一种基于交指结构传感器的非金属膜厚度检测方法_宋强.pdf

2 0 2 3年第5期一种基于交指结构传感器的非金属膜厚度检测方法宋 强,文雨蒽,王自强,黄俊松(成都工业学院 自动化与电气工程学院,成都 6 1 1 7 3 0)摘 要:金属部件常常在易摩擦损坏金属表面的环境中使用,为了保护金属,常常在金属部件外镀一层非金属膜保护金属。若非金属膜太薄将不能起到保护金属部件的作用,若非金属薄膜太厚,膜表面的均匀度控制较难,非金属膜厚度的不均匀性进而会导致薄膜器件的特征波长度发生变化,而膜层整体误差则会导致非金属膜的性能下降。微波在检测领域有很大的优势,通过微波对非金属材料具有很大的穿透性可以检测非金属膜的厚度。本文提出了一种基于交指结构的新型传感器,用于测量薄膜涂层金属的涂层厚度。实验成功检测到0.9 m m 1.2 m m镀在铝表面的P V C膜厚度。关键词:微波近场;交指结构;传感器标签;谐振频移 中图分类号:T G 1 7 8 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 7 6-0 3AN o n-m e t a l l i cF i l mT h i c k n e s sD e t e c t i o nM e t h o dB a s e do nC r o s s-F i n g e rS t r u c t u r eS e n s o rS o n gQ i a n g,W e nY u-e n,W a n gZ i-q i a n g,H u a n gJ u n-s o n g(C h e n g d uT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y,S c h o o l o fA u t o m a t i o na n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,C h e n g d u6 1 1 7 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:M e t a l p a r t s a r eo f t e nu s e d i n t h e e n v i r o n m e n tw h e r e t h em e t a l s u r f a c e i s e a s i l yd a m a g e db y f r i c t i o n,i no r-d e r t op r o t e c tm e t a l,an o n-m e t a l l i c f i l mi s o f t e n c o a t e do n t h em e t a l p a r t s t op r o t e c tm e t a l.I f t h en o n-m e t a l l i c f i l mi s t o ot h i n,i t c a n n o t p r o t e c t t h em e t a l p a r t s.I f t h en o n-m e t a l l i c f i l mi s t o o t h i c k,i t i sd i f f i c u l t t o c o n t r o l t h eu n i f o r m i t yo f t h ef i l ms u r f a c e.T h en o n-u n i f o r m i t yo f t h et h i c k n e s so f t h en o n-m e t a l l i cf i l m w i l l l e a dt ot h ec h a n g eo f t h ec h a r a c t e r i s t i cw a v e l e n g t ho f t h e f i l md e v i c e,a n d t h eo v e r a l l e r r o r o f t h e f i l mw i l l l e a d t o t h ed e c l i n eo f t h ep e r f o r m a n c eo f t h en o n-m e-t a l l i c f i l m.M i c r o w a v eh a s g r e a t a d v a n t a g e s i n t h e f i e l do f d e t e c t i o n.I t h a s g r e a t p e n e t r a b i l i t y t on o n-m e t a l l i cm a t e r i a l s t od e t e c t t h e t h i c k n e s so f n o n-m e t a l l i c f i l m s.I n t h i s p a p e r,an e ws e n s o r b a s e do n i n t e r d i g i t a l s t r u c t u r e i s p r o p o s e d t om e a s-u r e t h e c o a t i n g t h i c k n e s so f f i l mc o a t e dm e t a l.T h eP V Cf i l mt h i c k n e s s o f 0.9mm 1.2mmp l a t e do na l u m i n u ms u r f a c ew a s s u c c e s s f u l l yd e t e c t e d i n t h e e x p e r i m e n t.K e yw o r d s:M i c r o w a v en e a r-f i e l d;C r o s s-f i n g e rs t r u c t u r e;S e n s o r l a b e l;R e s o n a n t f r e q u e n c ys h i f t基金项目:四川省大学生创新训练项目,基于微波技术的非金属复合材料内部缺陷检测研究,项目编号:S 2 0 2 2 1 1 1 1 6 0 3 9作者简介:宋强(1 9 9 5),男,汉族,黑龙江省佳木斯市人,助教,硕士研究生,研究方向:机器人控制系统。