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ISO 2178:2016 磁性基质上的非磁性镀层 镀层厚度的测量 磁性法.docx

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ISO 2178:2016 磁性基质上的非磁性镀层 镀层厚度的测量 磁性法.docx
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ISO2178-2016磁性基体上的非磁性图层—涂层厚度测量—磁性法1 范围本国际标准规定了一种在磁性基体上测量非磁性涂层厚度的方法。这种测量方法接触涂层而不破坏涂层。测量时,将探头或具有集成探头的仪器直接放置在待测量的涂层上。涂层厚度显示在仪器上。在该国际标准中,术语“涂层”可以是以下材料,诸如:涂料和清漆,电镀涂层,搪瓷涂层,塑料涂层,粉末涂层,包覆层材料等。注:该方法也可以应用于非磁性基体或其他材料上的磁性涂层的测量。(见ISO 2361)。2 规范性引用文件以下文件,在本文中被全部或部分地引用。对于注明了日期的引用文件,仅对引用的版本适用。而对于未注明日期的引用文件,引用文件的最新版本(包括任何修订)也适用。ISO 2064ISO 4618ISO 5725-1:1994ISO/IEC Guide 98-3 3 术语和定义本文件中的术语引用于 ISO 2064和ISO 4618中给出的术语和定义。3.1 测量系统的调整在测量系统上进行的一组操作,使得其对被测量的定值进行准确指定。注1:测量系统的调整可以包括零点调整,偏移调整和量程调整(有时称为增益调整)。注2:测量系统的调整不应与校准相混淆,校准是调整的先决条件。注3:在调整测量系统后,通常应重新校准测量系统。注4:术语“调整”通常被错误地使用为“校准”。同样,“校准”也经常被错误使用成“验证”和“检查”。3.2 校准一组操作,其第一步是在规定条件下确定由测量标准提供的量值与相应示值之间的关系,这里测量标准提供的量值与相应示值都具有测量不确定度;第二步,则是用此信息确定从示值与所获得ISO2178-2016测量结果的关系。注1:校准可以用综述、校准函数、校准图、校准曲线或校准表格的形式表示。某些情况下,它可以包括对具有测量不确定度的示值的修正,加修正值或乘修正因子。注2:校准不应与测量系统的调整以及常错误称作的“自校准“相混淆,也不要与检定相混淆。注3:通常,只是把上述定义中的第一步认为是校准。4 测量原理4.1 磁测量法的基本原理测量永磁体或电磁体和基体金属之间的磁引力,该磁引力受覆盖涂层的影响。4.2 磁拉脱测力法永磁体的磁引力以及永磁体和可磁化基体金属之间的吸引力随着距离的增加而减小。可以用这种方法对有磁性基体上的涂层厚度进行直接测量。使用磁拉脱测力法的仪器至少包括三个单元:- 永磁铁;- 具有连续增加拉脱力的拉脱装置;- 用于涂层厚度的显示器或刻度,其由拉脱力计算。拉脱力可以由不同类型的弹簧或电磁装置产生。一些仪器可以修正重力产生的影响,并允许在所有的位置进行测量。而一些仪器只能在仪器供应商指定的位置进行测量。测量位置应清洁、无液体或糊状涂层。永磁体表面应无颗粒物的影响。静电可能对永磁体或测量系统施加额外的力,因此在测量之前要避免或消除。图1 磁性拉脱量规标注:1——基体金属; 2——涂层; 3——磁铁;4——规盘;5——弹簧。4.3 磁感原理当铁芯或铁状物品,比如铁板插入或接近线圈时,感应电动势会发生变化。