專利名稱：用于無接觸地確定由導(dǎo)電材料制成的層的厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由DE 19652750C2已知的確定由導(dǎo)電材料制成的層、尤其是鉻層的厚度的方法。所述方法基于感應(yīng)原理與渦流原理的組合。為了執(zhí)行測量方法，由線圈和線圈體組成的傳感器借助于一個彈簧頂壓要被測量的構(gòu)件的表面。多個測量和分析步驟確定層厚，在測量和分析步驟中線圈通流交流電并且分析其電感強度變化。在此產(chǎn)生的例如由構(gòu)件的材料特性變化或者由臟污或磨損引起的線圈與構(gòu)件之間的距離差引起的測量誤差可以通過導(dǎo)入一個標準值減小。由此也保證在所測得的電感強度值與相應(yīng)的層厚之間的明確的對應(yīng)關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的具有獨立權(quán)利要求特征的確定由導(dǎo)電材料制成的層的厚度的方法的優(yōu)點是，能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸地測量。由此提供一種對于測量對象舒適的、快速的方法。此外消除傳感器損傷和/或表面損傷的危險。
此外在目前的接觸測量中測量對象與要被檢查的層放置在一個彈性支承的線圈體上并且頂壓這個線圈體，用于保證測量對象與線圈體平面平行地接觸。在此導(dǎo)引到線圈的線圈-連接導(dǎo)線必然一起移動并因此在重復(fù)測量以后由于劇烈的磨損而折斷。對于按照本發(fā)明的無接觸測量避免線圈體的運動并由此避免線圈-連接導(dǎo)線的折斷。
對于無接觸測量原則上一個不允許的測量對象加工誤差可能是有問題的。由于不等于零的加工誤差可能使氣隙變化，即，可能使線圈體之間的并由此使線圈與測量對象的距離隨著測量變化。由此引起的測量結(jié)果錯誤通過按照本發(fā)明的方法在很大程度上減小，因此測量對象對于每個測量循環(huán)不必頂壓在線圈體上，用于避免距離變化。
在此本方法也具有比按照現(xiàn)有技術(shù)的方法更多的優(yōu)點。尤其在實心產(chǎn)品制成的涂覆部件中可以通過連續(xù)進行的測量方法檢驗。
通過在從屬權(quán)利要求和說明書中給出的措施能夠?qū)崿F(xiàn)在獨立權(quán)利要求中給出的方法的有利的改進方案。


在附圖中示出一個本發(fā)明的實施例并且在下面的描述中詳細解釋。
圖1示出測量裝置的一個示意結(jié)構(gòu)，在圖2中示出測量線圈在要被確定的層的厚度a上對于不同的距離和對于位于要被確定的層下面的材料的不同材料特性α以及β的電感L，在圖3中示出使用在圖2中的在測量線圈與測量對象之間不同距離的特性，圖4示出線圈電感與氣隙(線圈體-測量對象的距離)、層厚和所使用的頻率之間的關(guān)系，在圖5中示出線圈電感和特性參數(shù)與線圈體-測量對象距離的關(guān)系，圖6示出具有多個調(diào)整曲線的調(diào)整曲線束，其中每個調(diào)整曲線對應(yīng)于一個具體的、相互不同的距離d。
具體實施例方式
按照本發(fā)明的測量方法涉及所謂的感應(yīng)-渦流原理。由DE19652750C2已知一種用于執(zhí)行本方法的可能的裝置。在圖1中在結(jié)構(gòu)上示出為此所使用的傳感器10。在這個視圖中一個構(gòu)件17放置在線圈體13上，而對于按照本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸測量。所述傳感器10設(shè)置在一個基體12的空隙11里面并且由一個線圈體13組成，在線圈體上安置一個由交流電通流的線圈14。該線圈14例如可以是扁平線圈或環(huán)形線圈。