CN106500581A - 一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，包括以下步骤：（a）标定步骤：采用涡流相位法测量出不同标定试件的不同已知涂镀层厚度对应的标定相位，建立标定相位与涂镀层厚度之间的对应关系；（b）实测步骤：采用与步骤（a）相同的涡流相位法，测量出待测对象的涂镀层对应的测试相位，根据步骤（a）得到的标定相位与涂镀层之间的对应关系，计算出待测对象的涂镀层厚度；其解决了目前在电导率差别很小、在电导率差别很小且基体金属电导率在一定范围内发生变化时的测量需求。

Description

一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种利用涡流相位法的非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法。

背景技术

基体金属涂镀有薄涂层时，测量涂镀层的厚度是非常重要的。涂镀层的电导率与基体金属明显不同时，比如基体金属和涂镀层金属两者中，其中一种金属的电导率至少是另外一种金属的电导率的1.5倍时，涂镀层厚度的测量是用一般方法进行的，例如相敏涡流方法。但在涂镀某些基体金属时，基体与涂镀层金属电导率只有轻微的差别，例如基体金属和涂镀层金属两者中，其中一种金属的电导率小于或等于另外一种金属电导率的1.5倍时，用锆金属涂镀锆锡合金管材就是这样，此时，相敏涡流方法误差较大。所以，电导率差别很小时，涂镀层厚度的测量就很困难。另外，在某些特殊应用中，除基体与涂镀层金属电导率有轻微的差别外，还允许基体金属电导率在一定范围内发生变化，涂镀层的测量就更加困难。

当基体金属和涂镀层金属电导率差别很小时，测量涂镀层厚度的另外一种方法是扫频涡流法，其扫频在10千赫至10兆赫之间，在相同材料经涂镀和未经涂镀的基体中产生变频涡流并将所产生的涡流进行比较以得到涂镀层厚度。该种方法要求基体金属电导率不能发生变化，对于基体金属电导率变化的情况，测量结果就会发生较大误差，不能满足使用要求而不再适用；另外，扫频法要求采用未经涂镀的基体金属进行涡流信号对比，在某些情况下，比如三层及以上金属的涂镀层厚度测量时，未经涂镀的基体不易得到或不宜暴露在流通空气中时，该种方法的应用将会受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，解决目前在电导率差别很小、在电导率差别很小且基体金属电导率在一定范围内发生变化时的测量需求。

发明人在长期的研究工作中发现以下规律：

对于基体是金属，涂镀层也是金属的复合材料，一般情况是涉及电导率为σb的厚基体金属带有一层其电导率为σp和厚度为Dp的薄有色金属镀层，其中，b表示基体，p表示镀层。这时，探头检测线圈的阻抗或电压是基体金属电导率以及表面层的电导率和厚度两者的函数。图1是阻抗平面图的一个例子，它是用各种镀层材料和基体金属、并在各种频率下完成的大量测量中选出来的。

图1明确地指出了在各种基体材料上不同厚度的银镀层对检测线圈阻抗的影响。轨迹线P0、P1、P2、…、Ag相应于检测线圈下银层厚度的增加且在没有基体金属的情况下，P0是银层厚度D＝0时空载检测线圈的阻抗。点Ag相应于“无限厚”的整体银，此时，进一步增加厚度，不再能影响检测线圈的表观阻抗。标记了“Al”、“黄铜”和“Pb”的各点分别表示放置在无限厚的铝、黄铜和铅上时探头线圈的表观阻抗。在图中可以看到，从“Ag”点到基体金属是“Al”和“黄铜”的区间，从10μm到95μm不同“Ag”涂镀层的相位不同，但涂镀层厚度相同时相位基本相等。根据图1推断：检测基体金属上涂镀层厚度时，当基体金属电导率在一定范围内发生变化，只要满足基体金属电导率和涂镀层电导率之差≤50％时，换句话说，即是基体金属和涂镀层金属两者中，其中一种金属的电导率小于或等于另外一种金属电导率的2倍，涂镀层厚度相同时，阻抗点的相位基本相等；当涂镀层厚度不同时，阻抗点的相位则呈现一定的变化规律。由此，在一定的检测条件下，可以建立阻抗点相位和涂镀层厚度之间的对应关系，进而对涂镀层厚度进行检查。

基于以上规律，发明人创新了一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，包括以下步骤：

(a)标定步骤：采用涡流相位法测量出不同标定试件的不同已知涂镀层厚度对应的标定相位，建立标定相位与涂镀层厚度之间的对应关系；

(b)实测步骤：采用与步骤(a)相同的涡流相位法，测量出待测对象的涂镀层对应的测试相位，所述标定试件的涂镀层与待测对象的涂镀层的电导率相同且标定试件的基体与待测对象的基体的电导率相对偏差≤50％，根据步骤(a)得到的标定相位与涂镀层之间的对应关系，计算出待测对象的涂镀层厚度。

