在线工业镀层及涂层厚度分析仪

在线工业镀层及涂层厚度分析仪

任家富   庹先国   林娟    穆克亮    陶永莉

(成都理工大学信息工程学院，成都，610059)

摘要：众所周知，产品和金属元件表面镀层或防腐层厚度是与产品质量与性能相关的重要指标。为满足分析要求，本文介绍了自行研制的同位素X射线荧光分析仪的主要技术方法及具体应用。实际应用效果表明该分析仪在对工业镀层和汽车涂层厚度进行在线测量时其测量精度可达2%~4%，是一种具有快速、简便、无损等优点的新型分析方法。

关键词：同位素X射线荧光光谱，镀层，,涂层，厚度，在线测量

The online analysis instrument of industry plates layer and thickness of coating

Ren Jiafu   Tuo Xianguo   Lin Juan   Mu Keliang  

(Information engineering institute of Chengdu UNIversity of Technology,

Chengdu 610059, China)

 [Abstract]: It is well known that the surface coating or antiseptic layer of thickness of the products and metal components is the important index related to products’ quality and performance. In order to meet the analysis requirement, this article has introduced the main technological method and concrete application of the independently developed isotope X fluorogenic analysis instrument. The practical application effect indicated this analyzer when carries on the on-line survey to industry coating and automobile coating thickness its measuring accuracy may reach 2%~4%. It is a kind of new-type analytical method with advantage such as being fast, simple, convenient and no harm.

[Key words]: Isotope X ray fluorescence spectrum, plate layer, coating, thickness, measure online

工业X射线荧光分析仪以其快速、无损、现场测量等优点，已在冶金、建材、地质、环保、商检、考古、医学等领域得到迅速推广和应用。近几年来X射线荧光仪已在工业镀层及涂层厚度测量中应用越来越广泛。众所周知,产品和金属元件表面镀层或防腐层厚度是与产品质量与性能相关的重要指标，为满足分析要求，采用自行研制的同位素X射线荧光分析仪，对工艺铁基镀锌、铁基镀镉和汽车涂层3类样品以美国NBS系列标准为参照，采用发射法和吸收法进行了应用实验，并对在线镀锌板生产线进行了实验。实验表明使用同位素X射线荧光分析方法，能够满足工业镀层和涂层厚度的分析要求，并且具有无损、在线、简便快速、可实现自动控制等特点。

1． 分析仪组成及功能特点

1.1 X 射线荧光分析的基本原理

    X射线荧光就是被分析样品在X射线照射下发出的X射线，它包含了被分析样品化学组成的信息，通过对X射线荧光的分析确定被测样品中各组分含量的仪器就是X射线荧光分析仪。

    由原子物理学的知识，对每一种化学元素的原子来说，都有其特定的能级结构，其核外电子都以其特有的能量在各自的固定轨道上运行。内层电子在足够能量的X射线照射下脱离原子的束缚，成为自由电子，这时原子被激发了，处于激发态。此时，其他的外层电子便会填补这一空位，即所谓的跃迁，同时以发出X射线的形式放出能量。由于每一种元素的原子能级结构都是特定的，它被激发后跃迁时放出的X射线的能量也是特定的，称之为特征X射线。通过测定特征X射线的能量，便可以确定相应元素的存在，而特征X射线的强弱（或者说X射线光子的多少）则代表该元素的含量。

1.2 系统组成

此系统由探测器和主机系统两部分组成。                                 

[1]（1）探测器

X射线探测器是X射线荧光分析仪的核心器件，具有高能量分辨率的探测器是实现多元素同时测定和降低仪器检出限的根本保证。本系统的探测器由同位素激发源²³⁸PU，封闭式正比计数管，前置放大器等组成，它能将镀层或涂层的厚度转换为电信号。其探测器原理示意图如图(1)所示。

图1   探测器原理示意图

Fig.1 The Principle of detector

（2）主机系统

本仪器的主机系统由低压电源、高压电源、放大器、多道脉冲幅度分析器、稳谱电路、单片机系统、计算机系统和系统工作软件等组成。其主要功能是将探测器输出的信号进行放大和分析、采集从镀层和涂层出来的特征X射线谱线、并根据谱线计算出镀层和涂层厚度。

仪器主机系统的原理框图如图(2)所示：

图2    主机系统原理框图

Fig.2 The Principle of main system

1.3  激发方式的优点

    采用同位素激发源²³⁸Pu 来激发是由于此种类型的仪器结构简单，紧凑，特别是放射性同位素源发出X射线时是自然现象，其强度是非常稳定的。虽然有自然衰减，但这种衰减是遵循可描述的物理规律的，也就是说是能够准确计算出来的，而且作为商品化仪器选用的同位素源半衰期都比较长，在短周期内这种衰减几乎反映不出来。

1.4 分析仪零位稳定

    所有涂层测厚仪测量前都要求校准零位，可以在随仪器的校零板或未涂覆的工件上校零。仪器零位的稳定是保证测量准确的前提。一台好的测厚仪校零后，可以长时间保持零位不漂移，确保测量准确。

