胡 浩,鐘麗瓊,王廷均,浦 創(chuàng)

(貴陽學(xué)院機械工程學(xué)院，貴州貴陽 550003 )

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、氣象研究、航空航天、內(nèi)燃機控制等許多領(lǐng)域均會對氣體流速這一重要的參數(shù)進行測量，測量氣體流速一般會使用流速傳感器，而針對氣體流速測量的專用傳感器種類并不多見，應(yīng)用中選擇余地較小，甚至某些檢測場合選擇不到適合的傳感器，因此，相關(guān)學(xué)者也在積極研發(fā)新型的氣體流速傳感器，以使其更好的適應(yīng)社會發(fā)展的需求。例如，付敬奇等人研制了一種利用微型旋槳作為敏感元件來測量流場流速的氣體流速流向傳感器[1]；宋彥崢等應(yīng)用熱膜風(fēng)速計原理，設(shè)計了一種測量內(nèi)燃機進氣流速流向的傳感器[2]；J. Chen等提出了一種基于昆蟲風(fēng)速接受器原理的，用以測量低速氣體流速的傳感器[3]；林定選提出了一種采用MEMS技術(shù)，具有雙橋結(jié)構(gòu)的硅氣體流速傳感器[4]。上述文獻均在氣體流速傳感器的開發(fā)中有所創(chuàng)新，但迄今為止相關(guān)報道并不多見。在此背景下，本文擬把光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于氣體流速傳感器的研發(fā)中，光纖傳感技術(shù)作為一種新興的傳感技術(shù)，具有許多其他傳感技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，也被越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代傳感器的研究[5-11]。正因如此，本文提出了一種基于光纖強度調(diào)制原理的動量式氣體流速傳感器，利用流體動力學(xué)原理把被測氣體的流速轉(zhuǎn)換為參考氣體的壓差，利用光纖強度調(diào)制原理得到壓差變化大小，再推導(dǎo)出被測氣體流速的大小，從而實現(xiàn)對氣體流速的檢測。

1 傳感器設(shè)計

1.1 傳感器探頭

如圖1所示，為動量式光纖氣體流速傳感器的探頭結(jié)構(gòu)，傳感器主要由流體耦合部分與壓差測量部分組成。流體耦合部分包括流體耦合腔，腔內(nèi)設(shè)計被測流體流道，流體由流入孔流進，在與參考氣源發(fā)射噴嘴噴射出來的紊流射流作用后，經(jīng)流體流出孔流出。壓差測量部分包括左右端蓋、活塞桿、彈簧、活塞、密封圈、缸體、反光片、光纖束、排氣孔、過濾網(wǎng)、引流口等結(jié)構(gòu)，該部分利用光纖強度調(diào)制原理完成對動量耦合后的氣體的壓差測量。設(shè)計中，活塞能在缸體內(nèi)自由滑動，活塞滑動帶動活塞桿在滑道內(nèi)左右移動，左右腔內(nèi)裝配的彈簧起到使活塞復(fù)位的作用，活塞桿在滑道內(nèi)的移動使反光片與光纖束的距離發(fā)生變化，入射到反光片上的光經(jīng)反光片反射后耦合進接收光纖的光強度發(fā)生變化，通過檢測出光強度變化的大小，就能判斷出活塞移動的距離?；钊灰频拇笮∮钟蓧翰顪y量部分左右檢測腔內(nèi)氣源射流產(chǎn)生的壓力差所決定。

圖1 傳感器探頭結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

圖2為傳感器動量耦合部分的作用原理圖。圖2(a)為沒有被測氣流作用，此時參考氣源發(fā)射噴嘴噴射出來的紊流射流在沒有外界氣流干擾時，通過壓差檢測部分的引流口等量進入到壓差檢測腔內(nèi)，由于其左右氣流壓力相等，壓差檢測部分的活塞不會發(fā)生移動，傳感器輸出光強度就不會發(fā)生變化；圖2(b)為有被測氣流作用，此時被測流體以一定的流速流入檢測腔，氣源進口處也持續(xù)流入恒定的參考射流，二者在檢測腔內(nèi)發(fā)生交匯，氣源射流會在被測氣流的作用下發(fā)生一定的偏移。那么，氣源射流進入到左右壓差檢測腔內(nèi)的壓力就會不相等，壓差檢測部分的活塞在氣源壓差的作用下發(fā)生移動，傳感器輸出光強度就會隨之發(fā)生變化。因此，測試出此時氣源射流的壓力差就能計算出被測流體的流速。

圖2 動量耦合原理圖

1.3 傳感器系統(tǒng)

圖3為動量式流體流速傳感器的系統(tǒng)圖，整個傳感器系統(tǒng)由光源、入射光纖、Y型耦合器、傳感器探頭、接收光纖、光電轉(zhuǎn)換器、信號處理模塊等部分組成，光源發(fā)出的光信號通過Y型耦合器平均分配給左右檢測腔的入射光纖，左右檢測腔接收光纖接收到的隨壓差變化的光強信號，傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)信號調(diào)理，并做除法運算，得到最終的輸出值，通過除法運算能夠提高傳感器的靈敏度。

