壓管機(jī)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(shù)發(fā)展，振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，在測(cè)量中的重要性也日益突出，同時(shí)對(duì)測(cè)振技術(shù)的要求也越來越高，不僅要求測(cè)量精確度高、信號(hào)采集速度快、抗干擾性強(qiáng)，還要滿足在某些苛刻環(huán)境下的測(cè)量，比如高溫、高壓、高速、腐蝕、放射的等場(chǎng)合。激光多普勒測(cè)振技術(shù)是近幾年最具發(fā)展?jié)摿Φ臏y(cè)振技術(shù)之一，在測(cè)振方面有著非入侵、遠(yuǎn)距離、高精確度、快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)。本文主要工作如下：1.本文以激光多普勒測(cè)振技術(shù)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(duì)激光多普勒測(cè)振技術(shù)的理論分析，闡述了激光多普勒測(cè)振的三個(gè)模型，以及各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙散射光束型差動(dòng)光路模型。3.對(duì)激

2、光多普勒測(cè)振儀光電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，采用前置差分放大電路采集微弱信號(hào)，二階有源濾波電路除去噪聲。4.對(duì)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真，完成了光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的仿真調(diào)試。關(guān)鍵詞:激光多普勒效應(yīng)，振動(dòng)測(cè)量，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，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(cè)振技術(shù)的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀3第2章 激光多普勒測(cè)振儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1 光的多普勒效應(yīng)與激光測(cè)振原理32.2 激光多普勒檢測(cè)模型的選擇與光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32.2.1 光學(xué)差拍技術(shù)與外差檢測(cè)模型32.2.2 激光多普勒測(cè)振儀光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32.3 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換算法分析32.3.1 光電檢測(cè)器件32.3.2 光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.5 光電信號(hào)轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)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(jié)與展望3致 謝3參考文獻(xiàn)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(shù)的飛速發(fā)展，振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的在工程技術(shù)中應(yīng)用越來越廣，其重要性日益體現(xiàn)，對(duì)測(cè)振技術(shù)的要求也越來越高，不僅要求測(cè)量精確度高、信號(hào)采集速度快、抗干擾性強(qiáng)，還要滿足在某些苛刻環(huán)境下的測(cè)量，比如高溫、高壓、高速、腐蝕、放射的等場(chǎng)合。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)振方法由于檢測(cè)裝置與被測(cè)對(duì)象接觸，形成干擾，并且無(wú)法得到準(zhǔn)確的被測(cè)對(duì)象實(shí)時(shí)動(dòng)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(cè)振技術(shù)具有極高的應(yīng)用價(jià)值，成為測(cè)振

10、技術(shù)發(fā)展的主流方向。激光多普勒技術(shù)是一門將光學(xué)多普勒效應(yīng)與光學(xué)外差干涉檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，而將激光多普勒技術(shù)應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)量，利用光外差檢測(cè)技術(shù)提取低頻干涉信號(hào)中的振動(dòng)信息，具有高精確度、非入侵式、抗干擾強(qiáng)、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，是近幾年最具發(fā)展?jié)摿Φ臏y(cè)振技術(shù)之一。本文結(jié)合課題介紹激光多普勒技術(shù)的發(fā)展歷程，分析激光多普勒測(cè)振技術(shù)的原理，研究激光多普勒測(cè)振儀的應(yīng)用1.2 激光多普勒測(cè)振技術(shù)的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀多普勒效應(yīng)最早是在1842年由奧地利數(shù)學(xué)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(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)

11、離觀察者時(shí)接收頻率變低【1】。比如，當(dāng)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(diào)也越來越尖，而當(dāng)警車呼嘯而去的時(shí)候，行人聽到的鳴笛聲越來越弱，音調(diào)越來越低。這是由于振源與觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(duì)論證明了，聲波中存在的多普勒效應(yīng)在光波中也同樣存在后，1960年，第一臺(tái)激光器的誕生使多普勒效應(yīng)的應(yīng)用從聲學(xué)領(lǐng)域開始擴(kuò)展到了光學(xué)領(lǐng)域。從1964年，Yeh與Commins首次觀察到水體流動(dòng)過程中粒子散射光的頻移【2】，證實(shí)激光多普勒頻移可以用來測(cè)量流體速度，至今，激光多普勒技術(shù)已經(jīng)歷了50多年的發(fā)

