摘要(yào):爲了克服現有(you)電磁式渦輪流(liú)量計 的量程小(xiǎo)，易受電磁幹擾(rǎo)的缺點，設計了(le)一種雙圈🚶同軸(zhóu)式光纖的渦輪(lun)流量智能檢測(cè)系統;該測試系(xi)統由三大模塊(kuài)組成，雙圈同軸(zhou)式的光纖傳感(gan)器作爲信号拾(shí)取工具，硬件電(dian)路對⛹🏻‍♀️信号進行(háng)預處理，TMS320F2812DSP對信号(hao)進一步軟件處(chu)理;經過實🧡驗驗(yàn)證，該測試系統(tong)🏃‍♂️在5~300Hz的測量範🔱圍(wei)内，測量誤✌️差小(xiao)于0.5%;因此，該測試(shi)系統具有較高(gāo)的✊測🌂量精度和(hé)可靠👅性，這爲光(guāng)纖渦輪流量計(jì)的樣機制作🧑🏾‍🤝‍🧑🏼提(tí)供了重要依據(jù)。
0引言
　　電磁式渦(wō)輪流量計在流(liu)體計量中應用(yòng)十分廣泛，但由(you)于它量程小，對(dui)于流量範圍變(bian)化大的場合，就(jiù)需要幾個不同(tóng)口徑的流量計(jì)進行切換配合(hé)測量。近年來，光(guāng)纖傳感器以其(qi)靈敏度高，體積(ji)小，抗電磁幹擾(rǎo)等優點被廣泛(fan)應用于各種測(cè)量技術中。使用(yòng)光纖檢測渦👅輪(lún)轉速的方🈲法不(bú)存在電磁式渦(wō)輪流💛量計的電(dian)磁阻力矩對渦(wo)輪的影響，從而(ér)可以擴展流量(liang)測量範圍。這方(fang)面有一些研究(jiu)但均未深人探(tàn)析并将其應用(yòng)于工程實際中(zhong)。文中均💋采用Y型(xing)光纖探頭結構(gòu)檢測信号，但這(zhe)種結構易受其(qí)他光波和光強(qiang)等因素的影響(xiǎng);
　　因此，本文就光(guang)纖渦輪流量檢(jiǎn)測系統進行了(le)詳細的設計，針(zhēn)對各個模塊分(fèn)析了其技術參(can)數。光纖傳感器(qì)🌈探頭結構采用(yong)雙圈同軸的型(xíng)式，流量測量信(xìn)号處理系統以(yǐ)DSP爲核心，對硬件(jiàn)和軟件各模塊(kuài)逐一分析設計(jì)，并通過實驗驗(yàn)證了該系統的(de)可靠性，爲光纖(xian)渦輪流量計的(de)樣機制作提供(gòng)了一種重要依(yi)據。
1光纖渦輪流(liu)量傳感器的結(jié)構
　　光纖渦輪流(liu)量傳感器的簡(jian)要結構如圖1所(suǒ)示。雙圈同軸光(guang)🐉纖探頭使用多(duo)模玻璃光纖，由(you)一組發射光纖(xiān)和🌈兩組接收🔴光(guang)纖組成，檢測端(duān)固定在--個鋁合(hé)金護套内可替(tì)代電磁式傳感(gan)器🍉安裝在👌渦輪(lun)流量計上。其工(gōng)作原理爲:發射(she)光纖将光人射(she)到🐆葉片端面上(shàng)，液體在帶動渦(wo)輪葉片旋轉過(guo)程中🌈，激光照射(she)在渦輪表面的(de)不同位置，而不(bu)同位置所對應(yīng)與探頭之間的(de)距離不同。顯然(rán)，對于圖1的安裝(zhuang)結構，葉片頂🍓端(duān)與探頭的距離(lí)最小，則激光反(fǎn)射到❌雙罔同軸(zhou)光纖探頭的接(jie)收光纖的光強(qiáng)也♊較其他位置(zhi)強✍️。那麽，在葉片(piàn)轉動過程🐅中，葉(ye)片頂端會對光(guāng)纖發射的激㊙️光(guang)産生周期性的(de)反射，接🍓收光纖(xiān)接收到反射的(de)光強信💜号，經光(guang)電轉換電路後(hòu)放大🥰濾波産生(shēng)電脈沖信号。其(qí)頻率與渦輪的(de)轉速成正⛹🏻‍♀️比，研(yán)究表明，渦輪的(de)旋轉角速度與(yu)液體流速成正(zhèng)比🔱例關系，可以(yi)通過測量渦輪(lún)的轉速來反映(yìng)經過管道的體(tǐ)積流量大小。信(xìn)号經過進一步(bu)處理，結合液體(ti)的密度就可以(yǐ)得到被測液體(ti)的質量流量。
 
