覆層（涂鍍層）測厚的原理與應(yīng)用
該讀本包括以下內(nèi)容：利用磁感應(yīng)法和電渦流法對覆層（涂鍍層）厚度進(jìn)行無損測量的原理、典型測量的應(yīng)用介紹、型號規(guī)格的合適選擇。
1、磁感應(yīng)法和電渦流法適用于哪種覆層（涂鍍層）的厚度測量？
磁感應(yīng)法適用于鐵磁性基材上（比如碳鋼、鐵）的非鐵磁性覆層（涂鍍層）的厚度測量。這樣的覆層（涂鍍層）包括刷漆、涂料、瓷釉、粘膠、玻璃層、鍍鋁、鍍鉛、鍍鉻、鍍銅、鍍鋅、鍍錫等。
通常，磁感應(yīng)法又簡稱F模式，即，ferromagnetic（鐵磁性的、鐵磁體的）。
一般情況下，覆層（涂鍍層）如果為以下介質(zhì)則不可應(yīng)用F模式測量：電解鍍鎳、氧化鐵、鈦及鈦合金、碳化鎢等。
電渦流法適用于導(dǎo)電但非導(dǎo)磁性基材上的非導(dǎo)電覆層（涂鍍層）的厚度測量。常見的導(dǎo)電但非導(dǎo)磁性基材包括：鋁、鋁合金、鉛、銅、鋅、錫、不銹鋼等；非導(dǎo)電覆層（涂鍍層）包括：刷漆、涂料、瓷釉、粘膠、玻璃層、陽極電鍍法的鍍層、陶瓷層等。
通常，電渦流法又簡稱N模式，即，non-ferromagenetic（非鐵磁性、非鐵磁體的）。
2、磁感應(yīng)法和電渦流法的工作原理
磁感應(yīng)法工作原理：
原理圖見圖Fig.1
磁感應(yīng)法所用的F探頭，中間是一個鐵磁性的磁棒（我們稱之為磁芯），其上繞有兩段線圈，上面一段為勵磁線圈，下面一段為感應(yīng)線圈。
如果給勵磁線圈加載一個低頻交變電流，就會產(chǎn)生穿過勵磁線圈的一個交變磁場，而磁芯正好處在這個磁場中，此時如果將磁芯靠近另一個鐵磁性物體，我們知道磁鐵相吸的原理，因此，磁芯越靠近這個鐵磁性物體，則穿過磁芯的磁場強(qiáng)度就越強(qiáng)，而磁場的強(qiáng)弱變化就會在下端的那個感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一個感應(yīng)電流，這個感應(yīng)電流的電壓V，其大小將隨著磁場強(qiáng)弱變化而變化、實(shí)際上也就是隨著磁芯離那個鐵磁性物體的遠(yuǎn)近而變化，并且，這個電壓V的大小和磁芯離那個鐵磁性物體的遠(yuǎn)近（也就是距離）存在可計算的關(guān)系。
因此，我們可以通過測量這個電壓V的大小來計算磁芯和那個鐵磁性物體之間的的距離，如果那個鐵磁性物體上有覆層、而磁芯又密切接觸在覆層上，這個計算出來的距離不正是覆層的厚度嗎？
電渦流法工作原理：
原理圖見圖Fig.2
電渦流法所用的N探頭，沒有中間的磁棒，而且只有一個中空的感應(yīng)線圈。當(dāng)給這個感應(yīng)線圈加載一個高頻交變電流，就會在感應(yīng)線圈的中間產(chǎn)生一個感應(yīng)磁場。
當(dāng)這個加載了高頻交變電流的線圈靠近一個非磁性的導(dǎo)電體時，會在這個導(dǎo)電體上產(chǎn)生一個交變電流場，我們稱之為電渦流場。而這個電渦流場又會在空間產(chǎn)生一個交變電磁場，其磁場方向始終與感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場方向相反，并因此削弱感應(yīng)磁場的強(qiáng)度，這就導(dǎo)致了感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的變化。 感應(yīng)線圈離那個非磁性的導(dǎo)電體的遠(yuǎn)近，決定了導(dǎo)電體上產(chǎn)生的電渦流場的強(qiáng)弱。電渦流場的強(qiáng)弱，又決定了它所引發(fā)的交變電磁場的強(qiáng)弱，而交變電磁場的強(qiáng)弱又影響了感應(yīng)磁場的強(qiáng)弱、也因此決定了感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的大小。
也就是說，感應(yīng)系數(shù)K值的大小，與感應(yīng)線圈離導(dǎo)電體的遠(yuǎn)近存在可計算的關(guān)系。因此，我們可以通過測量這個感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的大小來計算感應(yīng)線圈和那個非磁性導(dǎo)電體的距離。如果那個非磁性導(dǎo)電體上有覆層、而感應(yīng)線圈又密切接觸在覆層上，這個計算出來的距離不正是覆層的厚度嗎？
FN兩用探頭：
通常情況下，我們都是用單一的探頭來測量確定的材質(zhì)，即，明確知道基材是鐵磁性的，使用F探頭，明確知道基材是非磁性導(dǎo)電體，則使用N探頭。但是，在有些情況下，無法實(shí)現(xiàn)確知基材的特性，這時我們將用到FN兩用探頭。
FN探頭中間也有一個芯棒，采用特殊材料、特殊工藝，兩個線圈非別加載低頻交變電流和高頻交變電流，這樣，當(dāng)探頭靠近被測體時，會通過測量感應(yīng)磁場的方式來辨析基材具備何種特性，從而使儀器自動啟動相應(yīng)的測量模式。
3、對探頭使用的理解
對于磁感應(yīng)法和電渦流法覆層（涂鍍層）測厚儀而言，探頭是關(guān)鍵部件，必須靠它產(chǎn)生電或磁的感應(yīng)場，也必須靠它精確地采集感應(yīng)信號，供儀器計算。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，正確使用探頭往往是測值是否穩(wěn)定和準(zhǔn)確的關(guān)鍵。
——在測試前應(yīng)使探頭和被測部位保持潔凈。我們知道，測量的原理就是利用基材和覆層（涂鍍層）物理特性的差異（導(dǎo)磁與不導(dǎo)磁、導(dǎo)電與不導(dǎo)電）來實(shí)現(xiàn)測量，如果探頭或被測部位有污物，而污物又有導(dǎo)電性或?qū)Т判?，這就有可能影響測量結(jié)果。
——探頭端部通常都有一個塑膠件的支撐環(huán)，這首先是為了保證探頭端部能夠平穩(wěn)地與被測部位接觸。如果是測量圓柱形物體，我們可以利用支撐環(huán)的V型卡口“騎”在柱面上，從而使探頭和被測部位的柱面（外圓弧面）平穩(wěn)接觸。
——探頭產(chǎn)生感應(yīng)場和采集感應(yīng)信號都需要時間（盡管很短暫），因此，在測量時必須在聽到“吡吡”的提示音或者看到穩(wěn)定示值后方可將探頭移離。
——如果要對同一部位連續(xù)測量，建議在前次測量后應(yīng)將探頭移離被測部位在25mm以上、并間隔半秒以上，然后在進(jìn)行下次測量。否則盡管此次測值完成，但是探頭離得太近、或間隔太短，會在基材表面殘留感應(yīng)場，從而影響同一部位的下次測量。
——當(dāng)探頭接觸到的是未固化的覆層，可能會出現(xiàn)沒有測值的現(xiàn)象。這是因?yàn)?，這種情況下的接觸，使得探頭無法在基材上產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)磁場或電渦流場，從而使得需要采集的信號不穩(wěn)定。如果一個被采集的信號總在變化，不能穩(wěn)定在0.5秒以上，則探頭會不識別該信號。
4、關(guān)于校準(zhǔn)
校準(zhǔn)的含義有兩個方面。
一個方面是，儀器自身的校準(zhǔn)。
主要用于評價儀器的基本性能，比如，精度、線性等，這樣的校準(zhǔn)，通常借助標(biāo)準(zhǔn)試樣。一套標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)該含有基準(zhǔn)塊、經(jīng)標(biāo)定過的涂層試片，成套標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)向有資質(zhì)的獨(dú)立第三方購買，當(dāng)然，習(xí)慣做法是，由儀器生產(chǎn)商代為購買或是贈送。
另一份方面是，測量時的校準(zhǔn)。
對儀器自身的校準(zhǔn)，只是確認(rèn)了儀器對感應(yīng)信號捕捉的敏感、精確，但這并不代表這符合實(shí)際的測量情況。下面，我們借助一個對磁性基材上非磁性涂層的測量示意來說明這一點(diǎn)。
先見圖Fig.4
