CN1210584A - 确定导电材料组成的涂层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

在确定导电材料组成的涂层厚度的方法中,借助于标准化方法将测量误差转换成无量纲的标准值。在这一转换过程中,可以进一步消除例如由于温度偏移和基体材料不同的电特性和磁特性引起的测量误差。借助于标准曲线将这一标准值转换成涂层厚度值。

Description

确定导电材料组成的涂层厚度的方法

背景技术

本发明涉及的是用于确定导电材料组成的涂层厚度的方法，特别是镀铬层的厚度。截至目前，例如镀铬部分的厚度实际上还是用X射线荧光法测量的。这一方法不仅费用昂贵，而且耗时。也使用所谓的感应测量法，但这种方法在表面上只能进行点相似测量，并且在实际使用中要求很高的定位精度。这两种方法还较难于消除出现的测量误差。

本发明的优点

与现有技术相比，本发明的具有权利要求特征的用于确定导电材料组成的涂层厚度的方法的优点在于能够大大地消除出现的测量误差。

特别是在大量的生产过程中，能够用连续的测量方法检验生产的被涂镀部分。或许还能消除基体材料的材料特性波动以及例如由于污染或磨损在测量线圈和待测定物体之间产生的间距差异。由此，能够非常可靠地、明确地预测待测涂层的厚度。

通过在其它权利要求中采取的措施可以有利地进一步改进和改善这种方法。

附图

在附图中介绍了发明的实施例，随后并进行了详细说明。图1是测量装置的结构示意图；图2是在不同距离和被测涂层下的材料具有不同材料特性α或β的条件下，测量线圈的电感率L随被测量涂层厚度a变化的情况；图3是图2中使用的测量线圈和测量物体间不同距离的关系；图4是标准值Me随测量涂层厚度a的变化情况；图5是这种方法的框图，图6是标准值Me随测量涂层厚度a的变化情况；图7是这一方法的另一种形式的框图，图8是测量方法中使用的标准体的另一形式，图9是测量方法中使用的测量体的另一形式。

实施例描述

发明的测量方法是基于所谓的电感-涡流测量原理。在图1中从结构上说明了使用的传感器10。传感器10安置在基体12空隙中，由线圈架13组成，该线圈架安装在流过高频交流电(例如4MHz)的线圈14上。线圈14可以例如是扁平线圈或环形线圈。线圈架13主要是由不导电和非铁磁性的材料组成，例如塑料，并且在空隙11中几乎是无摩擦地移动。被监测的结构部件17安装在导向体18内，导向体为结构部件17和线圈14定位。借助于弹簧19将线圈架13以及线圈14压在结构部件17的表面20上。表面20上有待测定层。在结构部件17上会例如涉及到喷射阀门的套管，层20是铬层。如果线圈14中流过交流电，那么会产生交变磁场，这一磁场不仅穿过铬层20，而且还穿过下面的由结构部件17的铁磁材料组成的材料层。在铬层20中只有涡流效应，而在基体17的铁磁材料中作用有感应效应和涡流效应。下面单独介绍在这一部分出现、而在另一部分没有出现的测量效应。如果线圈14中流过交流电，并且只有具有良好导电性的非铁磁性材料处于接受到线圈的交变磁场，即只有铬层20接受到交变磁场，那么，只产生所谓的涡流效应。由于在导电的非铁磁性材料中产生的涡流效应，使得线圈14的电感率减小。

下面介绍交流电流经的线圈14的磁场对其对面的铁磁性材料，即基体17的材料产生的作用。基体17的材料接受到流过交流电的线圈产生的磁场。要指出的是，对于导电的铁磁性材料，不仅作用有铁磁效应，而且作用有涡流效应。当涡流效应导致测量线圈的电感率减小时，铁磁性效应使得测量线圈的电感率升高。两个效应中哪一个更强，基本上取决于流经线圈14的交流电的频率以及基体17的材料特性。如果将这两种效应传输给带有铬层20的基体17，那么可以确定，铬层20越厚，磁场越弱，因而线圈14的电感率也越弱。在图2中用α1描述了相应的测量曲线，这是一个随铬层20的厚度增加，测量线圈14的电感率降低的过程。

电感率L曲线相对于层厚a的变化取决于基体17的材料特性，例如取决于电阻，材料的磁导率和要测量的线圈14与表面20之间的距离。如果例如由于线圈架的污染和磨损使得测量线圈14和铬层20之间的距离发生变化，那么，电感率L相对于层厚a的变化会产生不同的特征曲线。在图2中给出了各种例子。特征曲线α2,α3和α4表明了在基体17的材料特性相同情况下，在测量线圈和被监测铬层之间有不同距离时，电感率L随层厚a的变化情况。在图3中描述了在线圈14和被监测铬层20之间距离α的大小。显然，距离α1到α4是越来越大的。反之，如果改变基体17的材料特性，那么，会得到特征曲线β1到β4。特征曲线β1到β4再次表明，在第二种基体材料特性的情况下，测量线圈和被监测铬层之间距离的变化。从图2的图表中可以看到，可以将多个可能的层厚赋予测得的电感率值L。也可以处理线圈的交流电阻值来取代电感率。

当基体17的材料特性或测量线圈14与被测铬层表面之间的距离发生变化时，发明的测量方法还使得测量线圈14测得的电感率L与铬层20厚度a之间有一个明确的对应关系。发明方法的核心是实行标准化，它能消除测量误差和确定明确对应关系的测量值。

发明的用于确定涂层厚度的方法分几个测量和处理步骤。在基体17涂敷涂层前，以所谓的预测量方式测定线圈14的电感率值L₀。对此，将线圈14尽可能直接放在基体17朝向未涂敷线圈的表面(测量面)上。由此，只进行相对于基体17的材料测量。电感率值L₀的大小取决于基体的特性，特别是取决于基体的磁特性和电特性。基体17的这些特性可以以成批生产的方式波动。因此，对于每一基体17，在测量开始时要测定电感率值L₀，并存入指定的数据存储器。

随后，将基体17放入相应的涂敷设备中涂镀上铬层20。此后，进行第二次测量，即在基体17上的相同位置进行所谓的后测量，同上面提到的预测量一样。由此得到测量线圈14的电感率值L_x。电感率值L_x的大小由铬层20的厚度和基体17的材料特性确定。要保证，两个测得的电感率值L₀和L_x每次都明确对应于同一个基体17。借助于算法将这两个电感率值L₀和L_x转换为标准值，即无量纲的特性值，它与相应的涂层厚度相对应。为了能够获得这一标准值，必须测定电感率值L_∞。当在一标准体上只相对于铬层进行测量时，可得到这一电感率值L_∞。此外，标准体的表面必须有这样厚的铬层，它能够屏蔽线圈的整个磁场，这样，才能使得标准体的铁磁性原材料中既没有感应效应，也没有涡流效应。也许，在标准体上还可以用其它的导电的非铁磁性材料来替代铬。现在，根据公式(1)测定标准值Me。系数1000可以在0和无穷值之间任意变化。 $\left(1\right)-----\mathrm{Me}=1000\·\frac{L_x-L_0}{L\∞-L_0}$

Me=测量值/标准值，

L₀=电感率值(未涂敷的基体)，

L_x=电感率值(涂层部分)，

L_∞=电感率值(铬的标准体)。

在图4中描述的是按公式(1)标准化的测量值Me随涂层厚度a变化的情况γ。对每次测得的标准值，图2中描述的各种曲线产生几乎同时发生的变化情γ。显然，在与图2相对应的图4中，在标准值Me与涂层厚度20之间可以有一个明确的对应关系。

