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雙激光束流速測(cè)量裝置*

2014-11-28 03:00劉路路盧艮萍邱選兵李傳亮魏計(jì)林
山西電子技術(shù) 2014年1期
關(guān)鍵詞:看門狗傅里葉探測(cè)器

劉路路,盧艮萍,邱選兵,李傳亮,魏計(jì)林

(太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,山西 太原 030024)

在聲學(xué)領(lǐng)域內(nèi),多普勒效應(yīng)早為人們熟知,它是19 世紀(jì)德國(guó)物理學(xué)家多普勒首次發(fā)現(xiàn)的[1]。愛(ài)因斯坦在他的狹義相對(duì)論中早就指出:在光波領(lǐng)域中也存在著類似的多普勒效應(yīng),而且可以利用這一效應(yīng)來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度。利用這一原理來(lái)測(cè)量固體、液體和氣體速度的技術(shù)被稱為激光多普勒測(cè)速技術(shù)。此外,利用該技術(shù)還可以測(cè)量物體的振動(dòng)[2]、長(zhǎng)度等。

1 系統(tǒng)總體框圖及實(shí)驗(yàn)原理

本文利用激光的多普勒效應(yīng),設(shè)計(jì)了一套基于雙激光束多普勒效應(yīng)測(cè)量流動(dòng)液體速度的裝置。整個(gè)設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

激光多普勒測(cè)量流體的速度實(shí)質(zhì)上是測(cè)量流體當(dāng)中隨著流體同速流動(dòng)的粒子速度[3]。它的測(cè)速原理是將一束激光照射到隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒上,透射出來(lái)的激光經(jīng)過(guò)光闌照到光電探測(cè)器上,光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào),模擬電信號(hào)經(jīng)放大電路放大后再由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中,單片機(jī)通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)程序?qū)邮盏降臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換處理。單片機(jī)判斷出經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換后的信號(hào)峰值處對(duì)應(yīng)的拍頻fd。通過(guò)拍頻fd就能計(jì)算出散射光的多普勒頻移,根據(jù)多普勒頻移公式就可以計(jì)算出流體的流速,整個(gè)的計(jì)算過(guò)程都在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。整個(gè)裝置實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 裝置實(shí)物圖

2 硬件系統(tǒng)的組成

2.1 激光器的選擇

隨著激光器的發(fā)展,激光器的種類越來(lái)越多,不同類型的激光器有著不同的用處。對(duì)本裝置來(lái)說(shuō)選擇激光器的類型以及質(zhì)量都會(huì)影響測(cè)量效果。本實(shí)驗(yàn)選擇了針對(duì)光譜測(cè)量的波長(zhǎng)為632.8 nm 的He-Ne 半導(dǎo)體激光器,它工作穩(wěn)定,性價(jià)比高。

2.2 單片機(jī)的選擇

本裝置的數(shù)據(jù)處理部分采用的是STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的STC89C52 型號(hào)單片機(jī),最高運(yùn)作頻率可達(dá)35 MHz,滿足了一般的數(shù)據(jù)處理速度的要求。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51 內(nèi)核,但在此基礎(chǔ)上又做了很多的改進(jìn),從而使得芯片具有傳統(tǒng)51 單片機(jī)不具備的功能。性能得到了很大的提高,性價(jià)比極高。芯片內(nèi)部自帶看門狗功能,省去了外部看門狗,使得電路設(shè)計(jì)起來(lái)更加簡(jiǎn)單、方便。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的選擇

我們采用A/D 轉(zhuǎn)換芯片TLC2543,它是TI 公司生產(chǎn)的一種利用12 位開關(guān)電容逐次逼近模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,片內(nèi)有14 位通道。具有12 位較高分辨率A/D 轉(zhuǎn)換口,輸出引腳由于是串行輸入結(jié)構(gòu),能夠節(jié)省單片機(jī)I/O 資源,且價(jià)格適中,因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。

2.4 顯示器的選擇

本系統(tǒng)采用了液晶顯示器LCD1602 作為流體速度數(shù)值顯示的硬件部分,LCD1602 相對(duì)于傳統(tǒng)顯示的數(shù)碼管具有體積小,功耗低,能夠顯示更多的符號(hào),安裝方便,便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)電位器還可以調(diào)節(jié)顯示器的對(duì)比度,適應(yīng)不同環(huán)境下的對(duì)比顯示,使得顯示效果達(dá)到最好。

2.5 探測(cè)器的選擇

為了提高傳輸效率并且無(wú)畸變地變換光電信號(hào),光電探測(cè)器不僅要和被測(cè)信號(hào)、光學(xué)系統(tǒng)相匹配,而且要和后續(xù)的電子線路在特性和工作參數(shù)上相匹配,使每個(gè)相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)。光電探測(cè)器必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng)。由于硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高,而且在可見(jiàn)光與近紅外波段內(nèi)有較高的量子效率等優(yōu)點(diǎn)。而本裝置中的光源采用的正是632.8 nm的可見(jiàn)光,因此本裝置中選擇硅光二極管作為光電探測(cè)器。

2.6 放大電路芯片的選擇

信號(hào)放大部分采用的是National Semiconductor 公司生產(chǎn)的以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356 芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行反相放大,它的優(yōu)點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高,輸入偏置電流非常小,并且具有高速、寬帶和低噪聲、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 快速傅里葉變換程序設(shè)計(jì)

大量的事實(shí)已經(jīng)證明,快速傅里葉變換能夠大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度,它為各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)單算法,有著十分重要的意義[4]。本裝置中數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)程序也采用快速傅里葉變換原理進(jìn)行編寫程序,圖3 是快速傅里葉變換流程圖。

圖3 快速傅里葉變換流程圖

3.2 看門狗程序設(shè)計(jì)

在抗干擾方面有許多技術(shù),如加硬件看門狗電路以及設(shè)計(jì)軟件陷阱等。程序在運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到程序跑飛或者陷入死循環(huán),由于采用的單片機(jī)當(dāng)中自帶有看門狗技術(shù),所以程序調(diào)用內(nèi)部看門狗,程序在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)不斷地喂狗來(lái)檢測(cè)是否陷入死循環(huán)或者有沒(méi)有跑飛[5],若有,則根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)的處理。通過(guò)看門狗技術(shù),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是利用非接觸式的雙激光束多普勒效應(yīng)測(cè)量流體的流速以及判斷流體的流動(dòng)方向。由于激光探測(cè)器的靈敏度極高,可以在瞬間測(cè)量出流體的流速,不僅適用于測(cè)量緩慢的流體的速度,還適用于測(cè)量瞬時(shí)變化的流體速度。比如測(cè)量一直以來(lái)困擾著人們的大氣湍流的速度。在實(shí)驗(yàn)室條件下,通過(guò)多次測(cè)量水流的流速,得到的結(jié)果與實(shí)際值基本上一致。

[1]孫渝生,趙建新,范麗娟.激光多普勒測(cè)速技術(shù)的最新發(fā)展[J].技術(shù)綜述,1998,21(2) :214-216.

[2]陳長(zhǎng)纓.一種新型激光多普勒振動(dòng)傳感器[J].光電工程,1997,24(2) :120-122.

[3]李正正,蔡虹,洪小剛,等.雙光束激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)[J].物理實(shí)驗(yàn),2005,25(3) :44-47.

[4]劉慶杰,藺啟忠,王欽軍,等.基于連續(xù)快速傅里葉變換的紅外光譜處理技術(shù)[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,12(12) :3279-3282.

[5]張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2012.

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