基于光纖光柵應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的液壓管路壓力監(jiān)測(cè)方法

王作民

（山東省臨沂市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，臨沂 276000）

基于光纖光柵應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的液壓管路壓力監(jiān)測(cè)方法

王作民

（山東省臨沂市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，臨沂 276000）

介紹了一種基于光纖光柵應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的高壓管路壓力間接監(jiān)測(cè)方法。該方法采用光纖光柵測(cè)量管壁的應(yīng)變情況，可實(shí)現(xiàn)對(duì)管路內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。液壓試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法技術(shù)現(xiàn)象明顯，數(shù)據(jù)線(xiàn)性度較高，證明該方法具有較高的可行性。

液壓管路，應(yīng)變，應(yīng)力，壓力，光纖光柵，監(jiān)測(cè)

引 言

目前，在大型壓力成型機(jī)、機(jī)載液壓設(shè)備等高壓系統(tǒng)中，液壓管路工作時(shí)需承受很大的液壓沖擊和壓力波動(dòng)。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓管路各處的壓力值是保證復(fù)雜液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要技術(shù)手段。目前，工程人員主要采用接觸式壓力傳感器經(jīng)轉(zhuǎn)換接頭接入回路，從而測(cè)量該段管路的實(shí)際壓力值的方式進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)。但很多情況下，液壓管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組成緊密，而這類(lèi)壓力傳感器通常體積較大，安裝十分困難，因此，加強(qiáng)對(duì)液壓回路壓力間接測(cè)量技術(shù)的研究是非常必要的。

光纖光柵應(yīng)變測(cè)量是利用光纖光柵的光敏特性實(shí)現(xiàn)的：在應(yīng)變作用下，光纖光柵的纖芯有效折射率和折射周期發(fā)生變化，進(jìn)而使中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，最終獲得應(yīng)變指標(biāo)。由于管壁應(yīng)變與該點(diǎn)的應(yīng)力呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而應(yīng)力又與所承受的壓強(qiáng)有著直接的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此，通過(guò)測(cè)量管壁應(yīng)變值間接測(cè)量管路內(nèi)部的壓力的技術(shù)具有較好的可行性，光纖光柵傳感器還具有長(zhǎng)壽命、免標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)源等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為高壓管路壓力監(jiān)測(cè)的新技術(shù)途徑。

1 光纖光柵“應(yīng)變/壓力”測(cè)量技術(shù)原理

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）可利用光纖材料的光敏特性，在光纖的纖芯上建立一種空間周期性折射率分布，從而改變或控制光在該區(qū)域的傳播方式。在滿(mǎn)足布拉格（Bragg）條件時(shí)，入射光反射光譜在Bragg波長(zhǎng)處出現(xiàn)峰值，其中心波長(zhǎng)λB為：

其中，neff為光纖纖芯的有效折射率，Λ是光纖光柵折射率調(diào)制的周期。在應(yīng)變的作用下，光纖光柵的纖芯有效折射率和周期發(fā)生變化，從而使中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)，因此，采用適當(dāng)?shù)姆庋b方式，可將光纖光柵用于應(yīng)變測(cè)量。

圖1 光纖光柵測(cè)量“溫度/應(yīng)變”技術(shù)原理示圖

在應(yīng)變測(cè)量方面，光纖光柵傳感器具有優(yōu)于傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片的特點(diǎn)，包括：長(zhǎng)期穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，采用波分、空分、時(shí)分等技術(shù)可大規(guī)模串聯(lián)復(fù)用，適合大型復(fù)雜管路系統(tǒng)壓力的多點(diǎn)、非介入式長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。在具體測(cè)量時(shí)，可將光纖光柵探頭貼附于管壁外側(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行軸向和圓周等2種方式的貼裝。當(dāng)管內(nèi)壓力導(dǎo)致切向應(yīng)變和軸向應(yīng)變時(shí)，光纖探頭會(huì)隨著管壁外側(cè)的應(yīng)變發(fā)生伸長(zhǎng)，從而間接測(cè)量獲得管內(nèi)壓力數(shù)值。兩端封閉壓力管的截面應(yīng)力分布情況如圖2所示。

圖2 高壓管壁應(yīng)力分布情況、貼裝方式及探頭實(shí)物

該壓力管的切向應(yīng)力σt和軸向應(yīng)力σx分別為：

由此可見(jiàn)，管壁最外側(cè)的切向應(yīng)變值是軸向應(yīng)變值的2倍，因此，在相同壓力下，對(duì)于切向應(yīng)變的監(jiān)測(cè)值更具代表性。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及測(cè)試結(jié)果

