黃海翔　李冬　楊怡璇

【摘 要】采用渦流法對非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度進(jìn)行測量時，應(yīng)根據(jù)涂鍍層材料性質(zhì)，選擇合適的檢測方法。根據(jù)工作經(jīng)驗，對該領(lǐng)域涂鍍層厚度渦流測量方法進(jìn)行總結(jié)，主要內(nèi)容如下：非金屬涂鍍層厚度的測量采用提離效應(yīng)原理，宜采用較高的檢測頻率；當(dāng)涂層為非鐵磁性金屬時，還要根據(jù)涂層金屬的電導(dǎo)率選擇采用“相敏法”或者“相位法”，“相敏法”適用于基體金屬和涂層金屬電導(dǎo)率相差較大的情況（1.5倍），“相位法”適用于基體金屬和涂層金屬電導(dǎo)率相近的情況（1.5倍）。本文從檢測對象、檢測原理、關(guān)鍵技術(shù)等方面對如上三種檢測方法進(jìn)行了闡述，以期在涂鍍層厚度的渦流檢測技術(shù)上有所貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】提離效應(yīng)；相敏渦流法；相位法；非鐵磁性涂鍍層厚度

中圖分類號： TQ639 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）03-0157-002

Multiple eddy current measurement methods for the thickness of non-ferromagnetic coatings on non-ferromagnetic metal substrates

HUANG Hai-xiang1 LI Dong1 YANG Yi-xuan2

（1. China Nuclear Power Research Institute， Chengdu 610213， China；

2. School of Electrical and Information Engineering， Sichuan University， Chengdu， Sichuan 610065， China）

【Abstract】To measure the non-magnetic coating thickness on the non-magnetic metallic basis， according to the material of the coating， suitable eddy current method shoud be chosen. In this paper， three different eddy current methods to measure the thickness of the non-magnetic coatings are summarized， and be discussed into several parts. It is expected that this paper can make some contribution to the area.

【Key words】Lift-off effection； Phase sensitive eddy current method； Phase method； Thickness of non-magnetic coatings

航空、航天及核工業(yè)領(lǐng)域中，常常遇到對金屬基體上涂鍍層厚度進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jù)涂鍍層材料和性質(zhì)選擇不同的檢測方法：當(dāng)涂鍍層為絕緣材料時，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，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，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?。ㄐ∮?.5倍）時，采用相位法進(jìn)行檢測。下面分別進(jìn)行介紹。

1 提離效應(yīng)法

1.1 檢測對象

當(dāng)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(yīng)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(yè)中，測量燃料棒上的氧化膜厚度等。

1.2 檢測原理

當(dāng)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(yīng)原因，會在金屬基體內(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；同時產(chǎn)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(fā)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(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量，應(yīng)選擇絕對放置式探頭，檢測頻率應(yīng)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(yīng)的效果；當(dāng)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(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，所以應(yīng)根據(jù)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(nèi)。

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

由于為絕對值測量，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；在理論計算及試驗的基礎(chǔ)上，得到涂鍍層厚度在不同溫度時的誤差，據(jù)此進(jìn)行修正，使檢測結(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檢測系統(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，核工業(yè)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(fā)成套的設(shè)備，檢測誤差能達(dá)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(dǎo)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(yè)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(chǎn)生渦流，渦流的大小、相位等與檢測頻率、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，渦流也會產(chǎn)生一個磁場，該磁場反作用于線圈，使線圈輸出的信號發(fā)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(chǎn)生的渦流信號和由于探頭提離產(chǎn)生的渦流信號方向垂直，把提離信號相位旋轉(zhuǎn)到0，則金屬涂鍍層厚度變化的信號在垂直方向上，據(jù)此，對涂鍍層厚度進(jìn)行測量。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

相敏渦流檢測技術(shù)中，檢測頻率的選擇較為關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)理論計算和試驗結(jié)果選擇合適的頻率，此時，涂鍍層厚度變化產(chǎn)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(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)試樣對檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)試樣應(yīng)具有國家法定檢測單位出具的檢測報告或計量證書。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(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(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，否則檢測數(shù)據(jù)的誤差將會增大。國內(nèi)中國核動力研究設(shè)計院采用相敏渦流法對U3Si2-Al燃料板的包殼厚度進(jìn)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(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)率差異較大時測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，就要用到相位法。

筆者在實際的工程應(yīng)用中，遇到了這樣的難題，經(jīng)過調(diào)研、分析及試驗，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量方法”，申報并受理了國家發(fā)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(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，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(yīng)，在被檢對象的涂鍍層金屬和基體金屬中就會感應(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，產(chǎn)生的渦流反過來又會產(chǎn)生一個磁場，使檢測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(dāng)基體金屬和涂鍍層金屬電導(dǎo)率相近時，檢測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，測量涂鍍層金屬厚度。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

大量試驗表明，相位法測量上述金屬涂鍍層厚度時，應(yīng)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(dǎo)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)試樣對檢測系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。對標(biāo)準(zhǔn)試樣的要求和相敏渦流法相同。

4 結(jié)論

對非鐵磁性金屬基體上非鐵磁性涂鍍層厚度的測量，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量方法。本文歸納和總結(jié)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(fā)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(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.北京：機械工業(yè)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.