借助于公式(1)几乎消除了由于测量线圈与被测涂层间的不同距离，以及由于基体17材料不同的磁特性或电特性产生的误差。此外，还可以抑制由于温度波动产生的测量结果偏移。当测量线圈只对空气进行测量时，即当其既不测量铬层，也不测量结构部件时，也能测得线圈的电感率值。这一测量值在后面被视为初始空气值L1∞。借助于标准体在电感率值L∞测定之前或之后(尽可能同时)测定空气初始值。L1∞值是一个用于随后每次测量的基准值。当测量线圈再次对空气测量时，生成L1₀值。在每一基体17的单独测量过程中，在上述所谓的用于测定线圈电感率值L₀的预测量之前或之后(尽可能同时)测定电感率值L1₀。随后，例如在微机中产生差值ΔL₀=L1₀-L1_∞。借助于这一ΔL₀值计算被修正的电感率值L₀*=L₀-ΔL₀。就其含义而言，在测量电感率值L_x时，也要测定修正的测量值L_x*。在前面提及的所谓的后测量之前或之后，即在测定电感率值L_x之前或之后，得到了线圈对于空气的电感率值，这一值被视为L1_x值。这里再次测量了线圈相对于空气的值，因为存在时间的差异，以及在所谓的预测量和后测量时在测得的线圈相对于空气的电感率值之间有温度的波动。在较长的时间内，初始空气值L1∞可以不仅用于电感率值L₀或电感率值L_x的修正，而且当只是间歇式地采集电感率值L∞，并在一段时间内将其存储在数据库中时，也是适用的。电感率值L∞只是对于铬层测量的电感率值。但是，如果重新采集电感率值L∞，以考虑例如测量线圈与测量物体(例如磨损)之间距离的缓慢和连续变化，那么同时也要重新测量所谓的初始空气值L1∞。现在，为了考虑形成标准值时由于温度波动引起的测量结果的偏移，使用了公式(2) $\mathrm{Me}=1000\·\frac{(L_x-(L{1}_x-L1\∞))-(L_0-(L{1}_0-L1\∞))}{L\∞-(L_0-(L{1}_0-L1\∞))}$

在更换传感器时必须采集新的电感率值L∞和L1∞。如果在预测量和后测量之间更换传感器的话，那么在后测量时，必须使用旧的参考值L1∞。

对于用于基体17的一些材料，在较长的时间内基体材料的电特性值和磁特性值会改变。这一改变(即偏移)对于每一个被待确定的测量物体可以是不同的，因为这一偏移除了材料特性外，还取决于镀铬前进行的特有的热处理。因此，制造了在图8中描述的、用于绘制修正特性曲线(参看图4)的标准体。标准体30有两个端面31和32。测量面31由未涂敷的基体材料组成，测量面32涂镀有铬层。但两个测量面31和32的形状是相同的。测量面32上的铬层厚度是已知的。在校准过程中用标准体30测定的标准值不变化或只是变化很小，即使是基体材料的电特性和磁特性有条件地通过老化过程发生了变化。对此，前提条件是在整个标准体上的基体材料的磁特性和电特性均匀变化。

下面借助于图5中的框图再次列出每一测量和计算步骤。如粗略介绍的那样，测量方法有三个步骤，一个步骤是所谓的参考值测定，一个步骤是所谓的预测量，再一个步骤是所谓的后测量。在参考值测定过程中测得电感率值L∞，只根据材料(或替代材料)来确定L∞值，并测定材料的厚度。同时，标准体的厚度要大于测量线圈的交变磁场的渗透深度。随后，测定电感率值L1∞，它是尽可能在测量L∞值的时间点上测量线圈对于空气的电感率值。

现在开始所谓的预测量步骤：3．测定线圈对于空气的实际电感率值L1₀，4．差值形成ΔL₀=L1₀-L1_∞，5．测定电感率值L₀，即对于未涂敷基体的电感率值，6．测定与差值L₀*=L₀-ΔL₀相对应的修正值L₀*。

现在开始所谓的后测量计算步骤：7．测定线圈对于空气的电感率值L1_x，8．形成差值ΔL_x=L1_x-L1_∞，9．测定电感率值L_x，10．通过形成差值L_x*=L_x-ΔL_x测定修正值L_x*，11．与具有L∞，L_x*或L₀*值的公式相对应，进行标准值计算，12．借助于校准曲线，将在步骤11中测得的标准值转换为涂层厚度。

