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摘要:為了克服現(xiàn)有電磁式渦輪流量計(jì)的量程小，易受電磁干擾的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種雙圈同軸式光纖的渦輪流量智能檢測(cè)系統(tǒng);該測(cè)試系統(tǒng)由三大模塊組成，雙圈同軸式的光纖傳感器作為信號(hào)拾取工具，硬件電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，TMS320F2812DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)一步軟件處理;經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)試系統(tǒng)在5~300Hz的測(cè)量范圍內(nèi)，測(cè)量誤差小于0.5%;因此，該測(cè)試系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和可靠性，這為光纖渦輪流量計(jì)的樣機(jī)制作提供了重要依據(jù)。
0引言
　　電磁式渦輪流量計(jì)在流體計(jì)量中應(yīng)用十分廣泛，但由于它量程小，對(duì)于流量范圍變化大的場(chǎng)合，就需要幾個(gè)不同口徑的流量計(jì)進(jìn)行切換配合測(cè)量。近年來(lái)，光纖傳感器以其靈敏度高，體積小，抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量技術(shù)中。使用光纖檢測(cè)渦輪轉(zhuǎn)速的方法不存在電磁式渦輪流量計(jì)的電磁阻力矩對(duì)渦輪的影響，從而可以擴(kuò)展流量測(cè)量范圍。這方面有一些研究但均未深人探析并將其應(yīng)用于工程實(shí)際中。文中均采用Y型光纖探頭結(jié)構(gòu)檢測(cè)信號(hào)，但這種結(jié)構(gòu)易受其他光波和光強(qiáng)等因素的影響;
　　因此，本文就光纖渦輪流量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，針對(duì)各個(gè)模塊分析了其技術(shù)參數(shù)。光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)采用雙圈同軸的型式，流量測(cè)量信號(hào)處理系統(tǒng)以DSP為核心，對(duì)硬件和軟件各模塊逐一分析設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，為光纖渦輪流量計(jì)的樣機(jī)制作提供了一種重要依據(jù)。
1光纖渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)
　　光纖渦輪流量傳感器的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙圈同軸光纖探頭使用多模玻璃光纖，由一組發(fā)射光纖和兩組接收光纖組成，檢測(cè)端固定在--個(gè)鋁合金護(hù)套內(nèi)可替代電磁式傳感器安裝在渦輪流量計(jì)上。其工作原理為:發(fā)射光纖將光人射到葉片端面上，液體在帶動(dòng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，激光照射在渦輪表面的不同位置，而不同位置所對(duì)應(yīng)與探頭之間的距離不同。顯然，對(duì)于圖1的安裝結(jié)構(gòu)，葉片頂端與探頭的距離最小，則激光反射到雙罔同軸光纖探頭的接收光纖的光強(qiáng)也較其他位置強(qiáng)。那么，在葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，葉片頂端會(huì)對(duì)光纖發(fā)射的激光產(chǎn)生周期性的反射，接收光纖接收到反射的光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路后放大濾波產(chǎn)生電脈沖信號(hào)。其頻率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比，研究表明，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與液體流速成正比例關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)量渦輪的轉(zhuǎn)速來(lái)反映經(jīng)過(guò)管道的體積流量大小。信號(hào)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，結(jié)合液體的密度就可以得到被測(cè)液體的質(zhì)量流量。
 
2雙圈同軸式光纖傳感器.
　　本文所采用的雙圈同軸式光纖傳感器是強(qiáng)度調(diào)制型反射式光纖。反射式光強(qiáng)調(diào)制傳感器是由光源、人射光纖、接收光纖以及探測(cè)器組成國(guó)。具體結(jié)構(gòu)是在同軸式光纖(中心為人射光纖，接收光纖同軸排列)的基礎(chǔ)上同軸增加一圈用于補(bǔ)償?shù)慕邮展饫w。雙圈同軸式光纖傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。共19根光纖，中間1根光纖為入射光纖，內(nèi)圈為6根光纖作為第一組接收光纖，外圈有12根光纖作為第二組接收光纖。由于使用多模光纖其接收到的最大光強(qiáng)要比采用單模光纖高一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，為了提高測(cè)量的信噪比，本系統(tǒng)采用多模光纖的光纖傳感器。采用這種光纖束結(jié)構(gòu)的益處是它利用比值法消除了光源功率波動(dòng)等敏感因素對(duì)測(cè)量的影響[5]，從而能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的測(cè)量。
 
