厚度测量是确定物体两个平行表面之间距离的过程。它既适用于材料的主体本身,也适用于其表面的各种涂层或薄膜。
这种尺寸检测直接影响结构完整性、腐蚀防护、产品质量以及法规合规性。
行业依赖标准化程序以确保测量结果的一致性。
例如,最新的ASTM D7091-22标准就为金属表面涂层的无损测量提供了实践指导。
您是否曾在选择正确的检测工具时感到困惑?
简单的卡尺或许适用于测量金属板,但对于柔软的聚合物薄膜或在役管道壁,什么才是正确的方法呢?
在本文中,我将详细介绍从接触式到非接触式技术的各种测量方法。
我们将涵盖基础工具、电磁仪表、超声波无损检测和先进的光学系统,展示材料类型和精度需求如何指导您的选择。
不过,让我们先从一些基础知识开始👇🏻。
目录
什么是厚度测量?
厚度测量是确定物体两个平行表面之间距离的方法。
这个概念既适用于基材本身,也适用于可能添加到其表面的任何涂层或薄层。
您会经常遇到两个不同的类别。
- 第一个是基材厚度,指的是像管壁或金属板这样的组件的整体尺寸。
- 第二个是涂层或薄膜厚度,通常称为干膜厚度(DFT),用于测量表面上的油漆、电镀或塑料薄层。
工程师在进行这些测量时会使用几种常见单位。
您会看到:
- 结构部件使用毫米(mm),
- 涂层和薄膜使用微米(μm),
- 有时还会使用密耳(mils),即千分之一英寸,这在美国工业中尤为常见。
这些测量的尺度差异非常大。
高科技薄膜的厚度可能小于一微米,而保护性涂层通常在25至500微米之间。
结构部件则要厚得多,通常以多个毫米为单位进行测量。
选择正确的测量方法很大程度上取决于您要测量的对象。基材和涂层本身的特性决定了最佳的工具选择。
例如,测量磁性基材上的涂层需要与测量非磁性材料或透明薄膜上的涂层采用不同的技术。
接触式测量方法
接触式测量方法是最经典的测量方式。
这些仪器通过物理接触待测组件的表面来确定其厚度。
它们因操作简单、结果直观易读而广受欢迎。
但它们的直接接触方式也是其主要限制。首先,您有可能划伤或变形被测材料。
其次,测量结果也可能受到操作员手法的影响。
因此,它们不适合测量柔软或精密的材料。您经常会看到它们被用于刚性塑料、金属和层压板的质量控制。
千分尺和卡尺
机械千分尺基于精密螺纹原理运行,而数字卡尺则提供快速的滑动钳口测量。
这两种工具都能为您提供部件厚度的直接读数。
您需要注意施加的接触力,尤其是在测量较软的材料时。
标准建议在不同位置进行多次测量并取平均值,以获得具有代表性的厚度数据。
优质千分尺的分辨率通常在1至10微米之间。您可以使用经认证的量块来验证其准确性。
表盘和数显指示器
表盘式厚度计使用弹簧加载的测头进行快速点检。
当测头接触零件时,厚度会显示在简单的表盘上。数显版本的工作原理相同,但提供电子读数,使数据记录变得更加容易。
这是仪器的现代化升级,但基本原理仍然相同。
这些指示器的主要优势是速度快。它们非常适合生产线上的快速质量检查。
正确使用需要一个平整的测砧和对被测零件的稳固支撑。
在进行测量之前,您还必须在参考表面上进行校准,但这对任何测量设备来说都是应该做的。
它们通常用于确认金属板、垫片和各种模塑塑料零件的厚度。
涂层厚度的电磁测量方法
电磁测厚仪提供了一种快速便捷的方式来检查涂层厚度,且不会损坏零件。
这些无损检测仪器是测量金属基材保护涂层的常用解决方案。
它们的使用方法在ASTM D7091-22等标准中有明确定义。
