劉衛(wèi)　徐林　吳婧

【摘 要】對(duì)長(zhǎng)間隙工件間隙電容法檢測(cè)技術(shù)的原理進(jìn)行了闡述，開(kāi)展了檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和功能模塊設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊的設(shè)計(jì)及研制、探頭設(shè)計(jì)、檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)等研究工作，對(duì)影響檢測(cè)工藝的影響因素進(jìn)行了分析，開(kāi)展了測(cè)量系統(tǒng)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)，最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明檢測(cè)精度滿足測(cè)量要求，探頭規(guī)格符合檢測(cè)工況要求，抗干擾能力強(qiáng)，整機(jī)符合最初設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

【關(guān)鍵詞】間隙測(cè)量；電容法；標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊；探頭設(shè)計(jì)

0 引言

控制某類型長(zhǎng)間隙工件的間隙大小是該類型工件制造工藝的主要關(guān)鍵技術(shù)之一，在其制造工藝中必須對(duì)該長(zhǎng)間隙進(jìn)行100%的無(wú)損檢測(cè)。電容法測(cè)量間隙采用非接觸式測(cè)量，不會(huì)劃傷工件，測(cè)量精度高達(dá)0.03mm。采用電容測(cè)量工件間隙的原理樣機(jī)具有測(cè)量范圍廣、安全無(wú)損檢測(cè)、檢測(cè)精度高，可應(yīng)用于不同金屬材料的間隙測(cè)量。

1 電容法測(cè)量間隙的原理

探頭伸進(jìn)間隙內(nèi)，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(guān)。采用非接觸式電容法檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)此微小電容的相對(duì)測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的測(cè)量。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和功能模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的最初設(shè)計(jì)需要根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)出其大致的系統(tǒng)構(gòu)成和各自功能要求，針對(duì)本檢測(cè)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)如下：（1）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊：繪制標(biāo)定曲線、校準(zhǔn)儀器；（2）探頭：信號(hào)獲??；（3）檢測(cè)儀器：信號(hào)放大、濾波、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出；（4）數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，讀數(shù)顯示。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量塊的設(shè)計(jì)及研制

標(biāo)塊是用于繪制標(biāo)定曲線和校驗(yàn)儀器讀數(shù)用的必備部件。標(biāo)塊結(jié)構(gòu)能夠模擬被測(cè)工件的結(jié)構(gòu)，間隙范圍要含蓋我們的測(cè)量范圍，為此我們?cè)O(shè)計(jì)如下專用間隙標(biāo)塊，間隙值為1.10mm、1.15mm、1.20mm、1.25mm、1.30mm、1.35mm的標(biāo)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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是實(shí)際檢測(cè)工況下如何獲取高信噪比的電容信號(hào)，要求前級(jí)探頭傳感器的信號(hào)獲取能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，探頭結(jié)構(gòu)足夠長(zhǎng)，足夠薄。實(shí)際檢測(cè)中我們要求探頭厚度不大于0.9mm，長(zhǎng)度要求至少600mm。屏蔽線、薄片、金屬片的選擇相當(dāng)重要。我們采用直徑為0.35mm屏蔽線，埋于樹(shù)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(cè)儀器的設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀器的功能是建立電容信號(hào)與間隙值之間的邏輯關(guān)系，可是通過(guò)電容的絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的測(cè)量。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)絕對(duì)測(cè)量的電容的信號(hào)非常?。?0-5pF），且信噪比不高，電路實(shí)現(xiàn)非常困難。于是采用電橋平衡原理的相對(duì)測(cè)量方式來(lái)實(shí)現(xiàn)微小電容的相對(duì)測(cè)量。

電橋平衡將檢測(cè)探頭和平衡探頭作為電橋的兩極，當(dāng)檢測(cè)探頭和平衡探頭處于相同狀態(tài)時(shí)，電橋保持平衡，無(wú)信號(hào)輸出。當(dāng)檢測(cè)探頭伸進(jìn)間隙后，電橋平衡被打破，有電信號(hào)輸出，利用標(biāo)塊建立的標(biāo)定曲線可建立起間隙大小和輸出信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)間隙的測(cè)量。我們已經(jīng)研制出的檢測(cè)儀器，其檢測(cè)通道是由電腦控制的，具有石英晶體振蕩頻率，激勵(lì)信號(hào)頻率倍頻可調(diào)的信號(hào)檢測(cè)通道。它的激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)可調(diào)增益功率放大器后檢測(cè)探頭拾取反饋回來(lái)的電橋差異輸出信號(hào)再經(jīng)數(shù)字調(diào)零、相敏檢波、相位旋轉(zhuǎn)和可調(diào)增益放大器處理，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集單元，經(jīng)過(guò)A/D接口送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成儀器的管理、控制、計(jì)算和圖形顯示。

3 影響因素的研究

3.1 被檢工件材料對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響

由于實(shí)際電容生成的復(fù)雜性，我們必須驗(yàn)證被檢工件材料對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。具體方法是通過(guò)檢測(cè)不同材料相同間隙的工件，對(duì)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)得出結(jié)論。實(shí)驗(yàn)中，用銅材質(zhì)的標(biāo)塊標(biāo)定的儀器測(cè)試銅、不銹鋼、鐵工件的間隙，重復(fù)測(cè)量三次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示不同材料的測(cè)試數(shù)據(jù)最大偏差為0.02mm，我們認(rèn)為金屬材料對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響在檢測(cè)精度范圍之內(nèi)，可以忽略不計(jì)。