出于實(shí)際應(yīng)用的考慮，實(shí)驗(yàn)中選擇已使用較長(zhǎng)時(shí)間的壓力鋼管，直徑18mm，壁厚1.4mm，其彈性模量為200GPa。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，鋼管的加壓范圍為0MPa～20MPa；以每2MPa為1個(gè)間隔進(jìn)行加壓記錄，每個(gè)壓力點(diǎn)停留時(shí)間2s，0MPa→2MPa→4MPa→，…，→20MPa→18MPa→，…，→2MPa→0MPa為1個(gè)循環(huán)，每個(gè)壓力點(diǎn)需記錄壓力值和應(yīng)變值2個(gè)數(shù)值，反復(fù)試驗(yàn)2次，試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)2h。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物情況如圖3所示。

圖3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

在4次壓力變化過(guò)程中，應(yīng)變與管內(nèi)壓力的線(xiàn)性關(guān)系為：切向：y1=24.92x1-7.16，y1=24.76x1-7.18，y1=24.73x1-0.371，y1=24.98x1-9.60，其線(xiàn)性度（R2）最小值為0.999；軸向：y2=7.32x2-3.24，y2=7.49x2-1.08，y2=7.48x2-6.14，y2=7.53x2+0.32，其線(xiàn)性度（R2）最小值為0.998。測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可以得到：

（1）在加壓和降壓測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)變值與管內(nèi)壓力具有較好的線(xiàn)性度。其中，切向應(yīng)變值與理論值的吻合度較高，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏離理論值在±5%以?xún)?nèi)；經(jīng)分析，其誤差產(chǎn)生原因主要為：光纖光柵的貼裝方向與理論基線(xiàn)存在工藝誤差，各類(lèi)液壓管路的彈性模量也存在差異，由此導(dǎo)致測(cè)量值與理論切向應(yīng)變值和軸向應(yīng)變值存在差異，這一線(xiàn)性度誤差可通過(guò)對(duì)被測(cè)管路系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)校正進(jìn)行消除，若考慮解調(diào)儀自身誤差為±3με，經(jīng)過(guò)計(jì)算系統(tǒng)精度可保證在±6%F.S以?xún)?nèi)。

表1 測(cè)試水壓、切向/軸向應(yīng)變值對(duì)照表

圖4 ?18mm×1.4mm試驗(yàn)管件加壓重復(fù)性示意圖

（2）軸向應(yīng)變值與理論值的吻合度較差。經(jīng)分析，其原因在于：實(shí)際使用的液壓管路并非平直管線(xiàn)，而是沿軸向有一定彎曲度，在內(nèi)部加壓時(shí)，液壓管路的彎曲情況會(huì)發(fā)生變化，但液壓管路橫截面圓度尚可，導(dǎo)致其軸向應(yīng)變值的測(cè)量偏差比切向應(yīng)變值偏差更大。這表明，在實(shí)際應(yīng)用中，切向應(yīng)變值的表征意義更準(zhǔn)確。

（3）在重復(fù)加壓過(guò)程中，線(xiàn)性關(guān)系式的參數(shù)存在波動(dòng)。同一管件的2次加壓和降壓過(guò)程中的線(xiàn)性關(guān)系式斜率和截距均會(huì)發(fā)生小幅變化，其中，斜率變化率最大在4%左右，且軸向貼裝光纖光柵探頭實(shí)驗(yàn)結(jié)束后出現(xiàn)了負(fù)值。經(jīng)分析，其產(chǎn)生原因?yàn)椋汗饫w光柵探頭試驗(yàn)采用的粘貼劑為快干型膠水，存在一定的退行性和脆性，影響了起始應(yīng)變值的變化，這一誤差可通過(guò)粘膠工藝的優(yōu)化消除。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)和測(cè)試了一種通過(guò)光纖光柵應(yīng)變探頭間接監(jiān)測(cè)液壓管路內(nèi)壓力的方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。經(jīng)計(jì)算，?18mm×1.4mm鋼管在20MPa范圍內(nèi)的測(cè)量誤差在±6%F.S以?xún)?nèi)。這一結(jié)果表明：通過(guò)光纖光柵探頭測(cè)量管壁應(yīng)變，能夠較好地表征液壓管路內(nèi)壓力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓管路壓力進(jìn)行非介入式監(jiān)測(cè)的目的。

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Hydraulic Tube Pressure Monitoring Method Based on FBG Straining Measurement Technology

Wang Zuomin
(Shandong Linyi Product Quality Supervision and Inspection Institute, Linyi 276000)

A hydraulic tube pressure monitoring method based on FBG straining measurement technology was introduced. The method can be performed to monitor the pressure in real time by fixing FBG sensor onto hydraulic tube outer walls. The results of hydraulic pressure experiment show high linear correlation between strain value and press value of hydraulic tubes, thus which presents the method has good feasibility.

Hydraulic tube，Straing，Stress，Pressure，F(xiàn)BG，Monitoring

1009-8119（2015）03（1）-0054-02