CN1266483A - 导电材料层厚度的测定方法 - Google Patents

Abstract

在导电材料层厚度的测定方法中,取决于原材料不同品质的测量误差被消除。在此,为每种原材料求出一个无量纲的特性值K。借助一个校正特性线,可以为每个特性值K对应一个修正系数F,利用该修正系数可以将层厚测量值D_M转换成实际层厚值D_W。因此,取决于原材料不同品质的不同磁性和电学性能的影响可以被尽可能地消除。

Description

导电材料层厚度的测定方法

现有技术

本发明涉及一种测定导电材料层且尤其是铬层的厚度的方法，例如象在随后公开的DE-A-19652750.3中所述的那样。在此测量方法中，其前提条件是，其上带镀覆层的原材料的质量从生产角度来看比较恒定并且波动范围小。但是，在大量生产中可能难于保持小波动范围。因此，可能在测定层厚时出现测量不精确问题。

本发明的优点

与现有技术相比，具有独立权利要求特征的本发明的导电材料层厚度测定方法具有这样的优点，即可以在原材料质量波动大的情况下实现层厚测定。可以通过预测尽可能消除由此出现的测量误差。尤其是在大量生产中，由各供应厂家生产的原材料具有不同的材料性能质量并且具有与之相关的不同电学性能和磁性。可以比较简单地消除原材料的材料特性波动。

可以通过从属权利要求所述的措施有利地发展和改进独立权利要求所述的方法。

附图

在附图中示出了本发明的一个实施例，而且在以下的说明中详细地描述了该实施例。其中：

图1示出了测量装置的示意结构；

图2示出了在间距不同而且位于待测层下面的材料具有不同材料特性α或β的情况下，测量线圈电感L与待测层厚度a之间关系的曲线；

图3示出了测量线圈与测量目标之间在图2中所使用的不同间距的关系；

图4示出了标准值Me与层厚a之间关系的曲线；

图5示出了方法框图；

图6示出了标准值Me与层厚a之间关系的曲线；

图7示出了变型的方法的其它框图；

图8示出了在测量方法中所用校准体的变型；

图9示出了在测量方法中所用测量体的变型。

图10示出了原材料品质不同时标准值Me与层厚a之间关系的曲线；

图11还示出了与描述原材料基材质量的特性值K有关的修正系数F曲线。

实施例说明

以下，首先说明DE-A-19652750.3所述的测量方法，通过本发明的修正法改进了该测量方法。此测量方法本身涉及所谓的“感应-涡流测量法”。

在图1中，从结构上示出了为此使用的传感器10。传感器10被安置在原材料12的空腔11中并且它是由一个线圈架13构成的，线圈架上装有一个流过高频交变电流、如4兆赫交变电流的线圈14。线圈14例如可以被制成扁平线圈或环形线圈。线圈架13最好由不导电非铁磁材料、如塑料制成并且它几乎无摩擦地在空腔11中移动。待测部件17安装在一个确定部件17与线圈14相对位置的导向体18中。线圈架13并且进而线圈14借助弹簧19被压向部件17的表面20。表面20具有待测层。部件17例如可以是喷油阀的套管，在这种情况下，层20是铬层。交变电流流过线圈14，从而产生了交变磁场，该磁场不仅渗透铬层20，而且渗透了在铬层下的部件17的铁磁材料层。那么，在铬层20中只有涡流效应，而感应-涡流效应在基体17的铁磁材料中起作用。以下将分别描述各测量效果，这些效果是在假定各其它部分不存在时产生的。如果交变电流流过线圈14并且线圈交变磁场仅控制导电性能良好的非铁磁材料，即线圈交变磁场仅控制铬层20，则只作用着所谓的涡流效应。由于在导电性能良好的非铁磁材料中形成了涡流，所以线圈14电感降低。

以下将描述由交变电流流过的线圈14产生的磁场对在其对面的铁磁材料即基体17材料的作用。由交变电流流过的线圈产生的交变磁场控制了基体17材料。这意味着，在导电铁磁材料中不仅作用着铁磁效应，而且有涡流效应。涡流效应造成测量线圈电感降低，而铁磁效应造成测量线圈电感升高。哪种效应占上风，主要取决于流经线圈14的交变电流的频率和基体17的材料性能。如果人们将这两个测量效果套用到带铬层20的基体17上，则可以确定，铬层20越厚，则磁场形成得越弱并进而线圈14的电感越弱。在图2中，用α1表示一条相应的测量曲线，它示出了与铬层20递增厚度有关的测量线圈14电感递减曲线。