本发明包括标定步骤和实测步骤，利用涡流相位法测量不同的标定试件的涂镀层厚度值与涡流相位值之间的一一对应关系，并利用该对应关系和采用一定的计算方式来计算出测试相位所对应的待测对象的涂镀层厚度值，从而得出涂镀层厚度测量值，该方法所预置的涂镀层厚度标定试样越多，则实际检测的涂镀层厚度值也越精确。现有的非铁磁性涂镀层厚度一般采用幅值分析的方法，这种方法有一定局限性：要求基体金属和涂镀层金属两者中，其中一种金属的电导率小于或等于另外一种金属电导率的1.5倍，对基体金属和涂镀层金属电导率相近不满足如上要求时，幅值分析法不再适用；本方法基于涡流相位法测量待测对象的涂镀层厚度，不仅适用于双层金属时待测对象的基体金属和涂镀层金属电导率较为接近的情况以及在两者电导率较为接近时且待测对象的基体金属电导率在一定范围内发生变化的情况，也适用于三层或三层以上多层金属时基体金属和涂镀层金属电导率接近的情况以及在两者电导率较为接近时且待测对象的基体金属电导率在一定范围内发生变化的情况时的涂镀层厚度的测量。

作为优选，所述步骤(a)的具体过程为：

(a1)预置一具有笔式涡流探头的涡流传感器、一金属板和多个已知涂镀层厚度的标定试件；所述金属板的材质和待测试件的涂镀层的材质相同，金属板的厚度等于或大于涂镀层标准渗透深度的5倍，以使涡流电磁场集中分布在金属板中，金属板的长、宽分别大于标定试样的长、宽；

(a2)在金属板上建立涡流信号相位测量的起始点；

(a3)将涡流探头放置在一已知涂镀层厚度的标定试件上，涡流传感器由涡流仪发出的一个预置信号激励，涡流探头的输出经涡流仪滤波、放大后由数据处理单元处理成与标定试件的已知涂镀层厚度相对应的标定相位；

(a4)将涡流探头依次放置在其它的已知涂镀层厚度的标定试件上，得到标定试件的不同已知涂镀层厚度所对应的标定相位，得到标定相位与涂镀层厚度的一一对应关系。

所述涡流传感器包括一个铁氧体磁芯、一个检测线圈以及一层激励线圈，检测线圈采用上下差分的方式缠绕在磁芯外，激励线圈缠绕在检测线圈外；

所述步骤(a1)中，标定试件的不同已知涂镀层厚度值中包括待测对象的涂镀层厚度的上限值和下限值。

所述步骤(a4)中，以标定相位为纵坐标、涂镀层厚度为横坐标，建立直角坐标系。

所述步骤(b)的具体过程为：

(b1)将涡流探头放置在待测对象上，涡流传感器由涡流仪发出的一个与标定步骤相同的预置信号激励，涡流探头的输出经涡流仪滤波、放大后由数据处理单元处理成测试相位；

(b2)将所述测试相位与各标定相位依次进行比较判断，找出与测试相位相邻的两个标定相位，并根据标定相位、标定试件的已知涂镀层厚度的变化规律计算出测试相位所对应的涂镀层厚度值。

步骤b1中，若待测对象为多层金属且涂镀层下的多层金属总厚度之和小于涂镀层金属标准渗透深度的2.5倍，则需在待测对象下放置与最下层金属电导率相对偏差≤50％的补偿块，加了补偿块后对电磁场作用范围来讲，最下层金属就相当于无限厚，从而消除其它层金属对涂镀层厚度检测的影响。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

基于本发明的涡流相位法测量非铁磁性金属基体上非铁磁性金属涂镀层厚度，其特别适用于测量基体金属和涂镀层金属电导率较为接近的情况及在两者电导率较为接近时，基体金属电导率在一定范围内发生变化的情况，不仅能够适用于双层金属中的涂镀层厚度的测量，还可以适用于多层金属的涂镀层厚度的测量。

附图说明

图1为各种基体材料上不同厚度的银镀层与检测线圈阻抗的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，包括以下步骤：

(a)标定步骤：采用涡流相位法测量出不同标定试件的不同已知涂镀层厚度对应的标定相位，建立标定相位与涂镀层厚度之间的对应关系；

(b)实测步骤：采用与步骤(a)相同的涡流相位法，测量出待测对象的涂镀层对应的测试相位，所述标定试件的涂镀层与待测对象的涂镀层的电导率相同且标定试件的基体与待测对象的基体的电导率相对偏差≤50％，根据步骤(a)得到的标定相位与涂镀层之间的对应关系，计算出待测对象的涂镀层厚度。

