Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів
This paper investigates the parameters of orthogonal eddy current transducers (ECTs) for measuring dielectric coating thickness on electrically conductive substrates—a critical task for ensuring product durability and material savings in mechanical engineering, aerospace, and energy applications. Th...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.76 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1872552517732139008 |
|---|---|
| author | Khomiak, Yurii Noskov, Mykyta |
| author_facet | Khomiak, Yurii Noskov, Mykyta |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Yurii Khomiak",
"institution": "NTU «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine"
},
{
"author": "Mykyta Noskov",
"institution": "NTU «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine"
}
] |
| author_sort | Khomiak, Yurii |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-08-03T14:14:28Z |
| description | This paper investigates the parameters of orthogonal eddy current transducers (ECTs) for measuring dielectric coating thickness on electrically conductive substrates—a critical task for ensuring product durability and material savings in mechanical engineering, aerospace, and energy applications. The study aims to determine how transducer geometry, excitation frequency, and lift-off influence the useful signal amplitude and signal-to-noise ratio (SNR). Experiments were performed using three ECT variants of different sizes on brass, aluminum, and steel substrates. The results show that the signal amplitude changes monotonically with lift-off, exhibiting maximum sensitivity at small gaps. Signal normalization reveals that the calibration curves are practically frequency-independent, enabling a common normalized characteristic for transducers of the same type. SNR analysis indicates a maximum near 800 kHz for small-sized ECTs, whereas larger transducers peak within the 200–400 kHz range. Furthermore, the upper limit of measurable coating thickness is determined by the width of the active zone b, requiring larger transducers for thicker coatings. The practical significance of this work lies in optimizing the frequency and geometric parameters of ECTs to improve measurement accuracy, simplify high-frequency circuitry, and reduce material waste during quality control. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2026.1.76 |
| first_indexed | 2026-08-04T01:00:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 176 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
76
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
УДК 621.317.39:620.179.14:539.216
ПАРАМЕТРИЧНИЙ АНАЛІЗ ОРТОГОНАЛЬНОГО
ВИХРОСТРУМОВОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
ДЛЯ КОНТРОЛЮ ТОВЩИНИ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ПОКРИТТІВ
Контроль товщини діелектричних покриттів на
електропровідних основах є важливим для забез-
печення довговічності та надійності виробів у ма-
шинобудуванні, авіації, енергетиці та транспорті.
Покриття (лакофарбові, полімерні, оксидні, компо-
зиційні) виконують захисну та функціональну ролі,
а їхня товщина визначає ефективність цих властивос-
тей. Відхилення від нормативних значень призводить
до погіршення експлуатаційних характеристик і пе-
ревитрати матеріалів [1].
Перспективним методом контролю покриттів є
вихрострумовий, який характеризується безконтакт
ністю, швидкодією, чутливістю до змін електромаг-
нітних параметрів об’єкта контролю та придатні стю
до автоматизації. Вихрострумові методи ефективні
для контролю покриттів — як діелектричних, так і
електропровідних, а також параметрів самих про-
відних матеріалів [1] – [3]. Водночас через те, що
в процесі вимірювання товщини непровідних по-
криттів сигнал формується опосередковано за змі-
ною умов індукції вихрових струмів у провідній
основі, результати залежать від частоти, власти-
востей матеріалу, геометрії котушок, зазору та рів-
ня шумів [2], [3].
У роботах [1], [4] – [6] розглянуто підходи до під-
вищення точності вихрострумової товщинометрії,
зокрема багатопараметричну обробку сигналів і ба-
гаточастотні режими збудження. Встановлено, що
на результати вимірювання істотно впливають зазор
(lift-off), електромагнітні властивості основи та час-
тота сигналу.
Проведено параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелек-
тричних покриттів на електропровідній основі. Розглянуто вплив частоти збудження, зазору між перетворюва-
чем і поверхнею об’єкта контролю, а також геометричних розмірів перетворювача на амплітуду вихідного сигналу
та співвідношення сигнал/шум. Показано, що інформативний сигнал формується внаслідок зміни електромагнітного
зв’язку між замкненими контурами збуджувальної та приймальної обмоток і провідною основою через діелектрич-
ний шар. Експериментально встановлено, що нормовані градуювальні характеристики, отримані для різних частот,
мають близьку форму, а найбільша чутливість спостерігається при малих зазорах. За результатами вимірювань об-
ґрунтовано раціональність діапазону частот 200 – 400 кГц для перетворювачів більших розмірів та показано, що
верхня межа контрольованої товщини визначається шириною робочої зони перетворювача.
Ключові слова: вихрострумовий контроль, діелектричне покриття, товщинометрія, ортогональний перетворювач,
зазор, сигнал/шум.
Перспективним напрямом є застосування ор-
тогональних та обертових конфігурацій котушок
[7] – [9], які зменшують паразитний зв’язок між об-
мотками та підвищують чутливість. У роботі [10]
показано зростання селективності сигналу у разі
викори стання ортогональних структур. Разом з тим,
на характеристики поля та точність вимірювання
суттєво впливають геометричні параметри перетво-
рювача [11], [12].