但是，电感L测量曲线在层厚a上的分布与基体17的材料特性即例如电阻、材料导磁率和线圈14与应测表面20之间的距离有关。例如，如果根据污染情况或根据线圈架磨损情况改变测量线圈14与铬层20之间的距离，则产生了电感L在层厚a上的分布的不同特性线。在图2中示出了各种例子。特性线α2、α3、α4在这里示出了电感L曲线在测量线圈与待测铬层之间的距离不同但基体17的材料特性相同的情况下与层厚a之间关系的曲线。在这种情况下，在图3中示出了线圈14与待测铬层20之间的距离α的大小。可以看到，间距从α1到α4一直增大。相反地，如果人们改变基体17材料的材料特性，则产生了特性线β1-β4。另一方面，特性线β1-β4意味着在基体具有第二材料特性的情况下测量线圈与待测铬层20之间的距离变化。从图2的曲线中可以看到，可以为一个电感测量值L对应许多种可能有的层厚。代替电感，也可以测算线圈的交变电流电阻值。

当基体17的材料特性和/或测量线圈14与待测铬层20表面之间的距离改变时，本发明的测量方法可以实现测量线圈14的电感测量值L与铬层20厚度a之间的唯一对应。本发明方法的核心是实行这样的标准化，即它消除了出现的测量误差并计算出可唯一对应的测量值。

本发明的层厚测定方法是在许多个测量-计算步骤中实行的。在镀覆基体17之前，在所谓的预测过程中测算出线圈14的电感值L₀。在这种情况下，线圈14尽可能直接放置在基体17面向线圈的未镀覆表面(测量面)上。因而，只进行相对基体材料的测量。电感值L₀的大小由基体17的特性决定并且它尤其是由其磁性和电学性能决定的。基体17的特性可能在成批生产中有所波动。因此，在开始测量前，针对每个基体17计算出电感值L₀并可以对应地将这些值存储在数据存储器中。

接着，在相应的镀覆设备中给基体17镀覆铬层20。接着进行第二次测量即进行补测，补测是在与上述预测相同的基***置上进行的。因此，获得了测量线圈14的电感值L_x。此外，电感值L_x的大小由铬层20的厚度和基体17的材料性能决定。要确保这两个电感测定值L₀或L_x唯一地分别与同一基体17对应。现在，借助算法将这两个电感值L₀或L_x转变为标准值，即转变成无量纲的特性值，该特性值可与一个相应的层厚对应。为了能够实现标准值的建立，必须计算出电感值L_∞。当在校准体上进行仅相对于铬层的测量时，获得该电感值L_∞。另外，校准体表面必须具有这样厚的铬层，即它屏蔽了整个线圈磁场，从而感应效应和涡流效应都不可能在校准体的磁铁原材料中起作用。如必要，在校准体中，也可以代替铬使用其它导电非铁磁材料。根据等式(1)，计算出标准值Me。系数1000可以在零到无穷之间任意变化。

(1)Me＝1000*(L_X-L₀)/(L_∞-L₀)

Me＝测量值/标准值

L₀＝电感值(未镀层基体)

L_X＝电感值(镀层部分)

L_∞＝电感值(铬校准体)

现在，在图4中示出了根据等式(1)标准化的测量值Me与层厚a之间关系的曲线γ。图2所示的各曲线得出了分别计算出的标准值Me的一个几乎重合的曲线γ。可以看到，与图2相比，在图4中层20厚度唯一地对应了一个标准值Me。

目前为止，借助等式(1)几乎消除了误差，所述误差是由测量线圈与待测层之间的大小不同的间距以及由基体17材料的不同电学性能或磁性而产生的。但是，也可以抑制在其它情况下由温度波动产生的所谓偏置漂移对测量结果的影响。为此，要测知测量线圈的电感值，所述电感值是在测量线圈只针对空气进行测量时即在测量线圈对面没有铬层或任何部件的情况下得到的。以下，此测量值被称为标准空气值L1_∞。它是直接在测量电感值L_∞之前或之后(尽可能同时地)借助一个校准体测得的。电感值L1_∞是基值，它分别用于随后的测量。在分别测量各基体17时，直接在上述所谓的预测之前或之后、即尽可能与测算线圈电感值L₀同时地测算出电感值L1₀，该电感值L1₀是在测量线圈又只相对空气进行测量时产生的。随后，例如在微型计算机中进行减法ΔL₀＝L1₀-L1_∞。借助值ΔL₀计算出电感修正值L₀ ^★＝L₀-ΔL₀。顾名思义，也在测量电感值L_X时测算出修正测量值L_X ^★。在这种情况下，从时间上马上在上述所谓的补测之前或之后即直接在测算值L_X之前或之后，测知线圈相对空气的电感值L1_X。在这里重新测量了线圈相对空气的电感值，这是因为可能在预测线圈相对空气的电感值和补测线圈相对空气的电感值之间存在时间差和温度波动。在修正电感值L₀或电感值L_X时，可以长时间使用一次测得的所谓标准空气值L1_∞。如果表示仅相对铬层而测得的电感值的电感值L_∞只是间歇地测量并且它被长时间储存在数据库内，则也足够了。但是，如果为了如考虑测量线圈与测量目标之间间距的缓慢和连续改变(如磨损)而重新测量电感值L_∞，则同时要更新所谓的标准空气值L1_∞。为在建立标准值时也考虑到由温度波动引起的测量结果的偏置漂移，采用等式(2)：

