（检测技术与自动化装置专业论文）应力式涡街流量计幅频特性测试方法的研究与实现.pdf

上海大学硕上学位论文 摘要 应力式涡街流量计产品中，跟踪信号频率是其信号处理技术的主导方法。 捕捉到的频率作为带通滤波器调整的依据，使滤波器转折频率控制方法的实现 简单，而幅频特性正是分析其频率捕捉准确性的关键要素。可见，作为应力式 涡街流量计的研究重点之一，对其幅频特性的准确测试具有重要意义。本文从 应力式涡街信号的压电检测过程出发，探索其转换特性，提出并研究了基于硅 光电池的测试用信号产生方法，并针对该方法构建基于虚拟仪器的测试平台， 实现信号采集，频谱分析，频响特性分析，数据存储等功能。 本文首先从流量仪表的意义出发，介绍应力式涡街流量计的结构及基本原 理。并总结目前国内外在其信号处理技术上的研究现状，阐述了本课题研究实 现的针对应力式涡街流量计幅频特性测试方法的具体内容及重要意义。 本文接着通过介绍应力式涡街流量计的压电检测过程，分析了该检测信号 的幅值一频率关系，说明了幅频特性对应力式涡街流量计信号处理模块的影响。 结合压电传感器件模型的特点，在对硅光电池的特性进行分析的基础上，针对 性地提出了基于硅光电池的测试方法，具有与压电传感器件高内阻，小功率， 电荷量输出相似的特性，与电荷放大器实现匹配，并通过比对实验验证其可行 性。同时，本文采用基于计算机的自动化测试仪器系统虚拟仪器，结合提 出的测试方法，探讨了应力式涡街流量计性能测试平台的设计，包括整体架构 的组成，硬件系统的结构及主要功能模块的软件设计等。 最后，本文通过对相关实验结果的观察分析，验证了此测试方法的有效性， 及基于虚拟仪器的测试平台的实用性。对以信号频率跟踪技术为主的应力式涡 街流量计信号处理技术的研究，本文的设计将起到有效的辅助作用，具有重要 的实用价值。 关键词：应力式涡街流量计、电荷放大器、硅光电池、虚拟仪器 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s i g n a lf r e q u e n c yt r a c k i n gi sl e a d i n gi ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s f o r s t r e s s t y p ev o r t e xf l o w m e t e r s a st h ef a c t o ro ft h ea d j u s t m e n tf o rb a n d p a s sf i l t e r , t r a c k e ds i g n a lf i e q u e n c yw h o s ev e r a c i t ya n a l y s i si sm a i n l yb a s e do na m p f r e q u e n c y p e r f o r m a n c e ，c a nm a k et h ec u t o f ff r e q u e n c yo f f i l t e rc o n t r o lb ea c h i e v e de a s i l y i ti s o b v i o u st h a tt h ev e r a c i o u st e s t i n gf o ra m p f r e q u e n c yp e r f o r m a n c eo fs v fi sn o to n l y o n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e s ，b u ta l s ob eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t e s t i n g s i g n a lg e n e r a t i n gb a s e d o ns i l i c o np h o t o c e l li s p r o p o s e da c c o r d i n g t ot h e p i e z o e l e c t r i cd e t e c t i o np r o c e s s ，c o m b i n e