Отже, щоб зробити вимірювання товщини покрит-
тів точнішими та надійнішими, необхідно оптимізу-
вати геометричні параметри ортогональних вихро-
струмових перетворювачів (ВСП), удосконалити кон-
фігурацію котушок та врахувати їхній вплив на ха-
рактеристики поля й селективність сигналу.
Метою цієї роботи було встановлення закономірно
стей впливу частоти збудження, зазору та геометрич-
них параметрів ортогонального вихрострумового пе-
ретворювача на амплітуду вихідного сигналу і спів-
відношення сигнал/шум для вибору раціональних ре-
жимів контролю товщини діелектричних покриттів
на електропровідних основах.
Досягнення мети передбачало розв’язання таких
завдань: визначення залежностей амплітуди сигна-
лу від зазору для різних матеріалів основи; норму-
вання отриманих характеристик для коректного по-
рівняння; оцінювання частотної залежності співвід-
ношення сигнал/шум; встановлення впливу розмі-
рів ВСП на робочий діапазон вимірювання товщи-
ни покриття.
DOI: 10.15222/TKEA2026.1.76
Юрій ХОМЯК, Микита НОСКОВ
Україна, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 77ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
77
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
Принцип дії вихрострумового методу
Метод базується на взаємодії змінного електро-
магнітного поля, яке створюється збуджувальною
котушкою, з вихровими струмами, що індукуються
в електропровідній основі об’єкта контролю. У ви-
падку абсолютного двообмотувального перетворю-
вача інформативний сигнал виникає внаслідок зміни
комплексного імпедансу системи Z та взаємної індук-
тивності між обмотками при введенні провідного пів-
простору в область дії поля. Комплексний імпеданс
перетворювача може бути представлений у вигляді
Z = R + jωL, (1)
де R — активний опір;
L — індуктивність;
ω — кругова частота, ω = 2πf ;
f — частота.
Наявність діелектричного шару товщиною h при-
зводить до збільшення ефективної відстані між збу-
джувальною котушкою та провідною основою, що зу-
мовлює зміну амплітудних і фазових характеристик
сигналу, подібну до ефекту варіювання зазору. Для
якісного опису зменшення електромагнітного зв’язку
при збільшенні товщини діелектричного шару вико-
ристано наближену експоненціальну модель
Z(h) = Z0 exp(– h/ δ), (2)
де Z0 — сигнал за нульового ефективного зазору;
δ — характеристична глибина проникнення поля.
Це співвідношення не розглядається як точне
аналітичне розв’язання задачі для реальної геоме-
трії ВСП, а використовується як фізично обґрунто-
вана апроксимація монотонного спадання сигналу зі
збільшенням відстані між обмотками перетворювача
та провідною основою, для якої
2δ ,
ωμσ
= , (3)
де μ, σ — магнітна проникність та електропровід-
ність основи відповідно.
З наведених залежностей випливає, що зі зро
станням частоти збуджувального сигналу глибина
проникнення електромагнітного поля зменшуєть-
ся, тоді як чутливість до тонких діелектричних по-
криттів підвищується. Водночас спостерігається по-
силення впливу шумових компонентів і поверхневої
неод норідності матеріалу. У зв’язку з цим, вибір опти-
мальної частоти має здійснюватися з урахуванням
ком промісу між досягненням високої чутливості та
забезпеченням стабільності вимірювального сигналу.
Слід зазначити, що у реальних умовах розподіл
вихрових струмів є просторово неоднорідним, і точ-
ність визначення товщини покриття залежить не лише
від величини h, а й від електромагнітних характери
стик підкладки та конструктивних особливостей ви-
хрострумового перетворювача [1].
Конструкція ортогонального ВСП
Збуджувальна та приймальна обмотки вихростру-
мового перетворювача розміщували відповідно до
схеми, наведеної на рис. 1.
Збуджувальна та приймальна обмотки ортогональ-
ного ВСП утворюють два замкнені електричні кон-
тури, взаємне розташування яких вибирається так,
щоб мінімізувати прямий електромагнітний зв’язок
між ними. Ділянки обмоток 3 і 7, а також 4 і 8 орієн-
товані взаємно ортогонально, внаслідок чого елек-
трорушійна сила в них не індукується. Водночас ді-
лянки 5 і 6 збуджувальної котушки створюють у про-
відниках 9 і 10 приймальної котушки електрорушій-
ні сили (ЕРС) однакової величини, але протилежно-
го напряму [7] – [9]. За відсутності об’єкта контролю
геометрія ортогонального розташування забезпечує
наближене взаємне компенсування компонентів маг-
нітного потоку збуджувальної обмотки, що зчіплю-
ються з приймальним контуром, тому сумарна ЕРС
приймальної обмотки наближається до мінімально-
го рівня, який визначається залишковою асиметрі-
єю конструкції, неточні стю намотування, паразитни-
ми ємнісними зв’язками та шумами вимірювального
тракту. При наближенні перетворювача до електро-
провідної основи у ній індукуються вихрові струми,
вторинне електромагнітне поле яких порушує умо-
ви компенсації та формує інформативну компонен-
ту вихідного сигналу. У підсумку ЕРС, індуковані в
елементах приймальної обмотки окремими ділянками
збуджувальної котушки, компенсують одна одну, що
призводить до нульового сумарного сигналу. Отже,
якщо перетворювач виготовлено з високою точні стю
та має симетричну конструкцію, то за відсутності
об’єкта контролю в зоні вимірювання сигнал на ви-
ході приймальної котушки не виникає.
