mappingfähig, inlinefähig (d. h. in der Produktionslinie zur laufenden Messung des Produktes bzw. Überwachung des Produktionsprozesses verwendbar) und an Rohmaterialien, Halbzeugen und Bauteilen unabhängig von deren äußerer Form einsetzbar sein. The object of the invention is the non-destructive, non-contact measurement of dielectric properties of electrically non or weakly conductive materials (including solids, liquids, gases and composite materials such as composites) with good penetration depth and high-resolution as needed both selectively and as mapping (ie measurements at a plurality of different positions) over at least partial areas of their three-dimensionally structured surface, with little effort in terms of time / personnel deployment and preparation of the material samples to enable. The measuring technology used here should be robust, suitable for mapping, inline-capable (ie usable in the production line for the continuous measurement of the product or monitoring of the production process) and applicable to raw materials, semi-finished products and components regardless of their external shape.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur Permittivitätsmessung gemäß der Merkmale nach Anspruch 1 und eine Messanordnung gemäß der Merkmale nach Anspruch 7 gelöst; weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 bis 11. The object of the invention is achieved with a method for permittivity measurement according to the features of claim 1 and a measuring arrangement according to the features of claim 7; Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the claims 2 to 6 and 8 to 11.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe ein induktives Messverfahren vorgesehen, bei dem ein zu untersuchendes Objekt aus einem Werkstoff, der ein elektrisch nicht bzw. schwach leitfähiges (z. B. nicht-metallisches) Material umfasst, einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, wobei eine aufgrund einer Wechselwirkung mit dem Material verursachte Änderung des elektromagnetischen Wechselfelds zur Charakterisierung der Permittivität genutzt wird. According to the invention, an inductive measuring method is provided for achieving this object, in which an object to be examined made of a material which comprises an electrically non-weak or low-conductivity (eg non-metallic) material is exposed to a high-frequency alternating electromagnetic field, wherein a Due to an interaction with the material caused change in the electromagnetic alternating field is used to characterize the permittivity.

Das Untersuchungsobjekt, dessen effektive Permittivität gemessen werden soll, kann ein Stück oder eine vorher präparierte Probe eines elektrisch nicht bzw. schwach leitfähigen Materials oder ein Werkstück aus einem elektrisch nicht bzw. schwach leitfähigen Material sein. Die mit der Erfindung charakterisierbaren Materialien können zum Beispiel nicht-metallische Feststoffe (wie beispielsweise Garne oder Verbundwerkstoffe), Flüssigkeiten und/oder Gase sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Werkstück um ein Teil aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff handeln. The examination object whose effective permittivity is to be measured may be a piece or a previously prepared sample of an electrically non-weak or slightly conductive material or a workpiece made of an electrically non-weak or slightly conductive material. The materials which can be characterized by the invention can be, for example non-metallic solids (such as yarns or composites), liquids and / or gases. For example, the workpiece may be a part of a carbon fiber reinforced plastic.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Wesentlichen die folgenden Schritte:
Das Untersuchungsobjekt wird einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt. Die Frequenz des Wechselfelds liegt in einem Bereich von 1 MHz bis 100 MHz. Diese Frequenz gewährleistet eine hinreichende Eindringtiefe des Feldes auch in elektrisch schwach leitfähige Materialien. Durch die Interaktion des elektromagnetischen Wechselfeldes mit dem Werkstoff kommt es zu einer Veränderung des Feldes (Polarisationseffekte, Verschiebeströme und bei leitfähigen Werkstoffen Wirbelströmen). Diese eben beschriebenen Veränderungen des gesamten elektromagnetischen Wechselfelds durch das Untersuchungsobjekt werden im Folgenden als Antwort des Untersuchungsobjekts bezeichnet. Diese Antwort wird sodann gemessen, das Messsignal aufbereitet (z. B. verstärkt und entrauscht) und mittels geeigneter Auswertealgorithmen die effektive Permittivität bestimmt (kalibriert oder unkalibriert). Diese kann je nach Messaufgabe genutzt werden, um Aussagen bezüglich dielektrischer Materialeigenschaften, dem Materialzustand, der Materialzusammensetzung und/oder geometrischer Eigenschaften des Untersuchungsobjektes abzuleiten. The method according to the invention essentially comprises the following steps:
The object to be examined is exposed to an alternating electromagnetic field. The frequency of the alternating field is in a range of 1 MHz to 100 MHz. This frequency ensures a sufficient penetration depth of the field even in electrically weakly conductive materials. The interaction of the alternating electromagnetic field with the material causes a change in the field (polarization effects, displacement currents and, in the case of conductive materials, eddy currents). These changes of the entire electromagnetic alternating field described above by the examination subject are referred to below as the response of the examination subject. This response is then measured, the measurement signal processed (eg, amplified and denoised) and determined by means of suitable evaluation algorithms, the effective permittivity (calibrated or uncalibrated). Depending on the measurement task, this can be used to derive statements regarding dielectric material properties, the material condition, the material composition and / or geometric properties of the examination object.

Im Folgenden wird unter dem Begriff „Erfassen eines Messwertes“ (bzw. „Messwerterfassung“) die Detektion einer physikalischen Größe mittels eines geeigneten Sensors, die Aufbereitung (inklusive Verstärkung) des Messsignals bis hin zur Digitalisierung verstanden. In the following, the term "acquisition of a measured value" (or "measured value acquisition") means the detection of a physical quantity by means of a suitable sensor, the preparation (including amplification) of the measuring signal up to the digitization.

Das Messen der Antwort kann lokal an einer oder mehreren Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes geschehen, wobei sowohl eine reflektive (d. h., Wechselfelderzeugung und Messung erfolgen bezüglich des zu charakterisierenden Untersuchungsobjektes auf derselben Seite) als auch eine transmissive (d. h., das zu charakterisierende Untersuchungsobjekt ist zwischen Wechselfelderzeuger und Messsensor angeordnet) Anordnung möglich sind. Auch kann das Messen durch Eintauchen mindestens eines Sensors in das Untersuchungsobjekt erfolgen. The measuring of the response can be done locally at one or more positions on the surface of the examination object, whereby both a reflective (ie, alternating field generation and measurement carried out with respect to the object to be characterized on the same side) and a transmissive (ie, the object to be characterized is arranged between alternating field generator and measuring sensor) arrangement are possible. Also, the measurement can be done by immersing at least one sensor in the examination subject.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Erfassen der Antwort berührungslos. Ein berührungsloses Erfassen der Antwort wird vorzugsweise induktiv erfolgen, wobei z. B. die in einer Spule durch das Wechselfeld erzeugte (Wechsel-)Spannung oder der daraus resultierende (Wechsel-)Strom gemessen wird. In an advantageous embodiment variant of the method according to the invention, the detection of the response takes place without contact. A non-contact detection of the response is preferably carried out inductively, wherein z. B. the (alternating) voltage generated in a coil by the alternating field or the resulting (alternating) current is measured.

Vorzugsweise erfolgt das induktive Erfassen der Antwort mittels differentiell verschalteter Spulen, wobei die resultierende/verbleibende gemessene Antwort verstärkt werden kann, um eine höhere Sensitivität zu erreichen. Preferably, the inductive detection of the response is by means of differentially connected coils, whereby the resulting / remaining measured response can be amplified in order to achieve a higher sensitivity.

In einer weiteren Ausgestaltungsvariante des Verfahrens kann das Erfassen der Antwort mittels der die Oberfläche des Untersuchungsobjekts kontaktierenden Sensoren erfolgen. Dies bietet bei federnd gelagerten Sensoren den Vorteil eines konstanten Abstands zwischen Sensor und Oberfläche des Untersuchungsobjekts, ohne dass eine aktive z-Achsen Nachführung erforderlich ist. Die (z. B. induktiv arbeitenden) Sensoren können beispielsweise für jede Messung auf die Oberfläche des Untersuchungsobjekts aufgesetzt werden. Sie können aber beispielsweise auch schleifend über die Oberfläche des Untersuchungsobjekts bewegt werden, wobei mehrfach während der Bewegung die effektive Permittivität gemessen werden kann. In a further embodiment variant of the method, the detection of the response can take place by means of the sensors contacting the surface of the examination subject. This offers the advantage of a spring-mounted sensors the advantage of a constant distance between the sensor and the surface of the examination object, without an active z-axis tracking is required. The (eg inductively operating) sensors can, for example, be placed on the surface of the examination object for each measurement. However, they can also be moved, for example, dragging over the surface of the examination object, whereby the effective permittivity can be measured several times during the movement.

