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  时间：2022-8-30 08:22:01

双圈同轴式光纤涡轮流量计设计

摘要:为了克服现有电磁式涡轮流量计的量程小，易受电磁干扰的缺点，设计了一种双圈同轴式光纤的涡轮流量智能检测系统;该测试系统由三大模块组成，双圈同轴式的光纤传感器作为信号拾取工具，硬件电路对信号进行预处理，TMS320F2812DSP对信号进一步软件处理;经过实验验证，该测试系统在5~300Hz的测量范围内，测量误差小于0.5%;因此，该测试系统具有较高的测量精度和可靠性，这为光纤涡轮流量计的样机制作提供了重要依据。
0引言
　　电磁式涡轮流量计在流体计量中应用十分广泛，但由于它量程小，对于流量范围变化大的场合，就需要几个不同口径的流量计进行切换配合测量。近年来，光纤传感器以其灵敏度高，体积小，抗电磁干扰等优点被广泛应用于各种测量技术中。使用光纤检测涡轮转速的方法不存在电磁式涡轮流量计的电磁阻力矩对涡轮的影响，从而可以扩展流量测量范围。这方面有一些研究但均未深人探析并将其应用于工程实际中。文中均采用Y型光纤探头结构检测信号，但这种结构易受其他光波和光强等因素的影响;
　　因此，本文就光纤涡轮流量检测系统进行了详细的设计，针对各个�？榉治隽似浼际醪问９庀舜衅魈酵方峁共捎盟ν岬男褪�，流量测量信号处理系统以DSP为核心，对硬件和软件各�？橹鹨环治錾杓�，并通过实验验证了该系统的可靠性，为光纤涡轮流量计的样机制作提供了一种重要依据。
1光纤涡轮流量传感器的结构
　　光纤涡轮流量传感器的简要结构如图1所示。双圈同轴光纤探头使用多模玻璃光纤，由一组发射光纤和两组接收光纤组成，检测端固定在--个铝合金护套内可替代电磁式传感器安装在涡轮流量计上。其工作原理为:发射光纤将光人射到叶片端面上，液体在带动涡轮叶片旋转过程中，激光照射在涡轮表面的不同位置，而不同位置所对应与探头之间的距离不同。显然，对于图1的安装结构，叶片顶端与探头的距离最小，则激光反射到双罔同轴光纤探头的接收光纤的光强也较其他位置强。那么，在叶片转动过程中，叶片顶端会对光纤发射的激光产生周期性的反射，接收光纤接收到反射的光强信号，经光电转换电路后放大滤波产生电脉冲信号。其频率与涡轮的转速成正比，研究表明，涡轮的旋转角速度与液体流速成正比例关系，可以通过测量涡轮的转速来反映经过管道的体积流量大小。信号经过进一步处理，结合液体的密度就可以得到被测液体的质量流量。
 
2双圈同轴式光纤传感器.
　　本文所采用的双圈同轴式光纤传感器是强度调制型反射式光纤。反射式光强调制传感器是由光源、人射光纤、接收光纤以及探测器组成国。具体结构是在同轴式光纤(中心为人射光纤，接收光纤同轴排列)的基础上同轴增加一圈用于补偿的接收光纤。双圈同轴式光纤传感器的整体结构如图2所示。共19根光纤，中间1根光纤为入射光纤，内圈为6根光纤作为第一组接收光纤，外圈有12根光纤作为第二组接收光纤。由于使用多模光纤其接收到的最大光强要比采用单模光纤高一个数量级左右，为了提高测量的信噪比，本系统采用多模光纤的光纤传感器。采用这种光纤束结构的益处是它利用比值法消除了光源功率波动等敏感因素对测量的影响[5]，从而能够实现传感器的测量。
 
　　光源LED发出的光，通过入射光纤传输到待测物体的表面，经过反射后由接收光纤接收送至光电转换器进行光电转换。接收光强的大小决定于反射体距光纤探头的距离，当被测距离改变时输出光强也发生相应的变化，可以通过对输出光强的检测得到涡轮叶片转动的位置，如图3所示。由于涡轮叶片周期性的转动，光强的变化也是呈周期性的，基于此原理，这种光纤传感器可以被用于涡轮流量计上。
 
　　根据图2的光纤探头结构，其输出特性调制丽数的计算可以采用式(1)所示的方法，再结合大芯径多模光纤的出射光纤端出射光强的分布6]，可以得到双圈同轴位移传感器的输出特性调制函数为式(2)。在探头参数确定的情况下，传感器的调制特性M(z)只与被测距离z有关口，
 
　　根据式(2)和本测试系统的实际需要，设计了相应的尺寸参数的光纤探头。对所设计的光纤探头进行仿真，如图4所示�？梢钥闯觯谔酵酚氡徊馕新直砻婢嗬�400~1000μm的范围之间，该传感器具有良好的线性关系，该范围包含了测量流量的光纤探头与被测涡轮叶片表面间的垂直距离变化范围。
 
