摘要介紹一種利用光學(xué)方法檢測(cè)渦輪轉(zhuǎn)速的光纖渦輪流量傳感器及檢測(cè)系統(tǒng).它具有信噪比高、量程比大的優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)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(jì)大3倍，可滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)燃油流量的寬量程測(cè)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(cè)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(dòng)機(jī)擻油測(cè)量中的應(yīng)用。

1、流量測(cè)量原理：
   當(dāng)流體沿管道軸線方向沖擊渦輪葉片，驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片周期地通過(guò)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(hào)，由接收光纖傳輸至光探測(cè)器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)。信號(hào)頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，即與被測(cè)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(gè)流量范圍內(nèi)并不高，如果直接用計(jì)脈沖數(shù)測(cè)頻必然引入較大的誤差。為了提高測(cè)量精度，故采用測(cè)周期法來(lái)測(cè)頻率。
   若8031單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T。的計(jì)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(cè)器，10一印刷線路板。11一電纜
    在整個(gè)流量測(cè)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(gè)常數(shù)，故直接運(yùn)用式(3)計(jì)算流量必然會(huì)有誤差。為了提高測(cè)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(jì)：
   光纖渦輪轉(zhuǎn)速傳感器可以設(shè)計(jì)成組合式和分離式兩種結(jié)構(gòu)。前者是將光纖、光源、光探測(cè)器和信號(hào)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(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)光纜傳輸光信號(hào)。    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(zhǎng)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(diǎn)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(hào)，提高傳感器的信噪比((S/N)。   渦輪葉片的反射光脈沖信號(hào)經(jīng)光敏三極管轉(zhuǎn)換后，輸出的電脈沖信號(hào)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(hào)，才能輸入智能測(cè)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(duì)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(cè)量時(shí)的流體溫度。
   考慮到測(cè)量時(shí)燃油溫度變化較為緩慢，對(duì)溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，故采用LM335A作為溫度敏感元件。測(cè)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(hào)經(jīng)放大和V/F轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)后輸入微機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。

4、檢測(cè)系統(tǒng)的組成及功能：
4. 1、系統(tǒng)硬件電路：
   流量智能檢測(cè)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(cè)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(guò)渡態(tài)測(cè)試時(shí)瞬時(shí)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(gè)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(gè)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(guò)8155芯片進(jìn)行I/O口擴(kuò)展，與打印機(jī)((PP40)相連，打印出過(guò)渡態(tài)測(cè)試時(shí)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(hào)，輸入到8155的引腳端TIMEIN，通過(guò)片內(nèi)的一個(gè)14位減法計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)六分頻。產(chǎn)生的連續(xù)方波信號(hào)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(hào)f(T>，該信號(hào)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(lái)測(cè)量透明、半透明流體的瞬時(shí)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(shí)，可以方便地通過(guò)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(jì)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(shí)也繪出了相同口徑的磁電式渦輪流量計(jì)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(cè)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(wú)關(guān)，即使在小流量區(qū)域，光脈沖信號(hào)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(cè)系統(tǒng)可以測(cè)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(cè)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(diǎn)外，還具有量程比大，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。
   在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量的測(cè)量中，更具有其實(shí)用價(jià)值。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(guò)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)。由于其量程比小，往往要用2-3只口徑不同的流量計(jì)配合測(cè)量。流量較小時(shí)，用小口徑流量計(jì);流量較大時(shí)，用大口徑流量計(jì)，需根據(jù)流量大小用閥進(jìn)行切換。
   而光纖渦輪流量檢測(cè)系統(tǒng)由于量程比大，測(cè)量范圍寬，用一只傳感器便可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)試車中燃油變化的全過(guò)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。

7、結(jié)論：
   在普通的渦輪流量計(jì)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(hào)處理，可以大幅度提高傳感器的量程比，擴(kuò)大測(cè)量范圍。尤其在小流量區(qū)域，可以克服磁電式渦輪流量計(jì)因信噪比((S/N)降低而無(wú)法測(cè)量的缺點(diǎn)。故可連續(xù)測(cè)量燃油的流量及其變化過(guò)程。