所述步骤(a)的具体过程为：

(a1)预置一具有笔式涡流探头的涡流传感器、一金属板和多个已知涂镀层厚度的标定试件，所述金属板的材质和试件的涂镀层的材质相同，金属板的厚度等于或大于涂镀层标准渗透深度的5倍，金属板的长、宽分别大于标定试样的长、宽，其长和宽均至少≥70mm，以免发生涡流电磁场边缘效应而影响检测数据，具体长、宽应根据待测对象尺寸来设计；涡流传感器包括一个铁氧体磁芯、一个检测线圈以及一层激励线圈，检测线圈采用上下差分的方式缠绕在磁芯外，激励线圈缠绕在检测线圈外；其中，标定试件的不同已知涂镀层厚度值中包括待测对象的涂镀层厚度的上限值和下限值；

(a2)在金属板上建立涡流信号相位测量的起始点；

(a3)将涡流探头放置在一已知涂镀层厚度的标定试件上，涡流传感器由涡流仪发出的一个预置信号激励，涡流探头的输出经涡流仪滤波、放大后由数据处理单元处理成与标定试件的已知涂镀层厚度相对应的标定相位；

(a4)将涡流探头依次放置在其它的已知涂镀层厚度的标定试件上，得到标定试件的不同已知涂镀层厚度所对应的标定相位，得到标定相位与涂镀层厚度的一一对应关系，即以标定相位为纵坐标、涂镀层厚度为横坐标，建立直角坐标系。

所述步骤(b)的具体过程为：

(b1)将涡流探头放置在待测对象上，涡流传感器由涡流仪发出的一个与标定步骤相同的预置信号激励，涡流探头的输出经涡流仪滤波、放大后由数据处理单元处理成测试相位；

(b2)将所述测试相位与各标定相位依次进行比较判断，找出与测试相位相邻的两个标定相位，并根据标定相位、标定试件的已知涂镀层厚度的变化规律计算出测试相位所对应的涂镀层厚度值。

上述步骤b1适用于绝大多数情况，譬如待测对象是两层金属或者涂镀层下的多层金属总厚度之和大于涂镀层金属标准渗透深度的2.5倍的多层金属；当待测对象为多层金属且涂镀层下的多层金属总厚度之和小于涂镀层金属标准渗透深度的2.5倍时，则需在待测对象下放置与最下层金属电导率相同或相近的补偿块以使第二层以下金属厚度加上补偿块的总厚度大于等于涂镀层标准渗透深度的2.5倍，此处的相同或相近应理解为补偿块与最下层金属电导率相对偏差≤50％，加了补偿块后对电磁场作用范围来讲，最下层金属就相当于无限厚，从而消除其它层金属对涂镀层厚度检测的影响。

现以一具体实施方式对上述方法进行详细阐述，该方式中待测对象为两层金属。

在标定过程，它包括如下实施步骤：

步骤a1：预置5个具有已知涂镀层厚度的标定试件K1、K2、K3、K4、K5，所述标定试件应满足如下要求：标定试件的涂镀层材料应和被检对象相同；标定试件的基体材料应和被检对象基体材料相同或与基体材料电导率相近；加工工艺和热处理状态应和被检对象相同；标定试件的长、宽应能够克服涡流探头边缘效应对检测的影响；标定试件的涂镀层厚度应包含被检对象涂镀层厚度的上限和下限，中间再取几个点，取的点多，模拟出的标定曲线越接近实际情况，检测精度就高；标定试样的基体厚度满足被检对象基体厚度的要求。标定试件K1、K2、K3、K4、K5对应的已知涂镀层厚度分别为C1、C2、C3、C4、C5；

预置一具有笔式涡流探头的涡流传感器，涡流传感器包括一铁氧体磁芯、磁芯外缠绕的上下差分的检测线圈、检测线圈外缠绕着一层激励线圈；

预置一金属板，金属板材料和涂镀层材料相同，且金属板厚度大于等于5倍涂镀层厚度；其长、宽至少≥70mm，以免发生涡流电磁场边缘效应而影响检测数据，具体长、宽应根据待测对象尺寸来设计。

步骤a2：将涡流探头放置在预置的金属板上，将涡流线圈阻抗置零点，即在厚金属板上建立涡流信号相位测量的起始点，当探头放置在带涂镀层的检测对象上时，阻抗点位置将会不同，测量该点相对于阻抗0点的相位，即为该涂镀层厚度对应的阻抗相位；

步骤a3：将涡流探头放置在标定试件K1上，涡流传感器由涡流仪发出的一个预置信号激励，它的输出经涡流仪滤波、放大后由以计算机为核心的数据处理单元处理成与所述标定试件的已知涂镀层厚度C1相对应的标定相位P1；

