CN1325015A - 用于无损测量薄层厚度的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用探针(11)和一个估计单元来无损测量薄层厚度的方法,探针(11)在一个内部铁心上带有一个第一线圈器件(24),该线圈器件的几何中心(22)和至少一个第二线圈器件(31)的几何中心重合,该至少第二线圈器件(31)部分地围绕着第一线圈器件(24);对该估计单元,在用来确定薄层厚度的测量期间发射线圈器件(24、31)的信号,该方法的特征在于提供一个电路(50),通过其在测量期间顺序激励第一和至少第二线圈器件(24、31)。

Description

用于无损测量薄层厚度的方法和仪器

本发明涉及一种用于薄层厚度无损测量的方法，该方法使用根据权利要求1的预特征化条款所述的探针和根据权利要求10的预特征化条款中所述的仪器。

能遇到弯曲和涂层表面的测量，特别是在飞机构架构造中、在汽车中，在模压零件中、在家庭用品领域中、在管道构造中、在软百叶帘上、以及在许多其他测量镀层的情况下。同样在核动力领域中，要测量在约12毫米直径的管上在20微米范围内的在锆热交换器管的氧化层。

例如基于涡流原理的已知接触测量方法，受被测物形状的影响很大。由于这个原因，当有不同曲率时，必须进行校准，这是耗时并且可能导致错误，特别是因为没有考虑到曲率变化。

DE4119903A1公开了一种用于薄层测量的方法和仪器，使得有可能在大范围内消除测量值对被测物几何形状的有害依赖性。这意味着甚至在被测物弯曲表面上的薄层测量也成为可能。这些薄层的厚度从仅仅几个微米到几百微米。这种无损层厚度测量依赖于涡流原理，该原理基于低频或高频电磁场相对于涂敷到被测物上的层的变化。因为这是一种在一个铁心上带有一个第一线圈器件的仪器。围绕着第一线圈器件的一个外筒支撑着一个位于外面的第二线圈器件。支撑第一线圈器件的铁心在其下端带有一个半球形耐磨材料放置圆顶。

为了探测薄层，把探针放在被测物上。在测量期间两个线圈器件同时用不同的频率激励，并因此发射两个不同频率的信号，这两个信号将由一个适当的电路估计以便计算层厚度。层厚度按照在DE4119903A1中给定的公式确定。

本发明基于在薄层厚度无损测量中提高探测的薄层厚度值的质量的目。

该目的通过权利要求1的特征实现。至少两个线圈器件的顺序激励允许从线圈器件至一个估计单元发生测量信号的无损发射。在测量期间线圈器件借助于相应频率的连续激励允许一个不受相邻其他线圈器件影响的信号由估计单元记录，并且也分配给每个线圈器件。结果，能消除相邻线圈器件的超调和同步激励，由此能进行免受干扰参数的信号发射。

根据该方法的进一步优化，提出用高频激励线圈。结果，交变电磁场在探头接近被测物时变化能用作对测量的一种测量影响。当使用高频场时，被测薄层是不导电的，如油漆，或者是弱导电的，例如象铬或类似物质。

根据该方法的进一步优化，提出由场效应晶体管在信号发射持续时间内限制来自于第一和至少第二线圈器件、在彼此分开的时间发射的频率信号。结果，能保证在第一线圈器件和至少第二线圈器件的发射频率信号之间的分离，由此能实现测量信号的精确记录和分配。结果，甚至在信号至估计单元的传输期间，也能避免相互影响或叠加。经其把测量信号传送到估计单元的线圈器件和场效应晶体管的致动，能在限定时间窗口内发生，从而使测量信号的分配也成为可能。

根据该方法的进一步优化，提出彼此独立地估计由线圈器件发射的信号。例如，一个基本上决定薄层厚度的信号可以由一个第一线圈器件记录，而例如一个确定被测物曲率的信号可以通过其他线圈器件记录。单独的估计允许获得两个测量变量的精确计算，由此以后测量值的确定可以通过由DE4119903A1揭示的公式以较高精度实现。

线圈器件信号的分离便利地允许线圈器件以相同频率发生振荡，由此能实现控制系统结构装配的进一步简化。

根据该方法的进一步优化，提出为了进行测量，借助于一个双稳态多谐振荡器电路一个接一个地，一个第一线圈器件由一个第一电路激励而一个第二线圈器件被一个第二电路激励。便利提供的场效应晶体管使得有可能由使用的电路保证对于频率信号的发射使线圈器件的连续致动是可能的。便利地提供一样设计的线圈器件的电路。结果，电路的装配能具有简单布置。

