基于LabVIEW的FFT光纖渦輪流量測量系統(tǒng)研究

杜玉環(huán)，郭迎清，薛海東，張小棟，丁 毅

(1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西西安 710072；2.西安交通大學機械工程學院，陜西西安 710049；3.中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南株洲 412002)

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基于LabVIEW的FFT光纖渦輪流量測量系統(tǒng)研究

杜玉環(huán)1，郭迎清1，薛海東1，張小棟2，丁 毅3

(1.西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西西安 710072；2.西安交通大學機械工程學院，陜西西安 710049；3.中航工業(yè)航空動力機械研究所，湖南株洲 412002)

光纖式渦輪流量計是一種應用前景廣闊的流量測量裝置。文中在分析光電頻率信號處理方法的基礎上，采用了FFT頻譜分析法在LabVIEW軟件中開發(fā)了仿真測試平臺，通過仿真分析，驗證了該方法在頻率測量應用中具有抗干擾性強和高精度等優(yōu)點；并進一步搭建了流量模擬測試系統(tǒng)進行實驗，通過軟硬件的結(jié)合，實驗驗證了該流量測試系統(tǒng)能夠達到0.5%以上的測試精度。

渦輪流量計；光纖傳感器；頻率；FFT

0 引言

電磁式渦輪流量計是目前在液體流量測量中使用較為廣泛的一種測量裝置，但是它在小流量的測量中容易出現(xiàn)阻力損失大而卡死不轉(zhuǎn)的情況。而光纖傳感器近些年發(fā)展迅速，應用十分廣泛[1-2]，因此將強度反射式光纖和渦輪流量計相結(jié)合為流量檢測提供了一種新思路。將光纖探頭安裝在渦輪頂端，隨著渦輪轉(zhuǎn)動，葉片將影響反射光強而產(chǎn)生光脈沖信號。而體積流量與轉(zhuǎn)動頻率有這樣的對應關(guān)系qv=f/K，其中K為儀表系數(shù)。李質(zhì)勇等[3-5]提出了一種光纖渦輪流量計，給出了整體結(jié)構(gòu)設計，除了光纖傳感器部分，其他部件與傳統(tǒng)電磁式渦輪流量計結(jié)構(gòu)基本相同，其中指出光纖渦輪流量計輸出信號為頻率信號。因此渦輪轉(zhuǎn)動頻率的測量是否準確對于流量測量十分重要。頻率的傳統(tǒng)測量方法有測頻法、測周法和測頻測周法，但對于帶有強干擾的周期信號，用傳統(tǒng)的計數(shù)方法進行測量是極其困難的，其主要原因有兩個方面：一是計數(shù)法頻率測量抗干擾能力差；二是計數(shù)法在頻率測量中信號觸發(fā)閾值的設定是一個十分難以解決的問題，尤其是信號受到高頻噪聲和A/D轉(zhuǎn)換精度的影響而圍繞閾值信號上下波動導致多計數(shù)的測量誤差[6]。查美生等[7]采用電磁式流量計，利用頻譜分析的方法對輸出的流量信號進行處理，結(jié)果表明此法抗干擾性和可靠性強，精度較高。而徐科軍等[8]在對渦街流量計的信號進行數(shù)字處理的時候，也采用了快速傅里葉變換(FFT)的功率譜分析方法在DSP中實現(xiàn)了頻率的測量。 因此，快速傅里葉變換的方法在頻率的測量中是一種行之有效的方法。一方面，頻譜分析法能夠有效抑制干擾信號對頻率測量的影響；另一方面，頻譜分析法在頻率測量時不存在觸發(fā)信號電平閾值的問題，所以測量精度較高。

本文將在分析和研究頻譜分析法的基礎上，在LabVIEW環(huán)境下采用FFT方法建立頻率仿真系統(tǒng)，對于頻率可調(diào)的仿真信號進行頻率測量分析。進一步，為了驗證此法的正確性，本文將在實驗室中搭建模擬流量信號的測試系統(tǒng)，通過實驗驗證來分析該測試方法在流量測量中的應用。

