北京时代涂层测厚仪测量释疑

                                                          北京时代涂层测厚仪测量释疑


磁感应法,利用基材和覆盖层在导磁性上的差异(基材为铁、钴、镍,覆盖层为非磁性介质)


电涡流法,利用基材和覆盖层在导电率上的差异(基材为强导电性,覆盖层无导电性)



磁感应法工作原理图见图Fig.1



磁感应法所用的F探头,中间是一个铁磁性的磁棒(我们称之为磁芯),其上绕有两段线圈,上面一段为励磁线圈,下面一段为感应线圈。


如果给励磁线圈加载一个低频交变电流,就会产生穿过励磁线圈的一个交变磁场,而磁芯正好处在这个磁场中,此时如果将磁芯靠近另一个铁磁性物体,我们知道磁铁相吸的原理,因此,磁芯越靠近这个铁磁性物体,则穿过磁芯的磁场强度就越强,而磁场的强弱变化就会在下端的那个感应线圈中产生一个感应电流,这个感应电流的电压V,其大小将随着磁场强弱变化而变化、实际上也就是随着磁芯离那个铁磁性物体的远近而变化,并且,这个电压V的大小和磁芯离那个铁磁性物体的远近(也就是距离)存在可计算的关系。


因此,我们可以通过测量这个电压V的大小来计算磁芯和那个铁磁性物体之间的的距离,如果那个铁磁性物体上有覆层、而磁芯又密切接触在覆层上,这个计算出来的距离不正是覆层的厚度吗?



电涡流法工作原理图见图Fig.2





电涡流法所用的N探头,没有中间的磁棒,而且只有一个中空的感应线圈。当给这个感应线圈加载一个高频交变电流,就会在感应线圈的中间产生一个感应磁场。


当这个加载了高频交变电流的线圈靠近一个非磁性的导电体时,会在这个导电体上产生一个交变电流场,我们称之为电涡流场。而这个电涡流场又会在空间产生一个交变电磁场,其磁场方向始终与感应线圈产生的感应磁场方向相反,并因此削弱感应磁场的强度,这就导致了感应线圈的感应系数K的变化。


感应线圈离那个非磁性的导电体的远近,决定了导电体上产生的电涡流场的强弱。电涡流场的强弱,又决定了它所引发的交变电磁场的强弱,而交变电磁场的强弱又影响了感应磁场的强弱、也因此决定了感应线圈的感应系数K的大小。


也就是说,感应系数K值的大小,与感应线圈离导电体的远近存在可计算的关系。因此,我们可以通过测量这个感应线圈的感应系数K的大小来计算感应线圈和那个非磁性导电体的距离。如果那个非磁性导电体上有覆层、而感应线圈又密切接触在覆层上,这个计算出来的距离不正是覆层的厚度吗?


以磁感应法为例见图Fig.4




如果基材仍然是平板状的,只是涂层的厚度产生变化,我们不难想象,磁力线的整体长短会随着涂层厚度的变化而变化,但是,其分布却是一致的,也即是说,中心线上的磁力线长度和边缘的磁力线长度的比例是始终不变的,因此,我们只需依据磁力线整体的变长、变短即可以计算出涂层厚度的变化来。


但是,如果实际测量时,基体的几何形状变了,比如,变成了圆柱体,但涂层厚度不变。磁力线会有什么样的变化呢?我们来看看图Fig.5




我们注意到,越靠近边缘,与在平板基体上的试验相比,磁力线的拉长现象就越明显,这就意味着,这种情况下,感应强度的平均值必然与我们从平板基体上试验得来的值不相等。


电涡流法与此有可以类比之处:在平板上的电涡流和柱体上的电涡流分布也是有差异的!


由此,可以得出结论:尽管仪器可能已经在标准试样上校准了,保证了仪器(探头)对感应信号采集、计算的敏感性、准确性,但是,在实际测量时,由于实际工件的几何形状、基材的物理特性与标准试样的基准块存在差异,因此,测量仍然会出现偏差。



偏差的几种类型


外凸面的覆层测量,见图Fig.6



通常会显示正偏差,当曲率半径小于一定值时,偏差会较为明显(铁磁性基材曲率半径小于20mm时,导电性基材曲率半径小于50mm时)。


内凹面的覆层测量,见图Fig.7



通常会显示负偏差,当曲率半径小于一定值时,偏差会较为明显(铁磁性基材曲率半径小于25mm时,导电性基材曲率半径小于50mm时)


边缘部分的覆层测量,见图Fig.8



通常会显示正偏差,当A小于5mm时,偏差会较为明显。
靠近侧壁的覆层测量,见图Fig.9



通常会显示负偏差,当A小于5mm时,偏差会较为明显。
凹槽底部的覆层测量,见图Fig.10



通常会显示负偏差,当D小于20mm时,偏差会较为明显。
极薄基材上的覆层测量,见图Fig.11



对于铁磁性基材,通常会显示正偏差,对于导电性基材,通常会显示负偏差。当T小于0.6mm时,偏差会较为明显。当T小于0.1mm(铁磁性基材)或者是小于0.01mm(导电性基材),无论是否校准,测量都不能实现。
喷丸表面上覆层的测量,见图Fig.16



a,对于Rz值小于20µm的喷丸面上的覆层测量。先在无覆层的基材上面测量十次进行较零,接着将涂层试片覆盖其上,测量五次进行校正,则测量校准完成,需要记住的是,即便完成了测量校准,在实际测量中,仍然必须多次测量取平均值。
b,对于Rz值大于20µm的喷丸面上的覆层测量。此时的情况较为复杂,需要先在同样材质的具有光滑表面(未喷丸处理)的基材上进行校准,接着在无覆层的喷丸表面上进行测量十次取平均值,然后再再实际工件的覆层上同样进行十次测量,再取平均值,这两个平均值之差的绝对值就是覆层厚度。
“软”覆层的测量
某些覆层质地比较软、比较疏松,探头接触上之后可能会有微小的凹坑,从而影响测量。此时可以将一个确知厚度的涂层试片覆盖其上,然后将探头放在这层试片上,得出值减去涂层试片的值即是覆层厚度值。提示:使用30~50µm的涂层试片较为合适。
“热”覆层的测量
某些情况下,不待完全冷却,就需要对覆层进行测量。此时的温度通常超过60℃,一方面,热量会传导给探头的树脂支撑环,我们知道,支撑环里面有线圈或磁芯,而它们所产生的感应场会因为过高的温度产生变化;另一方面,我们同样知道,基材本身的磁场和电涡流场也会因为温度的过高变化而产生细微的畸变。
因此,在这种情况下,我们要解决两个问题:一是尽量降低热量的传导,这里,我们可以用到高温护垫,将其安装在探头上;二是,需要更敏感的探头,以便辨析温度带来的基材本身的磁场或电涡流场的畸变。当然,这往往意味着仪器需要提供更高的精度。
介绍一种简单可靠的应用(以外凸面为例)
先在无覆盖层的外凸面工件进行测量,按理,本应显示为零,但从以上的介绍可知,很可能读值并不为零,而是正偏差的某个数,此时,并非必须较零(重要的事情说三遍),否则,强行较零可能使仪器出厂时校正的参照曲线严重偏移、或者干脆无法较到零位。
在此情况下,只需记下这个正偏差值,然后测量实际覆层,将取得的读值减去这个正偏差值,即为覆层的实际读值。
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