Розглянемо вплив об’єкта контролю, який має
захисне покриття товщиною h, виконане з неелек-
Рис. 1. Схематичне подання взаємного розташування
замкнених контурів збуджувальної та приймальної
обмоток ортогонального ВСП:
1, 2 — збуджувальна та приймальна котушки; 3 ... 6 — ділян-
ки збуджувальної котушки 1; 7... 10 — ділянки прий мальної
котушки 2; Н
— вектор напруженості електромагнітного
поля (формується збуджувальною котушкою ВСП за відсут-
ності об’єкта контролю)
Н
Н
Н
Н
1
I = I0 sin ωt
3
5 9
7
6 10
4
8
90°
2
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 178 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
78
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
тропровідного та неферомагнітного матеріалу, на
структуру електромагнітного поля, що створюєть-
ся збуджувальною котушкою вихрострумового пе-
ретворювача. Припустимо, що на поверхні покрит-
тя розташовані відповідні ділянки збуджувальної 6
та приймальної 10 обмоток, як показано на рис. 2
(Wз, Wп — кількість витків збуджувальної та прий
мальної котушок відповідно).
Така конструктивна схема забезпечує значне по-
слаблення прямого електромагнітного зв’язку між
збуджувальною та приймальною обмотками. В умо-
вах ідеальної симетрії перетворювача вихідний сиг-
нал приймальної котушки за відсутності об’єкта
контролю прямує до нульового рівня, тоді як корис-
на складова формується переважно під впливом вто-
ринного електромагнітного поля, зумовленого вихро-
вими струмами в провідній основі.
ВСП для досліджень виготовлювався намотуван-
ням мідного проводу типу ПЕВ1 на спеціально роз-
роблені діелектричні каркаси з оргскла із заготовле-
ними пазами для взаємно перпендикулярного розта-
шування обмоток. Така конструкція забезпечує ста-
більність геометричних параметрів і дотримання ор-
тогональної орієнтації збуджувальної та приймаль-
ної котушок. Після завершення намотування балан-
сувалися незакріплені ділянки обмоток, що мінімізу-
вало паразитний електромагнітний зв’язок між ними.
Застосування такого підходу є важливим для розши-
рення динамічного діапазону перетворювача та під-
Рис. 2. Спрощена модель взаємодії ортогонального ВСП
з електропровідною основою через діелектричне покриття
товщиною h
1
610
2
90°
Wз Wп
h
Конструктивні параметри досліджуваних ВСП
№
ВСП
Кількість
витків / діаметр
проводу обмотки
Розміри
обмоток,
мм
Розміри
каркасу
(a×b×c),
ммзбуджу-
вальної
вимірю-
вальної
1
5 /
0,07 мм
35 /
0,15 мм
12×11,5 10×10×14
2 16,5×15 12×12×16
3 40×40 30×30×42
Рис. 3. Конструкція досліджуваного ортогонального ВСП:
а — геометричні параметри діелектричного каркаса;
б — розміщення обмоток на каркасі
б)
a
b c
Каркас
Обмотки
а)
вищення ефективності виділення слабкого інформа-
тивного сигналу, обумовленого наявністю діелек-
тричного покриття [11], [12]. Схему конструкції пе-
ретворювача та його зовнішній вигляд наведено на
рис. 3, основні технічні параметри досліджуваних
зразків — у таблиці.
Методика проведення експерименту
Експериментальні дослідження проводилися із
застосуванням вимірювального стенда, структурну
схему якого наведено на рис. 4.
За допомогою органів керування генератора G
(Г3112) формувалася синусоїдальна напруга із зада-
ними значеннями частоти та амплітуди. Для кожного
встановленого значення частоти струм збудження пе-
ретворювача задавався на основі показів мілівольт
метра PV1 (В338Б), яким вимірювалося падіння на-
Рис. 4. Структурна схема експериментального стенда для
вимірювання сигналу ортогонального ВСП:
G — генератор гармонійного сигналу; Т1 — узгоджувальний
трансформатор; R1 — прецизійний резистор (шунт для кон
тролю струму збудження); DA1 — інтегральний підсилювач;
PV1, PV2 — вольтметри; OSC — осцилограф
G
mV
R1T1
G
ВСП DA1
1 2
PV1
OSC
PV2
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 79ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
79
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
ється експоненціальним спаданням електромагнітно-
го поля у провідному середовищі, що узгоджується з
оцінкою за глибиною проникнення.
За малих значень зазору щільність вихрових стру-
мів у поверхневому шарі металу є максимальною, що
забезпечує найбільшу зміну магнітного потоку, зче-
пленого з контуром приймальної обмотки. Зі збіль-
шенням зазору індукція вихрових струмів послаблю-
ється, що призводить до зменшення інформативної
компоненти сигналу.
