針對工業(yè)生產(chǎn)中高溫、高壓有毒等復(fù)雜環(huán)境下的流速測量,本文提出了基于激光多普勒效應(yīng)的測速方法。應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制和雙光束共模補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)流速的測量,大大提高了測量精度。首先,通過查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)了解流速測量的意義及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,整理分析現(xiàn)階段應(yīng)用的典型測速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。通過半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制特性的分析得出直接調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。通過對激光多普勒原理的理解,各種流速測量光路以及光纖光學(xué)理論的分析,設(shè)計(jì)測量光路并且推導(dǎo)出適合本系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過參考光束與測量光束實(shí)現(xiàn)外差測量,提高測量精度,抑制直流漂移;應(yīng)用光纖傳導(dǎo),大大提高了抗干擾的性能,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸。其次,對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行直接調(diào)制時(shí),為達(dá)到較好的調(diào)制效果,選取適合本系統(tǒng)的半導(dǎo)體激光二極管。為提高數(shù)據(jù)處理精度選取了光電探測器和微處理器;設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路,如:電源電路、激光器驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)制信號產(chǎn)生電路、光電轉(zhuǎn)換電路、信號檢測、解調(diào)、濾波電路等。采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)對測量結(jié)果的顯示并且設(shè)計(jì)相應(yīng)的觸摸屏電路。硬件電路的設(shè)計(jì)提高了測量速度和精度。然后,為提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確度,分析了頻譜分析法、計(jì)數(shù)法、快速傅里葉變換法等多種數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)缺點(diǎn),最終選取處理效率較高的快速傅里葉變換法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;并且對數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。智能化的方式處理數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)處理的速度和精度都有很大的提高。最后,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),分析試驗(yàn)中存在的各項(xiàng)誤差,并采取一定的措施進(jìn)行改進(jìn)。在性能試驗(yàn)中,驗(yàn)證了半導(dǎo)體激光器直接調(diào)制的可行性;通過和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有測速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證了當(dāng)調(diào)制頻率為100MHz時(shí)本系統(tǒng)可以達(dá)到較高的測量精度。對誤差的分析和改進(jìn)成功將測量誤差控制在1%以內(nèi)。本文所研究的雙光束共模補(bǔ)償流速測量系統(tǒng)能夠很好的測量流體的流速,對其在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。
【學(xué)位單位】：山東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH814
【部分圖文】：

正弦波調(diào)制Fig.2.7Thesinewavemodulation

為有源層電流的變化導(dǎo)致其折射率發(fā)生變化，從而使得諧振光的頻率也發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，其頻率響應(yīng)如圖 2.8 所示：圖2.8 半導(dǎo)體激光器頻率調(diào)制響應(yīng)Fig. 2.8 The semiconductor laser frequency modulation response2.4 光纖光學(xué)理論2.4.1 光纖基本理論近幾年，光纖制造工藝的提高，光纖理論的深化使得光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，光纖開始廣泛應(yīng)用在通信等領(lǐng)域。因?yàn)楣饫w重量輕、體積也比較小、柔韌性好、易彎曲、并且其對電磁干擾具有很強(qiáng)的抵抗作用，所以光纖可以在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的信號傳輸。光纖傳感器按照功能可以分為功能型的和非功能型的。功能型光纖不僅傳輸信號還作為感應(yīng)元件，非功能型光纖只起到傳光的作用，需要與其他的敏感元件進(jìn)行耦合。本課題應(yīng)用的是傳光型光纖，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的調(diào)制光經(jīng)過光纖傳輸?shù)奖粶y流體上，歸一化頻率響應(yīng)（Bd）頻率（MHz）

里面的是纖芯，包層的折射率小于纖芯的折射率，所以當(dāng)入射角比臨界角小時(shí)就會(huì)實(shí)現(xiàn)對光的全反射。圖2.9 光纖基本結(jié)構(gòu)Fig. 2.9 Basic structure of optical fiber光纖的特征：（1）傳輸損耗：光纖的傳輸損耗是應(yīng)用過程中必須考慮的因素。光纖的傳輸損耗為：112 1 210( )( ) log( )PPL L P (2.24)式中： ( )是傳輸損耗；1L 、2L 分別為光纖橫截面到起點(diǎn)的長度；1P 、2P 分別為在截面上的光功率。石英光纖的損耗與激光波長的關(guān)系如圖 2.10 所示[45-46]：圖2.10 光纖損耗與波長的關(guān)系Fig. 2.10 Relationship between optical fiber loss and wavelength（2）光纖的傳輸模式：光纖在傳輸激光信號時(shí)通過光纖傳輸?shù)募す庑盘柌粌H要滿足入射角大于臨界角，還必須滿足兩次反射的位移應(yīng)該是2 的整數(shù)倍。光纖的光波傳播理論為：0( , ) exp[ 2 ( )]LE t z E z j z t（2.25）

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本文編號：2813891