基于光纤光栅应变测量技术的液压管路压力监测方法

王作民

（山东省临沂市产品质量监督检验所，临沂 276000）

基于光纤光栅应变测量技术的液压管路压力监测方法

王作民

（山东省临沂市产品质量监督检验所，临沂 276000）

介绍了一种基于光纤光栅应变测量技术的高压管路压力间接监测方法。该方法采用光纤光栅测量管壁的应变情况，可实现对管路内压力的实时监测。液压试验结果表明，该方法技术现象明显，数据线性度较高，证明该方法具有较高的可行性。

液压管路，应变，应力，压力，光纤光栅，监测

引 言

目前，在大型压力成型机、机载液压设备等高压系统中，液压管路工作时需承受很大的液压冲击和压力波动。因此，实时监测液压管路各处的压力值是保证复杂液压系统正常运行的重要技术手段。目前，工程人员主要采用接触式压力传感器经转换接头接入回路，从而测量该段管路的实际压力值的方式进行压力监测。但很多情况下，液压管路结构复杂、组成紧密，而这类压力传感器通常体积较大，安装十分困难，因此，加强对液压回路压力间接测量技术的研究是非常必要的。

光纤光栅应变测量是利用光纤光栅的光敏特性实现的：在应变作用下，光纤光栅的纤芯有效折射率和折射周期发生变化，进而使中心波长发生移动，最终获得应变指标。由于管壁应变与该点的应力呈一一对应的关系，而应力又与所承受的压强有着直接的数学关系，因此，通过测量管壁应变值间接测量管路内部的压力的技术具有较好的可行性，光纤光栅传感器还具有长寿命、免标定和现场无源等优点，现已成为高压管路压力监测的新技术途径。

1 光纤光栅“应变/压力”测量技术原理

光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）可利用光纤材料的光敏特性，在光纤的纤芯上建立一种空间周期性折射率分布，从而改变或控制光在该区域的传播方式。在满足布拉格（Bragg）条件时，入射光反射光谱在Bragg波长处出现峰值，其中心波长λB为：

其中，neff为光纤纤芯的有效折射率，Λ是光纤光栅折射率调制的周期。在应变的作用下，光纤光栅的纤芯有效折射率和周期发生变化，从而使中心波长发生移动，因此，采用适当的封装方式，可将光纤光栅用于应变测量。

图1 光纤光栅测量“温度/应变”技术原理示图

在应变测量方面，光纤光栅传感器具有优于传统电阻应变片的特点，包括：长期稳定性优良，采用波分、空分、时分等技术可大规模串联复用，适合大型复杂管路系统压力的多点、非介入式长期实时监测等。在具体测量时，可将光纤光栅探头贴附于管壁外侧，每个测点进行轴向和圆周等2种方式的贴装。当管内压力导致切向应变和轴向应变时，光纤探头会随着管壁外侧的应变发生伸长，从而间接测量获得管内压力数值。两端封闭压力管的截面应力分布情况如图2所示。

图2 高压管壁应力分布情况、贴装方式及探头实物

该压力管的切向应力σt和轴向应力σx分别为：

由此可见，管壁最外侧的切向应变值是轴向应变值的2倍，因此，在相同压力下，对于切向应变的监测值更具代表性。

2 实验过程及测试结果

出于实际应用的考虑，实验中选择已使用较长时间的压力钢管，直径18mm，壁厚1.4mm，其弹性模量为200GPa。在整个测试过程中，钢管的加压范围为0MPa～20MPa；以每2MPa为1个间隔进行加压记录，每个压力点停留时间2s，0MPa→2MPa→4MPa→，…，→20MPa→18MPa→，…，→2MPa→0MPa为1个循环，每个压力点需记录压力值和应变值2个数值，反复试验2次，试验过程持续2h。测试现场实物情况如图3所示。

图3 测试现场实物图

试验结果如表1所示。

在4次压力变化过程中，应变与管内压力的线性关系为：切向：y1=24.92x1-7.16，y1=24.76x1-7.18，y1=24.73x1-0.371，y1=24.98x1-9.60，其线性度（R2）最小值为0.999；轴向：y2=7.32x2-3.24，y2=7.49x2-1.08，y2=7.48x2-6.14，y2=7.53x2+0.32，其线性度（R2）最小值为0.998。测试数据的重复性如图4所示。

3 实验数据分析

通过对实验数据进行综合分析，可以得到：

（1）在加压和降压测量过程中，应变值与管内压力具有较好的线性度。其中，切向应变值与理论值的吻合度较高，其实测数据偏离理论值在±5%以内；经分析，其误差产生原因主要为：光纤光栅的贴装方向与理论基线存在工艺误差，各类液压管路的弹性模量也存在差异，由此导致测量值与理论切向应变值和轴向应变值存在差异，这一线性度误差可通过对被测管路系统的标准校正进行消除，若考虑解调仪自身误差为±3με，经过计算系统精度可保证在±6%F.S以内。

表1 测试水压、切向/轴向应变值对照表

图4 ø18mm×1.4mm试验管件加压重复性示意图

（2）轴向应变值与理论值的吻合度较差。经分析，其原因在于：实际使用的液压管路并非平直管线，而是沿轴向有一定弯曲度，在内部加压时，液压管路的弯曲情况会发生变化，但液压管路横截面圆度尚可，导致其轴向应变值的测量偏差比切向应变值偏差更大。这表明，在实际应用中，切向应变值的表征意义更准确。

（3）在重复加压过程中，线性关系式的参数存在波动。同一管件的2次加压和降压过程中的线性关系式斜率和截距均会发生小幅变化，其中，斜率变化率最大在4%左右，且轴向贴装光纤光栅探头实验结束后出现了负值。经分析，其产生原因为：光纤光栅探头试验采用的粘贴剂为快干型胶水，存在一定的退行性和脆性，影响了起始应变值的变化，这一误差可通过粘胶工艺的优化消除。

4 结 论

本文设计和测试了一种通过光纤光栅应变探头间接监测液压管路内压力的方案，并对实验结果进行了分析。经计算，Ø18mm×1.4mm钢管在20MPa范围内的测量误差在±6%F.S以内。这一结果表明：通过光纤光栅探头测量管壁应变，能够较好地表征液压管路内压力，可以实现对液压管路压力进行非介入式监测的目的。

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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，FBG，Monitoring

1009-8119（2015）03（1）-0054-02