非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的多種渦流測量方法

黃海翔 李 冬 楊怡璇

（1.中國核動力研究設計院，四川 成都 610213；2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065）

航空、航天及核工業領域中，常常遇到對金屬基體上涂鍍層厚度進行檢測的問題。對于鐵磁性基體或鐵磁性涂鍍層，可以采用磁飽和法使其化為非鐵磁性基體或非鐵磁性涂鍍層加以解決，也可以采用其它方法進行測量，所以本文只對非鐵性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測量方法進行探討。非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測量，要根據涂鍍層材料和性質選擇不同的檢測方法：當涂鍍層為絕緣材料時，根據提離效應原理進行檢查；當涂鍍層為金屬材料時，則要根據其電導率與基體金屬的差異選擇適當的測量方法，當涂鍍層金屬電導率與基體金屬電導率差異較大（大于等于1.5倍）時，采用相敏渦流法；當涂鍍層金屬電導率與基體金屬電導率差異較小 （小于1.5倍）時，采用相位法進行檢測。下面分別進行介紹。

1　提離效應法

1.1　檢測對象

當非鐵磁性金屬基體上涂鍍層為絕緣材料時，測量涂鍍層厚度采用提離效應方法。這方面的實例很多，比如測量非鐵磁性金屬基體上的油漆漆膜、玻璃涂層、磷化膜等等；核工業中，測量燃料棒上的氧化膜厚度等。

1.2　檢測原理

當通以交變電流的探頭線圈放到被檢對象上時，由于電磁感應原因，會在金屬基體內部感應出渦流[1]，渦流的大小受線圈與基體金屬之間的距離等因素的影響；同時產生的渦流也會形成一個磁場，這個磁場反過來會使檢測線圈的阻抗發生變化。因此，通過檢測被檢線圈阻抗的變化，就可以測量線圈與基體金屬之間的距離，而這個距離即為涂鍍層厚度。

1.3　關鍵技術

非鐵磁性基體金屬上非鐵磁性涂鍍層厚度的測量，應選擇絕對放置式探頭，檢測頻率應選擇較高頻率，因為較高頻率可以增大探頭與基體金屬電磁感應的效果；當然，檢測的頻率也不能太高，太高的檢測頻率會使分布電容的影響加劇，影響檢測數據的穩定性，所以應根據試驗效果，選擇合適的檢測頻率，推薦的檢測頻率在1～10MHz范圍內。

為了建立涂鍍層厚度和渦流線圈阻抗幅值之間的對應關系，應采用標準厚度的膜片對檢測儀器進行校準。標準膜片應經國家法定計量單位計量，出具計量證書。標準厚度膜片的厚度應盡可能接近被檢涂鍍層厚度，且其厚度的最小值及最大值所包含厚度的范圍應覆蓋被測量涂鍍層厚度的變化范圍。

由于為絕對值測量，所以同多數電子設備一樣，受到溫漂的影響。目前解決的措施有以下幾種：（1）軟件修正；在理論計算及試驗的基礎上，得到涂鍍層厚度在不同溫度時的誤差，據此進行修正，使檢測結果盡可能接近真值；（2）采用溫度平衡措施：采用溫度平衡器消除溫度對檢測系統的影響；（3）采用能夠克服溫度影響的探頭線圈。如上技術，均有成功應用的案例，由于涉及商業秘密，這里不再深入提及。

關于非金屬涂鍍層厚度的檢測，核工業上較為典型的案例是停堆換料期間對燃料棒氧化膜厚度的檢測，德國、法國、西班牙及韓國競相研發成套的設備，檢測誤差能達到5m。

2　相敏渦流法

2.1　檢測對象

非鐵磁性基體金屬上覆蓋有非鐵磁性金屬涂鍍層，且一種金屬的電導率至少是另一種金屬的1.5倍[2]，此時對涂鍍層金屬厚度的測量可以采用相敏渦流檢測方法，例如核工業中，采用相敏渦流法測量U3Si2-Al燃料板的包殼厚度。

2.2　檢測原理

把通有交變電流的探頭線圈置于被檢對象上，在被檢對象中產生渦流，渦流的大小、相位等與檢測頻率、金屬涂鍍層電導率及基體金屬電導率密切相關；同時，渦流也會產生一個磁場，該磁場反作用于線圈，使線圈輸出的信號發生變化。在選擇合適激勵頻率的情況下，使由于金屬涂鍍層厚度變化產生的渦流信號和由于探頭提離產生的渦流信號方向垂直，把提離信號相位旋轉到0，則金屬涂鍍層厚度變化的信號在垂直方向上，據此，對涂鍍層厚度進行測量。

