用于利用电磁辐射来对测量物体予以测量的方法和THz-测量仪与流程

用于利用电磁辐射来对测量物体予以测量的方法和thz-测量仪
技术领域
[0001]
本发明涉及一种用于利用电磁辐射来对测量物体予以测量的方法以及一种相应的测量仪。


背景技术：

[0002]
用于测量距离和层厚的thz-测量仪发出例如在0.01至10thz的频率范围内的thz-辐射，并且可以探测在测量物体处反射的thz-辐射。由此可以探测边界面相距thz-测量仪的距离，例如直接作为传播时间测量，或者在频率调制时也作为频率偏移。因此，光谱范围绝对还延伸到毫米波范围内。
[0003]
由此例如可以对塑料管在其挤出之后直接予以测量，以便无接触地探测层厚的不规则性。在此，thz-辐射在边界面处部分地反射，因为测量物体的材料比如塑料具有相比于周围空气更高的折射率。
[0004]
thz-测量仪的分辨率取决于其物理测量原理和调制。光学测量装置例如借助短期激光器和由此受激励的发送-和接收天线能够实现对层厚的宽带测量和高分辨率。但它们相应地在仪器方面繁琐且昂贵。全电子的thz-测量仪通常具有发送-和接收偶极子，这些偶极子发出和接收thz-辐射；它们通常在频率调制中或者作为脉冲式辐射运行。在此，用于探测小距离的较高的分辨率往往需要所用的频率范围的高的带宽。但是，这种高的带宽又会干扰其它过程，在这些过程中在预设的频率范围内进行数据通信或检查。因此，带有无定向的、自由放射的辐射的开放式检查在没有外部屏蔽的情况下通常受限于所预设的频率范围，例如ism-范围(工业、科学、医疗)，除非例如通过外部壳体证实了屏蔽或外部封装。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种用于对测量物体予以thz-测量的方法和一种thz-测量仪，它们能以较小的耗费实现对测量物体的可靠测量，尤其对例如管状或柱形的测量物体的层厚测量。
[0006]
该目的通过根据独立权利要求的thz-测量方法和thz-测量仪得以实现。从属权利要求描述了优选的改进方案。
[0007]
根据本发明的thz-测量仪尤其被设置用来实施根据本发明的thz-测量方法；根据本发明的方法尤其可以采用根据本发明的thz-测量仪来执行。
[0008]
在此设置预测量和主测量的阶段。预测量用于检测测量物体并且测定测量物体相距thz-测量仪或其thz-收发器的距离。在预测量中尤其判定测量物体或其外边界面的所测定的距离是否未超出边界距离。
[0009]
预测量的阶段因而尤其具有如下步骤：
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判定是否检测到测量物体；
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如果检测到测量物体，测定thz-测量仪或thz-收发器相距边界面的当前距离；
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把所测定的当前距离与边界距离相比较；
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在未超出边界距离时，随后引入主测量或者指示对主测量的引入。
[0010]
如果检测到测量物体并且还判定未超出边界距离，则随后直接引入主测量或者指示使用者：他可以引入主测量。
[0011]
然后在主测量中利用具有主测量-带宽的主测量-thz-发射射束进行测量。然后在主测量中非常精确地测定例如层厚，例如塑料管的壁厚。此外或者备选于壁厚-测量，但也可以对几何关系进行其它测量，或者也可以进行光谱检查或分析。
[0012]
根据一种优选的构造方案，在预测量中首先发出具有较小的第一带宽的第一thz-发射射束。然后在主测量中利用具有主测量-带宽(其因而是第二带宽)的主测量-thz-发射射束(其因而是第二thz-发射射束)进行测量，其中，第二带宽或主测量-带宽大于第一带宽。
[0013]
在预测量阶段中，thz-测量仪有可能还要进一步远离于测量物体，从而发出的thz-辐射会干扰地经过测量物体，并且在周围环境中有可能会具有不利影响。因而根据本发明优选地设置成，在该预测量阶段中限制带宽，因为对于检测测量物体来说只需要至少粗略地测定距离；基本上估计出未超出边界距离就足够了。
[0014]
如果判定未超出边界距离，则由thz-测量仪发出的thz-辐射不会干扰地经过测量物体，且不会直接在周围环境中引起负面影响；而是，thz-辐射以高的可靠性被射入到测量物体中并且在该测量物体中被反射或散射或者还被吸收。因此，在主测量的阶段中可以选择更大的第二带宽，其能实现较高的分辨率，尤其还能实现更准确地测定层厚。
[0015]
在预测量的阶段中，对于全电子的测量仪，例如可以选择1ghz的带宽；在主测量的阶段中可以选择例如20、30或40ghz的较高的带宽，但也可以选择明显更高的例如1000ghz或以上的带宽。
