壓管機控制系統(tǒng)研發(fā)

1、摘 要近年來，隨著科技的發(fā)展，特別是現(xiàn)代工程技術發(fā)展，振動測量技術的應用范圍越來越廣，在測量中的重要性也日益突出，同時對測振技術的要求也越來越高，不僅要求測量精確度高、信號采集速度快、抗干擾性強，還要滿足在某些苛刻環(huán)境下的測量，比如高溫、高壓、高速、腐蝕、放射的等場合。激光多普勒測振技術是近幾年最具發(fā)展?jié)摿Φ臏y振技術之一，在測振方面有著非入侵、遠距離、高精確度、快速響應等優(yōu)勢。本文主要工作如下：1.本文以激光多普勒測振技術為課題，介紹激光多普勒的發(fā)展歷史及其研究現(xiàn)狀。2.完成對激光多普勒測振技術的理論分析，闡述了激光多普勒測振的三個模型，以及各自的特點，設計了雙散射光束型差動光路模型。3.對激

2、光多普勒測振儀光電轉換技術進行分析，設計一套光電轉換系統(tǒng)，實現(xiàn)光電轉換，采用前置差分放大電路采集微弱信號，二階有源濾波電路除去噪聲。4.對光電信號轉換系統(tǒng)進行了實驗仿真，完成了光電轉換系統(tǒng)的仿真調試。關鍵詞:激光多普勒效應，振動測量，光電轉換技術，差分放大，濾波AbstractWith the development of science and technology , especially the development of modern engineering and technology in recent years, the applications of vibration m

3、easuring technique have been more and more widely, its importance is reflected day by day. The vibration measurement technology are increasingly high requirements, not only requires high accuracy of measurement, signal acquisition speed, strong anti-interference, but also to meet the measurements in

4、 the harsh environment, such as high temperature, high pressure, high speed, corrosion and radiation of occasions. Laser Doppler vibration measuring technique is one of the most potential vibration measuring techniques in the future, it has an advantage of no touch, long distance, high precision and

5、 rapid response in measurement of vibration.The following results are achived in this paper:1. In this paper, the technique of laser Doppler vibration as the subject, introducing the development history and research status of laser Doppler.2. The authors analysis the theory of Laser Doppler vibratio

6、n measuring technique technology and their respective characteristics, design a Optical of double beam - double scattering mode.3. The authors analyze excitation Laser Doppler vibration photoelectric conversion technology, a photoelectric conversion system design, realization of photoelectric conver

7、sion, with the front differential amplifier circuit for weak signal acquisition, noise is removed by a second order active filter circuit.4. The simulation experiments were conducted on the designed system, completed the debugging of system simulation.key word: Laser Doppler Effect, vibration detect

8、ing, optical-electric conversion technology, difference amplify，wave filtering目錄摘 要2Abstract3第1章 概述31.1 選題的背景與意義31.2 激光多普勒測振技術的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀3第2章 激光多普勒測振儀系統(tǒng)設計32.1 光的多普勒效應與激光測振原理32.2 激光多普勒檢測模型的選擇與光路系統(tǒng)的設計32.2.1 光學差拍技術與外差檢測模型32.2.2 激光多普勒測振儀光路系統(tǒng)的設計32.3 光電信號轉換算法分析32.3.1 光電檢測器件32.3.2 光電轉換系統(tǒng)設計32.5 光電信號轉換仿真32.4

9、數(shù)據(jù)采集與處理3第3章 誤差分析33.2 實驗數(shù)據(jù)及處理33.3 誤差分析3第4章 提高精確度措施3第5章 總結與展望3致 謝3參考文獻3第1章 概述1.1 選題的背景與意義近年來，隨著現(xiàn)代工程技術的飛速發(fā)展，振動測量技術的在工程技術中應用越來越廣，其重要性日益體現(xiàn)，對測振技術的要求也越來越高，不僅要求測量精確度高、信號采集速度快、抗干擾性強，還要滿足在某些苛刻環(huán)境下的測量，比如高溫、高壓、高速、腐蝕、放射的等場合。傳統(tǒng)的接觸式測振方法由于檢測裝置與被測對象接觸，形成干擾，并且無法得到準確的被測對象實時動態(tài)特性等各方面的不足，使得非接觸式的高靈敏度、智能化的測振技術具有極高的應用價值，成為測振

