阅读说明：本技术 金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法及装置 (Method and device for detecting thickness and conductivity of metal coating on surface of metal conductor ) 是由 吴静 张敬雯 刘续扬 阳玲 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法及装置,其中,方法包括以下步骤：根据不同涂层厚度、电导率与基底电导率的特性生成归一化视电导率的标准曲线；根据被测特定带涂层导体的等值电导率和不同激励源频率下的电磁波透入深度之间的关系获取等值导电率的实验曲线；确定待测平板的参数,并根据标准曲线和实验曲线计算金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率。该方法无需先验实验数据,即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率,简单易实现。(The invention discloses a method and a device for detecting the thickness and the conductivity of a metal coating on the surface of a metal conductor, wherein the method comprises the following steps: generating a standard curve of normalized apparent conductivity according to the characteristics of different coating thicknesses, conductivities and substrate conductivities; obtaining an experimental curve of the equivalent conductivity according to the relationship between the equivalent conductivity of the specific conductor with the coating to be detected and the penetration depth of the electromagnetic waves under different excitation source frequencies; and determining parameters of the flat plate to be detected, and calculating the conductivity of the metal coating and the conductivity of the thickness substrate metal conductor according to the standard curve and the experimental curve. The method can detect the thickness, the conductivity and the substrate conductivity of the micrometer-order metal coating at the same time with high precision, rapidness and no damage without prior experimental data, and is simple and easy to realize.)

金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及涂层厚度及电导率检测技术领域，特别涉及一种金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法及装置。

背景技术

目前涂层厚度和电导率的检测方法主要有：磁性测厚法，适用导磁材料上的非导磁层厚度测量；涡流测厚法，适用导电金属上的非导电层厚度测量；超声波测厚法，适用多层涂镀层厚度的测量，但一般价格昂贵、测量精度不高；电解测厚法，需要破坏涂镀层，测量过程繁琐，一般精度也不高；放射测厚法，仪器价格昂贵，实现条件苛刻，仅用于特殊场合。当涂层下方的基底是金属导体时，涡流无损检测方法在涂层厚度和电导率检测中有着广泛应用。

现有涡流检测技术是将通有交流电的检测线圈放置在待测导体平板上方，根据线圈电压和阻抗的变化来获取待测导体厚度和电导率等参数。应用涡流检测法对涂层厚度为几十微米量级的平板进行检测时，已有方案需要已知涂层厚度通过反演算法得到涂层电导率，或是已知涂层电导率通过反演算法得到涂层厚度。也有方案采用基于大量试块获得的标准表格，通过查表法来获取涂层的厚度和电导率。

然而，这些方法在实际应用都有一定的局限性，例如在实际应用中，涂层厚度和电导率均处于未知状态，很难通过已知一个参数去求另一参数；反演算法中所需要的线圈阻抗理论公式计算复杂；查表法需要首先建立标准表格，且准确度依赖于表格的数据量。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法，该方法无需先验实验数据，即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法，包括以下步骤：根据不同涂层厚度、电导率与基底电导率的特性生成归一化视电导率的标准曲线；根据被测特定带涂层导体的等值电导率和不同激励源频率下的电磁波透入深度之间的关系获取等值导电率的实验曲线；确定待测平板的参数，并根据所述标准曲线和所述实验曲线计算金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率。

本发明实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法，在涡流检测法原理的基础上，通过对比基于理论分析得到的“归一化视电导率”标准曲线，以及由线圈阻抗测量值得到的“等值电导率”曲线，从而无需先验实验数据，即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述归一化视电导率的计算公式为：

其中，u为涂层电导率与基底电导率的比值，x为导体平板厚度与激励源参数，σ为带涂层导体平板的等值电导率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述等值导电率的计算公式为：

其中，为所述待测平板T的等值电导率，σ_M为第一参考平板M的电导率，σ_N为第二参考平板N的电导率，p的计算公式为：

其中，Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)为在激励频率f下、线圈分别放置在所述第一参考平板M、所述第二参考平板N和所述待测平板T上的阻抗值，以阻抗的实部为横坐标、阻抗的虚部为纵坐标建立坐标系，Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)在所述坐标系中对应的三个点分别为M、N和T，连接点M和点N，由点T向直线MN作垂线，记垂足为点A，根据点A的横坐标和纵坐标构造阻抗值Z_A(f)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率的计算公式为：

