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涂層，在我們的生產(chǎn)生活中是處處可見(jiàn)的，從大型設(shè)備的飛機(jī)、輪船、高鐵、汽車，到小小的各類零件、螺絲釘?shù)?，都離不開(kāi)涂層的存在。通常這類涂層也具有一定特殊功能，保證設(shè)備機(jī)械表面在條件惡劣的環(huán)境工作時(shí)仍然可以保持設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。除此以外，美觀功能也是重要的表現(xiàn)，比如涂層的紋理和光澤度。而這些涂層的功能，實(shí)際上或多或少都會(huì)收到涂層厚度的影響。因此，涂層的厚度在很大程度上影響著受涂產(chǎn)品的可靠性和使用價(jià)值。
多行業(yè)的涂層應(yīng)用
在生產(chǎn)過(guò)程中，各行各業(yè)對(duì)涂層的厚度都有嚴(yán)苛的質(zhì)量要求，需要評(píng)定有公差指標(biāo)或修復(fù)尺寸要求的涂件是否合規(guī)，另外也可以通過(guò)涂層厚度直接或間接評(píng)估涂層的耐腐蝕性、耐磨性、孔隙率等性能。
從生產(chǎn)和制造的角度來(lái)說(shuō)，需要精準(zhǔn)的測(cè)厚設(shè)備去測(cè)量各類涂層的厚度，其意義在于一方面可以保證生產(chǎn)質(zhì)量，給生產(chǎn)方和采購(gòu)方建立誠(chéng)信交易；另一方面，通過(guò)測(cè)厚的數(shù)據(jù)可以反饋到我們生產(chǎn)過(guò)程，從而控制材料和人力成本。因此，測(cè)厚設(shè)備對(duì)于應(yīng)用了涂層的相關(guān)行業(yè)而言，是具有十分重要的價(jià)值和意義的。
1.?傳統(tǒng)測(cè)厚手段
現(xiàn)階段的測(cè)厚方法種類繁多，各自適合的涂層材料種類與應(yīng)用場(chǎng)景都有所區(qū)別。通過(guò)對(duì)樣品造成損傷與否，可以簡(jiǎn)單將測(cè)厚方法分為破壞性方法和無(wú)損檢測(cè)方法。
測(cè)厚方法的分類
顧名思義，破壞性測(cè)厚方法會(huì)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品造成明顯損傷，影響后續(xù)的使用。最典型的便是金相切割樣品，將樣品的橫截面放置在高倍顯微鏡下觀察，即可得到被測(cè)樣品的涂層數(shù)值。這種方法可以很直觀地得到被測(cè)涂層的厚度，不需要儀器設(shè)備的校準(zhǔn)，很多時(shí)候作為其他測(cè)厚方法的絕對(duì)參考值。但是步驟繁瑣，切割的角度也會(huì)影響最終測(cè)量的精確性。因此，這種方法多用于實(shí)驗(yàn)室，或是生產(chǎn)的采樣檢測(cè)，并且檢測(cè)的樣品后續(xù)無(wú)法再保持功能，這導(dǎo)致了樣品的損耗和材料的浪費(fèi)，另外需要人工操作也導(dǎo)致了人力成本的增加。
破壞性測(cè)厚方法
無(wú)損檢測(cè)方法由于是以不損傷產(chǎn)品的性能為前提的檢測(cè)方法，通過(guò)工作方式的不同又可以分為接觸式和非接觸式。
（1）接觸式的測(cè)厚方法
接觸式測(cè)厚方法
超聲測(cè)厚：基于超聲波的穿透性，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。局限在于超聲波在遇到空氣時(shí)會(huì)急劇衰減掉，因此通常需要添加超聲耦合劑。
磁性測(cè)厚：基于磁吸力或磁感應(yīng)原理。磁吸力測(cè)厚基于永久磁鐵或磁軛（探頭）與鐵磁性材料基本之間的吸力大小與兩者之間的距離成一定比例，該距離可提取為涂層厚度。磁感應(yīng)原理則是基于利用探頭經(jīng)過(guò)非鐵磁性覆層進(jìn)入鐵磁性基體的磁通/磁阻大小來(lái)表征覆層厚度，通過(guò)測(cè)量磁通/磁阻變化可計(jì)算覆蓋層的厚度。磁性測(cè)厚可用于測(cè)量導(dǎo)磁基體上的非導(dǎo)磁涂層厚度，一般要求基體相對(duì)導(dǎo)磁率在500以上，比如鋼、鐵、銀、鎳。
