摘要(yao):爲了克服(fu)現有電磁(ci)式渦輪流(liu)量計 的量(liang)程小，易受(shou)電磁幹擾(rao)的缺點，設(she)計了一種(zhong)雙圈同軸(zhou)式光纖的(de)渦輪流量(liang)智能檢測(ce)系統;該測(ce)試系統由(you)三大模塊(kuai)組成，雙圈(quan)同軸式的(de)光纖傳感(gan)器作爲信(xin)号拾取工(gong)具，硬件電(dian)路對💞信号(hao)進行預處(chu)理，TMS320F2812DSP對信号(hao)進一步軟(ruan)件處理;經(jing)過實驗驗(yan)證，該🈲測試(shi)系統⛷️在5~300Hz的(de)測量範圍(wei)内，測量誤(wu)差小于0.5%;因(yin)此，該測試(shi)系統🐅具有(you)較高的測(ce)量精度和(he)可靠📧性，這(zhe)爲光纖渦(wo)輪流量計(ji)的樣🧑🏽‍🤝‍🧑🏻機制(zhi)作提供了(le)重要依據(ju)。
0引言
　　電磁(ci)式渦輪流(liu)量計在流(liu)體計量中(zhong)應用十分(fen)廣泛，但由(you)于它量程(cheng)小，對于流(liu)量範圍變(bian)化大的場(chang)合，就需要(yao)幾個不同(tong)口徑的流(liu)量計進行(hang)切換配合(he)測量。近年(nian)來，光纖傳(chuan)感器以其(qi)靈敏度高(gao)，體積小，抗(kang)電磁幹擾(rao)等優點被(bei)廣泛應用(yong)于各種測(ce)量技術中(zhong)。使用光纖(xian)檢測渦輪(lun)轉速的方(fang)法不存在(zai)電磁式渦(wo)輪流量計(ji)的電磁阻(zu)力矩對渦(wo)輪的影響(xiang)，從而可以(yi)擴展流量(liang)測量🔱範圍(wei)。這方面有(you)一些研究(jiu)但均未深(shen)人探析并(bing)将其應用(yong)于工程實(shi)際中。文中(zhong)均采用Y型(xing)光纖❓探頭(tou)結構檢測(ce)信号，但這(zhe)種結構易(yi)受其他光(guang)波和光強(qiang)等因素的(de)影響;
　　因此(ci)，本文就光(guang)纖渦輪流(liu)量檢測系(xi)統進行了(le)詳細的設(she)計，針對各(ge)個模塊分(fen)析了其技(ji)術參數。光(guang)纖傳感器(qi)探頭結構(gou)采用雙圈(quan)🚩同軸的型(xing)式，流量測(ce)量信号處(chu)理系統以(yi)DSP爲核心，對(dui)硬件和軟(ruan)件各模塊(kuai)逐一✨分析(xi)設計，并通(tong)過實驗驗(yan)證了該系(xi)統的可靠(kao)性，爲光纖(xian)渦輪流量(liang)計的樣機(ji)制作提供(gong)了一種重(zhong)要依🌈據。
1光(guang)纖渦輪流(liu)量傳感器(qi)的結構
　　光(guang)纖渦輪流(liu)量傳感器(qi)的簡要結(jie)構如圖1所(suo)示。雙圈同(tong)軸光纖探(tan)頭使用多(duo)模玻璃光(guang)纖，由一組(zu)發射光纖(xian)和兩組接(jie)收光纖組(zu)成，檢測端(duan)固定在--個(ge)鋁合金護(hu)套内可替(ti)代電磁式(shi)傳感器安(an)裝在渦輪(lun)流量計上(shang)。其工作原(yuan)理爲:發射(she)光纖将光(guang)人射到葉(ye)片端面🐅上(shang)，液體在帶(dai)動渦輪葉(ye)片旋轉過(guo)程中，激光(guang)照射在📞渦(wo)輪表面的(de)不❌同位置(zhi)，而不同位(wei)置所對應(ying)與⭕探頭之(zhi)間的距離(li)不同。顯然(ran)，對于圖1的(de)安裝結構(gou)，葉片頂端(duan)與探頭的(de)距離最小(xiao)，則激光反(fan)射到♊雙罔(wang)同軸光🙇🏻纖(xian)探頭的接(jie)收光纖的(de)光強也較(jiao)其他位置(zhi)強。那麽，在(zai)葉片轉動(dong)過程中，葉(ye)片頂端會(hui)對光纖發(fa)射的激❓光(guang)産生周期(qi)性的反射(she)，接收光纖(xian)接收到反(fan)射的光強(qiang)信号，經光(guang)電轉換電(dian)路♌後放大(da)濾波産生(sheng)電脈沖信(xin)号。其頻🤩率(lü)與渦輪的(de)轉速成正(zheng)📞比，研究表(biao)明，渦輪的(de)旋轉角速(su)度與液體(ti)流速成正(zheng)比例關系(xi)，可以通過(guo)測量渦輪(lun)的轉速來(lai)反映經過(guo)管道的體(ti)積流量⛱️大(da)小。信号經(jing)過進一步(bu)處🔞理，結合(he)液體的密(mi)度就可以(yi)得到被測(ce)⛷️液體的質(zhi)量流量。
 