10、技術發(fā)展的主流方向。激光多普勒技術是一門將光學多普勒效應與光學外差干涉檢測技術相結合的技術，而將激光多普勒技術應用于振動測量，利用光外差檢測技術提取低頻干涉信號中的振動信息，具有高精確度、非入侵式、抗干擾強、響應速度快等優(yōu)勢，是近幾年最具發(fā)展?jié)摿Φ臏y振技術之一。本文結合課題介紹激光多普勒技術的發(fā)展歷程，分析激光多普勒測振技術的原理，研究激光多普勒測振儀的應用1.2 激光多普勒測振技術的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀多普勒效應最早是在1842年由奧地利數(shù)學家多克里斯琴約翰多普勒（Christian Johann Doppler）提出的：波在波源移向觀察者接近時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低【

11、1】。比如，當警車一路鳴笛行駛而來，站在路邊行人聽到的鳴笛聲音越來越響，音調也越來越尖，而當警車呼嘯而去的時候，行人聽到的鳴笛聲越來越弱，音調越來越低。這是由于振源與觀察者之間存在著相對運動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率，這就是多普勒頻移現(xiàn)象。繼1950年愛因斯坦用相對論證明了，聲波中存在的多普勒效應在光波中也同樣存在后，1960年，第一臺激光器的誕生使多普勒效應的應用從聲學領域開始擴展到了光學領域。從1964年，Yeh與Commins首次觀察到水體流動過程中粒子散射光的頻移【2】，證實激光多普勒頻移可以用來測量流體速度，至今，激光多普勒技術已經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，而激光多普勒測振技術

12、最早便是從激光多普勒測速技術上發(fā)展而來的，其發(fā)展過程主要可分為以下三個階段1,2,3：60年代激光多普勒技術發(fā)展初期。受光學裝置結構簡單、使用調試不便、光學效率和性能太低的影響，同時，各種外差檢測模型還未被證實，頻譜分析儀的精度太低耗時過長，新的數(shù)據(jù)處理無法推廣應用等各方面外部條件的限制，多普勒技術雖然很早出現(xiàn)，但在該時期沒能得到很好的發(fā)展推廣。即使是在實驗室的實驗也只停留在低湍流條件下的流體流速測量，并且實驗結果不精確，以平均速度分布為主。70年代激光多普勒技術發(fā)展中期【3】。這是多普勒技術發(fā)展最為活躍的一個時期，在這期間，近代光學技術發(fā)展起來，光學頻移、頻率分離、空間慮波、偏振分離等技術的

13、在多普勒技術中得到廣泛應用。集成光學單元的發(fā)展使激光多普勒系統(tǒng)的光路結構更為緊湊，調試也更為簡便，為更復雜高效的光路系統(tǒng)的出現(xiàn)提供可能。新的信號處理方法的出現(xiàn)，以及相應信號處理器的開發(fā)應用，也為激光多普勒技術的推廣應用創(chuàng)造了條件。1975年，在丹麥首都舉辦了“激光多普勒測速國際討論會”，標志著這一技術的成熟【4】。80年代至今是激光多普勒技術步入實用型的一個階段。在這一時期，激光多普勒技術的應用不在局限于最初的流體力學研究應用，它被不斷的應用于實際工程、質量檢測、醫(yī)療檢查等領域，比如醫(yī)學上的彩超、模型的模態(tài)特性分析、農產(chǎn)品品質檢測、在線控制、結構探傷等。目前國內外市場上的激光測振儀大致有一下幾

14、種【5】：單點式激光測振儀、掃描型激光測振儀、三維激光多普勒測振儀、遠程激光測振儀、多點式激光多普勒測振儀、激光脈沖多普勒測振儀，我國的激光多普勒技術水平跟國際還有不少差距，自動調焦系統(tǒng)、微型便攜式、大尺寸物體振動測量是近幾年的發(fā)展趨勢。第2章 激光多普勒測振儀系統(tǒng)設計2.1 光的多普勒效應與激光測振原理任何形式的波在傳播當中，當波源移向觀察者時，觀察者接收到的頻率變高，而當波源遠離觀察者時，觀察者接受到的頻率變低，這種現(xiàn)象稱為“多普勒效應”，變化的頻率稱為“多普勒頻移”。在光波傳播中，光波的這種頻移稱作“光學多普勒效應”。本文就是利用光的多普勒效應，通過測量振動物體表面漫反射回來的相干光波，

15、經(jīng)過信號的調制分析，還原光波中所攜帶的振動信息（多普勒頻移）。下面從三種情況分析光的多普勒效應。1.光源由運動光源發(fā)出，到達靜止觀察點圖2.1 運動光源產(chǎn)生的多普勒頻移如圖2.1所示，運動光源S發(fā)出的光波頻率為f到達靜止的觀察點B，S的運動速度為v，與光波傳播方向的夾角為。初始時，光源S與觀察點B的距離為ct，當光源運動時，光源到觀察點的距離被壓縮為（c-vcos）t。因此，B點接受到的光波的波長為： （2.1）對應的頻率為： （2.2）在光源運動速度v遠小于光速c的情況下，B點接收到的光波與S點發(fā)出的光波的頻移量近似為： （2.3）2.光波由靜止光源發(fā)出，到達運動觀察點圖2.2 觀察點運動產(chǎn)

