摘要(yao):爲了克服現有電(diàn)磁式渦輪流量計(jì) 的量程小，易受電(diàn)磁幹擾的缺點，設(she)計了一種雙圈同(tóng)軸式光纖♌的渦輪(lún)流量智能檢測系(xi)統;該測試系統由(you)三大模塊組成，雙(shuang)圈同軸式的光纖(xian)傳感器作爲信号(hao)拾取工具，硬件電(dian)路對信号進行預(yù)處理，TMS320F2812DSP對信号進一(yi)步軟件處理;經過(guo)實驗驗證，該測試(shì)系統在5~300Hz的測量範(fàn)圍内，測量誤差小(xiǎo)于0.5%;因此⚽，該測試系(xi)統💞具有較高的💯測(cè)🚶‍♀️量精度和可靠性(xìng)，這爲光纖渦輪流(liú)量計的樣機制作(zuo)提供了重要依據(jù)。
0引言
　　電磁式渦輪(lun)流量計在流體計(jì)量中應用十分廣(guǎng)泛，但由于它量程(chéng)小，對于流量範圍(wéi)變化大的場合，就(jiù)需要幾個不同☔口(kou)徑的流量計進行(háng)切換配合測量。近(jìn)年來，光纖傳感器(qì)以其靈敏度高，體(tǐ)積小，抗電磁🚶‍♀️幹擾(rao)等優點被廣泛應(ying)用于各種測量技(ji)術中。使用💋光纖檢(jiǎn)測渦輪轉速的方(fang)法不存在電磁式(shì)渦輪流量計的電(dian)磁阻⭐力矩對渦輪(lun)的影響，從而可以(yi)擴展流量測量範(fan)圍。這🏃方面有一些(xiē)研究但均未深人(ren)探析并将其應用(yòng)于工🔞程實際中。文(wen)中均💋采用Y型光纖(xian)探頭結構檢測信(xin)号，但這種結構易(yi)受其他光🔞波和🔆光(guāng)強等因素的影響(xiǎng);
　　因此，本文就光纖(xiān)渦輪流量檢測系(xì)統進行了詳細的(de)設計，針對各個模(mó)塊分析了其技術(shù)參數。光纖傳感器(qì)探頭結構采用雙(shuāng)圈同軸的型式，流(liu)量測量信号處理(li)系統以DSP爲核心，對(dui)硬件和軟件各模(mo)塊逐一分析設計(jì)，并通過實驗驗證(zheng)了該系統的可靠(kao)性，爲🍓光纖渦輪流(liú)量計的樣機制作(zuò)提供了一種重要(yao)依💃🏻據。
1光纖渦輪流(liu)量傳感器的結構(gou)
　　光纖渦輪流量傳(chuán)感器的簡要結構(gou)如圖1所示。雙圈🌈同(tóng)軸光纖探頭使用(yòng)多模玻璃光纖，由(you)一組發射光纖和(hé)兩組接收💯光纖組(zǔ)成，檢測端固定在(zai)--個鋁合金護套内(nèi)可替代電磁式傳(chuán)感器安裝在渦輪(lun)流量計上。其工作(zuò)原理爲:發射光纖(xiān)将光人射到🙇🏻葉片(pian)端面上，液體在帶(dai)動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)過程中，激光照射(she)在渦輪表面的不(bú)同位置，而不同位(wèi)置所對應與探頭(tou)之間的距離不同(tong)。顯然，對于圖1的安(ān)裝結構，葉片頂端(duān)與探頭的距離最(zuì)㊙️小，則激光反射到(dao)雙罔同軸光纖探(tan)頭的接收光纖的(de)光強也較其他位(wei)置強。那麽，在葉片(piàn)轉動過程中，葉片(piàn)頂端會對光纖發(fā)射的激🌍光産生周(zhōu)期性的反射，接收(shou)🐪光纖接收到反射(she)的光強信号，經光(guang)電轉換電路後放(fang)大濾波産生電脈(mò)沖信号。其頻率與(yǔ)渦輪的轉速成正(zhèng)比，研究🔴表明，渦輪(lún)的旋轉角速度與(yǔ)液體流速成正比(bi)例關系，可以通過(guò)測量渦輪的轉速(sù)來反映經🏃🏻‍♂️過管道(dào)的體積流量大小(xiao)✨。信号經過進一步(bu)處理，結合液體的(de)密度就可以得到(dào)被測液體的質量(liang)流量。
 
