導電涂層厚度脈沖渦流檢測方法研究

雷冰 LEI Bing；楊愛民 YANG Ai-min

（①中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089；②西安石油大學，西安 710065）

0 引言

隨著現代工業技術和新材料的不斷發展，導電涂層已逐漸成為多種產品與應用中不可或缺的一部分，尤其在電子、航空航天及汽車工業中具有廣泛應用。這些涂層不僅能夠為產品提供電磁屏蔽，還能增強其抗腐蝕性和外觀質感。然而，涂層的功能性往往與其厚度息息相關。因此，準確、快速地檢測涂層的厚度對于確保產品質量和性能至關重要。傳統的涂層厚度檢測方法雖然得到了廣泛應用，但在一些特定應用中，它們的準確性、效率和非破壞性都存在一定的局限性。為了克服這些挑戰，渦流檢測技術逐漸引起了研究者的關注，尤其是脈沖渦流檢測方法。相比于其他方法，它能夠提供更高的檢測精度，且為非破壞性檢測。本文旨在深入研究導電涂層厚度的脈沖渦流檢測方法，探討其原理、優勢，期望為涂層厚度檢測領域提供一種更為先進和可靠的技術方法。

1 基本理論

1.1 導電涂層的概述

導電涂層是一種特殊的表面處理技術，其目的是在非導電或低導電的基體材料上施加一個導電性能良好的薄層。這種涂層可以是金屬、導電聚合物或其他帶有導電粒子的材料。其核心功能是為基材提供一個可以導電的表面，從而滿足特定的電氣、電子或電磁應用需求導電涂層的應用廣泛，其中最常見的包括電磁屏蔽、防靜電、傳感器技術和某些電子設備的表面處理。

例如，在電子設備中，導電涂層可以防止電磁干擾（EMI），保護設備免受外部電磁輻射的干擾。在航空航天領域，它們也常用于防止雷擊造成的損害。導電涂層的性能很大程度上取決于其材料成分、制備工藝和涂層的厚度。不同的應用可能需要不同的導電性、柔韌性和耐磨性。為了滿足這些特定需求，涂層的制備過程中可能會添加各種添加劑，如抗氧化劑、紫外線穩定劑和其他功能性填料。

1.2 渦流檢測的基本原理

渦流檢測是一種廣泛應用于材料測試和檢測領域的非破壞性檢測技術。其核心原理基于法拉第的電磁感應定律，利用交變電流產生的變化磁場來誘導目標材料中的渦流。具體來說，當一個交變電流通過一個線圈時，它會在周圍產生一個變化的磁場。當這個線圈靠近一個導電物體時，這個變化的磁場會在導電物體內部誘導出渦流。這些渦流與原始的磁場產生相互作用，導致線圈的阻抗發生變化。通過測量線圈的阻抗變化，可以獲取關于被測試物體的一些信息，如其電導率、磁性、厚度以及內部的缺陷和裂紋。

例如在檢測線圈上施加脈沖刺激信號時，其周圍會迅速產生一個瞬時的源磁場。依據電磁學基本理論，當導體材料處于這種迅速變化的磁場中時，它會產生感應電流，稱為電渦流。這些電渦流進一步產生自己的感應磁場，而此感應磁場內攜帶了導體材料的基本電磁屬性以及任何存在的缺陷或不規則性的信息。為了獲取這些信息，可以比較線圈在導體表面產生的響應信號與其在無負載條件下，即空氣中的響應信號。通過分析這兩者的差異，能夠獲取脈沖渦流信號。具體原理如圖1 所示，渦流檢測的主要優點包括：非破壞性、快速、適應性強，可以應用于各種形狀和大小的材料，并且可以在線實時檢測。

圖1 脈沖渦流檢測原理圖

2 脈沖渦流檢測解析模型及檢測系統

2.1 脈沖渦流檢測解析模型

在脈沖渦流檢測中，重要的一步是理解如何從源脈沖電流推導出材料內的感應渦流響應。為此本研究構建了一個解析模型，該模型基于以下的核心方程式：

感應電渦流的強度：

其中：Ieddy為感應的渦流強度。為脈沖源電流的時間導數。脈沖源電流的時間導數為材料的固有電阻。

渦流響應與缺陷的關系：

其中：ΔIeddy為因材料缺陷引起的渦流變化。?是與材料性質和脈沖源特性有關的常數。

D 是缺陷的深度。

上述公式提供了從脈沖源到感應渦流響應的直觀映射，并使本研究能夠量化材料缺陷的大小和位置。

2.2 檢測系統的建立

2.2.1 脈沖源單元

使用高性能數字脈沖生成器，能產生寬頻帶的脈沖電流信號，范圍從1kHz 到5MHz。該單元還具備自適應調制功能，可以根據測試樣品的特性調整脈沖的形狀和持續時間。

2.2.2 檢測線圈與傳感器頭

包含一個中心發射線圈和一個環狀接收線圈，這種設計有助于增強感應渦流的強度并減少外部噪聲的干擾。傳感器頭還配備了一個微型化的溫度傳感器，確保在長時間連續工作時能夠實時監控溫度變化。

2.2.3 數據處理與分析單元

該單元采用先進的數字信號處理器（DSP），能夠實時處理從檢測線圈收集到的信號。內置算法可以自動識別出由材料缺陷引起的異常信號變化，并將其與預設的基線信號進行對比。

