加普曼Gen3电子间隙测量

飞机应用系统

多年来，飞机装配和结构部件制造商一直

使用传统接触方法（塑料垫片、塞尺、步进规等）

测量商业和最终组装过程中的间隙

军用飞机。金属/金属、金属/碳纤维之间的数百个间隙

必须测量增强聚合物（CFRP）和CFRP/CFRP表面，并且

在生产过程中进行控制，以确定是液体填隙还是固体填隙

是必需的。这些差距可以在以下各种应用中找到：

贯穿飞机结构，从前排乘客门到垂直方向

稳定器。（典型应用见图1）

图1：典型飞机间隙测量位置

2.

过程控制改进推动了新的间隙测量技术

由于工艺改进方法标准化程度的提高，如：

SPC和六西格玛，从阿莱尼亚到

洛克希德公司正在调整其测量仪器的输出规格

供应商。新标准要求测量、数据采集和

记录越来越多的物理测量，如：

制造和装配过程中的间隙、孔和平行度。

传统的间隙测量方法，如塞尺和塑料垫片

无法满足新的精度和重复性质量规范，并且无法

以自动记录和存储无错误数据。

工程师们还发现了这些设备的局限性和主要可靠性问题

旧方法。垫片和塞尺精度不足。塑料

垫片的厚度可以变化7.6微米，这些垫片和塞尺都可以

无法满足所需的操作员对操作员重复性水平。此外

由于垫片因不断摩擦而磨损，精度随时间降低

也可能对目标表面造成损坏的硬表面。

现在，这些用户通常会对以下各项进行方差分析：

组（ANOVA）量规重复性和再现性研究（量规

R&R），以比较传统测量方法与

更现代的方法，如数字电容式非接触式间隙传感器

仪器。一家领先的飞机结构制造商最近进行了测试

得出的结论是，塞尺不能满足其六西格玛要求。

具体而言，他们的仪表R&R得出结论，机械仪表总计占45%

电容式间隙计的测量色散为20%或更高。自从

测隙规显示测量色散大于要求

六西格玛最低30%，他们被迫改变。解决办法是：

使用Gapman 电容式间隙测量系统，他们称之为

“电子塞尺”。（参见图2。）

3.

图2:Gapman的照片 带远程弹簧接触棒的Gen3

Capacitec GapmanGen3的开发

Capacitoc专注于电容测量，这是核心技术

仅用于其非接触位移、间隙、孔和

平行度传感器和传感器系统。

操作原理

电容电抗与传感器和

目标，而用于进行距离测量的物理原理是基于

传感器与其目标之间的电容变化。参见图3

图3：电容技术

4.

用两个电容式位移传感器测量飞机结构间隙

背靠背安装在扁平棒的末端。每个传感器都有一个中央传感器

典型直径为2至5 mm（0.079“至0.197”）的元件

这取决于所需的间隙范围。传感器直径越大

间隙传感器棒的线性范围越大。一个环形保护层围绕着这两个

用于将电容性电荷场聚焦到接地目标的传感器。每个

传感器具有100%屏蔽同轴电缆。

当与接地或导电目标平行放置时

传感器测量与气隙成比例的电容。当信号为

输入到专用信号调节放大器，输出范围可为

在0–10.000 VDC之间呈线性比例。此结果输出的比率为：

万分之一。例如，0.254 mm（0.010”）的满刻度范围

除以10000，输出分辨率为250纳米/mVdc（1

微英寸/mVdc）。

传感器棒技术发展

非接触半刚性刀

20世纪80年代，核燃料棒制造商对

机械接触使用的可靠性、准确性和整体性能

测量燃料棒中数百根单个燃料棒之间的薄间隙的量规

组件。参见图4。Babcock&Wilcox、西屋电气、阿海珐和其他公司

与Capacitec接触，利用他们的经验开发新的技术方法

具有电容测量经验。

图4：典型核燃料棒束

5.

