CN108592776A - 利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头 - Google Patents
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Abstract
利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，涉及涂层测厚仪。设有探头底端、探头磁端、压力底座、压力上盖、弹簧和接触底座；所述探头底座和探头磁端为测量部分，压力底座、压力上盖和弹簧为机械装置，压力底座与压力上盖通过螺纹连接，其中压力底座为外螺纹，压力上盖为内螺纹；所述弹簧嵌于探头磁端的尾部和压力上盖的尾柱之间，探头底端的尾部设有2个突出的卡位键，探头底端尾部的卡位键与压力底座尾部的卡位槽间隙配合，进而限制探头底端轴向的旋转和xy平面的平动，使得探头底端能沿其轴向平动；探头底端和探头磁端间通过螺纹连接，其中探头底端为内螺纹，探头磁端为外螺纹。
Description
技术领域
本发明涉及涂层测厚仪，尤其是涉及利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头。
背景技术
现有的磁性测厚方法，主要通过测量磁路磁阻的变化来间接地测量涂层的厚度，即当探头与涂层接触时，探头与磁性金属基体构成一条闭合磁路，由于非磁性涂层的存在，往探头内线圈通入高频正弦激励信号时，磁路磁阻变化，可以通过这一变化来计算得到涂层的厚度。
现有的磁性非磁性通用电涡流测厚方法为：当探头与被测试样接触时，探头装置所产生的高频电磁场，使置于探头下的金属导体产生涡流，其振幅和相位是导体与探头之间非导电覆盖层厚度的函数。即该涡流产生的交变电磁场会改变探头参数，而探头参数变量的大小则取决于涂镀层的厚度。通过测量探头参数变量的大小，并将这一电信号转换处理，即可得到被测涂镀层的厚度值。
传统的磁性测量方法与电涡流测量方法都是通过线圈式结构，以高频正弦激励信号为输入信号来产生电磁场进而测量涂层的厚度。
目前在国内典型涡流测厚仪如时代集团公司研制的TT230型数宇式覆层测厚仪是国内率先实现仪器主机与探头一体化，待测基体最小曲率半径为凸3mm,凹10mm，基体最小而积的直径Φ5mm，基体临界厚度为0.3mm。国外先进的涂层测厚仪，如Quanix1500型测厚仪，它实现了同一仪器兼顾磁性与涡流两种测厚原理，通过主机正反两侧各自独立的镶有红宝石探针的内置式测头，即可应用磁性方法测量钢铁等磁性基体上非磁性涂镀层厚度，也可应用涡流方法测量铝、铜等非磁性金属基体上非导电覆盖层厚度。其涡流法的测量范围为0～200μm，测量精度2％～5％。
发明内容
本发明的目的是提供成本低、精度高的利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头。
本发明设有探头底端、探头磁端、压力底座、压力上盖、弹簧和接触底座；所述探头底座和探头磁端为测量部分，压力底座、压力上盖和弹簧为机械装置，压力底座与压力上盖通过螺纹连接，其中压力底座为外螺纹，压力上盖为内螺纹；所述弹簧嵌于探头磁端的尾部和压力上盖的尾柱之间，探头底端的尾部设有2个突出的卡位键，探头底端尾部的卡位键与压力底座尾部的卡位槽间隙配合，进而限制探头底端轴向的旋转和xy平面的平动，使得探头底端能沿其轴向平动；探头底端和探头磁端间通过螺纹连接，其中探头底端为内螺纹，探头磁端为外螺纹。
本发明内嵌有线性霍尔芯片以及永久磁铁，霍尔芯片嵌在探头底端，探头底端直接与铁基表面贴合；永久磁嵌在探头磁端的头部，永久磁铁通过螺纹与探头底端配合。
所述探头磁端的头部嵌有1个D5*1和磁铁表磁强度为1200Gauss的圆形铷铁硼永久磁。若铁基等磁性金属基体较厚(>1000um)或涂层较厚(>2cm)时，可在探头磁端再嵌入一个同规格同型号的磁铁来加强磁性。探头底端嵌有线性霍尔芯片，根据不同的需求采用不同的型号：霍尼韦尔SS495A2芯片用于高精度测量，霍尼韦尔SS496A1芯片用于大量程测量，霍尼韦尔SS495A1芯片用于高稳定测量。所述霍尔芯片可置于永久磁之下，基体之上。所述霍尔芯片可采用霍尼韦尔公司的SS495A1芯片、SS496A1芯片、SS495A2芯片等中的一种。所述磁铁与霍尔芯片表面存在间隙可为2mm。
