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摘要:為了克服現(xiàn)有電磁式渦輪流量計的量程小，易受電磁干擾的缺點，設(shè)計了一種雙圈同軸式光纖的渦輪流量智能檢測系統(tǒng);該測試系統(tǒng)由三大模塊組成，雙圈同軸式的光纖傳感器作為信號拾取工具，硬件電路對信號進(jìn)行預(yù)處理，TMS320F2812DSP對信號進(jìn)一步軟件處理;經(jīng)過實驗驗證，該測試系統(tǒng)在5~300Hz的測量范圍內(nèi)，測量誤差小于0.5%;因此，該測試系統(tǒng)具有較高的測量精度和可靠性，這為光纖渦輪流量計的樣機(jī)制作提供了重要依據(jù)。
0引言
　　電磁式渦輪流量計在流體計量中應(yīng)用十分廣泛，但由于它量程小，對于流量范圍變化大的場合，就需要幾個不同口徑的流量計進(jìn)行切換配合測量。近年來，光纖傳感器以其靈敏度高，體積小，抗電磁干擾等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種測量技術(shù)中。使用光纖檢測渦輪轉(zhuǎn)速的方法不存在電磁式渦輪流量計的電磁阻力矩對渦輪的影響，從而可以擴(kuò)展流量測量范圍。這方面有一些研究但均未深人探析并將其應(yīng)用于工程實際中。文中均采用Y型光纖探頭結(jié)構(gòu)檢測信號，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系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，針對各個模塊分析了其技術(shù)參數(shù)。光纖傳感器探頭結(jié)構(gòu)采用雙圈同軸的型式，流量測量信號處理系統(tǒng)以DSP為核心，對硬件和軟件各模塊逐一分析設(shè)計，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可靠性，為光纖渦輪流量計的樣機(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，檢測端固定在--個鋁合金護(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，液體在帶動渦輪葉片旋轉(zhuǎn)過程中，激光照射在渦輪表面的不同位置，而不同位置所對應(yīng)與探頭之間的距離不同。顯然，對于圖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)動過程中，葉片頂端會對光纖發(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，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路后放大濾波產(chǎn)生電脈沖信號。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，可以通過測量渦輪的轉(zhuǎn)速來反映經(jīng)過管道的體積流量大小。信號經(jīng)過進(jìn)一步處理，結(jié)合液體的密度就可以得到被測液體的質(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、接收光纖以及探測器組成國。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數(shù)量級左右，為了提高測量的信噪比，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等敏感因素對測量的影響[5]，從而能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的測量。
 
　　光源LED發(fā)出的光，通過入射光纖傳輸?shù)酱郎y物體的表面，經(jīng)過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)被測距離改變時輸出光強(qiáng)也發(fā)生相應(yīng)的變化，可以通過對輸出光強(qiáng)的檢測得到渦輪葉片轉(zhuǎn)動的位置，如圖3所示。由于渦輪葉片周期性的轉(zhuǎn)動，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)只與被測距離z有關(guān)口，
 
　　根據(jù)式(2)和本測試系統(tǒng)的實際需要，設(shè)計了相應(yīng)的尺寸參數(shù)的光纖探頭。對所設(shè)計的光纖探頭進(jìn)行仿真，如圖4所示。可以看出，在探頭與被測渦輪表面距離400~1000μm的范圍之間，該傳感器具有良好的線性關(guān)系，該范圍包含了測量流量的光纖探頭與被測渦輪葉片表面間的垂直距離變化范圍。
 