3基于DSP的智能光纤流量计信号处理系统
3.1总体处理方案框图
　　本文设计的智能流量光纤测量系统的整体框架如图5所示。
 
　　随着叶片旋转，光纤涡轮流量传感器拾取到呈周期性变化的光信号，光信号在经过光电转换器后被转换为电压信号，经过信号放大、整形、滤波等硬件处理电路后得到的信号还远不能达到我们所需的“转速一频率一流量”准确信息，为提高系统的精度和稳定性，本系统将采用处理能力强，计算精度高的DSP作为信号处理平台对信号作进一步的软件处理，并实现流量信息的显示以及与计算机的通讯。在这里，我们选取TI公司的TMS320F2812型号DSP芯片。DSP2812的内置A/D转换为12位，可保证在存在硬件干扰的情况下对数据的精度高采集;同时具有32位的定点CPU，主频可达150MHz,计算能力也满足流量测量系统对数据处理的要求。
　　系统设计时，考虑到光源、光电转换等部件对系统测量结果的影响，温度变化对传感器零位漂移的影响，以及传感器光强调制过程存在非线性，应加人温度补偿和非线性校正算法以及误差修正。另外，针对工程应用中传感器工作环境特点，可以在传感器探头加入准直透镜的方法用以提高传感器的抗噪能力和扩展传感器的线性测量范围。
3.2硬件系统设计
　　硬件电路主要分为两部分，第一部分是信号预处理部分，第二部分是以DSP为核心的信号处理部分。信号预处理部分分为光电转换�？�、放大模块、滤波模块。而DSP部分除了包括其主要的几个电路�？橥�，还包含对信号的软件处理。
3.2.1信号预处理部分
3.2.1.1光电转换�？�
　　光电转换�？榈墓δ苁墙邮展庀私邮盏墓馇啃藕抛晃缪剐藕�。它在整个动态检测系统中起着极其重要的作用，它的好坏和灵敏度将很大程度.上影响着最终系统的测量精度。本系统选用的光电二极管是光电二极管电流与照射在其上的光强成正比，随着光强的增加OPT101的输出电压近似的线性增加。OPT101芯片在一个单片，上集成了互跨阻抗放大器集和光电二极管，这就消除了分开设计中经常出现的如漏电流误差、噪声交叉干扰以及杂散电容引起的增益峰化等问题。
3.2.1.2放大电路�？�
　　光电检测系统中，经过OPT101光电转换后输出的电压信.号较微弱，必须通过放大处理。前置放大电路设计的好坏将直接影响整个信号处理电路的性能。由于是微小信号的放大，所以本系统选用仪表运算放大器AD620。AD620是一款低功耗、精度高的运算放大器，具有高共模抑制比、放大频带宽、温度稳定性好、使用简单、噪声低等特点，只需要改变外部电阻的阻值就可以实现从1到1000倍的放大，因此适合用于对微弱信号的正确放大。
3.2.1.3滤波电路�？�
　　滤波�？槭且种坪头乐垢扇诺闹匾方�，其功能是使一-定频率范围内的有用信号通过，使在该频率范围外的信号衰减，从而提高系统的信噪比。在本系统中，光纤传感器采集的信号主要干扰成分是光电二极管输出的电压和光源信号的漂移、环境变化及电路等各种噪声信号。为了避开噪声高频干扰信号，滤波电路采用--级陡度系数较大的有源二阶低通滤波器，它可以使噪声得到较快、较大的衰减，基本滤除叠加在光电转换后电压信号上的噪声和不必要的频率分量，提高系统的信噪比。
3.2.2DSP信号处理部分
3.2.2.1DSP电源电路
　　由于在信号预处理中用到的各个模拟电路的核心芯片都是±5V供电，所以需要将模拟电源的5V转化为一5V,这里采用TI公司的LMC7660芯片;而信号处理中用到DSP数字.电路的工作电压为3.3V和1.8V,这里选用SPX1117芯片将5V电源进行转换。其中，内部逻辑供电电压为1.8V,外部接口引脚电压采用3.3V，便于直接与外部低压器件相连接。3.2.2.2A/D转换电路在经过光电转换、放大、滤波后的信号进入DSP芯片时，要先经过A/D转换电路，把模拟信号转换为数字信号，由DSP做进一步的信号处理。
3.2.2.3DSP核心电路及时钟电路
　　DSP的各管脚有相应处理，有的接(或有上拉电阻)高电平，有的接(或有下拉电阻)低电平。
3.2.2.4显示电路
　　使用液晶屏显示频率或流量信息，可以方便观察实验结果。本系统选用1602LCD芯片显示，1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行有16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
3.2.2.5通信电路
　　为了与计算机连接实现远程操作，可以采用RS232接口与上位机进行通信。
3.3DSP的软件系统分析
　　为了实现精度高测量，还需采用一定的算法对信号加以处.理，包括温度补偿算法、非线性校正算法和误差修正算法等，这些都可以写人DSP中通过运算实现。将2812DSP与计算机中的CCS仿真环境相连接，通过仿真器将相应的程序下载到DSP芯片中进行调试。图6为DSP中软件设计流程图。
 
4实验与分析
　　本文使用一套光纤高速转子试验台对搭建的软硬件测试系统进行了模拟实验验证。该转子试验台的涡轮转子由可调转速的电机带动旋转，涡轮正上方安装有双圈同轴式光纤传感器，转速信号经过所设计的硬件预处理电路后，传人DSP进行程序运算处理，最后将频率信号显示出来。在实验室所搭建的试验系统如图7所示。
 
　　通过本文所设计的测试系统对涡轮转动频率的验证结果如表1所示。涡轮频率记作ƒ0(Hz)，测量频率记作ƒ1(Hz),绝对误差记作e。
 
　　在5~300Hz的测量范围内，最大误差为1.27/(300一5)=0.43%<0.5%，可见所设计的测试系统测量精度较高。
5结论
　　本文所设计的双圈同轴式光纤智能流量检测系统有以下特点:1)本文选用的双圈同轴式多模光纤对光信号的辨识度高，并且在测量和传输过程中不易受外界电磁干扰;2)所选DSP2812及硬件处理部分可以实现对数据的采集和处理的要求;3)传感器测量过程中产生的非线性等因素可通过软件算法进行补偿和校正，易于维护。通过实验验证，本文所设计的光纤测量系统的测量误差小于0.5%，具有较高的测量精度和可靠性，为光纤涡轮流量计的样机制作提供了重要依据。

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