探头底端的头部略高出压力底座的头部。受外界压作用力时，高出部分的平面与基体平面直接接触。当外界压作用力继续增大时，探头底端的高出部分沿轴向收缩，直至压力底座与基体平面接触。此时，探头底端的头部和压力底座的头部均同时与基体平面接触。当外界压作用力再增大时，探头底端不再收缩，且与基体平面的接触压力为恒定预设值。
探头底端下表面可设有4个直径1mm的孔，通过过盈配合与接触底座突出的4个柱结构相连。接触底座的另一面为耐磨钨合金制成的半球形突起结构，主要用于保证探头与基体接触方式为点接触，且防止探头因磨损造成的误差。
铁基等磁性基体表面存在非磁性涂层时，磁铁与基体表面间的磁通量会发生变化，而磁通量的变化会引起霍尔电压发生变化。霍尔电压随金属表面的涂层增厚而降低。将霍尔芯片置于磁铁与铁基表面之前时，可以测得这一变化，根据霍尔电压值及其变化量可以计算得到相应的涂层厚度。在探头中嵌入线性霍尔芯片以及适当的永久磁，可使测量精度达到1μm级别。
附图说明
图1为本发明实施例的整体剖析图。
图2为本发明实施例的局部剖析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
参见图1和2，本发明实施例设有探头底端1-4、探头磁端1-3、压力底座1-5、压力上盖1-1、弹簧1-2和接触底座2-5；所述探头底端1-4和探头磁端1-3为测量部分，压力底座1-5、压力上盖1-1和弹簧1-3为机械装置，压力底座1-5与压力上盖1-1通过螺纹连接，其中压力底座1-5为外螺纹，压力上盖1-1为内螺纹；所述弹簧1-2嵌于探头磁端1-3的尾部和压力上盖1-1的尾柱之间，探头磁端1-3的尾部设有2个突出的卡位键2-2，探头磁端1-3尾部的卡位键2-2与压力底座1-5尾部的卡位槽2-1间隙配合，进而限制探头底端1-4轴向的旋转和xy平面的平动，使得探头底端1-4能沿其轴向平动；探头底端1-4和探头磁端1-3间通过螺纹连接，其中探头底端1-4为内螺纹，探头磁端1-3为外螺纹。
在图1和2中，标记2-3-1为磁铁槽，2-3-2为加强磁铁槽。
所述探头磁端的头部嵌有1个D5*1和表磁强度为1200Gauss的圆形铷铁硼永久磁。若铁基等磁性金属基体较厚(>1000um)或涂层较厚(>2cm)时，可在探头磁端再嵌入一个同规格同型号的磁铁来加强磁性。探头底端嵌有线性霍尔芯片，根据不同的需求采用不同的型号：霍尼韦尔SS495A2芯片用于高精度测量，霍尼韦尔SS496A1芯片用于大量程测量，霍尼韦尔SS495A1芯片用于高稳定测量。
探头底端的头部略高出压力底座的头部。受外界压作用力时，高出部分的平面与基体平面直接接触。当外界压作用力继续增大时，探头底端的高出部分沿轴向收缩，直至压力底座与基体平面接触。此时，探头底端的头部和压力底座的头部均同时与基体平面接触。当外界压作用力再增大时，探头底端不再收缩，且与基体平面的接触压力为恒定预设值。
探头底端下表面可设有4个直径1mm的孔，通过过盈配合与接触底座2-5突出的4个柱结构相连。接触底座2-5的另一面为耐磨钨合金制成的半球形突起结构，主要用于保证探头与基体接触方式为点接触，且防止探头因磨损造成的误差。
在未接触基体的预设情况下，弹簧处于预压缩状态，弹簧对探头磁端的反作用力使得探头底端的卡位键与压力底座的卡位槽紧紧相触。探头底端头部比压力底座头部略微凸出约1.5mm。这个距离称为预设压缩量。预设压缩量决定了了探头底端与基体接触时的压力。
在未接触基体的预设情况下，由于永久磁的存在，芯片槽2-4处的磁感应强度不为零，但由于霍尔芯片与永久磁之间存在间隙，霍尔芯片输出电压所指示的磁场强度会小于而非等于实际永久磁的表磁强度。此时，霍尔芯片的输出电压可以看作涂层无穷厚下的霍尔电压，称作空电压。空电压受温度、芯片输入电压、芯片的电子偏移等因素影响，它直观地反应当前探头和芯片是否工作在正常状态。
当探头直接与铁基等磁性基体接触时，外加压作用力必须大于等于预压力，即使得探头底端凸出的部分完全缩回，探头底端头部的平面与压力底座的支撑面完全吻合时，测量值才为有效值。即使在相同情况下，外加压作用力也可能会不同，但由于压力装置和弹簧的存在，当探头底端完全缩回时，它与基体表面的压力是恒定值。
