涂层厚度的非接触在线测量
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本文介绍了一种非接触在线测量金属基体上半导体涂层厚度的方法。开发了一种组合了电涡流传感和电容传感测量原理的复合传感器。根据二种传感元件对金属基体及涂层薄膜的不同物理特性,建立了该复合传感器的数学模型。从该模型导出的仿真结果为我们提供了实际应用时最佳间隙的一些有用信息。经过对金属基体上三种不同厚度的聚乙烯涂层厚度测量的试验,证实所开发的复合传感器的精度不小于±1µm。

(a)概念简图

(b)等效电路
图1 由电涡流和电容传感器组成的复合测头

(a)测头

(b)内部结构
图2 复合测头结构图

图3 复合侧头和有涂层的金属基体间的电磁相互作用

1 引言

为了防锈、防腐蚀、防氧化以及美化外观、延长使用寿命,经常在加工工件表而涂覆厚度为10~100µm的薄膜。在一些应用场合,涂层厚度要求特别精确,以保证产品质量。
在食品工业应用中涂覆的专用光泽膜的厚度通常为10~20µm,精度要求达到±1µm。用于汽车零件、蓄电池、液晶显示屏及电子装置中的塑料薄膜厚度范围10~200 µm,精度要求在±1%以内。
导电金属上的涂层薄膜厚度通常采用电涡流传感器、磁传感器和超声传感器等接触式测敬方法进行测最:但存在以下问题:①仅局限于干涂层薄膜的测量;②测量力容易导致涂层表面损伤;③难以实现在线测量。
本文介绍一种可用于某些金属表面涂层薄膜厚度非接触测虽的新型复合测头,这种测头结合了电涡流间隙传感和电容间隙传感两种测量原理。
为了校核这种既小又便于使用的圆柱形测头的测量性能,我们基于该测头中两种传感元件与工件金属基体和涂层薄膜间的电磁相互作用关系,绘制出一个阻抗间隙模型。
通过对不同金属基体和间隙距离变化所建立的阻抗间隙模型进行仿真,可以得到有关涂层厚度非接触测量的测量范围、测量精度等一些信息。
采用厚度评估算法对仿真结果与实测结果之差进行补偿之后.在几种金属基体(黄铜、铝6061、紫铜)和三种涂层厚度(45µm、80µm、100µm)的情况下,该复合测头的测从精度小于±1µm.

2 用于涂层厚度非接触测量的复合测头

  1. 测量原理
    图1a为由涡流传感元件和电容传感元件组成的个复合传感测头的原理结构图。图1b为相应的电路。当测头置于涂层表而距离为d2时,两个传感器分别测出的距离为d2和d1,而测得的涂层厚度即为d2-d1。这就是本文提出的对金属基体上涂层厚度进行非接触测量的基本原理。
    金属基体表面的电涡流按照与测头线圈电流相反的方向流动,它通过线圈与电涡流环相互感应,使线圈阻抗产生变化。该变化的大小取决于线圈与金属基体之间的间隙大小(将在后文详述),这样,通过测星线圈阻抗的变化即可评估d1的大小。
    通常采用环状电容传感器来检测不导电材质涂层薄膜的间隙,因为薄膜不会像电极那样作用。在此情况下,在传感器与工件之间就产生了两种电容:一种是因为环状静电产生的环状电容,其大小取决于间隙d1;另一种是由正常静电址所产生的正常电容,其大小取决于间隙d2和d1。如果由电涡流传感器检测到d1,则可通过测出这两种电容量的变化来获得d3
  2. 测头结构
    复合传感测头的结构如图2所示。它有个线圈作为电涡流检测器置于圆筒盒的中心,另有两个环状电极作为环状电容检测器,环绕线圈并同轴安装。采用环状结构是为了提高测量灵敏度,同时克服因电极面积加大造成的测头结构不紧凑的缺点。采用锰-锌铁芯结构是为了增加线圈传感器的放大倍数(增益)。此外,铁芯构造可避免电容传感器的干扰。钢制外壳接地可减少外部噪声。测头的几何尺寸和电磁参数见表1。

表1 测头的几何参数和电磁参数
线圈直径0.09(mm)
绕制圈数(I,J)8.13(圈)
外圈半径(r1)4.215(mm)
激励频率(Gc)100(kHz)
放大倍数5.31
电极R1,R2,R3,R43.4,4.4,4.6,5.6(mm)
厚度(TeIe)18(µm)
激励频率1.5(MHz)

3 复合传感测头的阻抗-间隙模型

  1. 电涡流传感元件的模型
    图3 所示为两种传感元件与间距为d1的金属基体以及间距为d1的涂层薄膜之间的电磁作用关系。线圈是多个单圈<
本文作者:谢华锟(译)
原载:《工具展望》2008年第1期
上载于:2009-7-29 9:34:15

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