一種用于長間隙工件間隙測量的電容法檢測技術研究

劉衛　徐林　吳婧

【摘 要】對長間隙工件間隙電容法檢測技術的原理進行了闡述，開展了檢測系統的構成和功能模塊設計、標準測量塊的設計及研制、探頭設計、檢測儀器設計等研究工作，對影響檢測工藝的影響因素進行了分析，開展了測量系統的評價試驗，最終實驗數據表明檢測精度滿足測量要求，探頭規格符合檢測工況要求，抗干擾能力強，整機符合最初設計的技術要求。

【關鍵詞】間隙測量；電容法；標準測量塊；探頭設計

0 引言

控制某類型長間隙工件的間隙大小是該類型工件制造工藝的主要關鍵技術之一，在其制造工藝中必須對該長間隙進行100%的無損檢測。電容法測量間隙采用非接觸式測量，不會劃傷工件，測量精度高達0.03mm。采用電容測量工件間隙的原理樣機具有測量范圍廣、安全無損檢測、檢測精度高，可應用于不同金屬材料的間隙測量。

1 電容法測量間隙的原理

探頭伸進間隙內，探頭與組件上下表面形成微小電容，電容的值與間隙的寬度有關。采用非接觸式電容法檢測技術實現對此微小電容的相對測量，從而實現對間隙的測量。

2 研究內容

2.1 檢測系統的構成和功能模塊設計

對于一個檢測系統的最初設計需要根據自己的需要設計出其大致的系統構成和各自功能要求，針對本檢測系統初步設計如下：（1）標準測量塊：繪制標定曲線、校準儀器；（2）探頭：信號獲取；（3）檢測儀器：信號放大、濾波、轉換、數據輸出；（4）數據處理：數據分析統計，讀數顯示。

2.2 標準測量塊的設計及研制

標塊是用于繪制標定曲線和校驗儀器讀數用的必備部件。標塊結構能夠模擬被測工件的結構，間隙范圍要含蓋我們的測量范圍，為此我們設計如下專用間隙標塊，間隙值為1.10mm、1.15mm、1.20mm、1.25mm、1.30mm、1.35mm的標定試塊，材料為不銹鋼、黃銅和鐵各一套，間隙3的上下面的平面度、平行度皆為0.01mm。

2.3 探頭的設計

本系統的關鍵技術之一是實際檢測工況下如何獲取高信噪比的電容信號，要求前級探頭傳感器的信號獲取能力強、抗干擾能力強，探頭結構足夠長，足夠薄。實際檢測中我們要求探頭厚度不大于0.9mm，長度要求至少600mm。屏蔽線、薄片、金屬片的選擇相當重要。我們采用直徑為0.35mm屏蔽線，埋于樹脂電路板的溝巢中，正反面各鍍金屬層的方法，研制出的厚度0.09mm的傳感器。

2.4 檢測儀器的設計

檢測儀器的功能是建立電容信號與間隙值之間的邏輯關系，可是通過電容的絕對測量和相對測量方式來實現對間隙的測量。經過理論計算和實驗驗證，發現絕對測量的電容的信號非常小（10-5pF），且信噪比不高，電路實現非常困難。于是采用電橋平衡原理的相對測量方式來實現微小電容的相對測量。

電橋平衡將檢測探頭和平衡探頭作為電橋的兩極，當檢測探頭和平衡探頭處于相同狀態時，電橋保持平衡，無信號輸出。當檢測探頭伸進間隙后，電橋平衡被打破，有電信號輸出，利用標塊建立的標定曲線可建立起間隙大小和輸出信號之間的對應關系，從而實現對間隙的測量。我們已經研制出的檢測儀器，其檢測通道是由電腦控制的，具有石英晶體振蕩頻率，激勵信號頻率倍頻可調的信號檢測通道。它的激勵信號經過可調增益功率放大器后檢測探頭拾取反饋回來的電橋差異輸出信號再經數字調零、相敏檢波、相位旋轉和可調增益放大器處理，然后進入數據采集單元，經過A/D接口送入計算機系統。計算機系統完成儀器的管理、控制、計算和圖形顯示。

