雷冰 LEI Bing；楊愛民 YANG Ai-min

（①中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089；②西安石油大學(xué)，西安 710065）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和新材料的不斷發(fā)展，導(dǎo)電涂層已逐漸成為多種產(chǎn)品與應(yīng)用中不可或缺的一部分，尤其在電子、航空航天及汽車工業(yè)中具有廣泛應(yīng)用。這些涂層不僅能夠?yàn)楫a(chǎn)品提供電磁屏蔽，還能增強(qiáng)其抗腐蝕性和外觀質(zhì)感。然而，涂層的功能性往往與其厚度息息相關(guān)。因此，準(zhǔn)確、快速地檢測涂層的厚度對于確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能至關(guān)重要。傳統(tǒng)的涂層厚度檢測方法雖然得到了廣泛應(yīng)用，但在一些特定應(yīng)用中，它們的準(zhǔn)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(zhàn)，渦流檢測技術(shù)逐漸引起了研究者的關(guān)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(dǎo)電涂層厚度的脈沖渦流檢測方法，探討其原理、優(yōu)勢，期望為涂層厚度檢測領(lǐng)域提供一種更為先進(jìn)和可靠的技術(shù)方法。

1 基本理論

1.1 導(dǎo)電涂層的概述

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

例如，在電子設(shè)備中，導(dǎo)電涂層可以防止電磁干擾（EMI），保護(hù)設(shè)備免受外部電磁輻射的干擾。在航空航天領(lǐng)域，它們也常用于防止雷擊造成的損害。導(dǎo)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(yīng)用可能需要不同的導(dǎo)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(wěn)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(yīng)用于材料測試和檢測領(lǐng)域的非破壞性檢測技術(shù)。其核心原理基于法拉第的電磁感應(yīng)定律，利用交變電流產(chǎn)生的變化磁場來誘導(dǎo)目標(biāo)材料中的渦流。具體來說，當(dāng)一個(gè)交變電流通過一個(gè)線圈時(shí)，它會在周圍產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場。當(dāng)這個(gè)線圈靠近一個(gè)導(dǎo)電物體時(shí)，這個(gè)變化的磁場會在導(dǎo)電物體內(nèi)部誘導(dǎo)出渦流。這些渦流與原始的磁場產(chǎn)生相互作用，導(dǎo)致線圈的阻抗發(fā)生變化。通過測量線圈的阻抗變化，可以獲取關(guān)于被測試物體的一些信息，如其電導(dǎo)率、磁性、厚度以及內(nèi)部的缺陷和裂紋。

例如在檢測線圈上施加脈沖刺激信號時(shí)，其周圍會迅速產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的源磁場。依據(jù)電磁學(xué)基本理論，當(dāng)導(dǎo)體材料處于這種迅速變化的磁場中時(shí)，它會產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱為電渦流。這些電渦流進(jìn)一步產(chǎn)生自己的感應(yīng)磁場，而此感應(yīng)磁場內(nèi)攜帶了導(dǎo)體材料的基本電磁屬性以及任何存在的缺陷或不規(guī)則性的信息。為了獲取這些信息，可以比較線圈在導(dǎo)體表面產(chǎn)生的響應(yīng)信號與其在無負(fù)載條件下，即空氣中的響應(yīng)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(yōu)點(diǎn)包括：非破壞性、快速、適應(yīng)性強(qiáng)，可以應(yīng)用于各種形狀和大小的材料，并且可以在線實(shí)時(shí)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(tǒng)

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(dǎo)出材料內(nèi)的感應(yīng)渦流響應(yīng)。為此本研究構(gòu)建了一個(gè)解析模型，該模型基于以下的核心方程式：

感應(yīng)電渦流的強(qiáng)度：

其中：Ieddy為感應(yīng)的渦流強(qiáng)度。為脈沖源電流的時(shí)間導(dǎo)數(shù)。脈沖源電流的時(shí)間導(dǎo)數(shù)為材料的固有電阻。

渦流響應(yīng)與缺陷的關(guān)系：

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

D 是缺陷的深度。

上述公式提供了從脈沖源到感應(yīng)渦流響應(yīng)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(tǒng)的建立

2.2.1 脈沖源單元

使用高性能數(shù)字脈沖生成器，能產(chǎn)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(yīng)調(diào)制功能，可以根據(jù)測試樣品的特性調(diào)整脈沖的形狀和持續(xù)時(shí)間。

2.2.2 檢測線圈與傳感器頭

包含一個(gè)中心發(fā)射線圈和一個(gè)環(huán)狀接收線圈，這種設(shè)計(jì)有助于增強(qiáng)感應(yīng)渦流的強(qiáng)度并減少外部噪聲的干擾。傳感器頭還配備了一個(gè)微型化的溫度傳感器，確保在長時(shí)間連續(xù)工作時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控溫度變化。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析單元

該單元采用先進(jìn)的數(shù)字信號處理器（DSP），能夠?qū)崟r(shí)處理從檢測線圈收集到的信號。內(nèi)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(yù)設(shè)的基線信號進(jìn)行對比。

2.2.4 用戶界面與顯示

配備了一個(gè)觸摸屏顯示器，實(shí)時(shí)展示檢測結(jié)果和潛在的缺陷位置。界面簡潔友好，允許操作員輕松設(shè)置參數(shù)，如脈沖頻率、脈沖持續(xù)時(shí)間等。

