曹興偉，張琦，楊林會

（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京 210007）

0 引言

工程機械是涉及機械、電子、液壓等多種設(shè)備和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜裝備，故障檢測比較困難。液壓系統(tǒng)作為工程機械的重要系統(tǒng)之一，其狀態(tài)直接關(guān)系到工程機械能否正常工作。工程機械液壓系統(tǒng)故障超過系統(tǒng)故障總數(shù)的1/3，在工程機械故障中占的比例最大，液壓系統(tǒng)故障檢測是工程機械故障檢測中的重點。液壓系統(tǒng)的故障定位需要很多的壓力參數(shù)，從而能夠綜合分析出故障元件。傳統(tǒng)液體壓力檢測方法需要感壓元件和液體介質(zhì)相接觸才能實施檢測，然而在液壓系統(tǒng)故障診斷中臨時安裝壓力表或壓力器是十分困難的。非插入式液體壓力檢測技術(shù)有助于快速故障診斷的實現(xiàn)。

1 傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)檢測相關(guān)研究情況

通常的壓力測量方法是在被測點安裝壓力傳感器，感應(yīng)壓力的元件直接與被測介質(zhì)相接觸，把壓力值轉(zhuǎn)換成電信號并與現(xiàn)場相適應(yīng)的方式向外傳輸信號，包括有線和無線等傳輸方式［1］。這種方法的優(yōu)點是直接簡單，傳感器直接感受到壓力的變化，測量的數(shù)據(jù)較為精確。

傳統(tǒng)的壓力檢測的方法按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性不同一般可以分為3類:液柱式壓力檢測方法、電氣式壓力檢測方法和活塞式壓力檢測方法。壓力檢測方法屬于接觸式測壓方法，其測量原理均可用圖1來表示。無論是機械壓力檢測，還是電量電氣式壓力檢測，研究的重點均放在感壓元件、傳遞元件和顯示元件上。歸納起來，感應(yīng)壓力的元件有波登管、波紋管、膜片、膜盒等，傳遞（轉(zhuǎn)換）元件的變換效應(yīng)已達數(shù)十種，如應(yīng)變效應(yīng)、壓阻效應(yīng)、電容變換、電感變換、渦流效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、諧振原理、力平衡原理、壓電效應(yīng)、激光干涉原理、光纖變換等，而顯示環(huán)節(jié)則經(jīng)歷了機械式、數(shù)字化和智能化三個發(fā)展階段。

圖1 傳統(tǒng)的接觸式液壓測量方法原理圖

上述測量方法在液壓系統(tǒng)故障診斷中遇到嚴重挑戰(zhàn)。這是因為在液壓系統(tǒng)的故障定位過程中臨時需檢測壓力的部位較多，并且現(xiàn)在工程機械中的液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜，在這些部位安裝壓力表或壓力傳感器受到空間和系統(tǒng)布局的影響。在液壓系統(tǒng)的液壓油導(dǎo)管上開孔會使導(dǎo)管的強度大大降低，使系統(tǒng)的安全系數(shù)降低，在復(fù)雜的液壓系統(tǒng)中安裝測量裝置是十分困難或不允許的，這就導(dǎo)致了液壓系統(tǒng)接觸式壓力檢測在使用中的困境。為了使壓力檢測的應(yīng)用更加方便，范圍更廣，液壓系統(tǒng)非接觸式壓力檢測得到了快速發(fā)展。

2 非接觸式檢測研究現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)非接觸式液壓系統(tǒng)壓力檢測

目前，對非接觸式測量方法的研究進行了許多艱辛的探索，也推出了不少產(chǎn)品。非接觸式液壓檢測方法，是指突破傳統(tǒng)接觸式測壓方法的思維模式，無需在管道上加工測量孔，安裝壓力檢測儀器，就能在管外檢測出管內(nèi)液體壓力的測量方法［2-3］。這種方法無論是用位移傳感器還是用電容式傳感器都必須配有專用夾具來固定。這種非接觸式測量思路是液體壓力作用于液壓元件使其產(chǎn)生應(yīng)變、位移等，這是整個測壓序列的第一步。由材料力學會聯(lián)想到在液壓作用下鋼管也會產(chǎn)生彈性變形，這樣就可以利用已有的變換元件和知識元件，以實現(xiàn)液壓壓力檢測的目的。這種思路是傳統(tǒng)測壓方法的衍生，根據(jù)液體壓力作用下金屬管道徑向產(chǎn)生彈性變形，通過檢測外部微小變形量即可計算出管道內(nèi)部工作壓力。

