摘(zhāi)要:爲了克服(fú)現有電(diàn)磁式(shì)渦輪(lún)流量(liàng)計 的量程小，易(yì)受(shòu)電磁(cí)幹擾的(de)缺點，設計(jì)了一(yī)種雙(shuāng)圈同軸式光纖(xiān)的渦輪流量智能檢(jiǎn)測系(xì)統;該測試系統(tǒng)由三大(dà)模(mó)塊組成，雙圈同軸式(shì)的光纖傳感器(qì)作爲(wèi)信号拾取(qǔ)工具，硬(yìng)件(jiàn)電路(lù)對信号進行預(yù)處理，tms320f2812dsp對信(xìn)号進一步(bù)軟件處理(lǐ);經過實(shí)驗驗證(zhèng)，該測(cè)試系統在(zài)5~300hz的測量(liàng)範圍内，測量(liàng)誤(wù)差(chà)小于(yú)0.5%;因此，該(gāi)測(cè)試系(xì)統具有較高的(de)測量精度(dù)和可(kě)靠性，這爲光纖(xiān)渦輪流量計的樣機(jī)制(zhì)作提供了重(zhòng)要依(yī)據。
0引(yǐn)言
　　電磁式渦輪(lún)流量計(jì)在流體(tǐ)計量(liàng)中應(yīng)用十(shí)分廣泛(fàn)，但由于(yú)它量(liàng)程小，對于(yú)流量範圍變化(huà)大的場合，就需(xū)要幾個不同口(kǒu)徑的流(liú)量計進(jìn)行切(qiē)換配(pèi)合測(cè)量。近年來(lái)，光纖(xiān)傳感器以其靈敏度(dù)高，體積小，抗電磁幹擾等(děng)優點(diǎn)被廣泛應(yīng)用(yòng)于(yú)各種測量(liàng)技術中。使用光(guāng)纖檢測渦(wō)輪轉(zhuǎn)速的方法不存(cún)在電磁式渦輪(lún)流量計的電磁(cí)阻力矩對渦(wō)輪的影(yǐng)響，從而可(kě)以擴展流(liú)量測(cè)量範(fàn)圍。這方面有一些研究但(dàn)均未深人探(tàn)析并将其應用于(yú)工程(chéng)實(shí)際中。文(wén)中均(jun1)采用y型光纖探頭結構檢(jiǎn)測信号，但這(zhè)種結構易受其他(tā)光波和光強等(děng)因素的影響;
　　因(yīn)此，本文就(jiù)光纖(xiān)渦輪流(liú)量檢測(cè)系統進行了詳細的設(shè)計，針對(duì)各個模(mó)塊(kuài)分析了其技術參數(shù)。光纖傳感(gǎn)器探(tàn)頭結構采(cǎi)用雙(shuāng)圈同(tóng)軸的型式(shì)，流量(liàng)測量信号(hào)處理系統以dsp爲(wèi)核心(xīn)，對(duì)硬件(jiàn)和(hé)軟件各模(mó)塊逐一分(fèn)析設計，并(bìng)通過(guò)實驗驗證了該系統的可(kě)靠性(xìng)，爲光纖渦(wō)輪流量計的樣(yàng)機制(zhì)作(zuò)提供了一種重要依據(jù)。
1光纖渦輪(lún)流量(liàng)傳感器的(de)結(jié)構(gòu)
　　光纖渦(wō)輪(lún)流量(liàng)傳感(gǎn)器的簡要結構如圖(tú)1所示。雙圈同軸光纖(xiān)探頭使用多模玻璃光纖(xiān)，由一組發射(shè)光(guāng)纖和(hé)兩組接收光纖組成，檢測端固(gù)定在(zài)--個鋁合金(jīn)護套内(nèi)可(kě)替代電磁式(shì)傳(chuán)感器安裝在渦(wō)輪流(liú)量計上。