2雙(shuang)圈同軸式(shi)光纖傳感(gan)器.
　　本文所(suo)采用的雙(shuang)圈同軸式(shi)光纖傳感(gan)器是強度(du)調制型反(fan)射式光纖(xian)。反射式光(guang)強調制傳(chuan)感器是由(you)光源、人射(she)光纖、接收(shou)光纖以及(ji)探測器組(zu)成國。具體(ti)結構是在(zai)同軸式光(guang)纖(中心爲(wei)人射光纖(xian)，接收光纖(xian)同軸排列(lie))的基礎上(shang)同軸增加(jia)一圈用于(yu)補償的接(jie)收🎯光纖。雙(shuang)圈同軸式(shi)光纖傳感(gan)器的整體(ti)結構如圖(tu)2所示。共19根(gen)光纖💘，中間(jian)1根光纖爲(wei)入射光纖(xian)，内圈爲6根(gen)光纖作爲(wei)第一組接(jie)收光纖，外(wai)圈有12根光(guang)纖作爲第(di)二組接收(shou)光纖。由于(yu)使👄用多模(mo)光纖其接(jie)收到的最(zui)大光強要(yao)比采用單(dan)模光⛱️纖高(gao)一個數量(liang)級左右，爲(wei)了🔱提高測(ce)量的信噪(zao)比，本系統(tong)采用多模(mo)光纖的光(guang)纖傳感器(qi)。采用⛱️這種(zhong)光纖束結(jie)構的益處(chu)是它利用(yong)比值法消(xiao)除了光源(yuan)功率波動(dong)等敏感因(yin)素對測量(liang)的影響[5]，從(cong)而🏃‍♂️能夠實(shi)現傳感器(qi)的測量。
 
　　光(guang)源LED發出的(de)光，通過入(ru)射光纖傳(chuan)輸到待測(ce)物體的表(biao)面，經過反(fan)射後由接(jie)收光纖接(jie)收送至光(guang)電轉換器(qi)進行光電(dian)轉換。接收(shou)光強的大(da)小決定于(yu)反射體距(ju)光纖🏃‍♀️探頭(tou)的🐇距離，當(dang)被測距💋離(li)改變時輸(shu)出光強也(ye)發生相應(ying)的變化🐇，可(ke)以通過✍️對(dui)輸出光強(qiang)的檢測得(de)到渦輪葉(ye)片轉動的(de)位置，如圖(tu)3所示。由于(yu)渦輪葉片(pian)周期性的(de)📱轉⛷️動，光強(qiang)的變化也(ye)是呈周期(qi)性的，基于(yu)此原理，這(zhe)種光纖傳(chuan)感器可以(yi)被用于渦(wo)輪流量☁️計(ji)上。
 
　　根據圖(tu)2的光纖探(tan)頭結構，其(qi)輸出特性(xing)調制麗數(shu)的計算可(ke)以采用式(shi)(1)所示的方(fang)法，再結合(he)大芯徑多(duo)模光纖的(de)出射光纖(xian)端出射光(guang)強的分布(bu)6]，可以得到(dao)雙圈同軸(zhou)位移傳✨感(gan)器的⭐輸出(chu)特性調制(zhi)函數爲式(shi)(2)。在探頭參(can)數确定的(de)情🤞況下，傳(chuan)感器的調(diao)制特性M(z)隻(zhi)與✨被測距(ju)離z有關口(kou)，
 