Eine Ausgestaltungsvariante des Verfahrens sieht ein Erfassen der Antwort an mehreren Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsobjekts vor. Diese Positionen können beispielsweise, in Abhängigkeit von der Größe des Untersuchungsobjekts und der zu charakterisierenden Fläche, in einem Raster mit einigen Mikrometern Abstand angeordnet sein. Auf diese Weise wird es möglich, eine Karte der Verteilung der effektiven Permittivität über die charakterisierte Oberfläche des Untersuchungsobjekts zu erstellen (Permittivitätsmapping). So können lokale Änderungen der effektiven Permittivität (z. B. verursacht durch Geometrieabweichungen, Abweichungen der Materialzusammensetzung, Abweichungen des Materialzustands) aufgezeigt werden. An embodiment variant of the method provides for detecting the response at a plurality of positions on the surface of the examination subject. These positions may be arranged, for example, in a grid a few micrometers apart, depending on the size of the examination object and the surface to be characterized. In this way, it becomes possible to create a map of the distribution of the effective permittivity over the characterized surface of the examination object (permittivity mapping). Thus, local changes of the effective permittivity (eg caused by geometry deviations, deviations of the material composition, deviations of the material condition) can be shown.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Messung der Permittivität kontaktlos, und damit zerstörungsfrei, erfolgen kann, wobei das Messobjekt in einer Variante lediglich von einer Seite frei zugänglich sein muss. Somit können auch Messungen an Untersuchungsobjekten mit einer beliebigen äußeren geometrischen Form, also auch an vielen komplexen 3D Objekten, durchgeführt werden. An advantage of the method according to the invention is that the measurement of the permittivity can take place without contact, and thus without destruction, whereby in one variant the object to be measured must be freely accessible only from one side. Thus, it is also possible to carry out measurements on examination objects having an arbitrary external geometric shape, that is also on many complex 3D objects.

Der für das Verfahren vorzugsweise vorgesehene Frequenzbereich mit im Vergleich zu Mikrowellenverfahren geringen Frequenzen von maximal 100 MHz erlaubt die reproduzierbare Messung an nicht und elektrisch schwach leitfähigen Proben, z. B. Verbundwerkstoffen mit leitfähigen Bestandteilen, Strukturen oder Schichten, da eine ausreichende Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in das Untersuchungsobjekt gewährleistet wird, wobei aufgrund der Verwendung von induktiven Sensoren trotzdem eine gute Sensitivität gegenüber der effektiven Permittivität erzielbar ist. The preferably provided for the process frequency range with low compared to microwave method frequencies of up to 100 MHz allows the reproducible measurement of non-electrically and electrically weakly conductive samples, eg. As composite materials with conductive components, structures or layers, since a sufficient penetration depth of the electromagnetic radiation is ensured in the object to be examined, wherein due to the use of inductive sensors nevertheless a good sensitivity to the effective permittivity can be achieved.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird vor, während und/oder nach der Permittivitätsmessung des Untersuchungsobjekts die Permittivität einer in unmittelbarer Nähe zu dem Untersuchungsobjekt angeordneten Kalibrierprobe mit bekannter und zeitlich konstanter effektiver Permittivität gemessen. Somit können eine Bestimmung der absoluten Permittivität eines hinreichend dicken Untersuchungsobjekts durchführbar sein, die Dicke eines Untersuchungsobjekts mit konstanter Permittivität quantifiziert, ein bestimmter Materialzustand identifiziert oder die Zusammensetzung eines Verbundmaterials angegeben werden. Diese Kalibriermessungen können zum Beispiel mit einem zweiten Sensor an der neben dem Untersuchungsobjekt angeordneten Kalibrierprobe erfolgen, sodass Kalibrierprobe und Untersuchungsobjekt gleichzeitig gemessen werden. Eine Kalibrierung kann auch mit nur einem Sensor erfolgen, mit dem abwechselnd Untersuchungsobjekt und Kalibrierprobe gemessen werden, wobei der Sensor zum Beispiel bewegbar angeordnet sein kann, sodass er für jede Messung an die Position von Untersuchungsobjekt bzw. Kalibrierprobe bewegt werden kann. According to one embodiment of the method, before, during and / or after the permittivity measurement of the examination subject, the permittivity of a calibration sample arranged in the immediate vicinity of the examination subject is measured with known and constant time-permitting permittivity. Thus, a determination of the absolute permittivity of a sufficiently thick examination object can be carried out, the thickness of a test object with constant permittivity can be quantified, a specific material state can be identified or the composition of a composite material can be specified. These calibration measurements can be carried out, for example, with a second sensor on the calibration sample arranged next to the examination object so that the calibration sample and the examination object are measured simultaneously. A calibration can also be carried out with only one sensor, with which the test object and the calibration sample are alternately measured, wherein the sensor can be arranged to be movable, for example, so that it can be moved to the position of the test object or calibration sample for each measurement.

Es kann auch vorgesehen sein, eine Kalibrierkurve der Frequenzabhängigkeit der Permittivität zu erstellen, indem Kalibriermessungen an der Kalibrierprobe für eine Auswahl an Einzel-Frequenzen des Wechselfeldes oder einen Frequenzbereich durchgeführt werden. Es kann auch vorgesehen sein, eine Kalibrierkurve der Permittivität für eine feste Frequenz zu erstellen, indem Kalibriermessungen an einer Anzahl von Kalibrierproben mit bekannter, aber von Kalibrierprobe zu Kalibrierprobe unterschiedlicher Permittivität durchgeführt werden. Auch kann vorgesehen sein, Kalibrierproben mit bekannten Permittivitäten und Leitfähigkeiten zu verwenden, um diese Eigenschaften voneinander trennen zu können. It may also be provided to create a calibration curve of the frequency dependence of the permittivity by performing calibration measurements on the calibration sample for a selection of individual frequencies of the alternating field or a frequency range. It may also be contemplated to provide a fixed frequency calibration curve of the permittivity by performing calibration measurements on a number of calibration samples of known but calibration sample to calibration sample of different permittivity. It may also be provided to use calibration samples with known permittivities and conductivities in order to be able to separate these properties from one another.

Weiterhin kann vorgesehen sein, das erfindungsgemäße Verfahren für Langzeitmessungen zu verwenden. Die Dauer einer Langzeitmessung kann hierbei beispielsweise im Bereich von wenigen Minuten bis zu mehreren Tagen liegen. Langzeitmessungen können zum Beispiel zur Bestimmung der zeitlichen Veränderung der Permittivität des Untersuchungsobjektes herangezogen werden. Um systematische Drifts in der Messvorrichtung und/oder Veränderungen in der Umgebung (z. B. Temperatur) ausschließen zu können, können bei dieser Variante des Verfahrens regelmäßig (zwischen den Messungen der Langzeitmessung) Kalibriermessungen durchgeführt werden. Hierfür wird ebenfalls eine Kalibrierprobe mit bekannter und zeitlich konstanter Permittivität benötigt. Eine Kontrolle von systematischen Drifts in der Messvorrichtung kann auch wieder durch abwechselndes oder gleichzeitiges Messen von Untersuchungsobjekt und Kalibrierprobe mit einem, beispielsweise beweglich angeordnetem, oder mehreren Sensoren erfolgen. Somit wird eine gesicherte Bestimmung der zeitlichen Änderung der Permittivität des Untersuchungsobjektes möglich. Furthermore, it can be provided to use the method according to the invention for long-term measurements. The duration of a long-term measurement may be, for example, in the range of a few minutes to several days. Long-term measurements can be used, for example, to determine the temporal change in the permittivity of the examination subject. In order to be able to rule out systematic drifts in the measuring device and / or changes in the environment (eg temperature), in this variant of the method calibration measurements can be carried out regularly (between the measurements of the long-term measurement). For this purpose, a calibration sample with known and temporally constant permittivity is also required. A check of systematic drifts in the measuring device can also be carried out again by alternately or simultaneously measuring the examination object and calibration sample with one, for example movably arranged, or several sensors. Thus, a reliable determination of the temporal change in the permittivity of the object to be examined becomes possible.

Die zur Durchführung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Messanordnung wird im Folgenden als Messgerät bezeichnet. Unter dem Messgerät wird also eine Anordnung zur Messung der lokalen, effektiven Permittivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verstanden. Das Messgerät umfasst eine Steuereinheit, ein oder mehrere induktive Bauteile zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise Spulen, und mindestens einen induktiven Sensor, der auch in Form einer Spule ausgebildet sein kann. Die Steuereinheit und die mit dieser verbundenen ein oder mehrere induktiven Bauteile sind derart gestaltet, dass hochfrequente, d. h. in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 500 MHz, vorzugsweise 10 MHz bis 100 MHz, elektromagnetische Wechselfelder erzeugbar sind. Die Steuereinheit und der mit dieser verbundene mindestens eine induktive Sensor sind derart gestaltet, dass Veränderungen der hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelder, hervorgerufen durch eine Wechselwirkung derselben mit dem zu charakterisierenden Untersuchungsobjekt, messbar sind. The measuring arrangement provided for carrying out this method according to the invention is referred to below as a measuring device. The measuring device thus means an arrangement for measuring the local, effective permittivity according to the method according to the invention. The measuring device comprises a control unit, one or more inductive components for generating an alternating electromagnetic field, preferably coils, and at least one inductive sensor, which may also be in the form of a coil. The control unit and one or more inductive components connected to it are designed such that high-frequency, d. H. in a frequency range from 1 MHz to 500 MHz, preferably 10 MHz to 100 MHz, alternating electromagnetic fields can be generated. The control unit and the at least one inductive sensor connected thereto are designed such that changes in the high-frequency electromagnetic alternating fields caused by an interaction thereof with the object to be characterized can be measured.

