【行业应用】激光位移传感器在冰箱压缩机测试中的应用

摘 要 ：为了实现非接触方式测量冰箱压缩机结构变形与振动，用一套激光三角传感器搭建的位移测试系统。相比传统的千分表机械探头测试方法， 该激光位移测试系统有诸多优势，第一是非接触；第二是可以测试结构振动；第三是可以通过软件实时记录并分析数据。选取冰箱用往复式压缩机的缸盖与连杆大头位移、吸气阀片振动为验证对象，通过激光传感器测试系统、千分表、有限元仿真三种方法进行相互对比验证，结果显示三者数据基 本一致，从而验证了激光位移传感器测试系统在压缩机应用中的准确性

关键词：激光传感器；变形；位移；振动；往复式压缩机

1 引言

    压缩机在承受载荷时会发生微小变形，变形的大小将直接影响零部件之间的装配以及余隙容积等，因此准确测试结构的变形对结构设计验证至关重要。测试与分析结构微变形的方法有很多种[1-8], 最传统最常用的是千分表（如图1所示）测试，通过机械探针接触被测物体表面，读取表盘的指针获得结构的变形量，该方法的精度可 以达到 1 um，但是千分表在使用过程中存在一些缺陷：首先，探针必 须与被测物体接触，而对某些复杂结构的待测表面，不太容易将探 针伸进去；其次，千分表是靠人工读数，当结构变形比较快时（如振动 ），人工读数是很难实现的。因此，在这样的背景下，需要开发新的测试方法来解决这些问题。

         图1千分表（指针式、数宇式)                                 图2激光三角位移传感器

    本文应用激光三角位移传感器（如图2所示 ）一套位移测试系统，该系统很好地解决了千分表存在的缺陷，实现了非接触式快速测试，同时通过数据采集卡和软件系统可以快速记录测试数据，并且在软件里面快速进行数据处理，提取有价值的信息。

2 测试装置

    图3为测试系统原理图，系统主要包括激光位移传感器、数据采集卡、定制化测试软件几个部分。图4为测试装置实物图，激光三角位移传感器集成了激光的发射与接受装置：探头首先发出激光束，打在被测试结构表面，被测试表面反射回激光束，传感器接受装置测试反射回的激光，通过内部信号处理器计算出传感器和被测物体之间的 距离，通过自身显示屏显示距离数值并且输出等比例的模拟电压，精度达到1 um，最高响应频率为10 kHz,可满足结构微变形与振动的高精度测试需求。模拟信号数据采集卡的作用是将传感器的模拟量信号转换为数字信号,传输给计算机。定制化测试软件主要是获取数据采集卡的数字信号，并进行信号处理，如傅里叶变换等频率分析功能，本文的测试软件（如图5所示）采用LabVIEW环境开发。

                                                              图3：测试系统原理示意图

图4激光传感器位移测试装置

图5测试系统软件界面

3 测试装置在往复式压缩机中的验证

    本文采用该测试系统对往复式压缩机的结构变形与吸气阀片的固有频率进行测试验证，同时与千分表和有限元仿真结果对比，激光三角传感器测试结果与千分表测试结果以及理论分析结果基 本一致。

3.1 气杠盖与连杆大头的位移量测试验证

    往复式压缩机在压缩气体的时候，气体分别给活塞以及阀组一对反作用力，如图6所示，在气体力的作用下，阀组连同气缸盖将会向远离曲轴的方向发生微小位移，而活塞将会推动连杆向靠近曲轴的方向位移，两者之差会在气缸内部产生余隙容积，从而降低压缩机的制冷量。因此，在压缩机开发测试过程中，需要准确测试缸盖与连杆 大头在气体力下的位移量，尽量优化结构，减小这两处变形。

图6施加在活塞和阀组上的气体压力

    针对某一款往复式压缩机，取出机芯结构并固定在台钳上，连接排气管与高压气瓶，将激光三角传感器安装在三轴升降台上，通过升降台微调使得激光测试点准确打到待测点上，注意测试过程中不能遮挡激光光线，连接激光三角传感器信号端到数据采集卡，再将数据采集卡连接到电脑USB口，实现软件硬件的数据通信。实验测试过程中，将排气管逐渐充入3MPa压强的气体，采用激光测试系统、千分表、有限元三种方法进行对比验证。图7为激光传感器测试系统，图8为应用CAE软件分析得到的曲轴箱变形云图，图9给出了三种方法测试结果的对比曲线。以千分表数据作为基准，激光法与千分表测试结果基本一致，偏差在5%以内，有限元理论分析得到的数据作为间接验证，与激光法和千分表法得到的数据偏差在10%左右。通过三种方法的对比，验证了激光位移传感器测试系统的准确性。

   图8有限元分析气体力作用下结构轴向位移

      图9 激光法、千分表、CAE三种方法测试数据对比                图12 有限元分析吸气阀片的基频与对应的模态

3.2 吸气阀片的振动测试验证

    往复式压缩机在运行过程中，其吸气阀片不断的开启与闭合,频 率与曲轴旋转频率一致。为了使得阀片有好的跟随性，同时避免引起 共振，阀片一阶固有频率应远高于压缩机的运转频率。因此在阀片设计过程中，需要分析测试阀片的一阶固有频率，本文通过激光位移传感器进行振动测试，同时用有限元方法进行模态分析，将两者的结果进行对比验证。图10为激光三角传感器测试阀片振动装置,去掉压缩机上其他多余的零件，只把阀片固定在机架上，激光探头打在阀片中心， 人为拨动阀片产生自由振动，通过激光测试系统获取振动的位移信号 (如图11所示），再通过软件分析得到其频率，测试结果显示该型号阀片基频为168.9 Hz，有限元分析为162.8 Hz (对应的模态如图12所 示），两者基本一致（千分表无法测量振动）分别对不同厚度的阀片进行实验测试与理论分析，得到的数据如表1所示，激光测试与有限元分析偏差小于4%,从而验证了激光传感器应用在压缩机振动测试中的准确性与可行性。

4 结语

本文主要建立了一套激光三角位移传感器测试系统，并且应用在往复式压缩机的变形与振动测试中，通过与千分表和有限元结果的对比，验证了激光位移传感器测试系统的准确性。对比千分表等传统测试手段，激光位移测试系统有诸多优势，如非接触式、高精度（1 um)、可测试动态过程（振动）、可使用软件实时记录并分析数据等。而且，对比其他非接触式测试方法，该系统成本很低。因此，在冰箱压缩机开发与测试中应用本文的激光位移传感测试系统是可行的。