所述線圈體13最好由不導(dǎo)電和不磁化的材料制成、例如塑料，并且?guī)缀鯚o摩擦地在空隙11中導(dǎo)引。要被檢測的構(gòu)件17設(shè)到一個導(dǎo)向體18里面，它使構(gòu)件17與線圈14相互間定位。借助于彈簧19使線圈體13并由此使線圈14頂壓構(gòu)件17的表面，這對于按照本發(fā)明的方法不是必需的。該表面具有要被確定的層20。對于構(gòu)件17例如可以是一個噴射閥的接管。如果通過線圈14流過交流電，則產(chǎn)生一個磁交變場，它不僅穿過鉻層而且穿過位于其下面的由鐵磁材料制成的材料層。在鉻層中只有渦流效應(yīng)有效，而在構(gòu)件17的鐵磁材料中感應(yīng)效應(yīng)和渦流效應(yīng)都有效。單獨地描述相應(yīng)的測量效應(yīng)，它們假設(shè)在其它相應(yīng)的部件不存在的情況下產(chǎn)生。如果線圈14通流交流電并且線圈14的磁交變場只檢測良好導(dǎo)電但是不磁化的材料，即，只由線圈14的磁交變場檢測鉻層，因此只有所獲得的渦流效應(yīng)起作用。由于在良好導(dǎo)電但是不磁化的材料中構(gòu)成的渦流產(chǎn)生線圈14電感的減小。
下面描述通流交流電的線圈14的磁場對于與線圈對置的鐵磁材料、即對于構(gòu)件17的材料的作用。通流交流電的線圈14的磁交變場作用于構(gòu)件17的材料。對此要指出，對于導(dǎo)電且磁化的材料不僅產(chǎn)生鐵磁作用而且產(chǎn)生渦流作用。在渦流效應(yīng)引起材料線圈14的電感減小期間，鐵磁效應(yīng)-在該文獻中也稱為感應(yīng)效應(yīng)-起到提高測量線圈14的電感的作用。兩種效應(yīng)的作用優(yōu)勢主要取決于通流線圈14的交流電頻率和構(gòu)件17的材料特性。如果將這兩種測量效應(yīng)傳遞到具有鉻層的構(gòu)件17，則能夠確定，鉻層越厚，形成的磁場越弱并因此使線圈14的電感越弱。在圖2中以α1表示相應(yīng)的測量曲線，它表示測量線圈14的電感隨著鉻層厚度a的增加的減小過程。
但是電感L的測量曲線的走向取決于構(gòu)件17的材料特性，即例如取決于材料的電阻、導(dǎo)磁率并取決于線圈體13或者說線圈14與要被測量的表面之間的距離。如果例如由于線圈體13臟污或磨損使測量線圈14與鉻層之間的距離變化，則得到電感L關(guān)于層厚a的走向的不同特性曲線。在圖2中示出不同的實施例。在此，特性曲線α1、α2、α3和α4表示在測量線圈14與要被檢測的鉻層之間距離不同但是構(gòu)件17的材料特性相同時電感L關(guān)于層厚a的走向。在圖3中表示在線圈14與要被檢測的鉻層之間的距離α的大小?？梢钥闯?，距離從α1至α4總是變大。特性曲線β1至β4表示對于構(gòu)件17的第二材料特性在測量線圈與要被檢測的鉻層之間的距離變化。由按照圖2的曲線圖可以看出，所測得的電感值L可以對應(yīng)于多個可能的層厚。代替電感也可以分析線圈14的交流電阻值。
由現(xiàn)有技術(shù)已知，由所獲得的電感值實現(xiàn)標準化，它提供一個明確的可對應(yīng)的測量值并且消除上述的測量誤差。為此總共進行三個測量分別進行具有測量對象的先測量和后測量和只對由導(dǎo)電材料制成的層的標準化的測量。不必對于每個樣本都進行用于標準化的測量。而是在原則上只在傳感器更換時進行用于標準化的測量并且必要時在時間上間隔式地補償測量裝置就足夠了。
