刘 卫 徐 林 吴 婧
（中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，四川 成都 610041）
【摘 要】对长间隙工件间隙电容法检测技术的原理进行了阐述，开展了检测系统的构成和功能模块设计、标准测量块的设计及研制、探头设计、检测仪器设计等研究工作，对影响检测工艺的影响因素进行了分析，开展了测量系统的评价试验，最终实验数据表明检测精度满足测量要求，探头规格符合检测工况要求，抗干扰能力强，整机符合最初设计的技术要求。
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关键词 间隙测量；电容法；标准测量块；探头设计
０ 引言
控制某类型长间隙工件的间隙大小是该类型工件制造工艺的主要关键技术之一，在其制造工艺中必须对该长间隙进行100%的无损检测。电容法测量间隙采用非接触式测量，不会划伤工件，测量精度高达0.03mm。采用电容测量工件间隙的原理样机具有测量范围广、安全无损检测、检测精度高，可应用于不同金属材料的间隙测量。
1 电容法测量间隙的原理
探头伸进间隙内，探头与组件上下表面形成微小电容，电容的值与间隙的宽度有关。采用非接触式电容法检测技术实现对此微小电容的相对测量，从而实现对间隙的测量。
当极片电容传感器插入工件间隙时，传感器极片与间隙的上板存在电容C1，与间隙的下板存在电容C2。当两个电容C1、C2串联时，串联电容C可以用公式（1）计算。
1/C = 1/C1+1/C2（1）
其中
C1=eS/d1， C2=eS/d2 （2）
S：极片相互遮盖部分的面积，m2；
d1、d2：分别是C1、C2极板之间的距离，m；
e：极片间介质的介电常数，F/ m。
将公式（2）带入公式（1），则有：
C=eS/（d1+d2） （3）
而d1+d2即为间隙值d。由公式（3），间隙的变化将引起电容传感器电容量的变化。
2 研究内容
2.1 检测系统的构成和功能模块设计
对于一个检测系统的最初设计需要根据自己的需要设计出其大致的系统构成和各自功能要求，针对本检测系统初步设计如下：（１）标准测量块：绘制标定曲线、校准仪器；（２）探头：信号获取；（３）检测仪器：信号放大、滤波、转换、数据输出；（４）数据处理：数据分析统计，读数显示。
2.2 标准测量块的设计及研制
标块是用于绘制标定曲线和校验仪器读数用的必备部件。标块结构能够模拟被测工件的结构，间隙范围要含盖我们的测量范围，为此我们设计如下专用间隙标块，间隙值为1.10mm、1.15mm、1.20mm、1.25mm、1.30mm、1.35mm的标定试块，材料为不锈钢、黄铜和铁各一套，间隙3的上下面的平面度、平行度皆为0.01mm。
2.3 探头的设计
本系统的关键技术之一是实际检测工况下如何获取高信噪比的电容信号，要求前级探头传感器的信号获取能力强、抗干扰能力强，探头结构足够长，足够薄。实际检测中我们要求探头厚度不大于0.9mm，长度要求至少600mm。屏蔽线、薄片、金属片的选择相当重要。我们采用直径为0.35mm屏蔽线，埋于树脂电路板的沟巢中，正反面各镀金属层的方法，研制出的厚度0.09mm的传感器。
2.4 检测仪器的设计
检测仪器的功能是建立电容信号与间隙值之间的逻辑关系，可是通过电容的绝对测量和相对测量方式来实现对间隙的测量。经过理论计算和实验验证，发现绝对测量的电容的信号非常小（10-5pF），且信噪比不高，电路实现非常困难。于是采用电桥平衡原理的相对测量方式来实现微小电容的相对测量。
电桥平衡将检测探头和平衡探头作为电桥的两极，当检测探头和平衡探头处于相同状态时，电桥保持平衡，无信号输出。当检测探头伸进间隙后，电桥平衡被打破，有电信号输出，利用标块建立的标定曲线可建立起间隙大小和输出信号之间的对应关系，从而实现对间隙的测量。我们已经研制出的检测仪器，其检测通道是由电脑控制的，具有石英晶体振荡频率，激励信号频率倍频可调的信号检测通道。它的激励信号经过可调增益功率放大器后检测探头拾取反馈回来的电桥差异输出信号再经数字调零、相敏检波、相位旋转和可调增益放大器处理，然后进入数据采集单元，经过A/D接口送入计算机系统。计算机系统完成仪器的管理、控制、计算和图形显示。
