一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法

技术领域

本发明属于吸波涂层厚度测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法。

背景技术

世界各大军事强国都在针对隐身和反隐身技术不断研发新的技术，试图在这场事关国防安全的竞争中取得先机。在隐身技术中，掌握先进的吸波材料涂层技术是掌握隐身技术的关键。吸波材料是指能吸收或者大幅度减弱投射到它表面的电磁波能量，从而减少电磁波干扰的一类材料。根据吸波机理的不同，可以分为电损耗型和磁损耗型。前者大多采用导电碳黑或者石墨，后者通常采用铁的混合物等，如铁氧体和羰基铁。本发明专利所针对的测厚对象就是磁损耗型材料，其材料具有一定的铁磁性，并且具备磁饱和这一特性。

根据磁损耗型吸波涂层的吸波机理，涂层材料的电磁参数、涂层的组成结构和涂层的厚度等决定了涂层的吸波性能。以单层结构均匀的吸波涂层来说，其电磁参数(ε

以单层结构均匀的涂层来说，根据基体材料的不同，可以分为磁性基体和非磁性基体。本专利所针对的测厚对象是非磁性基体磁性涂层材料。由于破坏法测厚会对战机表面造成不可逆转的损环，所以在实际的测厚场合都是采用非破坏法，也就是无损检测。常见的无损检测方法有磁性法、涡流法、双光束显微镜法等。磁性法是利用吸波涂层材料的磁性与探头内部的永磁体互相产生相互吸引，从而拉动探头内部的悬臂梁发生形变，通过悬臂梁上的压电应变片产生相应的形变输出一个与磁力相关的电压，从而获得涂层的厚度信息。由于悬臂梁自身受到重力的影响，测厚时，探头的摆放位置会对悬臂梁形变产生较大的影响，从而对测厚准确性造成较大影响。涡流法只能针对于基体的导电率远大于涂层的情况下进行使用，当基体和涂层材料导电率差距不大时，会对测厚准确性有较大的影响。

随着各种隧道磁电阻(TMR)效应、霍尔效应等物理现象的发现，各种磁传感器的应用越来越广。在无损检测领域出现了越来越多的利用磁传感器感知各种物理参数的仪器。对于所研究的磁损耗型吸波材料，其具有高饱和磁化强度和电导率，作为吸波材料时具有较大的磁损耗和介电损耗，因此对电磁波的吸收能力很强。

由于磁性吸波涂层较为独特的电磁特性，因此，可以考虑利用磁传感器来感知其厚度变化所带来的空间电磁特性的改变，从而对其厚度进行无损检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法，利用磁性涂层磁化后的二次场以及磁饱和效应来实时测量被测试件的厚度。

为实现上述发明目的，本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立测厚模型

(1.1)、在激励线圈中插入铁芯，在铁芯垂线方向，距离铁芯下端探头l处设置点a，用于放置磁传感器；当激励线圈上电后，通过磁传感器测量出点a处的磁感应强度，记为B

(1.2)、将插入铁芯的激励线圈放置在被测试件的正中央，铁芯下端探头距离被测试件表面的距离为D，当激励线圈上电后，激励线圈激发出的磁场对被测试件的涂层进行磁化，此时，磁性涂层自身会产生磁场，并与激励线圈激发出的磁场在点a处进行叠加，通过磁传感器测量出点a处的磁感应强度；

(1.3)、依次增大激励线圈中的电流，并重复步骤(1.1)、(1.2)的操作，当磁性图层达到磁饱和状态时，则磁性涂层自身产生的磁场不再增加，记录下此时的电流I

(2)、根据测厚模型，构建点a处的磁感应强度数学模型

(2.1)、根据涂层自身的的磁化曲线，通过多项式拟合得到涂层中的磁场强度M

其中，其中，w

(2.2)、计算激励线圈激发出的磁场在铁芯下端面轴线上的磁场强度M

其中，μ表示铁芯的磁导率，μ

(2.3)、将磁化饱和后的磁性涂层等效为一个半径为r、高度为h、磁场强度为

其中，D为铁芯下端探头距离被测试件表面的距离，h为涂层厚度；

(2.4)、构建点a处的磁感应强度数学模型；

(3)、计算涂层厚度h；

令

令

通过对公式(4)中的h进行求解，得到涂层厚度h；

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法，先根据激励线圈、铁芯、磁传感器和被测试件等搭建吸波涂层厚度测量模型，测量模型搭建完成后，依次增大激励线圈中的电流，当测量磁性图层达到磁饱和状态时，通过磁传感器测量出设置点处的磁感应强度，并记录下此时的电流，以及移除被测试件后设置点的磁感应强度，然后根据测量模型，构建设置点处的磁感应强度数学模型，最后反解磁感应强度数学模型得到涂层厚度。

