專利名稱：導(dǎo)電材料層厚度的測定方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種測定導(dǎo)電材料層且尤其是鉻層的厚度的方法，例如象在隨后公開的DE-A-19652750.3中所述的那樣。在此測量方法中，其前提條件是，其上帶鍍覆層的原材料的質(zhì)量從生產(chǎn)角度來看比較恒定并且波動范圍小。但是，在大量生產(chǎn)中可能難于保持小波動范圍。因此，可能在測定層厚時(shí)出現(xiàn)測量不精確問題。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有獨(dú)立權(quán)利要求特征的本發(fā)明的導(dǎo)電材料層厚度測定方法具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即可以在原材料質(zhì)量波動大的情況下實(shí)現(xiàn)層厚測定?？梢酝ㄟ^預(yù)測盡可能消除由此出現(xiàn)的測量誤差。尤其是在大量生產(chǎn)中，由各供應(yīng)廠家生產(chǎn)的原材料具有不同的材料性能質(zhì)量并且具有與之相關(guān)的不同電學(xué)性能和磁性。可以比較簡單地消除原材料的材料特性波動。
可以通過從屬權(quán)利要求所述的措施有利地發(fā)展和改進(jìn)獨(dú)立權(quán)利要求所述的方法。
附圖在附圖中示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例，而且在以下的說明中詳細(xì)地描述了該實(shí)施例。其中

圖1示出了測量裝置的示意結(jié)構(gòu)；圖2示出了在間距不同而且位于待測層下面的材料具有不同材料特性α或β的情況下，測量線圈電感L與待測層厚度a之間關(guān)系的曲線；圖3示出了測量線圈與測量目標(biāo)之間在圖2中所使用的不同間距的關(guān)系；圖4示出了標(biāo)準(zhǔn)值Me與層厚a之間關(guān)系的曲線；圖5示出了方法框圖；圖6示出了標(biāo)準(zhǔn)值Me與層厚a之間關(guān)系的曲線；圖7示出了變型的方法的其它框圖；圖8示出了在測量方法中所用校準(zhǔn)體的變型；圖9示出了在測量方法中所用測量體的變型。
圖10示出了原材料品質(zhì)不同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值Me與層厚a之間關(guān)系的曲線；圖11還示出了與描述原材料基材質(zhì)量的特性值K有關(guān)的修正系數(shù)F曲線。
實(shí)施例說明以下，首先說明DE-A-19652750.3所述的測量方法，通過本發(fā)明的修正法改進(jìn)了該測量方法。此測量方法本身涉及所謂的“感應(yīng)-渦流測量法”。
在圖1中，從結(jié)構(gòu)上示出了為此使用的傳感器10。傳感器10被安置在原材料12的空腔11中并且它是由一個線圈架13構(gòu)成的，線圈架上裝有一個流過高頻交變電流、如4兆赫交變電流的線圈14。線圈14例如可以被制成扁平線圈或環(huán)形線圈。線圈架13最好由不導(dǎo)電非鐵磁材料、如塑料制成并且它幾乎無摩擦地在空腔11中移動。待測部件17安裝在一個確定部件17與線圈14相對位置的導(dǎo)向體18中。線圈架13并且進(jìn)而線圈14借助彈簧19被壓向部件17的表面20。表面20具有待測層。部件17例如可以是噴油閥的套管，在這種情況下，層20是鉻層。交變電流流過線圈14，從而產(chǎn)生了交變磁場，該磁場不僅滲透鉻層20，而且滲透了在鉻層下的部件17的鐵磁材料層。那么，在鉻層20中只有渦流效應(yīng)，而感應(yīng)-渦流效應(yīng)在基體17的鐵磁材料中起作用。以下將分別描述各測量效果，這些效果是在假定各其它部分不存在時(shí)產(chǎn)生的。如果交變電流流過線圈14并且線圈交變磁場僅控制導(dǎo)電性能良好的非鐵磁材料，即線圈交變磁場僅控制鉻層20，則只作用著所謂的渦流效應(yīng)。由于在導(dǎo)電性能良好的非鐵磁材料中形成了渦流，所以線圈14電感降低。