其工作(zuò)原理(lǐ)爲:發(fā)射(shè)光纖将光人(rén)射到(dào)葉片端面上，液(yè)體在帶動(dòng)渦輪(lún)葉片旋(xuán)轉過程(chéng)中，激(jī)光照(zhào)射在(zài)渦輪(lún)表面(miàn)的不(bú)同位置(zhì)，而不同(tóng)位置(zhì)所(suǒ)對(duì)應與探頭(tóu)之(zhī)間的距(jù)離不同。顯然，對(duì)于圖1的(de)安裝結(jié)構，葉片頂(dǐng)端與探頭的(de)距離最(zuì)小，則激(jī)光反射(shè)到雙罔同軸光(guāng)纖探頭的(de)接收(shōu)光纖(xiān)的光強也(yě)較其他位置強(qiáng)。那麽(me)，在葉片轉(zhuǎn)動過程中，葉片(piàn)頂端會對光纖發射(shè)的(de)激(jī)光産(chǎn)生周期性的反(fǎn)射，接收光纖接(jiē)收到(dào)反射(shè)的光(guāng)強信号(hào)，經(jīng)光電(diàn)轉換(huàn)電(diàn)路後放(fàng)大濾(lǜ)波産(chǎn)生電脈沖信号。其頻(pín)率與渦輪的轉(zhuǎn)速成正比(bǐ)，研究表明，渦輪(lún)的旋(xuán)轉角(jiǎo)速度與液(yè)體(tǐ)流(liú)速成正比例關(guān)系，可以通(tōng)過測量(liàng)渦(wō)輪的轉速來反(fǎn)映經過管道(dào)的(de)體積流量大小。信号(hào)經過進一步(bù)處理，結合液體的(de)密度就可以得(dé)到被測(cè)液體的(de)質量(liàng)流(liú)量。
 
2雙圈(quān)同軸式光纖傳(chuán)感器.
　　本文(wén)所采用的(de)雙圈同軸式光纖傳感器是強(qiáng)度調(diào)制型(xíng)反射式光纖。反(fǎn)射式(shì)光強調制(zhì)傳感器(qì)是由光源、人(rén)射光(guāng)纖、接(jiē)收光纖以及探(tàn)測器(qì)組成國。具(jù)體結構是(shì)在同(tóng)軸式光纖(中心(xīn)爲人射光纖，接收光纖同軸排(pái)列)的基礎上(shàng)同(tóng)軸增加一(yī)圈用(yòng)于補償(cháng)的(de)接收光纖(xiān)。雙圈同軸(zhóu)式光纖傳感器(qì)的整體(tǐ)結(jié)構如(rú)圖2所示(shì)。共(gòng)19根光纖，中(zhōng)間(jiān)1根光纖(xiān)爲入射光(guāng)纖，内(nèi)圈爲6根光纖作(zuò)爲第一組接收光纖，外圈(quān)有12根(gēn)光纖(xiān)作爲(wèi)第二(èr)組接收(shōu)光纖。由(yóu)于(yú)使用多(duō)模光(guāng)纖其接收到的(de)最大光強要比(bǐ)采用單模光纖(xiān)高一個(gè)數(shù)量級左右(yòu)，爲(wèi)了提高(gāo)測量(liàng)的信噪(zào)比，本系統采用多(duō)模光纖(xiān)的(de)光纖傳感器。采用這(zhè)種光纖束(shù)結構(gòu)的益(yì)處是它利(lì)用比(bǐ)值法消除了光(guāng)源功率波(bō)動等(děng)敏感因素(sù)對測量的影響(xiǎng)[5]，從而能夠實現(xiàn)傳感器(qì)的測量(liàng)。
 