同时，本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明通过建立磁饱和状态下涂层所激发出的磁场与被测试件的厚度关系，推导出了相应探头处的磁场强度与被测试件的厚度关系式，该方法能够非常有效、快捷、准确的得到测量处被测试件的厚度。

(2)、本发明利用了待测磁性材料磁饱和的特性，能够极大的提高测厚的准确性和精度，可以用于所有具有磁饱和特性的磁性涂层的测厚。

(3)、相比于其他的磁性涂层厚度测量方法，本发明提供的测厚方法操作更为简单，使用更为方便，测量结果准确性更高。

(4)、本发明探头结构较为简单，后续探头设计与制作简化了较大的工作量。

附图说明

图1是本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法流程图；

图2是本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度模型图；

图3是涂层厚度的仿真对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种通过磁饱和特性测量吸波涂层厚度的方法，包括以下步骤：

S1、如图2所示，建立测厚模型

S1.1、在激励线圈中插入铁芯，在铁芯垂线方向，距离铁芯下端探头l处设置点a，用于放置磁传感器；当激励线圈上电后，通过磁传感器测量出点a处的磁感应强度，记为B

S1.2、将插入铁芯的激励线圈放置在被测试件的正中央，铁芯下端探头距离被测试件表面的距离为D，当激励线圈上电后，激励线圈激发出的磁场对被测试件的涂层进行磁化，此时，磁性涂层自身会产生磁场，并与激励线圈激发出的磁场在点a处进行叠加，通过磁传感器测量出点a处的磁感应强度；在本实施例中，由于涂层自身磁化后的二次场相比于线圈所激发出的外加场对涂层磁化所起的作用非常小，这里只考虑线圈所激发出的外加磁场对涂层的磁化作用；

S1.3、依次增大激励线圈中的电流，并重复步骤S1.1、S1.2的操作，当磁性图层达到磁饱和状态时，磁性涂层自身产生的磁场不再增加，即B

S2、根据测厚模型，构建点a处的磁感应强度数学模型

S2.1、根据涂层自身的的磁化曲线，通过多项式拟合得到涂层中的磁场强度M

其中，其中，w

S2.2、计算激励线圈激发出的磁场在铁芯下端面轴线上探头处的磁场强度M

其中，μ表示铁芯的磁导率，μ

S2.3、磁化后的磁性涂层空间磁场非常复杂，由于待测磁性涂层的厚度在um级别，其厚度非常薄，且这里只讨论其轴线上的磁场分布，所以，可以将磁化饱和后的磁性涂层等效为一个半径为r、高度为h、磁场强度为

其中，D为铁芯下端探头距离被测试件表面的距离，h为涂层厚度；

S2.4、构建点a处的磁感应强度数学模型；

S3、计算涂层厚度h；

在本实施例中，对于B

为计算简便，先对公式(4)进行化简处理，具体如下：

令

令

通过对公式(4)中的h进行求解，得到涂层厚度h；

在本实施例中，在涂层厚度范围为0-1000um范围内，用上述方法计算得到理论值。并在有限元软件中，搭建相应的测厚模型进行仿真，得到仿真值，然后计算其相对误差，如表1所示。

表1

理论计算值与仿真值的曲线如图3所示，从图3可以看出，理论值与仿真值曲线两者变化趋势几乎一致，两曲线几乎重合。且两曲线光滑，具有良好的线性关系。从表一可以看出，利用理论值与仿真值之间的误差很小，都在可接受范围之内。因此本发明可以应用于实际的涂层测厚中，且准确性较高，操作较为方便。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。