2雙圈同軸式(shì)光纖傳感器.
　　本文(wen)所采用的雙圈同(tong)軸式光纖傳感器(qì)是強度調制型反(fan)射式光纖。反射式(shi)光強調制傳感器(qi)是由光🔞源、人射光(guāng)✨纖、接收光纖以及(jí)探測器組成國。具(ju)體結🌏構是在同軸(zhou)式⭕光纖(中心爲人(ren)射光纖，接收光纖(xiān)同軸排列)的基礎(chu)上同軸增加一圈(quān)用于補⚽償的接收(shōu)光纖。雙圈同軸式(shì)光纖傳感器的整(zheng)體結構如圖2所示(shì)。共19根光纖，中間1根(gen)光纖爲入射光纖(xiān)，内圈爲💜6根光纖作(zuo)爲第🈲一組接收光(guang)纖，外圈有12根光纖(xian)作爲第二組接收(shou)光纖。由于使🔞用多(duō)模光纖其接收到(dao)的最大光強要比(bǐ)💚采用單模光纖高(gao)一個數量級左右(you)，爲了提高測量的(de)信噪比，本系統采(cǎi)用多模光纖的光(guāng)纖傳感器。采用這(zhe)種光纖束結構的(de)益處是它利用比(bi)🌐值法消除了光源(yuan)功率波動等敏感(gan)因素對測量的影(ying)響[5]，從而能夠實現(xian)傳感器的測量。
 
　　光(guang)源LED發出的光，通過(guò)入射光纖傳輸到(dào)待測物體的表面(miàn)💋，經🤩過反射後由接(jiē)收光纖接收送至(zhi)光電轉換器進行(háng)光電轉💯換。接收光(guāng)強的大小決定于(yú)反射體🌏距光纖🆚探(tàn)頭的距離，當被測(ce)距🔅離改變時輸出(chu)光強也發生相應(yīng)的變化，可以通過(guo)對輸出光強的檢(jian)測得到渦輪葉片(piàn)轉動的位💋置，如圖(tu)3所示。由于渦輪葉(ye)片周期性的轉動(dòng)，光強的變化也是(shì)呈周期性的，基于(yu)此原理，這種光纖(xian)傳感器可以被用(yòng)于渦輪流量計㊙️上(shang)。
 
　　根據圖2的光纖探(tan)頭結構，其輸出特(tè)性調制麗數的計(ji)算可以采用式(1)所(suǒ)示的方法，再結合(hé)大芯徑多模光纖(xian)的出射光⭕纖端🔞出(chu)射光強的分布6]，可(ke)以得到雙圈同軸(zhou)位移傳⁉️感器的🍉輸(shū)出特性調制函數(shu)爲式(2)。在探頭參數(shù)确定的情況下，傳(chuán)感器的調制特性(xing)M(z)隻與🏃‍♀️被測距離z有(yǒu)關口，
 
　　根據式(2)和本(běn)測試系統的實際(jì)需要，設計了相應(ying)的尺♌寸參數的光(guāng)纖探頭。對所設計(jì)的光纖探頭進行(háng)🔅仿真，如圖4所示。可(kě)以看出，在探頭與(yǔ)被測渦輪表面🔞距(ju)離400~1000μm的範圍之間，該(gai)傳感器具有良好(hǎo)的線性關系，該範(fàn)圍包含了測量流(liú)量的光纖探頭與(yǔ)被測渦輪葉片表(biao)面間⁉️的垂直距離(lí)變化範圍。
 
3基于DSP的(de)智能光纖流量計(jì)信号處理系統
3.1總(zǒng)體處理方案框圖(tú)
　　本文設計的智能(néng)流量光纖測量系(xi)統的整體框架如(rú)圖5所示🥵。
 
