覆層（涂鍍層）測厚的原理與應用

來源：北京時代浩方科技有限公司 2025年01月13日 13:09

覆層（涂鍍層）測厚的原理與應用

該讀本包括以下內容：利用磁感應法和電渦流法對覆層（涂鍍層）厚度進行無損測量的原理、典型測量的應用介紹、型號規格的合適選擇。

1、磁感應法和電渦流法適用于哪種覆層（涂鍍層）的厚度測量？

磁感應法適用于鐵磁性基材上（比如碳鋼、鐵）的非鐵磁性覆層（涂鍍層）的厚度測量。這樣的覆層（涂鍍層）包括刷漆、涂料、瓷釉、粘膠、玻璃層、鍍鋁、鍍鉛、鍍鉻、鍍銅、鍍鋅、鍍錫等。

通常，磁感應法又簡稱F模式，即，ferromagnetic（鐵磁性的、鐵磁體的）。

一般情況下，覆層（涂鍍層）如果為以下介質則不可應用F模式測量：電解鍍鎳、氧化鐵、鈦及鈦合金、碳化鎢等。

電渦流法適用于導電但非導磁性基材上的非導電覆層（涂鍍層）的厚度測量。常見的導電但非導磁性基材包括：鋁、鋁合金、鉛、銅、鋅、錫、不銹鋼等；非導電覆層（涂鍍層）包括：刷漆、涂料、瓷釉、粘膠、玻璃層、陽極電鍍法的鍍層、陶瓷層等。

通常，電渦流法又簡稱N模式，即，non-ferromagenetic（非鐵磁性、非鐵磁體的）。

2、磁感應法和電渦流法的工作原理
磁感應法工作原理：
原理圖見圖Fig.1

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

如果給勵磁線圈加載一個低頻交變電流，就會產生穿過勵磁線圈的一個交變磁場，而磁芯正好處在這個磁場中，此時如果將磁芯靠近另一個鐵磁性物體，我們知道磁鐵相吸的原理，因此，磁芯越靠近這個鐵磁性物體，則穿過磁芯的磁場強度就越強，而磁場的強弱變化就會在下端的那個感應線圈中產生一個感應電流，這個感應電流的電壓V，其大小將隨著磁場強弱變化而變化、實際上也就是隨著磁芯離那個鐵磁性物體的遠近而變化，并且，這個電壓V的大小和磁芯離那個鐵磁性物體的遠近（也就是距離）存在可計算的關系。

因此，我們可以通過測量這個電壓V的大小來計算磁芯和那個鐵磁性物體之間的的距離，如果那個鐵磁性物體上有覆層、而磁芯又密切接觸在覆層上，這個計算出來的距離不正是覆層的厚度嗎？
電渦流法工作原理：
原理圖見圖Fig.2

電渦流法所用的N探頭，沒有中間的磁棒，而且只有一個中空的感應線圈。當給這個感應線圈加載一個高頻交變電流，就會在感應線圈的中間產生一個感應磁場。

當這個加載了高頻交變電流的線圈靠近一個非磁性的導電體時，會在這個導電體上產生一個交變電流場，我們稱之為電渦流場。而這個電渦流場又會在空間產生一個交變電磁場，其磁場方向始終與感應線圈產生的感應磁場方向相反，并因此削弱感應磁場的強度，這就導致了感應線圈的感應系數K的變化。感應線圈離那個非磁性的導電體的遠近，決定了導電體上產生的電渦流場的強弱。電渦流場的強弱，又決定了它所引發的交變電磁場的強弱，而交變電磁場的強弱又影響了感應磁場的強弱、也因此決定了感應線圈的感應系數K的大小。
  也就是說，感應系數K值的大小，與感應線圈離導電體的遠近存在可計算的關系。因此，我們可以通過測量這個感應線圈的感應系數K的大小來計算感應線圈和那個非磁性導電體的距離。如果那個非磁性導電體上有覆層、而感應線圈又密切接觸在覆層上，這個計算出來的距離不正是覆層的厚度嗎？
  FN兩用探頭：

通常情況下，我們都是用單一的探頭來測量確定的材質，即，明確知道基材是鐵磁性的，使用F探頭，明確知道基材是非磁性導電體，則使用N探頭。但是，在有些情況下，無法實現確知基材的特性，這時我們將用到FN兩用探頭。

FN探頭中間也有一個芯棒，采用特殊材料、特殊工藝，兩個線圈非別加載低頻交變電流和高頻交變電流，這樣，當探頭靠近被測體時，會通過測量感應磁場的方式來辨析基材具備何種特性，從而使儀器自動啟動相應的測量模式。

