涂镀层测厚仪测量原理简述

涂镀层测厚仪测量原理简述

张真汶，徐铭，廖庆霞，郑雯冰

广东省梅州市质量计量监督检测所，广东 梅州 514027

摘要：涂镀层测厚仪通常根据测量过程中是否导致涂镀层损伤分为两种类型:非破坏性的（无损）和破坏性的（有损）。无损测厚仪常见的有超声波测厚仪、磁吸力测厚仪、磁感应测厚仪、电涡流测厚仪、x射线荧光镀层测厚仪等；有损测厚仪主要有电解测厚仪、金相显微镜、扫描电子显微镜等。无损检测方法测量厚度既不破坏覆层也不破坏基材，具有检测速度快、经济性高、测量程序简单、操作方便等特点，已成为涂镀层测厚仪的主要研发方向。

关键词：涂镀层；测厚仪；原理；影响因素

1 引言

随着表面处理与涂镀层技术的发展，在金属、化学、电子、机械等行业中的应用越来越广泛。为了保护各类材料的性能，提高材料的抗腐蚀性、耐磨性和美观装饰等作用，通常采用金属表面处理、电镀、热浸镀、热喷涂等方法，在材料表面形成单层或多层覆层，比如有涂层、镀层、贴层或化学生成膜等覆盖层。覆层厚度是决定覆层质量的重要参数，覆层厚度测量已成为金属加工工业中成品质量检测必备的重要工序，是产品达标与否的主要判定依据。覆层厚度测量是检测技术中一门理论性强，又重视实际操作的综合性学科，涉及到材料学、物理学、化学、光学以及微机处理等诸多方面。目前设备制造商通过研究多种测厚原理并制造出直接或间接测量覆层厚度的仪器设备。本文主要介绍了几种应用较广泛的涂镀层测量仪器的工作原理和影响测量结果的主要因素。

2 涂镀层测厚仪的分类

涂镀层测厚仪通常根据测量过程中是否导致涂镀层损伤分为两种类型:非破坏性的（无损）和破坏性的（有损）。无损测厚仪常见的有超声波测厚仪、磁吸力测厚仪、磁感应测厚仪、电涡流测厚仪、x射线荧光镀层测厚仪等；有损测厚仪主要有电解测厚仪、金相显微镜、扫描电子显微镜等。无损检测方法测量厚度既不破坏覆层也不破坏基材，具有检测速度快、经济性高、测量程序简单、操作方便等特点，已成为涂镀层测厚仪的主要研发方向。

近年来随着对各种测厚技术的深入研究，特别是无损测厚技术的发展，测厚仪在便携性、智能化、高精度、非接触测量、动态实时测量等方面提升很大，测量的范围覆盖（0~30）mm，分辨率最高可达0.1μm，精度达到1％以下，具有适用范围广、量程宽、精度高、操作方便等特点，大大促进了我国在工业制造和科研等方面的发展。

3 磁吸力原理测厚仪

基于磁吸力原理的测厚仪可以通过磁探头与磁透钢之间的引力与处于这两者之间的距离成一定的比例关系来测量涂镀层的厚度。这个距离就是涂镀层的厚度，当涂镀层与基材的磁导率差值足够大时，就可以测得厚度值。鉴于大多数工业产品是用结构钢和热轧、冷轧钢板冲压而成，磁吸力测厚仪在工业生产中得到了广泛的应用。测量仪器的基本结构是磁钢、张力弹簧、刻度和自停机构。当磁钢被被测物体吸引时，弹簧逐渐拉长，拉力逐渐增大。当拉力大于吸力时，将磁钢分离，记录最大拉力，通过换算即可得到涂镀层厚度。实际应用中根据不同测量工件选择不同的测厚仪型号和量程。在350º角度内可用（0～100）μm；（0～1000）μm；（0～5）mm刻度表示覆层厚度，精度可达5％以下，可以满足工业生产的基本要求。该仪器具有操作简单、耐用性强、测量前无需供电和校准、价格低廉等特点，适合车间现场的质量控制。

4 磁感应原理测厚仪

磁感应原理测厚仪是通过非铁磁性涂镀层流入铁基体的磁通量大小来测量涂镀层的厚度。当涂镀层越厚时，测得的磁通量就越小，通过仪器自动计算得到厚度值。磁感应原理测厚仪是电子仪器，拥有多种测量功能，量程广，精度高，操作简便，携带方便，测试条件要求低，比磁吸力原理测厚仪应用领域更广泛。