пруги на прецизійному резисторі R1 (типу С211, 1 Вт,
1 Ом, ± 0,5%), що використовувався як шунт. У всьо-
му досліджуваному діапазоні частот — від 10 до
1000 кГц — струм збудження підтримувався на рівні
25 мА, що дозволило коректно порівнювати резуль-
тати на різних частотах. Для узгодження параметрів
збуджувальної обмотки перетворювача з виходом
генератора застосовувався широкосмуговий транс-
форматор на феритовому кільцевому осерді. Вихід
вимірювальної обмотки з’єднувався з інтеграль-
ним підсилювачем DA1 вимірювального сигналу
з коефіцієнтом підсилення 40 дБ у частотній смузі
0 – 1 МГц. Підсилену напругу вимірювали за допо-
могою вольтметра PV2 (В727Б), для візуального
контролю форми сигналу використовувався осцило-
граф OSC (С164).
Моделями покриттів слугували діелектричні
прокладки з різних матеріалів, а електропровідних
основ — латунь, алюміній і сталь.
Програма досліджень складалася з вимірювання
амплітуди сигналу при зміні зазору на різних часто-
тах, нормування отриманих характеристик, аналізу
співвідношення сигнал/шум та оцінки впливу роз-
міру ВСП на верхню межу вимірюваної товщини.
Дослідження амплітуди сигналів ВСП на різних
частотах при зміні зазору
Досліджувані ортогональні ВСП встановлювали-
ся на поверхню металевих зразків (латунь, алюміній,
сталь). Зазор моделювався діелектричними прокладка-
ми різної товщини зі склотекстоліту, плексигласу, лавса-
ну, гетинаксу. Товщина контролювалася мікрометром.
У ході експериментів було проаналізовано вплив
частоти живлення перетворювача на амплітуду ко-
рисного сигналу. Частота генератора встановлювала-
ся дискретно: 50, 100, 200, 400, 600, 800 та 1000 кГц.
На рис. 5 наведено амплітудні залежності сигна-
лу від зазору z для трьох досліджуваних ВСП на алю-
мінієвій основі, конструктивні характеристики яких
наведено вище у таблиці. Аналогічні серії вимірю-
вань були виконані також для латуні та сталі. Вони
підтвердили однаковий характер зміни амплітуди U
сигналу при збільшенні зазору z, однак відрізнялися
абсолютними значеннями амплітуди, що зумовлено
різними електромагнітними властивостями матеріа-
лів основи. (Алюміній обрано як репрезентативний
немагнітний електропровідний матеріал, для якого
вплив магнітної проникності основи є мінімальним,
а зміна сигналу визначається переважно електропро-
відністю та геометричним lift-off [7] – [9].)
Отримані залежності свідчать про монотонне
зменшення амплітуди сигналу зі збільшенням зазо-
ру між перетворювачем і електропровідною осно-
вою. Фізично це пояснюється зменшенням електро-
магнітного зв’язку між полем збуджувальної обмот-
ки та вихровими струмами, індукованими у провідній
основі. Нелінійний характер залежностей обумовлю-
а)
U, мВ
1500
1000
500
0 5 10 15 20 25 30 z, мм
ВСП № 1
б)
U, мВ
2000
1500
1000
500
0 5 10 15 20 25 30 z, мм
ВСП № 2
в)
U, мВ
1500
1000
500
0 5 10 15 20 25 30 z, мм
ВСП № 3
Рис. 5. Залежність амплітуди сигналу від зазору для трьох
досліджуваних ВСП на алюмінієвій основі за різної ча-
стоти збудження (знизу вверх, у кГц): 50; 100; 200; 400;
600; 800; 1000
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 180 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
80
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
Для порівняння форми градуювальних характе-
ристик сигнал нормували за максимальною амплі-
тудою Umax. Як видно з рис. 6, залежності нормо-
ваної амплітуди сигналу від частоти в діапазоні від
50 кГц до 1 МГц практично збігаються за формою. Це
означає, що частота збудження впливає переважно на
масштаб сигналу, але не змінює характер залежнос-
ті від зазору. Такий результат має важливе практич-
не значення, оскільки дозволяє використовувати уза-
гальнену нормовану градуювальну характери стику
для перетворювачів одного типу з урахуванням час-
тотного коефіцієнта. Тобто процедура калібрування
може бути суттєво спрощена.
Залежність відношення сигнал/шум
від частоти
Необхідною умовою забезпечення коректного
функціонування вихрострумового перетворювача є
підтримання відношення амплітуди корисного сиг-
налу до рівня шумів не менше ніж 3:1. Зі збільшен-
ням цього показника підвищуються чутливість пере-
творювача та діапазон вимірювань. У зв’язку з цим
подальші дослідження були спрямовані на налашту-
вання ВСП таким чином, щоб досягти максимальної
амплітуди інформативного сигналу при одночасно-
му забезпеченні найбільшого співвідношення сиг-
нал/шум (SNR).
