用于测量可磁化基底材料上的不可磁化层的厚度的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于测量可磁化的基底材料上的不可磁化层的厚度的方法和装置，其中，可磁化的基底材料的磁导率是未知的。

背景技术：

从de3331407c2知晓一种用于测量薄层厚度的测量探针。这种测量探针具有探头，所述探头包括由软铁制成的罐形芯，所述罐形芯相对于几何轴线旋转对称地形成。罐形芯在内芯上接收第一线圈和第二线圈。内芯在端面上形成为测量杆，所述测量杆在待测量的可磁化基底材料的层上具有支承面。利用该测量探针，可以借助于磁感应测量方法确定可磁化基底材料上的不可磁化层。

从de102005054593a1知晓一种用于测量薄层厚度的测量探针，所述测量探针具有探头，该探头接收具有第一线圈和第二线圈的罐形芯。所述第一线圈和第二线圈代表一个线圈对，该线圈对位于共同的几何轴线上。此外，支承帽沿几何轴线设置在罐形芯上。探头安装在保持元件上，保持元件形成为能相对于壳体弹性复原的、尤其形成为膜。在将测量探针放置在待测量的层的表面上的过程中，探头会沿着壳体的纵向轴线向测量探针的壳体中略微缩回。由探头确定的测量信号被传送给分析评估单元，以便确定并输出层厚度。这种测量探针可以用于磁感应地测量不可磁化层的厚度，这意味着可以测量可磁化基底材料上的不可磁化层的厚度。

de4119903a1公开了一种用于测量薄层的测量装置以及一种用于利用这种装置测量薄层的方法。该测量装置包括具有第一线圈装置和第二线圈装置的探针，第一线圈装置和第二线圈装置同轴地布置在共同的芯上。

此外，de4325767a1公开了一种层厚度测量装置，其包括芯，该芯接收前后排列的第一、第二电磁线圈。从de2410047a1知晓一种类似的构造。

在为这种磁感应测量做准备时，基于可磁化基底材料校准测量探针。这种校准借助于将测量探针直接定位到用于校准的、不带有涂层的基底材料上并且定位在设有层的基底材料上来进行。

在多种使用场合中，例如在汽车工业中的板上的漆层厚度测量中，例如，通常使用的基底材料确实是已知的，不过并不知晓其精确的磁导率。因此，如果待测量的材料的基底材料的磁导率偏离于用于校准的基底材料的磁导率，则这可能导致测量不准确。

另外，测量已经被涂覆的基底材料上的层厚度变得越来越被需要，对于这种情况，无法实现的是：在测量之前将测量探针直接放置在没有被涂覆的基底材料上并进行校准。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种方法和测量探针，所述方法和所述测量探针用于以磁感应的方式测量被涂覆的可磁化基底材料上的不可磁化层的层厚度，其中，所述可磁化基底材料的磁导率偏离用于校准的基底材料的磁导率或者是未知的，但没有导致层厚度测量中的测量误差。

该目的通过一种方法解决，该方法使用下述测量探针：所述测量探针具有第一线圈对和第二线圈对，第一线圈对具有第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈配属于罐形芯并沿共同的几何轴线布置，具有第一线圈和第二线圈的第二线圈对在罐形芯外配属于第一线圈对，其中，通过第一线圈对在场聚焦的情况下检测第一相互作用区块(volume)，并且通过第二线圈对在没有场聚焦的情况下检测第二相互作用区块，并且在分析评估装置中将第一相互作用区块和第二相互作用区块、特别是将第一、第二线圈对的第一测量信号和第二测量信号相互比较以补偿被涂覆的磁性基底材料的磁导率，并且输出对基底材料的磁导率影响予以校正后的层厚度。由于补偿了基底材料的磁导率，该方法能够实现高测量精度。此外，可以在在前并不精确知晓所使用的基底材料的情况下执行层厚度测量。特别地，提供了一种用于测量未知的可磁化基底材料上的不可磁化层的厚度的方法。被涂覆的基底材料的磁导率的影响也可以借助于例如相对于校准标准的偏离性合金组分或偏离性生产和加工过程来补偿，其中，在所述校准标准上已经执行了测量探针的校准。这使得测量对象的待查基底材料的磁导率相对于校准标准的偏差能够被消除。对于测量对象的待测量基底材料不再需要校准测量探针。

