介紹一種利用光學(xué)方法測(cè)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(diǎn)。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(dòng)機(jī)試車臺(tái)上進(jìn)行的燃?xì)鉁u輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，渦輪剛起動(dòng)時(shí)，燃油流量較小，加速過程中，燃油流量迅速增加。目前國(guó)內(nèi)的試車臺(tái)上，一般采用磁電式渦輪流量計(jì)，但其量程小，往往要用幾只口徑不同的流量計(jì)配合測(cè)量。流量小時(shí)，用小口徑流量計(jì);流量大時(shí)，用大口徑流量計(jì)，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(cè)量范圍寬，用一只傳感器便可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)燃油變化的全過程，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)和性能試驗(yàn)中是一種理想的流量檢測(cè)裝置。

1、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
   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(cè)流體沿管道流過渦輪葉片時(shí)，渦輪葉片將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)葉片頂端對(duì)準(zhǔn)光纖端面時(shí)，光將發(fā)生反射，此時(shí)光電接收器將產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，該信號(hào)的頻率與被測(cè)流體的流量具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要測(cè)出脈沖信號(hào)的頻率，就可以求得流體的瞬時(shí)流量值，瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分可求得累積流量。
   圖1b是傳感器信號(hào)檢出裝置原理圖，主要由光纖、發(fā)光光源、光電探測(cè)器及信號(hào)處理電路組成。光纖束設(shè)計(jì)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(cè)器上，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(diǎn)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(hào)，以提高傳感器的抗干擾能力。
    光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)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(hào)，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(jì)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(cè)器和信號(hào)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，中間通過光纜傳輸。

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

式中:J為渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;dwldt為渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度;M:為推動(dòng)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(duì)流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2所示。

圖2渦輪運(yùn)動(dòng)示意圖
  流體流動(dòng)時(shí)推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)。    當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定下來(lái)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(dòng)力矩Mr與體積流量q、有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。    在無(wú)阻力矩的理想情況下，并假定渦輪起動(dòng)以后，管內(nèi)流體的流量不隨時(shí)間而變化，即作定常流動(dòng)，則渦輪以穩(wěn)定的角速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)                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(gè)電脈沖信號(hào)，單位時(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系，只要檢測(cè)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(duì)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?；騫。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(shí)際上渦輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，除了受到驅(qū)動(dòng)力矩的作用外，還同時(shí)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(dòng)力矩較小，阻力矩的影響相對(duì)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(dòng)力矩也增大，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩增大到一定程度時(shí)，阻力矩可以忽略不計(jì)，這時(shí)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(jì)安裝調(diào)試完成之后，在計(jì)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(gè)來(lái)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(cè)量范圍為0.29一12.60襯/h，量程比為43:1，在標(biāo)定時(shí)，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(cè)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(cè)量范圍為1.19一12.24時(shí)/h，量程比只有10:1，由此可見，光纖速度式流量傳感器的測(cè)量死區(qū)大為減小。
   經(jīng)對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)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(lái)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(cè)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，尤其是分離式光纖速度式渦輪流量傳感器，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)不帶電，在低粘度燃油及可燃性氣體流量測(cè)量中是一種安全可靠的流量檢測(cè)儀器。