以下將描述由交變電流流過的線圈14產(chǎn)生的磁場對在其對面的鐵磁材料即基體17材料的作用。由交變電流流過的線圈產(chǎn)生的交變磁場控制了基體17材料。這意味著，在導(dǎo)電鐵磁材料中不僅作用著鐵磁效應(yīng)，而且有渦流效應(yīng)。渦流效應(yīng)造成測量線圈電感降低，而鐵磁效應(yīng)造成測量線圈電感升高。哪種效應(yīng)占上風(fēng)，主要取決于流經(jīng)線圈14的交變電流的頻率和基體17的材料性能。如果人們將這兩個測量效果套用到帶鉻層20的基體17上，則可以確定，鉻層20越厚，則磁場形成得越弱并進(jìn)而線圈14的電感越弱。在圖2中，用α1表示一條相應(yīng)的測量曲線，它示出了與鉻層20遞增厚度有關(guān)的測量線圈14電感遞減曲線。
但是，電感L測量曲線在層厚a上的分布與基體17的材料特性即例如電阻、材料導(dǎo)磁率和線圈14與應(yīng)測表面20之間的距離有關(guān)。例如，如果根據(jù)污染情況或根據(jù)線圈架磨損情況改變測量線圈14與鉻層20之間的距離，則產(chǎn)生了電感L在層厚a上的分布的不同特性線。在圖2中示出了各種例子。特性線α2、α3、α4在這里示出了電感L曲線在測量線圈與待測鉻層之間的距離不同但基體17的材料特性相同的情況下與層厚a之間關(guān)系的曲線。在這種情況下，在圖3中示出了線圈14與待測鉻層20之間的距離α的大小?？梢钥吹剑g距從α1到α4一直增大。相反地，如果人們改變基體17材料的材料特性，則產(chǎn)生了特性線β1-β4。另一方面，特性線β1-β4意味著在基體具有第二材料特性的情況下測量線圈與待測鉻層20之間的距離變化。從圖2的曲線中可以看到，可以為一個電感測量值L對應(yīng)許多種可能有的層厚。代替電感，也可以測算線圈的交變電流電阻值。
當(dāng)基體17的材料特性和/或測量線圈14與待測鉻層20表面之間的距離改變時(shí)，本發(fā)明的測量方法可以實(shí)現(xiàn)測量線圈14的電感測量值L與鉻層20厚度a之間的唯一對應(yīng)。本發(fā)明方法的核心是實(shí)行這樣的標(biāo)準(zhǔn)化，即它消除了出現(xiàn)的測量誤差并計(jì)算出可唯一對應(yīng)的測量值。
本發(fā)明的層厚測定方法是在許多個測量-計(jì)算步驟中實(shí)行的。在鍍覆基體17之前，在所謂的預(yù)測過程中測算出線圈14的電感值L0。在這種情況下，線圈14盡可能直接放置在基體17面向線圈的未鍍覆表面(測量面)上。因而，只進(jìn)行相對基體材料的測量。電感值L0的大小由基體17的特性決定并且它尤其是由其磁性和電學(xué)性能決定的?；w17的特性可能在成批生產(chǎn)中有所波動。因此，在開始測量前，針對每個基體17計(jì)算出電感值L0并可以對應(yīng)地將這些值存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。
