摘要:爲了(le)克服現有(yǒu)電磁式渦(wō)輪流量計(jì) 的量程小(xiǎo)，易受電磁(cí)幹擾的缺(que)點，設計了(le)一種雙圈(quan)❤️同軸🈚式光(guang)😍纖❄️的渦輪(lún)流量智能(néng)檢測系統(tǒng);該測試系(xi)統由三大(da)📱模塊組成(cheng)，雙圈同軸(zhóu)式的光纖(xian)傳感器作(zuò)爲信号拾(shí)取工具，硬(yìng)件電路對(duì)信号進行(háng)預處理，TMS320F2812DSP對(dui)信号進一(yi)步軟件處(chu)理;經過實(shi)驗驗證，該(gāi)測試系統(tong)👣在5~300Hz的測量(liang)範圍内，測(ce)量誤差小(xiǎo)于0.5%;因此❤️，該(gāi)測試系統(tǒng)⁉️具有較高(gao)的測🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量精(jing)度和可靠(kào)‼️性，這爲光(guang)纖渦🆚輪流(liú)量計的樣(yang)機制作提(tí)供了重要(yào)依據。
0引言(yán)
　　電磁式渦(wo)輪流量計(ji)在流體計(jì)量中應用(yòng)十分廣泛(fàn)，但由于✔️它(tā)量程小，對(dui)于流量範(fan)圍變化大(dà)的場合，就(jiu)需要幾個(gè)不同口徑(jing)的流🏃‍♂️量計(jì)進行切換(huan)配合測量(liang)☂️。近年來⁉️，光(guang)纖傳感器(qi)以其靈敏(mǐn)度高，體積(jī)小，抗電磁(cí)幹擾等優(you)點被廣泛(fan)應用于各(ge)種測量技(ji)💛術中。使用(yong)🤩光纖檢測(cè)渦輪轉速(sù)的方法不(bu)存在電磁(cí)式渦輪流(liu)量計的電(diàn)磁阻力矩(ju)對渦輪的(de)🙇🏻影響，從而(ér)可以擴展(zhǎn)流量測量(liang)範圍。這方(fang)面有一些(xie)研究但均(jun)未深人探(tàn)🐕析并将其(qi)應用于工(gong)程實際中(zhōng)。文中均采(cǎi)用Y型光纖(xiān)探頭結構(gòu)檢測信号(hao)，但這種結(jie)構易受其(qí)他光波和(hé)💘光強等因(yīn)素的影🔆響(xiǎng);
　　因此，本文(wén)就光纖渦(wō)輪流量檢(jian)測系統進(jin)行了詳細(xi)的❌設計，針(zhēn)對各個模(mo)塊分析了(le)其技術參(cān)數。光纖傳(chuán)感器探頭(tou)🏃🏻‍♂️結構采用(yong)雙圈同軸(zhóu)的型式，流(liu)量測量信(xìn)号處理系(xi)統以DSP爲核(he)心，對硬件(jian)和軟件🏃各(ge)模塊逐一(yī)分析設計(ji)，并通過實(shi)㊙️驗驗證了(le)該系統的(de)可靠性，爲(wèi)🌐光纖渦輪(lún)流量計的(de)樣機制作(zuò)提供了一(yi)種重要依(yi)據。
1光纖渦(wo)輪流量傳(chuan)感器的結(jie)構
　　光纖渦(wō)輪流量傳(chuán)感器的簡(jiǎn)要結構如(ru)圖1所示。雙(shuang)圈同軸🍓光(guang)纖探頭使(shǐ)用多模玻(bō)璃光纖，由(yóu)一組發射(shè)光纖和兩(liang)組接收光(guāng)纖組成🤩，檢(jiǎn)測端固定(ding)在--個鋁合(he)金✔️護套内(nèi)可替代㊙️電(dian)磁式傳感(gan)器安裝在(zài)渦輪流量(liàng)計上。其工(gōng)作原理爲(wei):發射光纖(xian)将光人射(shè)到葉片端(duan)面💞上，液體(ti)在帶動渦(wo)輪葉片旋(xuan)轉過程中(zhong)💞，激光照射(she)在渦輪表(biǎo)面的不同(tóng)位置，而不(bú)同位置所(suǒ)對應與探(tan)頭之間的(de)距👣離不同(tong)。顯然，對于(yú)圖1的安❓裝(zhuang)結構，葉片(piàn)頂端與探(tan)頭的距離(li)最小，則激(jī)光反射到(dao)雙罔同軸(zhou)光☂️纖探頭(tou)的接收光(guāng)纖的光強(qiang)也🚶‍♀️較其他(ta)位置強。那(na)麽，在葉片(piàn)轉動過程(chéng)中，葉片🏃頂(dǐng)端會對光(guang)纖發射的(de)激🈲光産生(sheng)周期性的(de)反射，接收(shou)光纖接收(shōu)到反射的(de)光強信号(hào)，經光電轉(zhuǎn)換電路後(hòu)放大濾波(bo)産生電脈(mò)沖信号。其(qí)頻率與渦(wō)輪的轉速(su)成正比，研(yán)究表明，渦(wo)輪的旋轉(zhuan)角速度與(yu)液體流速(sù)成正比例(li)關系，可以(yi)通過測量(liàng)渦輪的轉(zhuǎn)速來反映(yìng)經過管道(dao)🔱的體積流(liú)量✨大小。信(xin)号經過進(jin)一步處✏️理(lǐ)，結合液體(ti)的密度就(jiù)可以得到(dào)被測液體(tǐ)的質量流(liu)量。
 