这些工具能够快速给出结果,并且只需访问表面的一侧。经过校准后,它们对操作员技能的要求也相对较低。
基材材料很重要,因为磁性测厚仪适用于铁磁性金属,而涡流型测厚仪则适用于非铁磁性导电金属。
读数也可能受到表面粗糙度和零件曲率的影响。
磁性拉拔式测厚仪
机械式拉拔测厚仪是一种简单的变体,在ASTM D7091标准中被称为1型测厚仪。
它使用永磁体,测量将其从涂层表面拉离所需的力。较厚的非磁性涂层会减小这种力,测厚仪将其转换为厚度值。
同样,为了获得良好的结果,正确的校准是必不可少的。
您应该在与待测组件材料相同的未涂层样品上校准测厚仪。这一步骤可以考虑基材磁性特性的任何变化。
电子涡流和霍尔效应测厚仪
电子仪器(称为2型测厚仪)提供更高的精度。
- 涡流探头专为测量非铁磁性金属(如铝)上的非磁性涂层而设计。
- 霍尔效应探头则用于测量铁磁性金属(如钢)上的非磁性涂层。
ASTM E376-19标准建议在与待测零件材料、厚度和曲率相匹配的基材上进行校准。
您还应注意边缘效应,因为在距离零件边缘太近的位置进行测量可能会产生不准确的读数。
超声波厚度测量
这种技术的工作原理很像回声。
一个称为传感器的设备向材料中发送高频声波脉冲。
声波穿过材料,遇到背面或内部缺陷后反射回传感器。仪器精确计时这个往返过程。
通过了解声音在特定材料中的传播速度(即其声速),仪器就可以计算出厚度。
这个过程遵循ASTM E797/E797M-21等标准实践的指导,该标准概述了手动超声接触法。
该标准要求使用已知厚度的参考块进行两点校准,以覆盖预期的测量范围。
正确设置声速至关重要,因为这个特性取决于材料的成分及其温度。
准确的读数要求您使用待检测材料的正确速度设置,或对温度变化进行补偿。
主要优势之一是您只需访问组件的一侧。
这使其非常适合检测非常厚的截面,从几毫米到数百毫米。该方法是无损的,并且可有效用于大多数工程材料,包括金属、塑料和复合材料。
也有一些限制需要考虑。
该方法需要耦合介质(如凝胶或水)将声音从传感器传输到零件中。表面还必须清洁光滑以实现良好的接触。
它通常不适合测量非常薄的薄膜,例如0.5毫米以下的薄膜。
您会发现这种方法广泛用于在役检查。
常见应用包括检查管道和压力容器因腐蚀造成的壁厚损失。它也是验证管道完整性和检查储罐底板状况的关键工具。
Plastiform用于难以触及的区域
当您需要测量的区域在物理上无法触及时该怎么办?
也许它深藏在组件内部、在其他部件后面,或者在狭窄空间中,任何探头或测厚仪都无法进入。
此时,复制材料(通常称为plastiform或印模复合材料)就是最佳选择。
复制材料是一种可塑化合物,您可以将其压入难以触及的区域。
它能完美贴合表面,捕捉精确的几何形状,包括厚度尺寸和间隙。
一旦固化或凝固,您就可以取出复制品并使用标准工具对其进行测量。
该技术遵循简单直接的工作流程:
您准备好复制产品并将其插入目标位置。材料流入间隙、边缘周围和表面,捕捉每一个细节。
您需要在材料的操作时间内完成工作,操作时间因产品类型而异。
材料凝固后,您小心地将其从组件中取出。
复制品保持了原始空间的精确尺寸关系。您现在拥有了以前无法触及区域的物理负印模。
将复制品放在工作台上,您可以使用任何合适的测量工具。
千分尺和卡尺非常适合简单的厚度检查,但您需要使用刚性的Plastiform产品。
这种方法在几种场景中特别有价值。