接著，在相應(yīng)的鍍覆設(shè)備中給基體17鍍覆鉻層20。接著進(jìn)行第二次測量即進(jìn)行補(bǔ)測，補(bǔ)測是在與上述預(yù)測相同的基體位置上進(jìn)行的。因此，獲得了測量線圈14的電感值Lx。此外，電感值Lx的大小由鉻層20的厚度和基體17的材料性能決定。要確保這兩個電感測定值L0或Lx唯一地分別與同一基體17對應(yīng)?，F(xiàn)在，借助算法將這兩個電感值L0或Lx轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)值，即轉(zhuǎn)變成無量綱的特性值，該特性值可與一個相應(yīng)的層厚對應(yīng)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)值的建立，必須計(jì)算出電感值L∞。當(dāng)在校準(zhǔn)體上進(jìn)行僅相對于鉻層的測量時(shí)，獲得該電感值L∞。另外，校準(zhǔn)體表面必須具有這樣厚的鉻層，即它屏蔽了整個線圈磁場，從而感應(yīng)效應(yīng)和渦流效應(yīng)都不可能在校準(zhǔn)體的磁鐵原材料中起作用。如必要，在校準(zhǔn)體中，也可以代替鉻使用其它導(dǎo)電非鐵磁材料。根據(jù)等式(1)，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)值Me。系數(shù)1000可以在零到無窮之間任意變化。
(1)Me＝1000*(LX-L0)/(L∞-L0)Me＝測量值/標(biāo)準(zhǔn)值L0＝電感值(未鍍層基體)LX＝電感值(鍍層部分)L∞＝電感值(鉻校準(zhǔn)體)現(xiàn)在，在圖4中示出了根據(jù)等式(1)標(biāo)準(zhǔn)化的測量值Me與層厚a之間關(guān)系的曲線γ。圖2所示的各曲線得出了分別計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)值Me的一個幾乎重合的曲線γ?？梢钥吹剑c圖2相比，在圖4中層20厚度唯一地對應(yīng)了一個標(biāo)準(zhǔn)值Me。
目前為止，借助等式(1)幾乎消除了誤差，所述誤差是由測量線圈與待測層之間的大小不同的間距以及由基體17材料的不同電學(xué)性能或磁性而產(chǎn)生的。但是，也可以抑制在其它情況下由溫度波動產(chǎn)生的所謂偏置漂移對測量結(jié)果的影響。為此，要測知測量線圈的電感值，所述電感值是在測量線圈只針對空氣進(jìn)行測量時(shí)即在測量線圈對面沒有鉻層或任何部件的情況下得到的。以下，此測量值被稱為標(biāo)準(zhǔn)空氣值L1∞。它是直接在測量電感值L∞之前或之后(盡可能同時(shí)地)借助一個校準(zhǔn)體測得的。電感值L1∞是基值，它分別用于隨后的測量。在分別測量各基體17時(shí)，直接在上述所謂的預(yù)測之前或之后、即盡可能與測算線圈電感值L0同時(shí)地測算出電感值L10，該電感值L10是在測量線圈又只相對空氣進(jìn)行測量時(shí)產(chǎn)生的。隨后，例如在微型計(jì)算機(jī)中進(jìn)行減法ΔL0＝L10-L1∞。借助值ΔL0計(jì)算出電感修正值L0★＝L0-ΔL0。顧名思義，也在測量電感值LX時(shí)測算出修正測量值LX★。在這種情況下，從時(shí)間上馬上在上述所謂的補(bǔ)測之前或之后即直接在測算值LX之前或之后，測知線圈相對空氣的電感值L1X。在這里重新測量了線圈相對空氣的電感值，這是因?yàn)榭赡茉陬A(yù)測線圈相對空氣的電感值和補(bǔ)測線圈相對空氣的電感值之間存在時(shí)間差和溫度波動。在修正電感值L0或電感值LX時(shí)，可以長時(shí)間使用一次測得的所謂標(biāo)準(zhǔn)空氣值L1∞。如果表示僅相對鉻層而測得的電感值的電感值L∞只是間歇地測量并且它被長時(shí)間儲存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，則也足夠了。但是，如果為了如考慮測量線圈與測量目標(biāo)之間間距的緩慢和連續(xù)改變(如磨損)而重新測量電感值L∞，則同時(shí)要更新所謂的標(biāo)準(zhǔn)空氣值L1∞。