CN105444871A - 电容式管/杆状物体振动在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于振动测量领域，为实现金属表层的管(杆)状物体截面振动的精确在线测量，提高测量精度和可靠性，本发明采取的技术方案是，电容式管/杆状物体振动在线测量装置及方法：表贴式弧形电容传感器，包括内圈电容测量电极、中圈金属屏蔽层、外圈接地保护层；与待测管或杆外径适配的专用测量结构，其中三电极式专用测量结构为半环形固定座，三个表贴式弧形电容传感器分别于两侧和中间相隔90度贴于固定座内侧，四电极式专用测量结构为配套对接的半环形固定座和半环形活动座，四个表贴式弧形电容传感器间隔90度呈对称角度贴于固定座内侧；表贴式弧形电容传感器经同轴线缆信号传输线进行输出。本发明主要应用于振动测量。

Description

电容式管/杆状物体振动在线测量装置及方法

技术领域

本发明属于振动测量领域，特别涉及一种新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置及方法。

背景技术

电容法测量振动是近年来振动分析领域研究的热点，其原理是利用振动引起的被测物体金属表层与测量电极层之间间距变化，转化为电容电压变化，通过测量电压值得到振动位移值，具有动态响应快、温度稳定性好、测量范围大、精度高等优点。但在管(杆)状物体振动测量中，由于管(杆)金属表面存在弯曲，圆柱面上传统的电容传感器难以固定，平面电极与待测金属弧面不匹配，在某一个或几个振动方向传感器读数不准，导致测量精度不高，抗扰动能力差。

空调外机工作状况对分立式空调整机运行具有极其重要的影响，振动和噪声是评价分立式空调外机质量的重要性能指标。研究和实验表明，空调外机振动的主要来源是压缩机，由于压缩机直接通过进气管和排气管与蒸发器和冷凝器相连，因此压缩机引起的振动影响最为显著。如果机械结构设计不当，压缩机产生的振动引起交变应力，对管路系统产生极大损伤，缩短管路使用寿命，若空调外机固有频率与压缩机振动频率相近，管路系统可能产生强烈共振，严重时会造成管路断裂(见文献[1]杨元涛.空调压缩机管路系统振动分析及其软件开发[D].华中科技大学,2011)，该情况在定频和变频空调中均有体现。因此，空调压缩机管路振动检测对于改善空调外机工作状况、降低空调返修率、提高空调质量品质具有重要意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，(1)本发明的目的是提供一种新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置，可用于实现对具有金属表层的管(杆)状物体截面振动的精确在线测量。测量装置采用表贴式弧形测量电极，实现电容传感器三同轴测量结构，同时电极与待测金属柱面相匹配，配合专用的三电极或四电极式测量结构，改进传统电容式测量装置在管(杆)状物体振动测量方面的不足，测量精度和可靠性明显提高，装卡便捷，操作简单。

(2)本发明的另一目的是提供一种利用(1)中所述测量装置测量空调压缩机管路振动位移的方法，可推广运用到各种场合下具有金属表层的管(杆)状物体振动在线检测。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，电容式管/杆状物体振动在线测量装置,由以下部分构成：表贴式弧形电容传感器，包括内圈电容测量电极、中圈金属屏蔽层、外圈接地保护层；与待测管或杆外径适配的专用测量结构，其中三电极式专用测量结构为半环形固定座，三个表贴式弧形电容传感器分别于两侧和中间相隔90度贴于固定座内侧，四电极式专用测量结构为配套对接的半环形固定座和半环形活动座，四个表贴式弧形电容传感器间隔90度呈对称角度贴于固定座内侧；表贴式弧形电容传感器经同轴线缆信号传输线进行输出。

电容式管/杆状物体振动在线测量方法，第一步是将三电极或四电极式测量装置的半环形固定座安装在多自由度夹持支架上，连接传感线路，并把支架与稳定可靠的外部平台固定在一起，支架距离待测物20-30cm；三电极或四电极式测量装置是在其电极上设置有表贴式弧形电容传感器；