假如有一個標(biāo)準(zhǔn)試樣，在一個磁性平板基體上有非磁性涂層，當(dāng)探頭接觸到涂層表面上時，磁力線在探頭的磁芯和基體間透過涂層透過“穿梭”，在圖中，我們形象地描繪出了磁力線的分布。這種分布代表著，越靠近中心線，磁力線越短，磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，越遠(yuǎn)離中心性，磁力線越長，磁感應(yīng)強(qiáng)度越弱。我們由此可以通過校準(zhǔn)的方式得出一個平均感應(yīng)強(qiáng)度來計算涂層的厚度。
如果基材仍然是平板狀的，只是涂層的厚度產(chǎn)生變化，我們不難想象，磁力線的整體長短會隨著涂層厚度的變化而變化，但是，其分布卻是一致的，也即是說，中心線上的磁力線長度和邊緣的磁力線長度的比例是始終不變的，因此，我們只需依據(jù)磁力線整體的變長、變短即可以計算出涂層厚度的變化來。
但是，如果實(shí)際測量時，基體的幾何形狀變了，比如，變成了圓柱體，但涂層厚度不變。會有什么樣的變化的，我們來看看圖Fig.5
我們注意到，越靠近邊緣，與在平板基體上的試驗(yàn)相比，磁力線的拉長現(xiàn)象就越明顯，這就意味著，這種情況下，感應(yīng)強(qiáng)度的平均值必然與我們從平板基體上試驗(yàn)得來的值不相等。
電渦流法與此有可以類比之處：在平板上的電渦流和柱體上的電渦流分布也是有差異的！
由此，可以得出結(jié)論：盡管儀器可能已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)試樣上校準(zhǔn)了，保證了儀器（探頭）對感應(yīng)信號采集、計算的敏感性、準(zhǔn)確性，但是，在實(shí)際測量時，必須在實(shí)際工件上再做測量校準(zhǔn)——如果實(shí)際工件的幾何形狀、基材的物理特性與標(biāo)準(zhǔn)試樣的基準(zhǔn)塊存在差異的話。
當(dāng)然，在很多情況下，實(shí)際工件的基材和物理特性與標(biāo)準(zhǔn)試樣的基準(zhǔn)塊相差無幾，或者我們能夠判定，這種差異引起的測值誤差在允許范圍內(nèi)，那么，可以不用進(jìn)行測量校準(zhǔn)。
如何進(jìn)行測量校準(zhǔn)？
a，嚴(yán)格的做法，應(yīng)該是制作與實(shí)際工件幾何形狀一樣的基準(zhǔn)塊，在其上覆蓋與實(shí)際工件覆層厚度相同的覆層，以此為標(biāo)樣，進(jìn)行校準(zhǔn)。
b，現(xiàn)實(shí)中，嚴(yán)格的做法既無可能、也非必要，變通的做法是，在實(shí)際工件上的某個部位去除覆層（但要保持幾何形狀不變），在裸露的基體上較零，然后將厚度與實(shí)際覆層厚度相近的標(biāo)準(zhǔn)涂層試片覆蓋其上，進(jìn)行一次試片厚度的校準(zhǔn)。
如果沒有合適的涂層試片，只在裸露的基體上進(jìn)行一次較零，亦在一定程度上保證實(shí)際測量的精度。
c，更為簡單的做法，如果我們確知實(shí)際工件的某個部位，其覆層厚度符合工藝要求，那么就在這個部位進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)然，這也意味著，其它部位測量時的誤差都將是以這個部位的覆層厚度值為基準(zhǔn)的。
提示：對于方法a和b，該部位應(yīng)離工件邊緣至少5mm）
5、幾種可供參考的典型應(yīng)用
通過對原理的理解，我們明白，磁感應(yīng)法和電渦流法測量覆層（涂鍍層），其基礎(chǔ)在于，基材和覆層在物理特性上的差異（導(dǎo)磁和不導(dǎo)磁、導(dǎo)電和不導(dǎo)電），如果不存在這樣的差異，則測量不能實(shí)現(xiàn)。而磁場、電渦流場、感應(yīng)磁場的分布，卻又受到幾何形狀以及表面狀況的影響。下面，我們就介紹幾種典型的應(yīng)用予以說明。
外凸面的覆層測量，見圖Fig.6
通常會顯示正偏差，當(dāng)曲率半徑小于一定值時，必須進(jìn)行測量校準(zhǔn)（鐵磁性基材曲率半徑小于20mm時，導(dǎo)電性基材曲率半徑小于50mm時）。內(nèi)凹面的覆層測量，見圖Fig.7
通常會顯示負(fù)偏差，當(dāng)曲率半徑小于一定值時，必須進(jìn)行測量校準(zhǔn)（鐵磁性基材曲率半徑小于25mm時，導(dǎo)電性基材曲率半徑小于50mm時）
