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關(guān)于無損膜厚測試，很多品質(zhì)工程、項目開發(fā)人員對該領(lǐng)域都比較陌生，常常詢問：“這個設(shè)備能分析這個金屬成分嗎？”而對于檢測人員，往往受制于膜厚設(shè)備的不可自主編程性以及金屬成分分析需要很強的專業(yè)性，導(dǎo)致對設(shè)備的熟悉程度僅僅局限于操作。為揭開膜厚測試及金屬成分分析的神秘面紗，我們很有必要詳細的探討一下。

 

膜厚測試儀分類

 

 

磁感應(yīng)測量原理

 

磁感應(yīng)原理，即是利用從測頭經(jīng)過非鐵磁覆層流入鐵磁基體的磁通大小，測定覆層厚度。也可以通過測定對應(yīng)的磁阻大小，表示其覆層厚度。

覆層越厚，磁阻越大，磁通越小。利用磁感應(yīng)原理的測厚儀，原則上導(dǎo)磁基體上要有非導(dǎo)磁覆層厚度。一般要求基材導(dǎo)磁率在500μ以上。如果覆層材料也有磁性，則要求與基材的導(dǎo)磁率之差足夠大（如在鋼表面鍍鎳）。當磁芯上繞著線圈的測頭放在被測樣本上時，儀器自動輸出測試電流或測試信號。早期的產(chǎn)品采用指針式表頭，測量感應(yīng)電動勢的大小，儀器將該信號放大后轉(zhuǎn)換成覆層厚度。電路設(shè)計引入穩(wěn)頻、鎖相、溫度補償?shù)刃录夹g(shù)，利用磁阻來調(diào)制測量信號。先進的設(shè)備還采用專利設(shè)計的集成電路，引入微機，使測量精度和重復(fù)性達到大幅度的提高（幾乎達到10倍以上）?，F(xiàn)代的磁感應(yīng)測厚儀，分辨率達到0.1um，允許誤差達1%，量程達10mm。

 

 

 

電渦流測量原理

 

 

 

高頻交流信號在測頭線圈中產(chǎn)生電磁場，測頭靠近金屬導(dǎo)體時，形成渦流。測頭距離金屬導(dǎo)電基體愈近，則渦流愈大，反射阻抗也愈大。這個反饋作用測量了測頭與導(dǎo)電基體之間距離的大小，也就是導(dǎo)電基體上非導(dǎo)電覆層厚度的大小。

由于這類測頭專門測量非鐵磁金屬基材上的覆層厚度，所以通常稱為非磁性測頭。非磁性測頭采用高頻材料作為線圈鐵芯，例如鉑鎳合金或其它新材料。

與磁感應(yīng)原理比較，主要區(qū)別是測頭不同，信號的頻率不同，信號的大小、標度關(guān)系不同。與磁感應(yīng)測厚儀一樣， 渦流測厚儀也達到了分辨率0.1um，允許誤差1%，量程10mm的高水平。

覆層材料有一定的導(dǎo)電性，通過校準后也可準確測量，但要求兩者的導(dǎo)電率之比至少相差3-5倍（如銅鍍鉻）。雖然鋼鐵基體為導(dǎo)電體，但這類材料還是采用磁性原理測量較為合適。

 

 

小結(jié)

 

利用磁性法(包括變磁阻法和電渦流法)都要求涂層為非磁性涂層，尚未發(fā)現(xiàn)有利用該方法的涂層測厚產(chǎn)品是針對磁性涂層的。在國家標準GB/T 4957-2003《非磁性金屬基體上非導(dǎo)電覆蓋層厚度測量渦流方法》(與國際標準IS02360-2003對應(yīng))中，對渦流測厚儀的標準，操作程序和影響測量精度的因素及其注意事項作了詳細的闡述。其中有關(guān)影響測量精度因素的條款，應(yīng)視作渦流涂層測厚儀開發(fā)應(yīng)用必須遵循的指導(dǎo)性文件。

 儀器及其校準和操作應(yīng)使覆蓋層厚度能測準到真實厚度的10％以內(nèi)。如果測量小于 5μm的覆蓋層厚度，推薦取幾次讀數(shù)的平均值。覆蓋層厚度小于 3μm時，可能達不到這樣的準確度。

 

 

X射線

X射線的能量穿過金屬鍍層的同時，金屬元素其電子會反射其穩(wěn)定的能量波譜。通過這樣的原理，設(shè)計出膜厚測試儀，又稱金屬鍍層厚度測量儀，其不同之處為其既是薄膜厚度測試儀，也是薄膜表層金屬元素分析儀，因響應(yīng)全球環(huán)保工藝準則，故目前市場上最普遍使用的都是無損薄膜X射線熒光鍍層測厚儀。

