CN114136201B - 基于光学透明导电介质材料的电涡流探头及薄膜厚度测量系统和方法 - Google Patents

基于光学透明导电介质材料的电涡流探头及薄膜厚度测量系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光学透明导电介质材料的电涡流探头及薄膜厚度测量系统和方法，将电涡流探头中的线圈结构进行了扁平化的绕线方式设计，节省纵向空间，以适应狭小的测量环境。该电涡流探头结构设计轻巧，使用和加工都非常便利，本发明公开的薄膜厚度测量系统利用固定夹具、螺旋调节器、集线夹具使光谱共焦传感器与电涡流探头组合为整体且使信号发射面保持平行，以使光路与电磁波能够平行或共轴；螺旋调节器用以调节电涡流传感器与光谱共焦传感器信号发射面之间距离，从而适应不同型号传感器的工作距离，保证其测量值在有效量程及灵敏度等要求范围内。在测量方法上，通过光谱共焦传感器和电涡流传感器组合测量，在精度和分辨率上得到了改善。

Description

基于光学透明导电介质材料的电涡流探头及薄膜厚度测量系 统和方法
技术领域
本发明属于薄膜(涂层)厚度测量领域，涉及一种基于光学透明导电介质材料的电涡流探头和其组成的非接触式薄膜厚度无损测量系统和方法。
背景技术
为了满足飞机、汽车制造等领域的一些零部件表面质量，及相应的防腐、绝缘、隔热、隔振、防雷达波反射等要求，加之现代化设计理念对工业品美观、图案个性化的追求，往往会在这些零部件表面涂覆功能性薄膜，如防锈漆膜、隔热层、绝缘涂层、防反射层等。其中，涂层的厚度检测是衡量涂层隔离能力、涂层寿命以及喷涂质量的一项重要指标，涂层太厚或者太薄都会影响相应的性能，或引发其他问题，如装配公差超出范围等。另外对于一些芯片制造领域的PCB板、芯片板等零件，也需要进行精确的厚度测量，否则影响其性能指数与装配的精密性。
以上领域的功能性薄膜，通常其厚度及喷涂均匀性要求高，且往往涂覆在一些非平面结构表面；为避免划伤、磨损、压痕，或避免接触式测量方法对一些软材料涂覆层测量不准问题，通常需要非接触式测量方法进行测量。目前绝大部分非接触式测量方案主要通过光学与电磁学原理测量，如激光干涉法、椭圆偏振法、电容/电感法、计算成像等；激光干涉法与椭圆偏振法基于光波长与相位进行测量，其对实验仪器和测量环境要求高，如防振、恒温等，不利于实时检测；电磁场易受干扰，因此纯粹基于电磁学的测量方法也对测量装置和测量环境要求高，在面对非平面结构时，精度和灵敏度下降，在工作距离较远时，分辨率不够，并且其往往只能借助于被测物的导电性质，无法完成绝缘物体表面涂层或绝缘零部件厚度的测量；计算成像法虽可以通过反射成像、透射成像精确的计算位移等参数，但其成本高昂，解算复杂，不适于大规模应用。
综上所述，现有的相对成熟的技术很难满足对许多精密制造领域的薄膜厚度非接触测量的需求，其测量方法的复杂性、成本、及对测量环境的要求受限很多，不适合大规模实时检测；现有的电涡流探头基本由非透明材料制成，难以和光学传感器配合以进行共轴测量；同时，线圈整体结构未进行扁平化设计，线圈出线方式也未设计为侧方接线，不仅使安装方式单一，且难以压缩探头体积，不适用于在一些空间有限的环境下进行精密测量。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于光学透明导电介质材料的电涡流探头和其组成的非接触式薄膜厚度无损测量系统和方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，包括绝缘透明探头和固定在绝缘透明探头一侧的集线夹具，所述绝缘透明探头由导电透明线圈嵌入光学透明材料中构成，所述导电透明线圈是由扁状导线绕制而成，导电透明线圈两边的出线接头由绝缘透明探头侧向伸出并与集线夹具相连。