3.2 檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響

在檢測(cè)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，由于探頭很長(zhǎng)，在伸入間隙的過(guò)程中探頭晃動(dòng)比較厲害，儀器的讀數(shù)顯示數(shù)據(jù)跳動(dòng)很快對(duì)于現(xiàn)在的手動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)階段不利于數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)探頭處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，讀數(shù)穩(wěn)定而且數(shù)據(jù)顯示正確。參考以前的間隙測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，為探頭每運(yùn)動(dòng)一段距離后，處于靜止?fàn)顟B(tài)采集一個(gè)數(shù)據(jù)。所以，對(duì)于檢測(cè)速度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響，不僅要考慮到儀器本身的數(shù)據(jù)采樣率還應(yīng)結(jié)合實(shí)際檢測(cè)效果和檢測(cè)效率綜合考慮。目前我們建議采用每運(yùn)動(dòng)一段距離，當(dāng)探頭處于靜態(tài)時(shí)采集數(shù)據(jù)的方式檢測(cè)效果最可靠。

4 間隙檢測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

對(duì)間隙檢測(cè)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)主要是為了根據(jù)最初設(shè)計(jì)的技術(shù)要求測(cè)試整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度、功能要求。

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

4.1.1 儀器準(zhǔn)備

連接好電源、信號(hào)線，將測(cè)量間隙專用探頭連接到儀器上，啟動(dòng)儀器和筆記本電腦，開(kāi)啟檢測(cè)軟件進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)。

4.1.2 參數(shù)選擇

（1）進(jìn)入“布局”菜單，選擇“單阻抗平面圖”；

（2）調(diào)節(jié)參數(shù)欄中的全部參數(shù)欄，設(shè)置探頭驅(qū)動(dòng)為5。調(diào)節(jié)頻率為100K，實(shí)際可根據(jù)檢測(cè)后的信號(hào)來(lái)微調(diào)頻率；

（3）選擇設(shè)定主菜單下的探頭驅(qū)動(dòng)、探頭增益設(shè)置子菜單，調(diào)整匹配大小，使探頭校準(zhǔn)曲線為正弦波曲線；

（4）選擇設(shè)定主菜單下設(shè)定平衡中心位置子菜單，設(shè)置平衡位置；

（5）選擇采集主菜單下的開(kāi)始自菜單，進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。選擇一個(gè)平衡標(biāo)塊，將兩個(gè)檢測(cè)探頭放置于該標(biāo)塊的同一深度處。按空格按鍵，建立平衡點(diǎn)。將其中一個(gè)檢測(cè)探頭放置于平衡標(biāo)塊中，固定不動(dòng)；取出另外一個(gè)檢測(cè)探頭，放置于其它標(biāo)塊中檢測(cè)其間隙大小，并記錄不同間隙的信號(hào)幅值大?。?/p>

（6）根據(jù)不同標(biāo)塊測(cè)出的幅值點(diǎn)，輸入標(biāo)定曲線值并應(yīng)用于當(dāng)前的檢測(cè)狀態(tài)。

4.1.3 實(shí)施檢測(cè)

（1）檢測(cè)標(biāo)塊若讀數(shù)與標(biāo)塊的間隙值一致，則開(kāi)始檢測(cè)實(shí)際工件；若讀數(shù)與標(biāo)塊間隙值不一致，則需要重新標(biāo)定曲線。（下轉(zhuǎn)第293頁(yè)）（上接第280頁(yè)）檢測(cè)完畢后再次測(cè)試標(biāo)定試塊驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性；

（2）關(guān)閉軟件，關(guān)閉儀器。

4.2 檢測(cè)系統(tǒng)精度測(cè)試

在檢測(cè)狀態(tài)下，重復(fù)測(cè)量不同的間隙標(biāo)塊5次，統(tǒng)計(jì)出平均值，以最大值和平均值的偏差作為檢測(cè)系統(tǒng)的精度評(píng)價(jià)。

4.3 儀器評(píng)價(jià)

針對(duì)1.15mm～1.35mm范圍間隙測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出，最大偏差出現(xiàn)在規(guī)格為1.35的銅材料間隙塊的測(cè)量數(shù)據(jù)中，最大偏差為0.03mm。探頭規(guī)格符合檢測(cè)工況要求，抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)據(jù)的采集分手動(dòng)式和自動(dòng)式，且?guī)в熊浖詣?dòng)統(tǒng)計(jì)處理數(shù)據(jù)功能。整機(jī)符合最初設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。

5 結(jié)論

電容法間隙檢測(cè)系統(tǒng)原理創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了小、長(zhǎng)間隙的高精度非接觸式測(cè)量。已經(jīng)研制出的原理樣機(jī)、專用測(cè)量探頭和間隙標(biāo)塊，測(cè)量精度高達(dá)0.03mm。該檢測(cè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，使用方便，體積小，可適用于核能、機(jī)械、航天航空等領(lǐng)域中的小、長(zhǎng)、金屬間隙的測(cè)量，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]