根据该方法的进一步优化，提出频率信号经一个补偿器通到估计单元。这使得有可能以这样一种方式设置频率信号的相位关系，从而大部分消除测量信号对基底材料导电性的不希望依赖性。

因此，根据本发明的方法，薄层厚度的无损测量允许实现这样的效果，实际上完全消除干扰参数至少对测量值的影响，这些干扰参数有表面的曲率和被测物的导电性，这些参数在测量仅几个微米范围内的薄层时具有特别关键的影响。

根据本发明的、特别打算用来实现该方法的仪器，在一个套管内带有一个接收第一线圈器件并且在位于第一线圈器件中的一个销上带有一个半球形放置圆顶的杯形铁心，并且在杯形铁心外部、相对于第一线圈器件同心地支撑一个另外的线圈器件。彼此相对固定布置并且便利地带有一个公共中心轴的线圈器件，允许得到准确的确定，因为第一和第二线圈器件的作用范围由于半球形放置圆顶的公共放置点从公共几何轴发出。第一或内部线圈器件在这种情况下设计成对薄层厚度敏感，而外部或第二线圈器件设计为对曲率敏感。

更便利的结构在另外的权利要求中说明。

在如下描述中更详细地解释用来执行根据本发明的方法的测量探针和电路一个最佳实施例。在附图中：

图1表示一个测量探针的立体图，

图2表示测量探针的一个探头的一个示意横截面，

图3表示根据图2的测量头从下往上看得到的视图，

图4表示彼此装配的测量探针的元件的示意表示，

图5表示在弯曲表面上测量的测量探针的示意表示，

图6表示用来实现测量方法的电路的示意表示，及

图7表示特征曲线图，它表示以根据先有技术的方式和以根据本发明的方式确定的测量值的比较。

一个设计成一个测量探针11的器件用立体图表示在图1中。测量探针11能经一根电缆12和一个连接插头13连接到估计器件(没有以任何更详细地表示)上。测量探针11带有一个由一个套管16围绕的探头14。探头14布置成可相对于导套17轴向移动。这在下面图4中更详细地描述。

探头14的示意横截面在图2中放大表示。从下往上看的相应视图表示在图3中。探头14带有一个其中把一个测量系统嵌入一个最好是非磁性构造19的壳体18。测量系统包括一个在几何轴线22上带有中心销23的杯形铁心21。一个第一或内部线圈器件24相对于中心销23同心地提供。提供在杯形铁心21的端面上的是，例如一个绝缘盘26。杯形铁心21在中心销23的端面上带有一个半球形放置圆顶27，半球形放置圆顶27由诸如红宝石之类的耐磨材料形成，并且至少由非磁性材料形成。半球形放置圆顶27的放置表面具有一种弯曲结构，最深点位于几何轴线22上。杯形铁心21最好带有径向相对的凹槽28，通过凹槽28把内部线圈器件24的连接线引向探头14的后部区域，探头14又连接到一个电路50上。布置在杯形铁心21的外壳29上的是一个第二或外部线圈器件31。线圈器件24、31可在例如牢固地浇注到位的杯形铁心21上运动，从而把探头14设计成一个固态单元。指向被测物的线圈器件24和31的端面布置在一个公共平面上。类似地，壳体18的端面也位于这个平面中。测量探针11在尺寸上具有例如钢笔的典型直径，其中可运动地装配约2mm直径的实际测量系统。

感兴趣的薄层厚度主要位于在几微米至100微米的范围内。然而，也能记录达到毫米级的较厚涂层。

以一种分解表示在图4中表示测量探针11的装配。探头14带有一个与一个较小直径的第二部分34结合的第一圆柱部分33。圆柱部分34带有螺纹，从而得到一种相对于中间套管36装配它的容易方法。在这个部分中是一个其上提供根据本发明、表示在图6中的电路50的印刷电路板。该结构单元由中间套管36支撑，中间套管36其部分由导套17借助于一根最好是螺旋弹簧37以弹性柔软的方式支撑。导套17带有一个其上面能装配中间套管36的支撑部分38。在导套17中中间套管36的弹性安装，允许在起始位置从套管16的端面突出的探头14运动到该套管中。这也用作这样一种目的，半球形放置圆顶27在几何轴线22的延长线上进行放置接触，如下面在图5中描述的那样。

中间套管36在导套17内被导向成可在轴向运动。而且，提供一个防缠绕装置，比如一个榫槽式连接或一个弹簧元件37，弹簧元件37贴着中间套管36安置和支撑，并且在导套17的槽中滑行。至导套17的连接线借助于中间件39固定。同时，这可以形成应变消除。