2雙圈同(tóng)軸式光纖(xian)傳感器.
　　本(ben)文所采用(yòng)的雙圈同(tong)軸式光纖(xiān)傳感器是(shì)強度調制(zhi)型反射式(shi)光纖。反射(she)式光強調(diào)制傳感器(qi)是由光源(yuan)、人射光纖(xian)、接⭐收光纖(xiān)以及探測(cè)器組成國(guó)。具體結💘構(gou)是在同軸(zhou)式光纖(中(zhong)✌️心爲人射(shè)光纖，接收(shōu)光纖同🌈軸(zhóu)排列)的基(ji)礎上同🤟軸(zhou)增加一圈(quān)用于補🥰償(chang)的接收✏️光(guang)纖。雙圈同(tóng)🌈軸式光纖(xian)傳感器的(de)整體結構(gou)如圖2所🔞示(shi)。共19根光纖(xian)，中間1根光(guang)纖爲入射(she)光纖，内圈(quān)爲🔞6根光纖(xian)作爲第一(yī)組接🌈收光(guang)纖，外圈有(yǒu)12根光纖作(zuò)爲第二✌️組(zǔ)接收光纖(xian)。由于使🐆用(yong)多模光纖(xian)其接收🈲到(dao)的最大光(guang)強要比采(cǎi)用單模光(guāng)🏃‍♀️纖高一個(ge)數量級左(zuǒ)右🐇，爲了提(ti)高測量的(de)信噪比，本(ben)系統采用(yong)多模光纖(xian)的光纖傳(chuán)感器。采用(yòng)㊙️這種光纖(xiān)束🙇🏻結構的(de)益處是它(ta)利用比☎️值(zhí)法消除了(le)光源功率(lü)波動等🌈敏(mǐn)感因素對(dui)測量的影(ying)響[5]，從而能(néng)夠實現傳(chuan)感器的測(cè)量。
 
　　光源LED發(fā)出的光，通(tōng)過入射光(guang)纖傳輸到(dào)待測物體(ti)的表🤟面，經(jing)過反射後(hou)由接收光(guāng)纖接收送(sòng)至光電轉(zhuan)換💛器進行(hang)光電轉🧡換(huàn)。接收光強(qiang)的大小決(jue)定于反射(shè)體距光纖(xian)探頭的距(ju)離，當🐪被測(ce)距離改變(biàn)時輸出光(guāng)強也發生(shēng)相應的變(bian)化，可以通(tong)過對輸出(chū)光強的檢(jiǎn)測得到渦(wō)輪葉片轉(zhuǎn)動的位置(zhì)，如圖3所示(shì)📱。由于渦輪(lun)葉片周期(qī)性的轉動(dong)，光強的變(bian)化也是呈(cheng)周期性的(de)，基于此原(yuan)理，這種光(guang)纖傳感器(qì)可以被用(yòng)于渦輪流(liu)量計上。
 
　　根(gen)據圖2的光(guang)纖探頭結(jié)構，其輸出(chu)特性調制(zhi)麗數的計(jì)算可以采(cǎi)用式(1)所示(shì)的方法，再(zai)結合大芯(xīn)徑多模光(guāng)纖的出射(she)光🚶纖端出(chu)射光強的(de)分布6]，可以(yǐ)得到雙圈(quān)同軸👌位移(yí)傳感器的(de)輸出特🈲性(xing)調制函數(shu)爲式(2)。在探(tàn)頭參數确(què)定的情況(kuang)下，傳感器(qì)的調制特(tè)性M(z)隻與⭐被(bei)測距離z有(you)關口，
 