优选在分析评估装置中对测量过程期间所检测到的相互作用区块进行分析评估，并且根据公式确定经校正的层厚度。在此，参量d^mess是从内线圈对的第一、第二线圈的标准化计数率(countrate)测量的层厚度。参量是二维磁导率补偿函数，其从外线圈对和内线圈对的层厚度差得出，所述层厚度差作为罐形芯中的第一线圈对或内线圈对的标准化计数率的函数被检测用于预定的磁导率。特别地，不再需要获知磁导率。因此，可以通过磁导率补偿函数消除基底材料的实际磁导率的影响，以便输出正确的层厚度。

标准化计数率应理解为标准化电压的评估，其中，在此，u0是当探针直接放置在基底材料上且基底材料上不存在待测量的层时产生的电压。u∞是当测量探针被抬升时产生的电压，其中，间距如此大以至于测量探针不再受可磁化基底材料的影响。u是在等距的间隔下所产生的电压，就像在基底材料上具有待测量层所产生的电压一样。这使得标准化电压un总是位于数字0与1之间。

替代地，可以在分析评估装置中对测量过程期间检测到的相互作用区块进行分析评估，以实现：根据公式来确定经校正的层厚度。在此，参量d^mess是从内线圈对的标准化计数率所测量的层厚度。参量是二维磁导率补偿函数，其由外线圈对和内线圈对的标准化计数率之间的偏差(δ)得出，所述偏差(δ)作为第一个线圈对的标准化计数率的函数被检测用于基底材料的可变磁导率。在该替代实施例中，磁导率补偿因此可以基于层厚度偏差和标准化计数率的偏差来进行。特别地，不再需要获知磁导率。

分析评估装置中的测量程序的另一替代分析评估法提供了仅基于标准化计数率的偏差来进行。对测量过程中检测到的相互作用区块进行分析评估，并根据公式确定校正的层厚度。在此，参量根据公式确定。参量是内线圈对的第一线圈和第二线圈所测量的标准化计数率参量是针对外线圈对与内线圈对的标准化计数率偏差(δ)的二维磁导率补偿函数。利用校正后的计数率，可以直接从最初做出的制造校准计算经校正的层厚度。特别地，不再需要获知磁导率。

此外，优选地设置成，用于第一线圈对和第二线圈对的第一基础校准针对多个不同的磁导率进行校准。因此，可以通过基底材料的磁导率变化系统性地检测层厚度偏差并将检测到的层厚度偏差用于校准。所设定的内线圈对的层厚度偏差代表用于磁导率补偿的第一必要信息分量。用于补偿的第二必要信息分量代表第一线圈对和第二线圈对由于磁导率偏差而不同地错误地测量的层厚度之间的、用于层厚度补偿函数的层厚度差。通过耦合这两个信息分量可以消除磁导率对层厚度的影响。

有利地，第一线圈对和第二线圈对被相继控制和操作，以便检测待测量的基底材料中的相应的相互作用区块，即检测生成的电压。替代地，第一线圈对和第二线圈对也可以被同时操作。

本发明的目的还通过一种测量探针进一步实现，该测量探针用于测量可磁化基底材料上的不可磁化层的厚度，所述测量探针具有探头，所述探头接收具有第一线圈和第二线圈的罐形芯，第一线圈和第二线圈位于共同的几何轴线上并且形成第一线圈对，并且所述探头具有布置在共同的轴线上的支承帽和第二线圈对，第二线圈对关于几何轴线布置在罐形芯外并且具有第一线圈和第二线圈。由于这种测量装置，使得第一线圈对的场线具有聚焦的场进程，以使得在基底材料中产生聚焦的相互作用区块，特别产生于罐形芯的区域中，因此具有高的场密度。第二线圈对在没有场聚焦的情况下操作，以使得第二线圈对的相互作用区块还在探头外延伸地较远并由此包括明显更大的基底材料的相互作用区块。这使得可以通过第一线圈对和第二线圈对确定相互作用区块之间的差别，并且可以检测和补偿基底材料的变化的磁特性。

附图说明

下面借助于附图中示出的示例更详细地描述和解释本发明及其更多的有利实施例及改进。根据本发明，在说明书和附图中得到的特征可以单独应用或者以任意组合多个一起应用。附图示出：