3、對探頭使用的理解

對于磁感應法和電渦流法覆層（涂鍍層）測厚儀而言，探頭是關鍵部件，必須靠它產生電或磁的感應場，也必須靠它精確地采集感應信號，供儀器計算。因此，在實際應用中，正確使用探頭往往是測值是否穩定和準確的關鍵。

——在測試前應使探頭和被測部位保持潔凈。我們知道，測量的原理就是利用基材和覆層（涂鍍層）物理特性的差異（導磁與不導磁、導電與不導電）來實現測量，如果探頭或被測部位有污物，而污物又有導電性或導磁性，這就有可能影響測量結果。
——探頭端部通常都有一個塑膠件的支撐環，這首先是為了保證探頭端部能夠平穩地與被測部位接觸。如果是測量圓柱形物體，我們可以利用支撐環的V型卡口“騎”在柱面上，從而使探頭和被測部位的柱面（外圓弧面）平穩接觸。
——探頭產生感應場和采集感應信號都需要時間（盡管很短暫），因此，在測量時必須在聽到“吡吡”的提示音或者看到穩定示值后方可將探頭移離。
——如果要對同一部位連續測量，建議在前次測量后應將探頭移離被測部位在25mm以上、并間隔半秒以上，然后在進行下次測量。否則盡管此次測值完成，但是探頭離得太近、或間隔太短，會在基材表面殘留感應場，從而影響同一部位的下次測量。
——當探頭接觸到的是未固化的覆層，可能會出現沒有測值的現象。這是因為，這種情況下的接觸，使得探頭無法在基材上產生穩定的感應磁場或電渦流場，從而使得需要采集的信號不穩定。如果一個被采集的信號總在變化，不能穩定在0.5秒以上，則探頭會不識別該信號。

4、關于校準
校準的含義有兩個方面。
一個方面是，儀器自身的校準。
主要用于評價儀器的基本性能，比如，精度、線性等，這樣的校準，通常借助標準試樣。一套標準試樣應該含有基準塊、經標定過的涂層試片，成套標準試樣應向有資質的獨立第三方購買，當然，習慣做法是，由儀器生產商代為購買或是贈送。

另一份方面是，測量時的校準。
對儀器自身的校準，只是確認了儀器對感應信號捕捉的敏感、精確，但這并不代表這符合實際的測量情況。下面，我們借助一個對磁性基材上非磁性涂層的測量示意來說明這一點。
  先見圖Fig.4

假如有一個標準試樣，在一個磁性平板基體上有非磁性涂層，當探頭接觸到涂層表面上時，磁力線在探頭的磁芯和基體間透過涂層透過“穿梭”，在圖中，我們形象地描繪出了磁力線的分布。這種分布代表著，越靠近中心線，磁力線越短，磁感應強度越強，越遠離中心性，磁力線越長，磁感應強度越弱。我們由此可以通過校準的方式得出一個平均感應強度來計算涂層的厚度。
如果基材仍然是平板狀的，只是涂層的厚度產生變化，我們不難想象，磁力線的整體長短會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度和邊緣的磁力線長度的比例是始終不變的，因此，我們只需依據磁力線整體的變長、變短即可以計算出涂層厚度的變化來。
但是，如果實際測量時，基體的幾何形狀變了，比如，變成了圓柱體，但涂層厚度不變。會有什么樣的變化的，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相比，磁力線的拉長現象就越明顯，這就意味著，這種情況下，感應強度的平均值必然與我們從平板基體上試驗得來的值不相等。
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，可以得出結論：盡管儀器可能已經在標準試樣上校準了，保證了儀器（探頭）對感應信號采集、計算的敏感性、準確性，但是，在實際測量時，必須在實際工件上再做測量校準——如果實際工件的幾何形狀、基材的物理特性與標準試樣的基準塊存在差異的話。
  當然，在很多情況下，實際工件的基材和物理特性與標準試樣的基準塊相差無幾，或者我們能夠判定，這種差異引起的測值誤差在允許范圍內，那么，可以不用進行測量校準。
  如何進行測量校準？
  a，嚴格的做法，應該是制作與實際工件幾何形狀一樣的基準塊，在其上覆蓋與實際工件覆層厚度相同的覆層，以此為標樣，進行校準。
  b，現實中，嚴格的做法既無可能、也非必要，變通的做法是，在實際工件上的某個部位去除覆層（但要保持幾何形狀不變），在裸露的基體上較零，然后將厚度與實際覆層厚度相近的標準涂層試片覆蓋其上，進行一次試片厚度的校準。
  如果沒有合適的涂層試片，只在裸露的基體上進行一次較零，亦在一定程度上保證實際測量的精度。
  c，更為簡單的做法，如果我們確知實際工件的某個部位，其覆層厚度符合工藝要求，那么就在這個部位進行校準。當然，這也意味著，其它部位測量時的誤差都將是以這個部位的覆層厚度值為基準的。
提示：對于方法a和b，該部位應離工件邊緣至少5mm）

5、幾種可供參考的典型應用

通過對原理的理解，我們明白，磁感應法和電渦流法測量覆層（涂鍍層），其基礎在于，基材和覆層在物理特性上的差異（導磁和不導磁、導電和不導電），如果不存在這樣的差異，則測量不能實現。而磁場、電渦流場、感應磁場的分布，卻又受到幾何形狀以及表面狀況的影響。下面，我們就介紹幾種典型的應用予以說明。
外凸面的覆層測量，見圖Fig.6

通常會顯示正偏差，當曲率半徑小于一定值時，必須進行測量校準（鐵磁性基材曲率半徑小于20mm時，導電性基材曲率半徑小于50mm時）。內凹面的覆層測量，見圖Fig.7

通常會顯示負偏差，當曲率半徑小于一定值時，必須進行測量校準（鐵磁性基材曲率半徑小于25mm時，導電性基材曲率半徑小于50mm時）
邊緣部分的覆層測量，見圖Fig.8

通常會顯示正偏差，當A小于5mm時必須進行測量校準。
靠近側壁的覆層測量，見圖Fig.9

通常會顯示負偏差，當A小于5mm時，必須進行測量校準。
凹槽底部的覆層測量，見圖Fig.10

通常會顯示負偏差，當D小于20mm時，必須進行測量校準。
極薄基材上的覆層測量，見圖Fig.11

對于鐵磁性基材，通常會顯示正偏差，對于導電性基材，通常會顯示負偏差。當T小于0.6mm時，必須進行測量校準。當T小于0.1mm（鐵磁性基材）或者是小于0.01mm（導電性基材），無論是否校準，測量都不能實現。
噴丸表面上覆層的測量，見圖Fig.16

a，對于Rz值小于20µm的噴丸面上的覆層測量。先在無覆層的基材上面測量十次進行較零，接著將涂層試片覆蓋其上，測量五次進行校正，則測量校準完成，需要記住的是，即便完成了測量校準，在實際測量中，仍然必須多次測量取平均值。
b，對于Rz值大于20µm的噴丸面上的覆層測量。此時的情況較為復雜，需要先在同樣材質的具有光滑表面（未噴丸處理）的基材上進行校準，接著在無覆層的噴丸表面上進行測量十次取平均值，然后再再實際工件的覆層上同樣進行十次測量，再取平均值，這兩個平均值之差的值就是覆層厚度。
“軟”覆層的測量

某些覆層質地比較軟、比較疏松，探頭接觸上之后可能會有微小的凹坑，從而影響測量。此時可以將一個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”覆層的測量

某些情況下，不待冷卻，就需要對覆層進行測量。此時的溫度通常超過60℃，一方面，熱量會傳導給探頭的樹脂支撐環，我們知道，支撐環里面有線圈或磁芯，而它們所產生的感應場會因為過高的溫度產生變化；另一方面，我們同樣知道，基材本身的磁場和電渦流場也會因為溫度的過高變化而產生細微的畸變。

因此，在這種情況下，我們要解決兩個問題：一是盡量降低熱量的傳導，這里，我們可以用到高溫護墊，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或電渦流場的畸變。當然，這往往意味著儀器需要提供更高的精度。

6、時代覆層（涂鍍層）測厚儀的主要型號規格:

項目	產品
型號	TT210	TT220		TT230		TT240	CT2000	TT260		CT2800
結構原理	FN兩用探頭一體式型	探頭一體式F型（磁感應法）		探頭一體式N型（電渦流法）		連線探頭固定式，N探頭	FN兩用探頭一體式型	連線探頭插拔式，F探頭和N探頭可即插即用
精度	F：1µm±1%N：1.5µm±1%	1µm±1%		1.5µm±1%		1．5µm±1%	F：1µm±1% N：1.5µm±1%	F：1µm±1% N：1.5µm±1%
功能	統計、平均、存儲、極值
可測表面溫度	常溫（建議不超過60℃）
數據通訊	可外接微型打印機							自帶打印機，可與PC通訊	不帶打印機,可與PC通訊
外形尺寸(mm)/重量(g)	110X50X23 100		150X55X23 150		152X74X35 370		110x 50x 23 100	270X86X47 530	1250X67X31 400
可選配的探頭	探頭不可選							探頭可選

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