CN109855524B - 一种覆层测厚仪传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及厚度测量仪传感器技术领域，具体公开了一种覆层测厚仪传感器，包括磁芯(2)、骨架(3)、线圈(4)、内壳体(5)；所述磁芯(2)在测量端面开设孔，所述磁芯(2)安装于骨架(3)的中心位置，所述线圈(4)绕制在骨架(3)的线槽内，所述内壳体(5)套装在骨架(3)外。本发明在磁芯测量端面开设孔，在测量磁性金属基体上的覆层厚度，特别是薄的覆层厚度时，有效地增大了传感器流入基体的磁阻，减小了磁通，降低了通过磁感应端的信号强度，使该段测量线性趋势线与其它段测量线性趋势线基本一致，即近似直线线性，其有效地修正了传感器的测量线性曲线，从而实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准功能。
Description
技术领域
本发明涉及厚度测量仪传感器技术领域，具体公开了一种覆层测厚仪传感器。
背景技术
覆层厚度的测量方法主要有：楔切法、光截法、电解法、厚度差测量法、称重法、X射线荧光法、β射线反向散射法、电容法、磁性测量法及涡流测量法等。这些方法中前五种是有损检测，测量手段繁琐，速度慢，多适用于抽样检验。
现实生活中对材料覆盖层的测量，已逐渐引入微机技术，采用磁性法和涡流法的测厚仪向微型、智能、多功能、高精度、实用化方向发展，仪器的测量体验感受以及使用效率等越来越受到人们的关注。
采用磁性法原理时，利用从传感器经过非铁磁覆层而流入铁磁基体的磁通的大小，来测定覆层厚度。也可以测定与之对应的磁阻的大小，来表示其覆层厚度。覆层越厚，则磁阻越大，磁通越小。
采用涡流法原理时，高频交流信号在传感器线圈中产生电磁场，传感器靠近导体时，就在其中形成涡流，传感器离导电基体愈近，则涡流愈大，反射阻抗也愈大。这个反馈作用量表征了传感器与导电基体之间距离的大小，也就是导电基体上非导电覆层厚度的大小。
目前，市场上绝大部分覆层测厚仪在环境等发生变化时均需要进行多点(一般为：0、50、100、250、500、1000共6点)校准来保证其整个测量范围的准确性，特别是磁性金属基体(FE)测量，其校点较多，测量线性曲线弯曲，无法实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准，导致用户使用不便、测量体验感受差。
磁芯作为传感器的核心部件，其导磁特性非常关键，该类传感器的磁芯通常为高磁导率的软磁材料坡莫合金(又称镍铁合金)制作，具有很高的弱磁场导磁率，因此，磁芯决定了传感器的灵敏度与测量精度。
现有传感器磁芯测量端面一般为凸出的弧形面或平整面，当测量磁性金属基体(FE)上的覆层厚度，特别是薄的覆层厚度时，由于磁芯近似直接与金属基体接触，通过传感器流入基体的磁阻非常小，磁通非常大，通过磁感应到接收端的信号非常强，其灵敏度比测量其它涂覆层厚度时高出许多，导致该段测量线性趋势线倾角表现得非常陡峭，而当测量其它较厚的覆层厚度时，磁阻则相对较大，磁通较小，通过磁感应到接收端的信号比较弱，其测量线性趋势线倾角表现得趋于平缓，因此，传感器测量不同覆层厚度时的趋势线不一致，整个测量线性表现弯曲(具体可参见图5中的测量线性对比图)。
而需要真正实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准功能，上述趋势线性必须为直线性或近似直线性。
另外，现有涂覆层测厚仪的测量精度还会随传感器磁芯等关键部件的磨损而发生改变，特别是在高频次长时间使用时尤为严重，传感器磁芯的磨损会导致仪表测量精度变差以及使用寿命的缩短，从而增加了用户使用成本。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种可实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准功能的覆层测厚仪传感器。
