影響圖層涂層測(cè)厚儀的因素及其原理

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)理論上綜合性較強(qiáng)，又非常重視實(shí)踐環(huán)節(jié)的很有發(fā)展前途的學(xué)科。它涉及到材料的物理性質(zhì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造工藝、斷裂力學(xué)以及有限元計(jì)算等諸多方面。

　　在化工、電子、電力、金屬等行業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)材料的保護(hù)或裝飾作用，通常要采用噴涂、有色金屬覆蓋以及磷化、陽(yáng)極氧化處理等方法，這樣，便出現(xiàn)了涂層、鍍層、敷層、貼層或化學(xué)生成膜等概念，我們稱(chēng)之為“覆層”。

　　覆層的厚度測(cè)量已成為金屬加工業(yè)用戶進(jìn)行成品質(zhì)量檢測(cè)*的zui重要的工序。是產(chǎn)品達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的*手段。目前，國(guó)內(nèi)外已普遍按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定涂鍍層厚度，覆層無(wú)損檢測(cè)的方法和儀器的選擇隨著材料物理性質(zhì)研究方面的逐漸進(jìn)步而更加至關(guān)重要。

　　有關(guān)覆層無(wú)損檢測(cè)方法，主要有：楔切法、光截法、電解法、厚度差測(cè)量法、稱(chēng)重法、X射線瑩光法、β射線反射法、電容法、磁性測(cè)量法及渦流測(cè)量法等。這些方法中除了后五種外大多都要損壞產(chǎn)品或產(chǎn)品表面，系有損檢測(cè)，測(cè)量手段繁瑣，速度慢，多適用于抽樣檢驗(yàn)。

　　X射線和β射線反射法可以無(wú)接觸無(wú)損測(cè)量，但裝置復(fù)雜昂貴，測(cè)量范圍小。因有放射源，故使用者必須遵守射線防護(hù)規(guī)范，一般多用于各層金屬鍍層的厚度測(cè)量。

　　電容法一般僅在很薄導(dǎo)電體的絕緣覆層厚度測(cè)試上應(yīng)用。

　　磁性測(cè)量法及渦流測(cè)量法。隨著技術(shù)的日益進(jìn)步，特別是近年來(lái)引入微處理機(jī)技術(shù)后，測(cè)厚儀向微型、智能型、多功能、高精度、實(shí)用化方面邁進(jìn)了一大步。測(cè)量的分辨率已達(dá)0.1μm，精度可達(dá)到1%。又有適用范圍廣，量程寬、操作簡(jiǎn)便、價(jià)廉等特點(diǎn)。是工業(yè)和科研使用zui廣泛的儀器。

　　采用無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)厚既不破壞覆層也不破壞基材，檢測(cè)速度快，故能使大量的檢測(cè)工作經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行。以下分別介紹幾種常規(guī)測(cè)厚的方法。

　　測(cè)量原理

　　一、磁吸力原理測(cè)厚儀

　　利用*磁鐵測(cè)頭與導(dǎo)磁的鋼材之間的吸力大小與處于這兩者之間的距離成一定比例關(guān)系可測(cè)量覆層的厚度，這個(gè)距離就是覆層的厚度，所以只要覆層與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大，就可以進(jìn)行測(cè)量。鑒于大多數(shù)工業(yè)品采用結(jié)構(gòu)鋼和熱軋冷軋鋼板沖壓成形，所以磁性測(cè)厚儀應(yīng)用zui廣。測(cè)量?jī)x基本結(jié)構(gòu)是磁鋼，拉簧，標(biāo)尺及自停機(jī)構(gòu)。當(dāng)磁鋼與被測(cè)物吸合后，有一個(gè)彈簧在其后逐漸拉長(zhǎng)，拉力逐漸增大，當(dāng)拉力鋼大于吸力磁鋼脫離的一瞬間記錄下拉力的大小即可獲得覆層厚度。一般來(lái)講，依不同的型號(hào)又不同的量程與適應(yīng)場(chǎng)合。在一個(gè)約350º角度內(nèi)可用刻度表示0～100µm;0～1000µm;0～5mm等的覆層厚度，精度可達(dá)5%以上，能滿足工業(yè)應(yīng)用的一般要求。這種儀器的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、強(qiáng)固耐用、不用電源和測(cè)量前的校準(zhǔn)，價(jià)格也較低，很適合車(chē)間作現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。