　　光源led發(fā)出的光(guāng)，通過(guò)入射光纖傳(chuán)輸到待測物(wù)體的(de)表面，經過(guò)反射後由接收光纖(xiān)接(jiē)收送至光電(diàn)轉換器進(jìn)行光(guāng)電轉換。接(jiē)收光強的(de)大小(xiǎo)決定于反(fǎn)射體(tǐ)距光纖(xiān)探頭的(de)距離(lí)，當被測距離改(gǎi)變時(shí)輸出光強(qiáng)也發生相應的變化，可以(yǐ)通過對(duì)輸出光(guāng)強的(de)檢測得到渦輪(lún)葉片轉動(dòng)的位置，如圖(tú)3所示。由(yóu)于(yú)渦輪葉(yè)片周期(qī)性的轉動，光(guāng)強的變化(huà)也是呈周(zhōu)期性的，基于(yú)此原理(lǐ)，這種(zhǒng)光纖(xiān)傳感(gǎn)器可以被用于渦輪流量計上。
 
　　根據(jù)圖2的光纖(xiān)探頭結構，其輸出特(tè)性調制麗(lì)數的(de)計算可以(yǐ)采用式(shì)(1)所示的(de)方法(fǎ)，再(zài)結合大芯徑多模(mó)光纖(xiān)的出射光(guāng)纖端出射光(guāng)強(qiáng)的分(fèn)布6]，可(kě)以(yǐ)得(dé)到雙(shuāng)圈同軸位移傳(chuán)感器的(de)輸(shū)出特(tè)性調制函數爲(wèi)式(2)。在探頭參數确定的(de)情況下(xià)，傳感(gǎn)器的(de)調制特性(xìng)m(z)隻與被測(cè)距離z有(yǒu)關口，
 
　　根(gēn)據式(2)和本測試(shì)系統(tǒng)的(de)實際需要，設計了相應(yīng)的尺寸參數的(de)光纖探頭(tóu)。對所(suǒ)設計的(de)光(guāng)纖探頭進(jìn)行(háng)仿真，如(rú)圖4所示。可以看出，在探頭(tóu)與(yǔ)被(bèi)測渦輪表(biǎo)面距離400~1000μm的(de)範(fàn)圍之間(jiān)，該傳感器(qì)具有(yǒu)良好(hǎo)的線性關(guān)系，該範圍(wéi)包含了測量流量的(de)光纖探頭與被(bèi)測渦輪葉片表(biǎo)面間的垂直距離變化範圍。
 
3基(jī)于dsp的智能(néng)光纖流量計(jì)信号處(chù)理系統
3.1總體處(chù)理方案(àn)框圖
　　本(běn)文設(shè)計(jì)的(de)智(zhì)能(néng)流量光(guāng)纖測量(liàng)系統的整體框架如(rú)圖5所(suǒ)示。
 
　　随(suí)着葉片(piàn)旋轉，光(guāng)纖渦(wō)輪流(liú)量傳(chuán)感器拾(shí)取(qǔ)到呈周期(qī)性(xìng)變化的(de)光信(xìn)号，光信号(hào)在經過光電轉(zhuǎn)換器後(hòu)被(bèi)轉換爲電(diàn)壓信(xìn)号，經(jīng)過信(xìn)号放(fàng)大、整形、濾(lǜ)波(bō)等硬件(jiàn)處理電路後得(dé)到的信号還遠(yuǎn)不能達到我們所需的“轉速一(yī)頻率一流(liú)量”準(zhǔn)确信息，爲提高(gāo)系統(tǒng)的精(jīng)度和(hé)穩定性(xìng)，本系統(tǒng)将采用(yòng)處(chù)理能力強(qiáng)，計算精度(dù)高(gāo)的dsp作爲(wèi)信号(hào)處理平台對信(xìn)号作進一步的(de)軟件處(chù)理(lǐ)，并實(shí)現流(liú)量(liàng)信息的顯(xiǎn)示以及與計(jì)算機(jī)的通(tōng)訊(xùn)。在這裏(lǐ)，我(wǒ)們(men)選取(qǔ)ti公司的tms320f2812型号dsp芯(xīn)片。dsp2812的(de)内置a/d轉換(huàn)爲(wèi)12位，可保(bǎo)證在(zài)存在硬件幹擾(rǎo)的情況下對數(shù)據的(de)精(jīng)度高采集;同時(shí)具有32位(wèi)的定(dìng)點cpu，主(zhǔ)頻可(kě)達150mhz,計算能力也滿足流量(liàng)測量(liàng)系統對數(shù)據處(chù)理的(de)要求。