2雙(shuang)圈同軸式光纖(xiān)傳感器.
　　本文所(suǒ)采用的雙圈同(tóng)軸式光纖傳感(gan)器是強度調制(zhi)型反射🚶‍♀️式光纖(xian)。反射式光強調(diao)制傳感器是由(yóu)光💋源、人射光纖(xian)、接收光纖以🌐及(jí)探測器組成國(guo)。具體結構是在(zài)同軸式光纖(中(zhong)心爲人射光纖(xian)⭐，接收光纖同軸(zhou)排列)的🈲基礎上(shàng)同🍓軸增加一圈(quān)用于補償的接(jiē)收光纖。雙圈同(tóng)軸式光纖傳感(gan)器的整體結構(gou)如圖2所示。共19根(gēn)光纖，中間1根光(guang)纖爲入射光纖(xian)，内圈爲💚6根光纖(xian)作爲第一組接(jiē)收光纖，外圈有(you)12根光纖作爲第(di)二㊙️組接收光纖(xiān)。由于使用多模(mó)光纖其接收到(dao)的最大光強要(yao)比采用單模光(guāng)纖高一個數量(liàng)級左右，爲了📞提(ti)高測量的信噪(zao)比，本系💔統采用(yòng)多模光纖的光(guāng)纖傳感器。采用(yòng)這種光纖束結(jié)構的益處是它(ta)利用比值法消(xiāo)除了光源功率(lü)波動等⭐敏🐆感因(yin)素對測量的影(ying)響[5]，從而能夠實(shí)現傳感器的測(ce)量。
 
　　光源LED發出的(de)光，通過入射光(guang)纖傳輸到待測(ce)物體的表面☂️，經(jing)過反射後由接(jie)收光纖接收送(sòng)至光電轉換器(qì)進♊行光電轉換(huàn)。接收光強的大(da)小決定于反射(she)體距光纖探頭(tou)的距離，當被測(cè)距離改變時輸(shū)出光強也發生(sheng)相應的變化，可(ke)以通過對輸出(chū)光強的檢測🐉得(dé)到渦輪葉片轉(zhuǎn)動的位置，如圖(tu)3所示✨。由于渦輪(lun)葉片周期性的(de)💛轉動，光強的變(biàn)化也是呈周期(qi)性的，基于此原(yuán)理，這種光🌏纖傳(chuan)感器可以被用(yòng)于渦輪流量計(ji)上。
 
　　根據圖2的光(guang)纖探頭結構，其(qí)輸出特性調制(zhi)麗數的⭕計算可(ke)以☎️采用式(1)所示(shi)的方法，再結合(hé)大芯徑多模🧑🏽‍🤝‍🧑🏻光(guang)纖🛀的出射光纖(xian)端出射光強的(de)分布6]，可以得到(dào)雙圈同軸位移(yí)傳感器的輸出(chū)特性調制函數(shu)爲式(2)。在探頭參(cān)數确定的情況(kuang)下，傳感器的調(diào)制🏃🏻特性M(z)隻與被(bèi)測距離z有關口(kǒu)，
 
