基于光纤光栅传感的液压管路多参数动态检测方法研究

摘要

在机械、航空航天、石油、化工等领域的大型关键设备中，液压管路系统由于长期工作在高温、高压、剧烈振动等恶劣环境下，由管路泄漏、破裂等故障引起的安全事故频发。由于液压管路在力场、流场、温度场等多物理场的强耦合作用下，呈现出多变性、耦合性和非线性，导致其理论模型复杂多变，求解计算困难，需要将实验研究和理论研究相结合。然而，传统的检测技术难以满足液压管路对多参数动态检测的需求。因此，为了突破传统检测技术的局限性，研究基于光纤光栅传感的液压管路多参数动态检测新方法，对液压管路的动态特性分析、优化设计、状态监测以及故障诊断等都具有重要的意义。 本文在液压管路系统的工况特性和失效原因，以及液压管路检测技术和方法国内外研究现状分析的基础上，对液压管路多参数动态检测原理、技术和方法开展了研究，主要研究成果如下： （1）围绕管路的多参数动态检测原理与技术，研究了光纤光栅多物理量检测和压力增敏原理，提出了参考光栅和差动式两种温度补偿技术。通过研究应变模态分析模型与方法，给出了应变模态分析基本模型，以及应变传递函数矩阵的检测方法。在液压管路动态应变检测技术与方法的研究基础上，开展了光纤光栅传感器与传统电类传感器之间的对比实验研究，结果表明光纤光栅传感器在液压管路动态应变响应测量中，具有不受电磁信号干扰和对被测液压管路动态特性影响小的优点。 （2）面向液压管路的温度检测，提出了用于管路流体温度检测的陶瓷管封装和用于管路结构件表面温度检测的磁吸式片状光纤光栅温度传感器。针对液压管路压力的动态检测，通过研究光纤光栅压力增敏原理和温度补偿方法，研制了一种基于 C型管的压力传感器、一种新型的膜片应变式压力传感器和一种膜片位移式压力传感器。实验结果表明，所研制的光纤光栅压力传感器具有较高的测量精度。其中，膜片式压力传感器具有较宽的频率测量范围，可用于液压管路压力的动态检测。此外，提出了另外两种新型结构的光纤光栅传感器：一种易于串接的压力传感器和一种压力和温度同时测量的传感器，可以用于液压管路压力的多点分布式检测。 （3）围绕管路多参数动态检测方法，通过研究液压管路的应变模态参数识别方法，提出了基于正交多项式法确定系统极点和基于最小二乘频域法确定模态振型向量的模态参数识别方法。实验结果表明，所提出的基于光纤光栅传感的液压管路应变模态分析方法，为液压管路应变模态测量提供了新的有效途径。通过研究面向管路模态分析的激励力检测方法，研制了一种可用于实验模态分析的新型光纤光栅力锤。 （4）针对液压管路系统的主要故障模式，搭建了一种可用于模拟液压管路振动环境的新型振动激励与多参数检测实验平台，实现了对管路温度、压力、加速度、应变、流量等多参数的检测。在面向管路的多参数动态检测原理、技术和方法的研究基础上，提出了基于光纤光栅传感的液压管路多参数动态检测系统。与传统的电类检测系统间的对比实验结果表明，该系统具有较强的抗电磁干扰能力和较高的测量精度。 （5）将提出的基于光纤光栅传感的液压管路多参数动态检测系统，应用于航空发动机管路的动态响应测量，实验测得了航空发动机管路的振动应变和应变模态参数。通过研究渗漏和断丝监测原理与方法，提出了基于光纤光栅传感的预应力混凝土液压输水管线在线状态监测与评估系统，研究结果表明，该系统可以有效地应用于液压输水管线的渗漏和断丝监测。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景和意义

1.3 国内外研究现状分析

1.4 论文主要研究内容和组织结构

第2章 面向管路的多参数动态检测原理与技术研究

2.1 光纤光栅多物理量检测原理

2.2 光纤光栅压力增敏原理和温度补偿技术

2.3 应变模态分析基本模型与方法

2.4 管路动态应变检测技术

2.5 本章小结

第3章 面向管路多参数动态检测的光纤光栅传感器研究

3.1 面向管路的光纤光栅温度传感器

3.2 一种基于C型管的光纤光栅压力传感器

3.3 一种膜片应变式光纤光栅压力传感器

3.4 一种膜片位移式光纤光栅压力传感器

3.5 两种面向管路压力测量的新型光纤光栅传感器

3.6 本章小结

第4章 基于光纤光栅传感的管路多参数动态检测方法研究

4.1 管路的实验应变模态分析方法研究

4.2 管路的运行应变模态分析方法研究

4.3面向管路模态分析的激励力检测方法研究

4.4 基于光纤光栅传感的管路应变模态分析实验研究

4.5 本章小结

第5章 基于光纤光栅传感的管路多参数动态检测系统及其应用研究

5.1 液压管路振动模拟与检测实验平台搭建

5.2 基于光纤光栅传感的多参数检测系统构建

5.3 机械液压管路系统的多参数动态检测研究

5.4 航空发动机管路的振动检测研究

5.5 液压输水管线的渗漏及断丝检测研究

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 本文的创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术论文发表和专利申请情况

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