Mit einem derartigen Messgerät können die lokalen dielektrischen Eigenschaften bzw. die Veränderungen der effektiven Permittivität von Feststoffen (z. B. Polymeren, Keramik etc.), Flüssigkeiten, Gasen und Verbundwerksstoffen entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens charakterisiert werden. Such a measuring device can be used to characterize the local dielectric properties or the changes in the effective permittivity of solids (eg polymers, ceramics, etc.), liquids, gases and composite materials according to the method according to the invention.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass dieses Messgerät einen oder mehrere Aktoren aufweist, mit denen Bewegungen vom Untersuchungsobjekt, dem mindestens einen Sensor, der ein oder mehreren induktiven Bauteile und/oder Baugruppen des Messgeräts in bis zu sechs Freiheitsgraden ermöglicht werden. Die Aktoren sind vorzugsweise mittel- oder unmittelbar an dem mindestens einen Sensor angekoppelt, sodass dieser beispielsweise relativ zum Untersuchungsobjekt bewegbar ist und/oder zwischen Untersuchungsobjekt und Kalibrierprobe hin und her gefahren werden kann. It may further be provided that this measuring device has one or more actuators with which movements of the examination object, the at least one sensor, the one or more inductive components and / or assemblies of the measuring device are made possible in up to six degrees of freedom. The actuators are preferably coupled directly or indirectly to the at least one sensor so that it can be moved, for example, relative to the examination subject and / or moved back and forth between the examination subject and the calibration sample.

Durch die Möglichkeit der Bewegung der ein oder mehreren induktiven Bauteile, des mindestens einen Sensors und/oder Baugruppen des Messgeräts mittels Aktoren kann der Messabstand zwischen dem mindestens einen Sensor und Untersuchungsobjekt frei eingestellt werden. Es kann auch der mindestens eine Sensor für eine Messung zu einer Oberfläche des Untersuchungsobjekts hin bewegt werden, wobei auch ein direkter Kontakt eines Sensors mit der Oberfläche des Untersuchungsobjekts möglich sein kann. By the possibility of movement of the one or more inductive components, the at least one sensor and / or assemblies of the measuring device by means of actuators, the measuring distance between the at least one sensor and the examination object can be freely adjusted. It is also possible for the at least one sensor for a measurement to be moved toward a surface of the examination object, wherein a direct contact of a sensor with the surface of the examination subject may also be possible.

Weiterhin ist vorgesehen, die Steuereinheit des Messgeräts mittels Steuer- und Messsoftware derart zu konfigurieren, dass neben Punktmessungen, d.h. einer Messung an einer Position auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes, auch scannende Messungen, d. h. mehrere nacheinander an unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes durchgeführte Messungen, möglich sind. Die Steuereinheit kann derart konfiguriert sein, dass mehrere, an verschiedenen Positionen auf der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes aufgenommene Messdaten nachfolgend zu einem Bild zusammensetzbar sind. Auf diese Art kann mittels der Steuereinheit auch eine zweidimensionale Karte (Mapping) der effektiven Permittivität auf der Untersuchungsobjektoberfläche erstellt werden, womit lokale Unterschiede in der effektiven Permittivität aufgezeigt werden können. Permittivitätsmapping kann beispielsweise zur Identifikation lokaler Aushärtedefekte („Hot-Spots“) an elektrisch leitfähigen Verbundwerkstoffen (z. B. Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen – CFK) eingesetzt werden. Furthermore, it is provided to configure the control unit of the measuring device by means of control and measuring software in such a way that in addition to point measurements, ie a measurement at a position on the surface of the examination subject, also scanning measurements, ie a plurality of successively performed at different positions on the surface of the examination subject measurements , possible are. The control unit can be configured in such a way that a plurality of measurement data recorded at different positions on the surface of an examination object can be subsequently assembled to form an image. In this way, by means of the control unit, a two-dimensional map (mapping) of the effective permittivity can be created on the examination object surface, whereby local differences in the effective permittivity can be shown. Permittivity mapping can be used, for example, to identify local curing defects ("hot spots") on electrically conductive composite materials (eg carbon fiber reinforced plastics - CFRP).

Für die scannenden Messungen kann auch vorgesehen sein, nicht nur den mindestens einen Sensor und/oder das mindestens eine induktive Bauteil zur Erzeugung des elektromagnetsichen Feldes, sondern auch das Untersuchungsobjekt oder den Träger, auf welchem das Untersuchungsobjekt angeordnet ist, oder Träger und Untersuchungsobjekt in mindestens einem Freiheitsgrad zu bewegen. For the scanning measurements can also be provided, not only the at least one sensor and / or the at least one inductive component for generating the electromagnetic field, but also the examination object or the carrier on which the examination object is arranged, or carrier and examination object in at least to move one degree of freedom.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Messgeräts ist, dass durch die Möglichkeit der Messung an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes eine hochauflösende, zweidimensionale Karte der Permittivität erstellt werden kann. Außerdem können auch Untersuchungsobjekte, die eine unregelmäßige Oberflächentopologie, d. h. keine plane Oberfläche, aufweisen, durch die Möglichkeit der Positionierung des mindestens einen Sensors mit einem definierten Abstand bezüglich der Oberfläche des Untersuchungsobjektes scannend gemessen werden. An advantage of the measuring device according to the invention is that a high-resolution, two-dimensional map of the permittivity can be created by the possibility of measuring at different points on the surface of the examination subject. In addition, examination objects that have an irregular surface topology, i. H. have no planar surface, be measured by the possibility of positioning the at least one sensor with a defined distance with respect to the surface of the examination subject by scanning.

Die Steuereinheit kann weiterhin derart konfiguriert sein, dass sie eine Umrechnung von gemessenen Rohdaten in Daten zur lokalen effektiven Permittivität und deren Auswertung, beispielsweise hinsichtlich dielektrischer Materialeigenschaften, dem Materialzustand, der Materialzusammensetzung und/oder geometrischer Eigenschaften des Untersuchungsobjektes, mit speziellen Algorithmen durchführen und die durch die Auswertung erhaltenen Daten über eine Schnittstelle ausgeben oder auf einem Anzeigegerät, beispielsweise einem internen oder externen Monitor oder einem Plotter, darstellen kann. The control unit can furthermore be configured such that it converts measured raw data into data for the local effective permittivity and its evaluation, for example with regard to dielectric material properties, the material state, the material composition and / or geometric properties of the examination object, using special algorithms and by output the evaluation data via an interface or display on a display device, such as an internal or external monitor or a plotter.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Untersuchungsobjekt auf einem Lauf bzw. Transportband positioniert ist, wobei das erfindungsgemäße Messgerät zur Messung der Permittivität über und/oder unter oder neben dem Transportband in der Art angeordnet ist, dass mittels des mindestens einen Sensors Permittivitätsmessungen des Untersuchungsobjekts durchführbar sind. Beispielsweise kann das Messgerät in einer Produktionslinie in Brückenbauweise über einer Bahnware, z. B. nach Auftragen des Harzes auf Verstärkungstextil, installiert sein. Durch die Positionierung des Untersuchungsobjekts auf einem Laufband ist zusätzlich eine Bewegung des Untersuchungsobjekts in mindestens einem Freiheitsgrad realisierbar. Furthermore, it can be provided that the examination object is positioned on a run or conveyor belt, wherein the measuring device according to the invention for measuring the permittivity is arranged above and / or below or next to the conveyor belt in such a way that permittivity measurements of the examination subject can be carried out by means of the at least one sensor are. For example, the measuring device in a production line in bridge construction over a web, z. B. after application of the resin on reinforcing fabric installed. By positioning the examination object on a treadmill, a movement of the examination object in at least one degree of freedom can additionally be realized.