在方法的另一形式中，不再对于每一结构部件单独测定电感率值L₀，而是借助于校准元件进行测量和存储。但是，这一校准元件在设备的运行过程中不允许改变其电特性和磁特性。电感率值L∞按前述方式测定。下面是与图7相对应的测量步骤，为了简化和出于简明的原因不考虑对温度偏移的修正。对于方法的这种形式，对于每一种材料需要绘制与图6相对于的特有的转换标准曲线，曲线用在步骤1中使用的同样的校准元件绘制。步骤11．采集电感率值L∞，并存储到数据库中，2．采集与校准元件相对的电感率值L₀，并存储到数据库中。步骤23．测定未涂敷结构部件上的电感率值L₀，4．借助于公式(1)计算涂层厚度为0时的标准值Me，5．根据图6选择与材料相关的转换标准曲线。步骤36．测定未涂敷结构部件上的电感率值L_x，7．借助于公式(1)计算标准值，8．借助于选择的标准曲线将标准值转换为涂层厚度。

要注意的是，与现有技术相比，在这一使用了涡流法或者说感应法的方法中，高频交流电，例如4MHz，流过测量线圈。此外产生了较小的线圈感应率。不需要线圈铁心，这样可以改变和使用价廉物美的结构形式。

通过使用所谓的乘法器可以在较短的时间内测量许多测量部件。此外，将许多测量线圈同时安置在待确定的测量表面上。在很短的时间内借助于乘法器用一个测量桥依次扫描过这些测量面。即使用上面提到的高测量频率，例如4MHz，也能测定电感率值。

在图9中描述了图1结构的另一种形式。在方法中介绍的电感率值L₀(未涂敷结构部件上的线圈测量)的测定也可以用一个分离的第二测量线圈40进行。对此，在镀铬后，即在测量了涂层厚度后，必须在被监测结构部件的表面上留有一个未涂敷的区域。对于图9中描述的结构部件41，在结构部件41的内径43中凸起一个线圈架42的凸肩44。内径43的壁未用待确定的铬层覆盖。借助于线圈40可以测定基体的电特性和磁特性，而同时借助于测量线圈14可以对未确定的铬层进行测量。借助于这一传感器可以将结构部件一次定位在传感器上，这样只用较短的周期。

Claims (7)

1．一种用至少一个通有交流电的测量线圈(14)来确定导电材料组成的涂层(20)厚度的方法，涂层涂敷在铁磁性材料组成的物体(17)上，可以计算出线圈的电感率变化，下面为测量步骤：

-在只对由导电材料组成的涂层测量时，测定线圈(14)的电感率值L∞，

-在只对由铁磁性材料组成的物体测量时，测定线圈(14)的电感率值L₀，

-在对待确定涂层(20)测量时，测定线圈(14)的电感率值L_x，

-将电感率值转换为无量纲值Me，

-借助于标准曲线将值Me转换为涂层厚度值。

2．根据权利要求1的方法，其特征是，借助于下述公式确定无量纲值Me： $\mathrm{Me}=A\·\frac{L_X-L_0}{L_{\∞}-L_0}$

L₀=电感率值(未涂敷的基体)，

L_x=电感率值(涂层部分)，

L_∞=只对涂层的电感率值，

A=系数。

3．根据权利要求1和2的方法，其特征是，对于校准部分测定电感率值L₀，在涂层厚度为0时形成标准值Me，用这一值选择所属的转换曲线。

4．根据权利要求1到3之一的方法，其特征是，用下述公式测定无量纲值Me $\left(2\right)------\mathrm{Me}=A\·\frac{(L_x-(L{1}_x-L1\∞))-(L_0-(L{1}_0-L1\∞))}{L\∞-(L_0-(L{1}_0-L1\∞))}$ L1_x：在测得L_x之前或之后的空气的电感率值，L1₀：在测得L₀之前或之后的空气的电感率值，L1∞：在测得L∞之前或之后的空气的电感率值。

5．根据权利要求1到4之一的方法，其特征是，高频交流电流过线圈(14)。

6．根据权利要求1到5之一的方法，其特征是，借助于均匀的材料组成测定标准体(30)上的电感率值L₀和L_x。

7．根据权利要求1到6之一的方法，其特征是，每次借助于特有的测量线圈(14,40)几乎同时测定电感率值L₀和L_x。

Images