摘要介紹一種利用光學方法檢測渦輪轉速的光纖渦輪流量傳感器及檢測系統.它具有信噪比高、量程比大的優點。試驗表明，光纖渦輪流量傳感器的量程比高達40：1，比常用的磁電式渦輪流量計大3倍，可滿足航空發動機過渡態燃油流量的寬量程測t要求。還詳細介紹了光纖渦輪流量傳感器的結構和工作原理、溫度修正原理，以及檢測系統的硬件電路。***后給出傳感器標定結果，并討論了在航空發動機擻油測量中的應用。

1、流量測量原理：
   當流體沿管道軸線方向沖擊渦輪葉片，驅動渦輪旋轉時，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生周期性反射光脈沖信號，由接收光纖傳輸至光探測器轉換成相應的電脈沖信號。信號頻率與渦輪的轉速成正比，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。
   由于渦輪的轉速在整個流量范圍內并不高，如果直接用計脈沖數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單片機的定時器/計數器T。的計數值為n，則輸出脈沖頻率f為f=Z/T = Z/(nTc)式中，Z為渦輪葉片數;T為渦輪旋轉周期;Tc為單片機的機器周期。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，2一導流器，3一導向器，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，尤其是小流量區域，儀表常數K不能看作是一個常數，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、光纖轉速傳感器設計：
   光纖渦輪轉速傳感器可以設計成組合式和分離式兩種結構。前者是將光纖、光源、光探測器和信號調理電路納入渦輪流量傳感器主體內;后者僅將光纖納入其中，其余部分遠離測試現場，通過光纜傳輸光信號。    光纖渦輪轉速傳感器探頭內的發送光纖束和接收光纖束呈Y形結構，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)，出射光強足夠大的情況下，可以直接采用光纖照光和采光。發送光纖束和接收光纖束在探頭內按同軸分布排列。中心圓(直徑。. 5mm)內為發送光纖束，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光敏三極管轉換后，輸出的電脈沖信號較為微弱，波形不規則，還伴有噪聲，需經放大和整形，變成0^-5V的平整脈沖信號，才能輸入智能測試系統。

3、溫度修正：
    由式(5)知，流體的質量流量M與流體密度P有關，而P與流體的溫度有關.因此，在使用溫度范圍內，必須對P進行修正，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;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，對溫度傳感器動態響應要求不高，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的規律線性變化。信號經放大和V/F轉換器轉換成頻率信號后輸入微機測試系統。

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

圖2檢測系統的硬件電路原理框圖
4.1.1、主機電路：
   主機電路主要由微處理器及一些擴展器件組成。采用8031作為系統的微處理器，片外擴展一片程序存貯器，一片數據存貯器(用于存放過渡態測試時瞬時流量值)，還有一片EZPROM2817A(2K)，存放一些需經常改變的常數.
4.1.2、鍵盤顯示電路：
   系統設置有12個按鍵，分上、下兩檔，上檔用作數字鍵，分別為0-9;下檔為功能鍵。顯示部分設有6個七段數碼管顯示各種信息。    另外，還有6只 LED，作功能指示用，由8031的尸:口進行管理。
4.1.3、輸入/輸出電路：
   8031通過8155芯片進行I/O口擴展，與打印機((PP40)相連，打印出過渡態測試時的瞬態流量及流量變化曲線.    系統有兩路輸入:一路是與渦輪轉速(或容積流量)有關的頻率信號，輸入到8155的引腳端TIMEIN，通過片內的一個14位減法計數器對輸入脈沖進行減法計數，以實現六分頻。產生的連續方波信號由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、系統功能：
   該系統可以用來測量透明、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。    當流體性質改變時，可以方便地通過鍵盤修改數據(如流體的基準密度Po、流體溫度系數a等)進行重新設置。

5、主要性能：
   研制的光纖渦輪流量傳感器(口徑25mm)經計量部門標定，重復性誤差僅0. 25%(取置信系數入一3)。    標定的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。兩者相比可以發現，光纖渦輪流量傳感器的測量范圍可以擴展到小流量區域(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速無關，即使在小流量區域，光脈沖信號經轉換后峰值電壓可達到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域K值的變化。因此光纖渦輪流量檢測系統可以測量很小的流體流量。
   若葉輪采用輕質非金屬材料制成，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一步向小流量區擴展。


6、應用：
   光纖渦輪流量傳感器除了具有線性和重復性好的優點外，還具有量程比大，抗電磁干擾能力強和安全可靠等獨特的優點。尤其是分離式光纖渦輪流量傳感器，測試現場不帶電，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。
   在航空發動機燃油流量的測量中，更具有其實用價值。在航空發動機試車臺上進行的燃氣渦輪運轉試驗中，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，需根據流量大小用閥進行切換。
   而光纖渦輪流量檢測系統由于量程比大，測量范圍寬，用一只傳感器便可測量發動機試車中燃油變化的全過程，在航空發動機起動試驗和性能試驗中是一種理想的流量檢測裝置。

7、結論：
   在普通的渦輪流量計中，用光纖轉速傳感器代替磁電式轉速傳感器，用微機進行信號處理，可以大幅度提高傳感器的量程比，擴大測量范圍。尤其在小流量區域，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。故可連續測量燃油的流量及其變化過程。