　　根據式(2)和(he)本測試系(xi)統的實際(ji)需要，設計(ji)了相應的(de)尺寸參數(shu)的光纖探(tan)頭。對所設(she)計的光纖(xian)探頭進行(hang)仿真✍️，如圖(tu)4所示。可以(yi)看出，在探(tan)頭與被測(ce)渦輪表面(mian)距離400~1000μm的🌈範(fan)圍之間，該(gai)傳感器具(ju)有良好的(de)線性關系(xi)，該範圍包(bao)含了測量(liang)流量的光(guang)纖探頭與(yu)被測渦輪(lun)🥰葉片表面(mian)間的垂直(zhi)距離變化(hua)範圍。
 
3基于(yu)DSP的智能光(guang)纖流量計(ji)信号處理(li)系統
3.1總體(ti)處理方案(an)框圖
　　本文(wen)設計的智(zhi)能流量光(guang)纖測量系(xi)統的整體(ti)框架如圖(tu)5所示♈。
 
　　随着(zhe)葉片旋轉(zhuan)，光纖渦輪(lun)流量傳感(gan)器拾取到(dao)呈周期性(xing)變化的光(guang)信号，光信(xin)号在經過(guo)光電轉換(huan)器後被轉(zhuan)換爲電壓(ya)信号🌍，經過(guo)信号放大(da)、整形、濾波(bo)等硬件處(chu)理電路後(hou)🔱得到的信(xin)号還遠不(bu)能達到我(wo)們所需的(de)“轉速一頻(pin)率一流量(liang)”準确信息(xi)，爲提高系(xi)統的精度(du)和穩定性(xing)，本系統将(jiang)🤞采用處理(li)能力強，計(ji)算精度高(gao)的DSP作爲信(xin)号處理平(ping)台對信号(hao)作進一步(bu)的軟✏️件處(chu)理，并💜實現(xian)流量信息(xi)🏃‍♀️的顯示以(yi)及與計算(suan)機的通⚽訊(xun)。在這裏，我(wo)們選🔴取TI公(gong)司的TMS320F2812型号(hao)DSP芯💃🏻片。DSP2812的内(nei)置A/D轉換爲(wei)12位，可保證(zheng)在存在硬(ying)件幹♍擾的(de)情況下對(dui)數據的精(jing)度高采集(ji);同時具有(you)32位的定點(dian)CPU，主頻可達(da)150MHz,計算🔞能力(li)也滿足流(liu)量測量系(xi)統對數據(ju)處理的要(yao)求。
　　系統設(she)計時，考慮(lü)到光源、光(guang)電轉換等(deng)部件對系(xi)統測量⁉️結(jie)果的影響(xiang)，溫度變化(hua)對傳感器(qi)零位漂移(yi)的影響，以(yi)及傳感器(qi)光🔴強調制(zhi)過程存在(zai)非線性，應(ying)加人溫度(du)補償和非(fei)線性校正(zheng)算法以及(ji)誤差修正(zheng)。另外，針對(dui)工程應用(yong)中傳感器(qi)工作環境(jing)特點，可以(yi)在傳感器(qi)探頭💞加入(ru)準直透鏡(jing)的方法用(yong)以提高傳(chuan)感器的抗(kang)噪能力和(he)擴展傳感(gan)器的線性(xing)測量範圍(wei)。
3.2硬件系統(tong)設計
　　硬件(jian)電路主要(yao)分爲兩部(bu)分，第一部(bu)分是信号(hao)預處理部(bu)分，第二部(bu)分是以DSP爲(wei)核心的信(xin)号處理部(bu)分。信号預(yu)處理部分(fen)分爲光電(dian)轉換模塊(kuai)、放大模塊(kuai)、濾波模塊(kuai)。而DSP部分除(chu)了包括其(qi)主要的幾(ji)個🌈電路模(mo)塊外，還包(bao)含對信号(hao)的軟件處(chu)理。
3.2.1信号預(yu)處理部分(fen)
3.2.1.1光電轉換(huan)模塊
　　光電(dian)轉換模塊(kuai)的功能是(shi)将接收光(guang)纖接收的(de)光強信号(hao)轉換爲電(dian)壓信号。它(ta)在整個動(dong)态檢測系(xi)統中😍起着(zhe)極其重要(yao)的作用，它(ta)的好壞和(he)靈敏度将(jiang)很大程度(du).上影響着(zhe)最終系統(tong)的測量精(jing)度。本系統(tong)選用的光(guang)電二極管(guan)是光電二(er)極管電流(liu)與照射在(zai)其上⭐的光(guang)強成正比(bi)，随着光強(qiang)的增加OPT101的(de)輸出電壓(ya)近似💛的線(xian)性增加。OPT101芯(xin)片在一個(ge)單片，上集(ji)成了互跨(kua)阻抗放大(da)器集和光(guang)電二極管(guan)，這就消除(chu)了分開設(she)計中經🥰常(chang)出現的如(ru)漏電⛱️流誤(wu)差、噪聲交(jiao)叉幹擾以(yi)及雜⭐散電(dian)容引起的(de)增益峰化(hua)等問🈲題。
3.2.1.2放(fang)大電路模(mo)塊
