光纤涡轮流量传感器及检测系统研究

摘要介绍一种利用光学方法检测涡轮转速的光纤涡轮流量传感器及检测系统.它具有信噪比高、量程比大的优点。试验表明，光纤涡轮流量传感器的量程比高达40：1，比常用的磁电式涡轮流量计大3倍，可满足航空发动机过渡态燃油流量的宽量程测t要求。还详细介绍了光纤涡轮流量传感器的结构和工作原理、温度修正原理，以及检测系统的硬件电路。***后给出传感器标定结果，并讨论了在航空发动机擞油测量中的应用。

1、流量测量原理：
   当流体沿管道轴线方向冲击涡轮叶片，驱动涡轮旋转时，叶片周期地通过光纤传感器探头，如图1所示。在叶片顶端端面上将产生周期性反射光脉冲信号，由接收光纤传输至光探测器转换成相应的电脉冲信号。信号频率与涡轮的转速成正比，即与被测流体流量成正比 q=f/k式中，Q为容积流量;f为脉冲频率;K为仪表常数。
   由于涡轮的转速在整个流量范围内并不高，如果直接用计脉冲数测频必然引入较大的误差。为了提高测量精度，故采用测周期法来测频率。
   若8031单片机的定时器/计数器T。的计数值为n，则输出脉冲频率f为f=Z/T = Z/(nTc)式中，Z为涡轮叶片数;T为涡轮旋转周期;Tc为单片机的机器周期。由此，流量值可以表示为Q = f/K = Z/(nKTc)

      图1光纤涡轮流量传感器1-壳体，2一导流器，3一导向器，4-轴承，5一光纤探头，6-涡轮，7一轴，8一光源。9一光探测器，10一印刷线路板。11一电缆
    在整个流量测量范围内，尤其是小流量区域，仪表常数K不能看作是一个常数，故直接运用式(3)计算流量必然会有误差。为了提高测量精度，采用查q-f曲线的方法。该方法可以不考虑K的变化。在q-f曲线中由f求Q，采用分段线性插值的方法。线性插值公式为

2、光纤转速传感器设计：
   光纤涡轮转速传感器可以设计成组合式和分离式两种结构。前者是将光纤、光源、光探测器和信号调理电路纳入涡轮流量传感器主体内;后者仅将光纤纳入其中，其余部分远离测试现场，通过光缆传输光信号。    光纤涡轮转速传感器探头内的发送光纤束和接收光纤束呈Y形结构，探头直径1. 6mm，光纤束长30mm。由于涡轮叶片顶端反射面的宽度仅0. 8mm，照射光斑要小。但在照射距离小((1mm)，出射光强足够大的情况下，可以直接采用光纤照光和采光。发送光纤束和接收光纤束在探头内按同轴分布排列。中心圆(直径。. 5mm)内为发送光纤束，其周围为接收光纤束。其特点是照射光集中，采光面积大。    传感器光纤采用芯径为50hm的大数值孔径(NA = 0. 602 )的阶跃型多模光纤，以尽量多收集反射光信号，提高传感器的信噪比((S/N)。   涡轮叶片的反射光脉冲信号经光敏三极管转换后，输出的电脉冲信号较为微弱，波形不规则，还伴有噪声，需经放大和整形，变成0^-5V的平整脉冲信号，才能输入智能测试系统。

3、温度修正：
    由式(5)知，流体的质量流量M与流体密度P有关，而P与流体的温度有关.因此，在使用温度范围内，必须对P进行修正，修正式为  P=Po【1一a(t一to）】式中，P。为温度为t。的流体密度;a为流体温度系数;t为测量时的流体温度。
   考虑到测量时燃油温度变化较为缓慢，对温度传感器动态响应要求不高，故采用LM335A作为温度敏感元件。测温范围一10~100°C，其击穿电压随温度按10mV/K的规律线性变化。信号经放大和V/F转换器转换成频率信号后输入微机测试系统。