　　根據(jù)式(2)和本測(ce)試系統的(de)實際需要(yào)，設計了相(xiang)應的尺寸(cùn)參💯數💃的🏃‍♀️光(guang)纖探頭。對(duì)所設計的(de)光纖探頭(tou)進行仿真(zhēn)，如圖4所示(shi)。可以看出(chū)，在探頭與(yǔ)被測渦輪(lun)表面距離(lí)400~1000μm的範圍之(zhī)間，該傳感(gǎn)器具有良(liang)好的線性(xing)關系♉，該範(fàn)圍包含了(le)測量💘流量(liàng)的光❓纖探(tàn)頭與被測(cè)渦輪葉片(piàn)表面間的(de)垂直距離(li)變化範圍(wei)。
 
3基于DSP的智(zhì)能光纖流(liu)量計信号(hao)處理系統(tong)
3.1總體處理(li)方案框圖(tú)
　　本文設計(ji)的智能流(liú)量光纖測(cè)量系統的(de)整體框架(jia)如🌈圖5所示(shì)。
 
　　随着葉片(piàn)旋轉，光纖(xiān)渦輪流量(liàng)傳感器拾(shí)取到呈周(zhou)期性變化(hua)的☔光信号(hào)，光信号在(zai)經過光電(dian)轉換器後(hòu)被轉換爲(wèi)電壓信号(hao)，經過信号(hào)放大、整形(xing)、濾波等硬(yìng)件處理電(diàn)路後得到(dào)的信号還(hái)遠不能達(da)到我們所(suǒ)需的“轉速(sù)一頻率一(yī)流量”準确(què)信息，爲提(tí)高系統的(de)精度和穩(wěn)定性，本系(xi)統将😄采用(yong)處理能力(lì)強，計算精(jing)度高的DSP作(zuò)爲⭕信号處(chù)理平台對(duì)信号作進(jin)一步的軟(ruǎn)件處理，并(bìng)實現流量(liàng)信息的顯(xian)示以及與(yu)計算機的(de)🌈通訊。在這(zhe)裏，我們選(xuan)🐪取TI公司的(de)TMS320F2812型号DSP芯片(piàn)。DSP2812的内置A/D轉(zhuǎn)換爲12位，可(kě)保證在存(cún)在硬件幹(gan)擾的情況(kuang)下對數據(ju)的精度高(gao)采集;同時(shí)具有32位的(de)定點CPU，主頻(pin)可達150MHz,計算(suàn)能力也滿(man)足流量測(cè)量系統對(duì)數據處理(lǐ)的要求。
　　系(xi)統設計時(shi)，考慮到光(guāng)源、光電轉(zhuan)換等部件(jiàn)對系統測(cè)量結果👣的(de)影響，溫度(dù)變化對傳(chuán)感器零位(wèi)漂移的影(yǐng)響，以及傳(chuán)感器光🙇🏻強(qiáng)調制過程(cheng)存在非線(xian)性，應加人(ren)溫度補償(cháng)和非線性(xìng)♈校正算🌈法(fa)以及誤差(chà)修正。另外(wài)，針對工程(cheng)應用中傳(chuan)感器工作(zuo)環境特點(diǎn)，可以在傳(chuan)感器探頭(tou)加入準直(zhi)透鏡的方(fang)法用以提(ti)高傳感🍉器(qì)的抗噪能(neng)力和擴展(zhan)傳感器的(de)線性測量(liang)範圍。
3.2硬件(jiàn)系統設計(jì)
　　硬件電路(lù)主要分爲(wei)兩部分，第(di)一部分是(shì)信号預處(chù)理部分，第(di)二部分是(shì)以DSP爲核心(xin)的信号處(chù)理部分。信(xin)号預處理(lǐ)♋部分分爲(wei)光電轉換(huàn)模塊、放大(da)模塊、濾波(bō)☀️模塊。而DSP部(bù)分除了包(bao)括其主要(yào)的幾個電(diàn)路模塊外(wai)，還包含對(dui)信号的軟(ruǎn)件處理。
3.2.1信(xìn)号預處理(lǐ)部分
3.2.1.1光電(diàn)轉換模塊(kuài)
　　光電轉換(huan)模塊的功(gong)能是将接(jie)收光纖接(jiē)收的光強(qiang)信号轉換(huan)✊爲電壓信(xìn)号。它在整(zheng)個動态檢(jian)測系統中(zhong)起着極其(qi)重要的作(zuò)用，它的好(hǎo)壞和靈敏(mǐn)度将很大(da)程度.上影(ying)響着最終(zhōng)系統的測(cè)量精度。本(běn)系統選用(yòng)☁️的光電二(èr)✌️極管是光(guāng)電二極管(guan)電流與照(zhao)射在其上(shang)🙇‍♀️的光強成(chéng)正比，随着(zhe)光強⚽的增(zeng)加OPT101的輸出(chu)電壓近似(si)的線性增(zeng)加。OPT101芯片在(zai)一個單片(pian)，上集成了(le)互跨阻抗(kang)放大器集(jí)和光電二(èr)極管，這就(jiu)消除🌂了分(fèn)開設計中(zhōng)✂️經常出現(xian)的如漏電(dian)🔞流誤差、噪(zao)聲交叉幹(gan)擾以及雜(za)散電容引(yin)起的增益(yi)峰化等問(wen)題。
3.2.1.2放大電(dian)路模塊
