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覆層（涂鍍層）測(cè)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(duì)覆層（涂鍍層）厚度進(jìn)行無(wú)損測(cè)量的原理、典型測(cè)量的應(yīng)用介紹、型號(hào)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(cè)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(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)量。常見(jiàn)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(yáng)極電鍍法的鍍層、陶瓷層等。
通常，電渦流法又簡(jiǎn)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：

磁感應(yīng)法所用的F探頭，中間是一個(gè)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(lì)磁線圈，下面一段為感應(yīng)線圈。

如果給勵(lì)磁線圈加載一個(gè)低頻交變電流，就會(huì)產(chǎn)生穿過(guò)勵(lì)磁線圈的一個(gè)交變磁場(chǎng)，而磁芯正好處在這個(gè)磁場(chǎng)中，此時(shí)如果將磁芯靠近另一個(gè)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(gè)鐵磁性物體，則穿過(guò)磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化就會(huì)在下端的那個(gè)感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流的電壓V，其大小將隨著磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化而變化、實(shí)際上也就是隨著磁芯離那個(gè)鐵磁性物體的遠(yuǎn)近而變化，并且，這個(gè)電壓V的大小和磁芯離那個(gè)鐵磁性物體的遠(yuǎn)近（也就是距離）存在可計(jì)算的關(guān)系。
因此，我們可以通過(guò)測(cè)量這個(gè)電壓V的大小來(lái)計(jì)算磁芯和那個(gè)鐵磁性物體之間的的距離，如果那個(gè)鐵磁性物體上有覆層、而磁芯又密切接觸在覆層上，這個(gè)計(jì)算出來(lái)的距離不正是覆層的厚度嗎？

電渦流法工作原理：

電渦流法所用的N探頭，沒(méi)有中間的磁棒，而且只有一個(gè)中空的感應(yīng)線圈。當(dāng)給這個(gè)感應(yīng)線圈加載一個(gè)高頻交變電流，就會(huì)在感應(yīng)線圈的中間產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)。
當(dāng)這個(gè)加載了高頻交變電流的線圈靠近一個(gè)非磁性的導(dǎo)電體時(shí)，會(huì)在這個(gè)導(dǎo)電體上產(chǎn)生一個(gè)交變電流場(chǎng)，我們稱之為電渦流場(chǎng)。而這個(gè)電渦流場(chǎng)又會(huì)在空間產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)方向始終與感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)方向相反，并因此削弱感應(yīng)磁場(chǎng)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(gè)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(chǎng)的強(qiáng)弱。電渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱，又決定了它所引發(fā)的交變電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，而交變電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又影響了感應(yīng)磁場(chǎng)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(shuō)，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(jì)算的關(guān)系。因此，我們可以通過(guò)測(cè)量這個(gè)感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的大小來(lái)計(jì)算感應(yīng)線圈和那個(gè)非磁性導(dǎo)電體的距離。如果那個(gè)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(gè)計(jì)算出來(lái)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(lái)測(cè)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(wú)法實(shí)現(xiàn)確知基材的特性，這時(shí)我們將用到FN兩用探頭。
FN探頭中間也有一個(gè)芯棒，采用特殊材料、特殊工藝，兩個(gè)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(cè)體時(shí)，會(huì)通過(guò)測(cè)量感應(yīng)磁場(chǎng)的方式來(lái)辨析基材具備何種特性，從而使儀器自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的測(cè)量模式。

3、對(duì)探頭使用的理解
對(duì)于磁感應(yīng)法和電渦流法覆層（涂鍍層）測(cè)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(chǎng)，也必須靠它精確地采集感應(yīng)信號(hào)，供儀器計(jì)算。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，正確使用探頭往往是測(cè)值是否穩(wěn)定和準(zhǔn)確的關(guān)鍵。
——在測(cè)試前應(yīng)使探頭和被測(cè)部位保持潔凈。我們知道，測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，如果探頭或被測(cè)部位有污物，而污物又有導(dǎo)電性或?qū)Т判裕@就有可能影響測(cè)量結(jié)果。
——探頭端部通常都有一個(gè)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(cè)部位接觸。如果是測(cè)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(cè)部位的柱面（外圓弧面）平穩(wěn)接觸。
——探頭產(chǎn)生感應(yīng)場(chǎng)和采集感應(yīng)信號(hào)都需要時(shí)間（盡管很短暫），因此，在測(cè)量時(shí)必須在聽(tīng)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(duì)同一部位連續(xù)測(cè)量，建議在前次測(cè)量后應(yīng)將探頭移離被測(cè)部位在25mm以上、并間隔半秒以上，然后在進(jìn)行下次測(cè)量。否則盡管此次測(cè)值完成，但是探頭離得太近、或間隔太短，會(huì)在基材表面殘留感應(yīng)場(chǎng)，從而影響同一部位的下次測(cè)量。
——當(dāng)探頭接觸到的是未固化的覆層，可能會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有測(cè)值的現(xiàn)象。這是因?yàn)椋@種情況下的接觸，使得探頭無(wú)法在基材上產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)磁場(chǎng)或電渦流場(chǎng)，從而使得需要采集的信號(hào)不穩(wěn)定。如果一個(gè)被采集的信號(hào)總在變化，不能穩(wěn)定在0.5秒以上，則探頭會(huì)不識(shí)別該信號(hào)。

