摘要介紹一種利用光學(xué)方法檢測渦輪轉(zhuǎn)速的光纖渦輪流量傳感器及檢測系統(tǒng).它具有信噪比高、量程比大的優(yōu)點。試驗表明，光纖渦輪流量傳感器的量程比高達(dá)40：1，比常用的磁電式渦輪流量計大3倍，可滿足航空發(fā)動機(jī)過渡態(tài)燃油流量的寬量程測t要求。還詳細(xì)介紹了光纖渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理、溫度修正原理，以及檢測系統(tǒng)的硬件電路。***后給出傳感器標(biāo)定結(jié)果，并討論了在航空發(fā)動機(jī)擻油測量中的應(yīng)用。

1、流量測量原理：
   當(dāng)流體沿管道軸線方向沖擊渦輪葉片，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)時，葉片周期地通過光纖傳感器探頭，如圖1所示。在葉片頂端端面上將產(chǎn)生周期性反射光脈沖信號，由接收光纖傳輸至光探測器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號。信號頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，即與被測流體流量成正比 q=f/k式中，Q為容積流量;f為脈沖頻率;K為儀表常數(shù)。
   由于渦輪的轉(zhuǎn)速在整個流量范圍內(nèi)并不高，如果直接用計脈沖數(shù)測頻必然引入較大的誤差。為了提高測量精度，故采用測周期法來測頻率。
   若8031單片機(jī)的定時器/計數(shù)器T。的計數(shù)值為n，則輸出脈沖頻率f為f=Z/T = Z/(nTc)式中，Z為渦輪葉片數(shù);T為渦輪旋轉(zhuǎn)周期;Tc為單片機(jī)的機(jī)器周期。由此，流量值可以表示為Q = f/K = Z/(nKTc)

      圖1光纖渦輪流量傳感器1-殼體，2一導(dǎo)流器，3一導(dǎo)向器，4-軸承，5一光纖探頭，6-渦輪，7一軸，8一光源。9一光探測器，10一印刷線路板。11一電纜
    在整個流量測量范圍內(nèi)，尤其是小流量區(qū)域，儀表常數(shù)K不能看作是一個常數(shù)，故直接運用式(3)計算流量必然會有誤差。為了提高測量精度，采用查q-f曲線的方法。該方法可以不考慮K的變化。在q-f曲線中由f求Q，采用分段線性插值的方法。線性插值公式為

2、光纖轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計：
   光纖渦輪轉(zhuǎn)速傳感器可以設(shè)計成組合式和分離式兩種結(jié)構(gòu)。前者是將光纖、光源、光探測器和信號調(diào)理電路納入渦輪流量傳感器主體內(nèi);后者僅將光纖納入其中，其余部分遠(yuǎn)離測試現(xiàn)場，通過光纜傳輸光信號。    光纖渦輪轉(zhuǎn)速傳感器探頭內(nèi)的發(fā)送光纖束和接收光纖束呈Y形結(jié)構(gòu)，探頭直徑1. 6mm，光纖束長30mm。由于渦輪葉片頂端反射面的寬度僅0. 8mm，照射光斑要小。但在照射距離小((1mm)，出射光強(qiáng)足夠大的情況下，可以直接采用光纖照光和采光。發(fā)送光纖束和接收光纖束在探頭內(nèi)按同軸分布排列。中心圓(直徑。. 5mm)內(nèi)為發(fā)送光纖束，其周圍為接收光纖束。其特點是照射光集中，采光面積大。    傳感器光纖采用芯徑為50hm的大數(shù)值孔徑(NA = 0. 602 )的階躍型多模光纖，以盡量多收集反射光信號，提高傳感器的信噪比((S/N)。   渦輪葉片的反射光脈沖信號經(jīng)光敏三極管轉(zhuǎn)換后，輸出的電脈沖信號較為微弱，波形不規(guī)則，還伴有噪聲，需經(jīng)放大和整形，變成0^-5V的平整脈沖信號，才能輸入智能測試系統(tǒng)。

3、溫度修正：
    由式(5)知，流體的質(zhì)量流量M與流體密度P有關(guān)，而P與流體的溫度有關(guān).因此，在使用溫度范圍內(nèi)，必須對P進(jìn)行修正，修正式為  P=Po【1一a(t一to）】式中，P。為溫度為t。的流體密度;a為流體溫度系數(shù);t為測量時的流體溫度。
   考慮到測量時燃油溫度變化較為緩慢，對溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)要求不高，故采用LM335A作為溫度敏感元件。測溫范圍一10~100°C，其擊穿電壓隨溫度按10mV/K的規(guī)律線性變化。信號經(jīng)放大和V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成頻率信號后輸入微機(jī)測試系統(tǒng)。

