一、前言
光纤传感技术是光纤技术深入发展的产物，自20世纪70年代中期以来，已经在国民生产的各个领域得到了极大的推广和应用，并技术含量高，使用性能好，渗透力强，应用领域广等特点而倍受人们推崇。
近年来，光纤传感器已经广泛应用于流量测量技术领域中，由于其突出的优点而逐渐成为流量测试技术中的首选传感器。与传统的传感器相比，光纤传感器在流量测控中的主要优点是：①频带宽，动态范围大，灵敏度高，准确性和稳定性好。②抗电磁干扰、抗环境噪声、电气绝缘性好。③电路可以绕曲，易与计算机连接，遥测方便。④结构简单，尺寸小、重量轻等。
二、光纤传感器的原理和分类
光纤传感器主要由光源，光纤与探测器三个部分组成。光源发出的光耦台进光纤，经光纤进入调制区，调制区内的光信号受外界被测参数的作用，其光学性质变化成为如光的强度、相位、额率、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探删器从而获得被测参数[2]。如图1所示为光纤传感原理示意图。
光纤是光纤传感器的主要组成部分，包括纤芯、包层和缓冲涂覆层和套层四个部分。纤芯是光纤中传递光信号的部分，一般的光芯材料有石英、玻璃和塑胶。包层即核心外围的部分，和纤芯具有不同的折射率，纤芯和包层之问有良好的光学界面。缓冲涂覆层作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的力学强度。光纤的最外层为套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料营还可以用来区别各条光纤。
光在光纤中的传递主要依据全反射理论。如图2所示，光纤由折射率n1稍高的纤芯和折射率n2稍低的包层构成，周围介质折射率为n0。入射光线与光线轴线之间的夹角a称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面人射角β。要使光完全能限制在光纤内传输，则应该使光线在纤芯-包层分界面上的入射角β大于（至少等于）临界角β0， 即：
相应于临界角的β0的入射角α0，反映了光纤集光能力的大小，称为孔径角。光在界面内发生全反射的条件即为
当入射角满足这个几何关系时，光能在光纤内部以同样的角度反复反射，直到传输到光纤的另一端。如果光纤弯曲，只要满足了全反射条件，则光仍然可以继续传播。如果入射角α0超过上述范围，则进入光纤内的光线便会在界面上发生折射而透入包层。
通常，光纤传感器可分为传感型（功能型）和传光型（非功能型）两大类[1]。利用外界因素改变光纤中光波的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的传感器，称为传感型光纤传感器。它具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤中进行。基于这样的原理作成的光纤流量计有光纤涡轮流量计、光纤涡街流量计等。传光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输。它的特点是充分利用现有的传感器，因而便于推广应用，如本文所述的光栅光纤流量计就是应用了传光型传感器的原理。
三、光纤传感器在流量测控中的应用
1. 光纤涡轮流量计
光纤流量计是在传统涡轮流量测量原理的基础上，用多模光纤代替内磁式传感器，构成了反射式涡轮流量计。
如图3所示为一对反射型光纤及光电转换电路检测涡轮叶片的旋转示意图。反射型光纤传感器应用多模玻璃光纤，由两根光纤组成，包括光发射纤和光接受纤，检测端固定在一铝合金护套内可替代内磁式传感器安装在涡轮流量计上。工作时，发射光纤将光入射到叶片端面上，旋转涡轮叶片周期性的反射，接受纤接受调制光的反射信号，经滤波后转换为流量脉冲信号。其频率与涡轮的转速成正比，即与被测流量成正比。信号经过进一步处理，就可以得到被测流体的流量。
与传统的涡轮流量计相比，光纤涡轮流量计具有明显的优点：
（1）传统的内磁式传感器受其结构限制对涡轮流量计只能检测叶片的转速，由于反射型光纤传感器体积细小，因而将两个反射型光纤传感器并列装配在涡轮流量计上，这样两个传感器可检测同一涡轮叶片不同位置的反射信号，而两个传感器信号互不干扰。
（2）与传统的涡轮流量计相比，光纤涡轮流量计还具有线性好、重复性好、稳定性好、抗电磁干扰能力强及量程比大等优点。试验表明，在不考虑涡轮黏度产生阻力矩时，量程比高达1:400，全量程误差为±0.1，而相同条件下的，用传统的涡轮流量计量程比仅为1:60。这主要是由于光纤传感器不存在内磁式传感器在低流速时与涡轮叶片产生磁阻而引起的误差，也克服了内磁式传感器在高流量区信号产生饱和的问题。
（3）光纤传感器的调制光参数还可以随总体设计的要求变化，应用于不同的场合，为涡轮的设计创造了方便条件。
2. 光纤涡街流量计