1 頻譜分析法的核心

基于頻譜分析法測量渦輪轉(zhuǎn)動頻率的核心是傅里葉變換。根據(jù)傅里葉變換的定義，在某一頻率w下，信號的幅度譜函數(shù)反映了頻率為w的正弦分量相對值的大小。所以在渦輪轉(zhuǎn)動頻率的測量中，采集足夠長的樣本信號，經(jīng)過時頻域轉(zhuǎn)換，找出信號頻域?qū)淖畲蠓茸V的頻率分量，這個分量就是周期信號的基頻，即渦輪的轉(zhuǎn)動頻率，而別的頻率分量則為諧波分量。將離散采樣信號由時域變換到頻域的一種常用算法是離散傅里葉變換(DFT)，由于直接采用 DFT 算法效率較低，在應用中一般采用它的一種快速算法，即快速傅里葉變換(FFT, Fast Fourier Transformation)。

設WN=e-j2π/N,則N點信號序列x(n) (n=0,1,…,N-1)的DFT為

(1)

設N=r1r2，則n和k可以分解為[9]

n=n1r1+n0,n0=0,1,…,r1-1;n1=0,1,…,r2-1

k=k1r2+k0,k0=0,1,…,r2-1;k1=0,1,…,r1-1

(2)

根據(jù)式(2),x(n)和X(k)分別可以表示成x(n1,n0)和X(k1,k0)，則有式(3)。

(3)

此時，利用式(3)的總的乘數(shù)次數(shù)為M=N(r1+r2)次，比用直接計算式(1)所需的乘法次數(shù)N2少得多。再繼續(xù)這樣把N分解下去，若N可以分解為N=r1r2…rm，總的乘法次數(shù)就由N2減少至M=N(r1+r2+…rm)。

2 LabVIEW仿真系統(tǒng)的搭建與驗證

本文在LabVIEW2010環(huán)境下搭建測頻測流量的仿真系統(tǒng)，也就是將可調(diào)頻率的仿真信號通過FFT方法轉(zhuǎn)換至頻域，從中找出基頻信號所對應的頻率值并將其轉(zhuǎn)換成流量值顯示。LabVIEW測量系統(tǒng)的搭建包括后面板程序的搭建和前面板的界面設計。

2.1 后面板程序的搭建具體步驟

(1)仿真信號的產(chǎn)生：在LabVIEW的信號產(chǎn)生模板中找到信號發(fā)生器，使它產(chǎn)生一個方波信號，并加入高斯噪聲信號。為了方便調(diào)節(jié)頻率信號，在頻率選項中引出一個旋鈕控件。因此，該信號可以表示渦輪轉(zhuǎn)動光纖傳感器所輸出光電信號。

(2)FFT的實現(xiàn)方式：將產(chǎn)生的信號輸入到快速傅里葉變換(FFT)模塊中，使時域信號變?yōu)轭l域信號。LabVIEW與matlab的混合編程，可以通過調(diào)用LabVIEW中的matlabscript節(jié)點實現(xiàn)。其中，matlabscript節(jié)點本身具有多輸入多輸出的特點，一次處理的信息量可以很大。因此在matlab中，根據(jù)FFT的數(shù)學原理，添加采樣率、采樣數(shù)等參數(shù)，編程實現(xiàn)采樣、低通濾波和FFT操作處理，經(jīng)調(diào)試無誤后，導入到matlabscript節(jié)點中，然后在LabVIEW中，通過調(diào)用仿真信號，將輸出的頻率和幅頻信號通過“數(shù)組最大值與最小值”模塊處理，最終可以得到基頻信號的數(shù)值。然后再添加儀表系數(shù)輸入設置控件，將渦輪轉(zhuǎn)動的頻率信號轉(zhuǎn)換為所要測得的流量值通過數(shù)值輸出控件和波形圖兩種方式實時顯示出來。最后，在整個程序外插入while循環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)程序的連續(xù)運行。

2.2 前面板控件的布局及界面設計

如圖1所示，界面設計有3個波形顯示圖：一個作為信號發(fā)生器產(chǎn)生的模擬流量信號顯示的波形圖；一個作為FFT變換后產(chǎn)生的頻譜顯示波形圖；一個作為測量流量信號顯示的波形圖。添加一個旋鈕控件，實現(xiàn)對發(fā)生信號的波形圖進行頻率調(diào)節(jié)。分別添加3個數(shù)值顯示控件，實現(xiàn)輸入頻率信號、最大頻率(即轉(zhuǎn)速)信號和流量信號的數(shù)值顯示；1個數(shù)值輸入控件用以設定儀表系數(shù)的大小；1個數(shù)據(jù)保存路徑顯示控件用來顯示當前流量數(shù)據(jù)的保存路徑和文件名；1個布爾控件可以控制是否開始保存數(shù)據(jù)；1個指示燈控件用以指示是否正在保存數(shù)據(jù)；1個停止控件用以終止程序運行。

