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】目前，测量某类型长间隙工件间隙的大小采用的方法有非接触式电容法和接触式电磁法。分别对这两种检测技术的原理进行了阐述，对各自的优缺点进行了对比研究，对两种方法的检测结果数据进行了系统不确定度分析和对比。
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关键词 间隙测量；电容法；电磁法
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。该类型工件间隙设计参数一般为几个毫米，间隙整体长度可达1米以上。目前采用的长间隙测量方法主要有非接触式电容法和接触式电磁法，为实现上诉类型工件间隙的高精度测量，因此开展了该两种测量方法的对比研究。
1 测量原理对比
1.1 电磁法测量原理
霍尔片在磁场中，通以恒流，产生感生电动势的现象称为霍尔效应。其数学表达式为：
U=KIB（1）
式中，U 为感生电动势；K为霍尔片参量，由霍尔片本身决定（在温度一定时，为定值）；I为恒流；B为霍尔片所处磁场。
间隙测量专用探头上所载霍尔片和磁片的间距值与间隙值一一对应，决定了霍尔片所处磁场B；在室温下，探头通以恒流I，产生的感生电动势U由霍尔片所处磁场B决定。因此，通过检测感生电动势可得对应的间隙值。
1.2 电容法测量原理
探头伸进工件间隙内，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。通过对微小电容的相对测量，从而实现对工件间隙的测量。
当极片电容传感器插入工件的间隙时，传感器极片与间隙的上板间距离d1，电容C1；传感器极片与间隙的下板间距离d2，电容C2。两个电容C1、C2串联为串连形式，C1和C2串连电容之和定义为C，C的大小只与间隙值d1+ d2之和有关，理论推导公式如下：
C1=eS/ d1 （2）
C2 =eS/ d2 （3）
1/C = 1/ C1+1/ C2（4）
C：传感器极片与间隙的上板间电容，F；
d1：传感器极片与间隙的上板间距离，m；
S： 传感器极片与上下板互相遮盖的面积，m2；
e：空气介电常数，F/ m。
C2：传感器极片与间隙的下板间电容，F；
d2：传感器极片与间隙的上板间距离，m；
将公式（1）和（2）带入公式（3）则有：
C=eS/（d1 + d2）（5）
从公式（4）中可以看出， C的大小只与间隙值d1+ d2之和有关。通过对C的测量即可实现对工件间隙的测量。
2 测量技术优缺点对比
电容法和电磁法测量技术优缺点对比：（１）测量方式：电磁法采用接触式测量法，完成的是点对点的测量；电容法采用非接触式测量，完成的是面对面的测量。（２）探头测量方式：电磁法由于采用接触式测量法，探头容易损伤；由于采用非接触式测量，探头耐磨性较好，不易损坏。（３）检测效率：电磁法采用双通道进行数据采集，效率高；电容法采用单通道采集，效率较低。（４）测量值反应的意义：电磁法测值仅与被测件（非磁材料）的结构有关，反映的是空间间隙；电容法测值反映的是金属层之间的距离，且被测件必须是金属。（５）抗干扰性能：电磁法没有进行如温度补偿电路等抗干扰电路的设计，抗干扰能力较差；电容法设计了平衡探头，仪器漂移较小，带调零、校准功能，稳定性好，抗干扰能力较强。（６）自动化程度：电磁法设计了传动装置，可以进行自动化测量；电容法没有传动装置，目前采用手工测量。
3 系统误差分析及检测结果数据对比
系统误差分析：
测量标准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，切需要有足够高的精度以确保标定曲线的正确性和校验仪器的可靠性。为此我们设计了如下专用间隙标块。间隙值为1.60mm、1.65mm、1.70mm、1.75mm、1.80mm、1.85mm、1.90mm、1.95mm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。以下试验数据均采用测量标准块进行测定。
（1）电磁法系统精度实验
通过大量标准测量块进行间隙测量，实验结果显示：间隙测量系统误差不大于±0.03mm，仪器稳定性好，重复多次检测，其相对应各点的数据不超过±0.03mm。
（2）电容法系统精度实验
实验均采用间隙标准测量块的测试数据。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。
选择偏差最大的一组测量数据如下：
最大值：1.39mm；最小值：1.35mm；平均值：1.36mm；最大偏差：0.03。
根据GJB3756—99《测量不确定度的表示与评定》，一般情况下，样本N＜6时，推荐使用极差法计算实验标准偏差。
4 结论
目前，长间隙工件间隙测量所采用的电容法和电磁法两种测量技术，具有仪器稳定可靠，测量精度高，操作方便，输出数据齐全直观，自动化程度高等特点，总测量误差小于±0.03mm，是间隙检测可行并且较好的方法。
目前的研究方向应不断改进电容法测量技术，并采用电容法代替电磁法。改进的方面有：探头尺寸改进，自动检测方法设计，数据采集软件编制等，还需要进一步深入研究，更好的为科研生产服务。
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参考文献
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［责任编辑：邓丽丽］