在工程機械液壓系統(tǒng)通常工作壓力范圍0～25 MPa內(nèi)，管道外徑的變形量十分微小。如對于外徑為32 mm壁厚為5 mm的鋼管，當內(nèi)部油液壓力達25 MPa時其外徑變形量只有十幾微米［4］。對于管道的微小變形量，可采用各種成熟的傳感器配專有夾具來檢測。例如，可以采用線性可調(diào)差動變壓器進行檢測，也可以采用便攜式電容傳感器進行檢測。彈性元件之所以發(fā)生變形是壓力作用的結(jié)果。這種壓力檢測最常用的是彈簧管壓力表。此類儀表對信號的響應(yīng)速度是不高的，因此它只能用于靜態(tài)測量和指示性測量。如由電阻式應(yīng)變片組成的非接觸式液壓系統(tǒng)壓力檢測基本原理公式為:

式中:K為電阻的應(yīng)變靈敏系數(shù);μ為材料的泊松比;ρ為電阻率。

計算電阻式應(yīng)變片的電阻的變化通過轉(zhuǎn)化即可求得液壓系統(tǒng)管道內(nèi)液體的壓力。

2.2 超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測

超聲波檢測在近幾十年中得到了較大的進展，它已成為材料或結(jié)構(gòu)的無損檢測最常用的手段。超聲波無損檢測與其他常規(guī)技術(shù)相比，它具有被測對象范圍廣、檢測深度大、缺陷定位準確，檢測靈敏度高、成本低，使用方便、速度快、對人體無害及便于現(xiàn)場檢測等優(yōu)點。幾十年來，超聲無損檢測已得到了巨大發(fā)展和廣泛應(yīng)用，幾乎應(yīng)用到所有工業(yè)部門。如作為基礎(chǔ)工業(yè)的鋼鐵工業(yè)，機器制造工業(yè)、鍋爐壓力容器有關(guān)工業(yè)部門、石油化工工業(yè)、鐵路運輸工業(yè)、造船工業(yè)、航空航天工業(yè)、高速發(fā)展中的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)如集成電路工業(yè)、核電工業(yè)等重要工業(yè)部門［5］。尤其對裂縫自身高度的測量和高溫條件下的非接觸超聲波檢測等方面都有很大進展。利用超聲波測量流速、流量的技術(shù)在醫(yī)療、供水、捧水、廢水處理、電力、石油、化工、冶金、礦山、環(huán)保、河流、海洋等計量檢測中有著廣泛的應(yīng)用，不僅可用于流體，液固兩相流的測量，還可用于氣體流量測量，其研究已有數(shù)十年歷史［6］。國內(nèi)華中理工大學于1993年研制成功了超聲波多普勒智能流量計;本溪無線電一廠生產(chǎn)的多普勒超聲波流量計是20世紀80年代定型的產(chǎn)品，用于供水和油田等場合;開封儀表廠能源部南京自動化研究所、長沙電子儀器二廠等生產(chǎn)廠家和研究單位均有相應(yīng)的產(chǎn)品。

隨著工業(yè)的發(fā)展，人們要求可以有更多的非接觸式壓力測量方法來滿足實際應(yīng)用中的需要，在這種情況下，近年來采用超聲技術(shù)來檢測壓力的研究也有少量報道。隨著超聲波測量技術(shù)越來越成熟，這使得把超聲波應(yīng)用至液壓的測量上將成為可能。