　　光電檢(jian)測系統中(zhong)，經過OPT101光電(dian)轉換後輸(shu)出的電壓(ya)信📧.号🈲較微(wei)弱，必須通(tong)過放大處(chu)理。前置放(fang)大電路設(she)計🔴的好🥵壞(huai)将直接影(ying)響整個信(xin)号處理電(dian)路的性能(neng)。由♌于是微(wei)🌏小信号的(de)放大，所以(yi)本系統選(xuan)用儀表運(yun)算放大器(qi)AD620。AD620是💯一款低(di)功耗、精度(du)高的運算(suan)放大器，具(ju)有🔴高共模(mo)抑制比、放(fang)大頻帶寬(kuan)、溫度穩定(ding)性好、使用(yong)簡😘單、噪聲(sheng)低等特❗點(dian)，隻需要改(gai)變㊙️外部電(dian)阻的阻值(zhi)就可以實(shi)現從1到1000倍(bei)的放大🚩，因(yin)此适合用(yong)于對微弱(ruo)信号的正(zheng)确放大。
3.2.1.3濾(lü)波電路模(mo)塊
　　濾波模(mo)塊是抑制(zhi)和防止幹(gan)擾的重要(yao)環節，其功(gong)能是使一(yi)-定頻㊙️率範(fan)圍内的有(you)用信号通(tong)過，使在該(gai)頻率範圍(wei)外的信✍️号(hao)衰減，從而(er)提高系統(tong)的信噪比(bi)。在本系統(tong)中，光纖傳(chuan)感器采集(ji)的信号主(zhu)要幹擾成(cheng)分📐是光電(dian)二極管輸(shu)出的電壓(ya)和光源信(xin)号的漂移(yi)、環🥰境變化(hua)及電路等(deng)各種噪聲(sheng)信号。爲了(le)避開噪聲(sheng)高🏃‍♂️頻幹擾(rao)信号，濾波(bo)電路采用(yong)--級陡度系(xi)數較大的(de)有源二階(jie)低通濾波(bo)器，它可以(yi)使噪聲🛀🏻得(de)到較快、較(jiao)大的🔞衰減(jian)，基本濾除(chu)疊加在光(guang)電轉換後(hou)電壓信号(hao)上的噪聲(sheng)和👈不必要(yao)的頻率分(fen)量，提高系(xi)統的信噪(zao)比👉。
3.2.2DSP信号處(chu)理部分
3.2.2.1DSP電(dian)源電路
　　由(you)于在信号(hao)預處理中(zhong)用到的各(ge)個模拟電(dian)路的核㊙️心(xin)芯片都是(shi)±5V供電，所以(yi)需要将模(mo)拟電源的(de)5V轉化爲一(yi)5V,這裏采用(yong)TI公✂️司的😍LMC7660芯(xin)片;而信号(hao)處理中用(yong)到DSP數字.電(dian)路的工作(zuo)電♈壓爲3.3V和(he)1.8V,這裏選用(yong)SPX1117芯片将5V電(dian)源進行轉(zhuan)換。其中，内(nei)部邏輯供(gong)電電壓爲(wei)1.8V,外部接口(kou)引腳電壓(ya)采用3.3V，便于(yu)直接與外(wai)部低壓器(qi)件相連接(jie)。3.2.2.2A/D轉換電❄️路(lu)在經過光(guang)電轉換、放(fang)大、濾波😄後(hou)的信号進(jin)入✍️DSP芯片時(shi)，要先經😘過(guo)A/D轉換電路(lu)，把模拟信(xin)号轉換爲(wei)數字信号(hao)，由DSP做進一(yi)步的信号(hao)處理。
3.2.2.3DSP核心(xin)電路及時(shi)鍾電路
　　DSP的(de)各管腳有(you)相應處理(li)，有的接(或(huo)有上拉電(dian)阻)高電平(ping)，有的接(或(huo)有下拉電(dian)阻)低電平(ping)。
3.2.2.4顯示電路(lu)
　　使用液晶(jing)屏顯示頻(pin)率或流量(liang)信息，可以(yi)方便觀察(cha)實驗結果(guo)✨。本系統選(xuan)用1602LCD芯片顯(xian)示，1602LCD是指顯(xian)示的内容(rong)爲16X2，即可以(yi)顯示兩行(hang)☁️，每行有16個(ge)字符液晶(jing)模塊(顯示(shi)字符和數(shu)字)。
3.2.2.5通信電(dian)路
　　爲了與(yu)計算機連(lian)接實現遠(yuan)程操作，可(ke)以采用RS232接(jie)口與上位(wei)機進行通(tong)信。
3.3DSP的軟件(jian)系統分析(xi)
　　爲了實現(xian)精度高測(ce)量，還需采(cai)用一定的(de)算法對信(xin)⚽号加以🚶‍♀️處(chu)💛.理，包括溫(wen)度補償算(suan)法、非線性(xing)校正算法(fa)和誤差修(xiu)正算法等(deng)⭐，這些都可(ke)以寫人DSP中(zhong)通過運算(suan)實現。将✊2812DSP與(yu)計算機中(zhong)的CCS仿真環(huan)境相連接(jie)，通過仿真(zhen)器将相應(ying)的程序下(xia)載到DSP芯片(pian)中進行調(diao)試。圖6爲DSP中(zhong)🧡軟件設計(ji)流程圖。
 