优选地，在集线夹具上还设有装夹定位器，用于定位安装角度和安装距离。
优选地，用以制作探头外部结构的光学透明介质材料为绝缘材料。
进一步优选地，所述绝缘材料如玻璃、透明高分子材料等。
优选地，导电透明线圈采用扁平化绕线方式，导电透明线圈中心轴线与探头上下表面保持垂直。
优选地，所述扁状导线的横截面为矩形。
优选地，扁状导线采用光学导电透明材料制成。
进一步优选地，所述导电透明材料如ITO、AZO材料。
本发明还公开了一种非接触式薄膜厚度无损测量系统，包括固定夹具、光谱共焦传感器、螺旋调节器和上述的基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，固定夹具用于固定光谱共焦传感器，螺旋调节器置于固定夹具和集线夹具之间，用于调节光谱共焦传感器和基于光学透明导电介质材料的电涡流探头之间的间距与平行度；其中：
所述光谱共焦传感器的信号发射面与基于光学透明导电介质材料的电涡流探头的信号发射面相互平行，且相应的波回路共线。
本发明还公开了采用上述非接触式薄膜厚度无损测量系统测量薄膜/涂层厚度的方法，包括以下步骤：
1)分别进行基于光学透明导电介质材料的电涡流探头和光谱共焦传感器的数值标定；
2)以固定夹具的下表面作为参考面，通过精密定位装夹器标定并校准，得到光谱共焦传感器到参考面的距离为l1，基于光学透明导电介质材料的电涡流探头到参考面的距离为l2；
3)利用光谱共焦传感器测得的光谱共焦传感器信号参考点到待测薄膜/涂层被测点外表面之间的位移为S1，利用基于光学透明导电介质材料的电涡流探头测得的电涡流探头信号参考点到待测薄膜/涂层被测点下方金属层之间的位移为S2；
4)通过几何关系结合数据补偿，计算薄膜/涂层的厚度d为：
d＝(l2+s2)-(l1+s1)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，一方面以柔性化设计理念，将电涡流探头中的导电透明线圈进行了扁平化的绕线设计，即将传统的圆导线改为扁平状导线，再支撑线圈能够使单位长度的线圈匝数增加，从而使探头整体结构扁平化，节省空间，以适应狭小测量空间。另一方面，将导电透明线圈嵌入光学透明材料内部形成绝缘透明探头，导电透明线圈中心轴线与绝缘透明探头上下表面保持垂直，以保证光束能够平行/重合于线圈中心环轴线通过。同时，导电透明线圈两边的出线接头从绝缘透明探头侧方伸出，区别于传统线圈的接头都是从轴向伸出，侧向伸出便于被位于探头侧方的集线器收集。本发明的电涡流探头结构设计轻巧，使用和加工都非常便利。
进一步地，探头中扁状导线采用透明且具导电性的材料，以增加探头整体透明性，减少其对光路的遮挡及测量误差。
进一步地，扁状导线的横截面为矩形，且导电透明线圈采用扁平化绕线方式，增加了轴向单位长度内匝数，线圈中心线与探头上下表面保持垂直。
进一步地，还设置装夹定位器，其内部集成信号处理模块，以在安装时既能固定并定位角度和安装距离，也能在内部简单处理采集信号，而后输入控制器/信号采集器。
本发明还公开了基于上述电涡流探头非接触式薄膜厚度无损测量系统，由于采用上述基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，能够让光束通过电涡流探头线圈中心环，使光路与电磁波回路重合/平行，减小了组合式测量方法中波束间位置/角度偏移量的校准难度，另外还采用柔性化设计理念，以高精度的螺旋调节器为辅助，可有效调节两探头(电涡流探头和光谱共焦传感器的探头)之间的距离，以适应不同传感器工作距离和测量空间，从而有效地组合了电涡流探头和光谱共焦传感器探头(或其他类型探头)，协同完成薄膜/涂层厚度的非接触式测量。与此同时，该测量系统通过高精度的螺旋调节器、固定夹具的辅助，可大大减小两传感器测量点的位置/角度偏差，并通过信号融合，可实现实时、快速测量。本发明实现了薄膜(涂层)厚度的非接触式无损检测，具有广阔的应用前景。
