专利名称：用于测定涂层厚度的扫频涡流系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及涂层厚度的测定，特别涉及用扫频振荡器的涡流发生器进行的涂层厚度的测定。
衬底部分涂敷有薄涂层时，控制涂层的厚度是非常重要的。涂层的物理性能(例如声阻抗或电阻率)与衬底显然不同时，涂层厚度的控制是用一般方法进行的，例如，超声波或恒频涡流法。但在涂敷某些衬底部分时，衬底与涂敷材料之间只有轻微的差别，例如，用锆金属涂敷锆锡合金管材就是这样。所以物理性能差别很小时，涂层厚度的测定就很困难。
因此本发明的目的是测定涂层的厚度，特别是测定物理性能与衬底差别很小的涂层的厚度。
简单地说，上述和其它目的是借助根据本发明测定衬底材料已知的衬底上的涂层厚度测定仪达到的，该厚度测定仪包括变频涡流发生装置和导电率变化比较装置，前者用以在经涂敷的衬底、涂层和该已知材料的未经涂敷的衬底中产生变频涡流，后者用以比较涂层和经涂敷的衬底两者与未经涂敷的衬底在导电率方面随频率的变化而变的情况。
根据本发明测定材料已知的衬底上的涂层厚度的方法包括以下步骤在经涂敷的衬底、涂层和该已知材料但未经涂敷的衬底中产生变频涡流;然后将涂层和经涂敷的衬底两者与未经涂敷的衬底在导电率方面随频率的变化而变的情况加以比较。
图1 是本发明的一个实施例的方框图。
图2 是图1中使用的探测线圈配置方式的剖视图。
图3 是本发明校准用的弯板的剖视图。
图4 是图1实施例中的信号曲线图。
图5 是本发明另一实施例的部分方框图。
从图1中可以看到电桥线路10包括探测线圈12和14，各线圈的一端接地。电桥10还包括电感16和18，分别连接到探头12和14的另一端。尽管电感16和18可以用电阻器或电容器代替，但它们最好还是电感，这样可以使电桥10在较宽的频率范围内保持其灵敏度。电感16和18的另一端连接有扫频信号源或振荡器20。信号源20的扫频一般在大约10千赫至10兆赫之间，扫描频率约为30赫，但也可以采用其它频率。信号源20最好是(输出阻抗高的)恒流源，以便进一步使电桥在整个扫频范围内保持其灵敏度。比较装置，例如相位检波器22和24，其各自的一对输入端分别连接到线圈12和16的接点，还连接到线圈14和18的接点。信号源20将信号供到相位调节器26的输入端。来自调节器26的输出信号直接加到检波器24的一个输入端，还加到90度移相电路28的输入端;来自电路28的输出信号则加到检波器22上。因此检波器22是Q(正交)波道相位检波器，检波器24是I(同相)波道相位检波器。
本技术领域中的人们都知道，检波器22和24各包括一个以来自探头12和14和来自信号源20的差分信号作为输入信号的二极管电桥。来自该电桥的输出信号加到一阻容低通滤波器上。该滤波器的时间常数应大于扫频低频极限的周期，例如1/10千赫，同时小于扫描频率的周期，例如1/30赫。相位检波器22和24实质上是在来自探头12和14的差分信号与加到相应检波器上参考振荡信号同相时让该差分信号通过，在不同相时不准该差分信号通过。
来自Q波道检波器22的输出信号加到伺服电路30，伺服电路30有一个机械操作器(图中未示出)，用以控制探头12的位置，如图中的虚线32所示。来自Q波道检波器22的输出信号还加到阴极射线管(CRT)显示器33的垂直轴线输入端上，显示器33的水平轴线时间扫描与信号源20的扫频同步。
来自I波道检波器24的输出信号加到放大器34的输入端，该放大器的输出信号供到开关36。开关36搭到接点38上作为直接显示工作状态时，放大器34的输出信号加到CRT显示器40的垂直轴线输入端上，显示器40的水平轴线时间扫描与信号源20的扫频同步，以便显示过渡频率(下面即将说明)。
开关36搭接到点42上时，即选用了数字曲线拟合的工作状态。所述放大器34的输出信号加到回归分析电路44上，回归分析电路44可包括一经编程可执行最小二乘方近似法、最大似然法等算法的微处理器(这是本技术领域所周知的)，以便确定上述过渡频率。也可以采用硬连线电路。来自电路44的过渡频率输出信号加到电路46上，电路46可以是例如一个只读存储器，是经过涂层厚度对过渡频率的关系一览表标定过的(下面即将说明)。来自电路46的涂层厚度输出信号加到显示器47，显示器47可以是涂层厚度模拟显示器，也可以是涂层厚度数字显示器。