其中，σ₁为电导率，d为厚度，σ₂为基底金属导体的电导率，Δy为实验曲线沿纵轴平移的距离，Δx为沿横轴平移的距离，u为涂层电导率与基底电导率的比值，μ₀为真空磁导率。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置，包括：生成模块，用于根据不同涂层厚度、电导率与基底电导率的特性生成归一化视电导率的标准曲线；获取模块，用于根据被测特定带涂层导体的等值电导率和不同激励源频率下的电磁波透入深度之间的关系获取等值导电率的实验曲线；确定模块，用于确定待测平板的参数，并根据所述标准曲线和所述实验曲线计算金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率。

本发明实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置，在涡流检测法原理的基础上，通过对比基于理论分析得到的“归一化视电导率”标准曲线，以及由线圈阻抗测量值得到的“等值电导率”曲线，从而无需先验实验数据，即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述归一化视电导率的计算公式为：

其中，u为涂层电导率与基底电导率的比值，x为导体平板厚度与激励源参数，σ为带涂层导体平板的等值电导率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述等值导电率的计算公式为：

其中，为所述待测平板T的等值电导率，σ_M为第一参考平板M的电导率，σ_N为第二参考平板N的电导率，p的计算公式为：

其中，Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)为在激励频率f下、线圈分别放置在所述第一参考平板M、所述第二参考平板N和所述待测平板T上的阻抗值，以阻抗的实部为横坐标、阻抗的虚部为纵坐标建立坐标系，Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)在所述坐标系中对应的三个点分别为M、N和T，连接点M和点N，由点T向直线MN作垂线，记垂足为点A，根据点A的横坐标和纵坐标构造阻抗值Z_A(f)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率的计算公式为：

其中，σ₁为电导率，d为厚度，σ₂为基底金属导体的电导率，Δy为实验曲线沿纵轴平移的距离，Δx为沿横轴平移的距离，u为涂层电导率与基底电导率的比值，μ₀为真空磁导率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的基于涡流检测方法的物理模型；

图4为根据本发明实施例的线圈阻抗复平面；

图5为根据本发明实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

涂层技术对于保护基体，提高其耐高温、耐腐蚀性能具有重要意义，在工程中有着广泛的应用。航空工业中，涡轮叶片通常喷涂热障涂层，其粘接层为超薄金属涂层；多数新概念汽车也正在应用此类涂层进行表面保护。为了保证这类设备的安全可靠工作，对涂层厚度以及反映涂层材质变化(损伤)的电导率进行检测非常必要。本发明实施例主要解决金属基底上带有几十微米的超薄金属涂层时涂层厚度和电导率，以及基底电导率的快速无损检测。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法。

图1是本发明一个实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法的流程图。

如图1所示，该金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法包括以下步骤：

在步骤S101中，根据不同涂层厚度、电导率与基底电导率的特性生成归一化视电导率的标准曲线。

具体而言，如图2所示，画出“归一化视电导率”的标准曲线。定义归一化视电导率σ为：

其中，j表示复数虚部单位，|·|表示取括号内复数量的模。u在区间[0.1,10]内任取一离散值后，x在(5,200)内取多个值，按上式计算出对应的σ值。将这些x的值和与其对应的σ值画在以x为横坐标、σ为纵坐标的双对数坐标图中。按上述方法，取不同的u值，在双对数坐标图中会得到一簇表征x与σ之间关系的曲线，称为“归一化视电导率”的标准曲线。

本步骤中，归一化视电导率的理论公式1中，u反映了涂层电导率与基底电导率的比值，x反映了导体平板厚度与激励源参数，σ反映了带涂层导体平板的等值电导率。该标准曲线本质上体现出了不同涂层厚度和电导率、以及基底电导率的特点，将在实现原理中进行详细阐述，在此不做过多描述。

在步骤S102中，根据被测特定带涂层导体的等值电导率和不同激励源频率下的电磁波透入深度之间的关系获取等值导电率的实验曲线。

具体而言，如图2所示，获取“等值电导率”的实验曲线。具体实现方案如下：

①制备圆柱形线圈，为减小高频下的杂散电容和杂散电感的影响，建议采用柔性FPC工艺平面高频电感线圈。该线圈为涡流检测中的检测线圈，通过测量其阻抗来反映被测导体的参数。线圈的制作及功能与现有技术相同。

②选取两个电导率已知的无涂层的金属平板M和N作为参考平板，假设它们的电导率分别为σ_M和σ_N。将第①步中制作的线圈分别放置于平板M、N，以及待测的带涂层导体平板T上，使用阻抗分析仪测量在激励频率f下的线圈阻抗值，分别记为Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)。