　　根據式(2)和本測(ce)試系統的實際(jì)需要，設計了相(xiàng)應的尺寸🈲參😄數(shù)的光纖探頭。對(duì)所設計的光纖(xiān)探頭進行仿真(zhēn)，如圖4所示🐅。可以(yǐ)看出，在探頭與(yǔ)被測渦輪表面(mian)距離400~1000μm的範圍之(zhī)間，該傳感器具(ju)有良好🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的線性(xing)關系，該範圍包(bao)含了測量流量(liàng)的光纖探頭與(yu)🙇‍♀️被測渦輪葉片(pian)表面間的垂直(zhi)距離變化範圍(wei)。
 
3基于DSP的智能光(guang)纖流量計信号(hào)處理系統
3.1總體(ti)處理方案框圖(tú)
　　本文設計的智(zhì)能流量光纖測(ce)量系統的整體(ti)框架如圖5所示(shì)。
 
　　随着葉片旋轉(zhuan)，光纖渦輪流量(liàng)傳感器拾取到(dao)呈周期性變🌂化(huà)🤩的光信号，光信(xin)号在經過光電(dian)轉換器後被轉(zhuan)換爲❄️電壓信号(hao)，經過📱信号放大(da)、整形、濾波等硬(yìng)件處理✂️電路後(hòu)🛀🏻得到的💰信号還(hai)遠不能達到我(wo)們所需的“轉速(su)一頻率一流量(liàng)”準确信息，爲提(tí)🙇‍♀️高系統的精度(dù)和穩定性，本系(xì)統将采用處理(li)能💁力強，計算精(jing)度高的DSP作爲信(xìn)🏃‍♀️号處理平台對(duì)信号作進一步(bu)的軟件處理，并(bing)實現流量信息(xī)的顯示以及與(yu)計算機的通❓訊(xun)。在這裏，我們選(xuǎn)取TI公司的TMS320F2812型号(hao)DSP芯片。DSP2812的内置A/D轉(zhuǎn)換爲12位，可保證(zheng)在存在硬件幹(gan)擾的情況下對(duì)數據的精度高(gao)采集;同時具有(yǒu)32位的定點CPU，主頻(pín)☎️可達150MHz,計算🔴能力(lì)也滿足流量測(ce)量系統對數據(jù)處理的要求。
　　系(xi)統設計時，考慮(lǜ)到光源、光電轉(zhuan)換等部件對系(xi)統測量結果✂️的(de)影響，溫度變化(hua)對傳感器零位(wèi)漂移的影響，以(yǐ)及傳感器光🏃‍♀️強(qiang)調制過程存在(zai)非線性，應加人(rén)溫度補償和非(fei)線性校正算法(fǎ)以及誤差修正(zheng)。另♋外，針對工程(cheng)應用中傳感器(qì)工作環境特點(diǎn)，可以在傳感器(qì)探頭加入準直(zhí)透鏡的方法用(yòng)以提高傳感器(qì)的抗噪能🈚力和(hé)擴展傳感器的(de)線性測量範圍(wéi)。
3.2硬件系統設計(ji)
　　硬件電路主要(yào)分爲兩部分，第(di)一部分是信号(hào)預處理部分，第(dì)📞二部分是以DSP爲(wèi)核心的信号處(chu)理部分。信号預(yù)處理部分分爲(wèi)💚光電轉換模塊(kuài)、放大模塊、濾波(bo)模塊。而DSP部分除(chú)了包括其主要(yao)的幾個電路模(mó)塊外，還包含對(dui)信号的軟件處(chù)理。
3.2.1信号預處理(lǐ)部分
3.2.1.1光電轉換(huan)模塊
　　光電轉換(huàn)模塊的功能是(shì)将接收光纖接(jie)收的光強信☁️号(hao)轉換爲電壓信(xìn)号。它在整個動(dong)态檢測系統中(zhōng)🆚起着極其重要(yào)的作用，它的好(hǎo)壞和靈敏度将(jiāng)很大程度.上影(yǐng)響着最終系統(tǒng)的測量精度。本(ben)系統選用的光(guang)電二極管是光(guang)電二極管電流(liú)與照射在其上(shang)的光強成正比(bǐ)，随着光強🤟的增(zeng)加OPT101的輸出電壓(yā)近似的線性增(zeng)加。OPT101芯🐆片在一個(ge)單片，上集成了(le)互跨阻抗放大(dà)器集和光電二(er)極管🛀，這就消除(chu)👈了分開設計中(zhōng)經常出現的如(rú)漏電流誤差、噪(zào)聲交叉幹🚶‍♀️擾以(yi)及雜散電容引(yǐn)‼️起的增益峰化(huà)等問題。
3.2.1.2放大電(dian)路模塊