2.3　關鍵技術

相敏渦流檢測技術中，檢測頻率的選擇較為關鍵，應根據理論計算和試驗結果選擇合適的頻率，此時，涂鍍層厚度變化產生的渦流信號和提離信號能夠互相垂直。

涂鍍層金屬厚度的測量應采用標準試樣對檢測系統進行校準。標準試樣應具有國家法定檢測單位出具的檢測報告或計量證書。標準試樣所用材料、結構尺寸、加工工藝及熱處理過程應和被檢對象相同。標準試樣的涂鍍層金屬厚度盡可能接近被檢對象的涂鍍層厚度，且其厚度的最小值及最大值所包含厚度的范圍應覆蓋被測量涂鍍層厚度的變化范圍。

同其它絕對測量相同，該檢測技術易受溫度漂移的影響，解決的辦法同上述提離效應涂鍍層厚度檢測方法。

相敏渦流檢測方法為國際上常用的一種測量非鐵磁性基體金屬上非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的一種測量方法。然而該方法的應用有一定的條件限制，基體金屬和涂鍍層金屬的電導率至少要滿足其中一種的電導率為另外一種電導率的1.5倍，另外基體金屬的電導率要保持恒定，否則檢測數據的誤差將會增大。國內中國核動力研究設計院采用相敏渦流法對U3Si2-Al燃料板的包殼厚度進行測量，測量誤差0.02mm。

3　相位法

3.1　檢測對象

上面提到相敏渦流法檢測的是當非鐵磁性涂鍍層金屬電導率和非鐵磁性基體金屬電導率差異較大時測量涂鍍層金屬厚度常用的一種渦流方法。當兩者中，一種金屬電導率為另外一種金屬的電導率1.5倍或小于1.5倍時，就要用到相位法。

筆者在實際的工程應用中，遇到了這樣的難題，經過調研、分析及試驗，發明了 “一種非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的測量方法”，申報并受理了國家發明專利，專利號：2016109389828。

相位法適用的被檢對象是：非鐵磁性涂鍍層金屬的電導率和非鐵磁性基體金屬的電導率，其中一種金屬的電導率為另外一種金屬電導率的1.5倍及以內時，測量非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的一種測量方法。

3.2　檢測原理

通有交變電流的探頭線圈放置在被檢對象上時，由于電磁感應，在被檢對象的涂鍍層金屬和基體金屬中就會感應出渦流，渦流的大小、相位等受涂鍍層金屬厚度的影響；同時，產生的渦流反過來又會產生一個磁場，使檢測線圈的阻抗幅值及相位發生變化，根據阻抗的變化就可以檢測出涂鍍層金屬厚度的變化。

大量的試驗證明了如下兩點：（1）當基體金屬和涂鍍層金屬電導率相近時，檢測線圈的阻抗相位角隨涂鍍層金屬厚度單調變化，可以利用涂鍍層金屬厚度和阻抗相位之間單調關系，測量金屬涂鍍層厚度；（2）在涂鍍層金屬相同，基體金屬電導率在一定范圍內變化的情況下（43%），同一涂鍍層金屬厚度相對應的探頭線圈阻抗的相位基本相等，可以利用涂鍍層金屬厚度和阻抗相位之間的關系，測量涂鍍層金屬厚度。

3.3　關鍵技術

大量試驗表明，相位法測量上述金屬涂鍍層厚度時，應采用較低的檢測頻率，因為較高的檢測頻率下，容易受基體電導率變化的影響；然而頻率也不能太低，太低時檢測靈敏度較低，對涂鍍層厚度的分辨力不夠，滿足不了具體要求。具體采用多大頻率，要經過理論計算和試驗得到。

同樣，相位法測量也易受到溫漂的影響，解決措施同上述兩種方法。

相位法測量涂鍍層金屬厚度，需要采用標準試樣對檢測系統進行校準。對標準試樣的要求和相敏渦流法相同。

4　結論

對非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測量，應根據涂鍍層材料性質、涂鍍層金屬和基體金屬電導率差異情況選擇合適的測量方法。本文歸納和總結了在工程實踐中常用的檢測方法以及常用檢測方法不能適用時發明的相位法，可望能夠解決日常遇到的涂鍍層厚度測量的問題，同時希望該文能夠在涂鍍層厚度測量領域上作出一些貢獻。

【參考文獻】

［1］徐可北,周俊華主編.渦流檢測.北京：機械工業出版社,2007.

［2］美國無損檢測手冊電磁卷.上海世界圖書出版公司出版,1999.