dw i t hw h i c ht h et e s t i n gp l a t f o r mi s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fv i r t u a li n s t r u m e n t t h em a i nf u n c t i o n so f t e s t i n gp l a t f o r m i n c l u d es i g n a la c q u i s i t i o n ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ，d a t as t o r a g ea n ds oo n f i r s t l y , t h es t r u c t u r ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs v f a r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c h e so fv o r t e xs i g n a lp r o c e s s i n ga th o m ea n da b r o a da r er e v i e w e d t h e n ，t h r o u g hi n t r o d u c t i o no fp i e z o e l e c t r i cd e t e c t i o np r o c e s si ns v fa n d a n a l y s i so f i t sa m p - f r e q u e n c yr e l a t i o n s h i p ，i n f l u e n c eo fa m p - f r e q u e n c yp e r f o r m a n c e o ns i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e so fs v fi so b v i o u s c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p i e z o e l e c t r i cs e n s o rm o d u l ew i t ht h ep e r f o r m a n c eo fs i l i c o np h o t o c e l l ，t h et e s t i n g m e t h o db a s e do ns i l i c o np h o t o c e l li sp r e s e n t e dt h a tt h es a m ec h a r a c t e r i s t i c sw i t h p i e z o e l e c t r i cs e n s o rs u c ha sh i g hi m p e n d e n c e ，s m a l lp o w e ra n dc h a r g eo u t p u ta r e r e a l i z e da n di t sf e a s i b i l i t yh a sb e e nv a l i d a t e db yc o m p a r i s o n s t h ed e s i g no fs v f p e r f o r m a n c et e s t i n gp l a t f o r mw h o s ew h o l es t r u c t u r e ，m a i nf u n c t i o n sa n ds oo na r e d i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h i sm e t h o da n db a s e do na u t o m a t i ct e s t i n gi n s t r u m e n t l a s t l y , p e r f o r m a n c et e s t i n gp l a t f o r mw i t