Die Erfindung kann weiter vorteilhaft wie folgt ausgebildet sein, dass das mindestens eine induktive Bauteil zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und der mindestens eine Sensor auf derselben Seite bezüglich des Untersuchungsobjektes angeordnet sind, beispielsweise sind beide nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, sodass in Reflexion gemessen wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das Untersuchungsobjekt zwischen dem mindestens einen induktiven Bauteil und dem mindestens einen Sensor positioniert ist, sodass in Transmission gemessen wird. The invention may further advantageously be configured as follows, that the at least one inductive component for generating the electromagnetic field and the at least one sensor are arranged on the same side with respect to the examination subject, for example, both are arranged side by side in a common housing, so that measured in reflection , However, it can also be provided that the examination subject is positioned between the at least one inductive component and the at least one sensor, so that transmission is measured.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das Messgerät eine Probenträgereinrichtung, beispielsweise einen Arbeitstisch oder einen Behälter, aufweist, auf welcher das Untersuchungsobjekt für die Messung der Permittivität angeordnet und/oder fixiert, bzw. bei flüssigen oder semiflüssigen oder gasförmigen Untersuchungsobjekten hineingegeben wird. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Probenträgereinrichtung von mindestens einem Aktor in mindestens einem Freiheitsgrad bewegt werden kann. Bei Untersuchungsobjekten mit einfacher Geometrie oder Messungen auf nur einer Seite des Untersuchungsobjektes können hierbei zum Beispiel herkömmliche x-y-Tische für die Erzeugung der Bewegung genutzt werden. Es können aber auch beispielsweise bekannte Wirbelstrom-Geräte verwendet werden, welche initial nicht für die Charakterisierung von nicht oder schlecht leitfähigen Werkstoffen konzipiert worden waren. It can also be provided that the measuring device has a sample carrier device, for example a work table or a container, on which the examination object for the measurement of the permittivity is arranged and / or fixed, or is inserted in liquid or semi-liquid or gaseous examination objects. Furthermore, it can be provided that the sample carrier device can be moved by at least one actuator in at least one degree of freedom. In the case of examination objects with simple geometry or measurements on only one side of the examination object, conventional x-y tables can be used for generating the movement, for example. However, it is also possible, for example, to use known eddy-current devices which initially were not designed for the characterization of materials which are poorly conductive or poorly conductive.

Es können auch auf der Probenträgereinrichtung an einer von den die Bewegung der Trägereinrichtung und/oder des mindestens einen Sensors steuernden Aktoren während des Betriebs des Messgeräts für den mindestens einen Sensor erreichbaren Position eine oder mehrere Kalibrierproben mit bekannter Permittivität angeordnet sein. Diese Kalibrierproben können elektrisch leitfähig und/oder isolierend sein. Somit wird es möglich, durch Messung der Kalibrierproben sowie gegebenenfalls Erstellen einer Kalibrierkurve und anschließende bzw. vorherige Messung des Untersuchungsobjektes eine absolute Permittivität zu bestimmen bzw. den optimalen Phasenwinkel zur Trennung von leitfähigkeitsbezogenen und permittivitätsbezogenen Probeneigenschaften zu identifizieren. It is also possible for one or more calibration samples with known permittivity to be arranged on the sample carrier device at one of the actuators controlling the movement of the carrier device and / or the at least one sensor during operation of the measuring device for the at least one sensor. These calibration samples may be electrically conductive and / or insulating. This makes it possible, by measuring the calibration samples and, if necessary, creating a calibration curve and subsequent or prior measurement of the object under investigation to determine an absolute permittivity or to identify the optimum phase angle for the separation of conductivity-related and permittivity-related sample properties.

Diese Kalibrierproben können auch zur Bestimmung von systematischen Drifts des Messgeräts bzw. der Sensoren zur Messung der Permittivität über einen vorgegebenen Zeitraum herangezogen werden. These calibration samples may also be used to determine systematic drifts of the meter or sensors to measure permittivity over a given period of time.

Es kann auch vorgesehen sein, dass entweder nur der mindestens eine Sensor oder den mindestens einen Sensor umfassende Baugruppen des Messgeräts oder auch das komplette Messgerät an einer Kinematik, wie beispielsweise einem Roboterarm oder einer Parallelkinematik in Form eines Hexapods, befestigt ist, wobei die Kinematik eine Bewegung in mindestens einem Freiheitsgrad erlaubt. Mit Hilfe der Kinematik kann somit vor jeder Messung der mindestens eine Sensor in Bezug zu der Oberfläche des Untersuchungsobjektes positioniert werden. Insbesondere bei Verwendung einer Kinematik mit fünf oder sechs Freiheitsgraden kann für Messungen an Untersuchungsobjekten mit nicht-planaren Oberflächen oder für ein Mapping eines Teils oder der gesamten Oberfläche eines Untersuchungsobjektes mit komplexer äußerer Form der mindestens eine Sensor mit Hilfe der Kinematik beliebig im Raum positioniert werden. It may also be provided that either only the at least one sensor or the at least one sensor comprehensive assemblies of the measuring device or the complete measuring device on a kinematics, such as a robot arm or a parallel kinematic in the form of a hexapod, is attached, the kinematics a Movement allowed in at least one degree of freedom. With the help of kinematics, the at least one sensor can thus be positioned with respect to the surface of the examination object before each measurement. In particular, when using kinematics with five or six degrees of freedom for measurements on objects with non-planar surfaces or for a mapping of a part or the entire surface of an object to be examined with complex outer shape, the at least one sensor with the help of kinematics can be positioned anywhere in space.

In einer Ausgestaltungsvariante des Messgeräts kann vorgesehen sein, den mindestens einen Sensor als differentiell verschaltete Spulen auszuführen und somit eine Erhöhung der Sensitivität des Messgeräts zu ermöglichen. In one embodiment variant of the measuring device, it may be provided to carry out the at least one sensor as differentially connected coils and thus to allow an increase in the sensitivity of the measuring device.

In einer anderen Ausgestaltungsvariante des Messgeräts kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine induktive Bauteil zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und der mindestens eine Sensor als ein einziges Bauteil ausgeführt sind (als eine sogenannte Absolutspule). In another embodiment variant of the measuring device can be provided that the at least one inductive component for generating the electromagnetic field and the at least one sensor are designed as a single component (as a so-called absolute coil).

Die Erfassung der lokalen effektiven Permittivität des von der Messanordnung erfassten Volumens eines Untersuchungsobjektes ermöglicht lokale Aussagen oder ein Erstellen von Homogenitätskarten über dielektrische Materialeigenschaften, Materialzusammensetzung, Materialzustand und/oder geometrische Eigenschaften sowie über Änderungen dieser Eigenschaften über der Zeit. Wenn nötig, werden Daten zur lokalen effektiven Permittivität von anderen Einflüssen, z. B. der lokalen Leitfähigkeit, des Untersuchungsobjektes getrennt. Somit ermöglichen das erfindungsgemäße Verfahren und das Messgerät zur Durchführung des Verfahrens, einschließlich ihrer unterschiedlichen Ausgestaltungen, folgende Anwendungen:

  • – Qualitative bzw. quantitative, zeitliche Überwachung des Permittivitätsverlaufes: z. B. zur Aushärteprozesskontrolle. So kann eine Permittivitätsmessung während des Aushärtevorgangs eines Polymers die Topfzeit und den Zeitpunkt der vollständigen Aushärtung bestimmen und so den Prozess steuern bzw. überwachen.
  • – Quantitative Permittivitätsmessung: z. B. zur Charakterisierung neuer Werkstoffe im Labor.
  • – Sollwertprüfung der Permittivität eines Materials: z. B. Permittivitätsbestimmung eines Polymers nach der Aushärtung als Indikator für den erreichten Vernetzungsgrad bzw. Aushärtegrad und Vergleich mit einem definierten Sollwert.
  • – Homogenitätsprüfung des Materials bzw. der Materialzusammensetzung eines Werkstücks oder Bauteils: z. B. Permittivitätsmessung nach der Aushärtung eines Polymers zur Identifikation lokaler Aushärtefehler wie „Hot-Spots“ (Permittivitätsmapping, Homogenitätsprüfung der Permittivität).
  • – Struktur- und Texturanalyse von Verbundwerkstoffen, die mit elektrisch nicht leitfähigen Fasern verstärkt sind (z. B: Glasfaserverstärkte Kunststoffe) durch hochauflösendes Mapping lokaler Permittivitätsunterschiede, die durch Permittivitätsunterschiede zwischen Matrixmaterial und Verstärkungsfaser herrühren
  • – Analyse des Temperaturverhaltens der Permittivität: z. B. zur Charakterisierung von Glasübergangstemperaturen bei Polymeren.
  • – Analyse des Frequenzverhaltens der Permittivität durch Messung mit verschiedenen Frequenzen
  • – Kontrolle der äußeren Form, Abmaße und Maßhaltigkeit von nicht-metallischen Bauteilen: z. B. Dicke von Folien, Schichtdicke von low k und high k Dünnschichten, Maßhaltigkeit/Existenz von versteckten Bohrungen oder Nuten in Kunststoffteilen
  • – Analyse der volumenmäßigen Zusammensetzung, bzw. bei bekannter Dichte auch massemäßigen Zusammensetzung, von Materialverbunden/Verbundwerkstoffen: z. B. Bestimmung von Faser und Harzgehalt bei Kohlenstofffaser-Preprags, Halbzeugen und Fertigteilen bzw. von einem kombinierten Glasfaser- und Harzgehalt bei Kohlenstofffaser/Glasfaser-Verbunden.
  • – Inline-Überwachung einer kompletten Prepregwarenbahn auf Harz- und Textilanteil.
  • – Bestimmung des Wasser-/Feuchtegehalts eines Materials oder einer Schicht, z. B. zur Steuerung von Trocknungsprozessen
  • – Überwachung von Alterungs-/Wassereinlagerungsprozessen.
  • – Überwachung von chemischen und physikalischen Abbauprozessen/Alterungserscheinungen (wie z. B. Wassereinlagerungen, thermische Abbauprozesse/Schäden durch Blitzschlag, Abbauprozesse durch Strahlung, Delaminationen etc.), die während des Einsatzes an nicht-metallischen Werkstoffen bzw. Verbundwerkstoffen auftreten und sich in einer Permittivitätsänderung äußern. Das erlaubt je nach Material Rückschlüsse auf den Schädigungsgrad bzw. die Bauteilsicherheit.
The detection of the local effective permittivity of the volume of an examination object detected by the measuring arrangement makes it possible to make local statements or to produce homogeneity maps concerning dielectric material properties, material composition, material condition and / or geometric properties as well as changes in these properties over time. If necessary, data on the local effective permittivity of other influences, e.g. As the local conductivity, the object under investigation separately. Thus, the method and the measuring device according to the invention for carrying out the method, including their different embodiments, make it possible to use the following applications:
  • - Qualitative or quantitative, temporal monitoring of Permittivitätsverlaufes: z. B. for curing process control. Thus, a permittivity measurement during the curing process of a polymer can determine the pot life and the time of complete cure, thus controlling the process.
  • - Quantitative permittivity measurement: z. Eg for the characterization of new materials in the laboratory.
  • - Setpoint verification of the permittivity of a material: z. B. Permittivity determination of a polymer after curing as an indicator of the achieved degree of crosslinking or degree of cure and comparison with a defined setpoint.
  • - Homogeneity of the material or the material composition of a workpiece or component: z. B. Permittivity measurement after curing of a polymer to identify local curing defects such as "hot spots" (permittivity mapping, homogeneity test of permittivity).
  • - Structure and texture analysis of composites reinforced with electrically nonconductive fibers (eg: glass fiber reinforced plastics) by high resolution mapping of local permittivity differences resulting from permittivity differences between matrix material and reinforcing fiber
  • - Analysis of the temperature behavior of the permittivity: z. B. for the characterization of glass transition temperatures in polymers.
  • - Analysis of the frequency behavior of the permittivity by measurement with different frequencies
  • - Control of the external shape, dimensions and dimensional accuracy of non-metallic components: z. B. thickness of films, layer thickness of low k and high k thin films, dimensional stability / existence of hidden holes or grooves in plastic parts
  • - Analysis of the volume composition, or at known density and mass composition of material composites / composites: z. B. Determination of fiber and resin content in carbon fiber Preprags, semi-finished and finished parts or of a combined fiberglass and resin content in carbon fiber / glass fiber composites.
  • - Inline monitoring of a complete prepreg web on resin and textile content.
  • - Determination of the water / moisture content of a material or a layer, for. B. for controlling drying processes
  • - Monitoring of aging / water storage processes.
  • - Monitoring of chemical and physical degradation processes / aging phenomena (such as water retention, thermal decomposition processes / damage by lightning, degradation processes by radiation, delaminations, etc.), which during use on non-metallic Materials or composites occur and express themselves in a Permittivitätsänderung. Depending on the material, this allows conclusions to be drawn about the degree of damage or component safety.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; Dazu zeigen in schematischer Darstellung die The invention will be explained in more detail with reference to embodiments; These show in a schematic representation of the

1: das erfindungsgemäße Messgerät; 1 : the measuring device according to the invention;

2: das erfindungsgemäße Messgerät mit integriertem Sensor; 2 : the measuring device according to the invention with integrated sensor;

3: das erfindungsgemäße Messgerät als Tischgerät für Langzeitmessung; 3 : the measuring device according to the invention as a tabletop device for long-term measurement;

4: das erfindungsgemäße Messgerät als Tischgerät mit integriertem Sensor; 4 : the measuring device according to the invention as a tabletop device with integrated sensor;

5: das erfindungsgemäße Messgerät als Handgerät im Querschnitt; 5 : the measuring device according to the invention as a handheld device in cross section;

6: das erfindungsgemäße Messgerät als Tischgerät für Aushärtkontrollen im Querschnitt. 6 : The measuring device according to the invention as a table unit for Aushärtkontrollen in cross section.

Das Messgerät 1 zur Messung der Permittivität gemäß 1 weist den Probentisch 2 und den induktiven Sensor 3 in Form einer Spule auf. Der Sensor 3 ist über eine Feder (nicht dargestellt) mit einer ersten Verfahreinrichtung 5.1 verbunden, die eine Bewegung des Sensors relativ zum Probentisch 2 in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Oberfläche des Probentisches 2, ermöglicht. Die erste Verfahreinrichtung 5.1 ist außerdem in der Art mit einer zweiten Verfahreinrichtung 5.2 verbunden, dass die erste Verfahreinrichtung 5.1 sowie der daran angeordnete Sensor eine Bewegung relativ zum Probentisch 2 in x-Richtung durchführen können. Auf dem Probentisch 2 ist eine dritte Verfahreinrichtung 5.3 angeordnet, die eine Bewegung der daran angeordneten zweiten 5.2 und der ersten Verfahreinrichtung 5.1 sowie des Sensors 3 relativ zum Probentisch 2 in y-Richtung erlaubt. The measuring device 1 for measuring the permittivity according to 1 has the sample table 2 and the inductive sensor 3 in the form of a coil. The sensor 3 is via a spring (not shown) with a first traversing device 5.1 connected, which is a movement of the sensor relative to the sample table 2 in the z-direction, ie perpendicular to the surface of the sample table 2 , allows. The first moving device 5.1 is also in the way with a second traversing device 5.2 connected to that first moving device 5.1 as well as the sensor arranged thereon, a movement relative to the sample table 2 in the x direction. On the sample table 2 is a third moving facility 5.3 arranged, which is a movement of the second arranged thereon 5.2 and the first moving device 5.1 as well as the sensor 3 relative to the sample table 2 allowed in y-direction.

Auf dem Probentisch 2 liegt ein Untersuchungsobjekt 7, dessen Permittivität vom Sensor 3, der über die Verfahreinrichtungen 5.2 und 5.3 über die gesamte Oberfläche des Untersuchungsobjekts 7 verfahrbar ist, messbar ist. Neben der Messung einzelner Punkte auf der Oberfläche des Untersuchungsobjekts 7 ist mit diesem in 1 gezeigten Messgerät 1 auch ein Permittivitätsmapping, also das Erstellen einer zweidimensionalen Karte der Permittivität möglich. On the sample table 2 is a research object 7 , its permittivity from the sensor 3 who has the moving facilities 5.2 and 5.3 over the entire surface of the examination object 7 is movable, measurable. In addition to measuring individual points on the surface of the examination subject 7 is in this with 1 shown measuring device 1 also a permittivity mapping, so the creation of a two-dimensional map of the permittivity possible.

In einer Variante in der in Transmission gemessen wird, wird ein Teil, also Felderzeugung oder Feldmessung in dem Probentisch 2 synkron mitverfahren (Verfahrachsen im Probentisch sind nicht dargestellt). In a variant in which transmission is measured, a part, that is to say field generation or field measurement, becomes in the sample table 2 Synkron mitverfahren (traversing axes in the sample table are not shown).

Zu Kalibrierungszwecken sind auf dem Probentisch 2 noch zwei Kalibrierungsproben 9 vom Sensor 3 über die Verfahreinrichtungen 5.3 und 5.2 erreichbar angeordnet For calibration purposes are on the sample table 2 two more calibration samples 9 from the sensor 3 about the moving devices 5.3 and 5.2 reachable

Bei dem Messgerät 1 gemäß 2 sind Steuereinheit, ein induktives Bauteil (beide in 2 nicht dargestellt) und Sensor 3 in den Probentisch 2 integriert. Somit ist bei diesem Messgerät nur die Messung in Reflektion möglich. Der Sensor 3 ist aufgrund des festen Einbaus in den Probentisch 2 nicht beweglich. Stattdessen wird das Untersuchungsobjekt ggf. auf einem Schlitten (in 2 nicht dargestellt) mittels der Verfahreinrichtungen 5.2 und/oder 5.3 über den Sensor hinwegbewegt, sodass auch mit diesem Messgerät ein Mapping des Untersuchungsobjektes möglich ist. At the meter 1 according to 2 are control unit, an inductive component (both in 2 not shown) and sensor 3 in the sample table 2 integrated. Thus, with this meter only the measurement in reflection is possible. The sensor 3 is due to the fixed installation in the sample table 2 not mobile. Instead, the object to be examined is possibly placed on a carriage (in 2 not shown) by means of the displacement devices 5.2 and or 5.3 moved across the sensor, so that even with this measuring device, a mapping of the examination object is possible.