由此产生的电容设计包括：由此产生的电容性设计包括上述两种电容性设计

非接触式位移传感器，安装在金属的相对侧

sabre并校准为两个定制电容放大器。燃料束之后

组装后，这些半柔性半米长间隙测量刀

在几个位置自动插入16排燃料棒之间

沿着燃料束的6米高度。基于这项新技术的成功

设计的可靠性、重复性、高精度和耐用性电容式非接触式间隙测量系统现在是标准测量技术

适用于全球燃料棒制造商。

柔性传感器棒

柔性间隙测量棒的开发诞生于该专业

薄膜液体涂层工业。由于对更均匀和更薄的要求

胶片产品加速，3M、柯达和杜邦等制造商需要

寻找新的方法来控制2至3米范围内的涂层稠度

专业涂布机。研究证明了涂层之间的直接关系

厚度一致性和在涂布机模具中设置非常精确的间隙的能力

在生产之前。Capacitec被邀请开发新的定制非常

薄型柔性间隙传感器棒，以代替塑料垫片。

由此产生的槽模涂布机间隙测量系统允许用户：

在涂布机模具上保持±0.25微米（10微英寸）的均匀性

帮助他们更好地控制纳米级涂层厚度。见图

5.

图5：带有杆定位支架的极薄柔性杆

6.

这些灵活的Kapton®间隙传感器棒进一步适用于：

盖普曼 以满足准确、自动化的要求

测量飞机结构中的间隙。

自接地半刚性接触刀

设计了自接地半刚性接触刀，以响应GE

PowerGen要求开发更好的方法来测量风扇之间的间隙

燃气轮机中的叶片和外壳。同样，塞尺是

现有测量方法，不符合量规R&R和六西格玛

文件要求。Capacitec在这方面面临的特殊挑战

应用是如何测量导电和非导电之间的间隙

目标解决方案是创建弹簧接触棒，其中

匹配的上下自接地移动金属弹簧用作

导电目标。该系统消除了对地面目标的需求，同时：

为可靠的间隙测量提供了新的解决方案，其中一个或两个目标

是不导电的。进一步开发了该技术，以与

加普曼 在整体和远程支架配置中。参见图6。

加普曼 带整体弹簧的Gen2

接触刀

加普曼 带远程弹簧的Gen3

接触刀

图6：加普曼 带有自接地弹簧触点sabre的配置

7.

传感器选择

电容式间隙传感器棒型号选择由应用程序驱动和选择

参考以下因素：最小间隙、间隙范围、目标材料

组合（金属/金属、金属/CFRP、CFRP/CFRP），难以接近

有几十种标准型号的柔性棒和弹簧

联系sabres，并根据以下选项开发定制模型：

客户需求。

柔性棒

Kapton®柔性棒通常用于测量最薄的间隙和

其中棒的柔性提高了对目标的可达性。这个

GPD-（3X1）I-A-225型中可以找到最薄的帽测量值

其范围为0.15毫米（0.006英寸）至1.0毫米（0 0.0394英寸）。大众

型号GPD-4.5（.0075）-A-250的范围为0.20毫米（0.0078英寸）至3.0毫米

(0.118”). 可以指定其他型号的范围最大为10 mm（0.394）。

薄传感器棒GPD-（3X1）I-A-225

尺寸：14毫米x 225毫米x 0.150毫米

（0.55英寸x 8.85英寸x 0.006英寸）

薄传感器棒GPD4.5（.0075）-A-250

尺寸：14毫米x 250毫米x 0.190毫米

（0.55英寸x 9.8英寸x 0.0075）

图7：典型的标准柔性棒选项

图8：加普曼 Gen3，带集成柔性棒，测量非常薄的间隙

CFRP/CFRP

8.