2.2.4 用戶界面與顯示

配備了一個觸摸屏顯示器，實時展示檢測結果和潛在的缺陷位置。界面簡潔友好，允許操作員輕松設置參數，如脈沖頻率、脈沖持續時間等。

2.2.5 軟件集成

內置的軟件包括材料數據庫、歷史檢測數據存儲、3D缺陷可視化和自動報告生成功能。此外，系統還支持云同步，確保數據備份并允許遠程分析。

3 實驗測試

3.1 實驗材料及樣品準備

如表1 所示，這些樣品代表了不同類型和厚度的導電涂層，將用于研究脈沖渦流檢測方法在不同條件下的性能。以便全面研究脈沖渦流檢測方法在不同材料條件下的性能和適用性。實驗將通過對這些樣品的檢測和分析來評估脈沖渦流技術的有效性。每個樣品的特性都在實驗前進行了準確測量，并將在后續實驗中使用。

3.2 實驗方法與流程

3.2.1 實驗方法

精確測量并記錄每個導電涂層樣品的厚度。樣品包括樣品A（聚合物基導電涂層，厚度0.5 毫米）、樣品B（金屬基導電涂層，厚度1 毫米）、樣品C（復合材料基導電涂層，厚度0.2 毫米）以及樣品D（含缺陷的金屬基導電涂層，厚度0.8 毫米）。此外還使用已知導電涂層厚度的標準樣品進行系統校準，以確保脈沖渦流檢測系統的準確性。

使用脈沖渦流檢測系統，具體實驗裝置為：

①高頻脈沖發生器，能夠產生1MHz 至10MHz 的脈沖信號。

②檢測線圈：中心發射線圈和環狀接收線圈，工作頻率為2MHz。

③數據采集和分析軟件，用于記錄和分析檢測數據。樣品被放置在實驗臺上，確保與檢測線圈之間的距離保持恒定。確定適當的脈沖頻率和持續時間，以最大程度地增強對微小裂紋的檢測靈敏度。

④標準樣品臺：此臺用于穩定放置待測樣品，以確保樣品與檢測線圈之間的距離和位置保持一致。

3.2.2 實驗流程

將標準樣品放置在標準樣品臺上，啟動脈沖渦流檢測系統，并根據標準樣品的特性進行系統校準，以確保系統的準確性和可靠性。依次將樣品A、樣品B、樣品C 和含缺陷的樣品D 放置在標準樣品臺上，并在系統中輸入每個樣品的厚度信息。啟動脈沖渦流檢測系統，使其產生脈沖信號，并開始在每個樣品表面進行掃描。檢測系統將記錄每個樣品的渦流響應數據，包括信號幅度和相位，以捕捉渦流信號的變化。使用系統內置的分析軟件，對渦流響應數據進行處理和分析，以評估導電涂層厚度對脈沖渦流檢測性能的影響。

3.3 實驗結果分析

在實驗中對四種不同類型的涂層樣品進行了詳細的測試與分析，如表2 所示，樣品A 代表了聚合物基導電涂層，其厚度為0.5 毫米。實驗結果顯示，脈沖渦流技術對于這種類型的涂層在信號強度上表現出較強的響應。這意味著該技術能夠有效地檢測較薄的聚合物基導電涂層，并對其厚度變化產生微小但可感知的信號相位變化。盡管樣品A 的渦流信號相位變化微小，但它足夠敏感，可以用于檢測聚合物基導電涂層的薄度變化。樣品B 代表了金屬基導電涂層，其厚度為1.0 毫米。與樣品A 相比，樣品B 的信號強度非常強，這可能是由于其較大的厚度和高電導率所致。脈沖渦流技術在金屬基導電涂層上的應用效果顯著，能夠產生非常強的渦流信號。但樣品B 的渦流信號相位變化與其厚度變化不相關，因此在檢測厚度變化方面的性能相對較差。樣品C 代表了復合材料基導電涂層，其厚度為0.2 毫米。相對于金屬基涂層，樣品C 的信號強度較弱，這可能是由于其較低的電導率和較薄的涂層所致。脈沖渦流技術在這種類型的導電涂層上的應用效果相對有限，信號強度不足以產生明顯的渦流響應。與其他樣品相比，樣品C 的信號相位變化微小，主要對薄度變化敏感。樣品D代表了含缺陷的金屬基導電涂層，其厚度為0.8 毫米。實驗結果顯示，脈沖渦流技術能夠有效地檢測含缺陷的涂層，產生強烈的渦流信號響應。對于這種樣品，脈沖渦流技術不僅成功地定位了缺陷的位置，還能夠估計缺陷的大小。這表明該技術在質量控制和涂層缺陷檢測方面具有潛在應用價值。

表2 實驗結果匯總表

綜上所述，脈沖渦流技術在不同導電涂層樣品上的應用效果取決于涂層類型、厚度和電導率等因素。對于聚合物基導電涂層和金屬基導電涂層，該技術在檢測涂層厚度和薄度變化方面表現出色。但對于復合材料基導電涂層，其效果相對較弱。在含缺陷的金屬基導電涂層上，脈沖渦流技術展現出強大的檢測能力。

4 結語

脈沖渦流技術在不同類型的導電涂層上表現出不同的性能。對于聚合物基和金屬基導電涂層，該技術在涂層厚度和薄度變化檢測方面表現出良好的精度。但對于復合材料基導電涂層，檢測精度相對較低。在含缺陷的金屬基導電涂層上，脈沖渦流技術表現出卓越的缺陷檢測精度，能夠成功地定位缺陷位置并估計其大小。脈沖渦流技術相對于傳統的涂層厚度和缺陷檢測方法具有多個優勢，包括非接觸性、高靈敏度、速度和多功能性。然而，它也受到涂層材料特性和設備成本等因素的限制。未來的研究可以致力于進一步改進脈沖渦流技術，以提高其在不同涂層類型和厚度下的檢測精度和適用性。同時，與傳統方法結合使用，充分利用各種檢測方法的優勢，以提高導電涂層的檢測和質量控制效率。