(2)Me＝1000*[(L_X-(L1_X-L1_∞))-(L₀-(L1₀-L1_∞))]/[L_∞-(L₀-(L1₀-L1_∞))]

在更换传感器时，必须重新测量电感值L1_∞和L_∞。在预测和补测之间的交换之后，还必须在补测时使用旧基值L1_∞。

在基体17的一些材料中，基体材料的电学值和磁性值在长期使用后明显有变化。这些变化即漂移在各待测测量体中可能大小不同，因为漂移除材料性能外还与镀铬前的各自热处理有关。因此，根据校正特性线记录(见图4)，如图8所示地生产校准体。校准体30具有两个端面31、32。测量面31在这里由未镀层原材料构成，而测量面32镀覆了铬层。但这两个测量面31、32的形状相同。镀覆在测量面32上铬层的厚度是已知的。即使当原材料的电学性能和磁性取决于时效处理地有所变化时，在校准中用校准体30测算出的标准值也不变化或者无影响地变化。在这种情况下，前提条件是与整个校准体有关的原材料电学性能和磁性变化是均匀的。

以下，再次根据图5所示的图表列出各测量-计算步骤。如简述的那样，按三个步骤实施测量方法，这三个步骤是标准值测量、所谓的预测和所谓的补测。在标准值测量步骤中，测知电感值L_∞，它是仅相对于厚度被确定出的材料(或其代用品)而确定的，其中校准体的厚度最好大于测量线圈交变磁场的渗透深度。接着，测算出电感值L1_∞，它是尽可能在测知电感值L_∞的时刻线圈相对空气的电感值。

现在开始所谓的预测步骤：

3.测得线圈相对空气的实际电感值L1₀

4.减法ΔL₀＝L1₀-L1_∞

5.计算电感值L₀即相对未镀层基体的电感值

6.根据减法L₀ ^★＝L₀-ΔL₀计算出修正值L₀ ^★

接着是所谓的补测计算步骤：

7.计算线圈相对空气的电感值L1_X

8.减法ΔL_X＝L1_X-L1_∞

9.计算电感值L_X

10.根据减法L_X ^★＝L_X-ΔL_X计算出修正值L_X ^★

11.根据等式借助值L_∞、L_X ^★或L₀ ^★计算标准值

12.借助校准曲线将步骤11计算出的标准值转换成层厚

在一个方法变型中，不再在各单个部件中单独对此计算电感值L₀，而是借助校准体进行测量并储存所述电感值。但是，在装置运行期内，不允许标准部件改变其电学性能和磁性。如上所述地计算出电感值L_∞。以下说明图7所示的测量步骤，其中为了简化和条理清楚起见，不考虑温度漂移修正。对该变型方法来说，必须对每种材料采用图6中自己的转换校准曲线，它是用与步骤1所用相同的校准元件测得的。

步骤1

1.测出电感值L_∞并将它们存储在数据库内

2.测出相对一个校准元件的电感值L₀并将它们存储在数据库内

步骤2

3.计算出在未镀覆部件上的电感值L₀

4.在层厚为零的情况下，借助等式(1)计算标准值Me

5.选择与材料有关的图6所示的转换校准曲线

步骤3

6.计算出在镀层部件上的电感值L_X

7.借助等式(1)计算出标准值

8.借助所选的校准曲线将标准值转换为层厚值

要注意的是，在此方法中，与现有技术所用涡流方法或感应方法相比，测量线圈由高频交变电流如4兆赫的交变电流流过。在此，产生了更小的线圈电感。不需要线圈铁心，从而可以采用可变的且价格合适的结构。

由于使用了所谓的乘法器，所以可以在很短时间内测量许多测量件。在此，同时为这些待测测量面配备了许多个测量线圈。由一个测量桥借助乘法器短时间相继探测测量面。即使当利用上述高测量频率如4兆赫频率测算电感值时，这也是可行的。