為在建立標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)也考慮到由溫度波動引起的測量結(jié)果的偏置漂移，采用等式(2)(2)Me＝1000*[(LX-(L1X-L1∞))-(L0-(L10-L1∞))]/[L∞-(L0-(L10-L1∞))]在更換傳感器時(shí)，必須重新測量電感值L1∞和L∞。在預(yù)測和補(bǔ)測之間的交換之后，還必須在補(bǔ)測時(shí)使用舊基值L1∞。
在基體17的一些材料中，基體材料的電學(xué)值和磁性值在長期使用后明顯有變化。這些變化即漂移在各待測測量體中可能大小不同，因?yàn)槠瞥牧闲阅芡膺€與鍍鉻前的各自熱處理有關(guān)。因此，根據(jù)校正特性線記錄(見圖4)，如圖8所示地生產(chǎn)校準(zhǔn)體。校準(zhǔn)體30具有兩個端面31、32。測量面31在這里由未鍍層原材料構(gòu)成，而測量面32鍍覆了鉻層。但這兩個測量面31、32的形狀相同。鍍覆在測量面32上鉻層的厚度是已知的。即使當(dāng)原材料的電學(xué)性能和磁性取決于時(shí)效處理地有所變化時(shí)，在校準(zhǔn)中用校準(zhǔn)體30測算出的標(biāo)準(zhǔn)值也不變化或者無影響地變化。在這種情況下，前提條件是與整個校準(zhǔn)體有關(guān)的原材料電學(xué)性能和磁性變化是均勻的。
以下，再次根據(jù)圖5所示的圖表列出各測量-計(jì)算步驟。如簡述的那樣，按三個步驟實(shí)施測量方法，這三個步驟是標(biāo)準(zhǔn)值測量、所謂的預(yù)測和所謂的補(bǔ)測。在標(biāo)準(zhǔn)值測量步驟中，測知電感值L∞，它是僅相對于厚度被確定出的材料(或其代用品)而確定的，其中校準(zhǔn)體的厚度最好大于測量線圈交變磁場的滲透深度。接著，測算出電感值L1∞，它是盡可能在測知電感值L∞的時(shí)刻線圈相對空氣的電感值。
現(xiàn)在開始所謂的預(yù)測步驟3.測得線圈相對空氣的實(shí)際電感值L104.減法ΔL0＝L10-L1∞5.計(jì)算電感值L0即相對未鍍層基體的電感值6.根據(jù)減法L0★＝L0-ΔL0計(jì)算出修正值L0★接著是所謂的補(bǔ)測計(jì)算步驟7.計(jì)算線圈相對空氣的電感值L1X8.減法ΔLX＝L1X-L1∞9.計(jì)算電感值LX10.根據(jù)減法LX★＝LX-ΔLX計(jì)算出修正值LX★11.根據(jù)等式借助值L∞、LX★或L0★計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值12.借助校準(zhǔn)曲線將步驟11計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換成層厚在一個方法變型中，不再在各單個部件中單獨(dú)對此計(jì)算電感值L0，而是借助校準(zhǔn)體進(jìn)行測量并儲存所述電感值。但是，在裝置運(yùn)行期內(nèi)，不允許標(biāo)準(zhǔn)部件改變其電學(xué)性能和磁性。如上所述地計(jì)算出電感值L∞。以下說明圖7所示的測量步驟，其中為了簡化和條理清楚起見，不考慮溫度漂移修正。對該變型方法來說，必須對每種材料采用圖6中自己的轉(zhuǎn)換校準(zhǔn)曲線，它是用與步驟1所用相同的校準(zhǔn)元件測得的。
步驟11.測出電感值L∞并將它們存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)2.測出相對一個校準(zhǔn)元件的電感值L0并將它們存儲在數(shù)據(jù)庫內(nèi)步驟23.計(jì)算出在未鍍覆部件上的電感值L0
