SAMMI: Ein Millimeter-Wellen Scanner für die Produktkontrolle

  • Abb. 1: SAMMI MaterialscannerAbb. 1: SAMMI Materialscanner
  • Abb. 1: SAMMI Materialscanner
  • Abb. 2: Mechanischer Aufbau von SAMMI
  • Abb. 3: Prinzip einer Arrayanordnung mehrerer Sensoren
  • Abb. 4: Amplituden- und Phasenbild für einen Umschlag mit Schrauben und einem Päckchen mit Schwarzpulver
  • Abb. 4: Amplituden- und Phasenbild für einen Umschlag mit Schrauben und einem Päckchen mit Schwarzpulver

SAMMI: Mit hochfrequenztechnischen Systemen kann eine Vielzahl von Stoffen durchleuchtet werden, die im optischen Bereich nicht transparent sind. Gleichzeitig werden selbst kleinste Unterschiede im Material sichtbar, die im Röntgenbereich verborgen bleiben. Der Materialscanner SAMMI (Stand- Alone MilliMetre-Wave Imager) nutzt diese Eigenschaften des Millimeterwellenbereichs zur Bildgebung und ermöglicht den berührungslosen Nachweis von Materialunterschieden in nicht-metallischen Volumenkörpern.

SAMMI arbeitet in Transmissionsgeometrie und bildet Proben mittels Durchleuchten im Millimeterwellenbereich bei 78 GHz ab. In diesem Bereich bestimmen die dielektrischen Materialeigenschaften das Transmissionsverhalten der elektromagnetischen Wellen durch nichtmetallische Objekte und Zonen verschieden hoher Absorption oder Polarisierbarkeit. Sie werden im Durchleuchtungsbild differenziert dargestellt.

Im Ergebnis zeigen heterogene Materialien einen unterscheidbaren Kontrast, und selbst kleinste Fremdkörper und Inhomogenitäten können in einem optisch intransparenten Medium noch detektiert und dargestellt werden. Der Materialscanner ist in seiner derzeitigen Bauform als Produktions-Prototyp für ein innovatives Messverfahren zu verstehen und kann für vielfältige Aufgaben bezüglich Arbeitsfrequenz und Inspektionsvolumen angepasst werden. Insbesondere können Aufgaben in der Brief- und Paketkontrolle erledigt werden und die darin enthaltenen Gegenstände, bis hin zu pulverförmigen Substanzen, sichtbar gemacht werden.

Ebenso ist sein Einsatz für die Produktkontrolle möglich. So werden auch zum Beispiel unerwünschte Fremdkörper in Schokolade oder in Zellstoffprodukten sichtbar gemacht sowie Inhomogenitäten in Kunststoffen oder die Güte von Verklebungen in Gummiwaren. SAMMI leistet so einen Beitrag zum Schutz gefährdeter Personen und kritischer Infrastruktur, zur stichprobenweisen industriellen Qualitätssicherung und im Labor zur Materialanalyse. Bei der Entwicklung stand im Vordergrund, die üblicherweise recht kostenintensive Elektronik und Mechanik auf ein Minimum zu reduzieren.

Ziel war ein System, das herkömmlichen Röntgenverfahren aufgrund eines guten Preis-/Leistungsverhältnisses und der Verwendung nicht ionisierender Strahlung sowie des besseren Kontrastes bei dielektrischen Materialien in bestimmten Anwendungsbereichen überlegen ist und bei anderen Aufgabenstellungen Röntgenverfahren unterstützt.

Systembeschreibung

Das Gehäuse des Scanners entspricht dem eines kompakten Laserdruckers (Abb.

1). Darin befinden sich gegenüberliegend zwei rotierende Scheiben, auf denen Millimeterwellen- Sender bzw. Empfänger mit dielektrischen Stielstrahlern montiert sind, so dass das dazwischen liegende Material durchstrahlt wird.

Dabei ergibt sich ein kreisförmiges Abtastmuster über der darunter linear bewegten Probe auf einer Plexiglasplatte. Die gesamte Bildfläche beträgt 30 cm x 30 cm. Die Abtastzeit für diese Fläche beträgt < 30s (Abb. 2). Der gesamte Hochfrequenzteil befindet sich auf den rotierenden Scheiben. Die Zwischenfrequenzsignale und die Betriebsspannungen werden über eine Drehkupplung übertragen.