　　二、磁感應(yīng)原理測(cè)厚儀

　　磁感應(yīng)原理是利用測(cè)頭經(jīng)過(guò)非鐵磁覆層而流入鐵基材的磁通大小來(lái)測(cè)定覆層厚度的，覆層愈厚，磁通愈小。由于是電子儀器，校準(zhǔn)容易，可以實(shí)多種功能，擴(kuò)大量程，提高精度，由于測(cè)試條件可降低許多，故比磁吸力式應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

　　當(dāng)軟鐵芯上繞著線圈的測(cè)頭放在被測(cè)物上后，儀器自動(dòng)輸出測(cè)試電流，磁通的大小影響到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，儀器將該信號(hào)放大后來(lái)指示覆層厚度。早期的產(chǎn)品用表頭指示，精度和重復(fù)性都不好，后來(lái)發(fā)展了數(shù)字顯示式，電路設(shè)計(jì)也日趨完善。近年來(lái)引入微處理機(jī)技術(shù)及電子開(kāi)關(guān)，穩(wěn)頻等技術(shù)，多種獲的產(chǎn)品相繼問(wèn)世，精度有了很大的提高，達(dá)到1%,分辨率達(dá)到0.1µm，磁感應(yīng)測(cè)厚儀的測(cè)頭多采用軟鋼做導(dǎo)磁鐵芯，線圈電流的頻率不高，以降低渦流效應(yīng)的影響，測(cè)頭具有溫度補(bǔ)償功能。由于儀器已智能化，可以辨識(shí)不同的測(cè)頭，配合不同的軟件及自動(dòng)改變測(cè)頭電流和頻率。一臺(tái)儀器能配合多種測(cè)頭，也可以用同一臺(tái)儀器?？梢哉f(shuō)，適用于工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究的儀器已達(dá)到了了非常實(shí)用化的階段。

　　利用電磁原理研制的測(cè)厚儀，原則上適用所有非導(dǎo)磁覆層測(cè)量，一般要求基本的磁導(dǎo)率達(dá)500以上。覆層材料如也是磁性的，則要求與基材的磁導(dǎo)率有足夠大的差距（如鋼上鍍鎳層）。磁性原理測(cè)厚儀可以應(yīng)用在測(cè)量鋼鐵表面的油漆涂層，瓷、搪瓷防護(hù)層，塑料、橡膠覆層，包括鎳鉻在內(nèi)的各種有色金屬電鍍層，化工石油行業(yè)的各種防腐涂層。對(duì)于感光膠片、電容器紙、塑料、聚酯等薄膜生產(chǎn)工業(yè)，利用測(cè)量平臺(tái)或輥（鋼鐵制造）也可用來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積上任一點(diǎn)的測(cè)量。

