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

黄海翔 李 冬 杨怡璇

（1.中国核动力研究设计院，四川 成都 610213；2.四川大学电气信息学院，四川 成都 610065）

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。

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，就可以测量线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1～10MHz范围内。

为了建立涂镀层厚度和涡流线圈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、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。

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，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　关键技术

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。

相位法测量涂镀层金属厚度，需要采用标准试样对检测系统进行校准。对标准试样的要求和相敏涡流法相同。

4　结论

对非铁磁性金属基体上非铁磁性涂镀层厚度的测量，应根据涂镀层材料性质、涂镀层金属和基体金属电导率差异情况选择合适的测量方法。本文归纳和总结了在工程实践中常用的检测方法以及常用检测方法不能适用时发明的相位法，可望能够解决日常遇到的涂镀层厚度测量的问题，同时希望该文能够在涂镀层厚度测量领域上作出一些贡献。

【参考文献】

［1］徐可北,周俊华主编.涡流检测.北京：机械工业出版社,2007.

［2］美国无损检测手册电磁卷.上海世界图书出版公司出版,1999.