Durch diesen modularen Aufbau ist es möglich, die Scheiben durch solche mit Sensoren in anderen Frequenzbereichen auszutauschen, so dass angepasst an die Messaufgabe ein jeweils optimierter Sensor bis in den Terahertzbereich gewählt werden kann. Die Probe, z. B. ein kleineres Paket mit unbekanntem Inhalt, wird zwischen den zwei Antennen hindurch gefahren.

Die Amplituden und die Phasenlagen der transmittierten elektromagnetischen Welle werden aufgezeichnet und in Echtzeit auf einem Display angezeigt. Zusätzlich werden Datenpakete über verschiedene zur Verfügung stehende Schnittstellen (USB 2.0 und LAN) an eine Auswerteeinheit übergeben und können dort weiter ausgewertet werden.Dies kann in der Bestimmung der Dielektrikumskonstanten für bestimmte Bildbereiche resultieren oder durch Kantenschärfung Fehlstellen oder Brüche sichtbar machen.

Weiterentwicklungen

In der folgenden Evolutionsstufe soll SAMMI die dielektrischen Eigenschaften von Stoffen automatisiert erkennen können und anhand dieser einen Rückschluss auf die chemische Zusammensetzung der Messproben ermöglichen. Diese Funktion erlaubt ebenfalls die Klassifizierung von Verunreinigungen in z. B. Lebensmitteln und die Erkennung und Identifikation von gefährlichen Substanzen und Substanzgemischen.

Die Bauart des Scanners erlaubt problemlos die gleichzeitige Unterbringung unterschiedlicher Sensoren auf den Scanplatten. Dazu gehören auch im Terahertzbereich arbeitende Spektralsensoren, die gezielt spezifische Substanzen nachweisen und bildhaft darstellen können.Während die beschriebene Ausbaustufe geeignet ist für Stichprobenkontrollen bei Briefen und Produkten, ist zukünftig auch die Übertragung des Messprinzips auf eine in-Line-Kontrolle mit hoher Bandgeschwindigkeit vorgesehen. Geschwindigkeiten größer als 1m/s sind dabei durchaus zu erzielen.

Um solche Kontrollgeschwindigkeiten zu realisieren, ist der Übergang vom mechanischen Scanantrieb zu einer Arrayanordnung mehrerer Sensoren, z. B. in Form einer Zeilenanordnung oberhalb eines Förderbandes, zwingend notwendig (Abb. 3).Für manche Anwendungen, z. B. der Schüttgutkontrolle kann es auch notwendig sein, von der Transmissionsgeometrie zur Reflexgeometrie überzugehen.

Anwendungsbeispiel

Im Folgenden sind einige typische Ergebnisse für mit SAMMI in Realzeit erstellte Bilder verschiedener optisch nicht transparenter Gegenstände gegeben.

Die Transmissionsbilder wurden bei einer Frequenz von 78 GHz aufgenommen und sind typisch für diesen Frequenzbereich. Übergang zu einer höheren Frequenz würde Kontrast und Bildschärfe erhöhen, die Verwendung von niedrigen Arbeitsfrequenzen würde die Schärfe reduzieren, jedoch das Durchdringungsvermögen gegenüber dichten Materialien und solchen mit höherem Wassergehalt (Kunststoff, Käse, Obst) erhöhen.

Abbildung 4 zeigt Amplituden- und Phasenbild für einen Umschlag mit Schrauben und einem Päckchen mit Schwarzpulver. Das Phasenbild zeigt deutlich auch den Inhalt des PVC-Beutels mit Schwarzpulver in zufällig variierender Dicke. Ein Bild für die Phasencharakteristik, das bei Durchstrahlung einer Schokoladentafel entsteht, zeigt in der linken Probe vorhandene Glassplitter, dargestellt in blau.

▶ ▶Kontakt

Dr. Helmut Essen

Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik

FHR Wachtberg

helmut.essen@fhr.fraunhofer.de

 

Autor(en)

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.