　　系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到(dào)光源、光(guāng)電轉換(huàn)等部件(jiàn)對系統測量結(jié)果的影(yǐng)響，溫度變化對傳感(gǎn)器零位漂(piāo)移的影響，以及傳感(gǎn)器光(guāng)強調(diào)制過程(chéng)存在非線性(xìng)，應加人溫(wēn)度補償和非線(xiàn)性校正算法以(yǐ)及誤差(chà)修(xiū)正。另(lìng)外，針(zhēn)對(duì)工程應用中(zhōng)傳感(gǎn)器工(gōng)作環境特點，可(kě)以在傳(chuán)感器探頭加(jiā)入準(zhǔn)直透(tòu)鏡的方法用以提高傳感器的(de)抗噪能力(lì)和擴(kuò)展傳感器的線性測量範圍。
3.2硬(yìng)件系統設(shè)計
　　硬(yìng)件電(diàn)路主(zhǔ)要分(fèn)爲兩(liǎng)部分，第一(yī)部分是(shì)信号預處理部(bù)分，第二(èr)部分是以dsp爲核心的信(xìn)号處理部分。信(xìn)号預處(chù)理部分分爲光(guāng)電轉換模(mó)塊、放大模塊、濾波模塊。而(ér)dsp部分(fèn)除了(le)包括其主要的(de)幾個電路(lù)模塊(kuài)外，還(hái)包含對信(xìn)号的(de)軟(ruǎn)件(jiàn)處理。
3.2.1信号(hào)預處理部分
3.2.1.1光電(diàn)轉(zhuǎn)換模(mó)塊
　　光(guāng)電轉換模(mó)塊的功能(néng)是将(jiāng)接收光纖接收的光(guāng)強(qiáng)信(xìn)号轉換爲電壓信号(hào)。它在(zài)整個動态(tài)檢測系統中起(qǐ)着極其(qí)重要的作用(yòng)，它的好壞和靈敏度将很(hěn)大程度.上(shàng)影(yǐng)響着最終系統的(de)測量(liàng)精(jīng)度。本系(xì)統選(xuǎn)用的光電(diàn)二極管是光電(diàn)二極管電流與照射在(zài)其(qí)上的(de)光強成(chéng)正比，随着光(guāng)強的增加(jiā)opt101的輸出電壓近(jìn)似的線性增加(jiā)。opt101芯片在一(yī)個單片，上(shàng)集成了互(hù)跨阻(zǔ)抗放(fàng)大器集和光電二極(jí)管，這就消(xiāo)除了(le)分開(kāi)設計中經(jīng)常出(chū)現的如漏(lòu)電流(liú)誤(wù)差、噪聲(shēng)交叉幹擾(rǎo)以及(jí)雜散(sàn)電(diàn)容引起(qǐ)的增益(yì)峰化等(děng)問題(tí)。
3.2.1.2放大電路(lù)模塊
　　光電檢測(cè)系統中，經過opt101光(guāng)電轉換後輸出(chū)的電(diàn)壓信.号較(jiào)微弱，必(bì)須通過(guò)放大(dà)處理。前置(zhì)放大電路(lù)設計的好壞将直(zhí)接影響整個信号(hào)處理(lǐ)電(diàn)路的性(xìng)能。由于是微小(xiǎo)信号的放大，所(suǒ)以本(běn)系統選用(yòng)儀表運算放大(dà)器ad620。ad620是一款低功(gōng)耗、精度高的運(yùn)算放大(dà)器，具有(yǒu)高共模(mó)抑制比(bǐ)、放大頻帶(dài)寬、溫度穩定性好、使(shǐ)用簡(jiǎn)單、噪聲低(dī)等特(tè)點(diǎn)，隻需要(yào)改變外部電阻(zǔ)的阻值就(jiù)可以(yǐ)實現從(cóng)1到(dào)1000倍的(de)放大(dà)，因此适合(hé)用于對微弱信(xìn)号的正(zhèng)确放大(dà)。