16、生的多普勒頻移如圖2.2所示，靜止光源S發(fā)出的光波到達運動觀察點B，B點接收到的光波頻率為： （2.4）頻移量為： （2.5）3.光波由靜止光源發(fā)出，經(jīng)運動物體散射，到達靜止觀察點圖2.3 經(jīng)運動物體散射產(chǎn)生的多普勒頻移如圖2.3所示，靜止的光源S發(fā)出頻率為f的光波，到達速度為v的運動物體P，產(chǎn)生一次多普勒頻移，然后通過P散射到靜止的觀察點B，產(chǎn)生第二次多普勒頻移。光波達到運動物體P經(jīng)歷第一次多普勒效應，由于式（2.4）其表達式為： （2.6）散射光達到B點經(jīng)歷第二次多普勒效應，由式（2.2）得到其表達式為： （2.7）其中，1為SP與物體P運動方向v的夾角，2為PB與物體P運動方向v的夾角。

17、在物體運動速度v2fmax，fs為采樣頻率，fmax為連續(xù)信號的最大頻率。通常把最低允許的采樣頻率fs=2fmax成為奈奎斯特頻率。在實際操作中，為保證信號不失真采樣頻率fs一般不設置為被采信號最大頻率的2倍，而取最高頻率的510倍。根據(jù)仿真振動頻率設置的情況，合理的設置采樣頻率和采樣時間，確保采樣信號不失真。信號處理算法的優(yōu)劣直接影響到最后測量結果的精確度，將傳統(tǒng)的定時測周法、定周測時法和頻譜分析法相比較，頻譜分析法有著能記錄信號，而且測量精度高、靈活性強、能記錄振動規(guī)律等優(yōu)勢，而且隨著計算機硬件技術的發(fā)展，頻譜分析法需要較大數(shù)據(jù)存儲空間的缺點，也不再影響其應用了?；贔FT頻譜分析方法在速

18、度信號的處理分析方面應用十分廣泛，該方法不僅計算速度快，還能在頻域內定位。FFT即快速傅立葉變換（fast Fourier transform）【10】，是離散傅里葉變換（簡稱DFT）的高效算法，可以將時域信號轉換成頻域信號，以分析一些在時域上難以觀察出信號波形特征的信號，還可以提取信號的頻譜。相較于計算量過于龐大的DFT算法，F(xiàn)FT算法因為利用了旋轉因子的周期性大大減少了計算量，計算效率更高，應用范圍也比DFT更廣。DFT的運算為： （2.26）式中，旋轉因子的定義為： （2.27）旋轉因子是相位不同、振幅均為單位1的復變量，是周期為N的周期函數(shù)。由于旋轉因子具有對稱特性，因此，方向相反的因

19、子之間存在180度的相移。由這種方法計算DFT對于X（k）的每個k值，需要進行4N次實數(shù)相乘和（4N-2）次相加，對于N個k值，共需N*N乘和N（4N-2）次實數(shù)相加。改進DFT算法，減小它的運算量，利用DFT中WNkn的周期性和對稱性，使整個DFT的計算變成一系列迭代運算，可大幅度提高運算過程和運算量，這就是FFT的基本思想。下面以基2FFT算法為例，介紹一下FFT算法的原理。考慮一個復數(shù)序列 x(n)，n=0，1，N-1，它是長度為 N 的有限序列，假設N是偶數(shù)，則x(n)可以拆成兩個子序列：（2.28）x1(r)，x2(r)，分別是序列x(n)中的偶數(shù)項與奇數(shù)項的序列，每個序列的長度N/

20、2，這種降低時域樣本采樣率的做法稱為時域抽?。―IT）。求DFT時也按奇偶兩個序列分別求和，可得到： （2.29）因為式（2.29）可改寫成： （2.29）其中，是兩個N/2點的DFT，其旋轉因子WN/2以N/2為周期，X1(k)，X2(k)的周期也應是N/2，可以得到： （2.30）于是可以把N點的DFT X (k)變換為兩個N/2的DFT X1(k)，X2(k)來計算。 （2.31）式（2.31）是快速傅里葉變換中的一種基本運算，可用于下圖2.15所示的“蝶形運算”流程圖來表示。輸入端是兩個 N/2 點的 DFT，輸出得到的是N點的 DFT。每次蝶形運算需要作一次復數(shù)乘法和兩次復數(shù)加（減）