因此,将线圈放置ISO2178-2016在涂覆的可磁化的金属基体上,那么感应电动势可以用作线圈和铁磁性基体之间的距离的测量或者作为涂层厚度的量度。还有许多不同的电子方法可以用来测量线圈对铁磁性基体造成的感应电动势的变化。用来测量可磁化材料上涂层厚度的磁感应探头可以包括一个或多个线圈。通常使用两个线圈(参见图2):第一(初级线圈)产生低频交变磁场,第二(次级线圈)测量产生的感应电压U。若将探头放在可磁化基体(μr> 1)的涂层上面,磁引力和次级线圈的感应电压会随着涂层厚度的变化而进行一种函数关系的变化。这种函数关系是非线性的,取决于基体的磁导率μr。它通常由校准确定。测量涂层厚度的校准曲线可以存储在测量仪器中。目前使用有多种类型的探头,它们有不同的设计和形状。而将两个线圈和高磁化芯一起使用的这种探头比较普遍,因为这样可以增加探头的灵敏度,减小涂层表面不规则形状的影响,更有助于厚度的测量。另外,双极探头在市场上也有较广阔的应用。双极探头具有测量面大的特性,而单极探头只能测一点。通常,测量产生的电磁频率在千赫兹范围以内,这样,如果涂层是导电的,就可避免产生涡流。因此,导电和非导电涂层都可以通过该原理测量。图2 磁感应原理示意图注:1——铁芯的探头; 2——低频交变磁场; 3——钢/铁基材;4——涂层。I~ ——感应电流; t——涂层厚度; U=f(t)——测量信号ISO2178-2016图3 - 双极探头示意图注:1——铁芯的探头;2—— 线圈系统;3——探头尖;4——涂层;5——基体金属4.4 磁通量规靠近磁体的磁引力取决于磁场中物质的磁性。当不可磁化物质相对于可磁化物质的量增大时,磁引力降低。这种情况被用在磁通量规中(见图4)。涂层(4)是不可磁化的基体金属(3)是可磁化的。磁体(1)产生磁场。 它的磁场线穿过涂层和基体金属。 靠近磁体放置的磁通量检测器(5)输出测量涂层厚度的电信号。注1:磁通量检测器是霍尔传感器或磁阻传感器。注2:磁体可以是永磁体或电磁体。ISO2178-2016图4 使用霍尔探头的磁通计注:1——永磁体;2——静磁场;3——基体金属;4——涂层;5——作为磁通检测器的霍尔元件U——输出电压;a——测量信号磁通量检测器的电信号通过电子装置进一步处理。 磁通量检测器输出的和涂层厚度之间的函数关系是非线性的,取决于基体金属的磁导率μr。 它通常由校准确定。测量涂层厚度的校准曲线可以存储在仪表中。5 影响测量精度的因素5.1 涂层厚度的影响探头的灵敏度在探头的测量范围内随着涂层厚度的增加而减小。在测量范围的下限,该测量不确定度是恒定的,与涂层厚度无关。这种不确定度的大小取决于探头系统和样品所有材料的性质,比如基体金属的渗透性,基体金属的粗糙度和样品表面粗糙度的均匀性。在测量范围的上限,不确定度相对于厚度的变化而变化,等于某一近似恒定的分数与厚度的乘积。5.2 基体金属的磁性ISO2178-2016基体金属的磁性能影响厚度的测量。涂层厚度和测量值之间的关系取决于基体金属的磁导率。因此,校准和测量应在同一材料上进行。不同渗透性的材料,会因为局部结构的不同,或多或少对厚度测量产生误差。基体的残余磁性也会影响测量精度,特别是静态磁场(参见4.2的磁拉脱力或4.4的磁通量计)。若使用具有静态磁场的测量方法(参见4.2的磁拉脱力或4.4的磁通量计),在相同位置进行重复测量,会磁化基体金属,这会导致厚度读数出现误差。注:钢的初始磁导率在100至300的范围内。