4、检测系统的组成及功能：
4. 1、系统硬件电路：
   流量智能检测系统的硬件电路原理框图如图2所示。大致可分为三部分:主机电路，键盘显示电路，输入/输出电路。

图2检测系统的硬件电路原理框图
4.1.1、主机电路：
   主机电路主要由微处理器及一些扩展器件组成。采用8031作为系统的微处理器，片外扩展一片程序存贮器，一片数据存贮器(用于存放过渡态测试时瞬时流量值)，还有一片EZPROM2817A(2K)，存放一些需经常改变的常数.
4.1.2、键盘显示电路：
   系统设置有12个按键，分上、下两档，上档用作数字键，分别为0-9;下档为功能键。显示部分设有6个七段数码管显示各种信息。    另外，还有6只 LED，作功能指示用，由8031的尸:口进行管理。
4.1.3、输入/输出电路：
   8031通过8155芯片进行I/O口扩展，与打印机((PP40)相连，打印出过渡态测试时的瞬态流量及流量变化曲线.    系统有两路输入:一路是与涡轮转速(或容积流量)有关的频率信号，输入到8155的引脚端TIMEIN，通过片内的一个14位减法计数器对输入脉冲进行减法计数，以实现六分频。产生的连续方波信号由TIMEOUT输出，与8031的IN了百端相连;另一路是与流体温度有关的频率信号f(T>，该信号直接输入到8031的瓦厅I端。
4. 2、系统功能：
   该系统可以用来测量透明、半透明流体的瞬时流量、累积流量，以及流体的温度，并能打印出流量变化的曲线。    当流体性质改变时，可以方便地通过键盘修改数据(如流体的基准密度Po、流体温度系数a等)进行重新设置。

5、主要性能：
   研制的光纤涡轮流量传感器(口径25mm)经计量部门标定，重复性误差仅0. 25%(取置信系数入一3)。    标定的q-f特性曲线如图3所示。图3（a)为全量程特性曲线。同时也绘出了相同口径的磁电式涡轮流量计的特性曲线。两者相比可以发现，光纤涡轮流量传感器的测量范围可以扩展到小流量区域(如图3(b)所示)。
   光纤涡轮流量传感器量程比高的原因，主要是小流量情况阻滞力矩较小，而且光脉冲的幅值与转速无关，即使在小流量区域，光脉冲信号经转换后峰值电压可达到30mV，故信噪比较高。而利用线性插值方法可以不考虑小流量区域K值的变化。因此光纤涡轮流量检测系统可以测量很小的流体流量。
   若叶轮采用轻质非金属材料制成，叶片顶端端面蒸镀反射膜，并改用宝石轴承，那么传感器的测量范围将进一步向小流量区扩展。


6、应用：
   光纤涡轮流量传感器除了具有线性和重复性好的优点外，还具有量程比大，抗电磁干扰能力强和安全可靠等独特的优点。尤其是分离式光纤涡轮流量传感器，测试现场不带电，在低粘度燃油及可燃性气体流量测量中是一种安全可靠的流量检测仪器。
   在航空发动机燃油流量的测量中，更具有其实用价值。在航空发动机试车台上进行的燃气涡轮运转试验中，涡轮刚起动时，燃油流量较小。加速过程中，燃油流量迅速增加。目前国内的试车台上，一般采用磁电式涡轮流量计。由于其量程比小，往往要用2-3只口径不同的流量计配合测量。流量较小时，用小口径流量计;流量较大时，用大口径流量计，需根据流量大小用阀进行切换。
   而光纤涡轮流量检测系统由于量程比大，测量范围宽，用一只传感器便可测量发动机试车中燃油变化的全过程，在航空发动机起动试验和性能试验中是一种理想的流量检测装置。

7、结论：
   在普通的涡轮流量计中，用光纤转速传感器代替磁电式转速传感器，用微机进行信号处理，可以大幅度提高传感器的量程比，扩大测量范围。尤其在小流量区域，可以克服磁电式涡轮流量计因信噪比((S/N)降低而无法测量的缺点。故可连续测量燃油的流量及其变化过程。