4.在層厚為零的情況下，借助等式(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值Me5.選擇與材料有關(guān)的圖6所示的轉(zhuǎn)換校準(zhǔn)曲線步驟36.計(jì)算出在鍍層部件上的電感值LX7.借助等式(1)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)值8.借助所選的校準(zhǔn)曲線將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)換為層厚值要注意的是，在此方法中，與現(xiàn)有技術(shù)所用渦流方法或感應(yīng)方法相比，測量線圈由高頻交變電流如4兆赫的交變電流流過。在此，產(chǎn)生了更小的線圈電感。不需要線圈鐵心，從而可以采用可變的且價(jià)格合適的結(jié)構(gòu)。
由于使用了所謂的乘法器，所以可以在很短時(shí)間內(nèi)測量許多測量件。在此，同時(shí)為這些待測測量面配備了許多個測量線圈。由一個測量橋借助乘法器短時(shí)間相繼探測測量面。即使當(dāng)利用上述高測量頻率如4兆赫頻率測算電感值時(shí)，這也是可行的。
在圖9中示出了圖1所示結(jié)構(gòu)布局的其它設(shè)計(jì)方案。該方法所述的電感值L0的測定(相對于未鍍層部分的線圈測量)可以用一個獨(dú)立的第二測量線圈40進(jìn)行。為此，必須在鍍鉻后，即在將待測其層厚的涂層涂覆在待檢部件表面上之后，還有一個未鍍層區(qū)。在圖9所示的部件41中，線圈架42的凸肩44突入部件41的孔43中。孔43的壁在這種情況下未被待測鉻層覆蓋住?，F(xiàn)在，可以借助線圈40測算出基體的電學(xué)性能和磁性，與此同時(shí)，可以借助測量線圈14對待測鉻層進(jìn)行測量。借助該傳感器，只必須將部件定位在傳感器上一次，從而縮短了周期。
在迄今為止描述的測量方法中，其出發(fā)點(diǎn)是原材料質(zhì)量波動很小。這尤其適用于圖2和圖4。但是，如果在大量生產(chǎn)中原材料是由例如不同的生產(chǎn)廠家提供的，則可能出現(xiàn)波動大的質(zhì)量差別。這種波動例如可能是由不同的原材料退火方法引起的，而這決定了原材料磁導(dǎo)率的變化。因此，這些更大的波動致使原材料的電學(xué)性能和磁性變化。因而，在層厚相同時(shí)也會產(chǎn)生不同的測量信號?，F(xiàn)在，借助隨后描述的修正方法盡可能地消除原材料的材料特性波動對測量信號的影響。在圖4中，人們目前所依據(jù)的是在相差不大的原材料的情況下的近似重合的測量曲線。由上述相差較大的原材料質(zhì)量決定地，產(chǎn)生了圖10所示的不同曲線，這些曲線示出了Me與a之間的關(guān)系。所有曲線的初始點(diǎn)與終點(diǎn)都重合。為消除誤差，必須首先計(jì)算出表示原材料質(zhì)量的特性值K，因而確定出與原材料質(zhì)量有關(guān)的結(jié)論。為此，上述預(yù)測利用了傳感器線圈的電感值L0。該值L0隨后通過一個算法被轉(zhuǎn)變成無量綱的特性值K。特性值K的大小決定了由此推算出的修正系數(shù)F的值，可以利用所述修正系數(shù)修正涂層厚度的測量信號。當(dāng)然，必須針對各個測量目標(biāo)測算出L0值?，F(xiàn)在，根據(jù)以下關(guān)系式計(jì)算特性值KK＝e·(LSA-L0)/(L★∞-LSA)e是用于獲得直觀特性數(shù)值的數(shù)字系數(shù)(如100)。它也可能是1。