3 影響因素的研究

3.1 被檢工件材料對檢測數據的影響

由于實際電容生成的復雜性，我們必須驗證被檢工件材料對測試數據的影響。具體方法是通過檢測不同材料相同間隙的工件，對數據分析統計得出結論。實驗中，用銅材質的標塊標定的儀器測試銅、不銹鋼、鐵工件的間隙，重復測量三次，實驗數據顯示不同材料的測試數據最大偏差為0.02mm，我們認為金屬材料對于檢測數據的影響在檢測精度范圍之內，可以忽略不計。

3.2 檢測速度對檢測數據的影響

在檢測過程中我們發現，由于探頭很長，在伸入間隙的過程中探頭晃動比較厲害，儀器的讀數顯示數據跳動很快對于現在的手動測試數據階段不利于數據的讀取。當探頭處于靜止狀態時，讀數穩定而且數據顯示正確。參考以前的間隙測量系統的數據采集，為探頭每運動一段距離后，處于靜止狀態采集一個數據。所以，對于檢測速度對檢測數據的影響，不僅要考慮到儀器本身的數據采樣率還應結合實際檢測效果和檢測效率綜合考慮。目前我們建議采用每運動一段距離，當探頭處于靜態時采集數據的方式檢測效果最可靠。

4 間隙檢測系統的評價實驗

對間隙檢測系統的評價實驗主要是為了根據最初設計的技術要求測試整個檢測系統的檢測精度、功能要求。

4.1 實驗步驟

4.1.1 儀器準備

連接好電源、信號線，將測量間隙專用探頭連接到儀器上，啟動儀器和筆記本電腦，開啟檢測軟件進入檢測系統。

4.1.2 參數選擇

（1）進入“布局”菜單，選擇“單阻抗平面圖”；

（2）調節參數欄中的全部參數欄，設置探頭驅動為5。調節頻率為100K，實際可根據檢測后的信號來微調頻率；

（3）選擇設定主菜單下的探頭驅動、探頭增益設置子菜單，調整匹配大小，使探頭校準曲線為正弦波曲線；

（4）選擇設定主菜單下設定平衡中心位置子菜單，設置平衡位置；

（5）選擇采集主菜單下的開始自菜單，進入檢測狀態。選擇一個平衡標塊，將兩個檢測探頭放置于該標塊的同一深度處。按空格按鍵，建立平衡點。將其中一個檢測探頭放置于平衡標塊中，固定不動；取出另外一個檢測探頭，放置于其它標塊中檢測其間隙大小，并記錄不同間隙的信號幅值大小；

（6）根據不同標塊測出的幅值點，輸入標定曲線值并應用于當前的檢測狀態。

4.1.3 實施檢測

（1）檢測標塊若讀數與標塊的間隙值一致，則開始檢測實際工件；若讀數與標塊間隙值不一致，則需要重新標定曲線。（下轉第293頁）（上接第280頁）檢測完畢后再次測試標定試塊驗證數據的正確性；

（2）關閉軟件，關閉儀器。

4.2 檢測系統精度測試

在檢測狀態下，重復測量不同的間隙標塊5次，統計出平均值，以最大值和平均值的偏差作為檢測系統的精度評價。

4.3 儀器評價

針對1.15mm～1.35mm范圍間隙測試的數據可以看出，最大偏差出現在規格為1.35的銅材料間隙塊的測量數據中，最大偏差為0.03mm。探頭規格符合檢測工況要求，抗干擾能力強。數據的采集分手動式和自動式，且帶有軟件自動統計處理數據功能。整機符合最初設計的技術要求。

5 結論

電容法間隙檢測系統原理創新點在于實現了小、長間隙的高精度非接觸式測量。已經研制出的原理樣機、專用測量探頭和間隙標塊，測量精度高達0.03mm。該檢測系統性能穩定，使用方便，體積小，可適用于核能、機械、航天航空等領域中的小、長、金屬間隙的測量，具有廣闊的工程應用前景。

【參考文獻】

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[責任編輯：鄧麗麗]