3 影响因素的研究
3.1 被检工件材料对检测数据的影响
由于实际电容生成的复杂性，我们必须验证被检工件材料对测试数据的影响。具体方法是通过检测不同材料相同间隙的工件，对数据分析统计得出结论。实验中，用铜材质的标块标定的仪器测试铜、不锈钢、铁工件的间隙，重复测量三次，实验数据显示不同材料的测试数据最大偏差为0.02mm，我们认为金属材料对于检测数据的影响在检测精度范围之内，可以忽略不计。
3.2 检测速度对检测数据的影响
在检测过程中我们发现，由于探头很长，在伸入间隙的过程中探头晃动比较厉害，仪器的读数显示数据跳动很快对于现在的手动测试数据阶段不利于数据的读取。当探头处于静止状态时，读数稳定而且数据显示正确。参考以前的间隙测量系统的数据采集，为探头每运动一段距离后，处于静止状态采集一个数据。所以，对于检测速度对检测数据的影响，不仅要考虑到仪器本身的数据采样率还应结合实际检测效果和检测效率综合考虑。目前我们建议采用每运动一段距离，当探头处于静态时采集数据的方式检测效果最可靠。
4 间隙检测系统的评价实验
对间隙检测系统的评价实验主要是为了根据最初设计的技术要求测试整个检测系统的检测精度、功能要求。
4.1 实验步骤
4.1.1 仪器准备
连接好电源、信号线，将测量间隙专用探头连接到仪器上，启动仪器和笔记本电脑，开启检测软件进入检测系统。
4.1.2 参数选择
（1）进入“布局”菜单，选择“单阻抗平面图”；
（2）调节参数栏中的全部参数栏，设置探头驱动为5。调节频率为100K，实际可根据检测后的信号来微调频率；
（3）选择设定主菜单下的探头驱动、探头增益设置子菜单，调整匹配大小，使探头校准曲线为正弦波曲线；
（4）选择设定主菜单下设定平衡中心位置子菜单，设置平衡位置；
（5）选择采集主菜单下的开始自菜单，进入检测状态。选择一个平衡标块，将两个检测探头放置于该标块的同一深度处。按空格按键，建立平衡点。将其中一个检测探头放置于平衡标块中，固定不动；取出另外一个检测探头，放置于其它标块中检测其间隙大小，并记录不同间隙的信号幅值大小；
（6）根据不同标块测出的幅值点，输入标定曲线值并应用于当前的检测状态。
4.1.3 实施检测
（1）检测标块若读数与标块的间隙值一致，则开始检测实际工件；若读数与标块间隙值不一致，则需要重新标定曲线。检测完毕后再次测试标定试块验证数据的正确性；
（2）关闭软件，关闭仪器。
4.2 检测系统精度测试
在检测状态下，重复测量不同的间隙标块5次，统计出平均值，以最大值和平均值的偏差作为检测系统的精度评价。
4.3 仪器评价
针对1.15mm～1.35mm范围间隙测试的数据可以看出，最大偏差出现在规格为1.35的铜材料间隙块的测量数据中，最大偏差为0.03mm。探头规格符合检测工况要求，抗干扰能力强。数据的采集分手动式和自动式，且带有软件自动统计处理数据功能。整机符合最初设计的技术要求。
５ 结论
电容法间隙检测系统原理创新点在于实现了小、长间隙的高精度非接触式测量。已经研制出的原理样机、专用测量探头和间隙标块，测量精度高达0.03mm。该检测系统性能稳定，使用方便，体积小，可适用于核能、机械、航天航空等领域中的小、长、金属间隙的测量，具有广阔的工程应用前景。
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参考文献
［１］强锡富.传感器[M].3版.机械工业出版社，2001.
［２］方敏佩.新编传感器原理、应用、电路详解[M].电子工业出版社，1994.
［３］杨三序.基于四相检测技术的微电容传感器[J].传感器技术，2003
［责任编辑：邓丽丽］