非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的多種渦流測(cè)量方法

黃海翔 李 冬 楊怡璇

（1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

航空、航天及核工業(yè)領(lǐng)域中，常常遇到對(duì)金屬基體上涂鍍層厚度進(jìn)行檢測(cè)的問題。對(duì)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(jìn)行測(cè)量，所以本文只對(duì)非鐵性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測(cè)量方法進(jìn)行探討。非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測(cè)量，要根據(jù)涂鍍層材料和性質(zhì)選擇不同的檢測(cè)方法：當(dāng)涂鍍層為絕緣材料時(shí)，根據(jù)提離效應(yīng)原理進(jìn)行檢查；當(dāng)涂鍍層為金屬材料時(shí)，則要根據(jù)其電導(dǎo)率與基體金屬的差異選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法，當(dāng)涂鍍層金屬電導(dǎo)率與基體金屬電導(dǎo)率差異較大（大于等于1.5倍）時(shí)，采用相敏渦流法；當(dāng)涂鍍層金屬電導(dǎo)率與基體金屬電導(dǎo)率差異較小 （小于1.5倍）時(shí)，采用相位法進(jìn)行檢測(cè)。下面分別進(jìn)行介紹。

1　提離效應(yīng)法

1.1　檢測(cè)對(duì)象

當(dāng)非鐵磁性金屬基體上涂鍍層為絕緣材料時(shí)，測(cè)量涂鍍層厚度采用提離效應(yīng)方法。這方面的實(shí)例很多，比如測(cè)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(yè)中，測(cè)量燃料棒上的氧化膜厚度等。

1.2　檢測(cè)原理

當(dāng)通以交變電流的探頭線圈放到被檢對(duì)象上時(shí)，由于電磁感應(yīng)原因，會(huì)在金屬基體內(nèi)部感應(yīng)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(shí)產(chǎn)生的渦流也會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)反過來會(huì)使檢測(cè)線圈的阻抗發(fā)生變化。因此，通過檢測(cè)被檢線圈阻抗的變化，就可以測(cè)量線圈與基體金屬之間的距離，而這個(gè)距離即為涂鍍層厚度。

1.3　關(guān)鍵技術(shù)

非鐵磁性基體金屬上非鐵磁性涂鍍層厚度的測(cè)量，應(yīng)選擇絕對(duì)放置式探頭，檢測(cè)頻率應(yīng)選擇較高頻率，因?yàn)檩^高頻率可以增大探頭與基體金屬電磁感應(yīng)的效果；當(dāng)然，檢測(cè)的頻率也不能太高，太高的檢測(cè)頻率會(huì)使分布電容的影響加劇，影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，所以應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)效果，選擇合適的檢測(cè)頻率，推薦的檢測(cè)頻率在1～10MHz范圍內(nèi)。

為了建立涂鍍層厚度和渦流線圈阻抗幅值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)厚度的膜片對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)膜片應(yīng)經(jīng)國家法定計(jì)量單位計(jì)量，出具計(jì)量證書。標(biāo)準(zhǔn)厚度膜片的厚度應(yīng)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(yīng)覆蓋被測(cè)量涂鍍層厚度的變化范圍。

由于為絕對(duì)值測(cè)量，所以同多數(shù)電子設(shè)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(jì)算及試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到涂鍍層厚度在不同溫度時(shí)的誤差，據(jù)此進(jìn)行修正，使檢測(cè)結(jié)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(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響；（3）采用能夠克服溫度影響的探頭線圈。如上技術(shù)，均有成功應(yīng)用的案例，由于涉及商業(yè)秘密，這里不再深入提及。

關(guān)于非金屬涂鍍層厚度的檢測(cè)，核工業(yè)上較為典型的案例是停堆換料期間對(duì)燃料棒氧化膜厚度的檢測(cè)，德國、法國、西班牙及韓國競相研發(fā)成套的設(shè)備，檢測(cè)誤差能達(dá)到5m。

2　相敏渦流法

2.1　檢測(cè)對(duì)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(dǎo)率至少是另一種金屬的1.5倍[2]，此時(shí)對(duì)涂鍍層金屬厚度的測(cè)量可以采用相敏渦流檢測(cè)方法，例如核工業(yè)中，采用相敏渦流法測(cè)量U3Si2-Al燃料板的包殼厚度。

2.2　檢測(cè)原理

把通有交變電流的探頭線圈置于被檢對(duì)象上，在被檢對(duì)象中產(chǎn)生渦流，渦流的大小、相位等與檢測(cè)頻率、金屬涂鍍層電導(dǎo)率及基體金屬電導(dǎo)率密切相關(guān)；同時(shí)，渦流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)反作用于線圈，使線圈輸出的信號(hào)發(fā)生變化。在選擇合適激勵(lì)頻率的情況下，使由于金屬涂鍍層厚度變化產(chǎn)生的渦流信號(hào)和由于探頭提離產(chǎn)生的渦流信號(hào)方向垂直，把提離信號(hào)相位旋轉(zhuǎn)到0，則金屬涂鍍層厚度變化的信號(hào)在垂直方向上，據(jù)此，對(duì)涂鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量。