　　光電檢(jian)測系統中，經過(guò)OPT101光電轉換後輸(shu)出的電壓信.号(hào)較微弱，必須通(tōng)過放大處理。前(qián)置放大電路設(shè)計的好壞将直(zhí)接影響整個信(xìn)号處理電路的(de)性能。由于是微(wei)小信号的放大(dà)，所以本系統選(xuǎn)用儀表運算放(fang)大器AD620。AD620是一款低(di)功耗、精度高的(de)運算放大器，具(jù)有👅高共模抑制(zhì)比、放大頻帶寬(kuān)、溫度穩定性好(hao)、使用簡單、噪聲(shēng)低等特點，隻需(xū)要改變外部電(dian)阻的阻值就可(ke)以實現從1到1000倍(bei)的放大，因此适(shì)合用于對微弱(ruo)信号💞的正确放(fang)大。
3.2.1.3濾波電路模(mo)塊
　　濾波模塊是(shi)抑制和防止幹(gan)擾的重要環節(jie)，其功能是使一(yi)✍️-定頻率範圍内(nèi)的有用信号通(tōng)過，使在該頻率(lü)範圍外❗的信号(hào)衰減，從而提高(gāo)系統的信噪比(bi)。在本系統中，光(guāng)纖傳感器采集(jí)的信号主要幹(gan)擾成分是光電(dian)二極管輸出的(de)電壓和光源信(xin)号🌐的漂移、環🤩境(jìng)變化及電路等(děng)各種噪✏️聲信号(hào)。爲了避開噪聲(shēng)高🏃🏻頻幹擾信号(hao)，濾波電路采用(yòng)--級陡度系數較(jiào)大的有源二階(jie)低通濾波♌器，它(ta)可以使噪聲得(dé)到較快、較大的(de)衰減，基本濾除(chu)疊🈚加在光電轉(zhuan)換後電⁉️壓信号(hào)上💋的噪聲和不(bú)必要的頻率分(fen)量，提高系統的(de)信噪比。
3.2.2DSP信号處(chu)理部分
3.2.2.1DSP電源電(dian)路
　　由于在信号(hao)預處理中用到(dào)的各個模拟電(dian)路的核心芯🚶‍♀️片(piàn)都🏃是±5V供電，所以(yǐ)需要将模拟電(dian)源的5V轉化爲一(yī)5V,這裏采用TI公司(sī)的LMC7660芯片;而信号(hao)處理中用到DSP數(shu)字.電路的工作(zuò)電壓爲3.3V和1.8V,這裏(li)選用SPX1117芯片将5V電(diàn)源進行❄️轉換。其(qi)中，内部邏輯供(gong)電電壓爲1.8V,外部(bu)接💚口引腳電壓(yā)采用3.3V，便于直接(jiē)與外部低壓器(qì)件相連接。3.2.2.2A/D轉換(huàn)電路在經過光(guang)電轉換、放大、濾(lü)波後的信号進(jìn)入DSP芯片㊙️時，要先(xiān)經過A/D轉換電路(lù)，把模拟信号轉(zhuan)換爲數字信💯号(hao)，由DSP做進一步的(de)信✔️号處理。
3.2.2.3DSP核心(xīn)電路及時鍾電(dian)路
　　DSP的各管腳有(yǒu)相應處理，有的(de)接(或有上拉電(dian)阻)高電平，有的(de)❤️接(或有下拉電(dian)阻)低電平。
3.2.2.4顯示(shi)電路
　　使用液晶(jīng)屏顯示頻率或(huò)流量信息，可以(yǐ)方便觀察🏃‍♀️實驗(yàn)結果😄。本系統選(xuǎn)用1602LCD芯片顯示，1602LCD是(shì)指顯示的内容(róng)爲16X2，即💃可以顯示(shì)兩行，每行💜有16個(gè)字符液晶模塊(kuai)(顯示字符和數(shù)字)。
3.2.2.5通信電路
　　爲(wèi)了與計算機連(lian)接實現遠程操(cao)作，可以采用RS232接(jie)口與上位機進(jìn)🐪行通信。
3.3DSP的軟件(jiàn)系統分析
　　爲了(le)實現精度高測(ce)量，還需采用一(yi)定的算法對信(xìn)号❗加🌐以處.理♻️，包(bao)括溫度補償算(suàn)法、非線性校正(zhèng)算法和誤差修(xiu)正算法等，這些(xiē)都可以寫人DSP中(zhong)通過運算實現(xian)。将2812DSP與計算機中(zhong)的CCS仿真環😍境相(xiang)連接，通過仿真(zhen)器将相應的程(cheng)序下載到DSP芯片(pian)中進行調試。圖(tú)6爲DSP中軟件設計(jì)流程圖。
 