2.2.1 超聲波測量原理

超聲波是一種頻率接近或超過20 000 Hz的機械振動。超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測是通過超聲波儀探頭產(chǎn)生和發(fā)射高頻超聲波到待檢測液壓系統(tǒng)中，利用超聲波在同一均勻介質(zhì)中按恒速直線傳播，而從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)時，它會產(chǎn)生反射和折射的原理，再用探頭接收這些反射、折射的超聲波到超聲儀，由超聲儀放大顯示在超聲顯示屏上，然后根據(jù)顯示的波形來判斷系統(tǒng)中油液的屬性。超聲波檢測有高靈敏度、操作簡便、探測速度快、成本低的優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用［7］。

超聲波在流動的流體中傳播時，可以載上流體壓力的信息，而流體的壓力可以通過接收到的超聲波頻率反映出來［8］。因此，通過接收穿過流體的超聲波頻率就可以檢測出流體的運動特性信息，從而換算成壓力。

超聲波測壓儀的超聲波收發(fā)器起著發(fā)射器和接收器的雙重作用，收發(fā)轉(zhuǎn)換器用來轉(zhuǎn)換超聲波的傳播方向，一定時間間隔內(nèi)使超聲波按順流方向發(fā)射，再經(jīng)相同的時間間隔沿逆流方向發(fā)射。它采用一個聲循環(huán)回路按時交替轉(zhuǎn)換的分時方式，即超聲波的發(fā)射。接收和電信號的發(fā)射、放大回路只有一組，在一定周期內(nèi)交替轉(zhuǎn)換超聲波的發(fā)射。接收過程，使超聲波的傳播方向交替逆轉(zhuǎn)，分別把對應(yīng)的聲循環(huán)頻率用計數(shù)器技術(shù)，從而獲得頻率差。

2.2.2 超聲波衰減測量法

超聲波在不同壓力的流體中傳播時，由于液體的內(nèi)應(yīng)力不同，會導(dǎo)致超聲波有不同程度的衰減，可用相對聲衰減法測得超聲波幅值的衰減量，進而求得對應(yīng)的壓力。這種方法影響因素較多，還有待進一步研究。

2.2.3 消除管壁影響的測量方法

超聲波在氣體和液體這樣的流體介質(zhì)中是以縱波的形式傳播的，其傳播速度與油液的壓力成正比，其方程式為:

式中:V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;K為介質(zhì)的彈性模量;ρ為液壓系統(tǒng)中液體的密度。

可知，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān)。當流體介質(zhì)受到的壓力增高時，其密度增加，同時彈性模量也增加。這樣當壓力變化時會引起介質(zhì)的兩個物理特性發(fā)生變化，它們都會對通過其中的超聲波速度產(chǎn)生影響［8］。同時產(chǎn)生影響的還有外界溫度。據(jù)比卡爾的研究成果及《聲學手冊》提供的實驗數(shù)據(jù)，有以下幾個結(jié)論:式（1）在一定溫度下，聲速隨著壓力的增高而線性地增加。其方程式為:

式中:c為液體中聲速;c0為一個大氣壓下液體中超聲波的傳播速度;p為液體壓力;k為比例系數(shù)。

測量原理如圖2所示。

圖2 超聲波檢測油液壓力原理

在圖2中，探頭a工作方式是發(fā)射脈沖，產(chǎn)生工作所需要的超聲波，探頭b用于接收穿透管壁和液體介質(zhì)后到達的超聲波。設(shè)油管內(nèi)徑為D、外徑為d。超聲波從探頭a發(fā)射到探頭b接收到穿透波的時間間隔為t1，在聲程為D的油液中傳播的聲時為t，在聲程為（d－D）/2的管壁中傳播的聲時為t3，系統(tǒng)延時為 ts。則有以下關(guān)系式:

式中:ts，t3是與超聲波在流體中的傳播無關(guān)的時間量。

可以消除管壁影響的采用優(yōu)化的方法是:改進發(fā)射探頭同時作為接收探頭接受由對側(cè)管壁反射回來的超聲波。則時間公式如下:

綜合式（4）和（5）則可得出:

由式（1）和式（5）可得:

因此，式（7）即為所要得到的超聲波管外壓力檢測數(shù)學模型公式，利用這一公式，可以通過測量超聲波在管道內(nèi)傳播時間的變化來推導(dǎo)出超聲波在管道內(nèi)的速度變化，從而確定石油管道內(nèi)部壓力的變化情況。在實際工作中，首先需確定超聲波探頭的特性參數(shù)。選用脈沖直探頭，用夾具對稱安裝在管道的兩側(cè)。根據(jù)不同的介質(zhì)和使用環(huán)境，需確定超聲波的頻率。頻率高時，聲束窄、能量集中，分辨率高;但衰減顯著，特別是當檢測表面粗糙時，由于散射大而不易射入。根據(jù)《聲學手冊》提供的資料，根據(jù)不同的環(huán)境以及工程機械液壓系統(tǒng)工作條件而學則不同的超聲波頻率。

3 超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測方法的改進

在超聲波液壓系統(tǒng)壓力檢測過程中，影響因素可以分為2種，1）是可以控制的因素包括檢測系統(tǒng)的選用、檢測過程中儀器的調(diào)整等;2）是不可以控制的因素包括由于現(xiàn)在的技術(shù)水平引起的測量誤差。下面從可以控制的超聲波因素進行研究。

超聲波受到干擾的因素比較多。例如:環(huán)境噪聲、溫度、振動等。其中溫度的影響又是一個比較重要的因素。本文提出在超聲波進行液壓系統(tǒng)壓力檢測的過程中消除溫度的影響。能夠更加精確的測量液壓系統(tǒng)壓力具體的過程如下。溫度變化時壓力測量原理:設(shè)定壓力為P，溫度為某一特定溫度T0時的狀態(tài)為初始狀態(tài)，當進行測量的過程中由于系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作狀態(tài)發(fā)生了變化，溫度和壓力都發(fā)生了變化。當進行測量的過程中假設(shè)溫度為T，可以求出溫度的變化量為:

在本文中提出傳播時間修正量t，時間修正的表達式為:

式中α，β為常數(shù)，同時提出測量多組數(shù)據(jù) Δt1，Δt2，…，Δtn，然后求其平均值這樣可以消除一次測量所帶來的測量誤差，使得到的修正誤差更加準確。如式（10）所示:

在最終求出了平均修正時間以后就可以結(jié)合（3）和（7）求出最終的超聲波傳播速度，如式（11）所示:

當被測液壓系統(tǒng)溫度升高時?。枺敎囟冉档蜁r取+號。這樣就可以更加精確的測量系統(tǒng)的壓力。

4 展望

由于影響被測壓力和頻率之間關(guān)系的因素很多，有系統(tǒng)壓力、管道直徑、壁厚和材料、液體種類、液壓系統(tǒng)的震動和噪聲等。這些影響因素都將會影響到超聲波檢測系統(tǒng)的精度?？紤]到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有極強的非線性逼近能力，而且輸入維數(shù)（中間量的個數(shù)）對基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)建模過程的復(fù)雜程度影響不大，因此可以選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建系統(tǒng)模型。隨著科技的進步超聲波檢測技術(shù)也將會有更大的發(fā)展空間。液壓系統(tǒng)非接觸式壓力檢測朝以下幾個方面發(fā)展。

1）隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，檢測技術(shù)方法，檢測儀器逐步向高、精、尖方向進步，超聲儀器智能化、超聲成像技術(shù)、雷達技術(shù)、紅外線技術(shù)等應(yīng)用更好更完善成熟。

2）通過上文的分析可以看出在液壓系統(tǒng)壓力的測量過程中對于時間的測量非常重要，因此提高計時裝置的測量精度對整個液壓系統(tǒng)壓力檢測意義重大。

3）各種新技術(shù)方法的技術(shù)規(guī)程的制定，利用非接觸式檢測的方法進行全部工作過程的實時監(jiān)測，是確保液壓系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作的有效途徑。檢測方法必須按照標準、規(guī)范進行，因此，結(jié)合我國國情制定新規(guī)程是非常重要的。

4）高效率的超聲波換能器的研發(fā)大力發(fā)展，研究更為先進的傳感器，實現(xiàn)非接觸式測量，如激光超聲波傳感器［9］。

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