光纤流量计初探

　　随着人们对光纤的深入研究和光纤应用领域的扩大,光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一,它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。涡街流量计从20世纪70年代以来得到迅速发展,是一种很有市场前景的流量计。本文将光纤传感器与传统的涡街流量测量原理相结合,设计上采用光纤取代一般的涡街流量计的旋涡发生体。由于光纤传感器具有抗电磁干扰、抗环境噪声、电气绝缘性及自身安全性等特点,其独特的性能和灵活性能克服了传统涡街传感器的诸多不利影响,将推动光纤流量传感器的应用。

　　1　光纤涡街流量计流量测量原理

　　1·1　涡街流量计测量原理

　　根据流体力学的理论,被测流体经过旋涡发生体时,当流速增加到一定程度时,旋涡发生体的下游会产生两列旋转方向相反的并排旋涡,如图1所示,这种旋涡称为卡门涡街。旋涡的释放频率与流速成正比: f=Sr·v/d。式中f为旋涡的频率,Hz; v为流体平均速度,m/s; d为旋涡发生体迎流面特征宽度,m; Sr为斯特罗哈数,无量纲,根据旋涡发生体形状不同,它的数值范围0·14~0·27。Sr是雷诺数的函数, Sr=f (1/Re), Re为雷诺数。

　　1·2　光纤涡街流量计机理

　　(1)光纤涡街流量计结构

　　这种类型的光纤涡街流量计通常使用多模光纤作为涡街发生体,其结构简单,如图2所示。作为产生涡流的非流线型物体,光纤横向穿过管道。光纤输入端加连续光源,在没有流体作用的情况下,输出端光强度不变。当有流体通过光纤时,涡街会对光纤产生横向作用力,使光纤微弯并受到周期性的振动,从而引起输出光强度的变化[1]。在输出端应用光电检测器件将接收到的受调制的光信号转换成电信号,以为后续处理电路使用。

　　(2)微弯损耗机理

　　当光纤受到弯曲扰动的时候,将会产生弯曲损耗,主要表现为两种形式:纯弯损耗和传输损耗[2]。文献[3]对上述两种损耗类型作了详细的理论推导。其中纯弯损耗是由于光纤弯曲导致纤芯中的部分模块失速而耦合至包层引起的(如图3a);传输损耗可以等效地看成是光纤弯曲改变了纤芯的折射率分布,使部分导模变成辐射模而引起的[4](如图3b)。图中Pi为输入光功率, Pc为微弯耦合损耗功率, P0(rb,Ф)为输出光功率, rb为弯曲半径,rc为耦合临界半径,Φ为弯曲角,δ为微弯导致的波阵面峰值与理想传播峰值的空间偏移量。r为波阵的空间坐标[5]。

　　假设光纤的微弯变形函数为: