非铁磁性金属基体上非铁磁性涂镀层厚度的多种涡流测量方法

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 非铁磁性金属基体上非铁磁性涂镀 层厚度的多种涡流测量方法 【摘 要】采用涡流法对非铁磁 性金属基体上非铁磁性涂镀层厚度进行 测量时，应根据涂镀层材料性质，选择 合适的检测方法。根据工作经验，对该 领域涂镀层厚度涡流测量方法进行总结， 主要内容如下：非金属涂镀层厚度的测 量采用提离效应原理，宜采用较高的检 测频率；当涂层为非铁磁性金属时，还 要根据涂层金属的电导率选择采用“相 敏法”或者“相位法”， “相敏法”适用于基 体金属和涂层金属电导率相差较大的情 况（1.5 倍） ， “相位法” 适用于基体金属 和涂层金属电导率相近的情况（1.5 倍） 。 本文从检测对象、检测原理、关键技术 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 等方面对如上三种检测方法进行了阐述， 以期在涂镀层厚度的涡流检测技术上有 所贡献。 中国论文网 /8/view-12933189.htm 【关键词】提离效应；相敏涡流 法；相位法；非铁磁性涂镀层厚度 中图分类号： TQ639 文献标识 码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）03-0157-002 Multiple eddy current measurement methods for the thickness of non- ferromagnetic coatings on non- ferromagnetic metal substrates HUANG Hai-xiang1 LI Dong1 YANG Yi-xuan2 （1. China Nuclear Power Research Institute， Chengdu 610213， China； 2. School of Electrical and Information Engineering， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610065， China） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 【Abstract】To measure the non- magnetic coating thickness on the non- magnetic metallic basis， according to the material of the coating， suitable eddy current method shoud be chosen. In this paper， three different eddy current methods to measure the thickness of the non-magnetic coatings are summarized， and be discussed into several parts. It is expected that this paper can make some contribution to the area. 【Key words】Lift-off effection； Phase sensitive eddy current method； Phase method； Thickness of non- magnetic coatings 航空、航天及核工业领域中，常 常遇到对金属基体上涂镀层厚度进行检 测的问题。对于铁磁性基体或铁磁性涂 镀层，可以采用磁饱和法使其化为非铁 磁性基体或非铁磁性涂镀层加以解决， 也可以采用其它方法进行测量，所以本 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 文只对非铁性金属基体上非铁磁性涂镀 层厚度的测量方法进行探讨。非铁磁性 金属基体上非铁磁性涂镀层厚度的测量， 要根据涂镀层材料和性质选择不同的检 测方法：当涂镀层为绝缘材料时，根据 提离效应原理进行检查；当涂镀层为金 属材料时，则要根据其电导率与基体金 属的差异选择适当的测量方法，当涂镀 层金属电导率与基体金属电导率差异较 大（大于等于 1.5 倍）时，采用相敏涡 流法；当涂镀层金属电导率与基体金属 电导率差异较小（小于 1.5 倍）时，采 用相位法进行检测。下面分别进行介绍。 1 提离效应法 1.1 检测对象 当非铁磁性金属基体上涂镀层为 绝缘材料时，测量涂镀层厚度采用提离 效应方法。这方面的实例很多，比如测 量非铁磁性金属基体上的油漆漆膜、玻 璃涂层、磷化膜等等；核工业中，测量 燃料棒上的氧化膜厚度等。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 1.2 检测原理 当通以交变电流的探头线圈放到 被检对象上时，由于电磁感应原因，会 在金属基体内部感应出涡流1，涡流的 大小受线圈与基体金属之间的距离等因 素的影响；同时产生的涡流也会形成一 个磁场，这个磁场反过来会使检测线圈 的阻抗发生变化。因此，通过检测被检 线圈阻抗的变化，就可以测量圈与基 体金属之间的距离，而这个距离即为涂 镀层厚度。 1.3 关键技术 非铁磁性基体金属上非铁磁性涂 镀层厚度的测量，应选择绝对放置式探 头，检测频率应选择较高频率，因为较 高频率可以增大探头与基体金属电磁感 应的效果；当然，检测的频率也不能太 高，太高的检测频率会使分布电容的影 响加剧，影响检测数据的稳定性，所以 应根据试验效果，选择合适的检测频率， 推荐的检测频率在 110MHz 范围内。 为了建立涂镀层厚度和涡流线圈 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 阻抗幅值之间的对应关系，应采用标准 厚度的膜片对检测仪器进行校准。标准 膜片应经国家法定计量单位计量，出具 计量证书。标准厚度膜片的厚度应尽可 能接近被检涂镀层厚度，且其厚度的最 小值及最大值所包含厚度的范围应覆盖 被测量涂镀层厚度的变化范围。 由于为绝对值测量，所以同多数 电子设备一样，受到温漂的影响。目前 解决的措施有以下几种：（1）软件修 正；在理论计算及试验的基础上，得到 涂镀层厚度在不同温度时的误差，据此 进行修正，使检测结果尽可能接近真值； （2）采用温度平衡措施：采用温度平 衡器消除温度对检测系统的影响； （3）采用能够克服温度影响的探头线 圈。如上技术，均有成功应用的案例， 由于涉及商业秘密，这里不再深入提及。 关于非金属涂镀层厚度的检测， 核工业上较为典型的案例是停堆换料期 间对燃料棒氧化膜厚度的检测，德国、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 法国、西班牙及韩国竞相研发成套的设 备，检测误差能达到 5m。 2 相 敏涡流法 2.1 检测对象 非铁磁性基体金属上覆盖有非铁 磁性金属涂镀层，且一种金属的电导率 至少是另一种金属的 1.5 倍2，此时对 涂镀层金属厚度的测量可以采用相敏涡 流检测方法，例如核工业中，采用相敏 涡流法测量 U3Si2-Al 燃料板的包壳厚 度。 2.2 检测原理 把通有交变电流的探头线圈置于 被检对象上，在被检对象中产生涡流， 涡流的大小、相位等与检测频率、金属 涂镀层电导率及基体金属电导率密切相 关；同时，涡流也会产生一个磁场，该 磁场反作用于线圈，使线圈输出的信号 发生变化。在选择合适激励频率的情况 下，使由于金属涂镀层厚度变化产生的 涡流信号和由于探头提离产生的涡流信 号方向垂直，把提离信号相位旋转到 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 0，则金属涂镀层厚度变化的信号在垂 直方向上，据此，对涂镀层厚度进行测 量。 2.3 关键技术 相敏涡流检测技术中，检测频率 的选择较为关键，应根据理论计算和试 验结果选择合适的频率，此时，涂镀层 厚度变化产生的涡流信号和提离信号能 够互相垂直。 涂镀层金属厚度的测量应采用标 准试样对检测系统进行校准。标准试样 应具有国家法定检测单位出具的检测报 告或计量证书。标准试样所用材料、结 构尺寸、加工工艺及热处理过程应和被 检对象相同。标准试样的涂镀层金属厚 度尽可能接近被检对象的涂镀层厚度， 且其厚度的最小值及最大值所包含厚度 的范围应覆盖被测量涂镀层厚度的变化 范围。 同其它绝对测量相同，该检测技 术易受温度漂移的影响，解决的办法同 上述提离效应涂镀层厚度检测方法。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 相敏涡流检测方法为国际上常用 的一种测量非铁磁性基体金属上非铁磁 性金属涂镀层厚度的一种测量方法。然 而该方法的应用有一定的条件限制，基 体金属和涂镀层金属的电导率至少要满 足其中一种的电导率为另外一种电导率 的 1.5 倍，另外基体金属的电导率要保 持恒定，否则检测数据的误差将会增大。 国内中国核动力研究设计院采用相敏涡 流法对 U3Si2-Al 燃料板的包壳厚度进 行测量，测量误差 0.02mm。 3 相位法 3.1 检测对象 上面提到相敏涡流法检测的是当 非铁磁性涂镀层金属电导率和非铁磁性 基体金属电导率差异较大时测量涂镀层 金属厚度常用的一种涡流方法。当两者 中，一种金属电导率为另外一种金属的 电导率 1.5 倍或小于 1.5 倍时，就要用 到相位法。 笔者在实际的工程应用中，遇到 了这样的难题，经过调研、分析及试验， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 发明了 “一种非铁磁性金属基体上非铁 磁性金属涂镀层厚度的测量方法”，申 报并受理了国家发明专利，专利号： 2016109389828。 相位法适用的被检对象是：非铁 磁性涂镀层金属的电导率和非铁磁性基 体金属的电导率，其中一种金属的电导 率为另外一种金属电导率的 1.5 倍及以 内时，测量非铁磁性金属涂镀层厚度的 一种测量方法。 3.2 检测原理 通有交变电流的探头线圈放置在 被检对象上时，由于电磁感应，在被检 对象的涂镀层金属和基体金属中就会感 应出涡流，涡流的大小、相位等受涂镀 层金属厚度的影响；同时，产生的涡流 反过来又会产生一个磁场，使检测线圈 的阻抗幅值及相位发生变化，根据阻抗 的变化就可以检测出涂镀层金属厚度的 变化。 大量的试验证明了如下两点： （1）当基体金属和涂镀层金属电导率 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 相近时，检测线圈的阻抗相位角随涂镀 层金属厚度单调变化，可以利用涂镀层 金属厚度和阻抗相位之间单调关系，测 量金属涂镀层厚度；（2）在涂镀层金 属相同，基体金属电导率在一定范围内 变化的情况下（43%） ，同一涂镀层金 属厚度相对应的探头线圈阻抗的相位基 本相等，可以利用涂镀层金属厚度和阻 抗相位之间的关系，测量涂镀层金属厚 度。 3.3 P 键技术 大量试验表明，相位法测量上述 金属涂镀层厚度时，应采用较低的检测 频率，因为较高的检测频率下，容易受 基体电导率变化的影响；然而频率也不 能太低，太低时检测灵敏度较低，对涂 镀层厚度的分辨力不够，满足不了具体 要求。具体采用多大频率，要经过理论 计算和试验得到。 同样，相位法测量也易受到温漂 的影响，解决措施同上述两种方法。 相位法测量