Diese Ausgestaltungsvariante des erfindungsmäßen Messgeräts 1 bietet sich insbesondere für den Laborbereich an, da es kompakt und robust, aber nur für planare oder leicht gewölbte Einzelproben geeignet ist. This embodiment variant of the inventive measuring device 1 is particularly suitable for the laboratory because it is compact and robust, but only suitable for planar or slightly curved specimens.

Das erfindungsgemäße Messgerät 1 gemäß 3 ist für Langzeitmessung eines Untersuchungsobjektes 7 konzipiert. Der Sensor 3 ist bei diesem Gerät mittels Verfahreinrichtung 5.2 und 5.1 nur in x- und z-Richtung verfahrbar. Auf dem Probentisch 2 ist neben dem Untersuchungsobjekt 7 eine Kalibrierprobe 9 angeordnet, zu der der Sensor 3 mittels der Verfahreinrichtung 5.2 hinbewegt werden kann. So können vollständig automatisch Langzeitmessung mit automatisierter Wiederholung von Referenz- oder Kalibriermessungen durchgeführt werden. The measuring device according to the invention 1 according to 3 is for long-term measurement of an examination object 7 designed. The sensor 3 is on this device by means of moving device 5.2 and 5.1 only movable in x- and z-direction. On the sample table 2 is next to the examination object 7 a calibration sample 9 arranged to which the sensor 3 by means of the traversing device 5.2 can be moved. This allows fully automatic long-term measurement with automated repetition of reference or calibration measurements.

Das Messgerät 1 gemäß 3 ist von den Abmaßen so ausgelegt, dass es als Tischgerät auf einem Labortisch Platz finden kann. Diese Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Messgerät 1 ermöglicht eine kurze Verweildauer des Sensors 3 in Messposition und permanenten Abgleich der mit dem Sensor 3 gemessenen Permittivitätsdaten mit der Kalibrierprobe 9 an einer Kalibrierposition. Diese Art der Permittivitätsmessung ist z. B. zur Überwachung des Aushärtevorgangs bei einem Untersuchungsobjekt 7 einsetzbar. The measuring device 1 according to 3 is dimensioned to fit on a benchtop bench top. This embodiment variant of the measuring device according to the invention 1 allows a short residence time of the sensor 3 in measuring position and permanent comparison with the sensor 3 measured permittivity data with the calibration sample 9 at a calibration position. This type of Permittivitätsmessung is z. B. for monitoring the curing process in a study object 7 used.

Das erfindungsgemäße Messgerät 1 gemäß 4 ist für eine Sollwertprüfung oder für Langzeitmessung eines Untersuchungsobjektes 7 vorgesehen. Bei dem Messgerät 1 gemäß 4 sind Steuereinheit, induktives Bauteil (beide in 4 nicht dargestellt) und Sensor 3 in den Probentisch 2 integriert. Das Untersuchungsobjekt (in 4 nicht dargestellt) wird mittels der Verfahreinrichtungen 5.2 und 5.3 über den Sensor in x- und y-Richtung bewegt. Zusätzlich ist ein zweiter Sensor (in 4 nicht dargestellt) in den Probentisch 2 integriert, welcher unter einer Kalibrierprobe 9 angeordnet ist. Auch die Kalibrierprobe 9 kann über Verfahreinrichtungen 5.2 und 5.3 in x- und y-Richtung bewegt werden. Der Sensor 3 und der unter der Kalibrierprobe 9 angeordnete Sensor (in 4 nicht dargestellt) sind aufgrund des festen Einbaus in den Probentisch 2 nicht beweglich. The measuring device according to the invention 1 according to 4 is for a setpoint test or for long-term measurement of an examination object 7 intended. At the meter 1 according to 4 are control unit, inductive component (both in 4 not shown) and sensor 3 in the sample table 2 integrated. The examination object (in 4 not shown) is by means of the displacement devices 5.2 and 5.3 moved across the sensor in x and y direction. additionally is a second sensor (in 4 not shown) in the sample table 2 integrated, which under a calibration sample 9 is arranged. Also the calibration sample 9 Can via moving facilities 5.2 and 5.3 be moved in the x and y direction. The sensor 3 and under the calibration sample 9 arranged sensor (in 4 not shown) are due to the fixed installation in the sample table 2 not mobile.

Der Sensor 3, welcher im Betrieb des Messgeräts 1 unter dem Untersuchungsobjekt 7 positioniert ist, und der Sensor unter der Kalibrierprobe 9 sind differenziell gegeneinander verschaltet. Auf diese Art ist eine direkte Messung der Permittivitätsabweichung des Untersuchungsobjekts 7 gegenüber der Kalibrierprobe 9 möglich. The sensor 3 which is in operation of the measuring device 1 under the examination object 7 is positioned, and the sensor under the calibration sample 9 are differentially interconnected. In this way, a direct measurement of the permittivity deviation of the examination subject 7 opposite the calibration sample 9 possible.

5 zeigt im Querschnitt das erfindungsgemäße Messgerät 1 als Handgerät für die Überprüfung eines Permittivitätssollwertes (z.B. Lackdickenmessung auf leitfähigem Material). Der Sensor 3 ist an einer Spitze angeordnet, welche das Handgerät an seinem vorderen Ende aufweist. Im Gehäuse 10 des Handgeräts ist eine auswechselbare Kalibrierprobe 9 und ein Sensor 4 für eine Messung an der Kalibrierprobe 9 angeordnet. Die Sensoren 3 und 4 können (je nach Anwendung) differenziell verschaltet werden. Außerdem sind eine Steuereinheit 11 und eine Spule als induktives Bauteil 13 im Gehäuse 10 des Handgeräts angeordnet. An der Außenseite des Handgeräts ist eine optische Anzeige 15 angeordnet, die wahlweise rot oder grün leuchten kann. Die Steuereinheit 11 ist mit den Sensoren 3 und 4 und der optischen Anzeige 15 verbunden und derart konfiguriert, dass die optische Anzeige 15 grün leuchtet, wenn die mit dem Sensor 3 gemessene Permittivität des Untersuchungsobjektes 7 sich (innerhalb einer vorgegebenen Fehlertoleranz) nicht von der mit dem Sensor 4 an der Kalibrierprobe 9 gemessenen Permittivität unterscheidet. Bei einer gemessenen Differenz der Permittivitäten von mehr als der vorgegebenen Fehlertoleranz wird die optische Anzeige 15 von der Steuereinheit 11 derart angesteuert, dass sie rot leuchtet. 5 shows in cross section the measuring device according to the invention 1 as a handheld device for checking a permittivity setpoint (eg paint thickness measurement on conductive material). The sensor 3 is disposed at a tip having the handset at its front end. In the case 10 of the handset is a replaceable calibration sample 9 and a sensor 4 for a measurement on the calibration sample 9 arranged. The sensors 3 and 4 can be connected differentially (depending on the application). There is also a control unit 11 and a coil as an inductive component 13 in the case 10 arranged the handset. On the outside of the handset is a visual indicator 15 arranged, which can light up either red or green. The control unit 11 is with the sensors 3 and 4 and the visual display 15 connected and configured so that the visual display 15 Green lights when connected to the sensor 3 measured permittivity of the examination object 7 not (within a given fault tolerance) from that with the sensor 4 at the calibration sample 9 differs measured permittivity. With a measured difference in permittivities greater than the predetermined error tolerance, the visual indication becomes 15 from the control unit 11 controlled so that it lights up red.

Die Steuereinheit 11 umfasst außerdem einen Flashspeicher (in 5 nicht dargestellt), in dem die Messergebnisse gespeichert werden können. Über eine Thunderbolt-Schnittstelle 11.1 an der Steuereinheit 11 können die Daten zu einem Computer übertragen werden. Ebenso ist es möglich, einen externen Monitor an die Thunderbolt-Schnittstelle 11.1 anzuschliessen, auf dem die Messergebnisse angezeigt werden können. The control unit 11 also includes a flash memory (in 5 not shown) in which the measurement results can be stored. Over a Thunderbolt interface 11.1 at the control unit 11 The data can be transferred to a computer. It is also possible to connect an external monitor to the Thunderbolt interface 11.1 to connect, where the measurement results can be displayed.

