摘要(yao):爲了克服現有(you)電磁式渦輪流(liú)量計 的量程小(xiao)，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(lún)流量智能檢測(ce)系統;該測試系(xi)💰統由三大模塊(kuai)組成，雙圈同軸(zhóu)式的光纖傳感(gan)器作爲信号㊙️拾(shi)取工具，硬件電(diàn)路對信号進行(hang)預處理，TMS320F2812DSP對信号(hao)進一🍓步軟件處(chù)🈲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(guang)纖渦輪流量計(jì)的樣機制作提(ti)供了🐉重要依據(jù)。
0引言
　　電磁式渦(wo)輪流量計在流(liú)體計量中應用(yong)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(jiu)🐆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(guang)纖傳感器以其(qi)靈敏🤩度高，體積(ji)小，抗電磁🆚幹擾(rao)等優🥰點被廣泛(fàn)應用于各種測(ce)量技術中。使用(yong)光纖檢測渦輪(lún)轉速的方法不(bú)存在電磁式渦(wo)輪流量計的電(diàn)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(fāng)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(zhōng)。文中均采用Y型(xíng)光纖探頭結構(gòu)檢測信号，但這(zhe)種結構易受其(qi)他光波和光強(qiáng)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(xin)号處理系統以(yǐ)DSP爲核心，對硬件(jiàn)和軟件各模塊(kuai)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(gong)了一種重要依(yī)👈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(jiǎn)要結構如圖1所(suo)示。雙圈同♍軸光(guāng)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(guāng)纖組成，檢測端(duān)固定在--個鋁合(hé)金✔️護套内可替(ti)代電磁式傳感(gǎn)器安裝在渦輪(lun)流量計上。其工(gong)作原理爲:發射(shè)光纖将光人射(she)到葉片端面上(shàng)，液體在帶動渦(wō)輪葉片旋轉過(guò)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(ran)，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(fan)射到雙罔同軸(zhou)光纖探頭的接(jiē)收光纖的光強(qiang)也💰較其他位置(zhì)強。那麽，在葉片(pian)轉動過程中，葉(yè)片頂端會對光(guang)纖發射的激光(guāng)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(guāng)電轉換電路後(hou)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(yan)究表明，渦輪🏒的(de)旋轉角速度與(yǔ)液🧑🏽‍🤝‍🧑🏻體流速成正(zheng)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(xin)号經過進一步(bu)處📧理，結合液體(tǐ)的密度就可以(yi)得到被測液體(tǐ)的質量流量。
 
2雙(shuāng)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(gǎn)器是強度調制(zhi)型反🧑🏽‍🤝‍🧑🏻射💯式光纖(xiān)。反射式光強調(diào)制傳感器是由(you)光源、人射光纖(xian)、接收光纖以🍓及(ji)探測器組成國(guó)。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(shang)同💰軸增加一圈(quan)用于補償的接(jiē)收✂️光纖。雙圈同(tong)軸式光纖傳感(gǎn)器的整體結構(gou)如圖2所示。共19根(gen)光纖，中間1根光(guang)纖爲入射光纖(xiān)，内圈爲6根光纖(xiān)作爲第一組接(jiē)🈚收光纖，外圈有(yǒu)12根光纖作爲第(dì)二組🏃🏻接收光纖(xiān)。由于使🐉用多模(mó)光纖其接收😘到(dào)的最大光強要(yao)比采用單模光(guang)纖高一🐉個數量(liàng)級左右，爲了提(tí)高測量的信噪(zào)比，本系統采用(yong)多模光纖的光(guāng)纖😘傳感器。采用(yòng)這種光纖束💰結(jie)構的益處是它(ta)利用比值法消(xiao)除了光源功率(lǜ)波動等敏感因(yīn)素對測量的影(yǐng)響[5]，從而能夠實(shí)現傳感器的測(cè)🏒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(tóu)的距離，當❌被測(ce)距離改變時輸(shū)出光強也發生(shēng)相👅應的變化，可(kě)以通過💛對輸出(chū)光強的檢測得(de)到渦輪葉片轉(zhuan)動的位置，如圖(tu)3所示。由于渦輪(lún)葉片周期性的(de)轉動，光強的變(bian)化也是呈周期(qī)性的，基于此原(yuan)理，這種光纖傳(chuán)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(kě)以采用式(1)所示(shi)的方法，再結合(he)大芯徑多模光(guāng)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(can)數确定的情況(kuàng)下，傳感器的調(diào)制特性M(z)隻與被(bei)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(shu)的🚶‍♀️光纖探頭。對(duì)所設計的光纖(xian)探頭進行仿真(zhēn)，如圖👣4所示。可以(yi)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(xìng)關系，該範圍包(bāo)🎯含了測量㊙️流量(liàng)的光纖探頭與(yu)被測渦輪葉片(piàn)表面間的垂直(zhi)距離變化範圍(wei)。
 
3基于DSP的智能光(guāng)纖流量計信号(hao)處理系統
3.1總體(ti)處理方案框圖(tu)
　　本文設計的智(zhì)能流量光纖測(cè)量系統的整體(tǐ)框架如圖5所示(shì)。
 
　　随着葉片旋轉(zhuǎn)，光纖渦輪流量(liang)傳感器拾取到(dao)呈周期性變化(huà)的光信号，光信(xìn)号在經過光電(diàn)轉換器後被轉(zhuan)換爲電壓信号(hào)，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(wǒ)們所需的“轉速(sù)一頻率一流量(liang)”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(jīng)度高的DSP作爲信(xin)号處理平台對(duì)信号作進一步(bù)的軟件處理，并(bìng)實現流量信息(xi)的顯示以及與(yǔ)計算機的🔆通訊(xùn)。在這裏，我們選(xuǎn)取TI公司的TMS320F2812型号(hào)DSP芯片☁️。DSP2812的内置A/D轉(zhuan)換爲12位，可保證(zhèng)在存在硬件幹(gan)👣擾的情況下對(duì)數據的精度高(gāo)采集;同㊙️時具有(you)32位的定點CPU，主頻(pin)可達150MHz,計算🈚能力(lì)也滿足流量測(cè)量系統對數據(ju)處理的要求。
　　系(xi)統設計時，考慮(lü)到光源、光電轉(zhuǎn)換等部件對系(xì)統測📧量結果的(de)影響，溫度變化(huà)對傳感器零位(wèi)漂移的影響，以(yi)及☎️傳感❌器光強(qiáng)調制過程存在(zai)非線性，應加人(rén)溫度補償和非(fēi)線性🐅校正算法(fǎ)以及誤差修正(zhèng)。另外，針對工程(chéng)應用中傳感器(qi)工作環境特點(dian)，可以在🔴傳感器(qi)探頭加入準直(zhi)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(yao)分爲兩部分，第(dì)一部分是信号(hao)預處理部分，第(di)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(wei)光電轉換模塊(kuai)、放大模塊、濾波(bo)模塊。而DSP部分除(chu)了包括其主要(yào)的幾個🔞電路模(mo)塊外，還包含對(dui)信号的軟件處(chù)理。
3.2.1信号預處理(li)部分
3.2.1.1光電轉換(huàn)模塊
　　光電轉換(huàn)模塊的功能是(shì)将接收光纖接(jiē)收的光強❤️信号(hao)轉換❌爲電壓信(xin)号。它在整個動(dòng)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(jiang)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(guāng)電二⛱️極管是光(guang)電二極管電流(liu)與照射在其上(shàng)🤞的光強成正比(bǐ)，随着光強的增(zēng)加OPT101的輸💃🏻出電壓(ya)近似🐇的線性增(zeng)加。OPT101芯片在一個(gè)單片，上集成了(le)互跨阻抗放大(da)器集和光電二(er)極管，這就消除(chu)了分開設計中(zhong)經常出現的如(ru)漏電流誤差、噪(zào)聲交叉幹✂️擾以(yi)及雜👨‍❤️‍👨散電容引(yin)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(shū)出的電壓信🐆.号(hào)較微弱，必🧑🏽‍🤝‍🧑🏻須通(tong)過放大處理。前(qian)置放大電路設(shè)計的好💞壞将直(zhí)接影響整個❓信(xin)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(xuan)用儀表運算放(fàng)大器AD620。AD620是一款低(di)功耗、精度高的(de)運算放大器，具(ju)有✉️高共模抑制(zhì)比、放大頻帶寬(kuan)、溫度穩定性好(hǎo)、使用簡單、噪聲(shēng)低等🔞特點，隻需(xu)要改變外部電(dian)阻的阻值就🏃可(ke)以實現從1到1000倍(bèi)🈲的放大💘，因此适(shi)合用于對微弱(ruò)信号的正确放(fàng)大。
3.2.1.3濾波電路模(mo)塊