图1是测量探针的第一实施例的示意性剖视图；

图2是根据图1的测量探针的根据本发明的探头的示意性放大图；

图3是用于展示层厚度进程的图表，其示出在基底材料的3种不同的磁导率下所述层厚度随探头的内线圈对的标准化计数率xn的变化趋势；

图4是用于展示图3中的磁导率μr1和μr3的所得的层厚度偏差δd的示意性图表；

图5是展示呈现层厚度进程的示意图，其示出基底材料的3种不同的磁导率下层厚度随内或外线圈对的标准化计数率xn的变化趋势以及磁导率μr1和μr3时所得的层厚度差δd^ia；并且

图6是用于展示针对根据图5的预定磁导率两个线圈对之间的层厚度差δd^ia随第一线圈对的标准化计数率变化的示意性图表。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了测量探针11的剖视图。原则上从de102005054593a1中已知该测量探针11的结构，该专利整体被本文引用。测量探针11用于非破坏性地测量测量对象20的基底材料52上的层51的厚度。该测量探针11经由至少一个连接线或控制线12连接到分析评估装置13，所述分析评估装置13处理检测到的测量信号并且还能够将这些测量信号输出给显示装置。测量探针11具有壳体14，壳体14例如形成为圆柱形。探头17沿不可磁化的壳体14的纵向轴线16布置，所述探头17由保持元件18支撑。该保持元件18形成为能弹性回弹的保持元件，特别是形成为膜或弹簧元件。探头17可以由引导元件23沿着纵向轴线16可移动地引导，以使得当将测量探针11放置在测量对象20上时探头17可以向壳体14略微缩回。探头17优选地通过引导元件23在固定到壳体上的支座24上以无倾斜的方式引导。探头17的电线25连接到线路12的附件27，所述附件27优选地也固定在支座24中。

探头17具有沿纵向轴线16布置并指向测量对象20的支承帽21。

探头17也可以引入测量探针11的另外的偏离性的结构设计中。

在图2中，描绘了根据图1的测量探针11的探头17的示意性放大视图。所述探头17包括罐形芯31。该罐形芯31优选由软铁材料制成。在罐形芯31中，芯33从罐形芯31的基部32延伸，芯33的自由端上定位有支承帽21。支承帽21可具有硬化销34。

第一和第二线圈36、37布置在罐形芯31中。第一和第二线圈36、37在共同的纵向轴线16上同轴对齐并形成第一线圈对38。第一线圈对38也被称作内线圈对。

此外，还有第一和第二线圈42、43设置在罐形芯31的径向围壁41之外。第一和第二线圈42、43彼此同轴地布置并且优选地关于纵向轴线16对齐。第一和第二线圈42、43形成第二线圈对44，第二线圈对也被称为外线圈对。

外线圈对44和罐形芯31被壳体14围绕。壳体14不影响外线圈对44的磁场。

线圈36、37、42、43包括至少一个电导体，所述电导体包括多个绕组并且被缠绕在线圈体上。

探头17靠置在涂覆的测量对象20上，其中，支承帽21用于实施测量。支承帽21接触可磁化基底材料52上的不可磁化层51。由第一线圈对38生成的功率场线由于罐形芯31而具有场聚焦效果，由此在基底材料52中产生优选为集中的第一相互作用区块46。第二线圈对44不经历对功率场线的任何场聚焦，由此在基底材料52中产生比第一相互作用区块46扩大的第二相互作用区块47。

为了进行层厚度的测量，第一线圈系统的第一线圈36例如用低频电流被周期性地通电。这种第一线圈36也被称为初级线圈。因此，在第二线圈37或次级线圈中感生出电压，该电压的大小取决于第一线圈36的通电电流的频率和幅度以及取决于基于第一线圈36和第二线圈37的相互作用区块的耦合。第一线圈36和第二线圈37的耦合继而取决于穿过这两个线圈36、37的磁流b。继而，磁流除了通电电流以外还受到线圈36、37的周围材料的磁阻的限定。如果测量探针11放置在可磁化基底材料52上，则磁场b与将探头17从基底材料52抬升的情况相比是增加的，这是因为：在场进程上，基底材料52承受明显低于空气的磁阻。这使得第一线圈36与第二线圈37的耦合因子增加，并因此使得感应电压增加。如果探头17与基底材料52之间的距离增加，则次级线圈中的感应电压降低。因此，可测量的感应电压取决于到基底材料52的距离，即取决于层51的层厚度，并且所述可测量的感应电压通过校准可以用于层厚度测量。这类似地适用于第二线圈对44。