按照本發(fā)明的方法也可能實現(xiàn)無接觸測量。在無接觸測量時的主要問題是線圈體13、也即相關(guān)的線圈14與測量對象之間距離的變化。在該文獻中線圈體13與測量對象之間的距離也簡稱為“距離”或“氣隙”。作為測量對象的構(gòu)件的不是零的加工誤差產(chǎn)生距離變化。在實踐中加工誤差例如對于噴射閥接管為0.2mm。如果使測量裝置的最小誤差置于0.1mm，則一個樣本的距離、即線圈體13與構(gòu)件17之間的氣隙可能在最接近0.1mm至0.3mm的范圍中變化。如果為了無接觸地確定層厚按照由現(xiàn)有技術(shù)已知的測量和分析步驟執(zhí)行本方法，則上述的距離變化對于有利的測量條件只略微使測量精度變差。但是為了標準化對于每次測量、包括前測量和后測量必需附加地進行測量。通過下面對于雙頻測量方法的描述要指出，盡管氣隙變化也能夠足夠準確地確定層厚，在此對于每個測量循環(huán)無需在傳感器上定位標準部件并且不必執(zhí)行用于標準化的測量。
如同由現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣，以多個測量和分析步驟實現(xiàn)按照本發(fā)明的用于確定層厚的方法。在構(gòu)件17涂覆前，在所謂的第一前測量中獲得線圈14的電感值L0，d，f1。在此對于電感值L0，d，f1的第一下標“0”表示層的厚度(0＝未涂覆)，第二下標“d”表示線圈體13與構(gòu)件17之間的距離的實際值(d還未確定)，最后第三下標“f1”表示第一交流電頻率f1，以該頻率加載線圈14(設(shè)定f1)。在測量期間線圈14對準還未涂覆的、面對線圈14的構(gòu)件17的表面(測量面)，其中在線圈體13與構(gòu)件17的表面之間產(chǎn)生一個距離d。該距離的準確值d在此時還未知并因此必需還要測得。只相對于未涂覆的構(gòu)件17的材料實現(xiàn)測量。加載在線圈14上的交流電頻率f1是一個高頻范圍中的頻率，一個適合的值例如是4MHz。電感值L0，d，f1的大小還取決于構(gòu)件17的特性、尤其是其磁和電的特性。構(gòu)件17的特性在批量加工時可能變化。因此在開始測量方法時對于每個單個的構(gòu)件17測得電感值L0，d，f1并且也可對應(yīng)地存儲在一個數(shù)據(jù)存儲器里面。
第一高頻前測量用于獲得一個標準值。現(xiàn)在對此與現(xiàn)有技術(shù)的方法不同附加地以第二交流電頻率f2進行第二前測量。第二交流電頻率f2是一個低頻范圍中的頻率，一個適合的值例如是5kHz。第一和第二前測量通過相同的裝置實際上同時進行，因為交流電頻率f1與交流電頻率f2的交替只以幾秒鐘實現(xiàn)。由此引起的電感值L0，d，f1用于獲得線圈體13與構(gòu)件17之間的距離d。
借助于圖4描述為了不同的目的由不同的頻率范圍選擇第二頻率。由圖4可以看出所測得的線圈14的電感L與線圈體13與測量對象之間的距離的關(guān)系、與層厚a和所使用的交流電頻率f的關(guān)系。曲線對1，2，3和4示出對于不同的距離值d＝0mm、0.1mm、0.2mm和0.3mm的電感值走向。對于每個距離值d進行沒有涂覆和具有a＝7μm鉻層的測量，其中在圖4中表示沒有涂覆的測量曲線在曲線上配有點或類似標記。線圈14的電感值在其它頻率范圍上對于四個不同的距離d分別對于未涂覆的和以7μm鉻涂覆的構(gòu)件17的曲線表示，在低頻范圍、例如30kHz一個距離變化引起一個大的測量偏移而在高頻范圍、例如3MHz一個層厚變化引起一個大的測量偏移。實施例性地標示出在距離d＝0mm時的由于層厚變化引起的測量偏移5和在距離d＝0.3mm時的測量偏移6。
為了易于更換傳感器有意義且有價值的是，使由第二前測量測得的電感值L0，d，f2不直接轉(zhuǎn)換成一個距離值，而是首先通過一個算法轉(zhuǎn)化成一個無量綱的特征值K。這個特征值K借助于一個已經(jīng)接收和存儲的距離特性曲線轉(zhuǎn)換成具體的距離值d。該特征值K通過等式1獲得K=A·L0,d,f2-L0,max,f2L0,min,f2+L0,max,f2,---(1)]]>其中L0，d，f2＝第二前測量的電感值；L0，min，f2＝對于在線圈體13與測量對象間的最小距離時的電感值；L0，max，f1＝對于在線圈體13與測量對象間的最大距離時的電感值；A＝恒定的系數(shù)。
