基于激光自混合散斑干涉的微小流量檢測

伊鵬宇,王世博,張子超,馬 愷,孫翰文,張婷婷,姜春雷

(1.東北石油大學(xué),電氣信息工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163318;2.廊坊中燃宏勝能源科技有限公司 工程技術(shù)部,河北 廊坊 065000)

0 引 言

流量計量是計量科學(xué)技術(shù)的重要組成部分,它與國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)、科學(xué)研究有密切的關(guān)系?？萍嫉陌l(fā)展離不開計量科學(xué)的進(jìn)步,尤其當(dāng)今航天、航空等國防事業(yè)迅猛發(fā)展,對流量計量[1]的要求也在不斷提高,研制出檢測微小流量的流量計便愈發(fā)重要[2]。

2005年,蔡光節(jié)[3]利用容積式流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表,實現(xiàn)一套不確定度為0.19%高精度流量計自動檢測系統(tǒng)。2007 年,胡長嶺等[4]設(shè)計了一種利用電子流量計作為標(biāo)準(zhǔn)表的流量計標(biāo)定系統(tǒng),該系統(tǒng)解決了對油井生產(chǎn)過程中油井產(chǎn)量的準(zhǔn)確計量問題；2014年,郭輝[5]完成了稱量法和標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的流量計檢定裝置的設(shè)計,其標(biāo)準(zhǔn)表法和稱量法的不確定度分別為0.25%和0.05%。隨著生物醫(yī)藥等行業(yè)的興起,流量測量正在向高精度、小流量的精確檢測方向發(fā)展,對小流量的測量需求逐漸凸顯。對微小流量計的研究也成為越來越多科學(xué)工作者的主要研究方向。因而,利用敏感的干涉光[6]測量液體流量進(jìn)入了人們的視野。當(dāng)一束激光照射到運(yùn)動的流體表面,部分光由流體中各個不同面元散射回到激光腔與激光器內(nèi)腔原有激光相互耦合,因該反饋光攜帶著目標(biāo)物體的運(yùn)動信息,該混合過程起到調(diào)制激光器輸出功率的作用[7],從而形成激光自混合散斑。利用目標(biāo)物體散射或反射回來的自混合散斑信號[8],通過CCD(Charge-Coupled Device)攝像機(jī)可分析物體表面[9],也可測量物體的速度[10]和距離[11]等。

筆者利用散射或反射回激光腔內(nèi)部的散斑信號實現(xiàn)流量測量。利用半導(dǎo)體激光器采集由目標(biāo)流體散射或反射回來的散斑信號,通過快速傅里葉變換對信號進(jìn)行頻譜分析[12],根據(jù)擬合得到的平均頻率與速度的直線,結(jié)合管道參數(shù)求解出流量大小。該方法具有成本較低,結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。由于其可實現(xiàn)微小流量檢測,因而在工業(yè)應(yīng)用、科學(xué)實驗和生物醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1 微小流量檢測的工作原理及實驗裝置

1.1 微小流量檢測的工作原理

激光束照射在流體上時,由于流體中各個面元的散射,攜帶流體運(yùn)動信息的反饋光與激光腔內(nèi)的光混合,從而調(diào)制激光器的輸出功率和頻率。由于流體產(chǎn)生的動態(tài)散斑隨時間改變,對光強(qiáng)的變化不需要外加光電檢測器探測,在自混合散斑干涉中可直接利用激光器內(nèi)部封裝的光電探測器加以確定。

圖1 自混合散斑干涉示意圖

由圖1可知,當(dāng)M1定義為空間坐標(biāo)的原點,則從M1發(fā)出的光場表示式為

(1)

(2)

其中nc為激光器內(nèi)腔復(fù)折射率,nc=n0-ig0,LD為激光器內(nèi)腔長,k是波矢值,r1,r2為激光腔面M1的反射系數(shù)。另一部分光透過M2被粗糙面T反射并耦合進(jìn)激光腔,當(dāng)返回到M1時它的光波光場為

(3)