本发明公开的基于上述非接触式薄膜厚度无损测量系统测量薄膜/涂层厚度的方法，通过标定两传感器到夹具参考面的各自精确距离，以及两传感器获取的参考点到待测薄膜被测点位置之间的距离，通过几何关系结合数据补偿求得薄膜涂覆层的厚度。该方法相比于广泛的接触式薄膜厚度测量方法，有效避免了传感器与被测物之间接触，从而避免了相互间磨损、腐蚀、对被测物的压痕等，也适应了被测物表面有油膜或杂质的情况，保护了被测物与传感器并提高了其寿命、测量精准度。
附图说明
图1为本发明的基于光学透明导电介质材料的电涡流探头的结构原理图；
图2为本发明的非接触式薄膜厚度无损测量系统进行薄膜厚度测量时的原理图。
其中，1为集线夹具；2为出线接头；3为绝缘透明探头；4为导电透明线圈；5为光谱共焦传感器；6为固定夹具；7为螺旋调节器；8为绝缘涂层；9为绝缘轴承。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明公开的一种基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，包括绝缘透明探头3和固定在绝缘透明探头3一侧的集线夹具1，所述绝缘透明探头3由导电透明线圈4嵌入光学透明电材料中构成，所述导电透明线圈4是由扁状导线绕制而成，导电透明线圈4两边的出线接头2由绝缘透明探头3侧向伸出并与集线夹具1相连。
其中，对本发明的电涡流探头中的导电透明线圈4进行了扁平化绕线设计，即圆导线改为扁平状导线，再做成线圈，即可使单位长度的线圈匝数增加，从而使探头整体结构扁平化，节省空间，以适应狭小测量空间。
导电透明线圈4两边接头从绝缘透明探头3侧方伸出(传统探头是轴向伸出)，而后被集线器收在一起，并设计装夹定位器，内部集成信号处理模块，以在安装时既能固定并定位角度和安装距离，也能在内部简单处理采集信号，而后输入控制器/信号采集器。
将导电透明线圈4嵌入光学透明材料内部，形成绝缘透明探头3，导电透明线圈4中心轴线与绝缘透明探头3上下表面保持垂直，以保证光束能够平行/重合于线圈中心环轴线通过。
优选地，绝缘透明探头3中的导电透明线圈4采用透明且具导电性材料，以增加探头整体透明性，减少其对光路的遮挡及测量误差。
导电透明探头3所用透明绝缘材料和线圈所用透明导电材料均选取热胀冷缩不明显、较为稳定的类型。并按照光学仪器标准进行结构的精密加工。
参见图2，以测量绝缘轴承外层绝缘涂覆层厚度为例，本发明构成的非接触式薄膜厚度无损测量系统，包括：固定夹具6、光谱共焦传感器5、螺旋调节器7和上述的基于光学透明导电介质材料的电涡流探头；
固定夹具6用于固定光谱共焦传感器5，为了便于装夹、位移校正，通过精度较高的螺旋调节器7将固定夹具6与集线夹具1连接在一起；
螺旋调节器7置于固定夹具6和集线夹具1之间，用于调节光谱共焦传感器5和基于光学透明导电介质材料的电涡流探头之间的间距与平行度；其中：
所述光谱共焦传感器5的信号发射面与基于光学透明导电材料的电涡流探头的信号发射面相互平行，且相应的波回路共线，即光谱共焦传感器5平面与电涡流探头上下表面保持平行，以保证光路与电波回路平行/重合，从而保证能够测量同一个位置。
具体测量步骤如下：
1)采用高精度的螺旋调节器7，配合固定夹具6将光谱共焦传感器5与电涡流探头固定在一起；
2)校准两传感器装夹位置/角度，使其信号发射面(如图2所示B、C)保持平行，并保证工作距离在传感器各自有效范围；
3)通过其他位移传感器标定两传感器到参考面(如图2所示A)的精确位移l1、l2；
4)光谱共焦探头获取参考点到薄膜被测点外表面(绝缘涂层8)之间位移为s1、电涡流探头获取参考点到薄膜被测点下方金属层(绝缘轴承9)之间的位移为s2；
5)通过几何关系计算薄膜层厚度，即d＝(l2+s2)-(l1+s1)；