5.3 涂层的导电性能探头在涡流的交变磁场中测量涂层厚度可能会受到影响(见磁感应原理4.3,磁通量规4.4)。这些感应涡流会抵消磁力方法的测量效果。感应涡流的电流密度会随着电导率和频率的增加而增加。注:通常,应用方法4.3或4.4的测量仪器在低于1 kHz的频率范围内工作。因此,影响测量结果的感应涡流仅对高导电性基体(例如:铜)上的厚涂层(厚度大于1mm)有效。5.4 基体金属的厚度如果基体金属的厚度太小,会减弱磁场与基体金属的相互作用。 这种影响只能在大于基体临界厚度上才能忽略。因此,基体金属的厚度应该总是高于该基体金属的最小临界厚度。仪器的调整可以修正过低的基体金属厚度引起的误差。然而,基体金属厚度的任何变化都会导致不确定度和误差的增大。临界厚度取决于仪器探头和基体金属的性质,除非制造商有所规定,临界厚度的大小,应通过试验确定。注:C.2中注明了测量基体金属最小临界厚度的方法。5.5 边缘效应磁场的敏感度受到基体金属表面形状的影响,因此,太靠近边缘或拐角的测量不可靠的,除非仪器已专门针对这种测量进行了校准。为了避免边缘效应的影响,边缘的必要距离取决于仪器本身。注:C.3中描述了估计边缘效应的简单方法。5.6 表面曲率磁场的传播受基体金属表面曲率的影响。 随着曲率半径减小和涂层厚度减小,这种影响变得更加明显。为了使这种影响最小化,应当在具有相同表面状况的基体金属上进行调整。表面曲率的影响显着取决于探头的形状,并可以通过减小探头的感应面积来减小。 具有非常小的感应面积的探头通常被称为微探头。在具有太小曲率半径的零件上进行测量,结果可能不可靠,即使在校准之后。 应该考虑由此产生的不确定度,以确定这种测量是否可以接受。ISO2178-2016注:C.4中描述了评定表面曲率影响的简单实验。5.7 表面粗糙度测量结果受基体金属和涂层的表面状况的影响。粗糙的表面可能导致系统误差和随机误差。可以通过进行多次测量来减少随机误差,每个测量应在不同的位置进行,然后计算该系列测量的平均值。为了减小粗糙度的影响,应使用具有与涂覆样品的基体金属相同的粗糙度的未涂覆的基体金属进行校准。如有必要,应在供应商和客户之间说明所用平均涂层厚度的定义。注:ISO 19840描述了油漆和清漆在具有粗糙表面的钢上的测量程序。5.8 清洁度:剥离效果如果探头没有直接放置在涂层上,探头和涂层之间的间隙(剥离)将会作为涂层的附加厚度,因此会影响测量结果。若探头和涂层之间存在微小颗粒物,无意中就产生了间隙,所以应经常检查探头的清洁度。5.9 探头压力探头施加在试样上的压力会影响仪器读数,因此在仪器调整和测量期间应始终相同。在软涂层上,探头压力的影响更加明显,因为探头尖端可以伸进涂层中。因此,探头压力应尽量小。大多数市售仪器装备有弹簧加载探头,这确保探头施加的压力恒定。如果探头没有弹簧加载,应使用合适的辅助装置。注1:通过减小施加力或使用探头尖端直径较大的探头,可以减小接触压力和探头尖部压痕深度。注2:通过将具有已知厚度的箔放置在涂层表面上,可以减少探头尖端伸入软质涂层的压痕。这种情况下,涂层厚度是测量厚度减去箔厚度。5.10 探头倾斜除非制造商另有指示,探头应垂直于涂层表面,因为探头倾斜会导致测量误差。可以通过探头设计或通过使用探头夹具来最小化无意的倾斜风险。注:大多数商用仪器都配备有弹簧加载探头,确保在样品表面垂直放置。5.11 温度效应温度变化会影响探头的特性,因此应在与校准大致相同的温度条件下测量。注1:通过对探头进行温度补偿可以降低温度变化带来的影响。但必须要考虑设备的匹配。