为实现上述目的，本发明采用如下方案。
一种覆层测厚仪传感器，包括磁芯2、骨架3、线圈4、内壳体5；所述磁芯2在测量端面开设孔，所述磁芯2安装于骨架3的中心位置，所述线圈4绕制在骨架3的线槽内，所述内壳体5套装在骨架3外。
优选地，磁芯2的测量端面的开孔内嵌有磁芯填充物1。
优选地，磁芯填充物1与磁芯2的测量端面齐平，或者，磁芯填充物1凸出于磁芯2的测量端面。
优选地，磁芯填充物1的材料为无机非金属材料、塑胶材料、或者无机非金属材料与塑胶材料的复合材料。
进一步地，还包括保护盖6，保护盖6安装于内壳体5测量端面的限位槽。
优选地，还包括顶盖7和外壳体9，外壳体9固定于内壳体5外部，顶盖7固定于外壳体9顶部，内壳体5上部与顶盖7之间安装有弹簧8。
作为优选，内壳体5和外壳体9之间由所述弹簧8连接，内壳体5在使用时能由弹簧8顶出复位。
优选地，磁芯2固定式或者可调节式安装于骨架3的中心位置。
另外，内壳体5套装在骨架3外为同轴装配套入。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：提供一种覆层测厚仪传感器，在其磁芯测量端面开孔，由于在磁芯测量端面开了孔，在测量磁性金属基体上的覆层厚度，特别是薄的覆层厚度时，有效地增大了传感器流入基体的磁阻，减小了磁通，降低了通过磁感应端的信号强度，使该段测量线性趋势线与其它段测量线性趋势线基本一致，即近似直线线性，其有效地修正了传感器的测量线性曲线，从而实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准功能。
附图说明
图1为本发明实施例的传感器的剖面结构示意图。
图2为本发明实施例的传感器的分解结构示意图。
图3为本发明实施例的传感器的立体结构示意图。
图4为本发明实施例的传感器磁芯开孔与不开孔的测量端面的磁通量变化对比示意图。
图5为本发明实施例的传感器磁芯开孔与不开孔的测量线性对比示意图。
图6为本发明实施例的传感器磁芯开孔与不开孔的测量数据对比示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
传感器作为整个覆层测厚仪的核心部件，而磁芯作为传感器的核心元件，其通常直接与被测量面接触，容易造成磨损，从而导致测厚仪的测量精度下降；因此，在现有技术中，技术人员一般会重点考虑通过改变传感器中磁芯的结构或位置来改进磨损度，从而提升测量精度。
但却鲜有技术人员意识到传感器的测量线性存在的问题，即，本发明背景技术中提到的现有传感器在测量磁性金属基体上的覆层厚度，特别是薄的覆层厚度时，由于磁芯近似直接与测量金属基体接触，通过传感器流入基体的磁阻非常小，磁通非常大，通过磁感应到接收端的信号非常强，其灵敏度比测量其它涂覆层厚度时高出许多，导致该段测量线性趋势线倾角表现得非常陡峭，而当测量其它覆层厚度时，由于磁阻相对较大，磁通较小，通过磁感应到接收端的信号比较弱，其测量线性趋势线倾角表现得趋于平缓，因此，传感器测量不同覆层厚度时的趋势线不一致，整个测量线性表现弯曲，从而无法实现全量程范围内的任意被测厚度的两点快速校准功能。
而本发明人正是在无数次对不同测量对象的试验下，发现了上述技术问题，并对此进行结构改进，同时对其有效性进行了数据验证。
上述结构改进具体为，本发明的传感器在磁芯测量端面开孔并填装磁芯填充物，其开孔的目的是为了修正传感器对磁性金属基体(FE)测量的线性特性，将现有传感器测量特性由曲线修正为近直线线性，对于非磁性金属基体(NFE)则无影响(因为非磁性金属基体测量原理为电涡流原理，不需要通过磁芯，只需通过线圈产生涡流即可，其本身就是近直线线性)，从而实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准。同时，在磁芯测量端面开孔内填装填充物，其目的是为了减少磁芯测量端面对被测物体覆层的损伤以及磁芯自身的磨损，确保了传感器的使用寿命和测量精度，降低用户使用成本。该传感器同时满足磁性法和涡流法测量需要。