4、檢測系統(tǒng)的組成及功能：
4. 1、系統(tǒng)硬件電路：
   流量智能檢測系統(tǒng)的硬件電路原理框圖如圖2所示。大致可分為三部分:主機(jī)電路，鍵盤顯示電路，輸入/輸出電路。

圖2檢測系統(tǒng)的硬件電路原理框圖
4.1.1、主機(jī)電路：
   主機(jī)電路主要由微處理器及一些擴(kuò)展器件組成。采用8031作為系統(tǒng)的微處理器，片外擴(kuò)展一片程序存貯器，一片數(shù)據(jù)存貯器(用于存放過渡態(tài)測試時瞬時流量值)，還有一片EZPROM2817A(2K)，存放一些需經(jīng)常改變的常數(shù).
4.1.2、鍵盤顯示電路：
   系統(tǒng)設(shè)置有12個按鍵，分上、下兩檔，上檔用作數(shù)字鍵，分別為0-9;下檔為功能鍵。顯示部分設(shè)有6個七段數(shù)碼管顯示各種信息。    另外，還有6只 LED，作功能指示用，由8031的尸:口進(jìn)行管理。
4.1.3、輸入/輸出電路：
   8031通過8155芯片進(jìn)行I/O口擴(kuò)展，與打印機(jī)((PP40)相連，打印出過渡態(tài)測試時的瞬態(tài)流量及流量變化曲線.    系統(tǒng)有兩路輸入:一路是與渦輪轉(zhuǎn)速(或容積流量)有關(guān)的頻率信號，輸入到8155的引腳端TIMEIN，通過片內(nèi)的一個14位減法計數(shù)器對輸入脈沖進(jìn)行減法計數(shù)，以實現(xiàn)六分頻。產(chǎn)生的連續(xù)方波信號由TIMEOUT輸出，與8031的IN了百端相連;另一路是與流體溫度有關(guān)的頻率信號f(T>，該信號直接輸入到8031的瓦廳I端。
4. 2、系統(tǒng)功能：
   該系統(tǒng)可以用來測量透明、半透明流體的瞬時流量、累積流量，以及流體的溫度，并能打印出流量變化的曲線。    當(dāng)流體性質(zhì)改變時，可以方便地通過鍵盤修改數(shù)據(jù)(如流體的基準(zhǔn)密度Po、流體溫度系數(shù)a等)進(jìn)行重新設(shè)置。

5、主要性能：
   研制的光纖渦輪流量傳感器(口徑25mm)經(jīng)計量部門標(biāo)定，重復(fù)性誤差僅0. 25%(取置信系數(shù)入一3)。    標(biāo)定的q-f特性曲線如圖3所示。圖3（a)為全量程特性曲線。同時也繪出了相同口徑的磁電式渦輪流量計的特性曲線。兩者相比可以發(fā)現(xiàn)，光纖渦輪流量傳感器的測量范圍可以擴(kuò)展到小流量區(qū)域(如圖3(b)所示)。
   光纖渦輪流量傳感器量程比高的原因，主要是小流量情況阻滯力矩較小，而且光脈沖的幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即使在小流量區(qū)域，光脈沖信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后峰值電壓可達(dá)到30mV，故信噪比較高。而利用線性插值方法可以不考慮小流量區(qū)域K值的變化。因此光纖渦輪流量檢測系統(tǒng)可以測量很小的流體流量。
   若葉輪采用輕質(zhì)非金屬材料制成，葉片頂端端面蒸鍍反射膜，并改用寶石軸承，那么傳感器的測量范圍將進(jìn)一步向小流量區(qū)擴(kuò)展。


6、應(yīng)用：
   光纖渦輪流量傳感器除了具有線性和重復(fù)性好的優(yōu)點外，還具有量程比大，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。
   在航空發(fā)動機(jī)燃油流量的測量中，更具有其實用價值。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。由于其量程比小，往往要用2-3只口徑不同的流量計配合測量。流量較小時，用小口徑流量計;流量較大時，用大口徑流量計，需根據(jù)流量大小用閥進(jìn)行切換。
   而光纖渦輪流量檢測系統(tǒng)由于量程比大，測量范圍寬，用一只傳感器便可測量發(fā)動機(jī)試車中燃油變化的全過程，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。

7、結(jié)論：
   在普通的渦輪流量計中，用光纖轉(zhuǎn)速傳感器代替磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，用微機(jī)進(jìn)行信號處理，可以大幅度提高傳感器的量程比，擴(kuò)大測量范圍。尤其在小流量區(qū)域，可以克服磁電式渦輪流量計因信噪比((S/N)降低而無法測量的缺點。故可連續(xù)測量燃油的流量及其變化過程。