6 zeigt in Querschnittsdarstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 in Form eines Tischgeräts für Untersuchungen zum Aushärten von Kompositmaterialien auf Harz- oder Silkonbasis. Das Untersuchungsobjekt 7 in Form eines noch flüssigen Ausgangsmaterials wird in einen zylinderförmigen Probenbehälter 17 gefüllt, welcher anschließend in das Messgerät 1 in der Art eingesetzt wird, dass eine Längsachse des zylinderförmigen Probenbehälters 17 mit einer Längsachse einer in des Messgeräts 1 angeordneten Sensorspule 3 zusammenfällt, wobei die Sensorspule 3 den Probenbehälter 17 nach dem Einsetzen umschließt. 6 shows a cross-sectional view of an embodiment of the measuring device according to the invention 1 in the form of a bench top device for investigations on the curing of composite materials based on resins or silicones. The examination object 7 in the form of a still liquid starting material is placed in a cylindrical sample container 17 filled, which subsequently into the meter 1 is inserted in the way that a longitudinal axis of the cylindrical sample container 17 with a longitudinal axis of one in the meter 1 arranged sensor coil 3 coincides, with the sensor coil 3 the sample container 17 encloses after insertion.

Die Sensorspule 3 ist mit einer Verfahreinrichtung 5.1 verbunden, die ein Verfahren des Sensors 3 in z-Richtung, d. h. parallel zu seiner Längsachse, ermöglicht. So kann der Sensor 3 entlang der Längsachse des zylinderförmigen Probenbehälters 17 über die gesamte Länge des Untersuchungsobjektes 7 verfahren werden. Außerdem ist in dem Messgerät eine Kalibrierprobe 9 an einer Position angeordnet, die von dem Sensor 3 mittels der Verfahreinrichtung 5.1 erreichbar ist. The sensor coil 3 is with a moving device 5.1 connected, which is a method of the sensor 3 in the z-direction, ie parallel to its longitudinal axis, allows. That's how the sensor works 3 along the longitudinal axis of the cylindrical sample container 17 over the entire length of the examination object 7 be moved. In addition, a calibration sample is in the meter 9 arranged at a position that of the sensor 3 by means of the traversing device 5.1 is reachable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Messgerät zur Messung der Permittivität Measuring device for measuring the permittivity
2 2
Probentisch sample table
3 3
Sensor sensor
4 4
zweiter Sensor second sensor
5.1 5.1
Verfahreinrichtung z-Richtung Moving device z-direction
5.2 5.2
Verfahreinrichtung x-Richtung Moving device x-direction
5.3 5.3
Verfahreinrichtung y-Richtung Traveling device y-direction
7 7
Untersuchungsobjekt object of investigation
9 9
Kalibrierprobe calibration sample
10 10
Gehäuse casing
11 11
Steuereinheit control unit
11.1 11.1
Thunderbolt-Schnittstelle Thunderbolt interface
13 13
induktives Bauteil/Spule inductive component / coil
15 15
optische Anzeige optical display
17 17
Probenbehälter sample container

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2007137404 A1 [0005] WO 2007137404 A1 [0005]
  • US 3510764 A [0006] US 3510764A [0006]
  • US 5233306 A [0006] US 5233306 A [0006]
  • WO 2000077501 A1 [0006] WO 2000077501 A1 [0006]
  • EP 1377887 A1 [0007] EP 1377887 A1 [0007]
  • WO 2002065127 A2 [0008] WO 2002065127 A2 [0008]

Claims (14)

Verfahren zur Messung der lokalen effektiven Permittivität eines Untersuchungsobjektes, das mindestens ein elektrisch nicht leitendes und/oder schwach leitendes Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung induktiv erfolgt, wobei die folgenden Schritte durchgeführt werden: – Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz durch ein induktives Bauelement (13), wobei das elektromagnetische Wechselfeld mindestens einen Teil des Untersuchungsobjektes (7) durchdringt; – Erfassen mindestens eines Feldstärke-Messwertes an wenigstens einer Position innerhalb des erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes mit mindestens einem induktiven Messsensor (3); – Bestimmen einer durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) an der Position des Messsensors (3) hervorgerufenen Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes auf Basis des erfassten Feldstärke-Messwertes; – Bestimmen der lokalen effektiven Permittivität für ein durch die Abmaße und Position des Messsensors (3) in Bezug zu der Oberfläche des Untersuchungsobjektes (7) festgelegtes Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) aus der Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes; – Zuordnen der lokalen effektiven Permittivität zu dem entsprechenden Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) für jede Position, an der ein Feldstärke-Messwert erfasst wurde. Method for measuring the local effective permittivity of an object to be examined, which has at least one electrically non-conductive and / or weakly conductive material, characterized in that the measurement is made inductively, wherein the following steps are carried out: - Generation of an electromagnetic alternating field with a frequency in one Frequency range from 1 MHz to 100 MHz through an inductive component ( 13 ), wherein the electromagnetic alternating field at least a part of the examination object ( 7 penetrates); Detecting at least one field strength measured value at at least one position within the generated alternating electromagnetic field with at least one inductive measuring sensor ( 3 ); Determining one by interaction with the examination object ( 7 ) at the position of the measuring sensor ( 3 ) caused by the inductive component ( 13 ) generated electromagnetic alternating field based on the detected field strength measured value; Determining the local effective permittivity for a by the dimensions and position of the measuring sensor ( 3 ) in relation to the surface of the examination subject ( 7 ) fixed partial volume of the examination object ( 7 ) from the change of the through the inductive component ( 13 ) generated electromagnetic alternating field; - Assigning the local effective permittivity to the corresponding partial volume of the examination object ( 7 ) for each position where a field strength reading was acquired. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Feldstärke-Messwertes des durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) beeinflussten elektromagnetischen Wechselfeldes berührungslos erfolgt. A method according to claim 1, characterized in that the detection of the field strength measured value of the by interaction with the examination object ( 7 ) influenced electromagnetic alternating field is carried out without contact. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Feldstärke-Messwertes des durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) beeinflussten elektromagnetischen Wechselfeldes derart erfolgt, dass der Messsensor (3) das Untersuchungsobjekt (7) berührt. A method according to claim 1, characterized in that the detection of the field strength measured value of the by interaction with the examination object ( 7 ) influenced alternating electromagnetic field takes place in such a way that the measuring sensor ( 3 ) the examination object ( 7 ) touched. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt hervorgerufenen Veränderung des elektromagnetischen Wechselfeldes zusätzlich eine zu dem entsprechenden Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) zuordenbare lokale Leitfähigkeit und/oder Permeabilität gewonnen wird. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that from the caused by interaction with the examination object change of the alternating electromagnetic field in addition to the corresponding partial volume of the examination object ( 7 ) attributable local conductivity and / or permeability is obtained. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor, während und/oder nach dem Erfassen des Feldstärke-Messwertes eine Kalibrierung des mindestens einen Messsensors (3) auf den erfassten Feldstärke-Messwert mittels Messung des Einflusses von mindestens einer Kalibrierprobe mit bekannter Permittivität und elektrischer Leitfähigkeit auf das durch das induktive Bauelement (13) erzeugte elektromagnetische Wechselfeld durchgeführt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that before, during and / or after the detection of the field strength measured value, a calibration of the at least one measuring sensor ( 3 ) on the detected field strength measured value by measuring the influence of at least one calibration sample with known permittivity and electrical conductivity on the by the inductive component ( 13 ) generated electromagnetic alternating field is performed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Feldstärke-Messwerte an jeweils einer Position und das Bestimmen der zugeordneten lokalen effektiven Permittivität mehrfach hintereinander erfolgt, wobei eine zeitliche Veränderung der lokalen effektiven Permittivität eines oder mehrerer Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) erfasst wird. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the detection of the field strength measured values at each one position and the determination of the assigned local effective permittivity occurs several times in succession, wherein a temporal change of the local effective permittivity of one or more sub-volumes of the examination subject ( 7 ) is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Feldstärke-Messwerte und das Bestimmen der zugeordneten lokalen effektiven Permittivität an verschiedenen Positionen erfolgt, wobei eine örtliche Veränderung der lokalen effektiven Permittivität eines oder mehrerer Teilvolumen des Untersuchungsobjektes (7) erfasst wird. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the detection of the field strength measured values and the determination of the assigned local effective permittivity takes place at different positions, wherein a local change of the local effective permittivity of one or more partial volumes of the examination object ( 7 ) is detected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der Feldstärke-Messwerte und das Bestimmen der durch Interaktion mit dem Untersuchungsobjekt (7) an der Position des Messsensors (3) hervorgerufenen Veränderung des durch das induktive Bauelement (13) erzeugten elektromagnetischen Wechselfeldes in einem Schritt erfolgen, wobei eine Verstärkung der durch das Untersuchungsobjekt hervorgerufen Veränderung des elektromagnetischen Wechselfelds durch differentielles Verschalten mindestens zweier induktiver Bauteile erfolgt. Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the detection of the field strength measured values and the determination of the by interaction with the examination object ( 7 ) at the position of the measuring sensor ( 3 ) caused by the inductive component ( 13 ) produced electromagnetic alternating field in one step, wherein an amplification caused by the examination object change in the electromagnetic alternating field is effected by differentially connecting at least two inductive components. Messgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Steuereinheit (11), mindestens ein mit der Steuereinheit (11) verbundenes induktives Bauteil (13), mit dem ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz in einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 100 MHz erzeugbar ist, und mindestens einen mit der Steuereinheit (11) verbundenen Sensor (3) zur Detektion eines elektromagnetischen Wechselfelds und Verstärkung von durch das Untersuchungsobjekt (7) hervorgerufenen Veränderungen dieses Wechselfelds umfasst. Measuring device for carrying out the method according to one of claims 1 to 8, characterized in that it has a control unit ( 11 ), at least one with the control unit ( 11 ) connected inductive component ( 13 ), with which a high-frequency electromagnetic alternating field with a frequency in a frequency range of 1 MHz to 100 MHz can be generated, and at least one with the control unit ( 11 ) connected sensor ( 3 ) for the detection of an alternating electromagnetic field and amplification of by the examination object ( 7 ) includes changes in this alternating field. Messgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das induktive Bauteil (13) und der Sensor (3) als ein einziges Bauteil ausgeführt sind. Measuring device according to claim 9, characterized in that the inductive component ( 13 ) and the sensor ( 3 ) are designed as a single component. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Detektion und Visualisierung von Inhomogenitäten in Materialien, des Materialzustandes, der Materialzusammensetzung und/oder der geometrischen Eigenschaften des Untersuchungsobjektes (7). Use of the method according to claim 1 for the detection and visualization of inhomogeneities in materials, the material state, the material composition and / or the geometric properties of the examination object ( 7 ). Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Überwachung der Aushärtung und/oder Trocknung von Polymeren oder Lacken. Use of the method according to claim 1 for monitoring the curing and / or drying of polymers or paints. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Detektion und Visualisierung von Aushärte- und Überhitzungsfehlern in Verbundwerkstoffen. Use of the method of claim 1 for detection and visualization of curing and overheating defects in composites. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Detektion und Visualisierung von Texturen in Faserverbundwerkstoffen. Use of the method according to claim 1 for the detection and visualization of textures in fiber composites.
DE102014116497.0A 2013-11-15 2014-11-12 Method and use of a device for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials Active DE102014116497B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014116497.0A DE102014116497B4 (en) 2013-11-15 2014-11-12 Method and use of a device for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013112622.7 2013-11-15
DE102013112622 2013-11-15
DE102014116497.0A DE102014116497B4 (en) 2013-11-15 2014-11-12 Method and use of a device for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102014116497A1 true DE102014116497A1 (en) 2015-05-21
DE102014116497B4 DE102014116497B4 (en) 2017-07-06

