一种高度灵敏且稳健的涡流系统，利用近共振电感技术实现陶瓷涂层厚度的测量

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：Highly Sensitive and Robust Eddy Current System for Thickness Measurement of Ceramic Coating Using Near-Resonance Inductance

热障涂层（TBCs）顶陶瓷层（TC）厚度测量研究提出基于高频激励与近谐振电感的新方法，建立变压器模型分析多层涂层的涡流衰减特性，通过等效电路设计实现阻抗耦合分离，结合谐振阻抗与TC厚度的数学映射关系，使灵敏度提升10倍且误差低于4%。分隔符：

　　

摘要：

涡流（EC）测试在评估航空航天发动机和燃气轮机中热障涂层（TBC）的质量方面具有工程价值，因为顶层的陶瓷涂层（TC）厚度直接决定了热防护效率和部件寿命。为了解决多层涂层中的阻抗耦合问题以及由于粘合涂层（BC）和基材导电性低导致的灵敏度低的问题，本研究提出了一种基于高频激励和近共振电感来测量TC厚度的方法。建立了TBC中EC轴向衰减的变压器模型，揭示了BC和基材中的频率依赖性EC分布。实验表明，提高激励频率可以有效减少界面EC密度的差异，从而将TC厚度与耦合阻抗分离出来。通过目标频段内的等效电路实现了阻抗放大，从而提高了系统的灵敏度。建立了共振阻抗与TC厚度之间的数学映射关系，验证了共振信号增强在EC厚度测量中的有效性。TC厚度测量的实验结果表明，与传统方法相比，灵敏度提高了十倍，测量误差低于4%。这一进展使得在TBC制造过程中能够进行精确的质量评估，解决了多层涂层系统中的关键无损检测难题。

引言

热障涂层（TBC）是一种用于高温环境中的保护材料，直接涂覆在镍基超级合金基材上。通常，TBC由顶层陶瓷涂层（TC）和粘合涂层（BC）组成[1]。TBC制造质量和工作条件的重要指标包括涂层厚度及其均匀性。这些因素显著影响涂层的热绝缘性、应力、附着力、使用寿命、材料使用量和成本[2]。常用的TBC厚度测量方法包括超声波检测、红外热成像、太赫兹（THz）技术和涡流（EC）技术[3],[4]。在这些技术中，THz系统具有最高的检测精度。然而，其工业应用面临一些关键限制，如设备成本高昂、系统体积庞大、测量吞吐量有限以及在复杂操作环境中的性能下降。涡流以“场”的形式产生，TC的不均匀微观结构不会影响TBC的测量结果。此外，该方法具有成本低、检测速度快和探头设计紧凑的特点，特别适用于关键工业场景中的质量控制和寿命管理，例如制造质量检查、表面磨损评估和设备剩余使用寿命预测[5],[6],[7]。