[0016]
不仅对于测量仪而且在所述方法中，thz-辐射的频率尤其可以处于0.01至10thz的频率范围内。
[0017]
thz-辐射的波长范围因而可以称为太赫兹-辐射、微波-辐射亦或雷达-辐射。
[0018]
因此根据本发明，例如在无外部屏蔽的情况下也可实现以高的带宽进行测量。在此，一方面可以拓展带宽；如此可以在预测量的阶段中选择窄带的ism-范围的频率范围，并且随后在主测量中选择在第一次测量的频率周围的较宽的频率范围。但此外在主测量中也可以选择其它的频率范围，例如其它宽带的频率范围。补充地或者备选地，也可以提高在主测量阶段中的功率或强度。
[0019]
根据本发明，尤其可以采用便携式测量仪，使用者因而可以在预测量阶段中自由操纵和定位该测量仪。一旦使用者已将测量仪正确地定位，例如垂直于测量物体的边界面且处于边界距离以下，则这由控制设备识别和指示出来，或者直接执行主测量。
[0020]
因此，根据该优选的实施形式，用于对测量物体予以thz-测量的该方法具有至少如下步骤：
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预测量(i)的阶段，在该阶段中，thz-测量仪的thz-收发器的在第一频率范围内并且带有第一带宽的第一thz-发射射束沿着光学轴线射出到测量物体上，并且探测由测量物体的边界面反射的thz-辐射(步骤st3)，
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判定是否检测到测量物体(步骤st4)，
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如果检测到测量物体，则测定thz-测量仪或thz-收发器相距边界面的当前距离(步骤st5)，
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把所测定的当前距离与边界距离相比较(步骤st6)，并且
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在未超出边界距离时(步骤st8)，随后引入主测量(ii)或者指示对主测量(ii)的引入，
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主测量(ii)的阶段，在该阶段中，带有大于第一带宽的第二带宽的第二thz-发射射束沿着光学轴线被射入到测量物体上，并且探测被反射的thz-辐射(步骤st9)，其中，利用所发出的第二thz-发射射束和探测到的被反射的thz-辐射对测量物体的几何特性或材料特性进行测量(步骤st10)，
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输出测量结果(步骤st11)。
[0021]
根据优选的实施形式，测量仪具有如下特征：用于对测量物体予以测量的thz-测量仪，其中，thz-测量仪具有：thz-收发器，用于沿着光学轴线发出thz-辐射并且接收被反射的thz-辐射；控制设备，用于接收thz-收发器的测量信号和测定测量物体的距离及测量结果；和用于输出测量结果的输出设备，其特征在于，thz-测量仪是便携式的，且具有用于由使用者抓握和操作的把持区域，其中，控制设备被设计成，在预测量阶段中发出thz-测量射束作为沿着光学轴线带有第一带宽的第一thz-发射射束，并且在主测量(ii)的阶段中作为带有大于第一带宽的第二带宽的第二thz-发射射束而发出，用于更高的分辨率，其中，控制设备在预测量(i)中判定是否检测到测量物体，并且如果检测到测量物体，就测定thz-测量仪或thz-收发器相距测量物体的边界面的距离，并将其与边界距离相比较，且根据该比较在未超出边界距离时引入或指示主测量(ii)，并且其中，控制设备被设计成用于在主测量(ii)中测定测量物体的测量特性。
[0022]
该实施形式通过以较小的带宽测量进行预测量，然而备选于该实施形式，也可以通过另一传感器进行预测量，例如：
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激光-距离传感器-设备，其例如通过三角测量来测定距离；亦或
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超声传感器，其通过输出超声-发射信号和接收超声-反射信号来测定距离；-亦或接触-传感器，其例如略微突伸，并且作为按键在与测量物体接触时被压入。
[0023]
此外，预测量的阶段还可以划分成：
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搜索阶段，直至检测到测量物体；在该搜索阶段中因而例如尚未探测到被反射的thz-辐射，因为距离太大了，或者边界面并不处于垂直于发出的thz-辐射；