　　濾波模塊是(shì)抑制和防止幹(gàn)擾的重要環節(jiē)，其功能是使一(yī)-定頻率範圍内(nei)的有用信号通(tōng)過，使在該頻📞率(lü)範圍外的信号(hao)衰✨減，從❓而提高(gāo)系統的信噪比(bǐ)。在本系統中，光(guāng)纖傳感器采集(ji)的信号主要幹(gàn)擾成分是光電(diàn)二極管輸出的(de)電壓和光源信(xìn)号的漂移、環境(jing)變化及電路等(děng)各種噪聲信号(hao)。爲了避開噪聲(sheng)高㊙️頻幹擾信号(hào)，濾波電路采用(yong)--級陡度系數較(jiào)大的有源二階(jiē)低通濾波器，它(tā)可以使噪聲♌得(de)到較快、較大的(de)衰減，基本濾除(chú)疊加在光電轉(zhuǎn)換後電壓信号(hào)上的噪聲和不(bu)必要的頻率分(fèn)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(diàn)路
　　由于在信号(hào)預處理中用到(dào)的各個模拟電(dian)路的核👉心芯片(pian)都是±5V供電，所以(yi)需要将模拟電(diàn)源的5V轉化爲一(yī)5V,這🌏裏采用TI公司(sī)的LMC7660芯片;而信号(hào)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(dian)源進行轉換。其(qi)中，内部邏輯供(gong)電電壓爲1.8V,外部(bù)接口引腳電🌈壓(yā)采用3.3V，便于🍓直接(jiē)與外部低壓器(qi)件相連接。3.2.2.2A/D轉換(huan)電路在經過光(guang)🏃🏻電轉換、放大、濾(lü)波後的信号進(jin)入DSP芯片時，要先(xian)經過A/D轉換電路(lù)，把模拟信号轉(zhuǎn)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(diàn)阻)高電平，有♉的(de)接🏃‍♀️(或有下拉電(dian)阻)低電平。
3.2.2.4顯示(shì)電路
　　使用液晶(jing)屏顯示頻率或(huo)流量信息，可以(yi)方便觀察實驗(yan)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(shi)兩行，每行有16個(ge)字符液晶模塊(kuài)(顯示📧字符和💯數(shu)字)。
3.2.2.5通信電路
　　爲(wei)了與計算機連(lián)接實現遠程操(cāo)作，可以采用RS232接(jiē)口與上☔位💔機進(jìn)行通信。
3.3DSP的軟件(jian)系統分析
　　爲了(le)實現精度高測(cè)量，還需采用一(yi)定的算法對信(xin)号加以處.理，包(bāo)括溫度補償算(suan)法、非線性校正(zhèng)算法和誤🤩差修(xiu)‼️正算法等，這些(xie)都可以寫人DSP中(zhong)通過運算實現(xiàn)。将2812DSP與計算機中(zhōng)的CCS仿真環境相(xiàng)連接，通過仿真(zhēn)器将相應的程(chéng)序下載到DSP芯片(piàn)中進行調試。圖(tu)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(su)轉子試驗台對(dui)搭建的軟硬件(jiàn)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(ān)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(jiàn)❗預處理電💋路後(hòu)，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(wo)輪頻率記作ƒ0(Hz)，測(ce)量頻率記作ƒ1(Hz),絕(jué)對誤差記作e。
 
　　在(zài)5~300Hz的測量範圍内(nèi)，最大誤差爲1.27/(300一(yī)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(lùn)
　　本文所設計的(de)雙圈同軸式光(guang)纖智能流量檢(jiǎn)測系統有以下(xià)特點:1)本文選用(yong)的雙圈同軸式(shi)多模光纖對光(guāng)信号💋的辨識度(dù)高，并且在測量(liàng)和傳輸過程中(zhōng)💃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(shù)據的采集和處(chù)理的🌈要求;3)傳感(gǎn)⭐器測量過程中(zhōng)産生的🈚非線性(xing)等因⭕素可通過(guo)軟件算法進行(hang)補償和校正，易(yi)于維護。通過實(shí)驗驗證，本文所(suo)🐪設計的光纖測(cè)量系統🈲的測量(liàng)誤差小于0.5%，具有(you)較高的測量精(jing)度和可靠性，爲(wèi)光纖渦輪流量(liàng)計的樣機制作(zuò)✔️提供了重要依(yī)據。

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