导电涂层厚度脉冲涡流检测方法研究

雷冰 LEI Bing；杨爱民 YANG Ai-min

（①中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089；②西安石油大学，西安 710065）

0 引言

随着现代工业技术和新材料的不断发展，导电涂层已逐渐成为多种产品与应用中不可或缺的一部分，尤其在电子、航空航天及汽车工业中具有广泛应用。这些涂层不仅能够为产品提供电磁屏蔽，还能增强其抗腐蚀性和外观质感。然而，涂层的功能性往往与其厚度息息相关。因此，准确、快速地检测涂层的厚度对于确保产品质量和性能至关重要。传统的涂层厚度检测方法虽然得到了广泛应用，但在一些特定应用中，它们的准确性、效率和非破坏性都存在一定的局限性。为了克服这些挑战，涡流检测技术逐渐引起了研究者的关注，尤其是脉冲涡流检测方法。相比于其他方法，它能够提供更高的检测精度，且为非破坏性检测。本文旨在深入研究导电涂层厚度的脉冲涡流检测方法，探讨其原理、优势，期望为涂层厚度检测领域提供一种更为先进和可靠的技术方法。

1 基本理论

1.1 导电涂层的概述

导电涂层是一种特殊的表面处理技术，其目的是在非导电或低导电的基体材料上施加一个导电性能良好的薄层。这种涂层可以是金属、导电聚合物或其他带有导电粒子的材料。其核心功能是为基材提供一个可以导电的表面，从而满足特定的电气、电子或电磁应用需求导电涂层的应用广泛，其中最常见的包括电磁屏蔽、防静电、传感器技术和某些电子设备的表面处理。

例如，在电子设备中，导电涂层可以防止电磁干扰（EMI），保护设备免受外部电磁辐射的干扰。在航空航天领域，它们也常用于防止雷击造成的损害。导电涂层的性能很大程度上取决于其材料成分、制备工艺和涂层的厚度。不同的应用可能需要不同的导电性、柔韧性和耐磨性。为了满足这些特定需求，涂层的制备过程中可能会添加各种添加剂，如抗氧化剂、紫外线稳定剂和其他功能性填料。

1.2 涡流检测的基本原理

涡流检测是一种广泛应用于材料测试和检测领域的非破坏性检测技术。其核心原理基于法拉第的电磁感应定律，利用交变电流产生的变化磁场来诱导目标材料中的涡流。具体来说，当一个交变电流通过一个线圈时，它会在周围产生一个变化的磁场。当这个线圈靠近一个导电物体时，这个变化的磁场会在导电物体内部诱导出涡流。这些涡流与原始的磁场产生相互作用，导致线圈的阻抗发生变化。通过测量线圈的阻抗变化，可以获取关于被测试物体的一些信息，如其电导率、磁性、厚度以及内部的缺陷和裂纹。

例如在检测线圈上施加脉冲刺激信号时，其周围会迅速产生一个瞬时的源磁场。依据电磁学基本理论，当导体材料处于这种迅速变化的磁场中时，它会产生感应电流，称为电涡流。这些电涡流进一步产生自己的感应磁场，而此感应磁场内携带了导体材料的基本电磁属性以及任何存在的缺陷或不规则性的信息。为了获取这些信息，可以比较线圈在导体表面产生的响应信号与其在无负载条件下，即空气中的响应信号。通过分析这两者的差异，能够获取脉冲涡流信号。具体原理如图1 所示，涡流检测的主要优点包括：非破坏性、快速、适应性强，可以应用于各种形状和大小的材料，并且可以在线实时检测。

图1 脉冲涡流检测原理图

2 脉冲涡流检测解析模型及检测系统

2.1 脉冲涡流检测解析模型

在脉冲涡流检测中，重要的一步是理解如何从源脉冲电流推导出材料内的感应涡流响应。为此本研究构建了一个解析模型，该模型基于以下的核心方程式：

感应电涡流的强度：

其中：Ieddy为感应的涡流强度。为脉冲源电流的时间导数。脉冲源电流的时间导数为材料的固有电阻。

涡流响应与缺陷的关系：

其中：ΔIeddy为因材料缺陷引起的涡流变化。∂是与材料性质和脉冲源特性有关的常数。

D 是缺陷的深度。

上述公式提供了从脉冲源到感应涡流响应的直观映射，并使本研究能够量化材料缺陷的大小和位置。

2.2 检测系统的建立

2.2.1 脉冲源单元

使用高性能数字脉冲生成器，能产生宽频带的脉冲电流信号，范围从1kHz 到5MHz。该单元还具备自适应调制功能，可以根据测试样品的特性调整脉冲的形状和持续时间。

2.2.2 检测线圈与传感器头

包含一个中心发射线圈和一个环状接收线圈，这种设计有助于增强感应涡流的强度并减少外部噪声的干扰。传感器头还配备了一个微型化的温度传感器，确保在长时间连续工作时能够实时监控温度变化。

2.2.3 数据处理与分析单元

该单元采用先进的数字信号处理器（DSP），能够实时处理从检测线圈收集到的信号。内置算法可以自动识别出由材料缺陷引起的异常信号变化，并将其与预设的基线信号进行对比。

