压力是反应管道系统运行状态的重要参数,对管线压力进行监测是保证管道安全运行的必要条件。光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)是一种具有波长调制作用的光纤无源器件。经过四十多年的发展,光纤光栅因其体积小、耐腐蚀、电绝缘性好、检测精度高、抗电磁干扰能力强、易于实现复用以及可进行信号的远距离传输等优点,为实现油气管线压力监测提供了有效的解决方案。在输油气站的进站口或出站口的阀室铺设光纤光栅压力传感器,通过信号分析及解调处理,可以及时发现管道泄漏情况。本文主要研究工作如下:本文首次以方形膜片作为压力敏感元件,设计出三种不同结构的光纤Bragg光栅压力传感器。1)设计了一种基于方形膜片、钢桁架及垂直梁结构的光纤光栅压力传感器。膜片与光纤光栅分离解决了直接粘贴光纤光栅于膜片表面受力不均的现象。在0~2 MPa压力范围内实验表明,传感器的压力灵敏度为622.71 pm/MPa,线性相关系数为0.99996。计算后的传感器非线性误差、迟滞误差和重复性误差分别为0.3219%(FSO),0.6639%(FSO)及0.2773%(FSO),表明该压力传感器具有低迟滞性和良好的重复性。补偿后的传感器压力测量相对误差为1.46%,表明所设计的压力传感器可以有效地消除温度对于压力测量的干扰。2)针对工程应用中传感器结构若设计不合理会出现应力集中的现象,对所设计的传感器进行了有限元分析。仿真结果表明,结构最大应力低于材料屈服强度,传感器的设计满足工程应用要求。3)将方形膜片与悬臂梁相结合,设计出新型光纤光栅压力传感器。压力实验得到传感器灵敏度为273.72 pm/MPa,线性拟合系数为0.9992。迟滞性和重复性误差分别为0.688%(FSO)及3.368%(FSO)。恒压下实验得到压力传感器的分辨率为0.046 MPa。利用两FBG中心波长漂移量做差,得到补偿后的传感器压力测量误差占总测量范围的2%,温度补偿效果良好。4)应用有限元软件将方形膜片与圆形膜片对比分析,得出在一定压力下,方形膜片中心挠度高于圆形膜片30%,即同等条件下,以方形膜片作为压力敏感元件的光纤光栅压力传感器灵敏度高于圆形膜片式压力传感器。两种压力传感器的线性度仿真结果表明二者差异很小。5)设计了一种基于方形膜片的高灵敏度光纤Bragg光栅压力传感器。实验得到传感器压力灵敏度为-3.225 pm/k Pa,95%置信区间(CI)为[-3.288,-3.162],线性拟合系数为0.9993。计算后得到传感器迟滞误差及重复性误差较低。对实验波长数据平均值添加了误差棒。恒压下实验表明传感器的分辨率较高,为6.02 k Pa。温度补偿后的传感器压力测量相对误差为3.01%,表明可以有效地消除温度对于压力测量的干扰。6)对所建立的高灵敏度光纤光栅压力传感器的压力与应变解析模型的有效性进行了分析。通过有限元软件求解得到,方形膜片中心处的挠度与中心传力杆自由端挠度十分接近,相对误差为0.36%,所建立的解析数学模型是有效的。