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检测阶段，在该检测阶段中检测测量物体，但尚未达到边界距离并且/或者光学轴线的角度尚未处于充分地垂直于边界面。
[0024]
在预测量的阶段中，可以持续地进行测量；在主测量的阶段中例如也可以仅仅有时进行测量，例如进行距离测量或层厚测量。
[0025]
可以把这些阶段和/或结果持续地向使用者指示，例如在光学的显示设备上，或者也可以以声学的方式。因而使用者可例如在测量仪的把持区域处抓握测量仪、对准测量物
体并且通过按压操纵设备来开始预测量的阶段。在此可以例如首先向该使用者指示搜索阶段，从而使得使用者知道测量仪尚未正确地保持，或者未准确地定位，或者定位太远。如果指示了检测阶段，则使用者因而更准确地或靠近地定位测量仪，直至指示和/或已经开始测量阶段。
[0026]
因而使用者例如可以在便携式测量仪的情况下以合适的贴靠面沿着测量物体移动，并且持续地执行测量；如果该使用者有时例如由于测量仪歪斜而未准确地把持便携式测量仪或者使其从表面脱离，因为使用者在沿着圆形表面移动时有可能未准确地跟随表面轮廓，则这比如针对预测量的阶段通过红色指示而立即指示给使用者。使用者于是可以又准确地定位测量仪并且继续进行主测量。
[0027]
在此，便携式测量仪尤其可以在其前端区域处、有利地在散射挡板处具有贴靠轮廓。因而散射挡板一方面使得干扰性的thz-辐射保持远离于thz-收发器，并且还利用轮廓线用于准确地定位在测量物体处。在此例如可以存在成对的轮廓线，这些轮廓线能实现适当地定位在具有定义的曲率的测量物体、比如具有定义的直径的塑料管处。因此在成型挡板的前侧面处的多对轮廓线可以用于准确贴靠；一旦使用者使得便携式测量仪歪斜，就向使用者指示为预测量的阶段，因为被反射的thz-射束未返回，或者距离变得太大。
[0028]
因而利用便携式测量仪也可实现由使用者进行简单的操作和准确的测量，尤其还可实现非常准确的层厚测量，而无需大的耗费。
附图说明
[0029]
下面借助附图通过一些实施形式更详细地阐述本发明。其中：图1示出了在预测量阶段中带有便携式thz-测量仪的测量组件的透视图；图2示出了在主测量阶段中带有便携式thz-测量仪的测量组件；图3示出了该测量组件的方框图；图4示出了根据一种实施形式的thz-测量方法的流程图。
具体实施方式
[0030]
根据图1和2的实施形式，thz-测量组件1分别具有便携式thz-测量仪2，用于测量测量物体3例如塑料管。便携式thz-测量仪2在图1和2中示范性地以不同的构造方案示出。
[0031]
便携式thz-测量仪2分别具有把持区域4和前端区域5，把持区域用于由使用者抓握和操作，前端区域优选是带有成型挡板25的贴靠区域。便携式thz-测量仪2根据图1可以弯折，或者根据图2的实施形式也可以细长地或杆形地构造。此外，便携式thz-测量仪2根据图2的实施形式是完全便携式的，而无需与固定单元进行数据连接，或者根据图1经由数据-和电力供应线路6与固定的设备连接。如图2中所示的便携式单元例如也可例如无线地把数据传递到固定的单元处。
[0032]
根据图3的方框图，便携式thz-测量仪2具有发送-和接收设备8，即发送-和接收偶极子或收发器8，其优选构造成全电子的，即构造为发送-和接收偶极子，并且受电子控制单元10操控。发送-和接收设备8在射出锥体12a中沿着光学轴线a输出电磁射束12，其在下面称为thz-发射射束12，尤其处于0.01至10thz(即10ghz至10thz)的频率范围内，尤其作为脉冲式thz-辐射或者在频率调制中。如果该射束以正交角度碰撞到测量物体3的外面3a和内
面3b上，则thz-辐射14沿着光学轴线a反射回到发送-和接收设备8，并在那里被探测到。因而可以探测thz-辐射从发送-和接收设备到边界面3a及返程的传播时间，这可以直接地或者在频率调制的情况下也在频域内(借助傅里叶变换)相应地测定和换算。因而可以通过电子控制设备10由发送-和接收设备8的thz-测量来测定发送-和接收设备8相距边界面3a的距离d。
[0033]
在预测量i中，thz-收发器8把第一thz-发射射束112沿着光学轴线a发出，该第一thz-发射射束在狭窄的频带fb1中构造有例如1ghz的带宽b1。在该预测量i中，尤其可以在搜索阶段ia中首先判定在该测量中究竟是否可以采用该测量来检测测量物体3或测量物体3的基本上正交的边界面3a，并且随后在判定阶段ib中判定当前的测量距离d是否处于边界距离d_tres以下。如果d<d_tres，就识别出对于随后的主测量ii存在允许的距离，并且直接引入主测量ii或者再次输出接下来可以执行主测量的指示信号。
[0034]
在主测量ii中，在例如带有例如20、30或40亦或1000ghz的带宽b2的较宽的第二频带fb2中发出thz-发射射束212，因为发出的thz-辐射212碰撞到测量物体3上，因而通过测量物体3的材料，尤其通过反射且必要时也通过吸收而衰减或弱化。在主测量中，然后例如测定层厚d3作为测量物体3的外面3a与内面3b之间的距离；相应地，尤其在多层管的情况下也可以测定其它的层厚。此外或者备选于此，也可以测量其它的几何距离或结构；此外或者备选于此，也可以执行光谱测量，其中，因而例如比如在空间分辨率方面检查测量物体3的吸收特性。