其中ξ是激光內(nèi)腔到激光器外腔的耦合系數(shù),U0和φ是表面散射的光波振幅和相位的變化,x和y為在管道T上的坐標(biāo),LE為外腔長,f是照射到粗糙平面并返回的光耦合至激光腔內(nèi)的反饋比。

這兩束光在M1處發(fā)生疊加,根據(jù)閾值條件,可得

根據(jù)式(4)可知,角頻率的變化和輸出增益

(5)

(6)

(7)

(8)

其中Fi是傅立葉頻譜中對應(yīng)頻率fi的模,并且平均頻率與速度V的線性關(guān)系可表示為

(9)

1.2 微小流量檢測裝置的硬件構(gòu)成

圖2 實驗裝置原理圖

為驗證基于激光自混合散斑的流體流量測量的理論分析結(jié)果,筆者搭建了實驗平臺。實驗裝置圖如圖2所示。實驗中,使用波長為650 nm的光源,輸出功率為5 mW,半導(dǎo)體二極管(LD：Laser Diode)中內(nèi)置光電二極管(PD：Photodetector),型號為QL65D5SA,QSI,Korea,并由包含跨阻放大器的恒流源(LD1255R)在28 mA的電流下驅(qū)動。目標(biāo)物體為充滿勻速流動液體的透明圓柱型管道。自混合干涉散斑信號由內(nèi)置PD進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換,由數(shù)據(jù)采集卡(NI-4431)采集后傳輸給計算機(jī)(PC),通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對該數(shù)據(jù)通過快速傅里葉變換獲得相應(yīng)散斑頻移,將該頻移代入式(8)中可獲得平均頻率。參考流量由微小液體流量傳感器提供。

2 測量實驗與結(jié)果

首先,按照上述的硬件構(gòu)成拼接好實驗裝置,檢查元件是否完好,檢查各部分實驗器材的拼接是否完整,同時在裝有液體的裝置中放入小顆粒物質(zhì),保證激光束可反饋信息。這時,通過五維調(diào)整臺,打開水泵使液體勻速流動。同時,打開恒流源,使激光束照射在充滿液體的透明管道上,隨著水泵的驅(qū)動,混入固體小顆粒的水會流動,激光束打在流動的小顆粒產(chǎn)生反射反饋,同時利用Matlab軟件進(jìn)行分析。待取得完整穩(wěn)定的波形,關(guān)閉恒流源使激光器停止工作,最后關(guān)掉水泵電源,通過信號采集及處理,獲得散斑頻移圖像如圖3所示。

(10)

利用計算機(jī)將圖3的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到圖4所示的試驗結(jié)果。由圖4可見,頻率越高,其速度越大,結(jié)合管道參數(shù)確定其截面面積,速度與時間的乘積與截面積相乘便確定液體流量。分析圖4可知,其最大相對誤差為1.13%,證明了該方法的有效性和準(zhǔn)確性。試驗結(jié)果表明,通過多普勒測速法進(jìn)行微小流量的檢測,其測量精度更高,測量時間更快,利用該原理設(shè)計的實驗裝置也更加簡單方便,在工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域?qū)⒂懈訌V泛的應(yīng)用。

圖3 獲得的激光自混合散斑頻移圖 圖4 平均頻率-速度關(guān)系圖Fig.3 The speckle frequency shift diagram of laser self-mixing Fig.4 Average frequency-speed diagram

3 結(jié) 語

為滿足計量行業(yè)測量精度高、速度快的要求,筆者提出利用激光自混合散斑干涉測量微小流量的技術(shù),并給出了該實驗裝置的工作原理和裝置構(gòu)成。通過分析實驗原理搭建了實驗裝置,通過平均頻率法結(jié)合管道參數(shù)從而擬合出流體流量曲線。實驗結(jié)果表明,利用此實驗裝置可精準(zhǔn)測量流體流量,測量過程比較簡單,測量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。通過分析可知,其測量誤差較小,且裝置的結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,滿足計量行業(yè)對流量檢測的要求,其未來的應(yīng)用領(lǐng)域也會更加廣闊。