21、法。圖2.15 蝶形運算信號流程當N取8個點時，其FFT信號流程如下圖2.16所示。對于一個N點的序列，把 DFT分成K=log2N段來計算，每一段要做 N/2次蝶形運算，每一段需要N/2次復數(shù)乘法和N次復數(shù)加法。整個 FFT只需要0.5Nlog2N和Nlog2N次復數(shù)加法。當N很大時，F(xiàn)FT 可以顯著的縮短計算時間和空間。圖2.16 8點FFT信號流程圖第3章 誤差分析3.2 實驗數(shù)據(jù)及處理光電轉換電路實際電壓輸出值與理論計較見表3.1，從3.1可見光電轉換電路的相對誤差不超過0.8%，精確度還不錯。表3.1 光電轉換電路數(shù)據(jù)記錄編號弱電流/mA理論電壓/mV輸出電壓/mV相對誤差%10.0

22、011.001.00020.0022.001.990.530.0033.003.00040.0044.003.970.7550.0055.005.040.8圖3.1是放大電路信號響應曲線，當輸入電壓幅值為5mV時，輸完電壓波形的幅值約為5V，放大功率與設計要求相符。圖3.1 放大電路響應曲線圖3.2所示是濾波電路的輸入信號為2kHz和20kHz時，對應的輸出波形的，經(jīng)過仿真測量，電路的截止頻率約為9.97kHz，與本文設定的10kHz的截止頻率存在3%的相對誤差。 圖3.2 fi =2kHz，輸出波形曲線 圖3.3 fi =20kHz，輸出波形曲線3.3 誤差分析在實驗過程中，誤差是必然存在的

23、，接下來對本系統(tǒng)實驗出現(xiàn)的誤差的可能原因進行分析：1.溫漂對系統(tǒng)電路元件參數(shù)的影響。在本文設計的光電轉換系統(tǒng)電路中，無論是光電轉換電路、放大電路還是濾波電路都用到了運放，運放中晶體管對溫度變化最為敏感，主要影響參數(shù)UBE、ICBQ和值。溫度升高使UBE輸入特性曲線左移，ICBQ和值，其規(guī)律是溫度每上升1UBE減小22.5毫安，值增大0.51%，每上升10ICBQ大約增大一倍?？紤]本實驗是在計算機環(huán)境下的仿真，應該不存在溫漂，但在實際應用中，溫漂必然存在。2.運放噪聲引起的誤差。運放由一些有源元件和無源元件組成，會在散彈噪聲、熱噪聲、爆破噪聲、閃變噪聲和雪崩噪聲5種類型的噪聲。4.光電轉換電路中

24、，反饋電阻R2的阻值設定過大，會使電路產(chǎn)生自激震蕩，引起誤差。3.外圍電阻阻值引起的誤差。在實際應用中電阻實際電阻值與標示值存在偏差，或者電阻值歲溫度變化而產(chǎn)生偏差，都會引起運放電路的運算誤差。第4章 提高精確度措施通過本論文工作的研究分析，接下來從以下幾個方面，分析提高激光多普勒測振儀測量精確度的措施：1.光學系統(tǒng)結構優(yōu)化方面：用聲光調制器取代1:1分束鏡進行分束。聲光調制器由聲光介質和壓電換能器構成。當驅動源的某種特定載波頻率驅動換能器時，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質，在介質內形成折射率變化，光束通過介質時即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產(chǎn)生衍射。聲光效應的衍射分為拉曼-奈

25、斯衍射與布拉格衍射，由于拉曼-奈斯衍射效率較低，所以在實際應用中多采用布拉格衍射。當頻率為f0的激光束以布拉格角入射到聲光調制器上，會分成一束頻率為f0的入射光和一束頻率為（f0+ fc）的1級衍射光，fc為聲光調制器設定的超聲波調制頻率，通過調節(jié)超聲波的頻率可調節(jié)入射光與衍射光的偏轉角。聲光調制器可以調節(jié)激光束方向，控制激光束強度，相比于分束鏡分出的激光束，可以得到更好的干涉條紋。2.光電轉換系統(tǒng)的優(yōu)化：在實際應用中，溫度的變化會對差分放大電路中的電路元件參數(shù)產(chǎn)生影響，使輸出信號失真，即產(chǎn)生了溫漂。給差分放大電路增加溫度補償環(huán)節(jié)，可以抑制溫漂。在前置放大電路與低通濾波電路之間增加通頻濾波器，