其中步骤4)、5)测得的信号及数据在PC端软件中进行处理，如可通过Labview程序编程进行信号处理、而后将数据融合处理，从而实现实时、快速测量。
与现有技术相比，本发明通过综合利用光谱共焦传感器与基于光学透明导电介质材料的电涡流传感器，实现光路与电磁波回路的有效重合/平行，显著提高测量精度；同时采用柔性化设计理念，利用高精度的螺旋调节器调节两传感器之间间距，提高了对不同传感器型号工作距离与测量空间的适应性。相比于广泛的接触式薄膜厚度测量方案，该方法避免了传感器与被测物之间接触，从而避免了相互间磨损、腐蚀、对被测物的压痕等，也适应了被测物表面有油膜或杂质的情况，保护了被测物与传感器并提高了其寿命、测量精准度。此外，利用特殊的基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，使光路与电磁波回路平行/重合，大大减小了组合式测量方案中被测点位置校准难度与误差；同时配合高精度的螺旋调节器，解决了一些传感器因为工作距离限制而无法组合测量的情况，提高了对传感器工作距离和测量空间的适应性。综上所述，本发明对于薄膜及功能性涂层厚度检测，提出了一种全新的检测系统和检测方法，具有广阔的应用前景。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种采用非接触式薄膜厚度无损测量系统测量薄膜/涂层厚度的方法，其特征在于，所述非接触式薄膜厚度无损测量系统，包括固定夹具（6）、光谱共焦传感器（5）、螺旋调节器（7）和基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，固定夹具（6）用于固定光谱共焦传感器（5），螺旋调节器（7）置于固定夹具（6）和集线夹具（1）之间，用于调节光谱共焦传感器（5）和基于光学透明导电介质材料的电涡流探头之间的间距与平行度，从而调节系统量程与工作距离；其中：
所述光谱共焦传感器（5）的信号发射面与基于光学透明导电介质材料的电涡流探头的信号发射面相互平行，且相应的波回路共线；
所述基于光学透明导电介质材料的电涡流探头，包括绝缘透明探头（3）和固定在绝缘透明探头（3）一侧的集线夹具（1），所述绝缘透明探头（3）由导电透明线圈（4）嵌入光学透明材料中构成，所述导电透明线圈（4）是由扁状导线绕制而成，导电透明线圈（4）两边的出线接头（2）由绝缘透明探头（3）侧向伸出并与集线夹具（1）相连；在集线夹具（1）上还设有装夹定位器，用于定位安装角度和安装距离，并配合精密螺旋测微仪调节系统量程与工作距离；所述光学透明材料为绝缘材料；扁状导线采用导电透明材料制成；
测量时，包括以下步骤：
1）分别进行基于光学透明导电介质材料的电涡流探头和光谱共焦传感器的数值标定；
2）以固定夹具的下表面作为参考面，通过精密定位装夹器标定并校准，得到光谱共焦传感器到参考面的距离为l1，基于光学透明导电介质材料的电涡流探头到参考面的距离为l2；
3）利用光谱共焦传感器测得的光谱共焦传感器信号参考点到待测薄膜/涂层被测点外表面之间的位移为S1，利用基于光学透明导电介质材料的电涡流探头测得的电涡流探头信号参考点到待测薄膜/涂层被测点下方金属层之间的位移为S2；
4）通过信号融合、几何关系结合数据补偿，计算薄膜/涂层的厚度d为：
d = （l2 + s2）-（l1 + s1）。
2.根据权利要求1所述的采用非接触式薄膜厚度无损测量系统测量薄膜/涂层厚度的方法，其特征在于，所述导电透明线圈（4）采用扁平化绕线方式，导电透明线圈（4）中心轴线与绝缘透明探头（3）上下表面保持垂直。
3.根据权利要求1所述的采用非接触式薄膜厚度无损测量系统测量薄膜/涂层厚度的方法，其特征在于，所述扁状导线的横截面为矩形。
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