基于声光调制的激光干涉流体测速技术研究

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激光测量是测试计量领域不可或缺的方法,传统的流速测量方式已无法满足现代工业生产的需要,分析国内外激光流速测量技术的发展现状和趋势,针对工业生产中流速的精密测量需求,本论文提出了基于声光调制的激光干涉流体测速技术。首先,构建了基于声光调制的激光干涉流速测量系统的数学模型。测量模型以水中粒子的散射为基础,应用多普勒原理,将流速信息转换为光参量,同时对测量中的频差进行计算;通过光电探测器中二极管的混频,实现高频光信号的外差测量;采用声光调制器对参考光进行频率调制,获得具有140.3MHz稳定频差的光外差测量光路,保证了系统的抗干扰能力;对测量光路进行改进,使用双探头结构,信号接收强度提高了2倍,增强了系统的稳定性。其次,完成了系统关键器件的选型和抗干扰设计。以半导体激光器作为光源,并为此设计智能驱动电路,选取布喇格型声光器件对信号进行调制,选择了满足信号光谱灵敏度,频响特性和量子效率的光电探测器;对信号处理的电子线路,应用电磁环境抗干扰(EMC)技术,阻断干扰的传播途径,抑制干扰源噪声,加强线路的抗干扰能力。再次,对光电二极管混频后的输出信号进行了采集与处理。对采集到的微弱信号进行信噪比改善分析,通过降低系统带宽,有效提取被噪声淹没的信号,以超外差测量原理为基础,将调制后的高频信号搬移到中频波段,再对其进行解调,信号经过两次变频后可以有效消除谐波响应和噪声;根据多普勒频移信号进行时频转换的特点,提出针对傅里叶变换的改进频谱细化算法,对信号进行复调制,滤波和重采样后,再对其进行加窗与比值校正相结合的FFT计算,避免了频谱泄露和谱间干扰,实现高分辨率的流速测量。最后,完成了测量实验和误差分析。搭建了声光测量实验装置和光干涉现象的可视设备,对布喇格衍射光的相对光强,驱动频率和功率进行测量,确定了声光调制器件的中心频率为140.3MHz,驱动电流80mA,衍射效率可达70%;对系统进行性能试验,通过和标准流速以及零差法测速进行实验比较,系统误差小于1%,可以实现高精度测量;同时对实验中可能导致误差产生的因素进行分析与改进,合成系统的标准不确定度为0.73%,满足测量要求。
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