對于在線圈體13與構(gòu)件17或通常一個測量對象之間的最小或者說最大距離d產(chǎn)生線圈14的兩個極限電感值L0，min，f2和L0，max，f2。例如最小距離為0.1mm，最大距離為0.3mm。在圖5中示出線圈14的電感L和由等式1求得的特征值K在距離d上的關(guān)系。如同由電感7或者說距離特性曲線8的走向看到的那樣，電感或者說特征值對于最小的距離是最大的并且隨著距離的增加持續(xù)減小。如果對于第二前測量距離d的數(shù)值為最大距離，則差值L0，d，f2-L0，max，f2自然消失并且特征值等于零。如果已經(jīng)采納過一次距離特性曲線，則它總是可以用于使特征值K轉(zhuǎn)換成距離d的數(shù)值。尤其是在更換傳感器10并由此更換線圈14時，如果在測量技術(shù)上重要的、幾何的線圈尺寸只在某種極限以內(nèi)不同，則無需采用新的距離特性曲線。如果是這種情況，則只進行用于獲得L0，max，f2和L0，min，f2的測量并且存儲數(shù)值。恒定的系數(shù)A可以是一個任意的正數(shù)，實際上A是10的倍數(shù)，例如100。
接著使構(gòu)件17在一個相應(yīng)的涂覆設(shè)備中涂覆鉻層。然后進行第三測量，即所謂的后測量，它在構(gòu)件17的與上述前測量相同的位置上進行。在此必需這樣實現(xiàn)測量裝置，使得距離d對于前測量和后測量相同大小。在此產(chǎn)生測量線圈14的電感值Lx，d，f1，其中第一下標“x”為要被確定的層厚a的數(shù)值，第二下標“d”為線圈體13與涂覆的構(gòu)件17之間的距離，第三下標“f1”為加載在線圈14上的交流電頻率f1。電感值Lx，d，f1的大小例如由鉻層的厚度并由構(gòu)件17的材料特性確定。在此保證，兩個所獲得的電感值L0，d，f1或者說Lx，d，f1分別明確地對應(yīng)于同一構(gòu)件17。
現(xiàn)在將這兩個電感值L0，d，f1和Lx，d，f1借助于一個算法轉(zhuǎn)換成一個標準值，即，轉(zhuǎn)換成一個無量綱的特征值，它可對應(yīng)于一個相應(yīng)的層厚a。這個標準值在這里稱為測量值Me。為了可以實現(xiàn)這個標準值的形成，必需獲得電感值L∞，AB，f1和L0，AB，f1或者說已經(jīng)測得并存儲這些值。如果在一個測量對象上僅僅進行相對于一個鉻層的測量，則得到電感值L∞，AB，f1，其中線圈體13與測量對象之間的距離d的數(shù)值為AB。在此測量對象的表面必需具有一個這樣厚的鉻層，它實際上屏蔽整個線圈14的磁場，由此在測量對象的鐵磁基本材料中既不可能產(chǎn)生感應(yīng)效應(yīng)也不可能產(chǎn)生渦流效應(yīng)。必要時對于測量對象在鉻層的位置上也可以使用另一導(dǎo)電的但是不磁化的材料作為替換。如果僅僅相對于由鐵磁材料制成的測量對象進行測量，則得到電感值L0，AB，f1，其中線圈體13與測量對象之間的距離d的數(shù)值為AB。對于兩個電感值L∞，AB，f1和L0，AB，f1使用高頻的交流電頻率f1。現(xiàn)在對應(yīng)于等式2求得標準值或測量值MeMe=B·Lx,d,f1-L0,d,f1L∞,AB,f1-L0,AB,f1,---(2)]]>
其中Lx，d，f1＝后測量的電感值；L0，d，f1＝第一前測量的電感值；L∞，AB，f1＝在只對由導(dǎo)電材料制成的測量對象測量時線圈14的電感值，其中線圈體13與測量對象之間的距離d的數(shù)值為AB；L0，AB，f1＝在只對由鐵磁材料制成的測量對象測量時線圈14的電感值，其中線圈體13與測量對象之間的距離d的數(shù)值為AB；B＝恒定的系數(shù)。