您可以用它来验证不便拆卸的间隙。
它是检查轴承配合、测量涡轮叶片组件中的间隙或叶片厚度以检查其磨损状况的首选技术。
光学和非接触技术
有时,您需要在不物理接触的情况下测量物体。
这就是光学和非接触方法发挥作用的地方。它们非常适合测量精密材料、高温材料,或生产线上快速移动的部件。
这些技术对透明或半透明材料特别有用。
它们可以测量单层的厚度,甚至可以区分堆叠在一起的多层。
想想智能手机屏幕或镀膜镜片中的复杂层结构。
许多光学方法提供极高的分辨率,使您能够测量非常薄的薄膜,从微米级到纳米级。
例如,像Bristol Instruments这样的公司提供了一系列光学测厚仪。
这些系统使用干涉测量原理来测量12微米至80毫米厚的透明材料。
它们甚至可以一次测量多达31个独立的层。
对于不透明基材上的涂层,则使用共焦显微镜和光谱学等技术。
白光干涉测量和共焦显微镜
白光干涉测量的工作原理是分光。
一部分光从薄膜的顶表面反射,另一部分光从底表面反射。
当这些反射光束重新组合时,它们会产生干涉图案,就像肥皂泡上的彩虹色。
通过分析这种图案并了解材料的折射率,我们可以极其精确地计算薄膜的厚度。
共焦位移传感器提供了另一种从一侧测量透明层的方法。
它有点像只能看到单一深度完全聚焦内容的显微镜。传感器找到顶表面的精确焦点,然后找到底表面的焦点。
镜头在这两点之间移动的距离就是厚度。这种方法可以分辨复杂产品(如镜头组件或医疗隐形眼镜)中的各个层。
这些方法的分辨率令人印象深刻,范围从几十纳米到亚纳米级。
这使它们成为精密光学、半导体晶圆计量以及医疗管材和导管制造的理想选择。
激光三角测量和2D/3D轮廓测量
激光三角测量是一种简单直接的几何方法。如果您还记得高中的数学课,您就已经知道了其背后的科学原理。
激光以设定的角度将点或线投射到表面上。
位于另一个角度的传感器观察这个投影。如果表面高度发生变化,激光在传感器上的位置就会移动。
系统使用简单的三角函数实时计算到表面的距离。
通过在表面上扫描激光,2D和3D轮廓仪可以创建完整的横截面轮廓或物体的完整3D地图。
这不仅可以检查涂层的高度,还可以检查其宽度和体积。
这种能力在检查机器人施加的粘合剂量或测量电路板上焊膏的厚度等应用中非常有用。
对于粗糙或阶梯状表面,轮廓仪具有优势,因为单点传感器可能会给出误导性读数。
这些系统通常在几十毫米的距离上运行,可以达到微米级的分辨率。
标准和校准最佳实践
如果无法客观证明其准确性,厚度读数将毫无价值。
这就是为什么正式标准和可追溯的校准对于监管认可和质量控制至关重要。
它们为每位工程师和技术人员提供了共同的规则手册。
您使用经认证的参考材料(如厚度箔或未涂层基材)来验证仪器的准确性。
这种检查应在使用前、可能损害准确性的任何事件后以及定期(如生产班次开始时)进行。
为您的应用选择正确的方法
选择正确的厚度测量工具就是要找到适合工作的技术。
您需要回答一些关于您的材料、您的目标和您的工作环境的问题。如果简单的千分尺就能完成任务,那么最精密的光学系统就显得过于复杂了。
从材料本身开始。
您的第一个问题应该是关于基材:
- 它是像钢这样的磁性金属吗?
- 它是像铝这样的非磁性金属吗?
- 它是像塑料这样的非导电材料吗?
这会立即将您指向或远离电磁方法。
接下来,
考虑您要测量的涂层或薄层(如果有的话)。
它是像油漆一样不透明还是像聚合物薄膜一样透明?