当探头直接与铁基等磁性基体完全接触，且基体表面无涂层时，铁基等磁性基体会被磁铁磁化，同时地，被磁化的铁基也会改变探头底座的头部，探头磁端的头部及其周围的磁场分布，包括在两者之间的霍尔芯片表面的磁场强度。这种变化对夹杂在磁铁和铁基之间的霍尔芯片来说会在芯片的输出电压上有明显的体现，输出电压与输入电源电压半值(0Gauss时的输出电压值)间电压差会增加。此时的输出电压值是涂层为零时的霍尔电压，称作零点电压。当预设压缩量及空电压一定时，相同材质相同曲率半径的磁性基体的零点电压基本保持不变。
当探头直接与铁基等磁性基体完全接触，且基体表面有非磁性涂层时，铁基等磁性基体仍会被磁化，探头周围的磁场以及霍尔电压仍会发生变化。但由于非磁性涂层的存在，这种基体的磁化效果会明显弱于无涂层的情况下的磁化效果，霍尔电压会更趋向于输入电源电压半值，即输出电压与输入电源电压半值间的电压差会减小。此时的电压称为测量电压。在空电压一定时，测量电压与涂层的磁性，涂层的厚度，以及基体表面的曲率半径有关。但由于本发明只针对非磁性涂层，故不考虑磁性涂层的影响。但若知道磁性涂层的磁导率，亦可通过测量电压计算磁性涂层的厚度。
Claims (10)
1.利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于设有探头底端、探头磁端、压力底座、压力上盖、弹簧和接触底座；所述探头底座和探头磁端为测量部分，压力底座、压力上盖和弹簧为机械装置，压力底座与压力上盖通过螺纹连接，其中压力底座为外螺纹，压力上盖为内螺纹；所述弹簧嵌于探头磁端的尾部和压力上盖的尾柱之间，探头底端的尾部设有2个突出的卡位键，探头底端尾部的卡位键与压力底座尾部的卡位槽间隙配合，进而限制探头底端轴向的旋转和xy平面的平动，使得探头底端能沿其轴向平动；探头底端和探头磁端间通过螺纹连接，其中探头底端为内螺纹，探头磁端为外螺纹。
2.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于内嵌有线性霍尔芯片以及永久磁铁，霍尔芯片嵌在探头底端，探头底端直接与铁基表面贴合；永久磁嵌在探头磁端的头部，永久磁铁通过螺纹与探头底端配合。
3.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于所述探头磁端的头部嵌有1个D5*1和磁铁表磁强度为1200Gauss的圆形铷铁硼永久磁。
4.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于若铁基等磁性金属基体厚度>1000um或涂层厚度>2cm时，在探头磁端再嵌入一个同规格同型号的磁铁，用于加强磁性。
5.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于所述探头底端嵌有线性霍尔芯片。
6.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于所述霍尔芯片置于永久磁铁之下，基体之上。
7.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于所述霍尔芯片采用霍尼韦尔公司的SS495A1芯片、SS496A1芯片、SS495A2芯片中的一种。
8.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于所述磁铁与霍尔芯片表面存在间隙为2mm。
9.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于探头底端的头部高出压力底座的头部，高出部分的平面与基体平面直接接触。
10.如权利要求1所述利用霍尔效应测量铁基表面上非磁性涂层的探头，其特征在于探头底端下表面设有4个直径1mm的孔，通过过盈配合与接触底座突出的4个柱结构相连。
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