12、展，而激光多普勒測(cè)振技術(shù)最早便是從激光多普勒測(cè)速技術(shù)上發(fā)展而來的，其發(fā)展過程主要可分為以下三個(gè)階段1,2,3：60年代激光多普勒技術(shù)發(fā)展初期。受光學(xué)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用調(diào)試不便、光學(xué)效率和性能太低的影響，同時(shí)，各種外差檢測(cè)模型還未被證實(shí)，頻譜分析儀的精度太低耗時(shí)過長(zhǎng)，新的數(shù)據(jù)處理無(wú)法推廣應(yīng)用等各方面外部條件的限制，多普勒技術(shù)雖然很早出現(xiàn)，但在該時(shí)期沒能得到很好的發(fā)展推廣。即使是在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)也只停留在低湍流條件下的流體流速測(cè)量，并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果不精確，以平均速度分布為主。70年代激光多普勒技術(shù)發(fā)展中期【3】。這是多普勒技術(shù)發(fā)展最為活躍的一個(gè)時(shí)期，在這期間，近代光學(xué)技術(shù)發(fā)展起來，光學(xué)頻移、頻率分離、空

13、間慮波、偏振分離等技術(shù)的在多普勒技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。集成光學(xué)單元的發(fā)展使激光多普勒系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)更為緊湊，調(diào)試也更為簡(jiǎn)便，為更復(fù)雜高效的光路系統(tǒng)的出現(xiàn)提供可能。新的信號(hào)處理方法的出現(xiàn)，以及相應(yīng)信號(hào)處理器的開發(fā)應(yīng)用，也為激光多普勒技術(shù)的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。1975年，在丹麥?zhǔn)锥寂e辦了“激光多普勒測(cè)速國(guó)際討論會(huì)”，標(biāo)志著這一技術(shù)的成熟【4】。80年代至今是激光多普勒技術(shù)步入實(shí)用型的一個(gè)階段。在這一時(shí)期，激光多普勒技術(shù)的應(yīng)用不在局限于最初的流體力學(xué)研究應(yīng)用，它被不斷的應(yīng)用于實(shí)際工程、質(zhì)量檢測(cè)、醫(yī)療檢查等領(lǐng)域，比如醫(yī)學(xué)上的彩超、模型的模態(tài)特性分析、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)、在線控制、結(jié)構(gòu)探傷等。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上

14、的激光測(cè)振儀大致有一下幾種【5】：?jiǎn)吸c(diǎn)式激光測(cè)振儀、掃描型激光測(cè)振儀、三維激光多普勒測(cè)振儀、遠(yuǎn)程激光測(cè)振儀、多點(diǎn)式激光多普勒測(cè)振儀、激光脈沖多普勒測(cè)振儀，我國(guó)的激光多普勒技術(shù)水平跟國(guó)際還有不少差距，自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)、微型便攜式、大尺寸物體振動(dòng)測(cè)量是近幾年的發(fā)展趨勢(shì)。第2章 激光多普勒測(cè)振儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 光的多普勒效應(yīng)與激光測(cè)振原理任何形式的波在傳播當(dāng)中，當(dāng)波源移向觀察者時(shí)，觀察者接收到的頻率變高，而當(dāng)波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，觀察者接受到的頻率變低，這種現(xiàn)象稱為“多普勒效應(yīng)”，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(xué)多普勒效應(yīng)”。本文就是利用光的多普勒效應(yīng)，通過測(cè)量振動(dòng)物體表

15、面漫反射回來的相干光波，經(jīng)過信號(hào)的調(diào)制分析，還原光波中所攜帶的振動(dòng)信息（多普勒頻移）。下面從三種情況分析光的多普勒效應(yīng)。1.光源由運(yùn)動(dòng)光源發(fā)出，到達(dá)靜止觀察點(diǎn)圖2.1 運(yùn)動(dòng)光源產(chǎn)生的多普勒頻移如圖2.1所示，運(yùn)動(dòng)光源S發(fā)出的光波頻率為f到達(dá)靜止的觀察點(diǎn)B，S的運(yùn)動(dòng)速度為v，與光波傳播方向的夾角為。初始時(shí)，光源S與觀察點(diǎn)B的距離為c·t，當(dāng)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)，光源到觀察點(diǎn)的距離被壓縮為（c-vcos）·t。因此，B點(diǎn)接受到的光波的波長(zhǎng)為： （2.1）對(duì)應(yīng)的頻率為： （2.2）在光源運(yùn)動(dòng)速度v遠(yuǎn)小于光速c的情況下，B點(diǎn)接收到的光波與S點(diǎn)發(fā)出的光波的頻移量近似為： （2.3）2.光波由靜

16、止光源發(fā)出，到達(dá)運(yùn)動(dòng)觀察點(diǎn)圖2.2 觀察點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(dá)運(yùn)動(dòng)觀察點(diǎn)B，B點(diǎn)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(yùn)動(dòng)物體散射，到達(dá)靜止觀察點(diǎn)圖2.3 經(jīng)運(yùn)動(dòng)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(dá)速度為v的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)B，產(chǎn)生第二次多普勒頻移。光波達(dá)到運(yùn)動(dòng)物體P經(jīng)歷第一次多普勒效應(yīng)，由于式（2.4）其表達(dá)式為： （2.6）散射光達(dá)到B點(diǎn)經(jīng)歷第二次多普勒效應(yīng)，由式（2.2）得到其表達(dá)式為： （2.7）其中，1為SP與物體P運(yùn)動(dòng)

17、方向v的夾角，2為PB與物體P運(yùn)動(dòng)方向v的夾角。在物體運(yùn)動(dòng)速度v<<c情況下，經(jīng)過兩次多普勒變換后，最終的頻移量近似為： （2.8）通過三角變換可得： （2.9）由圖（2.3）可知： （2.10） （2.11）式中，為散射角，為PQ與運(yùn)動(dòng)速度方向的夾角，PQ為SPB的角平分線。根據(jù)三角關(guān)系： （2.12） （2.13）將和替換1、2，代入公式（2.9）得到： （2.14）可化解為用波長(zhǎng)表示： （2.15）這就是多普勒頻移方程最常用的表達(dá)式了?？梢?，多普勒頻移與速度v在散射方向上的分量vcos和散射半角的正弦值有關(guān)。在簡(jiǎn)諧振動(dòng)中，速度v與時(shí)間t的關(guān)系為： （2.16）位移x與時(shí)間t的

18、關(guān)系為： （2.17）式中，fP為簡(jiǎn)諧振動(dòng)物體的振動(dòng)頻率，將式（2.16）代入式（2.15），可得到在簡(jiǎn)諧振動(dòng)中多普勒頻移與時(shí)間的關(guān)系式： （2.18）可見，在光在經(jīng)過做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的物體散色后，產(chǎn)生的多普勒頻移信號(hào)的周期與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期相等，多普勒頻移信號(hào)的幅值與簡(jiǎn)諧振動(dòng)的幅值和頻率的乘積成正比。2.2 激光多普勒檢測(cè)模型的選擇與光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.2.1 光學(xué)差拍技術(shù)與外差檢測(cè)模型可見光的頻率一般在1014數(shù)量級(jí)左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出光譜儀的測(cè)量范圍，在實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度相比光速要小得多，產(chǎn)生的多普勒頻移十分小。例如，設(shè)光源的頻率為5.1×1014Hz，物體的運(yùn)動(dòng)速度為20m/s，

19、則散射光的最大頻移為68MHz，是光源頻率的1/7500000，任何光電器件都無(wú)法響應(yīng)如此微小的變化，只能通過間接的方法光學(xué)外差檢測(cè)技術(shù)來測(cè)量。光學(xué)外差檢測(cè)技術(shù)是目前通用的一種激光多普勒技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、激光測(cè)速、測(cè)振、和光譜學(xué)等方面【6】。該檢測(cè)技術(shù)有別與直接檢測(cè)，不能直接探測(cè)光波的一些波形特性的變化，比如周期、振幅等，而是將兩束光頻率不同的光，經(jīng)過分光鏡和可變光闌入射到檢測(cè)器表面，進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng)，經(jīng)過檢測(cè)器光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換后得到攜帶差頻信號(hào)的輸出信號(hào)，其檢測(cè)原理如圖2.4所示。圖中，fS為信號(hào)光波的平率，fL為本機(jī)振蕩（本振）光波的頻率，它們到達(dá)檢測(cè)器表面的電場(chǎng)分別為： （2.1

