电容式管/杆状物体振动在线测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于振动测量领域，特别设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】
[0002] 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、溫度稳定性好、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W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 局，抗扰动能力差。
[0003] 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】
[0004] 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Ξ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Ξ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。
[0005] (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。
[0006] 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W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Ξ电极式专用测量结构为半 环形固定座，Ξ个表贴式弧形电容传感器分别于两侧和中间相隔90度贴于固定座内侦U，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。
[0007]电容式管/杆状物体振动在线测量方法，第一步是将Ξ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;^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；
[0008]第二步是调整多自由度夹持支架，使Ξ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；
[0009]第Ξ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Ξ路测量传感器输出信号归零，锁紧支 架，开始管路振动测量。
[0010] 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：
[0011]
[001引其中，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Co,此时弧面电极与被测金属曲面之间的距离为do; 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Ad，则有
[0013]
[0014]利用上述公式对振动位移进行检测。
[001引本发明的特点及有益效果是：
[0016]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Ξ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Ξ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】：
[0017]图1是本发明表贴式弧形电容传感器。
[0018]图2是本发明Ξ电极式测量结构立体图和测量时截面图。
[0019]图3是本发明四电极式测量结构立体图和测量时截面图。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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】
[0027]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W下部分构成：
[0028]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Ξ电极式测量结构为半环形固定座，Ξ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。
[0029]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
[0030]
[0031] 其中，ε〇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
[0032]
[0033]其中，ε〇为极板间介质的介电常数