第二步是调整多自由度夹持支架，使三电极或四电极式测量装置的半环形内侧朝向待测管路，呈包围状套住管路，装置与待测管路之间保持一定的测量间隙，对于四电极结构，还须将半环形活动座通过两侧的卡槽对接到半环形固定座，用锁紧螺丝固定，预锁紧夹持支架；

第三步是通过收集测量传感器测得位移数据，根据静态读数判断测量装置安装初始间隙大小是否合适，微调装置姿态和夹持支架，使三路测量传感器输出信号归零，锁紧支架，开始管路振动测量。

表贴式弧形电容传感器表面与被测金属曲面面电容量表示为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}$

其中，ε₀为极板间介质的介电常数，d为弧面电极与被测金属曲面的距离，D为被测金属表面曲率半径，β为弧面电极对应扇形角度，b为弧面电极的宽度。被测物体静态时，通过专用电容测微仪测得传感器电容值为C₀，此时弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d₀；被测物体振动某一时刻，测得电容值为C’，弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d’，振动位移为Δd，则有

$\mathrm{\Δ}d=d^{\′}-d_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C^{\′}}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C_0}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}=2{\mathrm{\ϵ}}_{0}Db(\frac{1}{C^{\′}}-\frac{1}{C_0})\arcsin \mathrm{\β}$

利用上述公式对振动位移进行检测。

本发明的特点及有益效果是：

本发明公开一种新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置，可用于实现对具有金属表层的管(杆)状物体截面振动的精确在线测量。测量装置采用表贴式弧形电容传感器，实现电容传感器三同轴测量结构，同时电极与待测金属柱面相匹配，配合专用的三电极或四电极式测量结构，改进传统电容式测量装置在管(杆)状物体振动测量方面的不足，测量精度和可靠性明显提高，装卡便捷、操作简单。可利用本发明公开的测量装置在线测量空调压缩机管路振动位移，精度高、流程少，可推广运用到各种场合下具有金属表层的管(杆)状物体振动在线检测。

附图说明：

图1是本发明表贴式弧形电容传感器。

图2是本发明三电极式测量结构立体图和测量时截面图。

图3是本发明四电极式测量结构立体图和测量时截面图。

图4是传统平面电容传感器与本发明弧形电容传感器测量原理图。

图5是本发明利用新型测量装置在线测量空调压缩机管路振动的示意图。

图1中：1为弧形测量电极；2为金属屏蔽层；3为接地保护层。

图2中：4为表贴式弧形电容传感器；5为半环形固定座；6为支架臂；7为同轴信号传输线缆。

图3中：8为表贴式弧形电容传感器；9为半环形活动座；10为半环形固定座；11为锁紧螺丝；12为同轴信号传输线缆；13为支架臂。

图4中：14为待测管(杆)状物体；15为电容传感器平面电极；16为电容传感器弧面电极。

图5中：17为新型电容式测量装置；18为支架；19为水平管路；20为垂直管路；21为下位机；22为上位机；23为空调压缩机。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是，一种新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置，主要由以下部分构成：

表贴式弧形电容传感器，包括内圈电容测量电极、中圈金属屏蔽层、外圈接地保护层；与待测管(杆)外径适配的专用测量结构，其中三电极式测量结构为半环形固定座，三个表贴式弧形电容传感器分别于两侧和中间相隔90度贴于固定座内侧，四电极式测量结构为配套对接的半环形固定座和半环形活动座，四个表贴式弧形电容传感器间隔90度呈对称角度贴于固定座内侧；同轴线缆信号传输线。

对于常规的平面电极式电容传感器，当被测金属表面曲率半径相对于传感器电极很大(无穷大即为平面)时，振动过程中，平面式测量电极与被测金属表面之间的距离d可看作处处相等，其电容量C可近似表示为