l ld e s i g n e dt e s t i n gm e t h o dh a sb e e n s t u d i e di ne x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h ev a l i d i t yo ft e s t i n gm e t h o da n dt h e p r a c t i c a b i l i t yo ft e s t i n gp l a t f o r mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t d e s i g ni nt h i sp a p e r w i l lb eo p e r a t e de f f e c t i v e l yi ns i g n a lp r o c e s s i n gr e s e a r c ho ns v ft h a tt h es i g n a l f r e q u e n c yt r a c k i n gi st h ec o r et e c h n o l o g y , a n di tw i l la l s ob eo fg r e a tp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：s v f ，c h a r g ea m p l i f i e r s i l i c o np h o t o c e l l ，v i r t u a li n s t r u m e n t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：斑日期：碰：坐 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：埠玉生 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 流量传感器及其仪表是工业过程中应用最广的自动化仪表之一。我国每年 需求几十万套，产品销售额达几个亿。为了解决各种条件下不同被测流体的流 量测量，至今已发展出了种类繁多的流量传感器。至今为止，可供工业用的流 量测量仪表种类达6 0 种之多 。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种 流量仪表能适用所有流量测量的场合。每种产品都有它特定的适用性，也都有 它的局限性。 在流体振动现象中，流体的振动频率与流速之间都存在着对应的关系。涡 街流量计正是2 0 世纪6 0 年代末期发展起来的一种基于该流体振动原理的流量 测量仪表。 世界上最早研究涡街现象的是匈牙利物理学家斯特劳哈尔。1 8 7 8 年，他在 实验中发现：在风的作用下，一根细弦丝发声的音调与风速成正比，而与弦丝 的直径成反比。1 9 2 1 年，德国物理学家冯卡门从数学上证明了圆柱体下游形 成涡街的稳定条件。6 0 年代开始，各国科学家相继展开了涡街流量计的研究和 开发工作。2 0 世纪7 0 年代初，商品化的涡街流量计首次在日本出现。3 0 多年 的工业应用证明了涡街流量计在稳定流体计量中的可靠性和精确性，不仅如此， 它的特点还包括具有仪表内无机械可动部件，被测流体本身就是振动体，性能 可靠；使用寿命长；测量流量几乎不受流体组成，密度，粘度，压力等因素的 影响；可以适用液体，气体和蒸汽的测量，介质适应性宽，测量精度较高；压 力损失小，量程比宽；可直接输出数字信号等。 目前涡街流量计已应用在工业生产、能源计量、环境保护工程、交通运输、 生物技术等各个领域。在世界范围内，涡街流量计台数占总流量仪表总量的 3 5 ，金额占4 - - - , 6 t 2 1 ，是一种有广阔发展前景的流量仪表。现在高性能 的涡街流量计都被国外产品所垄断，国内的产品多面向为中低端需求。 p 海 学 - 学位论i 1 2 涡街流量计的工作原理与结构 涡街流量计利用流体振动原理进行流量测量，在特定的流动条件下它的 一部分流体动能转化为流体振动，其振动频率与流速( 流量) 有确定的比例关 系。