开关36搭到接点48上时，所述放大器34的输出信号就加到微分器50，以计算所述输出信号的一次导数。微分器50的输出信号加到比例电路52，比例电路52可包括一个经编程用以计算比值的微处理器。如本技术领域所周知的那样，计算比值也可以采用硬线连接的数字和模拟电路。微分器50的输出信号还加到微分器54上，以便计算放大器34输出信号的二次导数。微分器54的输出信号加到比例电路52。比例电路52的输出信号加到CRT显示器56的垂直轴线输入端，显示器56的水平轴线时间扫描与信号源20的扫频同步。不难理解，显示器33、40和56可以是具有根据开关36的位置或相位调节操作(下面即将谈到)转接到电路22、34或52各输出端的开关(图中未示出)的同一显示器。该显示器也可采用双迹示波器。
如图2(a)中所示的那样，在第一次操作(叫做“相位调节”)期间，探头12系安置在靠近衬底58的地方该衬底涂有厚度已知或未知的涂层或包层60，线圈的轴线最好垂直于衬底58。探头14安置在靠近材料与衬底58相同的未经涂敷的参考衬底62处，且线圈的轴线垂直于衬底62，如图2(b)中所示。通常，衬底58和62以及涂层60可以是任何导电的材料，例如，金属、导电的塑料、合成材料等。探头12和14以及衬底58和60通常都是不动的。扫频信号，由信号源20产生于是衬底58和62以及涂层60中就产生与它们在瞬时频率下各自的导电率相适应的涡流。Q波道相位检波器22通过比较涡流在线圈12和14中所产生的电压的大小和相位而比较这些导电率，比较结果显示在显示器33上。然后调节相位调节电路26，使显示器33显示出的显示线条64尽可能水平，即Q波道检波器22对导电率变化上的差异可能有的最低灵敏度。这大致上相当于I波道检波器22对衬底58和涂层60两者在导电率变化方面与衬底62的差异的最大灵敏度，也相当于Q波道检波器22对探头12与衬底58之间距离变化的最大灵敏度。这后一种变化叫做“偏移”(lift-off)。
下一步是进行标定。如图3所示，探头12系贴近有一个成一定角度重叠的楔形涂层68的衬底66配置。涂层68的厚度按已知的方式随其沿衬底的长度而变化。涂层68也可以不呈楔形而呈台阶高度已知的阶梯(台阶)形。探头14仍然如图2(b)所示那样配置。信号源20起作用之后，其频率周期性地变化着。当探头12靠近涂层68的薄层部分且频率低时，涡流透过涂层68和衬底66。于是由于探头12和14实质上在分别测量衬底66和62彼此相等的导电率，因而来自探头12和14的信号几乎相等，且电桥10近乎处于平衡状态。随着频率的升高，电桥起初保持不变，但最后集肤效应促使穿透到衬底66的涡流越来越少，于是电桥不平衡的程度增加，见图4的曲线70。最后，不平衡情况稳定下来，这时就测定涂层68的初始导电率。曲线70这两个稳定部分之间的半途有一个过渡频率f2，这个频率发生在涂层68的厚度大约等于表层厚度时。鉴于涂层的厚度是已知的，因而可以求出频率对厚度的标定点，并将其存储在电路46中，然后校准显示器40和56的水平轴线。接着移动探头12，将其配置在靠近涂层68较厚部分处，然后重复上述过程，如曲线72所示。这次就得出新的过渡频率f1，其中f2大于f1。将新的标定点存储在电路46中，然后校准显示器40和56的水平轴线。重复这个过程若干次，直到获得足够数量的标定点为止。显然，可以先用厚涂层进行标定，然后再用较薄的涂层进行标定。
下一步是用本发明的厚度测定仪测定未知厚度的涂层厚度，具体作法是将探头12配置到靠近其涂层60的厚度未知的衬底58处，如图2(a)所示。用探头12在整个衬底58上就一维或二维的方式慢慢进行扫描。不然也可以使探头12保持不动而移动衬底58，或者采用上述两种运动的组合，特别是在进行二维扫描时，这时其中一个运动可以在一个方向上进行，另一个运动可以垂直于所述一个方向进行。这里“慢慢地”是指这种机械扫描比信号源20的扫描速度慢。必要时，在上述扫描过程中可以用Q波道检波器22的输出信号控制伺服电路30，由伺服电路30保持探头12与衬底58之间的距离大致不变，即，使偏移减少到最低程度，从而提高厚度测定的精度。探头14仍然如图2(b)所示那样配置。