4實驗與(yǔ)分析
　　本文使用(yong)一套光纖高速(sù)轉子試驗台對(duì)搭建的軟硬件(jian)測試系統進行(hang)了模拟實驗驗(yàn)證。該轉子試驗(yàn)台的渦輪轉子(zi)由可調轉速的(de)電機帶動旋轉(zhuǎn)，渦輪正上方安(an)裝有雙圈同軸(zhou)式光纖傳感😍器(qì)，轉速信号經過(guò)所設計的硬件(jian)預處理電📧路後(hou)，傳人DSP進行程序(xù)運算處理，最後(hou)将頻率信号顯(xiǎn)示出來。在實驗(yan)室所搭建的試(shì)驗‼️系統如圖7所(suǒ)示。
 
　　通過本文所(suǒ)設計的測試系(xi)統對渦輪轉動(dòng)頻率的🥵驗證❌結(jié)果如表1所示。渦(wō)輪頻率記作ƒ0(Hz)，測(cè)量頻率記作ƒ1(Hz),絕(jue)對誤差❤️記作✊e。
 
　　在(zài)5~300Hz的測量範圍内(nei)，最大誤差爲1.27/(300一(yi)5)=0.43%<0.5%，可見所設計的(de)測試系統測量(liang)精度較高。
5結論(lun)
　　本文所設計的(de)雙圈同軸式光(guāng)纖智能流量檢(jiǎn)測系統有以下(xia)特點:1)本文選用(yong)的雙圈同軸式(shi)多模光纖對光(guang)信号的辨識度(dù)⭐高，并🈲且在測量(liàng)和傳輸過程中(zhong)不易受外界電(diàn)磁幹擾;2)所選DSP2812及(jí)硬件處理部分(fèn)可以實現對數(shu)據的采集和處(chù)理的要求;3)傳感(gan)器測量過程中(zhong)産生的非線性(xing)等因素可通過(guò)軟✊件算法進行(hang)💃補償和校正，易(yi)于維護。通過實(shi)驗驗證，本文所(suǒ)設計的光纖測(ce)✊量系統💞的測量(liàng)誤差小于0.5%，具有(yǒu)較高的測量精(jīng)度和可靠性，爲(wèi)光纖渦輪流量(liàng)計的樣機制作(zuo)提供了重要依(yi)據。

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