摘要(yào):爲了克服現有電(dian)磁式渦輪流量計(ji) 的量程小，易受電(dian)磁幹擾的缺點，設(shè)計了一種雙圈👄同(tóng)軸🤞式光纖的渦輪(lun)流量智能檢測系(xì)統;該測試系☁️統由(you)三大模塊組成，雙(shuāng)圈同軸式的光纖(xiān)傳感器作爲信号(hào)拾取工具，硬件電(diàn)路對信号進行預(yù)處理，TMS320F2812DSP對信号進一(yī)步軟件處理;經過(guò)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(xì)統具有較高的測(cè)👅量精度和可靠性(xìng)，這爲光纖渦輪流(liu)🏃‍♂️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(cheng)小，對于流量範圍(wéi)變化大的場合，就(jiù)需要幾個不同口(kǒu)徑💯的流☂️量計進行(hang)切換配合測量。近(jin)年來，光纖傳✌️感器(qì)以其靈敏🔴度高，體(ti)積小，抗電磁幹擾(rǎo)等優🌈點被廣泛應(ying)用于各種測量技(jì)術中。使用光纖檢(jiǎn)測渦🈲輪轉速的方(fāng)👈法不存在電磁式(shì)渦輪流量計的電(diàn)磁阻力矩對渦輪(lún)的🛀影響，從而可以(yǐ)擴展流量測量範(fan)圍。這方面有一些(xiē)研究但均未深人(rén)探析并将其應用(yòng)于工程實際中。文(wén)中均采用Y型光纖(xian)探頭結構檢測信(xìn)号，但✨這種結構易(yi)受其他光波和光(guang)強等因素的影響(xiǎng);
　　因此，本文就光纖(xian)渦輪流量檢測系(xi)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(shuang)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(mó)塊逐一分析設計(ji)㊙️，并通過實驗驗證(zhèng)了該系統的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻可靠(kào)性，爲♻️光纖渦輪流(liú)✏️量計的樣機制作(zuò)提供了♌一種重要(yào)依據。
1光纖渦輪流(liú)量傳感器的結構(gòu)
　　光纖渦輪流量傳(chuan)感器的簡要結構(gou)如圖1所示。雙圈🥵同(tong)軸光纖探♌頭使用(yòng)多模玻璃光纖，由(yóu)一組發射光纖和(he)兩組接收光纖組(zu)成，檢測端固定在(zài)--個鋁合金護套内(nei)💃可替代電磁式傳(chuan)感器安裝在渦輪(lún)流量計上。其工作(zuo)原理爲:發射光纖(xian)将光人射到葉片(piàn)端面上，液體在帶(dai)💋動渦輪葉片♉旋轉(zhuan)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(an)裝結構，葉片頂💃🏻端(duan)與探頭的距離最(zui)🌍小，則激光反射到(dào)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(zhou)期性的反射，接收(shōu)‼️光纖接收到反射(she)的光🤞強信号，經光(guang)電轉換電路後放(fàng)🈲大濾波産生電脈(mo)沖信号。其頻🔴率與(yu)渦輪的轉速成正(zhèng)比，研究表明，渦輪(lun)的旋轉角速度與(yǔ)液體流速成正比(bi)例關系，可以通🆚過(guo)測量渦輪的轉速(sù)來反映經過管道(dao)的體積流量大小(xiǎo)💁。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(shi)光纖傳感器.
　　本文(wen)所采用的雙圈同(tóng)軸式光纖傳感器(qi)是強度調制型反(fǎn)射式光纖。反射式(shi)光強調制傳感器(qì)是由光源、人射光(guang)纖、接收光纖以♋及(jí)探測器組成國。具(jù)體結構是在同軸(zhóu)式光纖(中心爲人(rén)射光纖，接收光纖(xian)同軸排列)的基礎(chǔ)上同軸增加一圈(quan)用于補償的接收(shou)光纖。雙圈同軸式(shi)光纖傳感器的整(zheng)體㊙️結構如圖2所示(shi)。共19根光纖，中間1根(gēn)光纖爲入射光纖(xiān)，内圈爲6根光纖作(zuò)爲第一組接收光(guang)纖，外圈有12根光纖(xiān)作爲第二組接收(shou)光纖。由于使用多(duo)模光纖其接收到(dao)的最大光強要比(bi)采用單模光纖高(gāo)一個數量級左右(yòu)，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(bǐ)😄值法🔅消除了光源(yuan)功率波📱動等🔞敏感(gan)因素對測量的影(yǐng)響[5]，從而能夠實現(xiàn)傳感器的測量。
 
