光纤传感器（五）：光纤旋涡式流量传感器与主流光纤传感器应用

光纤传感器（五）：光纤旋涡式流量传感器与主流光纤传感器应用

本节内容介绍了光纤旋涡式流量传感器的工作原理，以及国内市场上四种主流光纤传感器（光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器、光纤水听器）的应用概况。

光纤旋涡式流量传感器

光纤旋涡式流量传感器将一根多模光纤垂直装入管道，利用流体力学中的涡街原理进行流量测量。当流体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动频率与流速有关。通过测量光纤振动频率即可确定流体流速。

涡流频率 $f$ 与流体流速 $v$ 的关系为：

其中 $d$ 为光纤直径，$S_t$ 为斯托劳哈尔（Strouhal）系数（无量纲常数）。

在多模光纤中，光以多种模式传输，在输出端形成干涉图样（光斑）。无外界扰动时干涉图样稳定；当光纤受到流体涡流引起的扰动时，干涉图样的明暗斑纹发生移动。通过检测斑纹移动即可获得对应振动频率的信号，进而推算流体流速。

该传感器可测量液体和气体的流量，无活动部件，测量可靠，对流体流动几乎不产生阻碍作用，压力损耗小。

主流光纤传感器应用

国内市场上应用较多的光纤传感器主要有四种：

光纤陀螺

按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型。结构实现方法包括小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件技术已基本退出；全光纤系统用于开环低精度低成本陀螺；集成光学器件陀螺工艺简单、重复性好、成本低，是高精度光纤陀螺的主要实现方法。

光纤光栅传感器

传统光纤传感器主要有光强型和干涉型两种。光强型传感器的缺点在于光源不稳定，光纤损耗和探测器容易老化；干涉型传感器要求两路干涉光光强相等，需要固定参考点，应用不方便。以光纤布拉格光栅（FBG）为主的光纤光栅传感器可避免上述问题，其传感信号为波长调制，复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制、振动阻尼检测、地球动力学、航天器、电力工业和化学传感等领域有广泛应用。

光纤电流传感器

电力工业发展使传输系统容量增加、电压等级升高，传统电磁感应式电流传感器存在易爆炸、大故障电流导致铁心磁饱和、铁心共振、频率响应慢、测量精度低、信号易受干扰、体积重量大、价格昂贵等缺点，难以满足数字电力网发展需要。光纤电流传感器应运而生，克服了上述缺点。

光纤水听器

主要用于测量水下声信号，通过高灵敏度光纤相干检测将水声信号转换为光信号，经光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比，具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点，广泛用于军事、石油勘探和环境检测等领域。按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。