在图9中示出了图1所示结构布局的其它设计方案。该方法所述的电感值L₀的测定(相对于未镀层部分的线圈测量)可以用一个独立的第二测量线圈40进行。为此，必须在镀铬后，即在将待测其层厚的涂层涂覆在待检部件表面上之后，还有一个未镀层区。在图9所示的部件41中，线圈架42的凸肩44突入部件41的孔43中。孔43的壁在这种情况下未被待测铬层覆盖住。现在，可以借助线圈40测算出基体的电学性能和磁性，与此同时，可以借助测量线圈14对待测铬层进行测量。借助该传感器，只必须将部件定位在传感器上一次，从而缩短了周期。

在迄今为止描述的测量方法中，其出发点是原材料质量波动很小。这尤其适用于图2和图4。但是，如果在大量生产中原材料是由例如不同的生产厂家提供的，则可能出现波动大的质量差别。这种波动例如可能是由不同的原材料退火方法引起的，而这决定了原材料磁导率的变化。因此，这些更大的波动致使原材料的电学性能和磁性变化。因而，在层厚相同时也会产生不同的测量信号。现在，借助随后描述的修正方法尽可能地消除原材料的材料特性波动对测量信号的影响。在图4中，人们目前所依据的是在相差不大的原材料的情况下的近似重合的测量曲线。由上述相差较大的原材料质量决定地，产生了图10所示的不同曲线，这些曲线示出了Me与a之间的关系。所有曲线的初始点与终点都重合。为消除误差，必须首先计算出表示原材料质量的特性值K，因而确定出与原材料质量有关的结论。为此，上述预测利用了传感器线圈的电感值L₀。该值L₀随后通过一个算法被转变成无量纲的特性值K。特性值K的大小决定了由此推算出的修正系数F的值，可以利用所述修正系数修正涂层厚度的测量信号。当然，必须针对各个测量目标测算出L₀值。现在，根据以下关系式计算特性值K：

K＝e·(L_SA-L₀)/(L^★ _∞-L_SA)

e是用于获得直观特性数值的数字系数(如100)。它也可能是1。

另外，L_SA是相对空气测得的传感器线圈的电感值；

L0是传感器线圈的电感值，其中线圈被定位在原材料的未镀层的测量面上；

L^★ _∞是传感器线圈的电感值，其中线圈被定位在镀铬测量面上，即例如铬层层厚比线圈交变磁场的渗透深度厚许多，这意味着线圈仅对该层材料进行测量。

特性值K尽可能与测量线圈的测量灵敏度无关地最广义地掌握原材料的磁性和电学性能。由于这些性能如从上述计算测量值的实施例可看出的那样影响测量信号的强度，所以可以考虑将特性值K用于修正层厚的被测算的测量值。

特性值K现在必须被转变成一个修正系数F以便消除层厚测量值的测量误差。修正系数F例如借助图11所示的校正特性线计算出来。在图11的曲线中，修正系数F与特性值K之间假定是直线关系，它对应于以下等式：

F_X＝b·K_X+c

在此等式中，b为校正特性线斜率；c为曲线初始值。

现在如此确定该校正特性线，即相同地镀覆具有不同特性值K的测量目标，例如镀覆上待测部分的额定层厚。这些层厚首先用上述方法进行测量并用其它方法如显微照相法进行鉴定。通过关系式F＝D_M/D_W可以为各测量目标的特性值K计算出各自的修正系数F。

在这里，D_W指真实层厚，如在显微照相法中测得的层厚，D_M指借助上述测量方法确定的层厚。

为各测量目标确定出的特性值K和修正系数F被记录入如图11所示的曲线中。由此获得的曲线分布也与测量目标的基材有关。该曲线可以是近似直线的。在这种情况下，可以求出上述等式F_X＝b·K_X+c的系数b和c，从而可以简单地实现将特性值转变为修正系数。如果不能假定是直线关系，则必须借助寄存在表格中的值将特性值转变为修正系数。

当上述额定层厚尽可能等于随后待测和待修正的层厚时，获得最大的修正精度。

在求得图11所示的校正特性线后，可以为每个特性值K对应一个修正系数F。因而，由各层厚测定值D_M还可以借助修正系数F并根据关系式D_W＝D_M/F计算出实际层厚D_W。

Claims (2)

1.一种在确定导电材料层(20)的厚度时消除测量误差的方法，该材料层(20)镀覆在铁磁材料体(17)上，借助至少一个由交变电流流过的测量线圈(14)利用其电感变化来进行这种测定，其中，借助以下等式计算出一个无量纲的特性值(K)：

K＝e·(L_SA-L₀)/(L_∞-L_SA)

其中，该特性值(K)借助一条校正特性线被转换成修正系数(F)，并且借助以下等式将厚度测量值(D_M)转换成实际厚度值(D_W)：

D_W＝D_M/F

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，校正特性线近似于直线伸展。

Images