2.2.4 用户界面与显示

配备了一个触摸屏显示器，实时展示检测结果和潜在的缺陷位置。界面简洁友好，允许操作员轻松设置参数，如脉冲频率、脉冲持续时间等。

2.2.5 软件集成

内置的软件包括材料数据库、历史检测数据存储、3D缺陷可视化和自动报告生成功能。此外，系统还支持云同步，确保数据备份并允许远程分析。

3 实验测试

3.1 实验材料及样品准备

如表1 所示，这些样品代表了不同类型和厚度的导电涂层，将用于研究脉冲涡流检测方法在不同条件下的性能。以便全面研究脉冲涡流检测方法在不同材料条件下的性能和适用性。实验将通过对这些样品的检测和分析来评估脉冲涡流技术的有效性。每个样品的特性都在实验前进行了准确测量，并将在后续实验中使用。

3.2 实验方法与流程

3.2.1 实验方法

精确测量并记录每个导电涂层样品的厚度。样品包括样品A（聚合物基导电涂层，厚度0.5 毫米）、样品B（金属基导电涂层，厚度1 毫米）、样品C（复合材料基导电涂层，厚度0.2 毫米）以及样品D（含缺陷的金属基导电涂层，厚度0.8 毫米）。此外还使用已知导电涂层厚度的标准样品进行系统校准，以确保脉冲涡流检测系统的准确性。

使用脉冲涡流检测系统，具体实验装置为：

①高频脉冲发生器，能够产生1MHz 至10MHz 的脉冲信号。

②检测线圈：中心发射线圈和环状接收线圈，工作频率为2MHz。

③数据采集和分析软件，用于记录和分析检测数据。样品被放置在实验台上，确保与检测线圈之间的距离保持恒定。确定适当的脉冲频率和持续时间，以最大程度地增强对微小裂纹的检测灵敏度。

④标准样品台：此台用于稳定放置待测样品，以确保样品与检测线圈之间的距离和位置保持一致。

3.2.2 实验流程

将标准样品放置在标准样品台上，启动脉冲涡流检测系统，并根据标准样品的特性进行系统校准，以确保系统的准确性和可靠性。依次将样品A、样品B、样品C 和含缺陷的样品D 放置在标准样品台上，并在系统中输入每个样品的厚度信息。启动脉冲涡流检测系统，使其产生脉冲信号，并开始在每个样品表面进行扫描。检测系统将记录每个样品的涡流响应数据，包括信号幅度和相位，以捕捉涡流信号的变化。使用系统内置的分析软件，对涡流响应数据进行处理和分析，以评估导电涂层厚度对脉冲涡流检测性能的影响。

3.3 实验结果分析

在实验中对四种不同类型的涂层样品进行了详细的测试与分析，如表2 所示，样品A 代表了聚合物基导电涂层，其厚度为0.5 毫米。实验结果显示，脉冲涡流技术对于这种类型的涂层在信号强度上表现出较强的响应。这意味着该技术能够有效地检测较薄的聚合物基导电涂层，并对其厚度变化产生微小但可感知的信号相位变化。尽管样品A 的涡流信号相位变化微小，但它足够敏感，可以用于检测聚合物基导电涂层的薄度变化。样品B 代表了金属基导电涂层，其厚度为1.0 毫米。与样品A 相比，样品B 的信号强度非常强，这可能是由于其较大的厚度和高电导率所致。脉冲涡流技术在金属基导电涂层上的应用效果显著，能够产生非常强的涡流信号。但样品B 的涡流信号相位变化与其厚度变化不相关，因此在检测厚度变化方面的性能相对较差。样品C 代表了复合材料基导电涂层，其厚度为0.2 毫米。相对于金属基涂层，样品C 的信号强度较弱，这可能是由于其较低的电导率和较薄的涂层所致。脉冲涡流技术在这种类型的导电涂层上的应用效果相对有限，信号强度不足以产生明显的涡流响应。与其他样品相比，样品C 的信号相位变化微小，主要对薄度变化敏感。样品D代表了含缺陷的金属基导电涂层，其厚度为0.8 毫米。实验结果显示，脉冲涡流技术能够有效地检测含缺陷的涂层，产生强烈的涡流信号响应。对于这种样品，脉冲涡流技术不仅成功地定位了缺陷的位置，还能够估计缺陷的大小。这表明该技术在质量控制和涂层缺陷检测方面具有潜在应用价值。

表2 实验结果汇总表

综上所述，脉冲涡流技术在不同导电涂层样品上的应用效果取决于涂层类型、厚度和电导率等因素。对于聚合物基导电涂层和金属基导电涂层，该技术在检测涂层厚度和薄度变化方面表现出色。但对于复合材料基导电涂层，其效果相对较弱。在含缺陷的金属基导电涂层上，脉冲涡流技术展现出强大的检测能力。

4 结语

脉冲涡流技术在不同类型的导电涂层上表现出不同的性能。对于聚合物基和金属基导电涂层，该技术在涂层厚度和薄度变化检测方面表现出良好的精度。但对于复合材料基导电涂层，检测精度相对较低。在含缺陷的金属基导电涂层上，脉冲涡流技术表现出卓越的缺陷检测精度，能够成功地定位缺陷位置并估计其大小。脉冲涡流技术相对于传统的涂层厚度和缺陷检测方法具有多个优势，包括非接触性、高灵敏度、速度和多功能性。然而，它也受到涂层材料特性和设备成本等因素的限制。未来的研究可以致力于进一步改进脉冲涡流技术，以提高其在不同涂层类型和厚度下的检测精度和适用性。同时，与传统方法结合使用，充分利用各种检测方法的优势，以提高导电涂层的检测和质量控制效率。