渦流測(cè)厚：采用了電渦流原理，在測(cè)頭內(nèi)的線圈鐵芯通電后可以發(fā)生高頻磁場(chǎng)，經(jīng)過(guò)測(cè)頭與被測(cè)涂層的金屬基材接觸發(fā)生的渦流大小來(lái)反映測(cè)頭與基材之間的間隔大小，基于此原理可以找出渦流大小與間隔大小之間的比例關(guān)系，從而求出涂層厚度。該方法只適用于檢測(cè)導(dǎo)電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料。
接觸式的測(cè)量方法主要為手持式的便攜設(shè)備，大多需要人工操作，不適合流水線的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外部分方法只適合測(cè)量特定材料，對(duì)非金屬基底的涂層檢測(cè)比較困難。
（2）非接觸式的測(cè)厚方法：
非接觸測(cè)厚方法
激光測(cè)厚：基于激光的測(cè)距功能。在樣品上下表面放置距離為L(zhǎng)的激光頭，通過(guò)測(cè)量激光頭與樣品上下表面的具體A與B，即可通過(guò)計(jì)算得到厚度d=L-A-B。這種方法測(cè)量精度很高，但是對(duì)樣品的表面狀態(tài)有要求，另外得到的是材料的總厚度，對(duì)于基底+涂層的組合還需要額外減去基底厚度。
射線測(cè)厚：射線具有優(yōu)異的穿透性。主要基于射線穿透被測(cè)材料時(shí)，射線的強(qiáng)度的變化與材料的厚度相關(guān)的特性，從而得到材料總厚度。但是，其電離輻射很強(qiáng)，對(duì)操作人有傷害。
光學(xué)干涉測(cè)厚：發(fā)射一束白光至薄膜表面，通過(guò)檢測(cè)反射光的干涉條紋得到被測(cè)薄膜的厚度。這種方法主要適用于光學(xué)透明涂層。
非接觸式的方法相較而言，不需要接觸產(chǎn)品表面即可得到厚度結(jié)果，減少了接觸造成的損傷可能性，并且更有利于做自動(dòng)化集成實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，更適合工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景。
從行業(yè)情況來(lái)看，對(duì)于適配多種涂層、不同基底、不同表面狀態(tài)的涂層（比如濕膜、粗糙表面等）的非接觸式無(wú)損測(cè)厚技術(shù)是行業(yè)內(nèi)所需要的，除了現(xiàn)有技術(shù)以外，也需要不斷挖掘新的無(wú)損測(cè)厚技術(shù)。
3.?光熱紅外測(cè)厚原理：
光熱涂層測(cè)量法是一種基于熱波的非接觸和非破壞性的油漆涂層厚度測(cè)定，其測(cè)量原理被稱為光熱效應(yīng)。光熱效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有100多年的歷史了，它指的是材料可以吸收光輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱量的效果。
光熱紅外法是利用調(diào)制過(guò)的光源照射物體表面，材料吸收光輻射并轉(zhuǎn)化為熱量，光源激發(fā)的熱量通過(guò)熱波形式在涂層中向深處傳播，這一熱波在涂層與基材的邊界處反射并最終傳播出涂層以紅外熱輻射的形式被探測(cè)器接收。涂層越厚，該過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)。因此，利用紅外探測(cè)器探測(cè)紅外熱輻射（相移）的信號(hào)就可以獲得涂層的厚度信息。
光熱測(cè)厚的原理
光熱測(cè)厚的原理
