智能型高精度涂镀层涡流测厚仪的研制

       工业生产中,常常需要对各类平面或异型面磁性基体上的非磁性涂镀层厚度进行测量,常用的方法有射线法、超声法、磁感应法和电磁涡流法等。射线法直观,但需要放射源,在现场使用存在防护问题,使用不方便。超声法从测量精度来说可以满足生产需求,但它需要耦合剂,而且测量厚度一般在0.5 mm以上,对于μm级的涂镀层,基本上不能测量。磁感应法可测量磁性材料表面非导磁性涂镀层,测量范围为500μm~20 mm,其最小测量面积为ø12 mm2。

       上述射线法、超声法和磁感应法等测厚技术在国内外已有广泛应用,各有优势,但这些方法都不能满足10μm级薄涂镀层的测量要求。对极薄涂镀层的厚度检测,采用电磁涡流法是最有效的。笔者根据涡流检测的基本原理,得到涂镀层厚度-阻抗(电压)曲线,通过对涡流测厚中若干关键技术的探讨,设计出相应的测厚换能器和硬软件测量系统,专用于磁性基体上非磁性薄涂镀层厚度的测量。

1　涡流测厚原理

       如图1所示,当金属靠近一载有交变电流的线圈时,由于交变磁通透入到金属中,在垂直于交变磁通的平面上就会感应出涡流。涡流产生次级交变磁场,这个磁场反对载流线圈所产生的磁通的变化,因此引起载流线圈输入阻抗的改变。显然输入阻抗的改变和涡流场的强度和分布有关。图中HP代表试验线圈的初级磁场,矢量Hs代表由试样中涡流所引起的次级磁场。引响涡流场强度和分布的因素有[1]线圈与被测金属件的距离、被测金属件电磁参数(如电导率、磁导率)、被测金属件的几何形状以及被测金属件中的缺陷形状和分布。

       首先考虑各种参数对线圈阻抗的变化情况。当线圈接近金属表面时,线圈阻抗的变化见图2~4[2]。电磁涡流法测量金属厚度或涂镀层厚度时,只希望测量由它们所引起的线圈阻抗的改变,对其它参数引起线圈阻抗的变化都认为是干扰参数。如果保证这些干扰参数不变或者使干扰参数对测量结果的影响保持在允许的范围内,就能准确测量那些与金属材料厚度或涂镀层厚度有关的参数,从而可测量金属材料与涂镀层的厚度。

       由交变磁通所感应的涡流大部分集中在邻近线圈的金属表面。交变磁场透入金属的深度随着交变磁场频率的增加而减小,随着金属电导率的增加而增加。当一维的交变磁场垂直入射至无限大金属表面上时,在金属材料中感应的涡流密度可按下式计算[3]:

2　测厚系统的换能器设计

       由上述分析可知,涡流的渗透深度与试件电导率σ、相对磁导率μr及检测频率f有关。而σ和μr都是固定不变的,所以涡流的渗透深度只与检测频率f有关,且随着f的增大而减小。因此,可以选择合适的频率,使涡流只渗透于镀层金属,而在基体金属表面近似形成一全反射(图5)。即使得信号只反映表面金属镀层厚度变化的信息,而基体金属信息不再影响阻抗曲线的变化,基本上为一常数。采用较高的检测频率可以抑制基体金属厚度的影响。为了进一步抑制金属电导率σ和磁导率μ这两个因素的影响,采用磁屏蔽方法,使检测区域减到尽可能小。