　　光(guāng)電檢測系(xì)統中，經過(guo)OPT101光電轉換(huàn)後輸出的(de)電壓信.号(hào)較微☀️弱，必(bì)須通過放(fàng)大處理。前(qián)置放大電(dian)路設計的(de)好壞将直(zhi)接影響🆚整(zheng)個信号處(chù)理電路的(de)性能。由于(yú)是微小信(xin)号的放大(da)，所以本❓系(xi)統選用儀(yi)表運算💋放(fang)大器AD620。AD620是一(yī)款低功耗(hao)、精度高‼️的(de)運算放大(dà)器，具有🔴高(gāo)共模抑制(zhì)比、放大頻(pin)帶寬、溫度(dù)穩定性好(hǎo)、使用簡單(dān)、噪聲低等(deng)特點，隻需(xū)要改變外(wai)部電阻的(de)阻值就可(kě)以實現從(cóng)1到1000倍的放(fang)大，因此适(shi)合👅用于對(duì)微弱信号(hao)的正确放(fang)大。
3.2.1.3濾波電(diàn)路模塊
　　濾(lǜ)波模塊是(shì)抑制和防(fáng)止幹擾的(de)重要環節(jiē)，其功能是(shì)使一🌂-定頻(pin)率範圍内(nei)的有用信(xìn)号通過，使(shi)在該頻☎️率(lü)範🌏圍外的(de)信✍️号衰減(jiǎn)，從而提高(gāo)系統的信(xin)噪比。在本(běn)系統中，光(guāng)纖傳感器(qi)采集的♉信(xìn)号主要幹(gan)擾成分是(shì)光電二極(ji)管輸出的(de)電壓和✏️光(guang)源信号的(de)漂移、環境(jìng)變化及電(dian)路等各種(zhǒng)噪聲信号(hao)。爲了👄避開(kāi)噪聲高🍓頻(pín)幹擾信号(hào)，濾波電路(lu)采用--級陡(dou)度系數較(jiào)大的有源(yuán)二階低通(tōng)濾波器，它(tā)可以使噪(zào)聲✊得到較(jiào)快、較大💯的(de)衰減，基本(běn)濾除疊加(jiā)在光電轉(zhuan)換後😘電壓(ya)信号上🙇🏻的(de)噪聲和不(bu)必要的頻(pín)率分量，提(tí)高系統的(de)信噪比。
3.2.2DSP信(xin)号處理部(bù)分
3.2.2.1DSP電源電(dian)路
　　由于在(zài)信号預處(chù)理中用到(dào)的各個模(mó)拟電路的(de)核㊙️心芯片(piàn)都是💔±5V供電(dian)，所以需要(yào)将模拟電(diàn)源的5V轉化(huà)爲一5V,這裏(li)采用TI公司(si)的LMC7660芯片;而(ér)信号處理(li)中用到DSP數(shù)字.電路的(de)工作電壓(ya)爲3.3V和1.8V,這裏(lǐ)選用SPX1117芯片(piàn)✏️将5V電源進(jin)行轉換。其(qi)中，内部邏(luó)輯供電電(dian)壓爲1.8V,外部(bu)接📱口引腳(jiǎo)電壓采用(yòng)3.3V，便于直接(jie)與外部低(di)壓器件相(xiang)連接。3.2.2.2A/D轉換(huan)電路在經(jing)過光電轉(zhuǎn)換、放大、濾(lü)波後的信(xin)号進入DSP芯(xin)片時，要先(xian)經過A/D轉換(huàn)📱電路，把🛀模(mó)拟信号轉(zhuan)換爲數字(zi)信号，由DSP做(zuo)進一步的(de)信号處理(lǐ)。
3.2.2.3DSP核心電路(lu)及時鍾電(diàn)路
　　DSP的各管(guǎn)腳有相應(yīng)處理，有的(de)接(或有上(shàng)拉電阻)高(gāo)電💘平🍓，有的(de)接(或有下(xià)拉電阻)低(dī)電平。
3.2.2.4顯示(shi)電路
　　使用(yong)液晶屏顯(xiǎn)示頻率或(huò)流量信息(xī)，可以方便(biàn)觀察實驗(yàn)結果。本♻️系(xi)統選用1602LCD芯(xīn)片顯示，1602LCD是(shi)指顯示的(de)内容爲16X2，即(jí)可以顯示(shì)👄兩行，每行(háng)有16個字符(fu)液晶模塊(kuài)(顯示💘字符(fú)和數字)。
3.2.2.5通(tong)信電路
　　爲(wèi)了與計算(suan)機連接實(shi)現遠程操(cao)作，可以采(cai)用RS232接口與(yu)上位機進(jìn)💯行通信。
3.3DSP的(de)軟件系統(tǒng)分析
　　爲了(le)實現精度(du)高測量，還(hái)需采用一(yi)定的算法(fǎ)對信号🔅加(jia)以處.理，包(bao)括溫度補(bu)償算法、非(fēi)線性校正(zhèng)算法和誤(wù)差修正算(suan)法等，這些(xiē)都可以寫(xie)人DSP中通過(guò)運算實現(xian)。将💞2812DSP與計算(suan)機中的✊CCS仿(páng)真環🧡境相(xiàng)連接，通過(guò)仿真器将(jiang)相應的程(cheng)序下👈載到(dào)DSP芯片中進(jìn)行調試。圖(tu)6爲DSP中軟件(jian)設計流✌️程(chéng)圖。
 