這種方法由于表征涂層厚度（或其他參數(shù)）的不是信號(hào)幅度而是信號(hào)相位，即輻射熱波相對(duì)于激發(fā)光波的時(shí)間偏移，因此這種測(cè)量方式對(duì)測(cè)量距離或探測(cè)角度的變化不敏感。對(duì)于曲面、粗糙表面以及濕膜，光熱紅外測(cè)厚技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的厚度測(cè)量，而不受涂層表面狀態(tài)的影響。這也是光熱紅外測(cè)厚方法相較于其他測(cè)厚方法的最大優(yōu)勢(shì)，抗干擾能力強(qiáng)，不受震動(dòng)角度距離的影響，并且原理而言對(duì)基底材料的種類沒(méi)有限制，因此對(duì)于工業(yè)中傳送帶移動(dòng)的產(chǎn)品進(jìn)行涂層測(cè)厚是非常適合的，比如汽車行業(yè)的涂裝產(chǎn)線、卷材涂裝產(chǎn)線以橡膠行業(yè)等非金屬基底涂層檢測(cè)，光熱測(cè)厚技術(shù)都可以提供高精度和高穩(wěn)定的測(cè)量效果。
光熱測(cè)厚技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
需要注意的是，光熱測(cè)厚原理需要熱波在基材和涂層的分界面反射，從而被紅外探測(cè)器探測(cè)得到。那么如果基材和涂層是同一種類的相似材料，則通過(guò)光熱法是難以測(cè)量的。因此，如果是多層涂層測(cè)厚，光熱法最后得到的是涂層的總厚度。我們可以在涂布每一層涂層之間設(shè)置一個(gè)測(cè)厚站點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將所有站點(diǎn)的厚度結(jié)果匯總，通過(guò)簡(jiǎn)單的減法即可得到每一層涂層的厚度。
4.?太赫茲測(cè)厚技術(shù)：
隨著電磁波頻譜的開(kāi)發(fā)以及光學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)突破，處于微波與紅外之間的太赫茲波（0.1-10THz）被人們所發(fā)現(xiàn)，其優(yōu)異的穿透性特點(diǎn)在工業(yè)測(cè)厚方面具有極佳的應(yīng)用前景，適用的材料包括木材、紙張、陶瓷、塑料以及多種復(fù)合材料。并且無(wú)需接觸樣品表面，非接觸測(cè)量更易于工業(yè)自動(dòng)化集成，而其不具有電離輻射的特點(diǎn)對(duì)操作的人員提供了安全保障。
太赫茲波在電磁頻譜的位置
基于太赫茲波的穿透性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的測(cè)厚功能，具體原理如下：通常情況下被測(cè)樣品由多層材料組合而成。我們發(fā)出太赫茲波作用在樣品上，太赫茲波具有穿透性能夠到達(dá)每一個(gè)界面層，然后在每個(gè)界面產(chǎn)生相應(yīng)的反射信號(hào)，通過(guò)分析每個(gè)界面的反射太赫茲信號(hào)即可對(duì)被測(cè)材料的厚度實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
太赫茲時(shí)域光譜儀的結(jié)構(gòu)
THz-TDS的測(cè)厚原理
圖10 太赫茲時(shí)域光譜儀的結(jié)構(gòu)與TDS系統(tǒng)測(cè)厚原理
目前太赫茲測(cè)厚功能的實(shí)現(xiàn)主要基于太赫茲時(shí)域光譜儀，這種系統(tǒng)的相干檢測(cè)可以得到全面的光譜信息。利用太赫茲時(shí)域光譜儀設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行厚度的測(cè)量，系統(tǒng)最終測(cè)量的是探測(cè)器光電傳感模塊產(chǎn)生的平均光電流或平均光電壓，如圖10所示。展示的光電流是關(guān)于時(shí)間延遲的函數(shù)，反映了和樣品相互作用后太赫茲脈沖的衰減、延遲或變寬等現(xiàn)象。由于太赫茲波的穿透性，在樣品內(nèi)部不同界面有相應(yīng)的反射信號(hào)，在時(shí)域太赫茲光譜上則體現(xiàn)出不同延遲時(shí)間對(duì)應(yīng)的峰值，通過(guò)采集兩個(gè)峰值之間的延遲時(shí)間，即可計(jì)算出樣品的厚度：