自接地弹簧接触棒

弹簧接触棒通常用于以下应用：一个或两个

目标是不导电的；目标尺寸小于2mm或

目标不规则。这些也是CFRP/CFRP最常用的选择

最小间隙大于0.64 mm（0.025“）的应用。弹簧接触

GPD-5（0.22）-A-150型棒的范围为0.64毫米（0.025英寸）至3.0毫米

而GPD-10（.034）-A-350的范围为0.86毫米（0.034”）至10.0

毫米（0.394英寸）

弹簧接触棒GPD-5（0.22）-A 150

尺寸：14毫米x 150毫米x 0.86毫米

（.551英寸x 5.9英寸x 0.034英寸）

弹簧接触棒GPD-10（0.34）-A-350

尺寸：27毫米x 350毫米x 0.86毫米

（1.063英寸x 13.8英寸x 0.034英寸）

图9：典型弹簧接触棒选项

对于较大的间隙，如后缘襟翼和机翼之间的间隙，其中：

间隙通常为25mm±5mm（1“±0.2”），可提供定制棒。在里面

这个案子来自加普曼第1代（模拟）至

加普曼 第2代（数字）至

加普曼 第三代（串行/无线）

图11:Gapman 第1代至第3代

加普曼 Gen2

盖普曼 Gen2型号于1996年推出，带有柔性棒

远程与整体配置以及弹簧接触棒的可用性为：

稍后介绍。今天，大多数商用和军用飞机制造商

全球范围内使用Capacitoc Gapman Gen2：测量和控制以下差距：

通常范围为0.20毫米至3.0毫米（0.0078“-0.118”）。在尾部装配中

部分，一个Gapman 使用带有柔性棒的Gen2测量20 cm的间隙

组件内部的（7.87“）。还可以看到一根柔性棒进入

难以接近的目标见图12。

图12:Gapman 第二代显示了活动的柔性棒

10

自接地弹簧接触刀通常用于测量之间的间隙

由CRFP组成的一侧或两侧的目标。在另一个应用中

Gapman的间隙读数示例 Gen2被发送到CNC机床，该机床

制造定制垫片，可完美地安装在两个结构之间的空隙中

飞机的部件。

加普曼第三代

Gapman®Gen3于2010年末推出

“下一代”Gapman®Gen3的增强功能具有更高的分辨率

输出（0.00001）/0.254µm），具有±0.05%FS（12.7µm）的典型精度

GPD-5F棒；10000+数据点记录和存储能力；电池寿命

加倍（现在至少22小时，使用3节AA锂电池）；简化

允许控制外部按钮功能的PC用户界面软件，以及

通过USB或Zigbee无线传输存储间隙测量数据。

紧凑的外形尺寸仅为2.2英寸x 8.7英寸x 1.1英寸（56 x 220 x 28毫米）

Gapman®Gen3重量不到一磅（454克），其特点是：

用于位置补偿测量的高精度双电容传感技术与其前身相同，其组件安装在

工厂地板经过测试，高度坚固的外壳。使用标准和定制传感器

探头向后兼容，Gapman®Gen3便于插入

间隙薄至0.150毫米（0.006英寸）。

Gapman®Gen3记录和存储数据点，以便在

支持六西格玛和其他质量体系。其他“下一代”

增强功能包括亮蓝色字母数字有源矩阵OLED显示器；

毫米/英寸的外部菜单选择按钮；校准按钮，用于

调整到已知间隙的标准；包括行业标准

USB Type A组合数据输出和外部电源端口。凭借其用户友好的设计增强，可以使用“下一代”Gapman®Gen3

为了在更广泛的飞机应用范围内有效地测量间隙，

包括飞机制造和组装操作；金属和刚性

11

复合材料表面（CFRP）和飞机发动机及重建。其他应用

包括柔性太阳能电池板叠片；涂布机辊对辊平行度；电影

生产以及任何其他非接触式间隙测量应用

其特征在于最小的间隙公差和复杂的装配。

罗伯特·福斯特（右）是Capacitec的创始人和总裁

Bryan Manning（左）是Capacitec欧洲公司的商业总监