一文了解光纤速度和流量传感器

2019-10-25
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摘要 光纤型激光多普勒测速传感器与传统激光测速方法的最大不同是,激光束以及运动微粒散射信号光的传输与耦合皆通过光纤实现。

        多模光纤是速度和流量传感器的理想光纤材料,现在已用它大力开发速度和流量传感器。

  下图示出光纤流速传感器的结构原理示意图。

光纤流速传感器的结构原理示意图

       多模光纤插入顺流而置的铜管中,由于流体流动而使光纤发生机械应变,从而使光纤中传播的各模式的相位差发生变化。光纤中射出的发射光的振幅出现强弱变化,其振幅与流速成正比,这就是光纤流速传感器的工作原理。在光纤传输的方向垂直装上滑鞍,这样可提高灵敏度。

  风速计的工作原理如下图所示。

光纤风速计的工作原理

       它由凸轮、透镜系统和光纤构成,而起遮光作用的凸轮安装在普通风速计上。工作时,使凸轮和风速成比例旋转,被凸轮遮断而形成的光脉冲由光纤传导,经光电二极管转换成电信号后再进行计算,这样即可检测出风速。采用光纤传输信号,可避免风速计安装在高塔上,从而使传输信号不易受雷电干扰。

  下面介绍两种常用光纤速度和流量传感器。

  激光多普勒测速传感器

  光纤型激光多普勒测速传感器与传统激光测速方法的最大不同是,激光束以及运动微粒散射信号光的传输与耦合皆通过光纤实现。这样就较好地解决了光路的准直问题,同时也提高了抗光路干扰的能力,使这种技术的应用范围大大扩展。

  光纤激光多普勒测速传感器系统如下图所示,把光纤探头以与管中心线夹角为θ的方向插入管道中,由光纤梢端发出的激光被运动流体微粒散射,产生多普勒位移的散射光信号,再由同一光纤耦合回传,并与原信号光重叠产生差拍。其实质是利用被测对象引起光频率变化来进行监测,属于频率调制型光纤传感器。

光纤激光多普勒测速传感器系统

  运动微粒散射的光信号多普勒频移为

  式中,n——运动物质折射率;ν——微粒运动速度;θ——光纤探头插入角;λ——激光波长。

  由式可知,当被测介质折射率n、激光源波长λ以及光纤探头插入角θ—定时,则光信号多普勒频移△f直接反映了管道流体的流速ν。

       下图示出光纤多普勒速度传感器测量血管中血流流速的例子。这种传感器的光纤很细(约150μm),能装在针内,故可插入血管中且没有触电的危险,用于测量心脏内的血流十分安全。它是用偏光棱镜和检测器使光纤端面的反射光(频率f)和红血球的反射光(频率f+△f)混频,从而测出△f。

  图 光纤多普勒速度传感器测置血流速度的原理

  光纤旋涡式流量计

  当流体绕流过一个非线性(横截面)物体时,如下图所示,将在其两侧交替产生稳定旋涡,并交替拨开,故在物体侧壁产生一个侧向推力。物体受到这个周期力的作用,而产生横向振动。

旋涡泻下图

  光纤旋涡式流量计结构如下图所示,它是在流体管道中横贯一根光纤,光纤因流体的绕流而振动,其振动频率为

  式中,ν——流体流速;d——相对于流体流向的光纤直径;Sr——斯特劳哈尔(Strouhal)数,无量纲,Sr= f(Re),Re为雷诺数。

  图 光纤旋涡式流最计示意图

  对于不同流体,Re有一定的范围,在此范围内Sr为常数,如水Re为103〜105时,Sr≈O.2。

  当一束激光经过受流体绕流而振动的光纤时,其光纤的出射光斑点会产生抖动,其抖动频率q与光纤振动频率f存在一定的关系,因而只须求得出射光斑的抖动频率,便可以求得流体流速及流量。

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