太赫茲測(cè)厚公式
其中?，Δt為涂層上下表面反射的太赫茲波時(shí)間間隔，c是真空中的光速，n是涂層的折射率。
太赫茲測(cè)厚技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
太赫茲測(cè)厚技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于一次測(cè)量即可得到每一層涂層的厚度，并且相較于超聲技術(shù)，其不需要接觸樣品表面，非接觸式的檢測(cè)方式更有利于自動(dòng)化集成。測(cè)量過(guò)程快速精準(zhǔn)，目前虹科的太赫茲測(cè)厚方案能夠?qū)崿F(xiàn)最高5層的測(cè)厚，精度高達(dá)1um。該技術(shù)適用的基底材料包括金屬、塑料以及復(fù)合材料，因此在測(cè)厚行業(yè)太赫茲技術(shù)具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
5.?技術(shù)小結(jié)：
針對(duì)于涂層測(cè)厚功能的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的破壞性、接觸式以及非接觸式的成熟測(cè)厚技術(shù)雖然可以解決一定的測(cè)厚難題，但是仍然存在一些明顯缺陷，例如：過(guò)于依賴人工造成的測(cè)量成本增高，接觸性測(cè)量導(dǎo)致的樣品件大量損耗，破壞性測(cè)量導(dǎo)致的產(chǎn)量降低，不能測(cè)量多層涂層的厚度。
隨著工業(yè)發(fā)展，破壞性的測(cè)厚方法已經(jīng)不適應(yīng)生產(chǎn)需要。無(wú)損測(cè)厚方法中，接觸式的方式大多為手動(dòng)操作，可以做在線的測(cè)量，但是自動(dòng)化連續(xù)測(cè)量由于需要接觸樣品表面較難實(shí)現(xiàn)。因此，非接觸式的方法更適合工業(yè)的自動(dòng)化在線連續(xù)的厚度測(cè)量要求。當(dāng)然，這些方法各有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，詳情可見(jiàn)下表。
技術(shù)對(duì)比
光熱法是一種無(wú)損測(cè)量有機(jī)涂層厚度的技術(shù)，并且對(duì)測(cè)量角度與涂層表面狀態(tài)不敏感，對(duì)于曲面和粗糙表面都可以測(cè)量，也不需要保持絕對(duì)的垂直探測(cè)。但是并不能像超聲一樣直接實(shí)現(xiàn)多層涂層的檢測(cè)，可以通過(guò)在涂每一層涂層之間施加一個(gè)測(cè)量頭，最后同步得到所有測(cè)量頭的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，也可以得到每一層的涂層厚度。
太赫茲技術(shù)同樣是非接觸式的無(wú)損測(cè)厚方法，但是反射式的測(cè)量方式需要準(zhǔn)確的垂直定位以免信號(hào)損失，因此對(duì)測(cè)量的涂層表面有一定要求。最大的優(yōu)勢(shì)在于其穿透性，能夠在一次測(cè)量的條件下得到每一層涂層的厚度，相較于傳統(tǒng)多層測(cè)厚的超聲更有優(yōu)勢(shì)。
虹科提供基于以上兩種技術(shù)原理的工業(yè)測(cè)厚方案，針對(duì)汽車行業(yè)、汽車零部件行業(yè)、風(fēng)電及航空航天行業(yè)，以及卷材行業(yè)等涉及到涂層測(cè)厚的應(yīng)用場(chǎng)景，滿足行業(yè)內(nèi)工業(yè)測(cè)厚的高標(biāo)準(zhǔn)與安全要求。
審核編輯?黃昊宇
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