布置在中间套管36和导套17之间的弹簧37至少稍微倾斜，从而在弯曲表面的测量期间，探头14以至少轻微的压力位于要测量的表面或层上。然而，这个力相对于薄层硬度较小，从而在薄层厚度测量之后，没有压痕或损伤。

弯曲表面上的薄层厚度的测量作为图5中的例子表示。套管16在其端面上带有一个最好为棱形的凹槽41，使下列作用得以实现，当测量探针11被放在弯曲表面上时，相对于表面能建立测量探针11的可靠和限定接触接触。凹槽41的大小和性质可以适应不同的被测物。这也允许测量探针11对中在圆柱形或弯曲表面上，从而能进行受控测量。探头14在这种情况下从起始位置沿着几何轴线22缩入套管16，如图1中所示。半球形放置圆顶27通过螺旋弹簧37至少在轻微的压力下保持在被测物表面42上。在测量探针11已经放置到被测物上之后，薄层厚度的测量能立刻进行。

下面根据图6的电路50描述这样一种测量。

电路50包括两个实际相同的振荡电路51和52。参照电路51作为例子描述操作方式，电路51分配给内部绕组或线圈器件24。包括线圈器件24的一个电容器53的串联振荡电路与一个双栅极场效应晶体管54共同形成一个有源串联共振电路。这是可能的，因为在串联共振的情况下，与在一个电阻器56处产生高频电压相比在线圈器件24中处出现一个明显的过电压。这满足共振条件。线圈器件24在一侧处于地电位。产生于线圈器件24处的电压经由一个电阻器57和一个可变电阻器58向晶体管54的栅极2供电。可变电阻器58能与电容器共同用来以这样一种方式进行相位旋转，从而几乎完全抑止测量值对基底材料导电性的不希望依赖性。一个电容器59限定反馈并且被这样选择，从而在电阻器56处产生具有非常小谐波量的实际正弦电压。这使得有可能大大地抑制寄生辐射。如果把晶体管54的栅极1切换到低，则共振条件将不再满足，并且振荡非常快地衰减。如果把探头14带向一种金属基底材料，则它的内部会产生涡流，使振荡电路51失调。线圈器件24的接近与薄层厚度的测量效果对应。测量效果通过一个非线性函数链接到薄层厚度上。薄层通常是电绝缘的，从而涡流只在基底材料中产生。然而，借助于电路50，当诸如铬之类的不良导电、非磁性薄层电解沉积在非磁性基底材料-比如有明显较好导电性的铝-上时，根据本发明一种测量也是可能的。

电路52以类似于电路51的方式工作。然而，最好用与线圈器件24相同频率激励的线圈器件31基本上仅对曲率起作用，曲率感应变化频率用来以与DE4119903A1相对应的方式补偿曲率的影响。线圈器件24、31的激励频率例如位于5到30MHz的范围内。提供在一根信号输入线56中的是，确保电路51、52仅有一个晶体管54能产生振荡的两个变换器62、63。如果切换点64在高处(1)，则只有电路51能产生振荡。如果切换点64在低处(0)，那么只有电路52通电。两个双栅极场效应晶体管54经一根电线60连接到一个比如5V的相同直流电源电压上，该电源电压经一个小电感66馈电，以便致动后者。要不然，有可能无需场效应晶体管54的栅极1，并且由两根间断开关线交替地接通或断开晶体管54。借助于高速半导体开关这种切换是可能的。

两个顺序连接的晶体管54的共振有这样的作用，各个共振频率能由电路51和52经电感66在电阻68处拾波，电感66与一个电容器67形成一个串联振荡电路65。这允许各个线圈器件24、31的信号被检测和拾波，由下游串联电路65经一个切换点70记录和估计。高频信号添加在直流电压供给线61上。为了估计，线圈器件24、31之间的变化例如每秒钟发生10次，以至于至少100,000次振荡适用于形成测量值。一个较小的数目也会满足。

联系在切换点64处的切换状态，共振由电路51和52唯一地限定，以便电路51、52的两个信号能在下游电路带到一起，如在DE4119903A1中所描述的那样。表示的电路可以使用SMD技术建造，并且直接集成在探针11中，如图4中所示。

表示图7中的是一条特征曲线的图，它表示由曲率引起的百分比，该曲率取决于其上已经发生薄层厚度测量的弯曲表面的直径。一个特征曲线81表示到目前为止由从先有技术已知的测量探针和电路探测的测量值。从中可以看出曲率误差预先构成相当大的百分比，特别是在直径很小的情况下。根据本发明的仪器和方法根据特征曲线82确定测量值，特征曲线82的百分比曲率误差减小到相当程度。这清楚地说明已经实现超过先有技术的改进程度。这对于用户具有重大意义。例如，允许在质量控制中实现测量精度的大大提高。

