非铁磁性金属薄层涡流测厚法

　　涡流技术是一种成熟的镀层厚度测量技术,可以用来测量金属表面的非金属层(如表面漆)的厚度,也可以用来测量镀在铁磁性金属物质表面的非铁磁性金属镀层的厚度(例如镀在铁磁性不锈钢SST4340的表面上的钛)。金属表面的非金属层厚度的测量应用的是涡流的提离效应;测量镀在铁磁性金属物质表面的非铁磁性金属镀层的厚度应用的是磁感应技术。对应这两种技术,市场上已经有很多的商用产品。但是对于测量单层金属厚度的仪器,现在成型的商用产品非常少。这是因为,对于一般的金属和非金属,超声波法测量范围为1 ~200 mm,测量精度非常好,所以,超声波法在单边厚度测量上是一种广泛应用的技术。但是,这种方法也有其缺陷,①超声波法通常是一种接触式的测量方法,测量过程中需要耦合剂。②很难测量厚度<1 mm的金属薄层。在此,笔者详细讨论了应用涡流法测量厚度<1 mm的非铁磁性金属。试验所用的铝薄层的厚度为25~250μm,不锈钢SST304的厚度为25~500μm,并进行了理论仿真。

　　1　理论分析

　　金属薄层涡流测厚试验装置见图1。对非铁磁性金属,磁导率μ=μ_⁰,应用文献[1]的理论,经过简化和推导,可得图1中通电线圈的感抗Z为

　　式中K———和线圈特性有关的参量

　　μ_⁰———真空磁导率

　　ω———角频率

　　ω=2πf

　　f———激励电流频率,Hz

　　J1(x)———一阶第一类Bessel函数

　　α———解偏微分方程时出现的分离常数

　　μ———磁导率,H/m

　　σ———金属电导率,S/m

　　以上结果也可从麦克斯韦方程组直接推导得出。

　　2　试验装置

　　试验设计见文献[2],差分系统结构见图2。采用一个Tabor28024信号发生器作为信号源,电阻R1和R2都是100Ω,根据实际情况用运放设计合适的差分放大器,其放大的信号被送到一个内置在PC机内的14位A/D卡(CompuScope 14100)上。

　　图2所示驱动器的内阻<1Ω,用以驱动整个系统并用正弦信号来激励系统。

　　通常情况下,线圈探头的设计和选择对于系统十分重要,试验所用探头A和B的线圈是手工绕制的,两个探头的参数见表1。线圈A被放置在铝的薄层上;线圈B作为参考线圈被放置在空气中。

　　3　试验结果

　　金属铝的电导率是37 MS/m,不锈钢SST304是1.45 MS/m,提离距离保持在0.5 mm,图3是A/D采集软件进行厚度测量的屏幕显示。