基于非插入技术的液压系统压力传感器

　　0　引言

　　传统液压系统压力测试仪表其共同的特征之一是感压元件必须和液体介质相接触,以便直接反映压力。这些压力测试仪表用于液压系统的故障诊断时需要 配合接头插入压力油管才能实施检测,这严重制约液压系统的快速故障定位。因此,研究准确找到故障部位并迅速排除的非插入式压力检测方法对于液压系统管外测 压及快速故障定位具有十分重要的意义。目前对液压系统非接触测量的研究方法主要集中在超声波法、热学法、应变法3个方向。超声波法是目前研究的热点。但是 对工作状况经常发生变化的液压系统,由于油液的体积弹性模量的变化较大,造成超声波的波速变化大,因此,对这类系统存在一定的困难。

　　热学法由于加热较为困难,测量时间较长,目前很少应用。

　　应变法具有测量快、装卸方便的优点。但是由于早期的应变测量技术水平限制,应用不十分广泛。但是,与专门设计的感压元件相比管道的变形特性自然要差一些,从而使这种测压方法的精确度受到影响,但其精确度却能满足故障诊断的要求。

　　1　系统工作原理

　　利用液压管路压力高和压力作用下金属管道周向会产生弹性变形的特性,通过检测管道外周长的微小变形量,即可计算出管道压力。应变测量使用应变片法,应变片安装在夹具上,夹具通过螺栓固定在管道外。这样既保证测量精度,又方便携带。

　　1·1　管路应变的理论推导

　　对管路应变,考虑液压管路一般的厚度与外径的比例,应当采用圆筒变形的厚壁理论。对于厚壁圆筒中半径为r处筒壁截面上任意点的周向和径向应力可由拉梅方程给出:

　　若内压力为p,外压力为0,内半径为R,则两端封闭的圆筒中纵向应力为

　　其中A为拉梅常数。

　　周向应变或纵向应变=直径的应变=

　　由上式知,圆筒上直径的应变等于周向(或环向)应变。根据周向应力、径向应力和纵向应力的主应力系统,并假设均为拉应力,可推知周向应变为:

　　对应变片测量,选用何种型式的应变片以及测量电路的接法选择,事先进行计算是十分必要的。笔者就本文所选择的实验管进行以下计算。

　　实验管外径为42mm,厚度T=3mm,管材为普碳钢:在常温下,其弹性模量E=209GPa,当管内压力为10MPa时,εH=257μm/m。考虑管路外安装夹具的影响,夹具的厚度按2mm计算,应变率粗略估计为原来的2/3,即εH=172·6μm/m。

　　1·2　应变电测的设计与验证

　　对管路应变,拟采用半导体应变片测量。相对于金属应变片,半导体应变材料突出的优点是灵敏度大为提高,其次机械滞后小、横向效应小、本身体积小;缺点是温度稳定性差,灵敏度离散大,大应变工况下非线性误差大。