流体流速测试仪的实验研究

　　1引言

　　光纤传感技术日益迅速发展，它应用于实践已将成为大势所趋。以其高的灵敏度、耐高压耐腐蚀、频带宽等特点，会逐步取代传统的传感原理及测试方法。流体流速的测试方法众多，其中光纤传感器测试就有光纤涡流流速计、光纤多普勒速度计[[1]、以及超声波流速流量计[2]，它们的测试理论和仪器结构复杂。本文所讨论的光纤传感器利用伯努利原理对流体流速的测定方法，属首次提出，它克服了光纤涡流流速计在小流速端测量受到限制及光纤多普勒速度计结构复杂的缺点，不仅可以检测液体的流速，而且也可用于企业烟囱中气体排放速度的检测[3-4]将它与微机连接，便可实现自动化。实验证明，整个测试系统测试原理可靠、结构简单，具有一定的应用前景。

　　2测试系统理论

　　2. 1伯努利原理

　　伯努利原理描述了理想流体在流管中稳定流动时每单位体积的动能和重力势能以及该点的压强之和是常量，其方程可表示为[5]:

　　在许多实际问题中，液体常常是在水平或接近水平的管子中流动的，这时候式(1)中h=0。即式(1)变为:

　　在流管中心处的速度均匀，整个流管的平均速度与中心速度之比是雷诺数的函数[6]，因此只要测得流管中心处全压与静压之差(即动压)并获知流体的质量密度，便可知流速。此即为本文设计的理论基础。

　　2.2光纤传感器

　　反射式光纤传感器是采用Y型光纤束并利用反射面相对光纤探头的相对位移来调制反射光强的。其基本原理是光经光纤人射臂到光纤探头，经反射面反射后，一部分光由光纤出射臂输出。出射光强是反射面与光纤探头相对位移的函数，两者关系以曲线[7]表示如图2所示。

　　本文所设计的传感器是利用了曲线中x1 -x2段的线性部分。传感器的反射面采用弹性膜片制作，膜片上贴有一个高反射率薄片，膜片承载压力后发生形变，使距探头距离(位移)改变，实质上，位移是一个中间变量[8-9]在传感器测试动态范围内，出射光强的大小直接反映了压力的变化，而压力是流速的函数，由出射光强的测定而得反映压力(流速)变化的电信号，输人电路处理器，经与微机连接并依据伯努利原理，通过软件控制可直接输出流体流速。

　　3测试系统设计

　　3. 1传感器设计

　　整个系统由流管、光纤传感器[7]、信号处理放大电路及微机系统组成，如图3所示。

　　测试系统的核心部件是传感器的膜片，对膜片的加工或选择直接影响到测试范围，它的作用是流体压力一膜片位移的转换元件，在平衡外力的作用下，膜片只产生径向张力，其弯曲力可以忽略不计，其受力原理如图4所示。