Family

ID=53184507

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014116497.0A Active DE102014116497B4 (en) 2013-11-15 2014-11-12 Method and use of a device for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102014116497B4 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017200316A1 (en) 2017-01-11 2018-07-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for nondestructive testing of a component, in particular for a vehicle
DE102017121276A1 (en) 2017-09-14 2019-03-14 SURAGUS GmbH Method for characterizing a test object and sensor device
EP3671196A1 (en) * 2018-12-20 2020-06-24 ContiTech AG System for determining an aging state of an elastomeric product
DE102019201801A1 (en) * 2019-02-12 2020-08-13 BSH Hausgeräte GmbH Device and method for calibrating the sensor unit of a scanning device
DE102020205857A1 (en) 2020-05-08 2021-11-11 Volkswagen Aktiengesellschaft Test system, test facility and method for surface layer analysis of a coated component

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021103803A1 (en) 2021-02-18 2022-08-18 Technische Universität Chemnitz, Körperschaft des öffentlichen Rechts Device and method for detecting material-internal mechanical states of a workpiece

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3510764A (en) 1967-06-22 1970-05-05 Gen Dynamics Corp Method of measuring dielectric constant variations
US5233306A (en) 1991-02-13 1993-08-03 The Board Of Regents Of The University Of Wisconsin System Method and apparatus for measuring the permittivity of materials
WO2000077501A1 (en) 1999-06-11 2000-12-21 Kalpana Joshi An apparatus and method for measuring and monitoring complex permittivity of materials
WO2002065127A2 (en) 2001-02-12 2002-08-22 Signature Bioscience, Inc. A system and method for characterizing the permittivity of molecular events
EP1377887A1 (en) 2001-04-12 2004-01-07 Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG Circuit and method for compensating for temperature
WO2007137404A1 (en) 2006-05-25 2007-12-06 Fpinnovations Dielectric mapping device and method

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU524243B2 (en) * 1977-09-21 1982-09-09 Schlumberger Technology B.V. Determining properties of subsurface formations
DE2832433A1 (en) * 1978-07-24 1980-02-14 Texaco Development Corp Resistivity and dielectric constant determination of earth formations - uses electromagnetic wave logging system to transmit, and receive at different spacings at 30 megahertz
US5225783A (en) * 1991-02-18 1993-07-06 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Dielectric constant detection apparatus for fuel

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3510764A (en) 1967-06-22 1970-05-05 Gen Dynamics Corp Method of measuring dielectric constant variations
US5233306A (en) 1991-02-13 1993-08-03 The Board Of Regents Of The University Of Wisconsin System Method and apparatus for measuring the permittivity of materials
WO2000077501A1 (en) 1999-06-11 2000-12-21 Kalpana Joshi An apparatus and method for measuring and monitoring complex permittivity of materials
WO2002065127A2 (en) 2001-02-12 2002-08-22 Signature Bioscience, Inc. A system and method for characterizing the permittivity of molecular events
EP1377887A1 (en) 2001-04-12 2004-01-07 Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG Circuit and method for compensating for temperature
WO2007137404A1 (en) 2006-05-25 2007-12-06 Fpinnovations Dielectric mapping device and method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017200316A1 (en) 2017-01-11 2018-07-12 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for nondestructive testing of a component, in particular for a vehicle
DE102017121276A1 (en) 2017-09-14 2019-03-14 SURAGUS GmbH Method for characterizing a test object and sensor device
EP3671196A1 (en) * 2018-12-20 2020-06-24 ContiTech AG System for determining an aging state of an elastomeric product
DE102019201801A1 (en) * 2019-02-12 2020-08-13 BSH Hausgeräte GmbH Device and method for calibrating the sensor unit of a scanning device
DE102020205857A1 (en) 2020-05-08 2021-11-11 Volkswagen Aktiengesellschaft Test system, test facility and method for surface layer analysis of a coated component

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014116497B4 (en) 2017-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014116497B4 (en) Method and use of a device for measuring the local effective permittivity of electrically non-conductive or weakly conductive materials
DE4327712C2 (en) Sensor arrangement and method for detecting properties of the surface layer of a metallic target
Gäbler et al. Measuring and imaging permittivity of insulators using high-frequency eddy-current devices
EP3039418B1 (en) Method and apparatus for analysing a sample volume comprising magnetic particles
DE112016000875T5 (en) Hall measuring system with rotating magnetic field
EP2027430A1 (en) Method for determining the layer thickness of an electrically conductive coating on an electrically conductive substrate
DE202008009469U1 (en) probe
EP2801817A1 (en) Device and method for measuring the mass and/or humidity of dielectric objects by determining the quality factor and the resonance frequency of three non-degenerated, orthogonal modes of a cavity resonator
DE102011081666A1 (en) Contactless capacitive distance sensor
DE112017002690T5 (en) Method for correcting the position of a high-frequency probe
Shi et al. Unprecedented capacitance-based nondestructive evaluation of steels
DE102006044962B4 (en) Measuring device for electrical measurement
Höhne et al. Phenomenological investigation of a carbon fibre based strain sensor with spatial resolution by means of time domain reflectometry: Phänomenologische Untersuchung eines Dehnungssensors basierend auf Kohlenstofffasern zur ortsaufgelösten Messung mittels elektrischer Zeitbereichsreflektometrie
EP0389916B1 (en) Apparatus for measuring the dielectric properties of materials
DE3434801A1 (en) Method and devices for material testing by measuring electrical power density, current density or voltage distribution on a component through which current is flowing
Scholle et al. Measurement of two-dimensional electrical potential fields in CFRP using four-probe resistance scans
DE3030069A1 (en) Surface resistance measuring appts. for conducting layers or liquids - uses coil enclosing object and forming oscillator circuit inductance
DE102005041089B3 (en) Device for acquiring fluidized currents in an electrically conducting test object comprises magnetic field converters and induction coils arranged on a substrate
DE102017001014A1 (en) Method and system for testing an electrical connection
DE102019106425A1 (en) Measuring device and method for measuring moisture
DE102021103803A1 (en) Device and method for detecting material-internal mechanical states of a workpiece
EP1119766B1 (en) Testing device for detecting and determining material inhomogeneities
DE102008053184B4 (en) Measuring device for E-field measurement in the near field
DE102017011176A1 (en) Capacitive tomography device and capacitive tomography method
DE102017126303A1 (en) Feeler gauge and method for parallel alignment of the sealing surface of a sonotrode with the sealing surface of a counter tool

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R084 Declaration of willingness to licence
R082 Change of representative

Representative=s name: WERNER, ANDRE, DR., DE