步骤a4：将涡流探头依次放置在其它的已知涂镀层厚度的标定试件K2、K3、K4、K5上，通过改变标定试件的已知涂镀层厚度的大小，即C2、C3、C4、C5,，重复步骤a3得到多个标定试样的不同已知涂镀层厚度所对应的标定相位P2、P3、P4、P5，获得以上述标定相位及其所对应的已知涂镀层厚度为纵、横坐标的一一对应关系，即涂镀层厚度C1、C2、C3、C4、C5分别对应于标定相位P1、P2、P3、P4、P5，以标定相位P为横坐标，以涂镀层厚度C为纵坐标，建立标定相位P与对应涂镀层厚度C之间的关系曲线；也可以用标定试件的涂镀层厚度C为横坐标，标定相位P为纵坐标，利用最小二乘法拟合，建立标定相位P与对应涂镀层厚度C之间的函数关系和关系曲线；以前者为例，则在关系曲线中，有如下5个坐标点，即(P1，C1)、(P2，C2)、(P3，C3)、(P4，C4)、(P5，C5)；并将所述标定相位和对应的涂镀层厚度值存储在计算机的存储装置中；

在实测过程，它包括如下步骤：

b1、将涡流探头放置在一被检对象上，涡流传感器由涡流仪发出的一个预置信号激励，它的输出经滤波、放大后由以计算机为核心的数据处理单元处理成测试相位PX；

b2、计算机的CPU中央处理器将所述测试相位与所述各标定相位P1、P2、P3、P4、P5依次进行比较判断，并在标定相位、标定试件的已知涂镀层厚度为纵、横坐标的图系中，按照其变化规律计算出测试相位所对应的涂镀层厚度值；

b3、计算机的显示单元显示出被检对象的被测涂镀层厚度的数值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）标定步骤：采用涡流相位法测量出不同标定试件的不同已知涂镀层厚度对应的标定相位，建立标定相位与涂镀层厚度之间的对应关系；

（b）实测步骤：采用与步骤（a）相同的涡流相位法，测量出待测对象的涂镀层对应的测试相位，所述标定试件的涂镀层与待测对象的涂镀层的电导率相同且标定试件的基体与待测对象的基体的电导率相对偏差小于等于50%，根据步骤（a）得到的标定相位与涂镀层之间的对应关系，计算出待测对象的涂镀层厚度。

2.根据权利要求1所述的一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，其特征在于：所述步骤（a）的具体过程为：

（a1）预置一具有笔式涡流探头的涡流传感器、一金属板和多个已知涂镀层厚度的标定试件，所述金属板的材质和试件的涂镀层的材质相同，金属板的厚度等于或大于涂镀层金属标准渗透深度的5倍，金属板的长、宽分别大于标定试样的长、宽；所述涡流传感器包括一个铁氧体磁芯、一个检测线圈以及一层激励线圈，检测线圈采用上下差分的方式缠绕在磁芯外，激励线圈缠绕在检测线圈外；

（a2）在金属板上建立涡流信号相位测量的起始点；

（a3）将涡流探头放置在一已知涂镀层厚度的标定试件上，涡流传感器由涡流仪发出的一个预置信号激励，涡流探头的输出经涡流仪滤波、放大后由数据处理单元处理成与标定试件的已知涂镀层厚度相对应的标定相位；

（a4）将涡流探头依次放置在其它的已知涂镀层厚度的标定试件上，得到标定试件的不同已知涂镀层厚度所对应的标定相位，得到标定相位与涂镀层厚度的一一对应关系。

3.根据权利要求2所述的一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，其特征在于：所述步骤（a1）中，标定试件的不同已知涂镀层厚度值中包括待测对象的涂镀层厚度的上限值和下限值。

4.根据权利要求2所述的一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，其特征在于：所述步骤（a4）中，以标定相位为纵坐标、涂镀层厚度为横坐标，建立直角坐标系。

5.根据权利要求2所述的一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，其特征在于：所述步骤（b）的具体过程为：

（b1）将涡流探头放置在待测对象上，涡流传感器由涡流仪发出的一个与标定步骤相同的预置信号激励，涡流探头的输出经涡流仪滤波、放大后由数据处理单元处理成测试相位；

（b2）将所述测试相位与各标定相位依次进行比较判断，找出与测试相位相邻的两个标定相位，并根据标定相位、标定试件的已知涂镀层厚度的变化规律计算出测试相位所对应的涂镀层厚度值。

6.根据权利要求5所述的一种非铁磁性金属上非铁磁性金属涂镀层厚度的测量方法，其特征在于：步骤b1中，若待测对象为多层金属且涂镀层下的多层金属总厚度之和小于涂镀层金属标准渗透深度的2.5倍，则需在待测对象下放置与最下层金属电导率相对偏差小于等于50%的补偿块。