20、9） （2.20）式中，A0S和A0L是兩束光波的振幅，S和L是光波的初始相位。兩束光在光電探測(cè)器表面混頻后電場(chǎng)： （2.21）由于探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度與混頻光的形成電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比： （2.22）橫線表示取時(shí)間平均，將其展開得到：（2.23）式中，為比例因子en/hv，前兩項(xiàng)為余弦平方和是定值1/2，第三項(xiàng)為高頻信號(hào)，探測(cè)器不響應(yīng)，視為0，所以式（2.23）可化簡(jiǎn)為： （2.24） (2.25)為兩光波的初始相位差，為常數(shù)。可通過電容器過濾光電感應(yīng)產(chǎn)生的直流分量，計(jì)算得到我們所要測(cè)的多普勒頻移f=fSfL。圖2.4 外差檢測(cè)原理示意圖在光外差檢測(cè)技術(shù)中，其基本光路按光學(xué)結(jié)構(gòu)分主要有三種：

21、1.參考光束型又稱基準(zhǔn)光束型，采用同一激光束分出的一束散射光與一束未經(jīng)散射的參考光束相干涉。2.單光束型又稱對(duì)稱外差型，采用同一束激光散射出的兩束不同方向上的散射光相干涉。3.雙散射光束型又稱差動(dòng)多普勒型或干涉條紋型，采用同一激光束分出的兩束入射光的散射光相干涉。參考光束型多普勒測(cè)量法參考光束型多普勒測(cè)量法的光路結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分束鏡分成兩束強(qiáng)度不同的光，光強(qiáng)較強(qiáng)的光經(jīng)過被測(cè)物體散射作為散射光，其光強(qiáng)因被測(cè)物體表面特性發(fā)生改變，光強(qiáng)較弱的光作為參考光，兩束光在光探測(cè)器的光敏面上進(jìn)行混頻。在測(cè)量中，散射光與參考光的光強(qiáng)分配難以控制，給測(cè)量帶來巨大的不變，需不斷調(diào)整。圖2.

22、5 參考光束型光路模型單光束型多普勒測(cè)量法單光束型測(cè)量光路的特點(diǎn)是：激光器發(fā)出的一束入射光直接射到被測(cè)點(diǎn)上發(fā)生散射，通過雙縫取兩個(gè)不同方向的散射光，經(jīng)反射鏡和分光鏡將兩束散射光匯聚到光電探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，得到多普勒頻移。圖2.6 單光束型光路模型雙散射光束型多普勒測(cè)量法【7,8】此光路的特點(diǎn)是：產(chǎn)生的多普勒頻移只與兩束入射光有關(guān)，與兩束散射光的頻差以及方向無(wú)關(guān)，所以可以光電探測(cè)器可以任意方向接收信號(hào)；測(cè)量時(shí)，光路調(diào)節(jié)比較容易，當(dāng)干涉條紋清晰度最高時(shí)，兩束散射光的光強(qiáng)度相等會(huì)或近似相等；可以通過大口徑的接收透鏡來提高散射光接受率。圖2.7 雙散射光束型光路模型由于雙散射光束型光路具有眾多優(yōu)勢(shì)，

23、本文采用的就是基于該模型的光路。2.2.2 激光多普勒測(cè)振儀光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖2.8 系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)圖本文以雙光束雙散射外差模型作為光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原型，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。He-Ne激光器發(fā)出的激光經(jīng)過分束鏡SP（分?jǐn)?shù)比為1:1）分成反射光S光和入射光P光，S光經(jīng)反射鏡M1調(diào)節(jié)后與P光平行，兩光通過凸透鏡L1聚焦，入射到被測(cè)物體測(cè)量點(diǎn)上發(fā)生散射，使得散射光中攜帶振動(dòng)物體的振動(dòng)信息，兩束散射光經(jīng)過L1聚焦，再次平行，通過反射鏡M2調(diào)節(jié)方向、透鏡L2聚焦，入射到光電接收器的表面，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。在激光多普勒測(cè)振中，由于多普勒測(cè)量的原理的要求，對(duì)選用的光源要求功率大且相干性良好，He-Ne激光器具

24、有輸出光束質(zhì)量好，譜線寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以本文設(shè)計(jì)用He-Ne激光器作為激光光源。2.3 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換算法分析2.3.1 光電檢測(cè)器件常用光電檢測(cè)器件有【9】：光電池、光電二極管、PIN型光電二極管、雪崩光電二極管、光電三極管、光電位置敏感器件、光電倍增管、光敏電阻，在激光多普勒測(cè)振儀中常用光電二極管、雪崩光電二極管和光電倍增管這三種，主要考慮：光電二極管的響應(yīng)頻率、靈敏度、電流放大倍數(shù)和價(jià)格參數(shù)?？紤]到散射光的信號(hào)十分微弱，選擇半導(dǎo)體雪崩光電二極管。半導(dǎo)體雪崩光電二極管又稱固態(tài)光電倍增管，具有體積小、響應(yīng)速度快、檢測(cè)靈敏度優(yōu)點(diǎn)，在檢測(cè)微弱光信號(hào)方面有巨大優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)采用高增益雪崩

25、光電二極管AD230-8，其基本參數(shù)如表2.1所示。表2.1 AD230-8基本參數(shù)型號(hào)光敏面積響應(yīng)時(shí)間光譜響應(yīng)范圍峰值波長(zhǎng)暗電流封裝AD230-8直徑230um，0.042mm2180ps4001100nm780nm左右典型值0.3nA，最大不超過1.5nATO52S32.3.2 光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖2.8是光電轉(zhuǎn)換電路的基本電路，當(dāng)光波到達(dá)光電二極管表面后，光電二極管輸出相應(yīng)大小的電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過一個(gè)積分電路，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。如圖2.9是在圖2.8的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)電容，對(duì)基本電路進(jìn)行優(yōu)化，C1減小了帶寬，C2減小了電路中的1/f噪聲。 圖2.8 基本電路 圖2.9改進(jìn)的電路本文所設(shè)計(jì)的

26、光電轉(zhuǎn)換電路如圖2.10所示，選用AD8014運(yùn)算放大器。圖2.10 光電轉(zhuǎn)換電路激光多普勒拍頻信號(hào)產(chǎn)生的電流十分微弱，所以光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)也很小，需要將電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本文設(shè)計(jì)如圖2.11所示的三級(jí)放大電路，可將電壓信號(hào)放大1000倍。圖2.11 三級(jí)前置放大電路為消除噪聲對(duì)信號(hào)的影響，設(shè)計(jì)如圖2.12所示的低通濾波電路，采用二階壓控電壓源（VCVS）切比雪夫型低通濾波器， VCVS電路有著阻抗低放大能力高的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)R3 和R4可以得到電路增益的精確值。圖2.12 濾波電路2.5 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換仿真在光電仿真過程中，由于軟件protues中沒有光電二極管元件，因此以弱電流信號(hào)替換

27、光電二極管元件，驗(yàn)證系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路的可行性。光電轉(zhuǎn)換仿真電路如圖2.13所示：C1=47pF， C2=0.1µF，R1 =10k，R2= 220。 圖2.12 光電轉(zhuǎn)換電路仿真三級(jí)前置放大電路仿真如圖2.13所示，每級(jí)放大電路都采用OP27AP放大器。 圖2.13 三級(jí)前置放大電路仿真濾波電路仿真圖如圖2.14所示：圖2.14 濾波電路仿真電路圖2.4 數(shù)據(jù)采集與處理本文主要研究激光多普勒測(cè)振儀光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，因此，對(duì)于多普勒信號(hào)的分析處理不做太多深入研究，僅僅其采樣過程和處理算法做簡(jiǎn)要分析。對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化處理，也就是A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中，為了獲得沒有失真的離散信