当软铁芯上线圈周围的探头放在被测物体上时，仪器自动输出测试电流，磁通量影响感应电动势。仪器再放大信号，然后显示测得的涂镀层厚度。早期的产品用表头指示，精度和重复性都不好，后来发展成数字显示式，电路设计也日趋完善。近年来通过微机处理，电子开关及稳频等技术的引入，新型磁感应原理测厚仪精度有了很大的提高，可以达到测量值的1%，分辨率达到0.1μm。磁感应测厚仪的探头磁芯大部分采用低碳钢制成，线圈电流频率较低，为减少涡流效应的影响，探头需具有温度补偿功能。随着科技发展仪器变得智能化，它可以识别不同的探头，配合不同的软件，并自动改变探头电流和频率，单个仪器可以与多个探头配套使用。可以说，适合工业生产和科学研究的仪器已经达到非常实用的阶段。

5 电涡流原理测厚仪

电涡流原理测厚仪是通过在探头线圈中施加高频交流信号从而产生电磁场，当探头接近导电基体时会产生电涡流效应，探头离导电基体的距离越近，电涡流则越大，反射阻抗也就越大。反射阻抗值的大小反映探头和导电基体之间距离的远近，通过计算得到非磁性金属基体上的非导电覆盖层厚度值。用来测量非磁性金属基体上覆盖层厚度的探头通常被称为非磁性探头，非磁性探头的线圈芯一般由高频材料制成，如铂镍合金或其他新材料。与磁感应原理相比，主要区别在于探头不同，信号频率不同，信号大小、尺度关系不同。电涡流测厚仪的测量范围为（0~30）mm，分辨率可以达到0.1μm，允许误差达到1%以下。有些厂家将磁性和电涡流两种类型原理的测厚仪结合在一起，配备的探头同时具有磁性和非磁性的测量功能，实现在磁性和非磁性金属基体上的智能识别测量。

6 X射线荧光原理测厚仪

X射线荧光镀层测厚仪广泛应用于材料、电子、金属、质检等行业，是一种基于X射线能量色散原理的无损的、非接触式测厚仪器，具有检测多种金属材料成分和多种金属镀层厚度的功能。原理是由X射线管产生的初级X射线照射在测量样品上，金属样品受射线照射激发而辐射出二次X射线被传感器接收，二次辐射强度和镀层厚度有关，通过分析二次辐射具有该金属材料的波长和能量特征，经过仪器的分析计算和能谱分析器处理后，得到被测样品的镀层厚度。

7 影响涂镀层测厚仪测量精度的因素

7.1 基体金属磁性质的影响

钢材基体内部保留了一定的拉应力，此应力使其内部磁畴发生一定角度的偏转，所以对外呈现出磁性。高碳钢基体钢的含碳量较多，其饱和的磁场强度较小，而且内部的杂质会给磁畴的转动形成阻力，磁性变化较大，对磁性测厚仪测量值影响较大。

7.2 基体金属电性质的影响

基体金属的电导率对测量有影响，基体金属的电导率与材料成分和热处理方法有关。为减少热处理和冷加工因素的影响，测量时应使用与试样底材性质相同的标准件进行清零，条件允许情况下应直接使用待测样品的基材作为基准清零。

7.3 基体金属厚度的影响

每种磁性、电涡流测厚仪对基体金属厚度有个最低值要求，为减少基体金属厚度对测量结果的影响，应选择大于仪器要求最低厚度值的位置测量。

7.4 测头压力和试件形变的影响

测量时需将探头按压在被测物上，施加在被测物上的压力过小会影响仪器数值，同时压力过大时会使被测物软覆盖层变形也会影响数值的准确性，因此需要保持测量时的压力恒定。　

7.5 表面曲率的影响

涂镀层测厚仪对工件表面形状敏感，随着曲率半径的减小，数值变化会明显地增大，因此在工件边缘或内凹处测量的数据偏差较大，为得到较准确数据，应选择平整的工件表面进行测量。

7.6 表面粗糙度的影响

基底金属和覆层的表面粗糙度越大，误差越大。粗糙的表面会导致系统误差和随机误差，为了减少这种误差可以通过测量工件多个位置，剔除粗大误差后取平均值的方法进行测量，以保证数值的准确可靠。如果基底金属粗糙，在无与基底金属相类似的校零平面时，可以使用能腐蚀覆盖层，但不影响基底金属的溶液消解覆盖层，然后在基底金属上取几个位置，以校准仪器的零点。

7.7 表面清洁度的影响

工件表面清洁度对测厚仪数值影响较大，表面杂质会影响探头与覆盖层表面的接触情况。因此测量前应先将表面附着的灰尘、油脂、水渍等杂质清除，同时注意不损伤覆盖层，以确保探头与工件的表面直接接触。

7.8 测量角度的影响

探头的测量角度对测量结果有影响。测量时，应使探头垂直于工件表面，减少人为操作因素产生的结果误差。

[参 考 文 献]

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