圖1 仿真系統(tǒng)前面板界面圖

2.3 仿真實驗結(jié)果與誤差分析

運行所搭建的系統(tǒng)后，調(diào)節(jié)旋鈕改變仿真信號輸入的頻率值，觀察經(jīng)過FFT變換處理后輸出的轉(zhuǎn)動頻率，如表1所示。觀察頻譜圖可以看出，F(xiàn)FT方法將基頻信號和噪聲信號完全分離，不受干擾信號的影響，可以較準確地提取出基頻信號。

根據(jù)FFT方法的原理，其測量頻率時的誤差來源主要有量化誤差，而該誤差是無法避免的，只能減小。參考文獻[10]，理論上FFT方法的最大誤差的值為

式中：fs為采樣頻率;fi為輸入信號頻率;Ns為采樣點數(shù)。

因此，在采樣點數(shù)一定時，最大誤差取決于fs/fi。若系統(tǒng)測量精度要求在0.5%，當采樣點數(shù)Ns=1 000，則fs/fi=5。當前系統(tǒng)fi上限輸入頻率為500 Hz，則fs=2 500 Hz。另一方面，滿足奈奎斯特采樣定理的前提下，采樣頻率越高，信號分辨率就越高，所以應該盡量取大些。實際應用中，一般取最高分析頻率的5～10倍。該仿真系統(tǒng)中取fs=2 500是合理的。

按照以上參數(shù)設置，仿真結(jié)果參見表1。在0～500 Hz的頻率范圍內(nèi)隨機取值，測量誤差都在0.5%以內(nèi)，說明該方法的可靠性強，有較高的測量精度。

表1 輸入頻率與輸出頻率仿真數(shù)據(jù)表

3 流量模擬實驗系統(tǒng)驗證

基于對FFT算法和基于LabVIEW的流量仿真系統(tǒng)的研究，本文進一步通過實驗的手段來驗證光纖流量測量系統(tǒng)。在實驗室按照圖2的結(jié)構(gòu)搭建光纖渦輪流量模擬測試系統(tǒng)。

圖2 光纖渦輪流量測量模擬測試系統(tǒng)圖

液體沖擊渦輪葉片使其轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動信號為光纖探頭所拾取，經(jīng)過硬件電路轉(zhuǎn)換處理后將電壓信號傳入高速數(shù)據(jù)采集卡與計算機連接進行測試。在實驗室條件下，渦輪被流體沖擊轉(zhuǎn)動的過程，選用一套可控轉(zhuǎn)速的渦輪轉(zhuǎn)子試驗臺來模擬。該試驗臺的渦輪有32個葉片，它被安裝在軸承上，用轉(zhuǎn)速控制儀來調(diào)整其轉(zhuǎn)動的速度。傳感器的安裝如圖3所示，傳感器探頭為帶螺紋部件，探頭固定件上有相對應的螺紋孔，可將傳感器固定在固定架上，垂直正對模擬葉片頂端面；同時，通過探頭進入螺紋孔的深度可調(diào)解傳感探頭的光纖出射端與葉片頂端面的相對位置。為了保護探頭，光纖出射端一般凹入螺紋孔0.5 mm，以防止探頭被葉片損傷。

圖3 光纖探頭安裝示意圖

硬件系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換器，放大模塊和濾波模塊，如圖4所示。數(shù)據(jù)采集卡采用DAQCard-6024E。DAQCard-6024E是高性能E系列數(shù)據(jù)采集卡，采樣速率可達200 kS/s、12位分辨率、16路單端模擬輸入。同時提供數(shù)字觸發(fā)、2路12位模擬輸出、2個24位20 MHz計數(shù)器/定時器和8條數(shù)字I/O線。數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動方式使用NI公司提供的LabVIEW DAQ庫直接對端口進行操作，即內(nèi)置式驅(qū)動。在使用時需要安裝相應產(chǎn)品的驅(qū)動。然后就可以在驅(qū)動程序的用戶接口MAX(Measurement & Automation Explorer)中對硬件進行各種必要的設置和測試。

圖4 硬件系統(tǒng)模塊圖

對于LabVIEW功能方面，基于仿真系統(tǒng)，將仿真信號替換為PC-DAQ采集的實際采集的電壓信號，添加了表盤控件能夠直觀顯示流量的變化范圍。

將轉(zhuǎn)速控制儀設置轉(zhuǎn)速為124 r/min，則渦輪轉(zhuǎn)動的實際輸入頻率應是66.13 Hz，運行界面如圖5所示，其測量結(jié)果顯示渦輪轉(zhuǎn)動頻率為66.05 Hz，故頻率測量的誤差為0.016%，說明該方法在實際測量中能夠有效實現(xiàn)高精度頻率測量。

圖5 實驗運行界面

實驗表明該套測量系統(tǒng)的測量效果較好，但在改善實驗室測量環(huán)境能夠使測量誤差進一步減小，主要考慮兩個方面：(1)轉(zhuǎn)速控制器的不穩(wěn)定造成的誤差：將轉(zhuǎn)速設置為某值的時候，會出現(xiàn)±1的跳動；(2)光干擾造成的誤差：光纖傳出的光信號易受其他同波長的光干擾，需要全密封裝置。

由于本測試系統(tǒng)重點著眼于應用在流量測量上，其中也添加了流量轉(zhuǎn)換功能與顯示功能，可以在實驗的基礎上方便地移植到實際流量測量的應用中。

4 結(jié)束語

通過本文的研究，得出以下結(jié)論：

(1)所采用的FFT方法應用于渦輪轉(zhuǎn)動頻率和流量的測量具有獨特的優(yōu)勢，通過仿真測試系統(tǒng)的研究表明，它能夠在頻域?qū)⒏蓴_信號和渦輪轉(zhuǎn)動信號明顯地分離區(qū)別，因此對于具有強干擾的頻率信號也能夠準確地測出；

(2)在實驗室搭建了光纖渦輪流量模擬測試系統(tǒng)，通過對渦輪轉(zhuǎn)速的控制和調(diào)節(jié)，從原理上驗證了光纖渦輪流量測試系統(tǒng)的可靠性；

(3)實現(xiàn)了計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對流量模擬測試系統(tǒng)的自動采集、實時處理、顯示和保存等功能，借助于LabVIEW 強大的開發(fā)平臺，開發(fā)了界面友好的測試系統(tǒng)。系統(tǒng)測試精度高、使用維護方便。

[1] UDD E.Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists.New York: Wiley,1991：9-10.

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Fiber Turbine Flow Measurement System with FFT Based on LabVIEW

DU Yu-huan1，GUO Ying-qing1，XUE Hai-dong1，ZHANG Xiao-dong2，DING Yi3

(1.School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China； 2.School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 3. AVIC Aviation Power Machinery Research Institute, Zhuzhou 412002, China)

Fiber turbine flowmeter has broad prospects in flow measurement. Based on the analysis of methods about photoelectric frequency signal processing, the FFT spectrum analysis method was adopted in this paper.And then, a simulation testing system was developed in the LabVIEW. The method was proved with strong anti-interference and high accuracy in frequency measurement by simulation analysis. Further, the flow experiment system was built by combining hardware and software. By means of experiment, it has been verified the accuracy of the flow measurement system can reach higher than 0.5%.

turbine flowmeter;fiber optical;frequency;FFT

2015-02-09 收修改稿日期：2015-06-10

TP274

A

1002-1841(2015)11-0056-03

杜玉環(huán)(1988—),博士研究生，研究方向為航空宇航推進理論與工程。E-mail： duyuhuan@mail.nwpu.edu.cn 郭迎清(1964—),教授，博導,主要研究領(lǐng)域為智能發(fā)動機與發(fā)動機先進控制技術(shù)、發(fā)動機液壓機械裝置性能分析與優(yōu)化設計、推進系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視與健康管理技術(shù)。 E-mail：yqguo@nwpu.edu.cn