4實驗與(yu)分析
　　本文(wen)使用一套(tào)光纖高速(su)轉子試驗(yan)台對搭建(jian)的軟🈲硬♌件(jian)測試💁系統(tǒng)進行了模(mó)拟實驗驗(yan)證。該轉子(zǐ)試驗☔台的(de)渦輪轉子(zǐ)由可調轉(zhuan)速的電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，渦輪正上(shàng)方安裝有(you)雙圈同軸(zhóu)式光纖傳(chuán)感🛀🏻器，轉速(su)信号🚶‍♀️經過(guò)所設計的(de)硬件預處(chù)理電路後(hou)，傳人DSP進行(hang)程序🐉運算(suàn)處理，最後(hou)将頻率信(xìn)号顯示出(chū)來。在實驗(yàn)室所搭建(jiàn)的試驗系(xi)統如圖7所(suo)示。
 
　　通過本(běn)文所設計(ji)的測試系(xi)統對渦輪(lun)轉動頻率(lǜ)的驗證結(jie)果如♊表1所(suǒ)示。渦輪頻(pin)率記作ƒ0(Hz)，測(cè)量頻率記(ji)作ƒ1(Hz),絕對🈲誤(wù)差記作e。
 
　　在(zài)5~300Hz的測量範(fan)圍内，最大(da)誤差爲1.27/(300一(yi)5)=0.43%<0.5%，可見所設(shè)計的測試(shì)🌈系統💘測量(liàng)精度較高(gāo)。
5結論
　　本文(wen)所設計的(de)雙圈同軸(zhóu)式光纖智(zhì)能流量檢(jian)測系統有(you)以下特💜點(diǎn):1)本文選用(yòng)的雙圈同(tong)軸式多模(mo)光纖😍對光(guang)信号♌的辨(bian)識度高，并(bìng)且在測量(liàng)和傳輸過(guò)程中不易(yì)受外界電(dian)磁幹擾;2)所(suo)選DSP2812及🔞硬件(jian)處理部分(fen)可以實現(xiàn)對數據的(de)采集和處(chu)理的要求(qiu);3)傳感器測(ce)量過程中(zhōng)産生的非(fei)線性等因(yin)素可通過(guò)軟件算法(fa)進行補償(cháng)和校正，易(yì)于維護。通(tōng)過實驗驗(yàn)證，本文所(suǒ)設計的光(guang)纖測量系(xi)統🌐的測量(liàng)誤差小于(yu)0.5%，具有較高(gāo)的測量精(jing)度和可靠(kào)性，爲光纖(xian)渦輪流量(liàng)計的樣機(ji)制作提供(gong)了重要依(yī)據。

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