　　光源LED發(fā)出的光，通過(guò)入射光纖傳輸?shù)酱郎y(cè)物體的表面，經(jīng)過(guò)反射后由接收光纖接收送至光電轉(zhuǎn)換器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。接收光強(qiáng)的大小決定于反射體距光纖探頭的距離，當(dāng)被測(cè)距離改變時(shí)輸出光強(qiáng)也發(fā)生相應(yīng)的變化，可以通過(guò)對(duì)輸出光強(qiáng)的檢測(cè)得到渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的位置，如圖3所示。由于渦輪葉片周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)，光強(qiáng)的變化也是呈周期性的，基于此原理，這種光纖傳感器可以被用于渦輪流量計(jì)上。
 
　　根據(jù)圖2的光纖探頭結(jié)構(gòu)，其輸出特性調(diào)制麗數(shù)的計(jì)算可以采用式(1)所示的方法，再結(jié)合大芯徑多模光纖的出射光纖端出射光強(qiáng)的分布6]，可以得到雙圈同軸位移傳感器的輸出特性調(diào)制函數(shù)為式(2)。在探頭參數(shù)確定的情況下，傳感器的調(diào)制特性M(z)只與被測(cè)距離z有關(guān)口，
 
　　根據(jù)式(2)和本測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的尺寸參數(shù)的光纖探頭。對(duì)所設(shè)計(jì)的光纖探頭進(jìn)行仿真，如圖4所示。可以看出，在探頭與被測(cè)渦輪表面距離400~1000μm的范圍之間，該傳感器具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，該范圍包含了測(cè)量流量的光纖探頭與被測(cè)渦輪葉片表面間的垂直距離變化范圍。
 
3基于DSP的智能光纖流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng)
3.1總體處理方案框圖
　　本文設(shè)計(jì)的智能流量光纖測(cè)量系統(tǒng)的整體框架如圖5所示。
 
　　隨著葉片旋轉(zhuǎn)，光纖渦輪流量傳感器拾取到呈周期性變化的光信號(hào)，光信號(hào)在經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換器后被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、整形、濾波等硬件處理電路后得到的信號(hào)還遠(yuǎn)不能達(dá)到我們所需的“轉(zhuǎn)速一頻率一流量”準(zhǔn)確信息，為提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，本系統(tǒng)將采用處理能力強(qiáng)，計(jì)算精度高的DSP作為信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步的軟件處理，并實(shí)現(xiàn)流量信息的顯示以及與計(jì)算機(jī)的通訊。在這里，我們選取TI公司的TMS320F2812型號(hào)DSP芯片。DSP2812的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換為12位，可保證在存在硬件干擾的情況下對(duì)數(shù)據(jù)的精度高采集;同時(shí)具有32位的定點(diǎn)CPU，主頻可達(dá)150MHz,計(jì)算能力也滿(mǎn)足流量測(cè)量系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求。
　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到光源、光電轉(zhuǎn)換等部件對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響，溫度變化對(duì)傳感器零位漂移的影響，以及傳感器光強(qiáng)調(diào)制過(guò)程存在非線(xiàn)性，應(yīng)加人溫度補(bǔ)償和非線(xiàn)性校正算法以及誤差修正。另外，針對(duì)工程應(yīng)用中傳感器工作環(huán)境特點(diǎn)，可以在傳感器探頭加入準(zhǔn)直透鏡的方法用以提高傳感器的抗噪能力和擴(kuò)展傳感器的線(xiàn)性測(cè)量范圍。
3.2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　硬件電路主要分為兩部分，第一部分是信號(hào)預(yù)處理部分，第二部分是以DSP為核心的信號(hào)處理部分。信號(hào)預(yù)處理部分分為光電轉(zhuǎn)換模塊、放大模塊、濾波模塊。而DSP部分除了包括其主要的幾個(gè)電路模塊外，還包含對(duì)信號(hào)的軟件處理。
3.2.1信號(hào)預(yù)處理部分
3.2.1.1光電轉(zhuǎn)換模塊
　　光電轉(zhuǎn)換模塊的功能是將接收光纖接收的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。它在整個(gè)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)中起著極其重要的作用，它的好壞和靈敏度將很大程度.上影響著最終系統(tǒng)的測(cè)量精度。本系統(tǒng)選用的光電二極管是光電二極管電流與照射在其上的光強(qiáng)成正比，隨著光強(qiáng)的增加OPT101的輸出電壓近似的線(xiàn)性增加。OPT101芯片在一個(gè)單片，上集成了互跨阻抗放大器集和光電二極管，這就消除了分開(kāi)設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的如漏電流誤差、噪聲交叉干擾以及雜散電容引起的增益峰化等問(wèn)題。
3.2.1.2放大電路模塊
　　光電檢測(cè)系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)OPT101光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信.號(hào)較微弱，必須通過(guò)放大處理。前置放大電路設(shè)計(jì)的好壞將直接影響整個(gè)信號(hào)處理電路的性能。由于是微小信號(hào)的放大，所以本系統(tǒng)選用儀表運(yùn)算放大器AD620。AD620是一款低功耗、精度高的運(yùn)算放大器，具有高共模抑制比、放大頻帶寬、溫度穩(wěn)定性好、使用簡(jiǎn)單、噪聲低等特點(diǎn)，只需要改變外部電阻的阻值就可以實(shí)現(xiàn)從1到1000倍的放大，因此適合用于對(duì)微弱信號(hào)的正確放大。
3.2.1.3濾波電路模塊
　　濾波模塊是抑制和防止干擾的重要環(huán)節(jié)，其功能是使一-定頻率范圍內(nèi)的有用信號(hào)通過(guò)，使在該頻率范圍外的信號(hào)衰減，從而提高系統(tǒng)的信噪比。在本系統(tǒng)中，光纖傳感器采集的信號(hào)主要干擾成分是光電二極管輸出的電壓和光源信號(hào)的漂移、環(huán)境變化及電路等各種噪聲信號(hào)。為了避開(kāi)噪聲高頻干擾信號(hào)，濾波電路采用--級(jí)陡度系數(shù)較大的有源二階低通濾波器，它可以使噪聲得到較快、較大的衰減，基本濾除疊加在光電轉(zhuǎn)換后電壓信號(hào)上的噪聲和不必要的頻率分量，提高系統(tǒng)的信噪比。
3.2.2DSP信號(hào)處理部分
3.2.2.1DSP電源電路
　　由于在信號(hào)預(yù)處理中用到的各個(gè)模擬電路的核心芯片都是±5V供電，所以需要將模擬電源的5V轉(zhuǎn)化為一5V,這里采用TI公司的LMC7660芯片;而信號(hào)處理中用到DSP數(shù)字.電路的工作電壓為3.3V和1.8V,這里選用SPX1117芯片將5V電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中，內(nèi)部邏輯供電電壓為1.8V,外部接口引腳電壓采用3.3V，便于直接與外部低壓器件相連接。3.2.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路在經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波后的信號(hào)進(jìn)入DSP芯片時(shí)，要先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由DSP做進(jìn)一步的信號(hào)處理。
3.2.2.3DSP核心電路及時(shí)鐘電路
　　DSP的各管腳有相應(yīng)處理，有的接(或有上拉電阻)高電平，有的接(或有下拉電阻)低電平。
3.2.2.4顯示電路
　　使用液晶屏顯示頻率或流量信息，可以方便觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本系統(tǒng)選用1602LCD芯片顯示，1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行有16個(gè)字符液晶模塊(顯示字符和數(shù)字)。
3.2.2.5通信電路
　　為了與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，可以采用RS232接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。
3.3DSP的軟件系統(tǒng)分析
　　為了實(shí)現(xiàn)精度高測(cè)量，還需采用一定的算法對(duì)信號(hào)加以處.理，包括溫度補(bǔ)償算法、非線(xiàn)性校正算法和誤差修正算法等，這些都可以寫(xiě)人DSP中通過(guò)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。將2812DSP與計(jì)算機(jī)中的CCS仿真環(huán)境相連接，通過(guò)仿真器將相應(yīng)的程序下載到DSP芯片中進(jìn)行調(diào)試。圖6為DSP中軟件設(shè)計(jì)流程圖。
 
