液壓系統(tǒng)非接觸式壓力檢測(cè)研究

曹興偉，張琦，楊林會(huì)

（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京 210007）

0 引言

工程機(jī)械是涉及機(jī)械、電子、液壓等多種設(shè)備和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜裝備，故障檢測(cè)比較困難。液壓系統(tǒng)作為工程機(jī)械的重要系統(tǒng)之一，其狀態(tài)直接關(guān)系到工程機(jī)械能否正常工作。工程機(jī)械液壓系統(tǒng)故障超過系統(tǒng)故障總數(shù)的1/3，在工程機(jī)械故障中占的比例最大，液壓系統(tǒng)故障檢測(cè)是工程機(jī)械故障檢測(cè)中的重點(diǎn)。液壓系統(tǒng)的故障定位需要很多的壓力參數(shù)，從而能夠綜合分析出故障元件。傳統(tǒng)液體壓力檢測(cè)方法需要感壓元件和液體介質(zhì)相接觸才能實(shí)施檢測(cè)，然而在液壓系統(tǒng)故障診斷中臨時(shí)安裝壓力表或壓力器是十分困難的。非插入式液體壓力檢測(cè)技術(shù)有助于快速故障診斷的實(shí)現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)檢測(cè)相關(guān)研究情況

通常的壓力測(cè)量方法是在被測(cè)點(diǎn)安裝壓力傳感器，感應(yīng)壓力的元件直接與被測(cè)介質(zhì)相接觸，把壓力值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并與現(xiàn)場(chǎng)相適應(yīng)的方式向外傳輸信號(hào)，包括有線和無線等傳輸方式［1］。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直接簡(jiǎn)單，傳感器直接感受到壓力的變化，測(cè)量的數(shù)據(jù)較為精確。

傳統(tǒng)的壓力檢測(cè)的方法按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性不同一般可以分為3類:液柱式壓力檢測(cè)方法、電氣式壓力檢測(cè)方法和活塞式壓力檢測(cè)方法。壓力檢測(cè)方法屬于接觸式測(cè)壓方法，其測(cè)量原理均可用圖1來表示。無論是機(jī)械壓力檢測(cè)，還是電量電氣式壓力檢測(cè)，研究的重點(diǎn)均放在感壓元件、傳遞元件和顯示元件上。歸納起來，感應(yīng)壓力的元件有波登管、波紋管、膜片、膜盒等，傳遞（轉(zhuǎn)換）元件的變換效應(yīng)已達(dá)數(shù)十種，如應(yīng)變效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、電容變換、電感變換、渦流效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、諧振原理、力平衡原理、壓電效應(yīng)、激光干涉原理、光纖變換等，而顯示環(huán)節(jié)則經(jīng)歷了機(jī)械式、數(shù)字化和智能化三個(gè)發(fā)展階段。

圖1 傳統(tǒng)的接觸式液壓測(cè)量方法原理圖

上述測(cè)量方法在液壓系統(tǒng)故障診斷中遇到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。這是因?yàn)樵谝簤合到y(tǒng)的故障定位過程中臨時(shí)需檢測(cè)壓力的部位較多，并且現(xiàn)在工程機(jī)械中的液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，在這些部位安裝壓力表或壓力傳感器受到空間和系統(tǒng)布局的影響。在液壓系統(tǒng)的液壓油導(dǎo)管上開孔會(huì)使導(dǎo)管的強(qiáng)度大大降低，使系統(tǒng)的安全系數(shù)降低，在復(fù)雜的液壓系統(tǒng)中安裝測(cè)量裝置是十分困難或不允許的，這就導(dǎo)致了液壓系統(tǒng)接觸式壓力檢測(cè)在使用中的困境。為了使壓力檢測(cè)的應(yīng)用更加方便，范圍更廣，液壓系統(tǒng)非接觸式壓力檢測(cè)得到了快速發(fā)展。

2 非接觸式檢測(cè)研究現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)非接觸式液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)