26、進一步抑制噪聲，放大有用信號，提高精確度。第5章 總結與展望在本論文中，作者完成了一下工作：1.完成對激光多普勒測振技術的理論分析，闡述了激光多普勒測振的三個模型，以及各自的特點，設計了雙散射光束型差動光路模型。2.對激光多普勒測振儀光電轉換技術進行分析，設計一套光電轉換系統(tǒng)，實現(xiàn)光電轉換，用前置差分放大電路對采集微弱信號，用二階有源濾波電路除去噪聲。3.對設計的系統(tǒng)光電轉換環(huán)節(jié)進行了實驗仿真，證實了所設計的光電轉換電路可用于采集激光多普勒信號，并進行光電轉換，通過差分放大電路，和二階有源濾波電路，對信號進行放大除噪。同時也對明確了本文存在的不足，以及下一步的研究方向：1.研究一套可以實現(xiàn)激光

27、多普勒測振技術，從信號發(fā)出到多普勒效應產(chǎn)生，到光電信號轉換實現(xiàn)，到信號采樣分析都可以式樣的仿真軟件。目前，激光多普勒測振技術的研究測試都以搭建實驗臺的方式進行，成本過高，隨著激光多普勒測振技術的應用越來越廣，一套專門用于開發(fā)研究記過多普勒技術的實驗仿真軟件十分有必要。、2.優(yōu)化理論體系，目前研究還只是在仿真階段，光學結構和分析算法都還太簡單，測量范圍和測量精度都跟國外有著很大差距。3.激光多普勒測振信號拍頻算法的優(yōu)化。激光多普勒測振信號其實是一個周期信號，除了用快速傅里葉算法將時域信號轉化為頻域信號的方法，尋找一套算法跟更簡單，計算結果更精確的算法。致 謝光陰如梭，不知不覺我已經(jīng)在浙江大學寧波

28、理工學院生活學習將近4年了，在這論文即將完筆之際，我的大學生涯也即將接近尾聲。在這四年里，我有受挫過，迷茫過，焦慮過，也充實過，快樂過，無論如何，我收獲了很多，在此我要寫下我誠摯的謝意，感謝這些年所以支持、陪伴、幫助過我的同學、朋友和老師們。首先我要感謝我的論文指導老師馬修水老師。本論文的工作是在馬老師的悉心指導下完成的。馬老師是一名學術嚴謹知識淵博的制動化專業(yè)教授，在學術上一直要求學生態(tài)度嚴謹，工作負責。同時，他將學生視為自己的孩子，在傳授專業(yè)知識的基礎上，關心學生的未來，經(jīng)常教導我們珍惜時間，抓住機會，努力學好本領，將來能找到好工作。馬老師還教會了我很多為人處世的方法，很多做人的道理，在潛

29、移默化中指導了我的成長。感謝在這幾年了馬老師所給予的父親般的關心和教導。其次，感謝實驗室研究生劉杰坤學長在我論文工作期間，對我論文工作的悉心指導和幫助，也感謝周鵬同學對我論文工作的巨大幫助。然后，感謝實驗室的兄弟姐妹。在這大學四年里，最明智的一個決定就是進了馬老師的實驗室，雖然那段時間很辛苦，但是卻讓我學到了太多，也收獲了太多。在實驗室，我結識了支雄飛學長、周鵬、王侃、錢紅瑩、王帥等同學，我們一起做科研，一起完成課題項目，一起參加科研競賽，不僅在工作學習上互幫互助，在生活上也是彼此的摯友，感謝他們這幾年的陪伴與幫助。不得不說，我在實驗室所獲得的所有成績，都離不開他們的幫助。還要感謝我的老師同學

30、和室友們。作為班里唯一的女生，在生活和學習上，班級老師和同學都對我頗為照顧，特別是班導師鐘偉紅老師和班長孟安棟。我的室友們汪欣月、周漪蓮、施怡穎，都是電氣工程專業(yè)的女生，我們一同生活了4年，親如姐妹，感謝她們這些年的陪伴與照顧。另外感謝我的家人，感謝他們二十年來對我的付出，感謝他們對一直以來的支持和幫助，讓我能夠順利地完成我的學業(yè)。最后，感謝各位評委老師，感謝他們百忙之中抽出時間來參加我的答辯，對我們提出寶貴的意見和建議。祝評委老師們身體健康、工作順利、生活幸福！馬龔麗2015年5月15日參考文獻1 M.S.Kang, A.B.Stanbridge, T.G.Chang,H.S.Kim. Measuring mode shapes with a continuously scanning laser vibrometer Hilbert transform approachJ. Mechanical Systems and Signal Processing, 2002, 16(23): 2012102 崔笛,張文,應義斌.激光多普勒測振技