本领域技术人员均了解，目前市面上的覆层测厚仪传感器一般采用磁芯作为探测元器件，此处的磁芯及本文中所有述及的磁芯均指带有磁导性的结构元件，因此，即使名称不同(比如，称为探针)，但只要是用于测厚仪传感器测量的磁性元件，仍然涵盖在本发明所指范围之内。
具体地，本实施例提供了一种覆层测厚仪传感器，如图1～图3所示，传感器包括磁芯2，磁芯2测量端面开有孔；优选地，磁芯填充物1嵌入磁芯2测量端面的开孔内；磁芯2安装于骨架3的中心位置，线圈4绕制在骨架3的线槽内，内壳体5套装在骨架3外，保护盖6装配在内壳体5测量端面的限位槽内，顶盖7锁紧在外壳体9顶部，内壳体5上部与顶盖7之间安放有弹簧8，接线柱10安装(优选，啤制)在骨架3顶部，PCB 11焊接在接线柱10中间，外壳体9固定在内壳体5的外部。
另外，如图1所示，本发明实施例的测量端面为稍微凸出的弧形面，对此说明的是，本发明人经过实验数据证明，无论是凸出的弧形面还是平整面，只需在磁芯测量端面开孔，均可实现本发明目的，获得近直线线性的测量特性。因此，对于市场中现有的测厚仪传感器，无论其测量端面是弧形面还是平整面，本发明均可适用；而且无需改变其内部结构，只需在测量端面开孔即可，结构简单但实用，效果显著。
在磁芯2测量端面开孔，采用机械高精度加工工艺在所述磁芯测量端面中心位置开孔，并在开孔内注入少量胶水，以便嵌入磁芯填充物。磁芯2测量端面开孔，能有效改变现有覆层测厚仪传感器的测量线性度差的缺陷，实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准。具体原理如图4所示，本发明在磁芯测量端面开孔，在测量磁性金属基体上薄的覆层厚度时，有效地增大了传感器流入基体的磁阻，减小了磁通，降低了通过磁感应端的信号强度，使该段测量线性趋势线与其它段测量线性趋势线基本一致，即，近似直线线性；即使得传感器在测量磁性基体和非磁性基体时均能获得近直线线性的测量特性，进而实现全量程范围内任意被测厚度的两点快速校准功能。
磁芯填充物1的材料优选为氧化锆(人造宝石)，将磁芯填充物1嵌入磁芯2测量端面带胶水的开孔内。填制磁芯填充物1能有效保护被测覆层不被破坏，以及防止磁芯2自身的缓慢磨损，有效保证了传感器的使用寿命和测量精度。磁芯填充物1与磁芯2的测量端面齐平或者略高于(即，凸出于)磁芯的测量端面，两者均可以实现本发明目的。
另外，磁芯填充物1的材料可以为无机非金属材料、塑胶材料、无机非金属材料与塑胶材料的复合材料等。
具体地，无机非金属材料可以为：氧化铝、氧化钨、氧化锆、氧化钼、氧化钛、碳化钨、碳化钛、碳化钼、碳化硅、氮化硼、氮化钛等材料中的一种。
而磁芯2的制作材料优选为导磁材料，导磁材料包括镍铁系合金(又称坡莫合金)、超微晶软磁合金、非晶态软磁合金、软磁铁氧体、铁硅铝系合金、铁铝系合金、铁硅系合金、纯铁和低碳钢等；本实施例，磁芯2使用的材料优选为坡莫合金。
磁芯2安装于骨架3的中心位置，其安装方式可以分两种：固定方式和可调节方式；固定方式的安装方法为利用手啤机将其直接压入骨架3的中心孔内，压入前需调整好压入深度的限位值，固定装配方式简便且安装效率高；可调节方式的安装方法为：在磁芯2的非测量端开设一字槽，磁芯2加工有螺纹，从而将其旋入骨架3的中心位置，旋入深度可以调节；磁芯2可调节安装，有利于通过调节磁芯2的位置来获得最佳的传感器性能。
线圈4绕制在骨架3的线槽内，可以使用专用绕线机绕制，优选地，分别绕制三组线圈，分别为1000匝、550匝、20匝(具体匝数根据需要可以调整)。
内壳体5套装在骨架3外，内壳体5套装在骨架3外为同轴装配套入，套入前需在骨架3周围点少量胶水以固定内壳体5。内壳体5的制作材料可以为金属材料、导磁材料、塑料、或者无机非金属材料与塑胶材料的复合材料。壳体的作用在于屏蔽外界对磁芯部位的干扰；本实施例，内壳体5使用的材料优选为不锈铁。