1 8 7 8 年斯特劳哈尔( s t r o u h a l ) 发表了关于流体振动频率与流速关系的文章， 斯特劳哈尔数就是表示漩涡频率与阻流体特征尺寸、流速关系的参数。涡街流 量计仪表内无机械可动部件，使用寿命长，测量精度相对较高。 应力式涡街流量计的基本原理足p 】：在与被测介质流向垂直的方向放置一 非流线型漩涡发生体，当流体流过该漩涡发生体时，在发生体后方两侧交替地 分离释放出两列规则的交错排列的漩涡，称为冯卡尔曼涡街，如图1 一l 所示。 、3 3 二、3 、 工、 荫建，王，- * 发生悻、：= ， 酗1 - 1 自、曼涡街 当漩涡发生体右( 或左) 下方产生一个漩涡后，在旋涡发生体上产生一个 升力。在旋涡发生体内部安装应力式压电传感器( 如图1 _ 2 所示) ，可以将作用 在旋涡发生体上的升力转换为电荷信号。电荷的变化频率与漩涡的脱离频率 致。通过检测压电传感器输出信号的变化频率，就可以得到漩涡的分离频率。 图1 2涡街流角计中的压电元件 山试验可知当雷诺数胄。在2 x 1 0 4 7 1 0 6 范围内，斯特劳哈尔数蜀几乎 不变，这样可以在较大的流速范围内保证漩涡的分离频率正比于管道内的平均 流速，从而由频率得到流体的流速： 上海大学硕士学位论文 厂= ( s ，v ) d 式中： & 斯特劳哈尔数；f 输出频率h z ； 1 ，流体流速m s ；d 漩涡发生体宽度m 。 在工程中应用涡街流量计测量流量时，常用公式为： q 。= 3 6 0 0 f k ( 1 2 ) 式中： g ，i 一体积流量m 3 a ；卜仪表系数m 。 对于三角柱漩涡发生体，传感器仪表系数k 经推导可得【3 】： k = 忑而4 s , 2 5 d ) d d m 3 ， ( 1 1 2 ( 1 3 ) 式中： d 管道直径m 。 由上式可见，对于给定形式的涡街流量传感器，其仪表口径d 、漩涡发生 体特征尺寸d 及斯特劳哈尔数s 是确定的，为此仪表系数足也是确定的。只要 准确测得漩涡的分离频率万就可准确得知被测流体的流速，从而测量管道内流 体流量。涡街流量计的输出由仪表系数来描述，由式( 1 1 ) 和( 1 3 ) 可见， 仪表系数尽管随雷诺数变化，但在很宽的一段范围内保持不变。 k f a c t o r l p u l s e s r u n i tv o l u m e l 根据雷诺数公式： r e y n o l d sn u m i ，e r 图1 3 仪表系数与雷诺数关系曲线 r e = p 坐 刁 ( 1 - 4 ) 上海大学硕士学位论文 式中： 夕流体密度k g m 3 ；刁粘滞系数p a s ； 1 ，流速r e s ；d 管道直径m 。 在密度、粘滞系数与管道直径不变的条件下推导出雷诺数稳定范围内涡街 流量计可测的流速范围能达几百比一。但目前国内的涡街信号处理模块由于低 流速测量的困难，使量程围度只在1 0 ：1 左右【4 】；美国r o s e m o u n t 公司的涡街流 量计对液体的可测围度为3 5 ：1 ，对气体的可测围度为3 8 ：1 。 涡街流量计的结构也在随着科学技术的发展不断更新。目前按涡街传感器 主要划分为两种方式：差压电容传感器( 德国e + h 公司) 和压电传感器( 美国 r o s e m o u n t 公司、日本横河公司) 。新一代的涡街流量计采用传感器与发生体分 离的结构，较好地解决了传统涡街流量计无法解决的抗脏污和对高温介质的测 量问题。 涡街流量计中的检测元件将涡街信号转换电信号。本课题研究的性能测试 方法是针对发展迅速，占据主导地位的采用压电传感期间的应力式涡街流量计， 为其低流速测量的研究提供测试工具。 1 3 应力式涡街流量计信号处理方法与系统的研究现状 目前，将应力式涡街流量计用于流量测量，需要研究的关键性问题：一是 抑制流场噪声的影响，流场的稳定性、均匀性不仅对卡门涡街的形成和分离有 影响，而且对各种敏感元件的检测效果也有直接影响，附加的漩涡干扰了涡街 信号，降低了信噪比；二是准确测量小流量，因为小流量所产生的漩涡压力较 小，初始信号非常微弱，易受流体冲击振动噪声和管道振动噪声的影响，存在 一个量程下限死区，从而造成量程比受限，小流量不能测量。 为了改善应力式涡街流量计的性能，国内外研究学者做了大量工作。其中， 数字信号处理方法应用于应力式涡街流量计，可以处理传感器的输出信号，提 取涡街流量信号频率，解决流量测量中的一些难题，是目前新技术流量计发展 的主要方向。 