圖3 傳感器系統(tǒng)圖

2 數(shù)學(xué)模型

為了建立傳感器的數(shù)學(xué)模型，首先分析氣源射流與被測氣流相互作用時，氣源射流產(chǎn)生的壓差大小與兩氣流動量的關(guān)系。假設(shè)氣源射流的流速為vs，被測氣流的流速為vb，氣源射流的動量為Ms，被測氣流的動量為Mb，傳感器壓差檢測腔內(nèi)氣源射流產(chǎn)生的壓差大小為Δp，那么此時Δp與兩氣流的動量比有關(guān)，可表示為：

(1)

又氣流的動量與氣流流速的平方成正比，氣流動量可分別表示為：

(2)

式中ks、kb分別為比例常數(shù)。

(3)

傳感器壓差檢測部分利用了光纖強度調(diào)制原理，此時的強度調(diào)制模型為[12]：

(4)

式中：x11、x12分別為檢測腔兩側(cè)反射光的光錐端面半徑；θ11、θ12、θ21、θ22分別為檢測腔兩側(cè)反射光的光錐端面與光纖束接收光纖端面相交的圓心角；r為接收光纖半徑。

x11=r+2d1tan(arcsinNA)

x12=r+2d2tan(arcsinNA)

式(3)與式(4)合并有：

(5)

式(5)即為傳感器的數(shù)學(xué)模型，不難看出，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定以后，傳感器的數(shù)學(xué)模型僅為與兩射流速度vs、vb有關(guān)的函數(shù)，H為無量綱參量。

3 實驗結(jié)果與分析

依據(jù)伯努利方程，為了簡化計算，假設(shè)壓力差Δp與兩流體流速的平方之比成近似線性關(guān)系。

利用仿真軟件對上述傳感器的數(shù)學(xué)模型進行計算，分別分析檢測腔結(jié)構(gòu)參數(shù)有效截面積S、彈簧剛度k1、光纖束與反光片初始距離d0對輸出信號的影響，噴嘴射流流速vs對輸出信號的影響，仿真時光纖束相關(guān)參數(shù)分別取NA=0.35、d0=0.8 mm、r=1 mm。

3.1 檢測腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸出信號的影響

圖3～圖5分別為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時傳感器的輸出信號vb—H曲線，即分別對結(jié)構(gòu)參數(shù)S、k1、d0取不同數(shù)值時，傳感器的輸出值H與檢測量vb之間的變化關(guān)系。

圖3 有效截面積S變化時的vb-H曲線

圖4 彈簧剛度k1變化時的vb-H曲線

圖5 初始距離d0變化時的vb-H曲線

圖3為傳感器檢測腔活塞的有效截面積S分別取300 mm2、340 mm2、380 mm2、420 mm2,其余參數(shù)相同時的vb-H曲線。從上圖中不難看出，不管檢測腔活塞的有效截面積S如何變化，傳感器的輸出值H隨著檢測量vb的增加而增加。當(dāng)檢測腔活塞的有效截面積S=300 mm2時，傳感器的輸出值最大約為2.4，其靈敏度為0.7 m-1·s-1；當(dāng)檢測腔活塞的有效截面積S=340 mm2時，傳感器的輸出值最大約為2.8，其靈敏度為0.9 m-1·s-1；當(dāng)檢測腔活塞的有效截面積S=380 mm2時，傳感器的輸出值最大約為3.4，其靈敏度為1.2 m-1·s-1；當(dāng)檢測腔活塞的有效截面積S=420 mm2時，傳感器的輸出值最大約為4.1，其靈敏度為1.55 m-1·s-1。傳感器的靈敏度隨著活塞的有效截面積S的增大而增大，因為活塞面積越大，在相同的差壓作用下，活塞受力就越大，則移動的位移就越大，因此其靈敏度就越高。

圖4為傳感器檢測腔內(nèi)彈簧的剛度k1分別取0.1 N/mm、0.15 N /mm、0.2 N/mm、0.25 N/mm，其余參數(shù)相同時的vb—H曲線。從圖中可以看出，不論k1取何值，傳感器的輸出值H也隨著檢測量vb的增加而增加。當(dāng)k1=0.1 N/mm時，傳感器的輸出值最大約為7.9，其靈敏度為3.45 m-1·s-1；當(dāng)k1=0.15 N/mm時，傳感器的輸出值最大約為2.9，其靈敏度為0.95 m-1·s-1；當(dāng)k1=0.2 N/mm時，傳感器的輸出值最大約為2.1，其靈敏度為0.55 m-1·s-1；當(dāng)k1=0.25 N/mm時，傳感器的輸出值最大約為1.8，其靈敏度為0.4 m-1·s-1。傳感器的靈敏度隨著彈簧剛度的增大而減小，因為彈簧剛度越大，在相同的差壓作用下，彈簧變形量就小，則移動的位移就小，因此其靈敏度就越低。

