摘要:爲(wei)了克服現有(you)電磁式渦輪(lun)流量計 的量(liang)程小，易受電(dian)磁幹擾的缺(quē)點，設計了一(yī)種雙圈同🐪軸(zhou)式光纖的渦(wō)輪流量智能(neng)檢測系統;該(gai)測試系統由(you)三大模塊組(zu)成，雙圈✨同軸(zhóu)式的光纖傳(chuan)感器作♊爲信(xìn)号拾取工具(ju)，硬件電路對(duì)😘信号進行預(yu)處理，TMS320F2812DSP對㊙️信号(hào)進一步軟件(jiàn)處理;經過實(shi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗驗證，該測(cè)試系統在5~300Hz的(de)測量範圍内(nèi)，測量誤差小(xiao)于0.5%;因此，該測(ce)試系統具有(you)較高的測量(liang)精度和可靠(kào)性，這爲光纖(xian)渦輪流量計(jì)的樣機制作(zuo)提供了重要(yào)依據🌈。
0引言
　　電(dian)磁式渦輪流(liu)量計在流體(ti)計量中應用(yong)十分廣泛，但(dan)由📞于它量程(cheng)小，對于流量(liang)範圍變化大(da)的場合，就需(xu)要幾個不同(tong)口徑🐕的流量(liàng)計進行切換(huan)配合測量👈。近(jìn)年來，光纖傳(chuán)感器以其靈(ling)敏度高，體積(ji)小，抗電磁幹(gan)擾等優點被(bèi)廣泛♍應用于(yú)各👣種測量技(jì)術中。使用光(guang)纖檢測渦輪(lun)轉速的方法(fa)不存在電磁(cí)式渦輪流量(liang)計的電磁阻(zu)力矩對渦輪(lun)的影響，從而(ér)可以✊擴展流(liu)量測量✊範圍(wei)。這方面有💰一(yī)些研究但均(jun)未深人探析(xi)并将其應用(yong)于工程實際(ji)中。文中均采(cǎi)用Y型光纖探(tàn)頭結構檢測(cè)信号，但這種(zhong)結構易受其(qí)他光波和🍉光(guang)強等因素的(de)影響;
　　因此，本(běn)文就光纖渦(wō)輪流量檢測(cè)系統進行了(le)詳細的設計(ji)，針對各個模(mó)塊分析了其(qí)技術參數。光(guāng)纖傳感器探(tan)頭結構采用(yong)🐉雙圈同軸的(de)型式，流量測(cè)量信号處理(lǐ)系統以DSP爲核(he)心，對硬件和(hé)軟件各模塊(kuài)逐一分析設(shè)計，并通過實(shi)驗驗證了該(gai)系統的可靠(kào)性，爲光纖渦(wō)輪流量計的(de)樣機制作提(ti)供了一種重(zhòng)要依據。
1光纖(xian)渦輪流量傳(chuan)感器的結構(gou)
　　光纖渦輪流(liú)量傳感器的(de)簡要結構如(ru)圖1所示。雙圈(quān)同軸光纖探(tan)頭使用多模(mó)玻璃光纖，由(yóu)一組發射光(guang)纖和兩組接(jie)收光纖組成(chéng)，檢測端固定(ding)在--個鋁合金(jin)護套内可替(tì)代電磁式傳(chuán)感器安裝在(zài)渦輪流量計(ji)上。其工作原(yuan)理爲:發🌈射光(guāng)纖将光人射(shè)到👣葉片端面(mian)上，液體在帶(dai)動渦輪葉片(piàn)旋轉過程中(zhōng)，激光照射在(zai)🤩渦輪表面的(de)不同位置，而(ér)不同位置所(suǒ)對應與探頭(tóu)之間的距離(li)不同。顯然，對(dui)于圖1的安裝(zhuang)結構，葉片頂(ding)🔴端與探頭的(de)距離最💔小，則(ze)激光反射到(dao)雙罔同軸光(guāng)纖探頭的接(jiē)收光纖的光(guāng)強也較其他(ta)位置強。那麽(me)，在葉片轉動(dong)過程中，葉片(pian)頂端會對光(guang)纖發射的激(jī)光産生周期(qī)性的反射，接(jiē)收光纖接收(shou)到反射的光(guang)⭕強信🏃🏻号，經光(guāng)電轉換電路(lu)🥵後放大濾波(bō)産生電脈沖(chong)✨信号。其頻🔴率(lü)與渦輪的轉(zhuan)速成正比，研(yan)究表明，渦輪(lun)的旋轉角速(sù)度與液體流(liu)速成正比例(li)關系，可以⁉️通(tong)過測量渦輪(lún)的轉速來反(fǎn)映經過管道(dào)的體積流量(liang)大小。信号經(jing)過進一步處(chu)🌈理，結合液體(ti)的❓密度就可(ke)以得到被測(cè)液體的質量(liang)流量。
 
2雙圈同(tóng)軸式光纖傳(chuán)感器.
　　本文所(suo)采用的雙圈(quan)同軸式光纖(xian)傳感器是強(qiáng)度調制型反(fǎn)射式光纖。反(fan)射式光強調(diào)制傳感器是(shì)由光源、人💃射(shè)光纖、接收光(guāng)☂️纖以🌈及探測(ce)器組成國。具(ju)體結構是在(zài)同軸式光纖(xiān)(中心爲人射(shè)光纖，接收光(guang)纖同軸排列(lie))的基礎上同(tong)🏃‍♀️軸增加一圈(quan)用于補償的(de)接收🚶‍♀️光纖。雙(shuang)圈同軸式光(guang)纖傳感器的(de)整體結構如(rú)圖2所❗示。共19根(gēn)光纖，中間1根(gen)光纖爲入射(she)光纖，内圈爲(wèi)🧡6根光纖作爲(wei)第一組接收(shou)光纖，外圈有(yǒu)12根光纖作爲(wèi)第二組接收(shou)光纖。由于使(shǐ)😍用多模光纖(xian)其接收到的(de)最大💃🏻光強要(yào)比采用單模(mo)光纖高一個(gè)數量級左右(you)，爲了提高測(cè)量的信噪比(bǐ)，本系統采用(yòng)多模光纖的(de)光纖傳感器(qi)。采用這種光(guang)纖束結構的(de)益處是它利(li)用比值法消(xiao)除了光源功(gōng)率波動等🐅敏(mǐn)感因素對測(cè)量的🚶影響[5]，從(cóng)而能夠實現(xiàn)傳感器的測(cè)量。
 
　　光源LED發出(chu)的光，通過入(ru)射光纖傳輸(shū)到待測物體(tǐ)的表⭐面🔞，經過(guo)反射後由接(jie)收光纖接收(shou)送至光電轉(zhuan)換器進行光(guāng)電轉換。接收(shou)光強的大小(xiao)決定于反射(shè)體距光纖❓探(tàn)頭的距離，當(dang)🏃‍♀️被測距✨離改(gǎi)變時輸出光(guang)強也發生相(xiang)應的變化，可(kě)以通過對輸(shū)出光強的檢(jian)測得到渦輪(lun)葉片轉動的(de)位👌置，如圖3所(suǒ)示🛀。由于渦輪(lun)葉片周期性(xìng)的轉☁️動，光強(qiang)的變化也是(shì)呈周期性的(de)，基于此原理(lǐ)，這種光🈲纖傳(chuan)感器可以被(bei)用于渦輪流(liú)量計上。
 
　　根據(ju)圖2的光纖探(tàn)頭結構，其輸(shu)出特性調制(zhi)麗數的計算(suàn)可🚶以采㊙️用式(shi)(1)所示的方法(fa)，再結合大芯(xīn)徑多模光纖(xian)的出射光纖(xian)端出射光強(qiáng)的分布6]，可以(yi)得到雙圈同(tóng)軸位移傳感(gan)器的輸出特(tè)性調制函數(shù)爲式(2)。在探頭(tou)參數确定的(de)情況下，傳感(gǎn)㊙️器的調制特(tè)性M(z)隻與被測(ce)距離z有關口(kǒu)，
 
　　根據式(2)和本(běn)測試系統的(de)實際需要，設(shè)計了相應的(de)尺寸參數👈的(de)光纖探頭。對(duì)所設計的光(guāng)纖探頭進行(háng)仿真，如圖4所(suo)示。可以看出(chū)，在探頭與被(bèi)測渦輪表面(miàn)距離400~1000μm的範圍(wéi)之間，該傳感(gǎn)器具有良好(hǎo)的線性關系(xì)，該範圍包含(hán)了測量流量(liang)的光纖探頭(tóu)與被測渦輪(lún)葉片表面間(jian)的垂直距離(li)變化範圍。
 
3基(ji)于DSP的智能光(guang)纖流量計信(xìn)号處理系統(tong)
3.1總體處理方(fāng)案框圖
　　本文(wen)設計的智能(neng)流量光纖測(cè)量系統的整(zheng)體框架如圖(tu)5所示。
 
　　随着葉(ye)片旋轉，光纖(xian)渦輪流量傳(chuan)感器拾取到(dao)呈周期性💘變(biàn)化的光信号(hào)，光信号在經(jing)過光電轉換(huan)器後被轉換(huàn)爲💘電壓信号(hào)，經過信号放(fàng)大、整形、濾波(bo)等硬件處理(lǐ)電路後得到(dào)的信号還遠(yuǎn)不能🤞達到我(wo)們所🌍需的“轉(zhuan)速一頻率一(yī)流量”準确信(xin)息，爲提高系(xì)統的📐精度和(he)穩定性，本系(xi)統将采用處(chù)理能力強，計(ji)算精度高的(de)DSP作爲信号處(chù)理平台對信(xìn)号作進一步(bù)🔞的軟件處理(lǐ)，并實現流量(liàng)信息的顯示(shì)以♈及與計算(suàn)機的通訊。在(zài)這裏，我們選(xuan)取TI公司的TMS320F2812型(xíng)号DSP芯片。DSP2812的内(nèi)置A/D轉換爲12位(wei)，可保證在存(cún)在硬件幹擾(rao)的情況下對(duì)數據的精度(du)高采集;同時(shi)具有32位的定(dìng)點CPU，主頻可達(dá)150MHz,計算能力也(yě)滿足流量測(ce)量系🏃‍♂️統對數(shù)據處理的要(yao)求。
　　系統設計(jì)時，考慮到光(guāng)源、光電轉換(huàn)等部件對系(xi)統測量結果(guǒ)🏃🏻‍♂️的影響，溫度(dù)變化對傳感(gǎn)器零位漂移(yí)的影響，以及(ji)🈲傳感器光強(qiang)調制過程存(cun)在非線性，應(yīng)加♍人溫度補(bu)償和非線性(xìng)校正算法以(yǐ)及誤差修正(zheng)。另外，針對工(gong)程應用中傳(chuán)感器工✔️作環(huán)境特🥰點，可以(yi)在🐉傳感器探(tan)頭加入準直(zhí)透鏡的方法(fa)用以提高傳(chuán)感器的抗噪(zào)能力和擴展(zhan)傳感器的線(xiàn)性測量範圍(wéi)。
3.2硬件系統設(shè)計
　　硬件電路(lù)主要分爲兩(liǎng)部分，第一部(bù)分是信号預(yu)處🎯理部分，第(dì)二部分是以(yi)DSP爲核心的信(xin)号處理部分(fèn)。信号預處理(li)部分分爲光(guang)電轉換模塊(kuài)、放大模塊、濾(lǜ)波模塊。而DSP部(bu)分除了包括(kuo)其主要的幾(ji)個電路模塊(kuai)外，還包含對(dui)信号的軟件(jiàn)處理。
3.2.1信号預(yu)處理部分
3.2.1.1光(guāng)電轉換模塊(kuai)
　　光電轉換模(mó)塊的功能是(shì)将接收光纖(xiān)接收的光強(qiáng)信号轉換✌️爲(wei)💰電壓信号。它(ta)在整個動态(tài)檢測系統中(zhōng)起着極其重(zhong)要的作用，它(ta)的好壞和靈(líng)敏度将很大(da)程度.上影響(xiǎng)着最終系統(tǒng)的測㊙️量精度(du)🈲。本系統選用(yong)🤟的光電二極(ji)管是光💜電二(er)極管電流與(yu)照射在其上(shàng)💛的光強成正(zhèng)比，随着光強(qiang)的增加OPT101的輸(shū)出電壓近似(sì)的線性增加(jiā)🈲。OPT101芯🌈片在一個(ge)單片，上集成(chéng)了互跨阻抗(kàng)放大器集和(he)光電二極管(guan)🌈，這就消除了(le)分開設計中(zhong)經常出現的(de)如漏電流誤(wù)差、噪聲交叉(cha)幹擾以及雜(za)散電容引起(qǐ)的增益峰化(huà)等問題。
3.2.1.2放大(da)電路模塊
　　光(guāng)電檢測系統(tǒng)中，經過OPT101光電(dian)轉換後輸出(chu)的電壓信☎️.号(hào)較微弱🌈，必須(xū)通過放大處(chù)理。前置放大(dà)電路設計的(de)好壞将直接(jie)影響整個信(xin)号處理電路(lu)的性能。由于(yú)是微小信号(hào)的放大，所以(yi)本系統選🈲用(yòng)儀表運算放(fàng)大器AD620。AD620是一款(kuǎn)低功🌍耗、精度(du)高的運算放(fàng)大器，具有高(gao)共模抑制比(bi)、放大頻帶寬(kuan)、溫度穩定性(xing)好、使用簡🏃‍♂️單(dān)、噪聲低等特(te)點，隻需要改(gǎi)變外部電阻(zǔ)的阻值就可(kě)以實現從1到(dao)1000倍的放大，因(yin)此适合用于(yu)對微弱信号(hào)的正确放大(da)。
3.2.1.3濾波電路模(mó)塊
　　濾波模塊(kuai)是抑制和防(fáng)止幹擾的重(zhong)要環節，其功(gōng)能是使一-定(dìng)頻率範圍内(nei)的有用信号(hào)通過，使在該(gai)頻率範圍外(wai)的信号衰減(jiǎn)，從而提高系(xi)統的信噪比(bǐ)。在本系統中(zhong)，光纖傳感器(qi)采集的信号(hào)主要幹擾成(cheng)分是光電二(èr)極管輸出的(de)電壓和👌光源(yuan)信号的漂移(yí)、環境變化及(jí)電路等各種(zhong)噪聲信号。爲(wèi)了🏃‍♀️避開噪聲(shēng)高頻幹擾信(xìn)号，濾波電路(lu)采用--級✊陡度(dù)系數較大的(de)有源二階低(dī)通濾波📱器，它(tā)可以使噪聲(sheng)🎯得到較快、較(jiao)大的衰減，基(ji)本濾除疊‼️加(jia)在光電轉換(huàn)後電壓信号(hào)上的噪聲和(he)不必要的頻(pin)率分量，提高(gāo)系統的信噪(zào)比。
3.2.2DSP信号處理(li)部分
3.2.2.1DSP電源電(diàn)路
　　由于在信(xin)号預處理中(zhōng)用到的各個(ge)模拟電路的(de)核🥰心芯片都(dōu)是±5V供電，所以(yǐ)需要将模拟(ni)電源的5V轉化(huà)爲一5V,這裏采(cǎi)用TI公司的LMC7660芯(xīn)片;而信号處(chù)理中用到DSP數(shu)字.電路的工(gōng)作電🔞壓爲3.3V和(he)1.8V,這裏選用SPX1117芯(xīn)片将5V電源進(jin)行轉換。其中(zhōng)，内部邏輯供(gong)電電壓🤩爲1.8V,外(wai)部接💞口引腳(jiao)電壓采用3.3V，便(biàn)于直接與外(wai)部低壓器件(jian)相連接。3.2.2.2A/D轉換(huàn)電路在經過(guò)光電轉換、放(fang)大、濾波後的(de)信号進入DSP芯(xin)片時，要先經(jīng)🧡過A/D轉換電路(lù)，把模拟信号(hào)轉換爲數字(zi)信号💋，由DSP做進(jìn)一步的信号(hao)處理。
3.2.2.3DSP核心電(dian)路及時鍾電(dian)路
　　DSP的各管腳(jiao)有相應處理(lǐ)，有的接(或有(yǒu)上拉電阻)高(gāo)電平，有🌐的接(jiē)(或有下拉電(dian)阻)低電平。
3.2.2.4顯(xiǎn)示電路
　　使用(yong)液晶屏顯示(shì)頻率或流量(liang)信息，可以方(fang)便觀察實驗(yàn)結果。本系統(tong)選用1602LCD芯片顯(xian)示，1602LCD是指顯示(shi)的内容爲16X2，即(jí)可以顯示兩(liang)行，每行有16個(gè)字符液晶模(mó)塊(顯示字符(fú)和數字)。
3.2.2.5通信(xin)電路
　　爲了與(yu)計算機連接(jie)實現遠程操(cao)作，可以采用(yòng)RS232接口與上位(wei)機進行通信(xìn)。
3.3DSP的軟件系統(tǒng)分析
　　爲了實(shi)現精度高測(cè)量，還需采用(yòng)一定的算法(fa)對信号加📧以(yǐ)🤞處.理，包括溫(wen)度補償算法(fa)、非線性校正(zhèng)算法和誤差(cha)修正算👌法等(deng)，這些都可以(yi)寫人DSP中通過(guo)運算📧實現。将(jiang)2812DSP與計算機中(zhong)的CCS仿真環境(jìng)相連接，通過(guò)仿真器将相(xiàng)應的程序下(xià)載到DSP芯片中(zhōng)進行調試。圖(tu)6爲DSP中🎯軟件設(shè)計流✂️程圖。
 
4實(shi)驗與分析
　　本(ben)文使用一套(tao)光纖高速轉(zhuǎn)子試驗台對(duì)搭建的軟硬(ying)件測試系統(tǒng)進行了模拟(ni)實驗驗證。該(gāi)轉子試驗台(tái)的渦輪轉子(zi)💃由可調轉速(sù)的電機帶動(dòng)旋轉，渦輪正(zheng)上方安裝有(you)雙圈同軸式(shì)光⚽纖傳感器(qi)，轉速信号經(jing)過所設計的(de)硬件預處理(li)電路後，傳人(rén)DSP進行程序♋運(yun)算處理，最後(hòu)将頻率信号(hao)顯示出來。在(zai)實驗室所🌈搭(dā)建的試驗系(xi)♍統如圖7所示(shì)。
 
　　通過本文所(suǒ)設計的測試(shì)系統對渦輪(lun)轉動頻率的(de)🙇‍♀️驗證結果如(rú)♈表1所示。渦輪(lun)頻率記作ƒ0(Hz)，測(cè)量頻率記作(zuo)ƒ1(Hz),絕對誤差記(jì)作e。
 
　　在5~300Hz的測量(liàng)範圍内，最大(da)誤差爲1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可(kě)見所設計的(de)測試✨系統測(ce)📧量精度較高(gāo)。
5結論
　　本文所(suǒ)設計的雙圈(quan)同軸式光纖(xiān)智能流量檢(jian)測系統🙇‍♀️有㊙️以(yi)♍下特點:1)本文(wén)選用的雙圈(quan)同軸式多模(mó)光纖對光信(xìn)号的辨識度(du)高，并且在測(ce)量和傳輸過(guo)程中🚩不易受(shou)外界電✊磁幹(gàn)擾;2)所選DSP2812及硬(yìng)件處理部分(fèn)可以實現對(duì)數💰據的采集(ji)和處理的要(yao)求;3)傳感器測(ce)量過程中産(chan)生的非線性(xìng)等因素可通(tong)過軟件算法(fǎ)進行補償和(he)校正，易于維(wei)護。通過實驗(yàn)驗證，本文所(suǒ)設計的光纖(xiān)測量系統⛷️的(de)測量誤差小(xiǎo)于0.5%，具有較高(gao)的測量精度(dù)和可靠性，爲(wei)光纖渦輪流(liu)量計的樣機(jī)制作提供了(le)重🐆要依據。

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