基于光纖光柵應變測量技術的液壓管路壓力監測方法

王作民

（山東省臨沂市產品質量監督檢驗所，臨沂 276000）

基于光纖光柵應變測量技術的液壓管路壓力監測方法

王作民

（山東省臨沂市產品質量監督檢驗所，臨沂 276000）

介紹了一種基于光纖光柵應變測量技術的高壓管路壓力間接監測方法。該方法采用光纖光柵測量管壁的應變情況，可實現對管路內壓力的實時監測。液壓試驗結果表明，該方法技術現象明顯，數據線性度較高，證明該方法具有較高的可行性。

液壓管路，應變，應力，壓力，光纖光柵，監測

引 言

目前，在大型壓力成型機、機載液壓設備等高壓系統中，液壓管路工作時需承受很大的液壓沖擊和壓力波動。因此，實時監測液壓管路各處的壓力值是保證復雜液壓系統正常運行的重要技術手段。目前，工程人員主要采用接觸式壓力傳感器經轉換接頭接入回路，從而測量該段管路的實際壓力值的方式進行壓力監測。但很多情況下，液壓管路結構復雜、組成緊密，而這類壓力傳感器通常體積較大，安裝十分困難，因此，加強對液壓回路壓力間接測量技術的研究是非常必要的。

光纖光柵應變測量是利用光纖光柵的光敏特性實現的：在應變作用下，光纖光柵的纖芯有效折射率和折射周期發生變化，進而使中心波長發生移動，最終獲得應變指標。由于管壁應變與該點的應力呈一一對應的關系，而應力又與所承受的壓強有著直接的數學關系，因此，通過測量管壁應變值間接測量管路內部的壓力的技術具有較好的可行性，光纖光柵傳感器還具有長壽命、免標定和現場無源等優點，現已成為高壓管路壓力監測的新技術途徑。

1 光纖光柵“應變/壓力”測量技術原理

光纖光柵（Fiber Bragg Grating，FBG）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域的傳播方式。在滿足布拉格（Bragg）條件時，入射光反射光譜在Bragg波長處出現峰值，其中心波長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制的周期。在應變的作用下，光纖光柵的纖芯有效折射率和周期發生變化，從而使中心波長發生移動，因此，采用適當的封裝方式，可將光纖光柵用于應變測量。

圖1 光纖光柵測量“溫度/應變”技術原理示圖

在應變測量方面，光纖光柵傳感器具有優于傳統電阻應變片的特點，包括：長期穩定性優良，采用波分、空分、時分等技術可大規模串聯復用，適合大型復雜管路系統壓力的多點、非介入式長期實時監測等。在具體測量時，可將光纖光柵探頭貼附于管壁外側，每個測點進行軸向和圓周等2種方式的貼裝。當管內壓力導致切向應變和軸向應變時，光纖探頭會隨著管壁外側的應變發生伸長，從而間接測量獲得管內壓力數值。兩端封閉壓力管的截面應力分布情況如圖2所示。

圖2 高壓管壁應力分布情況、貼裝方式及探頭實物

該壓力管的切向應力σt和軸向應力σx分別為：

由此可見，管壁最外側的切向應變值是軸向應變值的2倍，因此，在相同壓力下，對于切向應變的監測值更具代表性。

2 實驗過程及測試結果

出于實際應用的考慮，實驗中選擇已使用較長時間的壓力鋼管，直徑18mm，壁厚1.4mm，其彈性模量為200GPa。在整個測試過程中，鋼管的加壓范圍為0MPa～20MPa；以每2MPa為1個間隔進行加壓記錄，每個壓力點停留時間2s，0MPa→2MPa→4MPa→，…，→20MPa→18MPa→，…，→2MPa→0MPa為1個循環，每個壓力點需記錄壓力值和應變值2個數值，反復試驗2次，試驗過程持續2h。測試現場實物情況如圖3所示。

圖3 測試現場實物圖

試驗結果如表1所示。

在4次壓力變化過程中，應變與管內壓力的線性關系為：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，其線性度（R2）最小值為0.998。測試數據的重復性如圖4所示。

3 實驗數據分析

通過對實驗數據進行綜合分析，可以得到：

（1）在加壓和降壓測量過程中，應變值與管內壓力具有較好的線性度。其中，切向應變值與理論值的吻合度較高，其實測數據偏離理論值在±5%以內；經分析，其誤差產生原因主要為：光纖光柵的貼裝方向與理論基線存在工藝誤差，各類液壓管路的彈性模量也存在差異，由此導致測量值與理論切向應變值和軸向應變值存在差異，這一線性度誤差可通過對被測管路系統的標準校正進行消除，若考慮解調儀自身誤差為±3με，經過計算系統精度可保證在±6%F.S以內。

表1 測試水壓、切向/軸向應變值對照表

圖4 ?18mm×1.4mm試驗管件加壓重復性示意圖

（2）軸向應變值與理論值的吻合度較差。經分析，其原因在于：實際使用的液壓管路并非平直管線，而是沿軸向有一定彎曲度，在內部加壓時，液壓管路的彎曲情況會發生變化，但液壓管路橫截面圓度尚可，導致其軸向應變值的測量偏差比切向應變值偏差更大。這表明，在實際應用中，切向應變值的表征意義更準確。

（3）在重復加壓過程中，線性關系式的參數存在波動。同一管件的2次加壓和降壓過程中的線性關系式斜率和截距均會發生小幅變化，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驗結束后出現了負值。經分析，其產生原因為：光纖光柵探頭試驗采用的粘貼劑為快干型膠水，存在一定的退行性和脆性，影響了起始應變值的變化，這一誤差可通過粘膠工藝的優化消除。

4 結 論

本文設計和測試了一種通過光纖光柵應變探頭間接監測液壓管路內壓力的方案，并對實驗結果進行了分析。經計算，?18mm×1.4mm鋼管在20MPa范圍內的測量誤差在±6%F.S以內。這一結果表明：通過光纖光柵探頭測量管壁應變，能夠較好地表征液壓管路內壓力，可以實現對液壓管路壓力進行非介入式監測的目的。

1 涂亞慶, 劉興長. 光纖智能結構[M]. 重慶: 重慶出版社, 2000

2 田石柱, 趙雪峰, 歐進萍, 等. 結構健康監測用光纖Bragg光柵溫度補償研究[J]. 傳感器技術, 2002, (12): 8～10

3 李曉波, 王強, 李鵬, 等. 光纖光柵傳感器在結構應變檢測中的應用研究[J]. 工程質量, 2008, 5(A): 46～49

4 H.J.Patrick, G.M.Williams. Hybrid fiber Bragg grating/ long period fiber grating sensor for strain/temperature discrimination [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 1996, 8: 1223～1225

5 張偉剛, 涂勤昌, 孫磊, 等. 光纖光柵傳感器的理論、設計及應用的最新進展[J]. 物理學進展, 2004, 24(4): 19～44

6 張偉剛, 開桂云, 董孝義, 等. 光纖光柵多點傳感的理論與實驗研究[J]. 光學學報, 2004, 24(3): 330～336

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