а)
U/Umax
0,8
0,6
0,4
0,2
0 5 10 15 20 25 30 z, мм
ВСП № 1
Рис. 6. Нормовані залежності амплітуди сигналу від зазо-
ру для трьох досліджуваних ВСП на алюмінієвій основі,
отримані в діапазоні частоти збудження від 50 кГц до 1 МГц
а)
SNR
25
20
15
10
5
0 200 400 600 800 f, кГц
1
ВСП № 1
2
3
б)
SNR
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0 200 400 600 800 f, кГц
1
ВСП № 2
2
3
в)
SNR
250
200
150
100
50
0 200 400 600 800 f, кГц
1
ВСП № 323
Рис. 7. Залежність відношення сигнал/шум від частоти для
трьох досліджуваних ВСП на основі зі сталі (1), латуні (2)
та алюмінію (3) при Z = 0
б)
U/Umax
0,8
0,6
0,4
0,2
0
ВСП № 2
5 10 15 20 25 30 z, мм
в)
U/Umax
0,8
0,6
0,4
0,2
0
ВСП № 2
5 10 15 20 25 30 z, мм
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 81ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
81
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
На відміну від амплітудних характеристик, залеж-
ності SNR на рис. 7 наведено для перетворювачів
на всіх трьох основах. Тут видно, що кожному пере-
творювачу відповідає своя частотна характеристика,
що обумовлює вибір робочого частотного діапазону.
Встановлено, що на нижній межі досліджувано-
го частотного діапазону (близько 10 кГц) рівень шу-
мів становив 4 – 5 мВ, тоді як із підвищенням часто-
ти він збільшувався і при наближенні до 1 МГц до-
сягав приблизно 100 мВ. Під час проведення вимі-
рювань струм у збуджувальній обмотці підтримував-
ся на рівні 25 мА.
Отримані залежності вказують на те, що опти-
мальний режим роботи ВСП визначається не макси-
мальним значенням амплітуди сигналу, а максимумом
співвідношення сигнал/шум. Зі збільшенням часто-
ти спостерігається одночасне зростання як корисного
сигналу, так і рівня шумів, що обумовлено паразит-
ними ємнісними зв’язками, втратами в обмотках та
частотними властивостями вимірювального тракту.
Для ВСП більших розмірів максимум спів-
відношення сигнал/шум досягається в діапазоні
200 – 400 кГц, що дозволяє розглядати цей інтервал
як раціональний робочий діапазон [9] – [12].
Отже, вибір частоти має здійснюватися за крите-
рієм максимуму інформативності сигналу.
Вплив розміру ВСП на діапазон вимірювання
товщини
Для демонстрації впливу розміру ВСП на діапа-
зон вимірювання товщини покриттів на рис. 8 наве-
дено залежності для алюмінієвої основи при частоті
200 кГц — саме ця частота відповідає раціонально-
му діапазону роботи перетворювачів більших розмі-
рів і забезпечує високе співвідношення сигнал/шум
[1], [11], [12].
Порівняння характеристик ВСП різних розмірів
показало, що геометрія перетворювача визначає ро-
бочий діапазон вимірювання товщини покриттів.
Зі збільшенням ширини b робочої зони перетво-
рювача зростає об’єм провідної області, яка взаємодіє
з електромагнітним полем, що забезпечує збережен-
ня інформативності сигналу при більших значеннях
зазору. Встановлено, що верхня межа контрольованої
товщини покриття становить приблизно (0,8 – 1,0)b.
Висновки
Дослідження показали, що ортогональний вихро-
струмовий перетворювач є ефективним засобом вимі-
рювання товщини діелектричних покриттів на елек-
тропровідних основах завдяки зменшенню прямого
наведення між обмотками та підвищенню інформа-
тивності сигналу.
Проведений аналіз дозволив сформулювати важ-
ливі закономірності, що визначають оптимальні умо-
ви роботи перетворювача, а саме:
— найбільша інформативність сигналу досяга-
ється при малих зазорах і товщині покриття, що під-
тверджує ефективність ортогонального ВСП у зада-
чах високоточного контролю;
— форма градуювальних залежностей майже не
змінюється з частотою, що спрощує калібрування
та підвищує універсальність перетворювачів одно-
го типу;
— виходячи з критерію максимального відношен-
ня сигнал/шум, для більших ВСП доцільно викори
стовувати діапазон 200 – 400 кГц, тоді як для мало-
габаритних ВСП максимум SNR досягається близь-
ко частоти 800 кГц;
— ширина робочої зони визначає верхню межу
контрольованої товщини, раціональний діапазон ви-
мірювань становить приблизно (0,8 – 1,0)b;
— вибір параметрів ВСП має враховувати геоме-
трію, частоту та умови вимірювання, що забезпечує
оптимальну інформативність сигналу.
Таким чином, параметри ВСП необхідно визна-
чати на основі комплексного урахування геометрії,
частоти та умов вимірювання. Отримані результати
можуть бути використані в процесі створення висо-
коточних товщиномірів для лакофарбових, полімер-
них, оксидних і композиційних покриттів.