28、號(hào)，即保留原信號(hào)的全部信息，實(shí)在通過采樣得到離散信號(hào)時(shí)，其采樣頻率應(yīng)滿足fs>2fmax，fs為采樣頻率，fmax為連續(xù)信號(hào)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(shí)際操作中，為保證信號(hào)不失真采樣頻率fs一般不設(shè)置為被采信號(hào)最大頻率的2倍，而取最高頻率的510倍。根據(jù)仿真振動(dòng)頻率設(shè)置的情況，合理的設(shè)置采樣頻率和采樣時(shí)間，確保采樣信號(hào)不失真。信號(hào)處理算法的優(yōu)劣直接影響到最后測(cè)量結(jié)果的精確度，將傳統(tǒng)的定時(shí)測(cè)周法、定周測(cè)時(shí)法和頻譜分析法相比較，頻譜分析法有著能記錄信號(hào)，而且測(cè)量精度高、靈活性強(qiáng)、能記錄振動(dòng)規(guī)律等優(yōu)勢(shì)，而且隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析法需要較

29、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的缺點(diǎn)，也不再影響其應(yīng)用了。基于FFT頻譜分析方法在速度信號(hào)的處理分析方面應(yīng)用十分廣泛，該方法不僅計(jì)算速度快，還能在頻域內(nèi)定位。FFT即快速傅立葉變換（fast Fourier transform）【10】，是離散傅里葉變換（簡(jiǎn)稱DFT）的高效算法，可以將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)，以分析一些在時(shí)域上難以觀察出信號(hào)波形特征的信號(hào)，還可以提取信號(hào)的頻譜。相較于計(jì)算量過于龐大的DFT算法，F(xiàn)FT算法因?yàn)槔昧诵D(zhuǎn)因子的周期性大大減少了計(jì)算量，計(jì)算效率更高，應(yīng)用范圍也比DFT更廣。DFT的運(yùn)算為： （2.26）式中，旋轉(zhuǎn)因子的定義為： （2.27）旋轉(zhuǎn)因子是相位不同、振幅均為單位1的復(fù)變量

30、，是周期為N的周期函數(shù)。由于旋轉(zhuǎn)因子具有對(duì)稱特性，因此，方向相反的因子之間存在180度的相移。由這種方法計(jì)算DFT對(duì)于X（k）的每個(gè)k值，需要進(jìn)行4N次實(shí)數(shù)相乘和（4N-2）次相加，對(duì)于N個(gè)k值，共需N*N乘和N（4N-2）次實(shí)數(shù)相加。改進(jìn)DFT算法，減小它的運(yùn)算量，利用DFT中WNkn的周期性和對(duì)稱性，使整個(gè)DFT的計(jì)算變成一系列迭代運(yùn)算，可大幅度提高運(yùn)算過程和運(yùn)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?？紤]一個(gè)復(fù)數(shù)序列 x(n)，n=0，1，N-1，它是長(zhǎng)度為 N 的有限序列，假設(shè)N是偶數(shù)，則x(n)可以拆成兩個(gè)子序列：（2.28）x1(r)，x2(

31、r)，分別是序列x(n)中的偶數(shù)項(xiàng)與奇數(shù)項(xiàng)的序列，每個(gè)序列的長(zhǎng)度N/2，這種降低時(shí)域樣本采樣率的做法稱為時(shí)域抽?。―IT）。求DFT時(shí)也按奇偶兩個(gè)序列分別求和，可得到： （2.29）因?yàn)槭剑?.29）可改寫成： （2.29）其中，是兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，其旋轉(zhuǎn)因子WN/2以N/2為周期，X1(k)，X2(k)的周期也應(yīng)是N/2，可以得到： （2.30）于是可以把N點(diǎn)的DFT X (k)變換為兩個(gè)N/2的DFT X1(k)，X2(k)來計(jì)算。 （2.31）式（2.31）是快速傅里葉變換中的一種基本運(yùn)算，可用于下圖2.15所示的“蝶形運(yùn)算”流程圖來表示。輸入端是兩個(gè) N/2 點(diǎn)的 DFT，輸出得到

32、的是N點(diǎn)的 DFT。每次蝶形運(yùn)算需要作一次復(fù)數(shù)乘法和兩次復(fù)數(shù)加（減）法。圖2.15 蝶形運(yùn)算信號(hào)流程當(dāng)N取8個(gè)點(diǎn)時(shí)，其FFT信號(hào)流程如下圖2.16所示。對(duì)于一個(gè)N點(diǎn)的序列，把 DFT分成K=log2N段來計(jì)算，每一段要做 N/2次蝶形運(yùn)算，每一段需要N/2次復(fù)數(shù)乘法和N次復(fù)數(shù)加法。整個(gè) FFT只需要0.5N·log2N和N·log2N次復(fù)數(shù)加法。當(dāng)N很大時(shí)，F(xiàn)FT 可以顯著的縮短計(jì)算時(shí)間和空間。圖2.16 8點(diǎn)FFT信號(hào)流程圖第3章 誤差分析3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理光電轉(zhuǎn)換電路實(shí)際電壓輸出值與理論計(jì)較見表3.1，從3.1可見光電轉(zhuǎn)換電路的相對(duì)誤差不超過0.8%，精確度還不錯(cuò)。

33、表3.1 光電轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)記錄編號(hào)弱電流/mA理論電壓/mV輸出電壓/mV相對(duì)誤差%10.0011.001.00020.0022.001.990.530.0033.003.00040.0044.003.970.7550.0055.005.040.8圖3.1是放大電路信號(hào)響應(yīng)曲線，當(dāng)輸入電壓幅值為5mV時(shí)，輸完電壓波形的幅值約為5V，放大功率與設(shè)計(jì)要求相符。圖3.1 放大電路響應(yīng)曲線圖3.2所示是濾波電路的輸入信號(hào)為2kHz和20kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出波形的，經(jīng)過仿真測(cè)量，電路的截止頻率約為9.97kHz，與本文設(shè)定的10kHz的截止頻率存在3%的相對(duì)誤差。 圖3.2 fi =2kHz，輸出波形曲

34、線 圖3.3 fi =20kHz，輸出波形曲線3.3 誤差分析在實(shí)驗(yàn)過程中，誤差是必然存在的，接下來對(duì)本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的誤差的可能原因進(jìn)行分析：1.溫漂對(duì)系統(tǒng)電路元件參數(shù)的影響。在本文設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電路中，無(wú)論是光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路還是濾波電路都用到了運(yùn)放，運(yùn)放中晶體管對(duì)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(shí)驗(yàn)是在計(jì)算機(jī)環(huán)境下的仿真，應(yīng)該不存在溫漂，但在實(shí)際應(yīng)用中，溫漂必然存在。2.運(yùn)放噪聲引起的誤差。運(yùn)放由一些有源元件和無(wú)源元

35、件組成，會(huì)在散彈噪聲、熱噪聲、爆破噪聲、閃變?cè)肼暫脱┍涝肼?種類型的噪聲。4.光電轉(zhuǎn)換電路中，反饋電阻R2的阻值設(shè)定過大，會(huì)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(shí)際應(yīng)用中電阻實(shí)際電阻值與標(biāo)示值存在偏差，或者電阻值歲溫度變化而產(chǎn)生偏差，都會(huì)引起運(yùn)放電路的運(yùn)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(gè)方面，分析提高激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量精確度的措施：1.光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面：用聲光調(diào)制器取代1:1分束鏡進(jìn)行分束。聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)和壓電換能器構(gòu)成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)源的某種特定載波頻率驅(qū)動(dòng)換能器時(shí)，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)形成折射

36、率變化，光束通過介質(zhì)時(shí)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(yīng)的衍射分為拉曼-奈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(shí)際應(yīng)用中多采用布拉格衍射。當(dāng)頻率為f0的激光束以布拉格角入射到聲光調(diào)制器上，會(huì)分成一束頻率為f0的入射光和一束頻率為（f0+ fc）的1級(jí)衍射光，fc為聲光調(diào)制器設(shè)定的超聲波調(diào)制頻率，通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率可調(diào)節(jié)入射光與衍射光的偏轉(zhuǎn)角。聲光調(diào)制器可以調(diào)節(jié)激光束方向，控制激光束強(qiáng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)化：在實(shí)際應(yīng)用中，溫度的變化會(huì)對(duì)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(hào)失真，即產(chǎn)生了溫漂。給