Claims (20)

1．用来用一个探针(11)和一个估计单元无损测量薄层厚度的方法，探针(11)在一个内部铁心上带有一个第一线圈器件(24)，该线圈器件的几何中心和至少一个第二线圈器件(31)的几何中心重合，该至少第二线圈器件(31)部分围绕第一线圈器件(24)；对该估计单元，在确定薄层厚度的测量期间发射线圈器件(24、31)的信号，该方法的特征在于提供一个电路(50)，通过它在测量期间顺序激励第一和至少第二线圈器件(24、31)。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于，线圈器件(24、31)用高频激励。

3．根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在彼此分立的时间发射的、来自第一和至少第二线圈器件(24、31)的频率信号，借助于最好由与线圈器件(24、31)类似的电路(50)致动的晶体管(54)，由用于每个线圈器件(24、31)的频率信号的发射的周期限制。

4．根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，由线圈器件(24、31)发射的信号明确地分配到各线圈器件(24、31)，并且由一个串联振荡电路(65)彼此独立地估计。

5．根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，线圈器件(24、31)用相同频率激励。

6．根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，第一线圈器件(24)用一个在8与20MHz之间的频率激励，而另一个线圈器件(31)的用一个4与12MHz之间的频率激励。

7．根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，在测量期间测量场正在变化的线圈器件(24、31)的振荡每秒钟至少被询问两次。

8．根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，第一线圈器件(24)带有一个电路(51)而第二线圈器件(31)带有一个电路(52)，这两个电路彼此并联连接，并且提供一个双稳态多谐振荡电路(62、63)，通过这个电路，可以随时间便利地切换分别分配给线圈器件(24、31)的晶体管(54)。

9．根据以上权利要求之一所述的方法，其特征在于，由线圈器件(24、31)发射的频率信号经一个补偿器(58)通到估计单元。

10．特别是用来执行根据以上权利要求之一所述的方法的仪器，带有一个壳体18，带有一个第一线圈器件(24)和一个第二线圈器件(31)，及带有一个半球形放置圆顶(27)，该仪器的特征在于：提供一个带有一个接收靠近一根公共几何轴线(22)的第一线圈器件(24)的铁磁性杯形铁心(21)的探头(14)；杯形铁心(21)在公共轴线(22)上，带有一个销(23)位于第一线圈器件(24)内并且在其端面上提供一个至少部分从线圈器件(14)的端面突出的半球形放置圆顶(27)；及在杯形铁心(21)外部同心地提供一个第二线圈器件(31)。

11．根据权利要求10所述的仪器，其特征在于，第一线圈器件(24)的匝数等于或小于第二线圈器件(31)的匝数。

12．根据权利要求10和11之一所述的仪器，其特征在于，第一和第二线圈器件(24、31)彼此相对固定地布置，并且最好嵌入在浇注结构中。

13．根据权利要求9至11之一所述的仪器，其特征在于，第一和第二线圈器件(24、31)相对于探头(14)的端面布置在一个平面上。

14．根据权利要求10至13之一所述的仪器，其特征在于，杯形铁心(21)至少带有一个用来穿过连接线的侧槽(28)。

15．根据权利要求10至14之一所述的仪器，其特征在于，探头(14)这样安装，从而它能在导套(17)内轴向移动，并且对于相对于导套(17)固定布置的保护套管(16)退回。

16．根据权利要求15的所述仪器，其特征在于，保护套管(16)在指向探头(14)的端面上带有一个最好是棱形的凹槽(41)。

17．根据权利要求15或16所述的仪器，其特征在于，探针(14)克服弹簧力可以缩回保护套管(16)中，并且一个弹簧元件(37)以相对于导套(17)的一个轻微的偏置布置。

18．根据权利要求10至17之一所述的仪器，其特征在于，第一线圈器件(24)设计成对薄层厚度敏感，并且至少一个另外的线圈器件(31)设计为对曲率敏感。

19．用于两个测量信号的分别估计，特别是用来执行根据权利要求1至9所述的方法，的电路，其特征在于，使各个电感(24、31)失调导致频率变化，一个电感(24)主要受薄层厚度的影响，而另一个电感(31)主要受被测物曲率的影响。

20．根据权利要求19所述的电路，其特征在于，两个电感(24、31)带有一个公共接地，并且频率能在开关点(70)处以明确的分配耦合出到对应的频率信号。

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