③以阻抗的实部为横坐标、阻抗的虚部为纵坐标建立坐标系，画出Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)在坐标系中对应的三点，设其分别为M、N和T。连接点M和点N，由点T向直线MN作垂线，记垂足为点A，根据点A的横坐标和纵坐标构造阻抗值Z_A(f)。将Z_M(f)、Z_N(f)和Z_A(f)代入下式，通过计算得p值：

将p代入下式，得到

定义为待测平板T的等值电导率。

④利用阻抗分析仪重复第③步，得到对应于多个不同频率的

⑤在双对数坐标系中，画出以为横坐标，以为纵坐标的曲线，得到“等值电导率”的实验曲线。

本步骤中，等值电导率的理论公式2，其本质反映了被测特定带涂层导体的等值电导率和不同激励源频率下的电磁波透入深度之间的关系。

在步骤S103中，确定待测平板的参数，并根据标准曲线和实验曲线计算金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率。

具体而言，如图2所示，确定待测平板T的参数。具体实现方案如下：

①在同一双对数坐标系中画出第一步中的“归一化视电导率”的标准曲线和第二步中的“等值电导率”的实验曲线。

②平移实验曲线直至找到与它最接近甚至重合的一条标准曲线，假定该标准曲线的u值为u₁，并记实验曲线沿纵轴平移的距离为Δy，沿横轴平移的距离为Δx；

③根据实验曲线沿纵轴平移的距离Δy、沿横轴平移的距离Δx、以及u₁的值，利用下式计算得到金属涂层的电导率σ₁和厚度d以及基底金属导体的电导率σ₂：

该步骤中，金属涂层的电导率和厚度、以及基底金属导体的电导率的计算方法目的是：通过简单的运算得出被测带涂层导体的所有特征参数。

综上，本发明实施例的方法对带有微米量级的超薄金属涂层的导体可实现高精度、快速无损检测。例如，利用匝数为14，内半径为2.00mm，外半径为4.70mm，高度为35μm的检测线圈，选择电导率分别为σ_M＝1.42MS/m和σ_N＝2.16MS/m的两个参考导体平板M和N，使用型号为WK6500B阻抗分析仪在频率范围0.1MHz～12MHz内以扫频模式对线圈的阻抗进行测量。当涂层电导率与基底电导率的比值在1/2与2之间、涂层厚度在微米量级时，利用本发明实施例的方法可同时且快速检测出涂层厚度、涂层电导率和基底电导率，最大误差小于5％。

下面将对金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法的实现原理进行进一步阐述，具体如下：

利用涡流方法检测带超薄涂层导体平板T时，物理模型如图3所示。线圈内通有频率为f的交流电流，内、外半径分别为r₁、r₂，高度为(z₂-z₁)，匝数为N；涂层的厚度为d，电导率为σ₁。基底的电导率为σ₂，其厚度相较于涂层可视为无限厚；r＝h处为模型边界。

线圈的阻抗表达式为：

其中，

μ₀＝4π×10^-7H/m为真空磁导率，J₀(x)、J₁(x)分别为第一类0阶、1阶贝塞尔函数，κ_i为第一类一阶贝塞尔函数第i个正零点与h的比值。C_i、C_i'仅与线圈参数有关，而G_i与导体平板参数和线圈参数均有关：

其中k_t ²＝jωμ_rμ₀σ_t(t＝1,2)。

当线圈中激励频率较高时，公式4可简化为：

其中，

若导体平板涂层厚度为0，则带涂层导体平板变为半无限厚导体平板，此时d＝0、L＝0。当线圈放置在电导率为σ_M、σ_N的半无限厚导体平板M、N上方时，根据公式5可得到线圈的阻抗为：

令公式5和6中的线圈阻抗Z_T、Z_M、Z_N，分别减去除以可得到：

显然Z_T0、Z_M0、Z_N0与线圈尺寸参数无关，仅与导体平板参数有关。

将各线圈阻抗值标注在图4阻抗平面中，其中Z_T、Z_M、Z_N分别用点M、N、T表示，变换后的阻抗Z_T0、Z_M0、Z_N0分别用点T₀、M₀、N₀表示。由于从点M、N、T到点M₀、N₀、T₀的变换为线性变换，故ΔMNT与ΔM₀N₀T₀相似。根据公式4可知，在相同激励频率f下，不同电导率的半无限厚导体平板上方的线圈阻抗值均位于直线MN上。过点T向MN做垂线，垂足记为点A，将对应的线圈阻抗记作Z_A(σ_T,f)，定义σ_T为线圈阻抗的等值电导率。同理过点T₀向直线M₀N₀做垂线，垂足记为点A₀，对应的线圈阻抗记为对应的线圈阻抗等值电导率记为σ_T0。令：