　　随着葉片(pian)旋轉，光纖渦輪流(liú)量傳感器拾取到(dào)呈周期性變化❓的(de)光信号，光信号在(zai)經過光電轉換器(qì)後被轉換爲電壓(ya)信号，經過信号放(fàng)大、整形、濾波等硬(yìng)件處理♉電路後得(de)到的👈信号還遠不(bu)能達到我們所需(xu)的“轉速一頻率一(yi)㊙️流量”準确信息，爲(wèi)提高系統的精度(dù)和穩定性，本系統(tǒng)将💋采用處理能力(li)強，計算精度高的(de)DSP作爲信号處理平(píng)台對信号作進一(yī)步的軟件處理，并(bing)實現流量信息✔️的(de)顯示以及與計算(suàn)機的通訊。在這裏(li)，我們選😍取TI公司的(de)TMS320F2812型号DSP芯片。DSP2812的内置(zhì)A/D轉換爲12位，可保證(zhèng)在存在硬件幹擾(rǎo)的情況下對數據(ju)的精度高采集;同(tong)時具有32位的定點(diǎn)CPU，主頻可達150MHz,計算🛀🏻能(néng)力也滿足流量測(cè)量系統對數據處(chu)理的要求。
　　系統設(shè)計時，考慮到光源(yuan)、光電轉換等部件(jian)對系統測量結果(guo)的影響，溫度變化(hua)對傳感器零位漂(piāo)移的影響，以及🧑🏾‍🤝‍🧑🏼傳(chuan)感器光強調制過(guò)程存在非線性，應(ying)加人溫度補償和(hé)🈲非線性校正算法(fǎ)以及🔴誤差修正。另(lìng)外，針對工程應用(yong)中傳感器工💃🏻作環(huan)境特點，可以在傳(chuán)感器探頭加入準(zhǔn)直透鏡的方法用(yòng)以提高傳感器的(de)抗噪能🐇力和擴展(zhan)傳感器的線性測(cè)量範❗圍。
3.2硬件系統(tǒng)設計
　　硬件電路主(zhǔ)要分爲兩部分，第(dì)一部分是信号預(yù)處理部分，第二部(bù)分是以DSP爲核心的(de)信号處理部分。信(xìn)🔴号預處理部分🔴分(fèn)爲💔光電轉換模塊(kuai)、放大模塊、濾波模(mó)塊。而DSP部分除了包(bao)括其主要❤️的幾個(gè)⛹🏻‍♀️電路模塊外，還包(bao)含對信号的軟件(jian)處理。
3.2.1信号預處理(lǐ)部分
3.2.1.1光電轉換模(mo)塊
　　光電轉換模塊(kuài)的功能是将接收(shou)光纖接收的光強(qiang)信号轉換爲㊙️電壓(yā)信号。它在整個動(dong)态檢測系統中起(qǐ)着極其重要的作(zuo)用，它的好壞和靈(líng)敏度将很大💋程度(du).上影響着最終系(xì)統的測量精度。本(ben)系統選用的光電(dian)二極管是光電二(èr)極管🎯電流與照射(shè)在其上🥵的光強成(chéng)正✨比，随着光強的(de)增加OPT101的輸出電壓(ya)近似的線性增加(jiā)☂️。OPT101芯片在一個單片(pian)🌈，上集成了互跨♉阻(zu)抗放大器集和光(guāng)電二極管，這就消(xiāo)除了分開設計中(zhong)經❤️常出現的如漏(lou)電流誤差、噪聲交(jiāo)叉幹🏃‍♀️擾以及雜🔱散(san)電容引起的增益(yì)峰化等問🏃‍♂️題。
3.2.1.2放大(dà)電路模塊
　　光電檢(jian)測系統中，經過OPT101光(guang)電轉換後輸出的(de)電壓信.号較微弱(ruo)，必須通過放大處(chu)理。前置放大電路(lù)設計的好壞将直(zhi)接影響整個信号(hao)處理電路的性能(néng)。由于是微小信号(hao)的放大🐇，所以本系(xì)統選📱用儀表運算(suàn)放大器AD620。AD620是一款低(dī)功耗、精度高的運(yun)算放🔞大器，具有🔴高(gao)共模抑制比、放大(dà)頻帶寬、溫度穩定(dìng)性好、使用簡㊙️單、噪(zào)聲低等特點，隻需(xū)要改變外部電阻(zǔ)的阻值就可以實(shí)現從1到1000倍的放大(dà)，因此适合用于對(duì)微弱信号🏒的正确(què)放大。
3.2.1.3濾波電路模(mo)塊
　　濾波模塊是抑(yì)制和防止幹擾的(de)重要環節，其功能(néng)是使一♋-定頻率範(fàn)圍内的有用信号(hao)通過，使在該頻💰率(lü)範🈲圍外的信号衰(shuai)減，從💜而提高系統(tǒng)的信噪比。在🈲本系(xì)統中，光纖傳感器(qì)采集的信号主要(yao)幹擾成分是光電(diàn)二極管輸出👣的電(diàn)壓和光源信号的(de)漂移、環🌈境變化及(jí)電🧡路等各種噪聲(shēng)信号。爲了避開噪(zào)聲高頻幹擾信号(hào)，濾波電路采用--級(ji)☀️陡度系數較大的(de)有源二階低通濾(lǜ)波器，它可㊙️以使噪(zào)聲得到較快、較大(da)的衰減，基本濾除(chu)疊加在光電轉換(huàn)後電壓信号上的(de)噪聲和不必要的(de)頻率分量🤩，提高系(xi)統的信噪比。
3.2.2DSP信号(hào)處理部分
3.2.2.1DSP電源電(dian)路
　　由于在信号預(yu)處理中用到的各(gè)個模拟電路的核(he)心芯片都☀️是±5V供電(dian)，所以需要将模拟(ni)電源的5V轉化爲一(yi)5V,這裏采用TI公司的(de)LMC7660芯片;而信号處理(li)中用到DSP數字.電路(lù)的工作電🙇‍♀️壓爲3.3V和(hé)♈1.8V,這裏選用SPX1117芯片将(jiang)5V電源進行轉換。其(qí)中，内部邏輯🐪供電(diàn)電壓爲1.8V,外部接口(kou)引腳電壓采用3.3V，便(bian)于直接與外部低(di)壓器件相連接。3.2.2.2A/D轉(zhuan)換電㊙️路在經過光(guāng)電轉換、放大、濾波(bo)後的信号進入DSP芯(xīn)片時，要先經過A/D轉(zhuǎn)換電路，把❤️模拟信(xin)号轉換爲數字信(xin)号，由DSP做進一步的(de)信号處理。
3.2.2.3DSP核心電(diàn)路及時鍾電路
　　DSP的(de)各管腳有相應處(chu)理，有的接(或有上(shang)拉電阻)高電平，有(yǒu)的接(或🍉有下拉電(diàn)阻)低電平。
3.2.2.4顯示電(diàn)路
　　使用液晶屏顯(xian)示頻率或流量信(xin)息，可以方便觀察(chá)實驗㊙️結果。本系統(tǒng)選用1602LCD芯片顯示，1602LCD是(shì)指顯示的内容爲(wèi)16X2，即可以🏃‍♀️顯示兩行(háng)，每行有16個字符液(yè)晶模塊(顯示字符(fú)和數字)。
3.2.2.5通信電路(lu)
　　爲了與計算機連(lian)接實現遠程操作(zuo)，可以采用RS232接口與(yǔ)上位機進👌行通信(xin)。
3.3DSP的軟件系統分析(xī)
　　爲了實現精度高(gao)測量，還需采用一(yī)定的算法對信号(hào)加以🥵處.理，包括溫(wen)度補償算法、非線(xian)性校正算法和誤(wù)差修正算法等，這(zhe)些都可以寫人DSP中(zhōng)通過運算實現。将(jiāng)2812DSP與計算機中的CCS仿(páng)真環🤞境相連🌐接，通(tōng)過仿真器将相應(yīng)的程序下載到DSP芯(xin)片中進行調試。圖(tú)6爲DSP中軟件設計流(liu)程圖。
 
