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北京時(shí)代涂層測(cè)厚儀測(cè)量釋疑

                                                          北京時(shí)代涂層測(cè)厚儀測(cè)量釋疑


磁感應(yīng)法,利用基材和覆蓋層在導(dǎo)磁性上的差異(基材為鐵、鈷、鎳,覆蓋層為非磁性介質(zhì))


電渦流法,利用基材和覆蓋層在導(dǎo)電率上的差異(基材為強(qiáng)導(dǎo)電性,覆蓋層無導(dǎo)電性)



磁感應(yīng)法工作原理圖見圖Fig.1



磁感應(yīng)法所用的F探頭,中間是一個(gè)鐵磁性的磁棒(我們稱之為磁芯),其上繞有兩段線圈,上面一段為勵(lì)磁線圈,下面一段為感應(yīng)線圈。


如果給勵(lì)磁線圈加載一個(gè)低頻交變電流,就會(huì)產(chǎn)生穿過勵(lì)磁線圈的一個(gè)交變磁場(chǎng),而磁芯正好處在這個(gè)磁場(chǎng)中,此時(shí)如果將磁芯靠近另一個(gè)鐵磁性物體,我們知道磁鐵相吸的原理,因此,磁芯越靠近這個(gè)鐵磁性物體,則穿過磁芯的磁場(chǎng)強(qiáng)度就越強(qiáng),而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱變化就會(huì)在下端的那個(gè)感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流,這個(gè)感應(yīng)電流的電壓V,其大小將隨著磁場(chǎng)強(qiáng)弱變化而變化、實(shí)際上也就是隨著磁芯離那個(gè)鐵磁性物體的遠(yuǎn)近而變化,并且,這個(gè)電壓V的大小和磁芯離那個(gè)鐵磁性物體的遠(yuǎn)近(也就是距離)存在可計(jì)算的關(guān)系。


因此,我們可以通過測(cè)量這個(gè)電壓V的大小來計(jì)算磁芯和那個(gè)鐵磁性物體之間的的距離,如果那個(gè)鐵磁性物體上有覆層、而磁芯又密切接觸在覆層上,這個(gè)計(jì)算出來的距離不正是覆層的厚度嗎?



電渦流法工作原理圖見圖Fig.2





電渦流法所用的N探頭,沒有中間的磁棒,而且只有一個(gè)中空的感應(yīng)線圈。當(dāng)給這個(gè)感應(yīng)線圈加載一個(gè)高頻交變電流,就會(huì)在感應(yīng)線圈的中間產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)磁場(chǎng)。


當(dāng)這個(gè)加載了高頻交變電流的線圈靠近一個(gè)非磁性的導(dǎo)電體時(shí),會(huì)在這個(gè)導(dǎo)電體上產(chǎn)生一個(gè)交變電流場(chǎng),我們稱之為電渦流場(chǎng)。而這個(gè)電渦流場(chǎng)又會(huì)在空間產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng),其磁場(chǎng)方向始終與感應(yīng)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)方向相反,并因此削弱感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度,這就導(dǎo)致了感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的變化。


感應(yīng)線圈離那個(gè)非磁性的導(dǎo)電體的遠(yuǎn)近,決定了導(dǎo)電體上產(chǎn)生的電渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱。電渦流場(chǎng)的強(qiáng)弱,又決定了它所引發(fā)的交變電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,而交變電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又影響了感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、也因此決定了感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的大小。


也就是說,感應(yīng)系數(shù)K值的大小,與感應(yīng)線圈離導(dǎo)電體的遠(yuǎn)近存在可計(jì)算的關(guān)系。因此,我們可以通過測(cè)量這個(gè)感應(yīng)線圈的感應(yīng)系數(shù)K的大小來計(jì)算感應(yīng)線圈和那個(gè)非磁性導(dǎo)電體的距離。如果那個(gè)非磁性導(dǎo)電體上有覆層、而感應(yīng)線圈又密切接觸在覆層上,這個(gè)計(jì)算出來的距離不正是覆層的厚度嗎?


以磁感應(yīng)法為例見圖Fig.4




如果基材仍然是平板狀的,只是涂層的厚度產(chǎn)生變化,我們不難想象,磁力線的整體長(zhǎng)短會(huì)隨著涂層厚度的變化而變化,但是,其分布卻是一致的,也即是說,中心線上的磁力線長(zhǎng)度和邊緣的磁力線長(zhǎng)度的比例是始終不變的,因此,我們只需依據(jù)磁力線整體的變長(zhǎng)、變短即可以計(jì)算出涂層厚度的變化來。


但是,如果實(shí)際測(cè)量時(shí),基體的幾何形狀變了,比如,變成了圓柱體,但涂層厚度不變。磁力線會(huì)有什么樣的變化呢?我們來看看圖Fig.5




我們注意到,越靠近邊緣,與在平板基體上的試驗(yàn)相比,磁力線的拉長(zhǎng)現(xiàn)象就越明顯,這就意味著,這種情況下,感應(yīng)強(qiáng)度的平均值必然與我們從平板基體上試驗(yàn)得來的值不相等。


電渦流法與此有可以類比之處:在平板上的電渦流和柱體上的電渦流分布也是有差異的!


由此,可以得出結(jié)論:盡管儀器可能已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)試樣上校準(zhǔn)了,保證了儀器(探頭)對(duì)感應(yīng)信號(hào)采集、計(jì)算的敏感性、準(zhǔn)確性,但是,在實(shí)際測(cè)量時(shí),由于實(shí)際工件的幾何形狀、基材的物理特性與標(biāo)準(zhǔn)試樣的基準(zhǔn)塊存在差異,因此,測(cè)量仍然會(huì)出現(xiàn)偏差。



偏差的幾種類型


外凸面的覆層測(cè)量,見圖Fig.6



通常會(huì)顯示正偏差,當(dāng)曲率半徑小于一定值時(shí),偏差會(huì)較為明顯(鐵磁性基材曲率半徑小于20mm時(shí),導(dǎo)電性基材曲率半徑小于50mm時(shí))。


內(nèi)凹面的覆層測(cè)量,見圖Fig.7



通常會(huì)顯示負(fù)偏差,當(dāng)曲率半徑小于一定值時(shí),偏差會(huì)較為明顯(鐵磁性基材曲率半徑小于25mm時(shí),導(dǎo)電性基材曲率半徑小于50mm時(shí))


邊緣部分的覆層測(cè)量,見圖Fig.8



通常會(huì)顯示正偏差,當(dāng)A小于5mm時(shí),偏差會(huì)較為明顯。
靠近側(cè)壁的覆層測(cè)量,見圖Fig.9



通常會(huì)顯示負(fù)偏差,當(dāng)A小于5mm時(shí),偏差會(huì)較為明顯。
凹槽底部的覆層測(cè)量,見圖Fig.10



通常會(huì)顯示負(fù)偏差,當(dāng)D小于20mm時(shí),偏差會(huì)較為明顯。
極薄基材上的覆層測(cè)量,見圖Fig.11



對(duì)于鐵磁性基材,通常會(huì)顯示正偏差,對(duì)于導(dǎo)電性基材,通常會(huì)顯示負(fù)偏差。當(dāng)T小于0.6mm時(shí),偏差會(huì)較為明顯。當(dāng)T小于0.1mm(鐵磁性基材)或者是小于0.01mm(導(dǎo)電性基材),無論是否校準(zhǔn),測(cè)量都不能實(shí)現(xiàn)。
噴丸表面上覆層的測(cè)量,見圖Fig.16



a,對(duì)于Rz值小于20μm的噴丸面上的覆層測(cè)量。先在無覆層的基材上面測(cè)量十次進(jìn)行較零,接著將涂層試片覆蓋其上,測(cè)量五次進(jìn)行校正,則測(cè)量校準(zhǔn)完成,需要記住的是,即便完成了測(cè)量校準(zhǔn),在實(shí)際測(cè)量中,仍然必須多次測(cè)量取平均值。
b,對(duì)于Rz值大于20μm的噴丸面上的覆層測(cè)量。此時(shí)的情況較為復(fù)雜,需要先在同樣材質(zhì)的具有光滑表面(未噴丸處理)的基材上進(jìn)行校準(zhǔn),接著在無覆層的噴丸表面上進(jìn)行測(cè)量十次取平均值,然后再再實(shí)際工件的覆層上同樣進(jìn)行十次測(cè)量,再取平均值,這兩個(gè)平均值之差的**值就是覆層厚度。
“軟”覆層的測(cè)量
某些覆層質(zhì)地比較軟、比較疏松,探頭接觸上之后可能會(huì)有微小的凹坑,從而影響測(cè)量。此時(shí)可以將一個(gè)確知厚度的涂層試片覆蓋其上,然后將探頭放在這層試片上,得出值減去涂層試片的值即是覆層厚度值。提示:使用30~50μm的涂層試片較為合適。
“熱”覆層的測(cè)量
某些情況下,不待完全冷卻,就需要對(duì)覆層進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)的溫度通常超過60℃,一方面,熱量會(huì)傳導(dǎo)給探頭的樹脂支撐環(huán),我們知道,支撐環(huán)里面有線圈或磁芯,而它們所產(chǎn)生的感應(yīng)場(chǎng)會(huì)因?yàn)檫^高的溫度產(chǎn)生變化;另一方面,我們同樣知道,基材本身的磁場(chǎng)和電渦流場(chǎng)也會(huì)因?yàn)闇囟鹊倪^高變化而產(chǎn)生細(xì)微的畸變。
因此,在這種情況下,我們要解決兩個(gè)問題:一是盡量降低熱量的傳導(dǎo),這里,我們可以用到高溫護(hù)墊,將其安裝在探頭上;二是,需要更敏感的探頭,以便辨析溫度帶來的基材本身的磁場(chǎng)或電渦流場(chǎng)的畸變。當(dāng)然,這往往意味著儀器需要提供更高的精度。
介紹一種簡(jiǎn)單可靠的應(yīng)用(以外凸面為例)
先在無覆蓋層的外凸面工件進(jìn)行測(cè)量,按理,本應(yīng)顯示為零,但從以上的介紹可知,很可能讀值并不為零,而是正偏差的某個(gè)數(shù),此時(shí),并非必須較零(重要的事情說三遍),否則,強(qiáng)行較零可能使儀器出廠時(shí)校正的參照曲線嚴(yán)重偏移、或者干脆無法較到零位。
在此情況下,只需記下這個(gè)正偏差值,然后測(cè)量實(shí)際覆層,將取得的讀值減去這個(gè)正偏差值,即為覆層的實(shí)際讀值。
更多應(yīng)用,歡迎討論交流。

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