可以得到σ_T0与σ_T的关系为：

以O为圆心、|OT₀|为半径做圆，与M₀N₀交于点A₀′，设A₀′对应的等值电导率值为σ_A0'，归一化视电导率定义为σ＝σ_A0'/σ₁。当∠M₀N₀T₀较小时，可认为A₀与A₀′近似重合，σ_T0≈σ_A0'。记u＝σ₁/σ₂，x＝λ₁/d，有：

对于不同的u值，在以x为横坐标、σ为纵坐标的双对数坐标系lgσ-O-lgx中，根据公式10可以得到一簇曲线，称为“归一化视电导率”标准曲线。

同样，在实际检测某块带超薄涂层导体平板T时，其u值是确定的，假定为u₁。将同一线圈依次放置在被测带涂层导体平板T、已知电导率的半无限厚导体平板M、已知电导率的半无限厚导体平板N上，在不同频率f下可以测得对应的线圈阻抗，从而获得图4中对应的点T、M、N，再根据公式8和9得到σ_T0。在以为横坐标、σ_T0为纵坐标的双对数坐标系中绘制出相应的曲线，该条曲线称为“等值电导率”实验曲线。

对比双对数坐标系lgσ-O-lgx中的一簇“归一化视电导率”标准曲线和双对数坐标系lg中的一条“等值电导率”实验曲线，平移实验曲线直至与某一条标准曲线重合，可以确定u值。假设实验曲线纵坐标平移距离为Δy，横坐标平移距离为Δx，根据表1中两坐标系坐标轴的关系，可以求出带涂层导体平板T的涂层电导率σ₁和厚度d：

再利用之前求出的u值可以确定基底的电导率为σ₂＝σ₁/u₁。

表1

根据本发明实施例提出的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法，在涡流检测法原理的基础上，通过对比基于理论分析得到的“归一化视电导率”标准曲线，以及由线圈阻抗测量值得到的“等值电导率”曲线，从而无需先验实验数据，即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置。

图5是本发明一个实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置的结构示意图。

如图5所示，该金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置10包括：生成模块100、获取模块200和确定模块300。

其中，生成模块100用于根据不同涂层厚度、电导率与基底电导率的特性生成归一化视电导率的标准曲线；获取模块200用于根据被测特定带涂层导体的等值电导率和不同激励源频率下的电磁波透入深度之间的关系获取等值导电率的实验曲线；确定模块300用于确定待测平板的参数，并根据标准曲线和实验曲线计算金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率。本发明实施例的装置10无需先验实验数据，即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率，简单易实现。

进一步地，在本发明的一个实施例中，归一化视电导率的计算公式为：

其中，u为涂层电导率与基底电导率的比值，x为导体平板厚度与激励源参数，σ为带涂层导体平板的等值电导率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，等值导电率的计算公式为：

其中，为待测平板T的等值电导率，σ_M为第一参考平板M的电导率，σ_N为第二参考平板N的电导率，p的计算公式为：

其中，Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)为在激励频率f下、线圈分别放置在第一参考平板M、第二参考平板N和待测平板T上的阻抗值，以阻抗的实部为横坐标、阻抗的虚部为纵坐标建立坐标系，Z_M(f)、Z_N(f)、Z_T(f)在坐标系中对应的三个点分别为M、N和T，连接点M和点N，由点T向直线MN作垂线，记垂足为点A，根据点A的横坐标和纵坐标构造阻抗值Z_A(f)。

进一步地，在本发明的一个实施例中，金属涂层的电导率和厚度基底金属导体的电导率的计算公式为：

其中，σ₁为电导率，d为厚度，σ₂为基底金属导体的电导率，Δy为实验曲线沿纵轴平移的距离，Δx为沿横轴平移的距离，u为涂层电导率与基底电导率的比值，μ₀为真空磁导率。

需要说明的是，前述对金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测方法实施例的解释说明也适用于该实施例的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的金属导体表面金属涂层的厚度及电导率检测装置，在涡流检测法原理的基础上，通过对比基于理论分析得到的“归一化视电导率”标准曲线，以及由线圈阻抗测量值得到的“等值电导率”曲线，从而无需先验实验数据，即可高精度、快速无损的同时检测微米数量级金属涂层厚度、电导率以及基底电导率，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。