保护盖6装配在内壳体5测量端面的限位槽内，保护盖6装配时，先在骨架测量端面周围与保护盖6的接触位置、以及内壳体5测量端面的限位槽内点少量胶水，然后将保护盖6压入内壳体5测量端面的限位槽内。保护盖6可以采用塑胶材料。保护盖6的作用在于防止灰尘等进入传感器内部、保护线圈不被损坏等。本实施例，保护盖6使用的材料优选为塑料。
弹簧8安放在内壳体5上部与顶盖7之间，以及顶盖7锁紧在外壳体9的顶部，将内壳体5装入外壳体9的活动槽内，然后装入弹簧8，最后旋紧顶盖7，内壳体5与外壳体9之间由弹簧8连接，内壳体5在使用时能由弹簧8顶出复位。
外壳体9的制作材料可以为金属材料、导磁材料、塑料、或者无机非金属材料与塑胶材料的复合材料；本实施例，外壳体9使用的材料优选为铜质镀镍。
线圈4的抽头与安装在骨架3顶部的接线柱10相连，接线柱10与PCB 11相连，PCB11再与电缆线(未标出)连接至覆层测厚仪主机(未标出)。
本发明旨在解决现有覆层测厚仪传感器测量线性度差、无法实现整个量程范围内任意被测厚度的两点快速校准功能，通过本发明人的试验验证，从图5传感器磁芯开孔与不开孔的测量线性对比示意图与图6传感器磁芯开孔与不开孔的测量线性数据对比示意图可以得出，在传感器磁芯测量端面开孔，成功有效地修正了传感器的测量线性曲线，实现量程范围内任意被测厚度的两点快速校准。在磁芯测量端面孔内填制磁芯填充物，填充物耐磨防腐，有效地保证了覆层测厚仪传感器的测量精度和使用寿命，降低了用户使用成本。
该传感器已成功应用于涂覆层测厚仪产品中，在实际运用中也带给用户全新不一样的测量体验感受以及长期高频次使用时的稳定性、可靠性以及测量精度。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种覆层测厚仪传感器，其特征在于：传感器包括磁芯(2)、骨架(3)、线圈(4)、内壳体(5)；所述磁芯(2)在测量端面开设孔，用于将传感器对磁性金属基体的测量特性由曲线修正为近直线线性；所述磁芯(2)安装于骨架(3)的中心位置，所述线圈(4)绕制在骨架(3)的线槽内，所述内壳体(5)套装在骨架(3)外。
2.根据权利要求1所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：磁芯(2)的测量端面的孔内嵌有磁芯填充物(1)。
3.根据权利要求2所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：磁芯填充物(1)与磁芯(2)的测量端面齐平，或者，磁芯填充物(1)凸出于磁芯(2)的测量端面。
4.根据权利要求2所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：磁芯填充物(1)的材料为无机非金属材料、塑胶材料、或者无机非金属材料与塑胶材料的复合材料。
5.根据权利要求1所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：还包括保护盖(6)，保护盖(6)安装于内壳体(5)测量端面的限位槽。
6.根据权利要求1所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：还包括顶盖 (7)和外壳体(9)，外壳体(9)固定于内壳体(5)外部，顶盖(7)固定于外壳体(9)顶部，内壳体(5)上部与顶盖(7)之间安装有弹簧(8)。
7.根据权利要求6所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：内壳体(5)和外壳体(9)之间由所述弹簧(8)连接，内壳体(5)在使用时能由弹簧(8)顶出复位。
8.根据权利要求1所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：磁芯(2)固定式或者可调节式安装于骨架(3)的中心位置。
9.根据权利要求1所述的覆层测厚仪传感器，其特征在于：内壳体(5)套装在骨架(3)外为同轴装配套入。
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