　　光(guāng)源LED發出的光，通過(guo)入射光纖傳輸到(dao)待測物體的表面(mian)♈，經過反🚶射後由接(jie)收光纖接收送至(zhì)光電轉換👨‍❤️‍👨器進行(hang)光電轉換。接收光(guāng)強的大小決定于(yu)反射體🌏距光纖探(tàn)頭的🏒距離，當被測(ce)距離改變🚩時輸出(chū)光強也發生相應(ying)的變化，可以通過(guò)對輸出光強的檢(jian)測🔴得到渦輪葉片(pian)轉動的位置，如圖(tú)3所示。由于渦輪葉(ye)片周期性的㊙️轉動(dong)，光強的變化也是(shi)呈周期性💰的，基于(yú)此原理，這種光纖(xiān)傳感🤞器可以被用(yòng)于渦輪流量計上(shang)。
 
　　根據圖2的光纖探(tàn)頭結構，其輸出特(tè)性調制麗數的計(jì)算可以采用式(1)所(suo)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(kě)以得到雙圈同軸(zhou)🔆位移傳感器的輸(shu)出特性調制函數(shù)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(ji)需要，設計了相應(yīng)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(yu)被測渦輪表面距(jù)離400~1000μm的範圍之間，該(gāi)傳🔅感器具✏️有良好(hao)的線性關系，該範(fan)圍包含了測量流(liú)量的光纖探頭與(yǔ)被測渦輪💯葉片表(biǎo)面間的垂直距離(li)變化範圍。
 
3基于DSP的(de)智能光纖流量計(ji)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(neng)流量光纖測量系(xi)統的整體框架如(rú)🏃圖5所👄示。
 