4實(shí)驗(yàn)與分析
　　本文使用一套光纖高速轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)對(duì)搭建的軟硬件測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的渦輪轉(zhuǎn)子由可調(diào)轉(zhuǎn)速的電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，渦輪正上方安裝有雙圈同軸式光纖傳感器，轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)所設(shè)計(jì)的硬件預(yù)處理電路后，傳人DSP進(jìn)行程序運(yùn)算處理，最后將頻率信號(hào)顯示出來(lái)。在實(shí)驗(yàn)室所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。
 
　　通過(guò)本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。渦輪頻率記作ƒ0(Hz)，測(cè)量頻率記作ƒ1(Hz),絕對(duì)誤差記作e。
 
　　在5~300Hz的測(cè)量范圍內(nèi)，最大誤差為1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量精度較高。
5結(jié)論
　　本文所設(shè)計(jì)的雙圈同軸式光纖智能流量檢測(cè)系統(tǒng)有以下特點(diǎn):1)本文選用的雙圈同軸式多模光纖對(duì)光信號(hào)的辨識(shí)度高，并且在測(cè)量和傳輸過(guò)程中不易受外界電磁干擾;2)所選DSP2812及硬件處理部分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和處理的要求;3)傳感器測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的非線(xiàn)性等因素可通過(guò)軟件算法進(jìn)行補(bǔ)償和校正，易于維護(hù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文所設(shè)計(jì)的光纖測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差小于0.5%，具有較高的測(cè)量精度和可靠性，為光纖渦輪流量計(jì)的樣機(jī)制作提供了重要依據(jù)。

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