3基于DSP的智能光纖流量計信號處理系統(tǒng)
3.1總體處理方案框圖
　　本文設(shè)計的智能流量光纖測量系統(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，光信號在經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器后被轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過信號放大、整形、濾波等硬件處理電路后得到的信號還遠(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)，計算精度高的DSP作為信號處理平臺對信號作進(jìn)一步的軟件處理，并實現(xiàn)流量信息的顯示以及與計算機(jī)的通訊。在這里，我們選取TI公司的TMS320F2812型號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數(shù)據(jù)的精度高采集;同時具有32位的定點CPU，主頻可達(dá)150MHz,計算能力也滿足流量測量系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的要求。
　　系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到光源、光電轉(zhuǎn)換等部件對系統(tǒng)測量結(jié)果的影響，溫度變化對傳感器零位漂移的影響，以及傳感器光強(qiáng)調(diào)制過程存在非線性，應(yīng)加人溫度補(bǔ)償和非線性校正算法以及誤差修正。另外，針對工程應(yīng)用中傳感器工作環(huán)境特點，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)展傳感器的線性測量范圍。
3.2硬件系統(tǒng)設(shè)計
　　硬件電路主要分為兩部分，第一部分是信號預(yù)處理部分，第二部分是以DSP為核心的信號處理部分。信號預(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電路模塊外，還包含對信號的軟件處理。
3.2.1信號預(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)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。它在整個動態(tài)檢測系統(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性增加。OPT101芯片在一個單片，上集成了互跨阻抗放大器集和光電二極管，這就消除了分開設(shè)計中經(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題。
3.2.1.2放大電路模塊
　　光電檢測系統(tǒng)中，經(jīng)過OPT101光電轉(zhuǎn)換后輸出的電壓信.號較微弱，必須通過放大處理。前置放大電路設(shè)計的好壞將直接影響整個信號處理電路的性能。由于是微小信號的放大，所以本系統(tǒng)選用儀表運算放大器AD620。AD620是一款低功耗、精度高的運算放大器，具有高共模抑制比、放大頻帶寬、溫度穩(wěn)定性好、使用簡單、噪聲低等特點，只需要改變外部電阻的阻值就可以實現(xiàn)從1到1000倍的放大，因此適合用于對微弱信號的正確放大。
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)的有用信號通過，使在該頻率范圍外的信號衰減，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主要干擾成分是光電二極管輸出的電壓和光源信號的漂移、環(huán)境變化及電路等各種噪聲信號。為了避開噪聲高頻干擾信號，濾波電路采用--級陡度系數(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信號處理部分
3.2.2.1DSP電源電路
　　由于在信號預(yù)處理中用到的各個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)過光電轉(zhuǎn)換、放大、濾波后的信號進(jìn)入DSP芯片時，要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由DSP做進(jìn)一步的信號處理。
3.2.2.3DSP核心電路及時鐘電路
　　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，可以方便觀察實驗結(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
　　為了與計算機(jī)連接實現(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
　　為了實現(xiàn)精度高測量，還需采用一定的算法對信號加以處.理，包括溫度補(bǔ)償算法、非線性校正算法和誤差修正算法等，這些都可以寫人DSP中通過運算實現(xiàn)。將2812DSP與計算機(jī)中的CCS仿真環(huán)境相連接，通過仿真器將相應(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)計流程圖。
 
4實驗與分析
　　本文使用一套光纖高速轉(zhuǎn)子試驗臺對搭建的軟硬件測試系統(tǒng)進(jìn)行了模擬實驗驗證。該轉(zhuǎn)子試驗臺的渦輪轉(zhuǎn)子由可調(diào)轉(zhuǎn)速的電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)，渦輪正上方安裝有雙圈同軸式光纖傳感器，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過所設(shè)計的硬件預(yù)處理電路后，傳人DSP進(jìn)行程序運算處理，最后將頻率信號顯示出來。在實驗室所搭建的試驗系統(tǒng)如圖7所示。
 
　　通過本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)對渦輪轉(zhuǎn)動頻率的驗證結(jié)果如表1所示。渦輪頻率記作ƒ0(Hz)，測量頻率記作ƒ1(Hz),絕對誤差記作e。
 
　　在5~300Hz的測量范圍內(nèi)，最大誤差為1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可見所設(shè)計的測試系統(tǒng)測量精度較高。
5結(jié)論
　　本文所設(shè)計的雙圈同軸式光纖智能流量檢測系統(tǒng)有以下特點:1)本文選用的雙圈同軸式多模光纖對光信號的辨識度高，并且在測量和傳輸過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現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和處理的要求;3)傳感器測量過程中產(chǎn)生的非線性等因素可通過軟件算法進(jìn)行補(bǔ)償和校正，易于維護(hù)。通過實驗驗證，本文所設(shè)計的光纖測量系統(tǒng)的測量誤差小于0.5%，具有較高的測量精度和可靠性，為光纖渦輪流量計的樣機(jī)制作提供了重要依據(jù)。

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