4 上海大学硕士学位论文 1 3 1 国内研究概况 随着应力式涡街流量计在国内的广泛使用，国内的专家学者及研究人员也 展开对此各方面的研究，采用先进的信号处理技术，解决应用上的关键问题， 成为其中的一个重点。 中国专利9 9 1 0 1 2 0 9 7 【5 】提出采用数字化频谱分析方法来测量涡街信号频 率。利用d s p 对经前级放大与a d 转换的涡街信号进行f f t 谱分析，根据谱 分析结果来推断涡街信号的频率( 如图1 4 所示) 。专利中指出，为了达到0 2 的精度，一次谱分析的时间需达2 7 秒之多，可见严格的数字化频谱分析难以同 时兼顾分辨率和实时性。因此，目前该方法只应用于特定的涡街信号发生模板， 尚未见其产品化。 图1 _ 4谱分析信号处理方法框图 浙江大学的徐国梁等，提出了信号增益控制结合谱分析的方法，并进行了 相关的电路方案设计 6 】。采用增益自适应差动电荷放大器消除了同向干扰，并 输出接近a d 满量程的信号，采用低功率单片机实现信号谱分析。 合肥工业大学自动化研究所采用多种数字处理方法探索应力式涡街信号的 准确捕捉，包括基于f f t 的经典谱分析方法r 7 1 ，基于b u r g 算法的现代谱估计方法 【8 】，自适应陷波方澍9 1 ，小波分析方法【10 1 ，功率谱分析与互相关方、法【1 1 】等。其研 制成功的涡街流量计信号处理系统在水流量标定装置上的性能测试实现了较好 5 上海大学硕士学位论文 的线性度及重复性。 上海大学自动化系李斌教授等，提出的专利2 0 0 6 1 0 0 2 9 2 1 8 5 【1 2 】采用动态调整 滤波放大器的幅频特性转折点来控制信号脉冲幅值的动态范围，并通过对信号脉 冲幅值的调整来实现既消除高频干扰噪声又抑制了低频摆动噪声的信号处理关 系。使低流速下的应力式涡街信号可被有效放大，并且其信号频率可被准确捕捉。 1 3 2 国外研究状况 1 9 9 0 年，s c h l a t t e r 等人研究了涡街流量计工作条件下的噪声情况，提出了 强干扰条件下信号处理方案【1 3 】。即利用互相关方法，检测出噪声，从而消除噪 声，再利用频谱分析得到涡街信号的准确频率。 1 9 9 2 年，k a w a n o 通过增强非流线体的刚度和以微处理器控制自适应低通 滤波的方法提高流量计的信噪比，并采用自适应低频信号截止辨识器，根据信号 频率来调整滤波器的截止频率，从而改善流量计的抗干扰性能，提高仪表的可 靠性 1 4 1 。 1 9 9 3 年，a m a d i e 通过研究工况中的噪声对漩涡脱离频率的影响【1 5 】，给出 了在现场离心泵、容积式泵和震动器工作情况下，流量计传感器的输出信号，并采 用基于f f t 的谱分析来计算涡街信号频率，实现了流量计的测量精度的提高。 1 9 9 7 年，m e n z 首次将传感器融合应用于流量计测量，研究了以超声波为探 测元件的涡街流量计【1 6 】，该流量计通过对涡街分离频率的直接测量，计算流量； 也可通过测出旋涡通过两个测量点的时间，再计算流量。结合这两种测量方法， 并将结果融合处理，从而获得新的测量值，提高了测量精度，同时削弱流体噪声 的影响。 m a i u 专门研究了冲击振动情况对压电式涡街流量计输出的影响，除了在传 感器结构上的改进之外，将低通滤波器加入传感器和电荷放大器之间将去除脉 冲振动产生的尖峰噪纠1 7 1 。 f o x b o r o 公司开发了基于自适应滤波( a d a p t i v et i l t e r ) i s 】技术的涡街流量 计产品，来提高流量测量的精度，如图1 5 。涡街传感器的信号由两阶带通滤波 器跟踪处理，该带通滤波器的截止频率根据微处理器判别得到的涡街信号频率 6 上海大学硕士学位论文 动态调整。当被测信号频率变化很小时，滤波器的转折频率设置为跟踪信号频率 模式；当测量频率变化比较大时，设置为搜索频率模式，初始化滤波器，重新测量 涡街频率，从而避免滤波器跟踪到噪声频率。 图i - 5频率自适应跟踪法框图 r o s e m o u n t 公司利用涡街信号输出频率与幅值的特性，根据流量计的口 径和流体类型构建专门的数字跟踪滤波器( d i g i t mt r a c k i n gf i l t e r ) 【1 9 】，由一系列 具有不同截止频率的低通和高通滤波器级联组成。