根据流体力学理论，在流体中设置旋涡发生体（阻流体），从旋涡发生体两侧交替地产生有规则的旋涡，这种旋涡称为卡门涡街，如图4所示。旋涡列在旋涡发生体下游非对称地排列。根据卡门涡街原理，当雷诺数Re在3×102~2×105时，旋涡的释放频率与流速成正比，如下式所示：
f=srv/d
式中 f— 旋涡的发生频率，单位为Hz；
V— 被测介质来流的平均速度，单位是m/s；
旋涡发生体迎面宽度为d，单位是m，Sr是斯特劳哈而常数，无量纲，根据旋涡发生体形状不同，它的数值范围在0.14~0.27。Sr还是Re的函数，sr=f（1/Re），Re为雷诺数。按照上述原理，采用不同的涡街发生体并配合不同的检测方法就可以制出各种涡街流量计。一般的涡街流量计由旋涡发生体、检测元件和转换器等部分构成。
如图5所示[3]，光纤涡街流量计通常使用多模光纤作为涡街发生体，光纤作为产生涡街的非流线型物体，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，使光纤微弯并产生振动，从而引起输出光强度的变化。在输出端用光电检测器件将接收到的信号转变成光电信号以为检测电路使用。
由于光纤横向穿过管道，这种流量计可以用来测量易燃、易爆和不透明的流量，而且被测流体的流阻很小，结构也较简单。
3. 光纤多普勒流速计
光纤多普勒流速计是基于频率调制的光纤传感器，可以实现对物体运动速度的高精度测量。按照多普勒效应，当一束某一频率f0（波长为λ）之入射激光（单色光）照射到随流体一起运动的微粒时，微粒成为一个散射中心。由于光源与运动微粒间有相对运动，微粒散射光频率与入射频率产生第一次频移。若用固定的光接收器接收运动微粒散射光频率，由于运动微粒与光接收器有相对运动，接收器接收到的频率fs与运动微散射光产生第二次频移。频差△f=f0-fs，称为多普勒频移，多普勒频移与微粒运动速度μ之间存在比例关系v=k△f，k为由测速仪光学系统决定的常数。光纤多普勒流速计就是基于这样的关系通过检查频差△f来确定流体的运动速度的。
如图6所示为双光束差动式检测系统，两光束在相交处产生等间距的干涉条纹[5]。多普勒频移△f与垂直于条纹的速度分量U有如下的关系。
△f= （2sink/λ）|v|
式中 λ— 激光波长；
K— 光束交角。
由于λ和k都是常数，故△f与v成线性关系。如果使双光束中的一束先产生频率偏移△f'，则调制频移为
△f=△f'±（2sink/λ）|v|
所以只要判断△f大于△f'还是小于△f'就能实现速度方向的判别。
如图7所示光纤多普勒流速计在检测反射光的调制频率上的应用。运动微粒散射光信号多普勒频移为
△f=2nvcosθ/λ
式中 n— 运动物质折射率；
v— 微粒运动速度；
θ — 光纤探头插入角；
λ— 激光波长。
由上式可知，当被测介质折射率n、激光波长λ以及光纤探头插入角θ一定时，则光信号多普勒频移直接反映了管道流体的流速v。基于这种原理的激光多普勒流速计已经广泛应用于医学上血液流速的测量[6]。
4. 其他光纤流量计
除上述流量计外，还有基于干涉理论的光纤流量计、基于光栅理论的光纤光栅流量计及多相流流量计等。
相位型光纤传感器多是基于干涉理论来测得相移，从而来检测相关物理量，通常用单模光纤组成双光路，结构和技术相对复杂，但是灵敏度较高。图8所示利用F-P干涉仪来检查光波的相位变化的原理图。干涉仪浸在流体中，入射光在两个镜面间通过多次反射形成多光束干涉。光电检测装置把检测到的信号转换成点信号输出，就可以在显示器上进行观察。这种形式的流量计结构紧凑，外界干扰小。
光栅式光纤传感器是利用光栅的莫尔条纹现象来进行测量的，图9所示为光栅式传感器的原理图。两个光纤位置固定，用透镜把光纤输入光变成平行光，通过两个光栅后再聚在输出光纤端面。两个光栅一个位置固定，一个在外界因素作用下移动。光栅每移动一个栅距，莫尔条纹就移动一个莫尔间距，且莫尔条纹可以将微小的位移放大，测量移过的莫尔条纹数目就可以测量光栅的位移量，再利用光电元件将光栅的位移量转换成输出的电信号，就可以实现测量。基于该原理可以测量液压缸、喷油泵等装置的油量变化[7]。
光纤多相流流量计主要用于实时实现压力、温度、流量和相组成等参数的测量。它利用一束布拉格激光传感器，能够用一根光纤进行多种复合的光学测量，并通过一根光纤进行多路传输。该种流量计的测量系统大都由两个部分组成：上部是装有压力、温度光纤传感器的仪器盒，下部是装有测量流量及各相比的光纤传感器。目前这种流量计已经在矿井、油层、地下作业等场合有了较多的应用[8]。
四、结论
光纤传感技术及其相关技术的迅速发展，使得信息测控等领域的自动化程度越来越高，新的测控技术和测控方法不断涌现。在流体测量领域，随着光纤传感技术的进一步数字化、集成化、智能化和工程化，各种光纤流量计的实用化和普及化程度必将得到进一步的提高，光纤流量计的应用前景也会更加广阔。
参考文献
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