3.2.1.3濾波電路(lù)模塊(kuài)
　　濾波(bō)模塊是抑(yì)制和(hé)防止幹擾(rǎo)的重要(yào)環節，其(qí)功能是使一-定(dìng)頻率(lǜ)範圍(wéi)内的有用信号(hào)通過，使在(zài)該(gāi)頻(pín)率範(fàn)圍外的信号衰(shuāi)減，從而提高系(xì)統的(de)信噪(zào)比。在本系統(tǒng)中，光纖(xiān)傳感器采(cǎi)集的信号主要幹擾(rǎo)成分是光電(diàn)二(èr)極管輸(shū)出(chū)的電(diàn)壓和光源(yuán)信号(hào)的漂(piāo)移、環境變(biàn)化及(jí)電(diàn)路等各(gè)種噪聲(shēng)信号。爲(wèi)了避(bì)開噪聲高(gāo)頻幹擾信(xìn)号，濾(lǜ)波電路(lù)采用--級(jí)陡度(dù)系(xì)數較大(dà)的有源二階低(dī)通濾波器，它可(kě)以使噪聲得到(dào)較快、較大的衰(shuāi)減(jiǎn)，基本濾(lǜ)除疊加在光電轉換(huàn)後電壓信(xìn)号上(shàng)的噪聲和不必(bì)要的頻率(lǜ)分量(liàng)，提高(gāo)系統的信(xìn)噪比。
3.2.2dsp信(xìn)号(hào)處(chù)理(lǐ)部分(fèn)
3.2.2.1dsp電源電路(lù)
　　由于在信(xìn)号預(yù)處理(lǐ)中(zhōng)用(yòng)到的(de)各個(gè)模拟電路(lù)的核(hé)心芯(xīn)片都是±5v供電(diàn)，所以需(xū)要将模拟電源(yuán)的5v轉(zhuǎn)化爲一5v,這(zhè)裏采用ti公(gōng)司的(de)lmc7660芯片;而信(xìn)号處(chù)理中用到dsp數字(zì).電路的工作電(diàn)壓爲(wèi)3.3v和1.8v,這裏選(xuǎn)用spx1117芯(xīn)片(piàn)将5v電源(yuán)進行(háng)轉換。其中(zhōng)，内部邏(luó)輯供電(diàn)電壓爲1.8v,外部接口引(yǐn)腳電壓采(cǎi)用3.3v，便于(yú)直(zhí)接與(yǔ)外部(bù)低壓(yā)器件相連接。3.2.2.2a/d轉換電(diàn)路在(zài)經過(guò)光電(diàn)轉換、放大、濾波(bō)後(hòu)的信号進入dsp芯片時，要先經(jīng)過a/d轉換(huàn)電(diàn)路，把模拟(nǐ)信号(hào)轉換(huàn)爲數(shù)字信号，由(yóu)dsp做進一步的信(xìn)号處理。
3.2.2.3dsp核心電路及(jí)時(shí)鍾電路
　　dsp的各管腳有相(xiàng)應處理，有的接(或(huò)有(yǒu)上拉電阻(zǔ))高電(diàn)平，有的接(jiē)(或有(yǒu)下拉(lā)電阻(zǔ))低電平(píng)。
3.2.2.4顯示電(diàn)路
　　使(shǐ)用液晶屏顯示頻率(lǜ)或流(liú)量信息，可以(yǐ)方(fāng)便觀察實驗結(jié)果。本系統(tǒng)選用1602lcd芯片(piàn)顯(xiǎn)示，1602lcd是指(zhǐ)顯示的内容爲(wèi)16x2，即可(kě)以顯示兩(liǎng)行，每行有(yǒu)16個字(zì)符液晶模(mó)塊(顯(xiǎn)示字符和數字(zì))。
3.2.2.5通信電路