該恒定的系數(shù)B可以是一個任意的正數(shù)，實際上B是10的倍數(shù)，例如1000。作為線圈體13與測量對象之間的距離d的可能數(shù)值A(chǔ)B可以選擇線圈體13與測量對象之間的最小與最大距離的總和的一半數(shù)值。由實踐中得出的典型數(shù)值為AB＝0.2mm。通過這些具體的用于恒定系數(shù)B和AB的數(shù)值以及所測得的電感值按照上述的等式(2)與目前由現(xiàn)有技術(shù)已知的只具有一個調(diào)整曲線的測量方法相比獲得多個調(diào)整曲線，它們分別適用于具體的相互間不同的距離d。在此作為參數(shù)使用距離。例如十二個調(diào)整曲線的總體形成一個在圖6中示出的調(diào)整曲線束。每個單個的調(diào)整曲線代表一個確定的距離值并且對于這個距離值表示在標準值范圍上的層厚a的走向。在將測量值Me轉(zhuǎn)換成層厚值a時當然選擇那個調(diào)整曲線，其距離參數(shù)值具有與所求得的距離d的數(shù)值最小的偏差。在理想情況下最小偏差等于零。
這種測量方法可用于—與試件有關(guān)的—被測部件的電或磁性能足夠恒定的場合。建議檢驗這種恒定性。
在電感交流電層厚測量時，測量設(shè)備必須這樣設(shè)計，即在測量設(shè)備被接觸或由于電磁耦合發(fā)生變化時(注意接地問題)，測量信號不會由于電感或電容的耦合阻抗產(chǎn)生失真。是否形成相關(guān)的接觸測量誤差，取決于測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式和載波頻率。其趨勢為載波頻率越高，產(chǎn)生接觸誤差的危險越大(這個關(guān)系也適用于DE 19652750C2和其他專利文獻描述的測量方法，這些測量方法用相同物理基本原理工作)。
下面還要說明一點不但測量儀和傳感器的直接接觸會導(dǎo)致測量誤差，而且間接接觸也會出現(xiàn)這種情況。間接接觸的例子是從測量儀到傳感器的饋電電纜緊貼在一塊金屬板上或位于其附近。當接觸這塊金屬板時就會導(dǎo)致測量誤差，即使接觸部位離電纜位置相當遠。需要時必須用公知的方法防止這種測量誤差的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.無接觸地確定一個由導(dǎo)電材料制成的層(20)的厚度的方法，該層涂覆到由鐵磁材料制成的構(gòu)件(17)上，其中借助于至少一個通流交流電的且安置在一個線圈體(13)上的測量線圈(14)、通過分析測量線圈的電感變化運行下面的測量步驟- 在只對由鐵磁材料制成的構(gòu)件(17)作為測量對象測量時獲得線圈(14)的電感值L0，d，f1，其中線圈(14)以第一交流電頻率f1加載并且線圈體(13)與測量對象之間的距離為d[第一前測量，用于獲得標準值]；在只對由鐵磁材料制成的構(gòu)件(17)作為測量對象測量時獲得線圈(14)的電感值L0，d，f2，其中線圈(14)以第二交流電頻率f2加載并且線圈體(13)與測量對象之間的距離為d[第二前測量，用于獲得距離]；- 將所獲得的電感值L0，d，f2轉(zhuǎn)換成無量綱的特征值K[確定特征值]；- 將特征值K借助于距離特性曲線轉(zhuǎn)換成距離d的數(shù)值[確定距離]；- 在對要被確定的層(20)測量時獲得線圈(14)的電感值Lx，d，f1，其中線圈(14)以第一交流電頻率f1加載并且線圈體(13)與涂覆的構(gòu)件(17)之間的距離為d[后測量，用于獲得標準值]；-將所獲得的電感值L0，d，f1和Lx，d，f1轉(zhuǎn)換成無量綱的測量值Me[確定標準值]；-將測量值Me借助于一個調(diào)整曲線束在考慮所獲得的距離d的數(shù)值條件下轉(zhuǎn)換成一個層厚值a[確定層厚]。