　　三、電渦流原理測(cè)厚儀

　　電渦流測(cè)厚法主要應(yīng)用于金屬基體上各種非金屬涂鍍層的測(cè)量。利用高頻交流電在作為探頭的線圈中產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，將探頭靠近導(dǎo)電的金屬體時(shí)，就在金屬材料中形成渦流，且隨與金屬體的距離減小而增大，該渦流會(huì)影響探頭線圈的磁通，故此反饋?zhàn)饔昧渴潜硎咎筋^與基體金屬之間間距大小的一個(gè)量值，因?yàn)樵摐y(cè)頭用在非鐵磁金屬基體上測(cè)量覆層厚度，所以通常我們稱(chēng)該測(cè)頭為非磁性測(cè)頭。非磁性測(cè)頭一般采用高頻高導(dǎo)磁材料做線圈鐵芯，常用鉑鎳合金及其它新材料制作。與磁性測(cè)量原理比較，他們的電原理基本一樣，主要區(qū)別是測(cè)頭不同，測(cè)試電流的頻率大小不同，信號(hào)大小、標(biāo)度關(guān)系不同。在的測(cè)厚儀中，通過(guò)不斷改進(jìn)測(cè)頭結(jié)構(gòu)，在配合微電腦技術(shù)，由自動(dòng)識(shí)別不同測(cè)頭來(lái)調(diào)用不同的控制程序，分別輸出不同的測(cè)試電流和改變標(biāo)度變換軟件，終于使兩種不同類(lèi)型的的測(cè)頭接與同一臺(tái)測(cè)厚儀上，降低了用戶負(fù)擔(dān)，基于同一思想，可配接達(dá)10種側(cè)頭的測(cè)厚儀極大地?cái)U(kuò)展了測(cè)厚范圍（達(dá)10萬(wàn)倍以上），可測(cè)包括導(dǎo)磁材料表面上的非導(dǎo)磁覆層，導(dǎo)電材料上的非導(dǎo)電覆層及不導(dǎo)電材料上的導(dǎo)電層，基本上滿足了工業(yè)生產(chǎn)多數(shù)行業(yè)的需要。

　　采用電渦流原理的測(cè)厚儀，原則上所有導(dǎo)電體上的非導(dǎo)電體覆層均可測(cè)量，如航天航空器表面、車(chē)輛、家電、鋁合金門(mén)窗及其他鋁制品表面的漆，塑料涂層及陽(yáng)極氧化膜。有些特種用途如某種金屬上的金剛石鍍層及其它噴鍍不導(dǎo)電層。覆層材料也可以有一定的導(dǎo)電性，通過(guò)校準(zhǔn)同樣也可以測(cè)量，但要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差3～5倍以上（如銅上鍍鉻）。

　　校準(zhǔn)的原則是沒(méi)有覆層的校準(zhǔn)試樣與被測(cè)物的基材應(yīng)有：成分相同，厚度相同（主要在于厚度小于儀器規(guī)定的zui小值約0.5mm以下時(shí)），有相同的曲率半徑，如被測(cè)面積小于儀器技術(shù)參數(shù)的要求（直徑約20mm以下），還應(yīng)有相同的被測(cè)面積。如覆層含有導(dǎo)電成份，校準(zhǔn)試樣的覆層也應(yīng)與被測(cè)物的覆層有相同的導(dǎo)電性能。校準(zhǔn)試樣的覆層經(jīng)過(guò)其它（包括有損測(cè)試方法）測(cè)試后標(biāo)定厚度或用已標(biāo)定的校準(zhǔn)薄片做覆層，就可以在其上面按說(shuō)明書(shū)的方法校準(zhǔn)測(cè)厚儀。校準(zhǔn)后就可以在被測(cè)產(chǎn)品上進(jìn)行快速無(wú)損檢測(cè)。校準(zhǔn)薄片一般用三醋酸酯薄膜或經(jīng)苯酚樹(shù)脂浸漬過(guò)的硬紙。

　　微電腦測(cè)厚一般有多個(gè)校準(zhǔn)值存貯。隨著被測(cè)產(chǎn)品的不同位置、材料變化、更換測(cè)頭等均可分別校準(zhǔn)并存貯。實(shí)際使用時(shí)直接調(diào)用各校準(zhǔn)值，就無(wú)須重新調(diào)校了。這即是所謂“速換基準(zhǔn)”。大大提高了檢測(cè)效率。

　　測(cè)試數(shù)據(jù)在智能化儀器里一般可以存貯、打印、計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)供分析，還有可以打印直方圖的功能使覆層厚度分布一目了然。如設(shè)置了上下極限還可以使統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，測(cè)量時(shí)所有超限的點(diǎn)都有聲響提醒注意并不取入做統(tǒng)計(jì)計(jì)算用。

　　影響測(cè)量值的因素與解決方法

　　使用測(cè)厚儀與使用其他儀器一樣，既要掌握儀器性能，也需了解測(cè)試條件。使用磁性原理和渦流原理的覆層測(cè)厚儀都是基于被測(cè)基體的電、磁特性及與探頭的距離來(lái)測(cè)量覆層厚度的，所以，被測(cè)基體的電磁物理特性與物理尺寸都要影響磁通與電渦流的大小。即影響到測(cè)量值的可靠性，下面就這方面的問(wèn)題作一下介紹。

