介紹一種利用光學(xué)方法測量渦輪轉(zhuǎn)速的光纖速度式渦輪流量傳感器，指出該傳感器具有信噪比高、量程比大等優(yōu)點。詳細(xì)介紹了該傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理，給出了標(biāo)定結(jié)果。 
    在航空發(fā)動機(jī)試車臺上進(jìn)行的燃?xì)鉁u輪運轉(zhuǎn)試驗中，渦輪剛起動時，燃油流量較小，加速過程中，燃油流量迅速增加。目前國內(nèi)的試車臺上，一般采用磁電式渦輪流量計，但其量程小，往往要用幾只口徑不同的流量計配合測量。流量小時，用小口徑流量計;流量大時，用大口徑流量計，需根據(jù)流量大小用閥門進(jìn)行切換。而本文介紹的光纖速度式渦輪流量傳感器由于其量程比大，測量范圍寬，用一只傳感器便可測量發(fā)動機(jī)試車時燃油變化的全過程，在航空發(fā)動機(jī)起動試驗和性能試驗中是一種理想的流量檢測裝置。

1、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計：
   光纖速度式渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，當(dāng)被測流體沿管道流過渦輪葉片時，渦輪葉片將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)葉片頂端對準(zhǔn)光纖端面時，光將發(fā)生反射，此時光電接收器將產(chǎn)生一個電脈沖信號，該信號的頻率與被測流體的流量具有對應(yīng)關(guān)系，因此，只要測出脈沖信號的頻率，就可以求得流體的瞬時流量值，瞬時流量對時間進(jìn)行積分可求得累積流量。
   圖1b是傳感器信號檢出裝置原理圖，主要由光纖、發(fā)光光源、光電探測器及信號處理電路組成。光纖束設(shè)計成Y型結(jié)構(gòu)，分為發(fā)送光纖束和接收光纖束。
  發(fā)送光纖束一端與光源藕合，并將光源射人其纖芯的光傳播到渦輪葉片端面上。反射光由接收光纖拾取，并傳播到光電探測器上，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

圖1光纖渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)框圖
  發(fā)送光纖束和接收光纖束在探頭內(nèi)部按同軸分布排列，中心圓內(nèi)為發(fā)送光纖束，其周圍為接收光纖束，該分布方式的特點是照射光集中，采光面積大。光纖采用芯徑為50 lam的大數(shù)值孔徑(NA = 0 . 602)多模階躍型光纖，這樣可盡量多收集反射光信號，以提高傳感器的抗干擾能力。
    光電探測器輸出的電信號一般比較微弱，必須進(jìn)行放大和整形，***后變成與TIZ“電平兼容的頻率信號，以便于后續(xù)電路處理。
   光纖速度式渦輪流量傳感器可以設(shè)計成組合式和分離式兩種結(jié)構(gòu)，前者是光纖、光源、光電探測器和信號處理電路納人傳感器主體內(nèi);后者僅將光纖納人其中，其余部分遠(yuǎn)離測試現(xiàn)場，中間通過光纜傳輸。

2、流量檢測原理：
   光纖速度式渦輪流量傳感器是應(yīng)用流體動量矩原理實現(xiàn)流量測量的。由動量矩定理可知，當(dāng)渦輪旋轉(zhuǎn)時，它的運動方程為:

式中:J為渦輪的轉(zhuǎn)動慣量;dwldt為渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度;M:為推動渦輪旋轉(zhuǎn)力矩; M為阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的各種阻力矩。    假定流體沿著管道的軸線方向以速度。沖擊渦輪葉片，使得渦輪以“二，的圓周速度旋轉(zhuǎn)，即渦輪是處于對流體作相對運動狀態(tài)，其運動示意圖如圖2所示。

圖2渦輪運動示意圖
  流體流動時推動渦輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩為:，式中:B為葉片半徑處的螺旋角wr2pqy  (2);r為渦輪的平均半徑;，為渦輪旋轉(zhuǎn)的角速度;}P為流體密度;A為流通截面積;q。為流體通過傳感器的體積流量;B為與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、流體性質(zhì)和流體運動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。    當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定下來后，式(2)中的有些參數(shù)