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}\×2Db\arcsin \frac{a}{2D}$

其中，ε₀为极板间介质的介电常数，d为平面电极与被测金属曲面的最小距离，D为被测金属表面曲率半径，a为平面电极的长度，b为平面电极的宽度。然而，当被测金属表面曲率半径相对于传感器电极较小时，例如空调压缩机管路(直径约6～12mm)，平面式测量电极与被测金属表面之间的距离d受曲率半径影响的变化就无法忽略，对测量结果会产生较大影响。而本发明公开的新型电容式传感器采用了表贴式弧面测量电极，其弧面曲率与被测金属表面曲率相适配，即振动时测量间距可看作处处相等，测量结果更加准确、更加可靠，其电容量可表示为

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}$

其中，ε₀为极板间介质的介电常数，d为弧面电极与被测金属曲面的距离，D为被测金属表面曲率半径，β为弧面电极对应扇形角度，b为弧面电极的宽度。被测物体静态时，通过专用电容测微仪测得传感器电容值为C₀，此时弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d₀；被测物体振动某一时刻，测得电容值为C’，弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d’，振动位移为Δd，则有

$\mathrm{\Δ}d=d^{\′}-d_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C^{\′}}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C_0}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}=2{\mathrm{\ϵ}}_{0}Db(\frac{1}{C^{\′}}-\frac{1}{C_0})\arcsin \mathrm{\β}$

利用上述新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置，进行空调压缩机管路振动位移检测的方法，包括下列步骤：

第一步是将三电极或四电极式测量装置的半环形固定座安装在多自由度夹持支架上，连接传感线路，并把支架与稳定可靠的外部平台固定在一起，支架距离待测空调外机20-30cm。

第二步是调整多自由度夹持支架，分别在压缩机水平管路和垂直管路位置，使三电极或四电极式测量装置的半环形内侧朝向待测管路，呈包围状套住管路，装置与待测管路之间保持一定的测量间隙(对于四电极结构，还须将半环形活动座通过两侧的卡槽对接到半环形固定座，用锁紧螺丝固定)，预锁紧夹持支架。

第三步是通过下位机收集测量传感器测得位移数据，传送至上位机显示，根据静态读数判断测量装置安装初始间隙大小是否合适，微调装置姿态和夹持支架，使三路测量传感器输出信号归零，锁紧支架，开启空调外机，开始管路振动测量。

下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。

本发明采用的技术方案是，一种新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置，主要由以下部分构成：

表贴式弧形电容传感器，如图1所示，包括内圈电容测量电极1、中圈金属屏蔽层2、外圈接地保护层3；与待测管(杆)外径适配的专用测量结构，其中三电极式测量结构如图2所示，三个表贴式弧形电容传感器4分别于两侧和中间相隔90度贴于半环形固定座5内侧，四电极式测量结构如图3所示，为配套对接的半环形固定座10和半环形活动座9，四个表贴式弧形电容传感器8间隔90度呈对称角度贴于固定座和活动座内侧；同轴线缆信号传输线7、12；支架臂6、13。

测量原理如图4所示，14为待测管(杆)状物体，对于常规的平面电极式电容传感器，其测量电极为平面电极15，当被测金属表面曲率半径相对于传感器电极很大(无穷大即为平面)时，振动过程中，平面式测量电极与被测金属表面之间的距离d可看作处处相等，其电容量C可近似表示为

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}\×2Db\arcsin \frac{a}{2D}$

其中，ε₀为极板间介质的介电常数，d为平面电极与被测金属曲面的最小距离，D为被测金属表面曲率半径，a为平面电极的长度，b为平面电极的宽度。然而当被测金属表面曲率半径相对于传感器电极较小时，例如空调压缩机管路(直径约6～12mm)，平面式测量电极与被测金属表面之间的距离d受曲率半径影响的变化就无法忽略，对测量结果会产生较大影响。而本发明公开的新型电容式传感器采用了表贴式弧面测量电极，其测量电极为弧面电极16，其弧面曲率与被测金属表面曲率相适配，即振动时测量间距可看作处处相等，测量结果更加准确、更加可靠，其电容量可表示为

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}$

其中，ε₀为极板间介质的介电常数，d为弧面电极与被测金属曲面的距离，D为被测金属表面曲率半径，为弧面电极对应扇形角度，b为弧面电极的宽度。被测物体静态时，通过专用电容测微仪测得传感器电容值为C₀，此时弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d₀；被测物体振动某一时刻，测得电容值为C’，弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d’，振动位移为Δd，则有