2.3　關(guān)鍵技術(shù)

相敏渦流檢測(cè)技術(shù)中，檢測(cè)頻率的選擇較為關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的頻率，此時(shí)，涂鍍層厚度變化產(chǎn)生的渦流信號(hào)和提離信號(hào)能夠互相垂直。

涂鍍層金屬厚度的測(cè)量應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)具有國家法定檢測(cè)單位出具的檢測(cè)報(bào)告或計(jì)量證書。標(biāo)準(zhǔn)試樣所用材料、結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝及熱處理過程應(yīng)和被檢對(duì)象相同。標(biāo)準(zhǔn)試樣的涂鍍層金屬厚度盡可能接近被檢對(duì)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(yīng)覆蓋被測(cè)量涂鍍層厚度的變化范圍。

同其它絕對(duì)測(cè)量相同，該檢測(cè)技術(shù)易受溫度漂移的影響，解決的辦法同上述提離效應(yīng)涂鍍層厚度檢測(cè)方法。

相敏渦流檢測(cè)方法為國際上常用的一種測(cè)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(cè)量方法。然而該方法的應(yīng)用有一定的條件限制，基體金屬和涂鍍層金屬的電導(dǎo)率至少要滿足其中一種的電導(dǎo)率為另外一種電導(dǎo)率的1.5倍，另外基體金屬的電導(dǎo)率要保持恒定，否則檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差將會(huì)增大。國內(nèi)中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院采用相敏渦流法對(duì)U3Si2-Al燃料板的包殼厚度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差0.02mm。

3　相位法

3.1　檢測(cè)對(duì)象

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

筆者在實(shí)際的工程應(yīng)用中，遇到了這樣的難題，經(jīng)過調(diào)研、分析及試驗(yàn)，發(fā)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(cè)量方法”，申報(bào)并受理了國家發(fā)明專利，專利號(hào)：2016109389828。

相位法適用的被檢對(duì)象是：非鐵磁性涂鍍層金屬的電導(dǎo)率和非鐵磁性基體金屬的電導(dǎo)率，其中一種金屬的電導(dǎo)率為另外一種金屬電導(dǎo)率的1.5倍及以內(nèi)時(shí)，測(cè)量非鐵磁性金屬涂鍍層厚度的一種測(cè)量方法。

3.2　檢測(cè)原理

通有交變電流的探頭線圈放置在被檢對(duì)象上時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在被檢對(duì)象的涂鍍層金屬和基體金屬中就會(huì)感應(yīng)出渦流，渦流的大小、相位等受涂鍍層金屬厚度的影響；同時(shí)，產(chǎn)生的渦流反過來又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，使檢測(cè)線圈的阻抗幅值及相位發(fā)生變化，根據(jù)阻抗的變化就可以檢測(cè)出涂鍍層金屬厚度的變化。

大量的試驗(yàn)證明了如下兩點(diǎn)：（1）當(dāng)基體金屬和涂鍍層金屬電導(dǎo)率相近時(shí)，檢測(cè)線圈的阻抗相位角隨涂鍍層金屬厚度單調(diào)變化，可以利用涂鍍層金屬厚度和阻抗相位之間單調(diào)關(guān)系，測(cè)量金屬涂鍍層厚度；（2）在涂鍍層金屬相同，基體金屬電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)變化的情況下（43%），同一涂鍍層金屬厚度相對(duì)應(yīng)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(guān)系，測(cè)量涂鍍層金屬厚度。

3.3　關(guān)鍵技術(shù)

大量試驗(yàn)表明，相位法測(cè)量上述金屬涂鍍層厚度時(shí)，應(yīng)采用較低的檢測(cè)頻率，因?yàn)檩^高的檢測(cè)頻率下，容易受基體電導(dǎo)率變化的影響；然而頻率也不能太低，太低時(shí)檢測(cè)靈敏度較低，對(duì)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(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)得到。

同樣，相位法測(cè)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(cè)量涂鍍層金屬厚度，需要采用標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求和相敏渦流法相同。

4　結(jié)論

對(duì)非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測(cè)量，應(yīng)根據(jù)涂鍍層材料性質(zhì)、涂鍍層金屬和基體金屬電導(dǎo)率差異情況選擇合適的測(cè)量方法。本文歸納和總結(jié)了在工程實(shí)踐中常用的檢測(cè)方法以及常用檢測(cè)方法不能適用時(shí)發(fā)明的相位法，可望能夠解決日常遇到的涂鍍層厚度測(cè)量的問題，同時(shí)希望該文能夠在涂鍍層厚度測(cè)量領(lǐng)域上作出一些貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］徐可北,周俊華主編.渦流檢測(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

［2］美國無損檢測(cè)手冊(cè)電磁卷.上海世界圖書出版公司出版,1999.