基于激光双光束共模补偿的流速测量技术的研究

发布时间：2020-09-08 07:27

　　针对工业生产中高温、高压有毒等复杂环境下的流速测量,本文提出了基于激光多普勒效应的测速方法。应用半导体激光器的直接调制和双光束共模补偿实现流速的测量,大大提高了测量精度。首先,通过查阅大量国内外文献了解流速测量的意义及国内外的研究现状,整理分析现阶段应用的典型测速系统的优缺点。通过半导体激光器直接调制特性的分析得出直接调制技术的优点。通过对激光多普勒原理的理解,各种流速测量光路以及光纤光学理论的分析,设计测量光路并且推导出适合本系统的数学模型。通过参考光束与测量光束实现外差测量,提高测量精度,抑制直流漂移;应用光纤传导,大大提高了抗干扰的性能,实现了远距离传输。其次,对半导体激光器进行直接调制时,为达到较好的调制效果,选取适合本系统的半导体激光二极管。为提高数据处理精度选取了光电探测器和微处理器;设计了系统的硬件电路,如:电源电路、激光器驱动电路、调制信号产生电路、光电转换电路、信号检测、解调、滤波电路等。采用触摸屏实现对测量结果的显示并且设计相应的触摸屏电路。硬件电路的设计提高了测量速度和精度。然后,为提高数据处理的效率和准确度,分析了频谱分析法、计数法、快速傅里叶变换法等多种数据处理方法的优缺点,最终选取处理效率较高的快速傅里叶变换法对实验数据进行处理;并且对数据处理过程进行程序设计。智能化的方式处理数据,使得数据处理的速度和精度都有很大的提高。最后,搭建实验系统,分析试验中存在的各项误差,并采取一定的措施进行改进。在性能试验中,验证了半导体激光器直接调制的可行性;通过和实验室现有测速系统实验结果的对比验证了当调制频率为100MHz时本系统可以达到较高的测量精度。对误差的分析和改进成功将测量误差控制在1%以内。本文所研究的双光束共模补偿流速测量系统能够很好的测量流体的流速,对其在实际生产中应用具有一定的参考价值。
【学位单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH814
【部分图文】：

正弦波调制,光电流

正弦波调制Fig.2.7Thesinewavemodulation

频率调制,半导体激光器,光纤

为有源层电流的变化导致其折射率发生变化，从而使得谐振光的频率也发生变化实现频率调制，其频率响应如图 2.8 所示：图2.8 半导体激光器频率调制响应Fig. 2.8 The semiconductor laser frequency modulation response2.4 光纤光学理论2.4.1 光纤基本理论近几年，光纤制造工艺的提高，光纤理论的深化使得光纤传感技术发展迅速，光纤开始广泛应用在通信等领域。因为光纤重量轻、体积也比较小、柔韧性好、易弯曲、并且其对电磁干扰具有很强的抵抗作用，所以光纤可以在复杂环境中实现远距离的信号传输。光纤传感器按照功能可以分为功能型的和非功能型的。功能型光纤不仅传输信号还作为感应元件，非功能型光纤只起到传光的作用，需要与其他的敏感元件进行耦合。本课题应用的是传光型光纤，半导体激光器发射出的调制光经过光纤传输到被测流体上，归一化频率响应（Bd）频率（MHz）

基本结构,光纤,传输损耗

里面的是纤芯，包层的折射率小于纤芯的折射率，所以当入射角比临界角小时就会实现对光的全反射。图2.9 光纤基本结构Fig. 2.9 Basic structure of optical fiber光纤的特征：（1）传输损耗：光纤的传输损耗是应用过程中必须考虑的因素。光纤的传输损耗为：112 1 210( )( ) log( )PPL L P (2.24)式中： ( )是传输损耗；1L 、2L 分别为光纤横截面到起点的长度；1P 、2P 分别为在截面上的光功率。石英光纤的损耗与激光波长的关系如图 2.10 所示[45-46]：图2.10 光纤损耗与波长的关系Fig. 2.10 Relationship between optical fiber loss and wavelength（2）光纤的传输模式：光纤在传输激光信号时通过光纤传输的激光信号不仅要满足入射角大于临界角，还必须满足两次反射的位移应该是2 的整数倍。光纤的光波传播理论为：0( , ) exp[ 2 ( )]LE t z E z j z t（2.25）

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