基于多普勒效应的光纤流体流速传感器研究

摘要

流体流速参数是工业生产过程中十分重要的参数指标，对该参数的准确监测可以有效地提高生产效率和质量。光纤流体流速传感器与传统流速传感器相比具有测量精度高、动态范围大、本质安全、抗电磁干扰等诸多优点，能用于高温高压等恶劣工作环境下。本文开展了基于多普勒效应的光纤流体流速传感器的理论模型、光路结构及信号处理的研究，研制了针对流体流速测量的光纤速度传感器。
　　本研究主要内容包括：⑴依据光学多普勒效应结合光相干信号检测，建立了光纤多普勒速度传感理论分析模型，仿真分析了影响传感系统性能的各种因素，为传感系统设计提供依据。⑵详细地对比分析传统激光多普勒测速光路结构，开展了适合流体流速测量的传感光路结构理论分析、优化与制作研究。提出了一种双点测量光路结构，并对其进行了理论研究，研究表明在不增加光源和探测器的条件下，该结构能有效地增强对多普勒散射光信号的收集。⑶依据光外差探测方法，研究了高速数据采集与计算机软件相结合的多普勒频移信号处理方法。依据快速傅里叶变换（FFT）方法，设计了信号处理算法与测量控制软件。⑷搭建了两种速度测量实验平台，分别开展固体运动速度和流体流速测量实验，对测量精度、稳定性、响应时间等进行研究。固体速度测量实验表明：测量均方误差小于0.06，重复性误差小于0.10m/s，响应时间小于1.00秒，工作时间长短对测量系统性能没有影响；流体速度测量实验表明：测量均方误差约为0.05，重复性误差约为0.10m/s。最后对测量产生误差的原因做了详尽分析，并对双点测量光路结构模型进行了初步的实验验证。

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第一章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 多普勒测速技术的发展过程和研究现状

1.3 光纤速度传感器主要的实现方法

1.4 论文的主要研究内容和结构安排

第二章 激光多普勒传感系统理论模型与特性分析

2.1 激光多普勒传感系统理论模型

2.2 多普勒频移光外差检测

2.3 光学多普勒测速性能影响因素分析

2.4 本章小结

第三章 光纤型多普勒测速光路系统设计

3.1 传统光路结构

3.2 光路结构设计

3.3 双探头测速模型

3.4 系统各部分器件选择

3.5 本章小结

第四章 信号处理模块的设计

4.1 多普勒信号处理方法

4.2 硬件电路模块

4.3 软件模块设计

4.4 本章小结

第五章 实验系统设计、优化与测试实验

5.1 模拟实验系统的搭建

5.2 固体转盘测速实验

5.3 流体流速测量实验

5.4误差分析

5.5 双探头测速模型的初步验证

5.6 本章小结

第六章 总结

6.1 工作总结

6.2 存在问题及展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所取得的成果