37、差分放大電路增加溫度補(bǔ)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，進(jìn)一步抑制噪聲，放大有用信號(hào)，提高精確度。第5章 總結(jié)與展望在本論文中，作者完成了一下工作：1.完成對(duì)激光多普勒測(cè)振技術(shù)的理論分析，闡述了激光多普勒測(cè)振的三個(gè)模型，以及各自的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙散射光束型差動(dòng)光路模型。2.對(duì)激光多普勒測(cè)振儀光電轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一套光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，用前置差分放大電路對(duì)采集微弱信號(hào)，用二階有源濾波電路除去噪聲。3.對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真，證實(shí)了所設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路可用于采集激光多普勒信號(hào)，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過差分放大電路，和二階有源濾波電路，對(duì)信

38、號(hào)進(jìn)行放大除噪。同時(shí)也對(duì)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(shí)現(xiàn)激光多普勒測(cè)振技術(shù)，從信號(hào)發(fā)出到多普勒效應(yīng)產(chǎn)生，到光電信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，到信號(hào)采樣分析都可以式樣的仿真軟件。目前，激光多普勒測(cè)振技術(shù)的研究測(cè)試都以搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方式進(jìn)行，成本過高，隨著激光多普勒測(cè)振技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，一套專門用于開發(fā)研究記過多普勒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)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(xué)結(jié)構(gòu)和分析算法都還太簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍和測(cè)量精度都跟國(guó)外有著很大差距。3.激光多普勒測(cè)振信號(hào)拍頻算法的優(yōu)化。激光多普勒測(cè)振信號(hào)其實(shí)是一個(gè)周期信號(hào)，除了用快速傅里葉算法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)的方

39、法，尋找一套算法跟更簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)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(xué)寧波理工學(xué)院生活學(xué)習(xí)將近4年了，在這論文即將完筆之際，我的大學(xué)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(shí)過，快樂過，無(wú)論如何，我收獲了很多，在此我要寫下我誠(chéng)摯的謝意，感謝這些年所以支持、陪伴、幫助過我的同學(xué)、朋友和老師們。首先我要感謝我的論文指導(dǎo)老師馬修水老師。本論文的工作是在馬老師的悉心指導(dǎo)下完成的。馬老師是一名學(xué)術(shù)嚴(yán)謹(jǐn)知識(shí)淵博的制動(dòng)化專業(yè)教授，在學(xué)術(shù)上一直要求學(xué)生態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，工作負(fù)責(zé)。同時(shí)，他將學(xué)生視為自己的孩子，在傳授專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上，關(guān)心學(xué)生的未來，經(jīng)常教導(dǎo)我們珍惜時(shí)間，抓住機(jī)

40、會(huì)，努力學(xué)好本領(lǐng)，將來能找到好工作。馬老師還教會(huì)了我很多為人處世的方法，很多做人的道理，在潛移默化中指導(dǎo)了我的成長(zhǎng)。感謝在這幾年了馬老師所給予的父親般的關(guān)心和教導(dǎo)。其次，感謝實(shí)驗(yàn)室研究生劉杰坤學(xué)長(zhǎng)在我論文工作期間，對(duì)我論文工作的悉心指導(dǎo)和幫助，也感謝周鵬同學(xué)對(duì)我論文工作的巨大幫助。然后，感謝實(shí)驗(yàn)室的兄弟姐妹。在這大學(xué)四年里，最明智的一個(gè)決定就是進(jìn)了馬老師的實(shí)驗(yàn)室，雖然那段時(shí)間很辛苦，但是卻讓我學(xué)到了太多，也收獲了太多。在實(shí)驗(yàn)室，我結(jié)識(shí)了支雄飛學(xué)長(zhǎng)、周鵬、王侃、錢紅瑩、王帥等同學(xué)，我們一起做科研，一起完成課題項(xiàng)目，一起參加科研競(jìng)賽，不僅在工作學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)室所獲得的所有成績(jī)，都離不開他們的幫助。還要感謝我的老師同學(xué)和室友們。作為班里唯一的女生，在生活和學(xué)習(xí)上，班級(jí)老師和同學(xué)都對(duì)我頗為照顧，特別是班導(dǎo)師鐘偉紅老師和班長(zhǎng)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(duì)我的付出，感謝他們對(duì)