一文了解光纤速度和流量传感器

        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。