圖5為傳感器檢測腔內(nèi)光纖束與反光片的初始距離d0分別取0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm，其余參數(shù)相同時的vb-H曲線。從圖中可以看出，傳感器的輸出值H同樣隨著檢測量vb的增加而增加，這一趨勢與d0的取值無關(guān)。當(dāng)d0=0.8 mm時，傳感器的輸出值最大約為3.7，其靈敏度為1.35 m-1·s-1；當(dāng)d0=0.9 mm時，傳感器的輸出值最大約為2.7，其靈敏度為0.85 m-1·s-1)；當(dāng)d0=1.0 mm時，傳感器的輸出值最大約為2.2，其靈敏度為0.6 m-1·s-1；當(dāng)d0=1.1 mm時，傳感器的輸出值最大約為1.9，其靈敏度為0.45 m-1·s-1。傳感器的靈敏度隨著初始距離的增大而減小，因為初始距離越大，接收光強度隨著活塞移動的變化就不夠明顯，因此其靈敏度就越低。

從上述分析可知，為了提高傳感器的靈敏度，在設(shè)計中應(yīng)選取較大的活塞有效截面積，但活塞面積也不宜過大，因為過大會造成傳感器的尺寸結(jié)構(gòu)過大，加工材料需求過多，經(jīng)濟性與實用性降低；選取較小剛度的彈簧，但彈簧剛度的大小又決定了傳感器的檢查范圍，所以也要根據(jù)具體的檢測范圍選?。贿x取較小的光纖束與反光片的初始距離，不過這一距離也不能過小，太小會造成反射光無法耦合進入到接收光纖之中，從而無信號輸出。

3.2 噴嘴射流流速對輸出信號的影響

圖6～圖9分別為不同的噴嘴射流流速時傳感器的輸出信號vb-H曲線，曲線反映了噴嘴噴射不同流速流體時，傳感器的輸出值H與檢測量vb之間的變化關(guān)系。

圖6 vs=4 m/s時vb-H曲線

圖8 vs=8 m/s時vb-H曲線

圖9 vs=10 m/s時vb-H曲線

從圖6～圖9不難看出，不論噴嘴射流流速取多大，傳感器輸出值H均會隨著被測流體流速的增加而增大，在一定的檢查范圍內(nèi)，vb-H曲線均呈現(xiàn)遞增趨勢，且隨著vb的增大，其曲線的斜率也增大，說明輸出值H增大的速度在加快。這是因為隨著被測流體流速的增加，被測流體的動量就增大，在噴嘴射流流速穩(wěn)定時，會使噴嘴射流發(fā)生偏移的角度增加，從而導(dǎo)致進入到差壓檢測腔兩側(cè)的流體產(chǎn)生更大的壓差，這樣，差壓檢測腔低壓側(cè)反光片會靠近光纖束，使其輸出光強度減小，而高壓側(cè)反光片會遠離光纖束，使其輸出光強度增大，傳感器的最終輸出值H即為檢測腔高壓側(cè)輸出光強度信號與低壓側(cè)輸出光強度信號之比，所以隨著vb的增大，輸出值H的分子和分母一增一減，其比值會加速增大，最終形成一條快速遞增的曲線。從圖6可知，當(dāng)vs=4 m/s時，最小輸出值為1，這是因為此時vb=0，噴嘴射流不會發(fā)生偏移，檢測腔內(nèi)無壓力差，所以輸出值H為1。最大輸出值約為2.55，其靈敏度約為0.775 m-1s-1；從圖7可知，當(dāng)vs=6 m/s時，最小輸出值為1，最大輸出值約為1.47，其靈敏度約為0.235 m-1·s-1；從圖8可知，當(dāng)vs=8 m/s時，最小輸出值為1，最大輸出值約為1.24，其靈敏度約為0.12 m-1·s-1；從圖9可知，當(dāng)vs=10 m/s時，最小輸出值為1，最大輸出值約為1.14，其靈敏度約為0.07 m-1·s-1。從上述分析可以得出，隨著vs的取值增加，傳感器在檢測相同范圍流速時，其靈敏度會降低，這是因為噴嘴射流流速越大，相同流速的被測射流對其產(chǎn)生的影響就越小，使其偏移的程度就會越小，因此輸出值變化就小。所以，為了提高傳感器的靈敏度，噴嘴射流的預(yù)定流速與被測射流的流速相差不宜過大，且vs取vb最大值的2倍較好。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型的動量式光纖流速傳感器，傳感器主要由流體耦合部分與壓差測量部分組成，通過測定壓差檢測部分輸出光強度的變化來確定流體耦合部分的被測射流流速大小。并在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，依據(jù)光纖的強度調(diào)制原理建立出了傳感器的傳感模型H，當(dāng)傳感器的結(jié)構(gòu)確定以后，該數(shù)學(xué)模型僅為與兩射流速度vs、vb有關(guān)的函數(shù)。最后從檢測腔結(jié)構(gòu)參數(shù)與噴嘴射流流速兩方面分別分析了其對輸出信號的影響，分析得出在設(shè)計中應(yīng)選取較大的活塞有效截面積；選取較小剛度的彈簧；選取較小的光纖束與反光片的初始距離；噴嘴射流的預(yù)定流速與被測射流的流速相差不宜過大，vs取vb最大值的2倍較好。