1 概述在汽车多年的改进发展中,镀膜行业市场在日趋增长并表现出有巨大的前景。现如今的镀膜技术在最开始仅为装饰而镀膜,慢慢发展出为保护、提升性能为目的的镀膜,其中镀膜技术在汽车的零部件上具有广泛的应用。在每一辆汽车完成制作出厂前都需经过金属表面镀膜处理。除了大众所熟知的连杆、活塞环、活塞等汽车发动机的三个运动部件需要对其进行镀膜处理以外,进排气阀、排气筒、减震器连杆、消音器、轴瓦等零件都需要对其表面进行镀膜处理,甚至用于汽车装饰的零件也需要对其表面进行镀膜处理来提高美观度。给发动机镀膜是一项必不可少的保护零部件并延长汽车寿命的操作。给发动机镀膜不仅可以对引擎内部起保护作用,并能润滑和保护引擎的内壁,增强抗磨损性能,适度地延长发动机的性能。还可以对引擎外部起保护作用,并能清洁和上光,防止灰尘及一些其他的杂物粘在引擎外部上。并且发动机舱需要经常清洁,如果发动机舱清洁完成达到整洁干净的效果以后,不通过镀上保护膜加以维护,很容易就使发动机舱快速恢复到原本没有清洁的时候,在给发动机舱进行镀膜之后,会在物件的表面生成一层S i O2的保护膜,而这层保护膜能有效地抵御泥沙和油污的附着并对发动机线路起保护作用。在发动机舱镀上一层保护膜能够更持久、长期地保护发动机舱的整洁。发动机舱的镀膜能起到增光、防油、驱水等多种功能目标,对发动机本身的性能是没有任何副作用的。相反,干净整洁的发动机舱还能增长发动机的使用寿命。汽车需要通过镀膜大幅度降低外力对车漆的损伤,避免保护剂本身对车漆的影响,提高漆面的完整度和硬度,可彻底阻挡紫外线、酸雨、工业灰尘等外界有害物质对车的伤害,能够长久保持车漆的色泽,但是薄膜涂层过厚会导致图层结晶开裂反而损害车漆的完整度。例如车漆的防腐涂层达到了一定的厚度,汽车的性能在一定程度上有较好的提升。而防腐涂层厚度达到适中的情况下汽车在抗污渍、抗腐蚀方面都有着很好的作用。根据防腐涂层选用的材料的不同,为了对日常溅到的各种液体能够更好的防范,具备一套优质的防腐涂层的汽车不仅能抵御剐蹭,还能在受损后的修复过程中有较好的体现。因此测量汽车镀膜的厚度有很大实际意义。薄膜涂层技术已存在很长的时间,在汽车、高铁、火车等交通工具或各种机器仪器的零部件都需要镀上保护膜。67DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.024内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n因此在日常生活、国防军事以及科学研究中都出现了不同种类的涂层材料。金属材料在汽车、高铁等交通工具上有广泛的应用。金属材料在外界恶劣环境中容易受到腐蚀或磕碰,导致金属表面产生缺陷并影响设备的可靠性。所以在生产中常常在金属材料表面覆盖一种耐腐蚀和耐高温的涂层,以保护金属材料使其可以安全有效地进行工作并将使用的寿命延长。在载具或精密测量仪器中,涂层厚度对载具的启动、油耗和性能以及仪器的测量有很大影响。因此,测量非金属薄膜涂层的涂层厚度具有重要意义1。如今,在生活、工业、科学研究方面需要在被测物不被破坏的情况下检测它表面或内部的缺陷、数量、形状、厚度、材质,所以无损技术是必不可缺少的一项技术。并且随着社会科技的发展,对于无损检测技术的要求越来越高,当前比较常见的有超声、红外、微波、涡流、激光等达到七十多种检测方法。目前已经提出了几种无损检测技术来测量金属表面涂层厚度,例如超声波,涡流法。但是这些方法对检测都有一定影响,并且存在一些局限性。例如,当涂层具有磁性时,涡流测试方法对于测量金属表面涂层厚度无效。此外,超声波方法是接触式测量,可能会损坏被测材料的表面,导致被测材料不能使用,检测无意义。微波可以穿透金属表面涂层等低损耗介电材料(对于高损耗材料,微波的穿透深度非常有限,因此,对具有高损耗涂层的金属材料的检测超出了本文的范围)。微波近场传感器对被测材料的变化异常敏感。因此,在微波无损检测技术上对金属表面缺陷的检测和涂层厚度的测量提出了许多研究。为了测量金属部件表面涂层的厚度,设计了一种基于微带交指节构的传感器。此传感器通过在检测区域加载交指节构,增强测量区域的电场强度,从而提高测量的灵敏度。最近,交指节构(I D E)被用于传感器设计,可以监测介电材料的变化。I D E传感器在近场中具有很高的灵敏度,可以检测近场区域的微小扰动。因此,当被测材料发生变化时,会干扰I D E周围的电磁场,导致谐振频率发生变化。通过谐振频率的变化,可以测量涂层厚度。此外,I D E基于印刷电路板(P C B)技术,该技术价格低廉且可用。所设计的传感器灵敏度高,成本低,并且非常小,因此便于携带和使用方便1 5 6。2 微带线理论微带线由介质基片上的金属导体带和接地板两部分构成,从它的发展历程来看,可以被认为是从双导体传输线发展过来的,其演化的过程及其结构如图12。图1 微带线的演化过程及结构w为微带线的金属导带宽度,电介质基板厚度为h、r为相对介电常数,基板的下面是由金属构成的地。微带线为一个半开放系统,即使接地的金属板可以有效阻挡场的泄露,但导体任会带来一定辐射。由于有电介质的存在,使微带线的传输模式的分析变得复杂,场的能量主要集中在基片区域,而在基片上方的空气区域只存在少部分的场力线分布。所以微带线不能传输纯T EM波,因为在电介质部分的T EM场的相速度是c/r,而空气部分的T EM场的相速度是c,在电介质-空气分界面上不可能实现T EM波的相位匹配。同时考虑到电介质基片非常的薄,所以其传播模式是准T EM。相速和传播常数可以表达成3:vp=ce(1-1)=k0e(1-2)其中,e为微带线的有