目前，對(duì)非接觸式測(cè)量方法的研究進(jìn)行了許多艱辛的探索，也推出了不少產(chǎn)品。非接觸式液壓檢測(cè)方法，是指突破傳統(tǒng)接觸式測(cè)壓方法的思維模式，無需在管道上加工測(cè)量孔，安裝壓力檢測(cè)儀器，就能在管外檢測(cè)出管內(nèi)液體壓力的測(cè)量方法［2-3］。這種方法無論是用位移傳感器還是用電容式傳感器都必須配有專用夾具來固定。這種非接觸式測(cè)量思路是液體壓力作用于液壓元件使其產(chǎn)生應(yīng)變、位移等，這是整個(gè)測(cè)壓序列的第一步。由材料力學(xué)會(huì)聯(lián)想到在液壓作用下鋼管也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，這樣就可以利用已有的變換元件和知識(shí)元件，以實(shí)現(xiàn)液壓壓力檢測(cè)的目的。這種思路是傳統(tǒng)測(cè)壓方法的衍生，根據(jù)液體壓力作用下金屬管道徑向產(chǎn)生彈性變形，通過檢測(cè)外部微小變形量即可計(jì)算出管道內(nèi)部工作壓力。

在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)通常工作壓力范圍0～25 MPa內(nèi)，管道外徑的變形量十分微小。如對(duì)于外徑為32 mm壁厚為5 mm的鋼管，當(dāng)內(nèi)部油液壓力達(dá)25 MPa時(shí)其外徑變形量只有十幾微米［4］。對(duì)于管道的微小變形量，可采用各種成熟的傳感器配專有夾具來檢測(cè)。例如，可以采用線性可調(diào)差動(dòng)變壓器進(jìn)行檢測(cè)，也可以采用便攜式電容傳感器進(jìn)行檢測(cè)。彈性元件之所以發(fā)生變形是壓力作用的結(jié)果。這種壓力檢測(cè)最常用的是彈簧管壓力表。此類儀表對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度是不高的，因此它只能用于靜態(tài)測(cè)量和指示性測(cè)量。如由電阻式應(yīng)變片組成的非接觸式液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)基本原理公式為:

式中:K為電阻的應(yīng)變靈敏系數(shù);μ為材料的泊松比;ρ為電阻率。

計(jì)算電阻式應(yīng)變片的電阻的變化通過轉(zhuǎn)化即可求得液壓系統(tǒng)管道內(nèi)液體的壓力。

2.2 超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)

超聲波檢測(cè)在近幾十年中得到了較大的進(jìn)展，它已成為材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)最常用的手段。超聲波無損檢測(cè)與其他常規(guī)技術(shù)相比，它具有被測(cè)對(duì)象范圍廣、檢測(cè)深度大、缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高、成本低，使用方便、速度快、對(duì)人體無害及便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。幾十年來，超聲無損檢測(cè)已得到了巨大發(fā)展和廣泛應(yīng)用，幾乎應(yīng)用到所有工業(yè)部門。如作為基礎(chǔ)工業(yè)的鋼鐵工業(yè)，機(jī)器制造工業(yè)、鍋爐壓力容器有關(guān)工業(yè)部門、石油化工工業(yè)、鐵路運(yùn)輸工業(yè)、造船工業(yè)、航空航天工業(yè)、高速發(fā)展中的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)如集成電路工業(yè)、核電工業(yè)等重要工業(yè)部門［5］。尤其對(duì)裂縫自身高度的測(cè)量和高溫條件下的非接觸超聲波檢測(cè)等方面都有很大進(jìn)展。利用超聲波測(cè)量流速、流量的技術(shù)在醫(yī)療、供水、捧水、廢水處理、電力、石油、化工、冶金、礦山、環(huán)保、河流、海洋等計(jì)量檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用，不僅可用于流體，液固兩相流的測(cè)量，還可用于氣體流量測(cè)量，其研究已有數(shù)十年歷史［6］。國(guó)內(nèi)華中理工大學(xué)于1993年研制成功了超聲波多普勒智能流量計(jì);本溪無線電一廠生產(chǎn)的多普勒超聲波流量計(jì)是20世紀(jì)80年代定型的產(chǎn)品，用于供水和油田等場(chǎng)合;開封儀表廠能源部南京自動(dòng)化研究所、長(zhǎng)沙電子儀器二廠等生產(chǎn)廠家和研究單位均有相應(yīng)的產(chǎn)品。

隨著工業(yè)的發(fā)展，人們要求可以有更多的非接觸式壓力測(cè)量方法來滿足實(shí)際應(yīng)用中的需要，在這種情況下，近年來采用超聲技術(shù)來檢測(cè)壓力的研究也有少量報(bào)道。隨著超聲波測(cè)量技術(shù)越來越成熟，這使得把超聲波應(yīng)用至液壓的測(cè)量上將成為可能。