由于第一线圈对38具有场聚焦性而第二线圈对44不具有场聚焦性，所以检测到基底材料52的多个相互作用区块46、47。所带来的在第一线圈对38和第二线圈对44上这些差别可以在针对测量基底材料52的可变的磁化特性进行时被检测到，并且可以用于补偿基底材料52的磁导率。层51的厚度可以通过实际获知涂覆有层51的基底材料52的磁导率来确定。这将在下面讨论：

图3示出了一个图表，在该图表中，绘制出层厚度d随着标准化测量信号xn变化的多种特性曲线55、56、57，其中，标准化测量信号xn取决于限定的基底材料。通过测量探针11基于一种限定的基底材料(例如μr3)的校准确定出特性曲线55，并且将特性曲线55以系数的形式存储在测量探针11或分析评估装置13中。如果从现在开始使用该测量探针11来测量具有偏离的磁导率的基底材料52，则特性曲线进程改变。例如，对于磁导率μr1，产生特性曲线56，并且对于磁导率μr2，产生特性曲线57。在此，μr1小于μr2，并且μr2小于μr3。如果在所校准的基底材料52上的目标层厚度dsoll等于70μm，则所得到的测量值例如为0.48。由于基底材料52的磁导率的变化，在磁导率为μr1的情况下，确定的测量值是0.56。然而，利用所使用的校准特性曲线55来计算厚度会得到假层厚度dmess，即得到层厚度为100μm。因此，所描述的层厚度偏差δd(μr)是由于基底材料的磁导率的变化而引起的。这可以在利用预定的多种磁导率的校准中系统性地确定和检测到。由此，在确定经校正的层厚度中用于补偿磁导率的第一必要信息分量被检测。

在图4中示出了一个图表，在该图表中，层厚度偏差δd作为标准化测量信号xn的函数被示出。针对图4中的磁导率μr1和μr2示出它们的层厚度偏差。因此，对于根据特性曲线55的原始校准，产生位于x轴上的线，而对于磁导率μr12，则产生特性曲线57，对于μr1，则产生特性曲线56。该图表示出了第一线圈对38的层厚度偏差。由该图表可以看出，对于磁导率μr1，值为0.56(根据图3)时具有28μm的层厚度偏差，并且在μr2的情况下，值为0.56时例如具有11μm的层厚度偏差。这将被校正。

如果现在分别考虑第一线圈对38和第二线圈对44，则产生不同的特性曲线进程，如根据图5的图表所示。第一线圈对或内线圈对38的特性曲线55、56和57相对于第二线圈对44或外线圈对的对应的特性曲线65、66和67偏离。从该图表可知，通过比较测量点，例如比较线圈对44的xn＝0.35和线圈对38的xn＝0.56，内、外线圈对38、44所确定的层厚度之间具有例如为38μm的差δd^ia(参见图6中的点68)。

为了从第一线圈对38和第二线圈对44的不同依赖性来确定磁导率，第一线圈对38与第二线圈对44之差δd^ia根据图6可以被视作是第一线圈对38的标准化计数率的函数。δd^ia相对于基底材料52的磁导率的依赖关系对应于用于补偿磁导率的第二必要信息分量，第二必要信息分量例如作为内线圈对38的标准化计数率xn的函数被描述为该函数可以根据μr求解并且可以插入到层厚度偏差的函数中。因此，可以去掉磁导率参数，并且想要获取的层厚度偏差δd仍然仅是可获取的参数δd^ia和的函数。由此，得出双参数磁导率补偿函数

由此，得到校正后的层厚度因此，校正后的层厚度是被磁导率影响修正后的层厚度，所述层厚度能够在不知晓测量基底材料52的精确磁导率或无需测量基底材料52的精确磁导率的情况下测得。

通过对测量信号的这种分析评估和检测，可以将针对预设的磁导率而被校准的测量探针11放置在具有未知层厚度和未知基底材料52的测量对象20上。分析评估装置13确定第一线圈对38和第二线圈对44的标准化计数率xn。由此，通过测量探针11的层厚度校准函数计算相应的假层厚度d1或da，并由此计算出层厚度差δd^ia的内部大小。然后，从二维磁导率补偿函数可以加上测量值所需的校正，从而补偿磁导率的影响。