Подальші дослідження доцільно спрямувати на
чисельне моделювання електромагнітного поля ор-
тогонального вихрострумового перетворювача, ана-
ліз впливу електромагнітних властивостей основи на
параметри сигналу, а також розроблення багаточас-
тотних алгоритмів обробки сигналів для підвищен-
ня точності товщинометрії діелектричних покриттів.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
[1] X. Meng, M. Lu, W. Yin, A. Bennecer, and K. J. Kirk,
“Evaluation of coating thickness using liftoff insensitivity of eddy
current sensor,” Sensors (Basel), vol. 21, no. 2, p. 419, 2021, doi:
10.3390/s21020419.
[2] S. S. Udpa, and P. O’Moore, Electromagnetic Testing, vol. 5,
3rd ed. Columbus, OH, USA: ASNT, 2004, Nondestructive Testing
Handbook.
Рис. 8. Залежність приведеної амплітуди від приведе-
ного зазору для ВСП різних розмірів (№1, №2, №3)
на алюмінієвій основі при частоті 200 кГц
U/Umax
0,8
0,6
0,4
0,2
0 5 10 15 20 25 z/b, мм
№ 2
№ 3
№ 1
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 182 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
82
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
[3] І. П. Білокур, Основи дефектоскопії, Київ, Україна:
АзимутУкраїна, 2004.
[4] A. Abdou, T. Bouchala, B. Abdelhadi, A. Guettafi, and
A. Benoudjit, “Nondestructive eddy current measurement of coating
thickness of aeronautical construction materials,” Instrumentation
Mesure Métrologie, vol. 18, no. 5, pp. 451 – 457, 2019. doi: 10.18280/
i2m.180504
[5] G. M. Suchkov, Y. V. Khomyak, S. N. Hloba, and L. C. Hieu,
“A highly stable eddy current transducer for testing the thickness of
dielectric coatings on metal articles,” Meas. Tech., vol. 59, no. 4,
pp. 369 – 373, 2016, doi: 10.1007/s1101801609736.
[6] Хомяк Ю. В., Дроздова Т. В., Корнєв І. В., та Носков
М. С., “Математичне моделювання накладного ортогонального
вихрострумового перетворювача,” Метрологія та прилади, № 2,
с. 65 – 71, 2025, doi: 10.30837/26639564.2025.2.09.
[7] T. Chen, X. Xiao, L. Zhang, C. Lv, Z. Deng, and X. Song,
“Design of orthogonal eddycurrent probe for weld crack detection,”
Int. J. Appl. Electromagn. Mech., vol. 64, no. 1 – 4, pp. 1347 – 1355,
2020, doi: 10.3233/JAE209453.
[8] L. Huang, C. Liao, X. Song, T. Chen, X. Zhang, and
Z. Deng, “Research on detection mechanism of weld defects based
on orthogonal axial eddy current probe,” Sensors (Basel), vol. 20, no.
19, p. 5515, 2020, doi: 10.3390/s20195515.
[9] Z. Xu, X. Wang, and Y. Deng, “Rotating focused field eddy
current sensing for arbitrary orientation defects detection in carbon
steel,” Sensors (Basel), vol. 20, no. 8, p. 2345, 2020, doi: 10.3390/
s20082345.
[10] M. Mussatayev, Q. Yi, M. Fitzgerald, V. K. Maes, P. Wilcox,
and R. Hughes, “Directional eddy current probe configuration for
inline detection of outofplane wrinkles,” arXiv preprint, 2023,
doi: /arXiv..
[11] M. Song, M. Li, S. Xiao, and J. Ren, “Research on the
influence of geometric structure parameters of eddy current testing
probe on sensor resolution,” Sensors (Basel), vol. 23, no. 14, p. 6610,
Jul. 22 2023, doi: 10.3390/s23146610.
[12] Z. Xu, C. Zhu, and J. Jin, “Reduction of pulsed eddy current
probe footprint using multiple coils,” J. Nondestr. Eval., vol. 43,
no. 2, 2024, doi: 10.1007/s1092102401072x.
Надійшла до редакції 20.04.2026
Прийнято до друку 4.05.2026
REFERENCES
[1] X. Meng, M. Lu, W. Yin, A. Bennecer, and K. J. Kirk,
“Evaluation of coating thickness using liftoff insensitivity of eddy
current sensor,” Sensors (Basel), vol. 21, no. 2, p. 419, Jan. 9 2021.,
doi: 10.3390/s21020419.
[2] S. S. Udpa, and P. O’Moore, Electromagnetic Testing, vol. 5,
3rd ed. Columbus, OH, USA: ASNT, 2004, Nondestructive Testing
Handbook.
[3] I. P. Bilokur, Fundamentals of Defectoscopy (in Ukrainian).
Kyiv, Ukraine: AzimutUkraine, 2004.