2.2.5 軟件集成

內(nèi)置的軟件包括材料數(shù)據(jù)庫、歷史檢測數(shù)據(jù)存儲、3D缺陷可視化和自動報(bào)告生成功能。此外，系統(tǒng)還支持云同步，確保數(shù)據(jù)備份并允許遠(yuǎn)程分析。

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品準(zhǔn)備

如表1 所示，這些樣品代表了不同類型和厚度的導(dǎo)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(shí)驗(yàn)將通過對這些樣品的檢測和分析來評估脈沖渦流技術(shù)的有效性。每個(gè)樣品的特性都在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了準(zhǔn)確測量，并將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中使用。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法與流程

3.2.1 實(shí)驗(yàn)方法

精確測量并記錄每個(gè)導(dǎo)電涂層樣品的厚度。樣品包括樣品A（聚合物基導(dǎo)電涂層，厚度0.5 毫米）、樣品B（金屬基導(dǎo)電涂層，厚度1 毫米）、樣品C（復(fù)合材料基導(dǎo)電涂層，厚度0.2 毫米）以及樣品D（含缺陷的金屬基導(dǎo)電涂層，厚度0.8 毫米）。此外還使用已知導(dǎo)電涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，以確保脈沖渦流檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

使用脈沖渦流檢測系統(tǒng)，具體實(shí)驗(yàn)裝置為：

①高頻脈沖發(fā)生器，能夠產(chǎn)生1MHz 至10MHz 的脈沖信號。

②檢測線圈：中心發(fā)射線圈和環(huán)狀接收線圈，工作頻率為2MHz。

③數(shù)據(jù)采集和分析軟件，用于記錄和分析檢測數(shù)據(jù)。樣品被放置在實(shí)驗(yàn)臺上，確保與檢測線圈之間的距離保持恒定。確定適當(dāng)?shù)拿}沖頻率和持續(xù)時(shí)間，以最大程度地增強(qiáng)對微小裂紋的檢測靈敏度。

④標(biāo)準(zhǔn)樣品臺：此臺用于穩(wěn)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(shí)驗(yàn)流程

將標(biāo)準(zhǔn)樣品放置在標(biāo)準(zhǔn)樣品臺上，啟動脈沖渦流檢測系統(tǒng)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品的特性進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣品臺上，并在系統(tǒng)中輸入每個(gè)樣品的厚度信息。啟動脈沖渦流檢測系統(tǒng)，使其產(chǎn)生脈沖信號，并開始在每個(gè)樣品表面進(jìn)行掃描。檢測系統(tǒng)將記錄每個(gè)樣品的渦流響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括信號幅度和相位，以捕捉渦流信號的變化。使用系統(tǒng)內(nèi)置的分析軟件，對渦流響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，以評估導(dǎo)電涂層厚度對脈沖渦流檢測性能的影響。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中對四種不同類型的涂層樣品進(jìn)行了詳細(xì)的測試與分析，如表2 所示，樣品A 代表了聚合物基導(dǎo)電涂層，其厚度為0.5 毫米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，脈沖渦流技術(shù)對于這種類型的涂層在信號強(qiáng)度上表現(xiàn)出較強(qiáng)的響應(yīng)。這意味著該技術(shù)能夠有效地檢測較薄的聚合物基導(dǎo)電涂層，并對其厚度變化產(chǎn)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(dǎo)電涂層的薄度變化。樣品B 代表了金屬基導(dǎo)電涂層，其厚度為1.0 毫米。與樣品A 相比，樣品B 的信號強(qiáng)度非常強(qiáng)，這可能是由于其較大的厚度和高電導(dǎo)率所致。脈沖渦流技術(shù)在金屬基導(dǎo)電涂層上的應(yīng)用效果顯著，能夠產(chǎn)生非常強(qiáng)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(guān)，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(fù)合材料基導(dǎo)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(qiáng)度較弱，這可能是由于其較低的電導(dǎo)率和較薄的涂層所致。脈沖渦流技術(shù)在這種類型的導(dǎo)電涂層上的應(yīng)用效果相對有限，信號強(qiáng)度不足以產(chǎn)生明顯的渦流響應(yīng)。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(dǎo)電涂層，其厚度為0.8 毫米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，脈沖渦流技術(shù)能夠有效地檢測含缺陷的涂層，產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流信號響應(yīng)。對于這種樣品，脈沖渦流技術(shù)不僅成功地定位了缺陷的位置，還能夠估計(jì)缺陷的大小。這表明該技術(shù)在質(zhì)量控制和涂層缺陷檢測方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總表

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

4 結(jié)語

脈沖渦流技術(shù)在不同類型的導(dǎo)電涂層上表現(xiàn)出不同的性能。對于聚合物基和金屬基導(dǎo)電涂層，該技術(shù)在涂層厚度和薄度變化檢測方面表現(xiàn)出良好的精度。但對于復(fù)合材料基導(dǎo)電涂層，檢測精度相對較低。在含缺陷的金屬基導(dǎo)電涂層上，脈沖渦流技術(shù)表現(xiàn)出卓越的缺陷檢測精度，能夠成功地定位缺陷位置并估計(jì)其大小。脈沖渦流技術(shù)相對于傳統(tǒng)的涂層厚度和缺陷檢測方法具有多個(gè)優(yōu)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(shè)備成本等因素的限制。未來的研究可以致力于進(jìn)一步改進(jìn)脈沖渦流技術(shù)，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(shí)，與傳統(tǒng)方法結(jié)合使用，充分利用各種檢測方法的優(yōu)勢，以提高導(dǎo)電涂層的檢測和質(zhì)量控制效率。