2.2.1 超聲波測(cè)量原理

超聲波是一種頻率接近或超過20 000 Hz的機(jī)械振動(dòng)。超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)是通過超聲波儀探頭產(chǎn)生和發(fā)射高頻超聲波到待檢測(cè)液壓系統(tǒng)中，利用超聲波在同一均勻介質(zhì)中按恒速直線傳播，而從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生反射和折射的原理，再用探頭接收這些反射、折射的超聲波到超聲儀，由超聲儀放大顯示在超聲顯示屏上，然后根據(jù)顯示的波形來判斷系統(tǒng)中油液的屬性。超聲波檢測(cè)有高靈敏度、操作簡(jiǎn)便、探測(cè)速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用［7］。

超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，可以載上流體壓力的信息，而流體的壓力可以通過接收到的超聲波頻率反映出來［8］。因此，通過接收穿過流體的超聲波頻率就可以檢測(cè)出流體的運(yùn)動(dòng)特性信息，從而換算成壓力。

超聲波測(cè)壓儀的超聲波收發(fā)器起著發(fā)射器和接收器的雙重作用，收發(fā)轉(zhuǎn)換器用來轉(zhuǎn)換超聲波的傳播方向，一定時(shí)間間隔內(nèi)使超聲波按順流方向發(fā)射，再經(jīng)相同的時(shí)間間隔沿逆流方向發(fā)射。它采用一個(gè)聲循環(huán)回路按時(shí)交替轉(zhuǎn)換的分時(shí)方式，即超聲波的發(fā)射。接收和電信號(hào)的發(fā)射、放大回路只有一組，在一定周期內(nèi)交替轉(zhuǎn)換超聲波的發(fā)射。接收過程，使超聲波的傳播方向交替逆轉(zhuǎn)，分別把對(duì)應(yīng)的聲循環(huán)頻率用計(jì)數(shù)器技術(shù)，從而獲得頻率差。

2.2.2 超聲波衰減測(cè)量法

超聲波在不同壓力的流體中傳播時(shí)，由于液體的內(nèi)應(yīng)力不同，會(huì)導(dǎo)致超聲波有不同程度的衰減，可用相對(duì)聲衰減法測(cè)得超聲波幅值的衰減量，進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)的壓力。這種方法影響因素較多，還有待進(jìn)一步研究。

2.2.3 消除管壁影響的測(cè)量方法

超聲波在氣體和液體這樣的流體介質(zhì)中是以縱波的形式傳播的，其傳播速度與油液的壓力成正比，其方程式為:

式中:V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;K為介質(zhì)的彈性模量;ρ為液壓系統(tǒng)中液體的密度。

可知，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān)。當(dāng)流體介質(zhì)受到的壓力增高時(shí)，其密度增加，同時(shí)彈性模量也增加。這樣當(dāng)壓力變化時(shí)會(huì)引起介質(zhì)的兩個(gè)物理特性發(fā)生變化，它們都會(huì)對(duì)通過其中的超聲波速度產(chǎn)生影響［8］。同時(shí)產(chǎn)生影響的還有外界溫度。據(jù)比卡爾的研究成果及《聲學(xué)手冊(cè)》提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有以下幾個(gè)結(jié)論:式（1）在一定溫度下，聲速隨著壓力的增高而線性地增加。其方程式為:

式中:c為液體中聲速;c0為一個(gè)大氣壓下液體中超聲波的傳播速度;p為液體壓力;k為比例系數(shù)。

測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 超聲波檢測(cè)油液壓力原理

在圖2中，探頭a工作方式是發(fā)射脈沖，產(chǎn)生工作所需要的超聲波，探頭b用于接收穿透管壁和液體介質(zhì)后到達(dá)的超聲波。設(shè)油管內(nèi)徑為D、外徑為d。超聲波從探頭a發(fā)射到探頭b接收到穿透波的時(shí)間間隔為t1，在聲程為D的油液中傳播的聲時(shí)為t，在聲程為（d－D）/2的管壁中傳播的聲時(shí)為t3，系統(tǒng)延時(shí)為 ts。則有以下關(guān)系式:

式中:ts，t3是與超聲波在流體中的傳播無關(guān)的時(shí)間量。

可以消除管壁影響的采用優(yōu)化的方法是:改進(jìn)發(fā)射探頭同時(shí)作為接收探頭接受由對(duì)側(cè)管壁反射回來的超聲波。則時(shí)間公式如下:

綜合式（4）和（5）則可得出:

由式（1）和式（5）可得:

因此，式（7）即為所要得到的超聲波管外壓力檢測(cè)數(shù)學(xué)模型公式，利用這一公式，可以通過測(cè)量超聲波在管道內(nèi)傳播時(shí)間的變化來推導(dǎo)出超聲波在管道內(nèi)的速度變化，從而確定石油管道內(nèi)部壓力的變化情況。在實(shí)際工作中，首先需確定超聲波探頭的特性參數(shù)。選用脈沖直探頭，用夾具對(duì)稱安裝在管道的兩側(cè)。根據(jù)不同的介質(zhì)和使用環(huán)境，需確定超聲波的頻率。頻率高時(shí)，聲束窄、能量集中，分辨率高;但衰減顯著，特別是當(dāng)檢測(cè)表面粗糙時(shí)，由于散射大而不易射入。根據(jù)《聲學(xué)手冊(cè)》提供的資料，根據(jù)不同的環(huán)境以及工程機(jī)械液壓系統(tǒng)工作條件而學(xué)則不同的超聲波頻率。

3 超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)方法的改進(jìn)

在超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)過程中，影響因素可以分為2種，1）是可以控制的因素包括檢測(cè)系統(tǒng)的選用、檢測(cè)過程中儀器的調(diào)整等;2）是不可以控制的因素包括由于現(xiàn)在的技術(shù)水平引起的測(cè)量誤差。下面從可以控制的超聲波因素進(jìn)行研究。

超聲波受到干擾的因素比較多。例如:環(huán)境噪聲、溫度、振動(dòng)等。其中溫度的影響又是一個(gè)比較重要的因素。本文提出在超聲波進(jìn)行液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)的過程中消除溫度的影響。能夠更加精確的測(cè)量液壓系統(tǒng)壓力具體的過程如下。溫度變化時(shí)壓力測(cè)量原理:設(shè)定壓力為P，溫度為某一特定溫度T0時(shí)的狀態(tài)為初始狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)行測(cè)量的過程中由于系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作狀態(tài)發(fā)生了變化，溫度和壓力都發(fā)生了變化。當(dāng)進(jìn)行測(cè)量的過程中假設(shè)溫度為T，可以求出溫度的變化量為:

在本文中提出傳播時(shí)間修正量t，時(shí)間修正的表達(dá)式為:

式中α，β為常數(shù)，同時(shí)提出測(cè)量多組數(shù)據(jù) Δt1，Δt2，…，Δtn，然后求其平均值這樣可以消除一次測(cè)量所帶來的測(cè)量誤差，使得到的修正誤差更加準(zhǔn)確。如式（10）所示:

在最終求出了平均修正時(shí)間以后就可以結(jié)合（3）和（7）求出最終的超聲波傳播速度，如式（11）所示:

當(dāng)被測(cè)液壓系統(tǒng)溫度升高時(shí)取－號(hào)，當(dāng)溫度降低時(shí)取+號(hào)。這樣就可以更加精確的測(cè)量系統(tǒng)的壓力。

4 展望

由于影響被測(cè)壓力和頻率之間關(guān)系的因素很多，有系統(tǒng)壓力、管道直徑、壁厚和材料、液體種類、液壓系統(tǒng)的震動(dòng)和噪聲等。這些影響因素都將會(huì)影響到超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的精度?？紤]到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有極強(qiáng)的非線性逼近能力，而且輸入維數(shù)（中間量的個(gè)數(shù)）對(duì)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)建模過程的復(fù)雜程度影響不大，因此可以選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建系統(tǒng)模型。隨著科技的進(jìn)步超聲波檢測(cè)技術(shù)也將會(huì)有更大的發(fā)展空間。液壓系統(tǒng)非接觸式壓力檢測(cè)朝以下幾個(gè)方面發(fā)展。

1）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)方法，檢測(cè)儀器逐步向高、精、尖方向進(jìn)步，超聲儀器智能化、超聲成像技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、紅外線技術(shù)等應(yīng)用更好更完善成熟。

2）通過上文的分析可以看出在液壓系統(tǒng)壓力的測(cè)量過程中對(duì)于時(shí)間的測(cè)量非常重要，因此提高計(jì)時(shí)裝置的測(cè)量精度對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)壓力檢測(cè)意義重大。

3）各種新技術(shù)方法的技術(shù)規(guī)程的制定，利用非接觸式檢測(cè)的方法進(jìn)行全部工作過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是確保液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作的有效途徑。檢測(cè)方法必須按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行，因此，結(jié)合我國(guó)國(guó)情制定新規(guī)程是非常重要的。

4）高效率的超聲波換能器的研發(fā)大力發(fā)展，研究更為先進(jìn)的傳感器，實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，如激光超聲波傳感器［9］。

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