Yurii KHOMIAK, Mykyta NOSKOV
Ukraine, Kharkiv, National Technical University
«Kharkiv Polytechnic Institute»
PARAMETRIC ANALYSIS OF AN ORTHOGONAL EDDY CURRENT TRANSDUCER
FOR MEASURING THE THICKNESS OF DIELECTRIC COATINGS
This paper presents a parametric analysis of an orthogonal eddy current transducer for measuring the thickness of dielectric
coatings on conductive substrates. The problem of non-destructive thickness measurement of dielectric coatings is important
for the quality assurance and reliability of products in mechanical engineering, aerospace applications, power engineering,
and the transport industry. Orthogonal eddy current transducers are promising for this application due to reduced parasitic
electromagnetic coupling between excitation and receiving coils and increased sensitivity to changes in the object under test.
The influence of excitation frequency, lift-off between the transducer and the test surface, and geometrical dimensions of
the transducer on the output signal amplitude and signal-to-noise ratio is investigated. The informative signal arises from
variations in electromagnetic coupling between excitation and receiving coils through the dielectric layer and conductive
substrate. Experimental studies were conducted for three orthogonal transducers with different geometrical dimensions
using aluminum, brass, and steel substrates with dielectric spacers of different thicknesses simulating coatings. Amplitude
characteristics, normalized calibration curves, and signal-to-noise ratio curves were analyzed.
Experimental results demonstrate that normalized calibration characteristics have similar shapes across different excitation
frequencies, while the highest sensitivity is observed at small lift-off values. It is shown that excitation frequency mainly affects
the signal amplitude and signal-to-noise ratio without significantly changing the general form of the calibration characteristic.
Based on the measurements, a rational frequency range of 200 – 400 kHz is substantiated for larger transducers, and the upper
limit of measurable thickness is determined by the width of the transducer’s active zone. The obtained results may provide
a basis for optimizing orthogonal eddy current transducers in high-precision thickness measurement systems for dielectric
coatings and can be used for the development of industrial eddy current thickness gauges.
Keywords: eddy current testing, dielectric coating, thickness measurement, orthogonal transducer, lift-off, signal-to-noise
ratio (SNR).
DOI: 10.15222/TKEA2026.1.76
UDC 621.317.39:620.179.14:539.216
[4] A. Abdou, T. Bouchala, B. Abdelhadi, A. Guettafi, and A.
Benoudjit, “Nondestructive eddy current measurement of coating
thickness of aeronautical construction materials,” Instrumentation
Mesure Métrologie, vol. 18, no. 5, pp. 451 – 457, 2019. doi: 10.18280/
i2m.180504
[5] G. M. Suchkov, Y. V. Khomyak, S. N. Hloba, and L. C. Hieu,
“A highly stable eddy current transducer for testing the thickness of
dielectric coatings on metal articles,” Meas. Tech., vol. 59, no. 4,
pp. 369 – 373, 2016, doi: 10.1007/s1101801609736.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 83ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
83
МЕТРОЛОГІЯ. СТАНДАРТИЗАЦІЯ
Copyright: © 2026, The author(s). Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Відомості про авторів
Хомяк Юрій Валентинович, канд. техн. наук, доцент,
Національний технічний університет «Харківський
політехнічний інститут», Україна;
email: Yurii.Khomiak@khpi.edu.ua;
ORCID: https://orcid.org/0000000169988393
Носков Микита Сергійович, аспірант, Націо на ль ний
технічний університет «Харківський полі технічний
інститут», Україна;
email: Mykyta.Noskov@infiz.khpi.edu.ua;
ORCID: https://orcid.org/0009000222991418
About the authors
Yurii Khomiak, Ph.D., Associate Professor, National
Technical University «Kharkiv Poly technic Institute»,
Ukraine;
email: Yurii.Khomiak@khpi.edu.ua;
ORCID: https://orcid.org/ 0000000169988393
Mykyta Noskov, Ph.D. Student, National Technical
University «Kharkiv Polytechnic Institute»,
Ukraine;
email: Mykyta.Noskov@infiz.khpi.edu.ua;
ORCID: https://orcid.org/0009000222991418
[6] Y. V. Khomyak, T. V. Drozdova, I. V. Kornev, and M. S.
Noskov, “Mathematical modeling of the overlay orthogonal eddy
current transducer (in Ukrainian),” Metrology and Instruments, no. 2,
pp. 65 – 71, 2025, doi: 10.30837/26639564.2025.2.09.
[7] T. Chen, X. Xiao, L. Zhang, C. Lv, Z. Deng, and X. Song,
“Design of orthogonal eddycurrent probe for weld crack detection,”
Int. J. Appl. Electromagn. Mech., vol. 64, no. 1 – 4, pp. 1347 – 1355,
2020, doi: 10.3233/JAE209453.
[8] L. Huang, C. Liao, X. Song, T. Chen, X. Zhang, and Z.
Deng, “Research on detection mechanism of weld defects based on
orthogonal axial eddy current probe,” Sensors (Basel), vol. 20, no. 19,
p. 5515, 2020, doi: 10.3390/s20195515.
[9] Z. Xu, X. Wang, and Y. Deng, “Rotating focused field eddy
current sensing for arbitrary orientation defects detection in carbon
steel,” Sensors (Basel), vol. 20, no. 8, p. 2345, 2020, doi: 10.3390/
s20082345.