4實(shi)驗與分析(xi)
　　本文使用(yong)一套光纖(xian)高速轉子(zi)試驗台對(dui)搭建的軟(ruan)硬件🙇🏻測試(shi)系🔅統進行(hang)了模拟實(shi)驗驗證。該(gai)轉子試驗(yan)🌈台的渦輪(lun)轉子📧由可(ke)調轉速的(de)電機帶動(dong)旋轉，渦輪(lun)正上方安(an)裝有雙圈(quan)同🈲軸式光(guang)纖傳感器(qi)，轉速信号(hao)經過所設(she)計的硬件(jian)預處理電(dian)路後，傳人(ren)DSP進行程序(xu)運算處理(li)，最後将頻(pin)率信🔞号顯(xian)示出來。在(zai)實驗室所(suo)搭建的試(shi)驗系統如(ru)圖7所示。
 
　　通(tong)過本文所(suo)設計的測(ce)試系統對(dui)渦輪轉動(dong)頻率的驗(yan)💚證結果如(ru)表1所示。渦(wo)輪頻率記(ji)作ƒ0(Hz)，測量頻(pin)率記作ƒ1(Hz),絕(jue)對誤差記(ji)作e。
 
　　在5~300Hz的測(ce)量範圍内(nei)，最大誤差(cha)爲1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可見(jian)所設計的(de)測試系統(tong)測㊙️量精度(du)較高。
5結論(lun)
　　本文所設(she)計的雙圈(quan)同軸式光(guang)纖智能流(liu)量檢測系(xi)統有以下(xia)特💋點:1)本文(wen)選用的雙(shuang)圈同軸式(shi)多模光纖(xian)對光信号(hao)的辨識度(du)高，并且在(zai)測量和傳(chuan)輸過程中(zhong)不易受外(wai)界電磁幹(gan)擾;2)所選DSP2812及(ji)硬件處理(li)部分可以(yi)實現對數(shu)據的采集(ji)和處理的(de)要求;3)傳感(gan)器測量過(guo)程中産生(sheng)的非線性(xing)等因👈素可(ke)通過軟件(jian)算法進行(hang)補償和校(xiao)正，易于維(wei)護。通過實(shi)驗驗證，本(ben)文所設計(ji)的光纖測(ce)量系統的(de)測量誤差(cha)小于0.5%，具有(you)較高的測(ce)量精度和(he)可靠性，爲(wei)光纖渦輪(lun)流量計的(de)樣機制作(zuo)提供了重(zhong)要依據。

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