前级的低通滤波器使信号幅 值产生1 f 2 的衰减，滤波后涡街信号的幅值大致维持在一个常量上；而高通滤 波器则根据涡街信号的频率动态调整，保证了在噪声最小化的同时涡街信号的 强度不变，见图1 - 6 ；最后，再运用信号阈值探测算法，使涡街信号有足够的幅 值“突破”该电平，而经过前级衰减的噪声将被滤除。 7 ，r c o n v e n t i o n a l ； a l o gf i l t e r s ! 美警誓 图1 - 6r o s e m o u n t 数字滤波器幅频响应曲线2 0 】 日本y o k o g a w a 在1 9 6 8 年生产出世界上第一台涡街流量计后，一直处 于领先地位，其数字涡街流量计采用频谱信号处理【2 1 】( s p e c t r a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术，实质也是信号频率跟踪，见图1 7 。 7 上海大学硕士学位论文 图1 7 频谱信号处理技术框图 其特点是由6 个频带的数字带通滤波器对信号频率大致定位，即根据涡街 信号幅值与频率关系进行粗略的谱分析，并以此指导带通跟踪滤波器转折频率 的选择，最终得到较为精确的频率值，如图1 8 所示。该方法既能用带通滤波 器精准地跟踪涡街频率，又能通过频谱分析滤波器对整个涡街信号进行全局监 测，防止信号突然变化。 图1 - 8 频谱分析原理图 1 3 3 各种信号处理方法总结 f r e o u e n c y 迄今为止，高性能应力式涡街流量计市场中几乎以欧美及日本产品占主导， 根据这些公司发表的技术专利，总结其相关流量测量的性能，如表1 1 所示。 表1 1各种信号处理方法的性能 信号处理方法研究生产单位流量测量范围量程比 谱分析方法合肥工大只用于模板仿真尚未产品化 液体：0 12 m s 7 7 m s f o x b o r o6 4 - 1 气体、蒸汽：3 3 9 m s 一1 8 5 m s r o s e m o u n t 液体：0 2 2 m s 一7 3 2 m s 信号频率跟踪方法 气体、蒸汽：1 9 8m s 7 6m s 3 8 ：l 液体：0 4m s 1 0m s y o k o g a w a4 0 ：1 气体、蒸汽：2 m s 8 0 m s 液体：0 2m s 8m s 上海大学4 0 - l 气体、蒸汽：2 m s 8 0 m s 上海大学硕士学位论文 从表中可以看出，他们基本上均采用信号频率跟踪的方法，它以捕捉到的 频率为带通滤波器调整的依据，实现对滤波器转折频率的简单控制，该频率捕 捉的准确性分析要素便是其幅频特性。可见，幅频特性的测试与分析，在应力 式涡街流量计信号处理技术的研究中占有不可或缺的地位。 1 4 论文的研究内容及编排 1 4 1 本课题主要研究内容 目前，主导的应力式涡街流量计产品中，被广泛应用的信号频率跟踪方法， 以捕捉到的频率为带通滤波器调整的依据。本文追溯到应力式涡街流量计的压 电检测过程，阐述了检测信号的幅值一频率关系，说明了该特性对应力式涡街流 量计信号处理技术研究的重要性。针对压电传感器件的特点，结合用于转换检测 信号的第一级电荷放大器的工作原理，通过分析硅光电池的特性，提出了基于 硅光电池的测试用信号产生方法，并通过实验比对验证了该方法的可行性，为 应力式涡街流量计信号处理技术的研究起到辅助作用。 考虑到在应力式涡街流量信号各种试验方法的测试和评价过程中，若每次 都使用实际涡街流量信号发生装置存在很多不便之处： ( 1 ) 使用的实际标定设备体积庞大，给信号处理的测试带来麻烦； ( 2 ) 依靠开关阀门来多次获取信号的重复性不理想；反复开关阀门对于涡 街信号测试方法来说可操作性差，步骤烦琐。 本文选择借助虚拟仪器，构建包括基于硅光电池的测试信号发生，数据信 号采集，分析处理，保存以及用户界面显示等模块的测试平台，并提供了具体 的实施方案。操作方便简易，为涡街流量计信号处理方法的重复测试和比较提 供了系统化，有广泛意义的平台。 1 4 2 论文的编排 本论文共分六章，全面系统地介绍了基于硅光电池的应力式涡街流量计幅 度频特性测试方法的研究思路，方案可行性验证，测试平台的实现过程，方法 以及相关实验比对和实验结果讨论。 