[10] M. Mussatayev, Q. Yi, M. Fitzgerald, V. K. Maes, P. Wilcox,
and R. Hughes, “Directional eddy current probe configuration for
inline detection of outofplane wrinkles,” arXiv preprint, 2023,
doi: /arXiv..
[11] M. Song, M. Li, S. Xiao, and J. Ren, “Research on the influ-
ence of geometric structure parameters of eddy current testing probe
on sensor resolution,” Sensors (Basel), vol. 23, no. 14, p. 6610, Jul.
22 2023, doi: 10.3390/s23146610.
[12] Z. Xu, C. Zhu, and J. Jin, “Reduction of pulsed eddy cur-
rent probe footprint using multiple coils,” J. Nondestr. Eval., vol. 43,
no. 2, 2024, doi: 10.1007/s1092102401072x.
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-1026 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-08-04T01:00:42Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/db/3cc06f5bc49ac70a2ad85085f844e1db.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-10262026-08-03T14:14:28Z Parametric analysis of an orthogonal eddy current transducer for measuring the thickness of dielectric coatings Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів Khomiak, Yurii Noskov, Mykyta eddy current testing dielectric coating thickness measurement orthogonal transducer lift-off signal-to-noise ratio (SNR) вихрострумовий контроль діелектричне покриття товщинометрія ортогональний перетворювач зазор сигнал/шум This paper investigates the parameters of orthogonal eddy current transducers (ECTs) for measuring dielectric coating thickness on electrically conductive substrates—a critical task for ensuring product durability and material savings in mechanical engineering, aerospace, and energy applications. The study aims to determine how transducer geometry, excitation frequency, and lift-off influence the useful signal amplitude and signal-to-noise ratio (SNR). Experiments were performed using three ECT variants of different sizes on brass, aluminum, and steel substrates. The results show that the signal amplitude changes monotonically with lift-off, exhibiting maximum sensitivity at small gaps. Signal normalization reveals that the calibration curves are practically frequency-independent, enabling a common normalized characteristic for transducers of the same type. SNR analysis indicates a maximum near 800 kHz for small-sized ECTs, whereas larger transducers peak within the 200–400 kHz range. Furthermore, the upper limit of measurable coating thickness is determined by the width of the active zone b, requiring larger transducers for thicker coatings. The practical significance of this work lies in optimizing the frequency and geometric parameters of ECTs to improve measurement accuracy, simplify high-frequency circuitry, and reduce material waste during quality control. Проведено параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів на електропровідних основах. Розглянуто вплив частоти збудження, зазору між перетворювачем і поверхнею об’єкта контролю, а також геометричних розмірів перетворювача на амплітуду вихідного сигналу та співвідношення сигнал/шум. Показано, що інформативний сигнал формується внаслідок зміни електромагнітного зв’язку між замкненими контурами збуджувальної та приймальної обмоток і провідною основою через діелектричний шар. Експериментально встановлено, що нормовані градуювальні характеристики мають близьку форму для різних частот, а найбільша чутливість спостерігається при малих зазорах. За результатами вимірювань обґрунтовано раціональний діапазон частот 200–400 кГц для перетворювачів більших розмірів та показано, що верхня межа контрольованої товщини визначається шириною робочої зони перетворювача. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2026-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.76 10.15222/TKEA2026.1.76 Technology and design in electronic equipment; No. 1 (2026): Technology and design in electronic equipment; 76-83 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1 (2026): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 76-83 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2026.1 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.76/1233 Copyright (c) 2026 Yurii Khomiak, Mykyta Noskov http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | вихрострумовий контроль діелектричне покриття товщинометрія ортогональний перетворювач зазор сигнал/шум Khomiak, Yurii Noskov, Mykyta Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| title | Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| title_alt | Parametric analysis of an orthogonal eddy current transducer for measuring the thickness of dielectric coatings |
| title_full | Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| title_fullStr | Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| title_full_unstemmed | Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| title_short | Параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| title_sort | параметричний аналіз ортогонального вихрострумового перетворювача для контролю товщини діелектричних покриттів |
| topic | вихрострумовий контроль діелектричне покриття товщинометрія ортогональний перетворювач зазор сигнал/шум |
| topic_facet | eddy current testing dielectric coating thickness measurement orthogonal transducer lift-off signal-to-noise ratio (SNR) вихрострумовий контроль діелектричне покриття товщинометрія ортогональний перетворювач зазор сигнал/шум |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.76 |
| work_keys_str_mv | AT khomiakyurii parametricanalysisofanorthogonaleddycurrenttransducerformeasuringthethicknessofdielectriccoatings AT noskovmykyta parametricanalysisofanorthogonaleddycurrenttransducerformeasuringthethicknessofdielectriccoatings AT khomiakyurii parametričnijanalízortogonalʹnogovihrostrumovogoperetvorûvačadlâkontrolûtovŝinidíelektričnihpokrittív AT noskovmykyta parametričnijanalízortogonalʹnogovihrostrumovogoperetvorûvačadlâkontrolûtovŝinidíelektričnihpokrittív |