　　1. 邊界間距

　　如果探頭與被測(cè)體邊界、孔眼、空腔、其他截面變化處的間距小于規(guī)定的邊界間距，由于磁通或渦流載體截面不夠?qū)?dǎo)致測(cè)量誤差。如必須測(cè)量該點(diǎn)的覆層厚度，只有預(yù)先在相同條件的無(wú)覆層表面進(jìn)行校準(zhǔn)，才能測(cè)量。（注：的產(chǎn)品有透過(guò)覆層校準(zhǔn)的*功能可達(dá)3～10%的精度）

　　2. 基體表面曲率

　　在一個(gè)平直的對(duì)比試樣上校準(zhǔn)好一個(gè)初始值，然后在測(cè)量覆層厚度后減去這個(gè)初始值?；騾⒄障聴l。

　　3. 基體金屬zui小厚度

　　基體金屬必須有一個(gè)給定的zui小厚度，使探頭的電磁場(chǎng)能*包容在基體金屬中，zui小厚度與測(cè)量器的性能及金屬基體的性質(zhì)有關(guān)，在這個(gè)厚度之上剛好可以進(jìn)行測(cè)量而不用對(duì)測(cè)量值修正。對(duì)于基體厚度不夠而產(chǎn)生的影響，可以采取在基材下面緊貼一塊相同材料的措施予以消除。如難以決斷，或無(wú)法加基材則可以通過(guò)與已知覆層厚度的試樣進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定與額定值的差值。并且在測(cè)量中考慮這點(diǎn)而對(duì)測(cè)量值作相應(yīng)的修正或參考第2條修正。而那些可以標(biāo)定的儀器通過(guò)調(diào)整旋鈕或按鍵，便可以得到準(zhǔn)確的直讀厚度值。反之利用厚度太小產(chǎn)生的影響又可以研制直接測(cè)銅箔厚度的測(cè)厚儀，如前所述。

　　4. 表面粗糙度和表面清潔度

　　在粗糙度表面上為獲得一個(gè)有代表性的平均測(cè)量值必須進(jìn)行多次測(cè)量才行。顯而易見(jiàn)，不論是基體或是覆層，越粗糙，測(cè)量值越不可靠。為獲得可靠的數(shù)據(jù)，基體的平均粗糙度Ra應(yīng)小于覆層厚度的5%。而對(duì)于表面雜質(zhì)，則應(yīng)予去除。有的儀表上下限，以剔除那些“飛點(diǎn)”。

　　5. 探頭測(cè)量時(shí)的作用力

　　探頭測(cè)量時(shí)的作用力應(yīng)是恒定的。并應(yīng)盡可能小，才不致使軟的覆層發(fā)生形變，以致測(cè)量值下降或產(chǎn)生大的波動(dòng)。必要時(shí)，可在兩者之間墊一層不導(dǎo)電的、一定厚度的硬性薄膜。這樣通過(guò)減去薄膜厚度就能適當(dāng)?shù)氐玫绞４拧?/p>

　　6. 外界恒磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)和基體剩磁

　　應(yīng)該避免在有干擾作用的外界磁場(chǎng)附近進(jìn)行測(cè)量。殘存的剩磁，根據(jù)檢測(cè)器的性能可能導(dǎo)致或多或少的測(cè)量誤差，但是如結(jié)構(gòu)鋼，深沖成形鋼板等一般不會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

　　7. 覆層材料中的鐵磁成份和導(dǎo)電成份

　　覆層中存在某些鐵磁成分，如某種顏料時(shí)，會(huì)對(duì)測(cè)量值產(chǎn)生影響，在這種情況下，對(duì)用作校準(zhǔn)的對(duì)比試樣覆層應(yīng)具有與被測(cè)物覆層相同的電磁特性，經(jīng)校準(zhǔn)后使用。使用的方法可以是將同樣的覆層涂在鋁或銅板試樣上，用電渦流法測(cè)試后獲得對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)試樣。

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