9 上海大学硕士学位论文 第一章从流量仪表的意义出发，介绍涡街流量计的主要特点及基本原理。 同时，总结了国内外关于涡街流量计信号处理方法的研究现状，阐述了在采用 信号频率跟踪方法的大部分主导产品中，幅频特性是分析其频率捕捉准确性的 重要依据，说明了本课题研究实现的针对应力式涡街流量计幅频特性的测试方 法的具体内容及重要意义。 第二章通过介绍涡街信号的压电检测过程，分析了压电检测信号的幅度 频率关系，阐述了幅频特性对应力式涡街流量计信号处理模块的影响。更深入 研究说明了应力式涡街流量计中压电传感器件的各项特性，为测试方法的研究 与实现提供理论依据。 第三章分析了硅光电池以及电荷放大器的原理，结合前一章节对压电传感 器件的分析研究，提出了应力式涡街信号幅频特性的测试方案。通过实验比对， 对其可行性进行了进一步分析，确定了实际测试方案。 第四章介绍了基于虚拟仪器的应力式涡街信号幅频特性测试方案的实现过 程，主要包括测试信号发生，数据信号采集，分析处理，保存以及用户界面显 示等模块。 第五章介绍了应力式涡街流量计幅频特性测试平台的实际实验系统，并说 明了相关实验内容与数据结果分析。 第六章在总结全文的基础上指出了研究内容的不足，并针对有待完善的研 究内容提出了下一步的工作展望。 1 0 上海大学硕士学位论文 第二章应力式涡街信号的压电检测过程分析 2 1 应力式涡街信号的检测原理 应力式涡街流量计的流量测量原理为：传感器检测的涡街信号频率与流速 成正比，若准确测得信号频率即可求得当前流速。目前国内最常用的应力式涡 街流量计，其分离式的压电传感器安置于涡街发生体后方位置，采用悬臂梁结 构，本文实验使用此类涡街流量计，包括浙江迪元仪表有限公司、上海肯特智 能仪器有限公司、天津仪表集团有限公司的产品，它们在机械结构、尺寸及传 感器的选择上大致相同。 在检测中，压电元件是一种典型的力敏元件，以电介质的压电效应为基础， 在外力的作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量测量。当受到经 过涡街发生体的漩涡产生的差压后，压电传感器受力产生电荷量。漩涡产生的 差压可以由下式表示： 1 p = 去q c o s ( 2 矽) ( 2 - 1 ) 式中： c 。压力系数；p 流体密度 姆m 3 ； y 流速所3 ； 厂涡街频率 舷。 压电元件的受力可表示为【2 2 】： ，= c p p v 2 a c o s ( 2 万) ( 2 - 2 ) 式中：么压电元件受力面积 m 2 。 涡街信号检测的压电检测元件应用正压电效应，即当压电检测元件受到外 力作用时，在其相应的表面会产生电荷q ，其作用力与电荷的关系为【2 3 1 ： 翰= d f ( 2 - 3 ) 式中： 上海大学硕上学位论文 f 压电元件所受到的作用力 q 电荷量c ； d 压电常数。 电荷信号经过压电传感器专用的一种前置放大器电荷放大器的转换， 输入的电荷量转换为电压量，该电压量即为后续进行处理的信号，其值正比于 输入电荷量。 从上述讨论中可以得出，信号的频率等于涡街的频率，流量与该频率成正 比( v o cf ) ；当流体密度不变时，信号的幅值则正比于流速的平方，即信号 频率的平方( 彳f 2 ) 。压电传感器件的检测信号中包含的这一幅度一频率关系， 正是目前应力式涡街流量计普遍采用的频率跟踪方法的理论依据，并作为分析 其频率捕捉准确性的重要因素。 同时，信号中除了需要的涡街正弦信号外，还叠加了流体流动噪声、信号 分离过程中产生低频的噪声、信号衰落或间歇干扰、机械振动干扰和电磁干扰 等各种噪声 2 4 1 。图2 1 所示为应力式涡街流量计信号与噪声的信噪比关系图， 高流速条件下，涡街信号幅值较大，信噪比大。随着流速的降低，信号幅值呈 流速的平方关系下降。 图2 - 1涡街信号的幅频关系及与噪声的关系 可见，利用应力式涡街流量计中的压电传感器件，对感应管道内分离的漩 涡产生信号的幅频特性测试，将为其后续信号处理技术的研究提供帮助。 