另外，LSA是相對空氣測得的傳感器線圈的電感值；L0是傳感器線圈的電感值，其中線圈被定位在原材料的未鍍層的測量面上；L★∞是傳感器線圈的電感值，其中線圈被定位在鍍鉻測量面上，即例如鉻層層厚比線圈交變磁場的滲透深度厚許多，這意味著線圈僅對該層材料進(jìn)行測量。
特性值K盡可能與測量線圈的測量靈敏度無關(guān)地最廣義地掌握原材料的磁性和電學(xué)性能。由于這些性能如從上述計(jì)算測量值的實(shí)施例可看出的那樣影響測量信號的強(qiáng)度，所以可以考慮將特性值K用于修正層厚的被測算的測量值。
特性值K現(xiàn)在必須被轉(zhuǎn)變成一個修正系數(shù)F以便消除層厚測量值的測量誤差。修正系數(shù)F例如借助圖11所示的校正特性線計(jì)算出來。在圖11的曲線中，修正系數(shù)F與特性值K之間假定是直線關(guān)系，它對應(yīng)于以下等式FX＝b·KX+c在此等式中，b為校正特性線斜率；c為曲線初始值。
現(xiàn)在如此確定該校正特性線，即相同地鍍覆具有不同特性值K的測量目標(biāo)，例如鍍覆上待測部分的額定層厚。這些層厚首先用上述方法進(jìn)行測量并用其它方法如顯微照相法進(jìn)行鑒定。通過關(guān)系式F＝DM/DW可以為各測量目標(biāo)的特性值K計(jì)算出各自的修正系數(shù)F。
在這里，DW指真實(shí)層厚，如在顯微照相法中測得的層厚，DM指借助上述測量方法確定的層厚。
為各測量目標(biāo)確定出的特性值K和修正系數(shù)F被記錄入如圖11所示的曲線中。由此獲得的曲線分布也與測量目標(biāo)的基材有關(guān)。該曲線可以是近似直線的。在這種情況下，可以求出上述等式FX＝b·KX+c的系數(shù)b和c，從而可以簡單地實(shí)現(xiàn)將特性值轉(zhuǎn)變?yōu)樾拚禂?shù)。如果不能假定是直線關(guān)系，則必須借助寄存在表格中的值將特性值轉(zhuǎn)變?yōu)樾拚禂?shù)。
當(dāng)上述額定層厚盡可能等于隨后待測和待修正的層厚時(shí)，獲得最大的修正精度。
在求得圖11所示的校正特性線后，可以為每個特性值K對應(yīng)一個修正系數(shù)F。因而，由各層厚測定值DM還可以借助修正系數(shù)F并根據(jù)關(guān)系式DW＝DM/F計(jì)算出實(shí)際層厚DW。
權(quán)利要求
1.一種在確定導(dǎo)電材料層(20)的厚度時(shí)消除測量誤差的方法，該材料層(20)鍍覆在鐵磁材料體(17)上，借助至少一個由交變電流流過的測量線圈(14)利用其電感變化來進(jìn)行這種測定，其中，借助以下等式計(jì)算出一個無量綱的特性值(K)K＝e·(LSA-L0)/(L∞-LSA)其中，該特性值(K)借助一條校正特性線被轉(zhuǎn)換成修正系數(shù)(F)，并且借助以下等式將厚度測量值(DM)轉(zhuǎn)換成實(shí)際厚度值(DW)DW＝DM/F
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，校正特性線近似于直線伸展。
全文摘要
在導(dǎo)電材料層厚度的測定方法中,取決于原材料不同品質(zhì)的測量誤差被消除。在此,為每種原材料求出一個無量綱的特性值K。借助一個校正特性線,可以為每個特性值K對應(yīng)一個修正系數(shù)F,利用該修正系數(shù)可以將層厚測量值D
文檔編號G01N27/72GK1266483SQ99800686
公開日2000年9月13日 申請日期1999年3月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月8日
發(fā)明者克勞斯·多布勒, 漢斯約里·哈赫特勒爾, 賴因哈德·迪姆克, 弗朗茨·奧夫·德海德, 里夏德·布拉特爾特, 約瑟夫·韋伯 申請人:羅伯特·博施有限公司