放大器34提供如图1中编号74所示的信号。当用开关36选择直接显示的工作状态时，则信号74会由显示器40显示。若选用数字曲线拟合工作状态，则回归分析电路44确定最适合信号74的过渡频率。这时，表示该频率的信号就加到电路46上，并由显示器47显示并读出对应于此频率的厚度。
若选用斜率-曲率比工作状态，则不直接利用电桥的不平衡，而是由电路50计算出信号74的一次导数，如图中所示信号76。然后由电路54计算信号74的二次导数，如信号78所示。接着再由电路52计算信号76对信号78的比值。在高频和低频下，一次导数小。在过渡频率下，一次导数大，二次导数则为零。在电桥不平衡与频率的关系曲线的拐点处比值最大，如信号80所示。因此这是灵敏度极高的过渡频率测定法。然后显示器56显示信号80。
必要时，和若用二维扫描时，可利用放大器34的输出信号在一个显示器(图中未示出)上以黑白或彩色显示一立体图象。
不难理解，本发明提供的是一种即使在涂层与衬底的物理性能差别甚小时也能测定衬底涂层的厚度极为灵敏的仪器和方法。还应该理解的是，在不脱离本发明精神实质和范围的前提下是还可以举出其它许多实施例的。例如，如图5所示的那样，探头12和14也可以不是电桥电路10的一部分，而是连接到差分放大器82比较装置相应的输入端上。各检波器22和24的一个输入端连接到放大器82的输出端，而检波器22和24的其余输入端接地。电路的其余部分与图1所示的相同。
权利要求
1.一种用于测定衬底材料已知的衬底上的涂层厚度的仪器，所述仪器包括变频涡流发生装置，用以在经涂敷的衬底、该涂层和该已知材料但未经涂敷的衬底中产生变频涡流；和导电率变化比较装置，用以比较所述涂层和经涂敷的衬底两者与未经涂敷的衬底在导电率方面随频率的变化而变的情况。
2.如权利要求1所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述比较装置包括相位差检测装置，用以检测所述涡流之间的相位差。
3.如权利要求1所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述发生装置包括一对探头，即第一线圈和第二线圈，适宜分别配置在所述经涂敷和未经涂敷的衬底附近。
4.如权利要求3所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述发生装置包括含有所述第一和第二线圈的一个电桥电路。
5.如权利要求4所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述电桥电路还包括第三和第四线圈。
6.如权利要求3所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述比较装置包括一差分放大器，该差分放大器的一对输入端分别连接到所述各线圈上。
7.如权利要求1所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述发生装置包括在大约10千赫至10兆赫之间扫频的振荡器。
8.如权利要求1所述的厚度测定仪器，其特征在于，它还包括连接到所述比较装置的显示装置。
9.如权利要求1所述的厚度测定仪器，其特征在于，它还包括一连接到所述比较装置的回归分析电路，和一连接到所述分析电路的厚度对频率关系的存储器。
10.如权利要求9所述的厚度测定仪器，其特征在于，所述分析电路是个最小二乘方电路。
11.如权利要求9所述的仪器，其特征在于，所述分析电路是个最大似然电路。
12.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，它还包括一连接到所述比较装置的第一微分器、一连接到所述第一微分器的第二微分器、和一连接到两个所述微分器的比例电路。
13.一种用于测定材料已知的衬底上涂层的厚度的厚度测定仪，所述测定仪包括一对探头第一和第二线圈，适宜分别贴近经涂敷的衬底和材料已知但未经涂敷的衬底配置;一扫频振荡器，连接到所述各线圈上;和-比较装置，连接到所述各线圈和所述振荡器上，用以比较涂层和经涂敷的衬底两者与未经涂敷的衬底在导电率方面随频率的变化而变的情况。