[0035]
电子控制单元10可以有利地把输出信号s2输出到输出设备16处，其中，该输出设备16例如可以是光学的或声学的显示设备，并且指示不同的阶段ia、ib、ii或状态。这例如可以在三个不同的指示场中被指示，或者在共同的指示场上通过不同的指示而被指示。
[0036]
此外优选评估结果，并与额定值比较，从而在便携式thz-测量仪2或其输出设备16处也定性地指示是否例如已测定太小的层厚，或者通常在输出设备16处显示测量结果。在光谱检查时，例如可以显示是否已探测到特定物质例如特定的化学化合物。
[0037]
边界距离d_tres尤其可以与前端区域5的成型挡板25的长度相协调；因而成型挡板25可以例如具有两个贴靠-轮廓线25a、25b，这些贴靠-轮廓线在正常情况下与测量物体3的面3a贴靠。如果在预测量i的阶段中测定了足够的测量信号，即测量信号的幅度超过极限值，因而存在垂直的测量位置，此外所测定的距离d处于边界距离d_tres以下，则即使没有接触传感器等(即仅仅通过距离测量)也能判定正确的接触，从而随后引入主测量ii的阶段。
[0038]
在预测量i的阶段中，尤其可以在标准范围内，或者在为当前的thz-距离测量分配的测量带内，也就是说尤其在ism-带内(工业科学与医学)进行测量，在该ism-带中，即使没有屏蔽或衰减也允许测量，例如在24ghz至24.25ghz或者122至123ghz或者244至126ghz下。
[0039]
由此通过便携式测量仪2在预测量i的阶段中例如遵循ism-带，然后在主测量ii的阶段中，为了更高的分辨率或者例如为了更准确地检测层厚或准确的光谱检查而调节到更大的带宽。
[0040]
在thz-测量仪2上例如在把持区域4中可以设置操纵设备18例如按钮或开关，使用者因而利用该操纵设备引入测量。图4示范性地示出根据本发明的一个实施形式的测量方法。
[0041]
在步骤st0中开始之后，在步骤st1中使用者抓握把持区域4，并且把测量仪2朝测量物体3的方向引导。
[0042]
为了引入预测量i的阶段，因而在步骤st2中使用者对操纵设备18操纵，并且给出操纵信号s1或接通信号，从而控制设备10随后在步骤st3中把操控信号s2输出给thz-收发器8，并且利用具有较小带宽b1的第一thz-发射射束112首先开始预测量i，尤其是搜索阶段ia，其中，thz-收发器8产生测量信号s3。
[0043]
控制设备10接收测量信号s3，并且，
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在步骤st4中，判定是否已检测到测量物体3(搜索阶段ia)；
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在步骤st5中，如果已经检测到测量物体3或其边界面3a，则测定当前的距离d；
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在步骤st6中，判定当前的距离d是否在边界距离d_tres以上(检测阶段ib)，并且通过指示信号s3在显示设备16处指示所测定的阶段。在此，例如也可以在用于测量距离d的刻度上显示测量信号。
[0044]
使用者因而知道，他必要时必须将测量仪2靠近测量物体3定位，或者例如使得测量仪2倾斜。因而在步骤st7中，使用者把便携式thz-测量仪2足够近地且按规定引导至测量物体3处，例如直至成型挡板25或轮廓线25a、25b与外面3a完全接触，从而在步骤st8中控制设备10识别出当前的距离d处于边界距离d_tres以下，并且在步骤st9中直接开始主测量ii，或者向使用者指示：他随后可经由操纵设备18引入主测量ii。
[0045]
在步骤st10中，在主测量ii中通过具有较大带宽的第二thz-发射射束212进行更准确的检查，例如准确地测定层厚d3或其他几何特性，或者例如进行准确的光谱检查，在步骤st11中例如在显示设备16上输出该检查。
[0046]
除了测量层厚或壁厚外，此外通常可以进行结构检查，或者对几何构造进行检查，以及进行光谱检查，在光谱检查中例如对化学物质基于其光谱吸收特性予以检测。
[0047]
附图标记清单：1
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thz-测量组件2
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便携式thz-测量仪3
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测量物体，例如塑料管3a
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测量物体3的外面3b
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测量物体3的内面4
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把持区域5
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前端区域，优选贴靠区域8
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thz-收发器，例如发送-和接收偶极子10
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电子控制设备12
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thz-发射射束12a
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射出锥体112
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预测量的第一thz-发射射束212
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主测量的第二thz-发射射束，即主测量-发射射束14
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反射的thz-辐射16
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输出设备
18
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操纵设备25
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前端区域5的成型挡板25a、25b
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贴靠-轮廓线a
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光学轴线b1
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预测量的例如1 ghz的较小的第一带宽，较窄的第一频带b2
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主测量的例如20、30或40 ghz的较大的第二带宽，较宽的第二频带d
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thz-收发器8相距边界面3a的距离d_tres
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边界距离d3
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层厚e1
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例如对于搜索阶段ia的第一指示e2
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例如对于检测阶段ib的第二指示i
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预测量的阶段ia
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用于检测测量物体3的搜索阶段ib
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检测阶段ii
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主测量的阶段s1
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操纵信号s2
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操控信号s3
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测量信号s4
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到达输出设备16的输出信号st1至st11
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方法的步骤。