预期厚度和物理可及性是您的下一个约束条件。
测量以毫米为单位的结构壁是超声波或机械工具的工作,而测量亚微米薄膜则需要精密的光学或专用电磁方法。
您需要考虑是否可以接触零件的两侧(对于千分尺等工具),还是仅限于单侧访问,这需要超声波、电磁或光学轮廓仪。
精度和产量需求将进一步缩小您的选择范围。
光学或半导体中的高精度应用需要光学干涉测量等技术,而许多现场检查可以容忍较低的分辨率。
对于生产,自动化光学或电磁映射系统提供更高的速度,而手动接触式或超声波测厚仪更适合抽检。
工作环境也是一个重要因素。
坚固的超声波测厚仪专为室外管道检查而设计,而防爆共焦传感器等专用设备则专为活跃的涂装线设计。
您还必须平衡仪器的初始成本、其校准开销以及因返工或责任造成的不良测量的潜在成本。
综合考虑这些因素,就能找到合适的方法。您也可以考虑使用中间复制品,让测量设备适应待测区域。
应用和行业
理论是一回事,但看到测量技术的实际应用才能体现其价值。
所有行业都面临独特的挑战,从防止大型钢结构生锈到在计算机芯片上分层微观薄膜。
工具和方法的选择完全由这些实际需求驱动。
让我们通过不同的实际例子来获得一些指导。
钢结构的保护涂层
对于桥梁或船舶等大型资产,保护漆的厚度是防止腐蚀的主要防线。
该行业遵循ISO 19840等指南,这是一项为该领域测量制定规则的标准。
它规定了如何使用经校准的电磁测厚仪,将”点测量”定义为几次读数的平均值,并概述了确认合规性所需的每个区域的采样模式。
半导体和显示器制造
在电子和光学领域,您需要处理多个极薄的层。
例如AR/VR镜片上的防反射涂层或手机屏幕内的薄膜。
在这里,白光干涉测量法通常用于在不接触的情况下测量每一层。现代系统现在可以绘制整个镜头组件的厚度图,捕捉任何可能影响光学性能的偏差。
医疗器械
在制造医疗管材、导管或眼内晶状体等产品时,您不能冒物理接触造成损坏或污染的风险。
非接触式光学方法(如共焦或干涉测量传感器)是解决方案。它们使用光以极高的精度测量厚度,非常适合精密、无菌和透明的材料。
汽车和航空航天
汽车和航空航天行业依靠厚度测量来保证质量和安全。
汽车车身上的油漆和电镀厚度根据ASTM标准进行验证,以保证耐用性和优质的表面处理。
在航空航天领域,技术人员使用超声波方法检查机身和发动机部件因磨损造成的壁厚损失,这是维持结构完整性的重要检查。
石油和天然气管道完整性
维护管道需要从外部了解管壁的状况。
技术人员使用超声波厚度测绘来查找腐蚀或侵蚀区域。
这些数据创建了剩余壁厚的”地图”,用于预测管道的使用寿命并在发生故障之前安排维修。
结论
我们已经介绍了测量厚度的整套工具,从简单的接触式工具(如千分尺)到先进的非接触系统。
您已经看到每种方法都有其用途,无论是确认保护涂层的深度以防止生锈、验证管道的壁完整性以防止事故,还是控制现代电子产品中的微观层。
可靠的结果源于对既定标准的遵循。
这些标准指向一个核心思想:使用代表性材料进行适当的校准是不可协商的。
要真正支持您的结果,您还必须考虑测量不确定度。
随着技术的进步,自动化传感器和数据分析正在使这些测量更快、更精确。
这种演变支持现代制造和在线过程控制,在这些领域准确的数据至关重要。
厚度测量让您能够减少浪费、防止操作故障并交付符合每项规格的产品。
它是直接影响您工作可靠性的质量保证的基本要素。
常见问题
为什么在工程中测量厚度如此重要?
准确的厚度决定了产品的强度、质量和抗腐蚀能力。它通常是满足安全标准和行业法规的必要条件。
接触式和非接触式厚度测量的主要区别是什么?
接触式方法使用物理接触表面的工具,如千分尺。非接触式方法使用光或声音等原理从远处进行测量,非常适合精密、高温或移动的零件。
如何测量金属表面上的油漆厚度?
您通常使用便携式电子测厚仪。这些设备基于磁性或涡流原理,可以在不损坏表面的情况下测量金属主体上的非磁性油漆层。
能否仅从外部测量管道壁的厚度?
可以。超声波测厚仪就是为此而设计的。它们通过材料发送声波并计时其从后壁的反射来计算厚度,只需访问一侧即可。
制造中的DFT代表什么?
DFT是干膜厚度(Dry Film Thickness)的缩写。它指定涂层(如油漆或粉末涂层)在表面上完全干燥和固化后的厚度。
基材特性如何影响电磁涂层厚度读数?
基材的磁性特性、电导率、表面粗糙度和曲率都可能改变测厚仪的读数。为了获得准确的结果,您必须在与待测材料相同的未涂层样品上校准仪器。
超声波检测中的两点校准是什么?为什么要使用它?
两点校准涉及使用两个已知厚度的参考标准来设置测厚仪,一个比您的目标薄,一个比目标厚。这种做法可以校正整个工作范围内的测量误差。
何时应选择干涉测量等光学方法而不是超声波方法?
光学干涉测量是测量非常薄、透明或多层薄膜(如镜头或显示器上的薄膜)的更佳选择,因为您需要极高的精度。超声波方法专为测量较厚的不透明材料(如金属板和管道)的总壁厚而设计。