4實驗與分析(xī)
　　本文使用一套光(guāng)纖高速轉子試驗(yàn)台對搭建的軟硬(yìng)件測試系統進行(háng)了模拟實驗驗證(zhèng)。該轉子試驗🚩台的(de)渦輪轉子由可調(diào)轉👅速的電機帶動(dong)旋轉，渦輪正上方(fang)安裝有雙圈同軸(zhóu)式光纖傳感器，轉(zhuan)速信号經過所設(she)計的硬件預處理(lǐ)電路後，傳人DSP進行(háng)程序運算處理，最(zuì)後将頻率信号顯(xian)示出來。在實驗室(shi)所搭建的試驗系(xi)統如圖7所示。
 
　　通過(guo)本文所設計的測(ce)試系統對渦輪轉(zhuǎn)動頻率的🙇‍♀️驗證結(jie)果如表1所示。渦輪(lun)頻率記作ƒ0(Hz)，測量頻(pin)率記作ƒ1(Hz),絕對誤差(cha)記作e。
 
　　在5~300Hz的測量範(fan)圍内，最大誤差爲(wèi)1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可見所設計的(de)測試系統測量🏃🏻‍♂️精(jīng)度較高。
5結論
　　本文(wen)所設計的雙圈同(tong)軸式光纖智能流(liu)量檢測系👨‍❤️‍👨統有以(yǐ)下🔞特🐉點:1)本文選用(yòng)的雙圈同軸式多(duo)模光纖對光信号(hào)✉️的辨識度高，并❄️且(qiě)在測量和傳輸過(guo)程中不易受外界(jie)電磁幹擾;2)所選DSP2812及(ji)硬件處理部分可(ke)以🌈實現對數據的(de)采集和處理的要(yao)求;3)傳感器測量過(guo)程中産生的🔅非線(xiàn)性等因🌂素可通過(guò)軟✨件算法進行♉補(bu)償和校正，易于維(wei)護。通過實驗驗證(zheng)，本文所設計的光(guāng)纖測量系統的測(ce)量誤差小于0.5%，具有(you)較高的測量精度(dù)和可靠性，爲光纖(xian)渦輪流量計的樣(yàng)機制作🥰提供了重(zhòng)要依據。

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