邊緣部分的覆層測量，見圖Fig.8
通常會顯示正偏差，當(dāng)A小于5mm時必須進(jìn)行測量校準(zhǔn)。
靠近側(cè)壁的覆層測量，見圖Fig.9
通常會顯示負(fù)偏差，當(dāng)A小于5mm時，必須進(jìn)行測量校準(zhǔn)。
凹槽底部的覆層測量，見圖Fig.10
通常會顯示負(fù)偏差，當(dāng)D小于20mm時，必須進(jìn)行測量校準(zhǔn)。
極薄基材上的覆層測量，見圖Fig.11
對于鐵磁性基材，通常會顯示正偏差，對于導(dǎo)電性基材，通常會顯示負(fù)偏差。當(dāng)T小于0.6mm時，必須進(jìn)行測量校準(zhǔn)。當(dāng)T小于0.1mm（鐵磁性基材）或者是小于0.01mm（導(dǎo)電性基材），無論是否校準(zhǔn)，測量都不能實(shí)現(xiàn)。
噴丸表面上覆層的測量，見圖Fig.16
a，對于Rz值小于20µm的噴丸面上的覆層測量。先在無覆層的基材上面測量十次進(jìn)行較零，接著將涂層試片覆蓋其上，測量五次進(jìn)行校正，則測量校準(zhǔn)完成，需要記住的是，即便完成了測量校準(zhǔn)，在實(shí)際測量中，仍然必須多次測量取平均值。
b，對于Rz值大于20µm的噴丸面上的覆層測量。此時的情況較為復(fù)雜，需要先在同樣材質(zhì)的具有光滑表面（未噴丸處理）的基材上進(jìn)行校準(zhǔn)，接著在無覆層的噴丸表面上進(jìn)行測量十次取平均值，然后再再實(shí)際工件的覆層上同樣進(jìn)行十次測量，再取平均值，這兩個平均值之差的值就是覆層厚度。
“軟”覆層的測量
某些覆層質(zhì)地比較軟、比較疏松，探頭接觸上之后可能會有微小的凹坑，從而影響測量。此時可以將一個確知厚度的涂層試片覆蓋其上，然后將探頭放在這層試片上，得出值減去涂層試片的值即是覆層厚度值。提示：使用30～50µm的涂層試片較為合適。
“熱”覆層的測量
某些情況下，不待*冷卻，就需要對覆層進(jìn)行測量。此時的溫度通常超過60℃，一方面，熱量會傳導(dǎo)給探頭的樹脂支撐環(huán)，我們知道，支撐環(huán)里面有線圈或磁芯，而它們所產(chǎn)生的感應(yīng)場會因?yàn)檫^高的溫度產(chǎn)生變化；另一方面，我們同樣知道，基材本身的磁場和電渦流場也會因?yàn)闇囟鹊倪^高變化而產(chǎn)生細(xì)微的畸變。
因此，在這種情況下，我們要解決兩個問題：一是盡量降低熱量的傳導(dǎo)，這里，我們可以用到高溫護(hù)墊，將其安裝在探頭上；二是，需要更敏感的探頭，以便辨析溫度帶來的基材本身的磁場或電渦流場的畸變。當(dāng)然，這往往意味著儀器需要提供更高的精度。
6、時代覆層（涂鍍層）測厚儀的主要型號規(guī)格:
| 項(xiàng) 目 | 產(chǎn) 品 |
| 型 號 | TT210 | TT220 | TT230 | TT240 | CT2000 | TT260 | CT2800 |
| 結(jié)構(gòu)原理 | FN兩用探頭一體式型 | 探頭一體式F型（磁感應(yīng)法） | 探頭一體式N型（電渦流法） | 連線探頭固定式，N探頭 | FN兩用探頭一體式型 | 連線探頭插拔式，F(xiàn)探頭和N探頭可即插即用 |
| 精 度 | F：1µm±1%N：1.5µm±1% | 1µm±1% | 1.5µm±1% | 1．5µm±1% | F：1µm±1%
N：1.5µm±1% | F：1µm±1%
N：1.5µm±1% |
| 功能 | 統(tǒng)計、平均、存儲、極值 |
| 可測表面溫度 | 常溫（建議不超過60℃） |
| 數(shù)據(jù)通訊 | 可外接微型打印機(jī) | 自帶打印機(jī)，可與PC通訊 | 不帶打印機(jī),可與PC通訊 |
| 外形尺寸(mm)/重量(g) | 110X50X23
100 | 150X55X23
150 | 152X74X35
370 | 110x 50x 23
100 | 270X86X47
530 | 1250X67X31
400 |
| 可選配的探頭 | 探頭不可選 | 探頭可選 |
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