4、關(guān)于校準(zhǔn)
校準(zhǔn)的含義有兩個(gè)方面。
一個(gè)方面是，儀器自身的校準(zhǔn)。
這主要用于評(píng)價(jià)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(guò)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(gòu)買(mǎi)，當(dāng)然，習(xí)慣做法是，由儀器生產(chǎn)商代為購(gòu)買(mǎi)或是贈(zèng)送。
另一份方面是，測(cè)量時(shí)的校準(zhǔn)。
對(duì)儀器自身的校準(zhǔn)，只是確認(rèn)了儀器對(duì)感應(yīng)信號(hào)捕捉的敏感、精確，但這并不代表這符合實(shí)際的測(cè)量情況。下面，我們借助一個(gè)對(duì)磁性基材上非磁性涂層的測(cè)量示意來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。
假如有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，在一個(gè)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(shí)，磁力線在探頭的磁芯和基體間透過(guò)涂層透過(guò)“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(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度越弱。我們由此可以通過(guò)校準(zhǔn)的方式得出一個(gè)平均感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)計(jì)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(zhǎng)短會(huì)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(shuō)，中心線上的磁力線長(zhǎng)度和邊緣的磁力線長(zhǎng)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(zhǎng)、變短即可以計(jì)算出涂層厚度的變化來(lái)。
但是，如果實(shí)際測(cè)量時(shí)，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(huì)有什么樣的變化的，我們來(lái)看看。
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(zhǎng)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(lái)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(duì)感應(yīng)信號(hào)采集、計(jì)算的敏感性、準(zhǔn)確性，但是，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，必須在實(shí)際工件上再做測(cè)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(wú)幾，或者我們能夠判定，這種差異引起的測(cè)值誤差在允許范圍內(nèi)，那么，可以不用進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。
如何進(jìn)行測(cè)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(wú)可能、也非必要，變通的做法是，在實(shí)際工件上的某個(gè)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(méi)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(cè)量的精度。
c，更為簡(jiǎn)單的做法，如果我們確知實(shí)際工件的某個(gè)部位，其覆層厚度符合工藝要求，那么就在這個(gè)部位進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)然，這也意味著，其它部位測(cè)量時(shí)的誤差都將是以這個(gè)部位的覆層厚度值為基準(zhǔn)的。
（提示：對(duì)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(guò)對(duì)原理的理解，我們明白，磁感應(yīng)法和電渦流法測(cè)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(cè)量不能實(shí)現(xiàn)。而磁場(chǎng)、電渦流場(chǎng)、感應(yīng)磁場(chǎng)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(shuō)明。
外凸面的覆層測(cè)量

通常會(huì)顯示正偏差，當(dāng)曲率半徑小于一定值時(shí)，必須進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)（鐵磁性基材曲率半徑小于20mm時(shí)，導(dǎo)電性基材曲率半徑小于50mm時(shí)）。
內(nèi)凹面的覆層測(cè)量，

通常會(huì)顯示負(fù)偏差，當(dāng)曲率半徑小于一定值時(shí)，必須進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)（鐵磁性基材曲率半徑小于25mm時(shí)，導(dǎo)電性基材曲率半徑小于50mm時(shí)）
邊緣部分的覆層測(cè)量，
通常會(huì)顯示正偏差，當(dāng)A小于5mm時(shí)必須進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。
靠近側(cè)壁的覆層測(cè)量，
通常會(huì)顯示負(fù)偏差，當(dāng)A小于5mm時(shí)，必須進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。
凹槽底部的覆層測(cè)量，
通常會(huì)顯示負(fù)偏差，當(dāng)D小于20mm時(shí)，必須進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。
極薄基材上的覆層測(cè)量，
對(duì)于鐵磁性基材，通常會(huì)顯示正偏差，對(duì)于導(dǎo)電性基材，通常會(huì)顯示負(fù)偏差。當(dāng)T小于0.6mm時(shí)，必須進(jìn)行測(cè)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(wú)論是否校準(zhǔn)，測(cè)量都不能實(shí)現(xiàn)。
噴丸表面上覆層的測(cè)量，
a，對(duì)于Rz值小于20μm的噴丸面上的覆層測(cè)量。先在無(wú)覆層的基材上面測(cè)量十次進(jìn)行較零，接著將涂層試片覆蓋其上，測(cè)量五次進(jìn)行校正，則測(cè)量校準(zhǔn)完成，需要記住的是，即便完成了測(cè)量校準(zhǔn)，在實(shí)際測(cè)量中，仍然必須多次測(cè)量取平均值。
b，對(duì)于Rz值大于20μm的噴丸面上的覆層測(cè)量。此時(shí)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(wú)覆層的噴丸表面上進(jìn)行測(cè)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(cè)量，再取平均值，這兩個(gè)平均值之差的值就是覆層厚度。
“軟"覆層的測(cè)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(huì)有微小的凹坑，從而影響測(cè)量。此時(shí)可以將一個(gè)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(cè)量
某些情況下，不待*冷卻，就需要對(duì)覆層進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)的溫度通常超過(guò)60℃，一方面，熱量會(huì)傳導(dǎo)給探頭的樹(shù)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(chǎng)會(huì)因?yàn)檫^(guò)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(chǎng)和電渦流場(chǎng)也會(huì)因?yàn)闇囟鹊倪^(guò)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(gè)問(wèn)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(lái)的基材本身的磁場(chǎng)或電渦流場(chǎng)的畸變。當(dāng)然，這往往意味著儀器需要提供更高的精度。