注2:探头、仪器的电子部件、环境和样品之间的温差会导致严重的厚度误差。热涂层的厚度测量就是一个典型的实例。5.12 外部电磁场测量结果可能会受到强电磁场干扰的影响。当测量结果显示为意想不到的结果或结果有强烈的ISO2178-2016变化(无其他因素解释),应考虑这种因素。这种情况下,应该在没有干扰磁场的位置进行比较测量。6 仪器的校准和调整6.1 概述仪器在使用前,应根据制造商的说明书通过合适的厚度参考标准和基体金属进行校准或调整。用于校准或调整的基体金属材料,表面状况和基体性质应与被测试样相符合,以避免出现第5条所述因素引起的偏差。否则,要在测量不确定度的评定中考虑这些影响因素。在校准或调整期间,仪器、标准样品以及基体金属应具有与试样相同的温度,使温度造成的影响最小化。为了避免仪器漂移的影响,建议使用参考标准或对照样品进行定期控制测量。如果需要,仪器必须重新调整。注:大多数仪器在由操作员执行称为“校准”的功能时能自己调整自己,而校准的结果通常不明显。6.2 厚度标准片用于校准和调整的厚度标准片采用的是涂覆在基体金属上的涂层或者箔,箔和涂层应为不可磁化的。标准片的厚度值及其不确定度应该是已知的,这些值应该被明确地标记出来。厚度值应可追溯到经过认证的参考标准。不确定度值应表示出置信水平,如 U(95%),即厚度值的不确定度在置信区间的概率为95%。箔和涂层在使用之前,要目视检查是否有损坏或者机械磨损,以避免造成测量值的偏差。与涂覆在基体金属上的涂层标准相比,使用箔作为标准片,存在一个缺点,就是不能保证与基体金属有良好的接触,即不能精确匹配基体金属。同时,将探头放置在箔上,可能导致箔的变形,这可能会影响测量结果。同时还必须要避免探头、箔以及基体金属之间出现间隙。特别是在测量曲面试样,或者在箔片起皱或者弯曲的情况下,探头的弹簧因加载力小而不足以确保没有间隙。使用的箔标准是否会发生变形,取决于压载力和探头尖端的直径(见5.9)。因此,使用箔标准片进行校准时,应采用相同的加载力和探头尖端直径,以避免压痕出现的差异。箔的标准值中,已经考虑了相应的压痕误差。箔标准的加载力和尖端直径,这两个值,应当从箔标准制造商处得知,以便计算可能带来的厚度误差。注:大多数情况下,箔的材料是塑料,而其他材料,例如铜合金,也可以使用。6.3 调整方法通过将探头放置在具有已知涂层厚度的未涂覆的一个或多个基体金属片上来执行涂层厚度测量的调整。根据仪器类型,制造商的操作说明和仪器的适用范围,可以用以下方法进行调整:a)一块未涂覆的基体金属;ISO2178-2016b)未涂覆的基底金属片和具有涂层厚度值的已涂覆的基底金属片;c)一片未涂覆的基底金属和几片具有不同涂层厚度值得基体金属;d)几个具有不同涂层厚度值的涂覆的基体金属。不同的调整方法可能导致测量结果的精度不同,因此,应当选用最合适的调整方法。通过不同的调整方法带来的测量不确定度取决于测量的方法、基体金属的材料、表面形状,表面粗糙度等。如果一种方法没有达到预期的精度,那么采用其他的调整方法,可能会有更好的结果。通常,可以通过增加调整一系列有间隔的涂层厚度的点的数量来减少测量不确定度。由仪器调整产生的测量不确定度不能应用到后续的所有测量中。每一种情况下,都需要详细考虑所有的影响因素,见第5条和附件C。注1:通过将探头放置在未涂覆的基体金属上,用于使探头适应给定基体金属的过程通常称为“归零”或“零点校准”。这个过程只是本“国际标准”所定义的“调整”或调整过程的一部分。注2:用于调整仪器的涂层和基体金属的数量,相应的调整方法通常称为“单点”,“两点”或“多点调整”。注3:一些仪器允许将仪器重置为制造商的原始调整。此调整仅适用于制造商提供的未涂层或涂层参考标准。在使用一段时间后,通过观察测量结果的偏差来识别探头是否产生了磨损,可以用这些标准或相同类型的标准来检查仪器。 7 测量过程和评价7.1 概述仪器操作应根据设备供应商说明书的要求进行,要将第5章中讨论的影响测量精度的所有因素考虑进去。在使用仪器之前,以及发现测量精度有变化(见第5条)之后,应对仪器进行调整。为确保仪器能精确测量,应在每次调整时,用标准片进行校准:a)仪器投入运行时;b)试样的材料或表面状况发生了改变;c)其他未知影响条件已经发生改变(如温度)(见附件D)。由于不是所有的测量条件的改变对测量不确定度的影响可以立即被识别(例如,探头的漂移,磨损),所以应规定时间间隔对设备进行校准。7.2 测量和评估的数量涂层厚度值应当为在涂层表面的限定面积中的几个单一测量值的算术平均值。除平均值外,还应报告标准偏差(见附件E)。 测量不确定度的随机误差可以通过增加测量次数来减少。如果没有另外的规定或约定,建议至少要测量五个单一值(取决于应用)。注1:从标准偏差可以计算变化系数V。 V对相对标准偏差来说,可以直接比较不同厚度的标准偏差。ISO2178-2016注2:测量结果的分散性由仪器本身的分散性以及试样的分散性组成。在厚度的测量范围内,人员和探头的标准偏差,可以通过在同一位置重复测量来确定。注3:当在粗糙的涂层表面或有较大厚度梯度的试样上进行测量时,可以通过一系列系统测量来确定单次测量之间的偏差的原因。8 结果的不确定度8.1 综述厚度的测量不确定度的评估应按照指南ISO/IEC98-3的要求进行。不确定度表达的详细要求见附件E。厚度测量的不确定度是由许多不同影响因素的不确定度的组合。 应考虑的重要来源包括:a)仪器校准的不确定度;b)影响测量的随机影响;c)第5条概述的因素引起的不确定度;d)仪器漂移、数字化效应及其他效应的影响。所有不确定度分量应按照ISO/IEC98-3中的要求进行评定,见附件E。以下给出了测量不确定度评定的简化方法(见8.2至8.5)。注1:测量样品的性质、仪器、环境等单个影响因素带来的测量不确定度都不相同,因此,需要对每一个不确定度分量进行详细评估。总的不确定度是由各不确定分量决定的。缺少任何一个不确定度分量,都可能导致测量结果的错误。注2:第5章中列出的影响因素可能导致较大的不确定度,如果可能,通过调整使其最小化。注3:除了需要在结果中表达不确定度之外,如有可能,不确定度分量的评定中要给出详细的信息,以便改进测量。8.2 校准仪器的不确定性如果没有给出其他信息,可以通过在具有已知厚度t r和不确定度 Ur( k = 2)的参考标准上进行n次重复测量,可以评估仪器的不确定度。测量结果是带有标准偏差s(t m)的厚度测量值的算术平均值 。𝑡𝑚校准的效果E由结果的差值 和校准测量不确定度的比值确定。|𝑡𝑟‒𝑡𝑚|这种不确定度(E的分母, k = 2)被认为是由n个重复测量的随机误差和给定参考标准的不确定度 Ur导致的。在E≤1的情况下,校准是有效的,并且不能通过该参考标准进一步改进,即,该差值不能比不确定度更小了。因此,校准的标准不确定度u cal( k = 1)由测量的综合不确定度给出。然而,在E> 1的情况下,仪器的校准不确定度有较大的偏差,需要对仪器进行调整以便提高精
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