　　爲了(le)與計算機連接(jiē)實現遠程(chéng)操作(zuò)，可以(yǐ)采(cǎi)用rs232接口(kǒu)與上(shàng)位機進行(háng)通信。
3.3dsp的軟(ruǎn)件系統分析
　　爲了實現精度高(gāo)測量(liàng)，還需采(cǎi)用一定(dìng)的算(suàn)法對(duì)信号加以處.理(lǐ)，包括(kuò)溫度(dù)補償算法(fǎ)、非線(xiàn)性校正算(suàn)法和(hé)誤差修正(zhèng)算法(fǎ)等(děng)，這些都(dōu)可以寫人(rén)dsp中通(tōng)過運(yùn)算實現。将(jiāng)2812dsp與計算機(jī)中的ccs仿真(zhēn)環境相連(lián)接，通過仿真器将相應的程序(xù)下載到dsp芯(xīn)片中(zhōng)進行(háng)調試。圖6爲(wèi)dsp中軟件(jiàn)設(shè)計流(liú)程圖(tú)。
 
4實驗與分(fèn)析
　　本(běn)文使(shǐ)用一(yī)套光纖(xiān)高(gāo)速轉(zhuǎn)子試(shì)驗台對搭建的(de)軟硬(yìng)件測(cè)試系統進行了(le)模拟實(shí)驗驗證(zhèng)。該轉子試驗台(tái)的渦輪轉(zhuǎn)子由(yóu)可調轉(zhuǎn)速(sù)的電機帶(dài)動(dòng)旋轉，渦(wō)輪正上方安裝(zhuāng)有雙圈同軸式(shì)光纖傳(chuán)感器，轉速信(xìn)号經過所設計的硬(yìng)件預(yù)處理電路後，傳(chuán)人dsp進行(háng)程(chéng)序運算處(chù)理，最(zuì)後将(jiāng)頻率信号顯示出來。在實驗室(shì)所搭建的試驗(yàn)系統如圖7所示(shì)。
 
　　通過本文所設計的測試(shì)系統(tǒng)對渦(wō)輪轉動頻率(lǜ)的驗(yàn)證(zhèng)結果(guǒ)如表1所(suǒ)示。渦輪頻率記作(zuò)ƒ0(hz)，測量頻率(lǜ)記(jì)作ƒ1(hz),絕對(duì)誤差(chà)記作e。
 
　　在5~300hz的(de)測量範(fàn)圍(wéi)内，最大誤差爲1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可(kě)見所(suǒ)設計(jì)的測試系統(tǒng)測量精(jīng)度較(jiào)高。
5結(jié)論
　　本文所設計的雙(shuāng)圈同軸式光纖(xiān)智能流量檢測系統有以下特點:1)本(běn)文選用的(de)雙圈同軸(zhóu)式多(duō)模光(guāng)纖(xiān)對光信(xìn)号的辨識度高(gāo)，并且(qiě)在(zài)測(cè)量和傳輸過(guò)程中不易受外(wài)界電磁(cí)幹擾;2)所選dsp2812及(jí)硬件處(chù)理部分可(kě)以實(shí)現對數據的采集和(hé)處理(lǐ)的要求;3)傳感器測量過程(chéng)中産(chǎn)生的(de)非線性等(děng)因素可通過軟(ruǎn)件算法進(jìn)行補(bǔ)償和校正，易于(yú)維護。通過(guò)實(shí)驗驗證，本文(wén)所設(shè)計的光(guāng)纖測量(liàng)系統的測量誤差(chà)小于0.5%，具有較(jiào)高的測量精(jīng)度(dù)和可(kě)靠性，爲光纖渦輪(lún)流量計(jì)的樣機制(zhì)作提(tí)供了重要依據(jù)。

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