14.如权利要求13所述的测定仪，其特征在于还包括经涂敷和未经涂敷的衬底。
15.如权利要求14所述的测定仪，其特征在于，各所述衬底包括锆锡合金，且所述涂层包括锆。
16.如权利要求13所述的测定仪，其特征在于，它还包括一含有所述探头线圈的电桥电路。
17.如权利要求16所述的测定仪，其特征在于，所述电桥电路包括分别连接到所述第一和第二线圈的第三和第四线圈。
18.如权利要求13所述的测定仪器，其特征在于，所述扫频振荡器的扫频在10千赫至10兆赫之间。
19.如权利要求13所述的测定仪，其特征在于，所述比较装置包括连接到所述各线圈的第一相位检波器，所述第一检波器还连接到所述振荡器。
20.如权利要求19所述的测定仪器，其特征在于，它还包括一连接到所述各线圈的第二相位检波器，和一连接在所述振荡器与所述第二检波器之间的90度移相器。
21.如权利要求20所述的测定仪，其特征在于，它还包括一相位调节装置，该相位调节装置的一输入端连接到所述振荡器，且一输出端连接到所述第一检波器和所述移相器。
22.如权利要求20所述的测定仪，其特征在于，它还包括一伺服电路，该伺服电路连接到所述第二检波器，并机械耦合到贴近所述经涂敷衬底配置的所述线圈上。
23.如权利要求13所述的测定仪，其特征在于，所述比较装置包括一微分放大器，该微分放大器有一对输入端分别连接到所述诸线圈上。
24.一种用以对衬底材料已知的衬底上的涂层测定其厚度的方法，该方法包括下列步骤在所述经涂敷的衬底、所述涂层和该已知材料但未经涂敷的衬底中产生变频涡流;和对所述涂层和经涂敷的衬底两者与所述未经涂敷的衬底在导电率方面随频率的变化而变的情况进行比较。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述比较步骤包括对所述涡流之间的相位差进行检测的步骤。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述发生步骤包括产生在大约10千赫至10兆赫之间扫掠的频率。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括显示涡流的比较结果的步骤。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括计算过渡频率和根据所述过渡频率确定厚度的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述计算步骤包括最小二乘方法。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述计算步骤包括最大似然法。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括计算表示导电率变化比较结果的一个信号的一次导数，计算所述信号的二次导数和计算所述一次对二次导数的比值等步骤。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括调节相位使灵敏度达最大程度的步骤。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于，它还包括用涂层厚度已知的衬底进行校准的步骤。
全文摘要
一种用以测定衬底之涂层厚度的仪器，该仪器具有包括四个线圈的一个电桥电路。一个线圈安置在靠近经涂敷衬底处，另一个线圈安置在衬底材料相同但未经涂敷的衬底附近。电桥电路上连接有一振荡器，其扫频在10千赫至10兆赫之间。检测各线圈中感应出的各电压之间的相位差以确定导电率随频率的变化。一种测定涂层厚度的方法，该方法包括在相同材料经涂敷和未经涂敷的衬底中产生变频涡流并将所产生的涡流进行比较等步骤。
文档编号G01R33/12GK1052548SQ9010984
公开日1991年6月26日 申请日期1990年12月11日 优先权日1989年12月14日
发明者戴维·韦伯斯特·奥利弗 申请人:通用电气公司