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，借助于等式(1)求得無量綱的特征值KK=A·L0,d,f2-L0,max,f2L0,min,f2+L0,max,f2,---(1)]]>其中L0，d，f2＝第二前測量的電感值；L0，min，f2＝對于在線圈體(13)與測量對象之間的最小距離時的電感值；L0，max，f1＝對于在線圈體(13)與測量對象之間的最大距離時的電感值；A＝恒定的系數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述系數(shù)A為100。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，借助于等式(2)求得無量綱的測量值MeMe=B·Lx,d,f1-L0,d,f1L∞,AB,f1-L0,AB,f1,---(2)]]>其中Lx，d，f1＝后測量的電感值；L0，d，f1＝第一前測量的電感值；L∞，AB，f1＝在只對由導(dǎo)電材料制成的測量對象測量時線圈(14)的電感值，其中線圈體(13)與測量對象之間的距離d的數(shù)值為AB；L0，AB，f1＝在只對由鐵磁材料制成的測量對象測量時線圈(14)的電感值，其中線圈體(13)與測量對象之間的距離d的數(shù)值為AB；B＝恒定的系數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述恒定的系數(shù)B為1000。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一交流電頻率f1是高頻范圍中的頻率，例如4MHz。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二交流電頻率f2是低頻范圍中的頻率，例如5kHz。
8.如權(quán)利要求4至7中任一項所述的方法，其特征在于，作為距離d的數(shù)值A(chǔ)B選擇線圈體(13)與測量對象之間的最小和最大距離的總和的一半數(shù)值。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，所述調(diào)整曲線束具有多個調(diào)整曲線，它們分別適用于具體的相互間不同的距離。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，由調(diào)整曲線束中選擇那個用于使測量值Me轉(zhuǎn)換成層厚值a的調(diào)整曲線，其距離參數(shù)值與所獲得的距離d具有最小的偏差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在構(gòu)件(17)的附近定位一個由一個線圈體(13)和一個線圈(14)組成的傳感器來無接觸地確定構(gòu)件(17)的由導(dǎo)電材料制成的一層(20)的厚度的方法，該方法基于感應(yīng)和渦流原理的組合。通過多個測量和分析步驟來確定層(20)的厚度，在這些步驟中，用一個第一交流電頻率f1和一個第二交流電頻率f2作用到線圈(14)上并分析該線圈的電感變化。在此，線圈體(13)、即線圈(14)與構(gòu)件(17)之間的距離可從作用有第二交流電頻率f2的線圈(14)的感應(yīng)值中導(dǎo)出。
文檔編號G01B7/06GK1985145SQ200580023733
公開日2007年6月20日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者H·哈赫特爾, S·邁爾 申請人:羅伯特·博世有限公司