圖3傳感器標(biāo)定特性曲線
為常數(shù)，因此，驅(qū)動力矩Mr與體積流量q、有確定的對應(yīng)關(guān)系。    在無阻力矩的理想情況下，并假定渦輪起動以后，管內(nèi)流體的流量不隨時間而變化，即作定常流動，則渦輪以穩(wěn)定的角速度旋轉(zhuǎn)，此時                dw                  dc將式(2)代入式即M，整理后可得(3)   月(4)    設(shè)渦輪的葉片數(shù)為Z，轉(zhuǎn)速為n，則每旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生Z個電脈沖信號，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電脈沖數(shù)N為N二Zn二Z w=  7C rH(5)    從式(5)可知，傳感器輸出的電脈沖數(shù)N與流量qv有確定的對應(yīng)關(guān)系，只要檢測出電脈沖數(shù)N就可得到流量9;值。設(shè)K二BZtgBl2a rA為儀表常數(shù)，對于特定的渦輪，Z,B,r與A都為常數(shù)，所以K為一常量，則有:        N=殉。或q。二NlK          (6)    式(6)中的儀表常數(shù)K是在沒有考慮阻力矩的情況下得到的，實際上渦輪在旋轉(zhuǎn)時，除了受到驅(qū)動力矩的作用外，還同時要受到阻礙渦輪旋轉(zhuǎn)的各種阻力矩。主要有流體粘滯磨擦力引起的粘滯磨擦阻力矩和由軸承引起的機(jī)械磨擦力矩。因此，傳感器輸出的電脈沖數(shù)N與流量9;不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，特別是在小流量區(qū)域，由于驅(qū)動力矩較小，阻力矩的影響相對就比較大，傳感器的非線性也比較明顯。隨著流量的增加，驅(qū)動力矩也增大，當(dāng)驅(qū)動力矩增大到一定程度時，阻力矩可以忽略不計，這時N,q，基本成線性關(guān)系。

3、傳感器標(biāo)定結(jié)果：
   傳感器在設(shè)計安裝調(diào)試完成之后，在計量部門進(jìn)行了標(biāo)定，為了與口徑為筍25~的電磁渦輪流量傳感器進(jìn)行比較，本文給出了與之口徑一致，軸承和渦輪轉(zhuǎn)子材料相同的光纖速度式渦輪流量傳感器的標(biāo)定結(jié)果。標(biāo)定程序嚴(yán)格按照流量標(biāo)定規(guī)程進(jìn)行，標(biāo)定介質(zhì)為水，共進(jìn)行了三個來回行程。標(biāo)定結(jié)果見圖3，其中圖3a為9、一N關(guān)系曲線，圖3b為9、一K關(guān)系曲線。
   由標(biāo)定結(jié)果可知:光纖速度式渦輪流量傳感器的可測量范圍為0.29一12.60襯/h，量程比為43:1，在標(biāo)定時，由于標(biāo)定裝置壓力不夠，流量只能做到12.60m3/h，不可能再上升，否則，流量測量上限還有可能提高。而相同口徑的電磁渦輪流量傳感器可測量范圍為1.19一12.24時/h，量程比只有10:1，由此可見，光纖速度式流量傳感器的測量死區(qū)大為減小。
   經(jīng)對標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析計算可知:傳感器在全量程范圍內(nèi)的線性誤差為0.83%，該數(shù)值有些偏大，但其重復(fù)性誤差僅為0.25%，因此，可以很方便地利用非線
性修正的方法來減小線性誤差。例如，采用三段線性插值方法，傳感器的線性誤差就可減到0.30%。

4、結(jié)論：
   光纖速度式渦輪流量傳感器具有測量重復(fù)性好，量程比大，抗電磁干擾能力強(qiáng)和安全可靠等獨特的優(yōu)點，尤其是分離式光纖速度式渦輪流量傳感器，測試現(xiàn)場不帶電，在低粘度燃油及可燃性氣體流量測量中是一種安全可靠的流量檢測儀器。