$\mathrm{\Δ}d=d^{\′}-d_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C^{\′}}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C_0}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}=2{\mathrm{\ϵ}}_{0}Db(\frac{1}{C^{\′}}-\frac{1}{C_0})\arcsin \mathrm{\β}$

利用上述新型电容式管(杆)状物体振动在线测量装置，进行空调压缩机管路振动位移检测的方法，如图5所示，包括下列步骤：

第一步是将三电极或四电极式测量装置17的半环形固定座5、10安装在多自由度夹持支架18上，连接传感线路，并把支架与稳定可靠的外部平台固定在一起，支架距离待测空调外机20-30cm。

第二步是调整多自由度夹持支架18，分别在压缩机水平管路19和垂直管路20位置，使三电极或四电极式测量装置17的半环形内侧朝向待测管路，呈包围状套住管路，装置与待测管路之间保持一定的测量间隙(对于四电极结构，还须将半环形活动座9通过两侧的卡槽对接到半环形固定座10，用锁紧螺丝11固定)，预锁紧夹持支架18。

第三步是通过下位机21收集测量传感器测得位移数据，传送至上位机22显示，根据静态读数判断测量装置安装初始间隙大小是否合适，微调装置姿态和夹持支架，使三路测量传感器输出信号归零，锁紧支架，开启空调压缩机23，开始管路振动测量。

Claims (3)

1.一种电容式管/杆状物体振动在线测量装置，其特征是，由以下部分构成：表贴式弧形电容传感器，包括内圈电容测量电极、中圈金属屏蔽层、外圈接地保护层；与待测管或杆外径适配的专用测量结构，其中三电极式专用测量结构为半环形固定座，三个表贴式弧形电容传感器分别于两侧和中间相隔90度贴于固定座内侧，四电极式专用测量结构为配套对接的半环形固定座和半环形活动座，四个表贴式弧形电容传感器间隔90度呈对称角度贴于固定座内侧；表贴式弧形电容传感器经同轴线缆信号传输线进行输出。

2.一种电容式管/杆状物体振动在线测量方法，其特征是，

第一步是将三电极或四电极式测量装置的半环形固定座安装在多自由度夹持支架上，连接传感线路，并把支架与稳定可靠的外部平台固定在一起，支架距离待测物20-30cm；三电极或四电极式测量装置是在其电极上设置有表贴式弧形电容传感器；

第二步是调整多自由度夹持支架，使三电极或四电极式测量装置的半环形内侧朝向待测管路，呈包围状套住管路，装置与待测管路之间保持一定的测量间隙，对于四电极结构，还须将半环形活动座通过两侧的卡槽对接到半环形固定座，用锁紧螺丝固定，预锁紧夹持支架；

第三步是通过收集测量传感器测得位移数据，根据静态读数判断测量装置安装初始间隙大小是否合适，微调装置姿态和夹持支架，使三路测量传感器输出信号归零，锁紧支架，开始管路振动测量。

3.如权利要求2所述的电容式管/杆状物体振动在线测量方法，其特征是，

表贴式弧形电容传感器表面与被测金属曲面面电容量表示为：

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{d}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}$

其中，ε₀为极板间介质的介电常数，d为弧面电极与被测金属曲面的距离，D为被测金属表面曲率半径，β为弧面电极对应扇形角度，b为弧面电极的宽度。被测物体静态时，通过专用电容测微仪测得传感器电容值为C₀，此时弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d₀；被测物体振动某一时刻，测得电容值为C’，弧面电极与被测金属曲面之间的距离为d’，振动位移为Δd，则有

$\mathrm{\Δ}d=d^{\′}-d_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C^{\′}}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0}{C_0}\×2Db\arcsin \mathrm{\β}=2{\mathrm{\ϵ}}_{0}Db(\frac{1}{C^{\′}}-\frac{1}{C_0})\arcsin \mathrm{\β}$

利用上述公式对振动位移进行检测。