臺式的熒光X射線膜厚測試儀，是通過一次X射線穿透金屬元素樣品時所產(chǎn)生低能量的光子，俗稱為二次熒光，,再通過計算二次熒光的能量來計算厚度值·

X射線和紫外線與紅外線一樣，是一種電磁波?？梢暪饩€的波長為0.000001 m （1μm）左右。對某物質(zhì)進行X射線照射時,可以觀測到3種主要的X射線。

 

 

X射線衍射裝置(XRD)（X-Ray Diffraction）

XRD的基礎(chǔ)原理是X射線的相干散射，布拉格公式、晶體理論.

 

 

晶體衍射布拉格定律：

 

 

式中λ為X射線的波長，n為任何正整數(shù)，又稱衍射級數(shù)。其上限為以下條件來表示：

 

即是當間距大于波長一半的面族時才可能給出衍射，以此求納米粒子的形貌。

 

 

應(yīng)用已知波長的X射線來測量θ角，從而計算出晶面間距d，這是用于X射線結(jié)構(gòu)分析；或者應(yīng)用已知d的晶體來測量θ角，計算出特征X射線的波長，再根據(jù)已有資料查表得出試樣中所含的元素。

 

 

 

 

 

X射線衍射儀一般附帶有衍射圖處理分析軟件的計算機系統(tǒng)，分析軟件有Pcpdgwin、Search match、High score和Jade這四種軟件，其中，High score和Jade是常規(guī)X射線衍射儀最常用的軟件。

如我們通過運用Jade軟件，可以對被測物進行物相檢索、計算物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、計算結(jié)晶化程度、計算晶粒大小和微觀應(yīng)變、計算點陣常數(shù)、計算殘余應(yīng)力等等。

XRD分析是一門專業(yè)性較強的科學技術(shù)研究，需要投入大量時間和精力才能學會，不是通過讀懂其中一個圖譜就能解決的。

 

X射線衍射裝置(XRD)和螢光X射線裝置(XRF)的主要區(qū)別：

 

X射線衍射裝置(XRD)能得到某物質(zhì)中的結(jié)晶信息，測定晶體結(jié)構(gòu)。

螢光X射線裝置(XRF)能得到某物質(zhì)中的元素信息（物質(zhì)構(gòu)成,組成和鍍層厚度），元素的定性、定量分析

 

比如用不同的裝置測定食鹽氯化鈉(NaCl)時,從螢光X射線裝置得到的信息為此物質(zhì)由鈉(Na)和氯(Cl)構(gòu)成,而從X射線衍射裝置得到的信息為此物質(zhì)由氯化鈉(NaCl)的結(jié)晶構(gòu)成。單純地看，也許我們會認為具備測定結(jié)晶狀態(tài)的X射線衍射裝置(XRD)更好,但當測定含多種化合物的物質(zhì)時只用衍射裝置(XRD)就很難判定,必須先用螢光X射線裝置(XRF)得到元素信息后才能進行定性分析。

 

螢光X射線裝置(XRF)（X-Ray Fluorescence）

XRF基于莫斯萊定律，以特征X射線為基礎(chǔ)。

 

 

所有 XRF 光譜儀的基本概念都是源、樣品和檢測系統(tǒng)。源照射樣品，檢測儀測量從樣品發(fā)射的熒光輻射。在大多數(shù)情況下，XRF 的源是 X 射線管。替代方案是放射源或同步加速器。XRF 儀器主要有兩種類型：

能量色散 X 射線熒光 (EDXRF) :利用脈沖高度分析器直接將光譜根據(jù)能量不同進行分開。

波長色散 X 射線熒光 (WDXRF)：使用合適的晶體將發(fā)射光譜根據(jù)波長不同進行分開。

 

能量色散 X 射線熒光光譜儀工作原理

 

 

 

X 射線光學晶體可用于增強這兩種 XRF 儀器。對于常規(guī) XRF 儀器，樣品表面典型焦斑尺寸的直徑范圍從幾百微米到幾毫米不等。多毛細管聚焦光學晶體從發(fā)散 X 射線源收集 X 射線，并將它們引導(dǎo)至樣品表面上形成直徑小到幾十微米的小聚焦光束。由此增加的強度以小焦斑傳遞到樣品，可增強用于小特性分析的空間分辨率和用于微 X 射線熒光應(yīng)用的微量元素測量性能。雙曲面彎晶光學晶體將高強度微米級單色 X 射線束引導(dǎo)至樣品表面，用于加強元素分析。