　　随着葉片(piàn)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(yā)信号，經過信号放(fang)大、整形、濾波等硬(yìng)件處理電路後得(dé)到的信号還遠不(bu)能達到我們所需(xu)的“轉速🧑🏾‍🤝‍🧑🏼一頻率一(yī)流量”準确信息，爲(wei)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(ping)台對信号作進一(yi)步的軟件處理，并(bìng)實現流量信息的(de)顯示以🔱及與計算(suàn)機的通訊。在這裏(lǐ)，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(rao)的情況下對數據(jù)💚的精度高采集;同(tóng)👌時具有🌂32位的定點(diǎn)CPU，主頻可達150MHz,計算😄能(neng)力也滿足流量測(ce)量系統對數據處(chu)理的要求。
　　系統設(she)計時，考慮到光源(yuán)、光電轉換等部件(jiàn)對系統測量結果(guǒ)的影響，溫度變化(huà)對傳感器零位漂(piāo)移的影響，以及✊傳(chuán)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(huán)境特點，可以在傳(chuan)感器探頭加入準(zhǔn)直透鏡的方法用(yong)以提高傳感器的(de)抗噪能力和擴展(zhǎn)傳感器的線性測(cè)量範🍉圍。
3.2硬件系統(tong)設計
　　硬件電路主(zhǔ)要分爲兩部分，第(di)一部分是信号預(yu)處理部🌈分，第二部(bu)分是以DSP爲核心的(de)信号處理部分。信(xìn)✊号預處理💞部分♊分(fen)爲光電轉換模塊(kuài)、放大模塊、濾波模(mo)塊。而DSP部分除了包(bao)括其主要的幾個(ge)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(li)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(shōu)光纖接收的光強(qiáng)信🐅号轉換爲電壓(ya)信号。它在整個動(dòng)态檢測系統中☀️起(qi)着☎️極其重要的作(zuò)用，它的好壞和靈(líng)敏度将很大程度(dù).上影響着🏃‍♂️最終系(xì)統的測🔴量精度。本(ben)系統選用的光電(diàn)二極管是光🔴電二(èr)極管電流與照射(she)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(zǔ)抗💛放大器集💃和光(guāng)電二極管，這就消(xiāo)除了分開設計中(zhōng)經常出現的如漏(lou)電流誤差、噪聲交(jiao)叉幹擾以及雜散(sàn)電容引起的增益(yì)峰化等問題。
3.2.1.2放大(da)電路模塊
　　光電檢(jian)測系統中，經過OPT101光(guāng)電轉換後輸出的(de)電壓信.号較微弱(ruò)，必須通過放大處(chù)理。前置放大電路(lù)設計🈲的好💃🏻壞将直(zhí)接❓影響整個信号(hào)處理電路的性能(néng)。由于是微⁉️小信号(hào)的放大，所以本系(xì)統選👄用儀表運算(suan)放大器AD620。AD620是一款低(di)功耗、精度高🤩的運(yun)算放大器，具有高(gao)共模抑制👨‍❤️‍👨比、放大(da)頻帶寬、溫度穩定(ding)性好、使用簡單、噪(zào)聲低等特點，隻需(xu)要改變外部電阻(zu)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(que)放大。
3.2.1.3濾波電路模(mo)塊
　　濾波模塊是抑(yi)制和防止幹擾的(de)重要環節，其功能(neng)是使一👌-定頻率範(fàn)圍内的有用信号(hao)通過，使在該頻率(lǜ)範圍外🆚的信号衰(shuāi)減，從而提高系統(tong)的信噪比。在本系(xì)統中，光纖✨傳感器(qi)采集的信号主要(yao)幹擾成分是光電(diàn)二😍極管輸出的電(dian)壓和光源信号💞的(de)漂移、環境變化及(ji)電路等各種噪💯聲(sheng)信号。爲了避開噪(zao)聲高頻幹擾信号(hao)，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(zao)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(hao)處理部分
3.2.2.1DSP電源電(diàn)路
　　由于在信号預(yù)處理中用到的各(gè)個模拟電路的核(hé)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(lǐ)中用到DSP數字.電路(lù)的工作電壓爲3.3V和(he)1.8V,這裏選用SPX1117芯片将(jiāng)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(kǒu)引腳電壓采用3.3V，便(bian)于直接與外部低(dī)壓器件相連接。3.2.2.2A/D轉(zhuǎn)換電㊙️路在經過光(guang)電轉換、放大、濾波(bo)後的信号進入DSP芯(xin)片時，要先經過A/D轉(zhuan)換電路，把模拟信(xìn)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(chù)理，有的接(或有上(shang)拉電阻)高電平，有(you)的接(或有下拉電(diàn)阻)低電平。
3.2.2.4顯示電(dian)路
　　使用液晶屏顯(xian)示頻率或流量信(xìn)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(shi)指顯示的内容爲(wei)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(fu)和數字)。
3.2.2.5通信電路(lù)
　　爲了與計算機連(lián)接實現遠程操作(zuò)，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(yi)定的算法對信号(hào)❗加以處🧑🏽‍🤝‍🧑🏻.理，包括溫(wen)度補償算法、非線(xiàn)性校正算法和誤(wù)差修正算法等，這(zhe)些都可以寫人DSP中(zhong)通過運算實現。将(jiang)2812DSP與計算機中的CCS仿(páng)真環境相連接，通(tong)過仿真🎯器将相應(ying)的程序下載到DSP芯(xin)片中進行調試。圖(tu)6爲DSP中💃軟件設計流(liú)程圖。
 
4實驗與分析(xī)
　　本文使用一套光(guang)纖高速轉子試驗(yàn)台對搭建的軟硬(ying)件測試🌈系統進行(háng)了模拟實驗驗證(zheng)。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(zhou)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(zui)後将頻率信号顯(xian)示出來。在實驗室(shì)所搭建的試驗系(xi)統如圖7所示。
 
　　通過(guo)本文所設計的測(cè)試系統對渦輪轉(zhuan)動頻率的驗證🔆結(jié)🥰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(chà)記作e。
 
　　在5~300Hz的測量範(fàn)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(liú)量檢測系統有以(yi)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(qie)在測量和傳輸過(guò)程中不易受外界(jie)電磁幹擾;2)所選DSP2812及(jí)硬件處理部分可(ke)以實現對數📐據的(de)采集和處理的要(yào)求;3)傳感器測量過(guo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼程中産生的非線(xiàn)性等因素可通過(guo)軟件算法進行補(bǔ)償和校正，易于維(wei)護。通過實驗驗證(zheng)，本文所設計的光(guang)纖測㊙️量系統的測(ce)量誤差小于0.5%，具有(yǒu)較高的測量精度(du)和可靠性，爲光纖(xiān)渦輪流量計的樣(yàng)機制作提供了重(zhong)要依據。

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