1.5双功能用途

    此仪器具有以下功能：

（1）测量钢、铁等铁磁性（Fe）金属基体上的非磁性涂镀层的厚度，如油漆层、各种防腐涂层、涂料、粉末喷涂、塑料、橡胶、合成材料、磷化层、铬、锌、铅、铝、锡、镉等。

（2）测量铜、铝、不锈钢等非铁磁性（NFe）基体上的所有非导电层的厚度，如油漆层、各种防腐涂层、涂料、粉末喷涂、塑料、橡胶、合成材料、氧化层等。

1.6采用硬件加软件的稳谱技术

此仪器可设置成具有任意时间内自动检测标准峰(既可寻单峰，也可进行多峰识别)，并根据实测结果进行判断并决定是否需要自动调整放大器的增益(既进行稳谱)的功能。该功能保证了仪器在任何环境下工作状态的一致性，从而可以有效地保证仪器的稳定性和精度。

2． 镀层及涂层工作原理

2.1 镀层和涂层测量原理

从X荧光分析测量原理可以看出镀层被激发区的特征X射线的强度与镀层和涂层元素含量多少成正比。在一定被激发区的测量区域内，镀层和涂层元素百分比含量是固定的，因而所测得的X荧光强度与该测量范围镀层和涂层的厚度成一定正比例关系。在一定的厚度范围内，镀层和涂层的厚度与激发区的特征X射线的强度成正比例关系，因此只要测量该范围内的X荧光强度值，即可算出镀层和涂层的厚度。

2.2  镀层和涂层测量方式

根据X荧光分析测量原理，当放射性同位素源或X射线发生器（X射线管）放出的X射线照射到镀层和涂层时，其不但能够激发此镀层和涂层产生相应的镀层和涂层的特征X射线，也能够激发基材产生相应基材的特征X射线。因此不但能够测量镀层和涂层的特征X射线，也可以测量基材产生基材的特征X射线来计算镀层和涂层的厚度。以下就是镀层和涂层厚度测量的两种测量方式:

发射法：此方法是通过测量镀层和涂层被激发区产生的特征X射线的强度来计算镀层和涂层的厚度。镀层特征X射线与镀层的厚度成正比关系，即随着镀层的厚度增加而增加。当此厚度增加到一定时，特征X射线I_x不再增加。通常称此厚度为饱和厚度。在小于饱和厚度以内，镀层厚度与镀层的特征X射线关系可表达为：                                        

                                      (1)

式中：a、b、c为工作曲线系数，可用NBS系列标准或用工作中的标准样品来刻度求得。

吸收法：此方法是利用入射X射线照到镀有元素的基材中，测量基材产生的X荧光强度来计算镀层或涂层厚度。该方法可以认为是利用镀层和涂层对基材被激发区产生的特征X射线衰减的原理来测量的。在实际应用中，采用对一系列标样测量后再作曲线拟合来计算厚度。

3．实测结果

图3为采样时间20秒时测得的镀锌铁板锌镀层的X荧光光谱图。根据此X荧光光谱图，选取Fe道宽为：150-200，以该积分区间的计数率代表测量基材产生的X荧光强度，取Zn道宽为：200-250， 以该积分区间的计数率代表测量镀层和涂层被激发区产生的特征X射线的强度。

图3   镀锌铁板锌镀层的X荧光光谱图

Fig.3  The zinc coating’s X fluorescent spectrogram of the Galvanized iron plate

3.1 静态测量

    取铁板10片，经过精密加工和电镀锌后制成标准样板进行静态厚度测量。分别在变换测量位置的条件下，测量10次取其平均值，将统计精密度与分析结果列入表1中。

表1   标样测量结果

Table.1   The measurement result of standard sample

3.2 动态测量

按照图(1)所示，将探测器安装到镀锌铁板生产线进行在线测量，当镀锌铁板以0.5~1.0m/min的速度运行，采样时间为20秒时，测得的镀锌铁板锌镀层厚度曲线图如图（4）所示。

图4    锌镀层厚度在线测量结果图

Fig.4   The online measurement result of the thickness of zinc coating

在线测量中，由于测量条件不如静态测量时理想，误差有所放大，但仍能满足工业生产的要求。

4、结论

从实际测量结果看，采用X荧光光谱对镀锌铁板进行在线测量能够满足对镀锌层的检测并取得较好的效果。系统具有自动稳谱功能，无需经常性较正；在镀锌层厚度测量中完全实现了自动化，可广泛用于工业在线生产控制。

参考文献：

[1] 葛良权、任家富,等.海底X射线探测系统的研制.成都理工学院学报,2000,28(1):81.

[2] 庹先国、任家富、周建斌,等.皮带式铁精矿含量水分测量系统.成都理工学院学报,2002,29(6):662.

[3] 孙丽娜、原培新.X射线安检设备中探测技术研究.中国测试技术,2006,32(3):20.

[4] 高平.水下散射式在线浊度测量仪.中国测试技术,2001,27(5):16.

[5] 张家骅等.放射性同位素X射线荧光分析.原子能出版社.1981年.25-35.

[6](美)E.P.佰廷著.X射线光谱分析的原理和应用.国防工业出版社.1983年.45-50.

[1] [基金项目]：国家自然科学基金项目（40574059）、教育部“新世纪优秀人才支持计划”（NCET-040904）

[作者简介]：任家富 （1963-），男，成都理工大学，信息工程专业副教授。

[通信地址]：成都理工大学先达信箱 610059，renjf@cdut.edu.cn，（028）89860631