1 2 上海大学硕士学位论文 2 2 压电传感器模型及其参数测量 在检测中，压电传感器件是一种典型的力敏元件，可以描述电介质介电性 能的量有电场强度和电位移，由下式表示： 域= em ，n = 1 , 2 3 ( 2 4 ) 式中：f 舢是介电常数 同时，其描述弹性体力学性质的参数包括应力和应变，由下式表示： 5 ：= 而乃= 勺乃 ( 2 5 ) ，l j = i 2 , 3 6 6 z = c ：f i = c o s ， ( 2 6 ) 产1 f ，j = l ，2 , 3 6 式中： 岛弹性柔顺系数，l 饥c , j 弹性刚度系数n m 2 ( s o = ( c o 。) 。 压电传感器件也是一个弹性体，理论上可以存在无穷多个振动模式，而对 于有使用价值的压电元件，其振动模式是有限的，这些振动模式有单一的也有 复合的，对于单一的振动模式，一般可以分为三类，伸缩振动模式，剪切振动 模式，弯曲振动模式。本课题中的压电元件是伸缩振动模式中的厚度伸缩振动 模式( t e ) 。 图2 - 2 厚度伸缩振动模型圆 如图2 2 所示的片状元件，在3 方向极化，应力乃也是作用在3 方向。压 电元件受力时在一个极板上聚集正电荷，另一个极板上聚集负电荷，两种电荷 电量相等，其等效电路如图2 3 所示【2 6 】： 1 3 上海大学硕士学位论文 图2 - 3等效电路 引起厚向形变，使压电元件的3 方向产生压电效应，压电方程可以简化为： q = 如写 ( 2 7 ) 式中： 翰压电元件上，下两电极面上产生的电荷信号。 2 2 1 传统的压电传感器件等效模型 压电元件的等效电路表示法，是利用电学网络术语表示压电弹性体的机械 振动特性，即把某些力学量模拟为电学量的方法。为了各种不同的用途，压电 元件的等效电路有各种各样的形式，最简单的如图2 - 4 所示，这个压电元件等 效电路只有在单一模式的串联谐振频率附近才有效，它是由，o ，r ，串联支 路和c d 并联支路构成的。 l 1 c 1r 1 图2 4 传统压电兀件等效电路 图2 - 4 所示的等效电路是集总参数形式的等效电路。对于一个通过逆压电 效应激发的压电元件来说，在任何串联谐振频率附近，其电行为都可以用图2 4 所示的l c 电路来描写。在这种情况下，图中的三，称为压电元件的动态( 或等 效) 电感；c d 和。分别称为压电元件的并联电容( 或静电容) 和动态( 或等效) 电容；尺称为压电元件的动态( 或等效) 电阻。 1 4 上海大学硕士学位论文 2 2 2 压电传感器的复参数模型 如前所述的传统压电传感器模型，只包含了一种损耗因数即机械损耗，而 忽略了介电和压电损耗。为了使等效电路模型能反映各种损耗的影响，在前述 模型的基础上进行一些改进措蒯2 7 1 。 对于本实验中的t e 压电元件，其阻抗表达式为： z c 咖志h 芈 协8 ， 式中： c 。= 半仁警x = 划) c 0 压电元件的等效静电容；a 元件电极面积； 厶元件厚度( 下标t 表示厚度伸缩振动模式) ； h 刀压电刚度系数；p 材料密度： ( - ) 角频率； 三个材料参数为：受夹介电常数，机电耦合系数岛及开路弹性刚度系数 。当考虑材料的损耗效应时，三个参数皆为复数。复数模型如图2 5 ，三个 复参数q ，q ，中共有6 个参数，应该可以完整地，精确地描述元件特性。 ! c o 堆 = = 图2 5复参数模型 l i 若元件的材料参数已知，则可计算出q ，q ，。关系为 z s 】： g = 高芳 协9 ， 上海大学硕士学位论文 g = 字一c o o 2 面两1 式中： ，压电元件串联谐振频率； ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) p 压电元件并联谐振频率。 2 2 3 压电传感器模型的参数测量方法 在前述的等效电路模型中压电材料的压电，介电，弹性参数都是复数，因 此必须测出材料参数的实部和虚部，才能全面表征出材料的性能。 近年来，有不少压电材料复参数测量方法。从使用软硬件的比重上可将测 量方法分为间接测量方法和直接测量方法 2 9 】。其中，间接测量方法研究的已比 较成熟，有s m i t s 迭代法，s h e r r i t 非迭代法及压电谐振法。直接测量法有正压 电效应测量法和逆压电效应测量法，但目前仅限于测量压电常数西，西，旬，。 本课题中考虑实际情况以及实现过程的要求，选用了间接测量法中的压电谐振 分析法( 即p r a p 法) 。间接测量法关键的是算法的设计，其硬件结构如图2 - 6 所示，主要由计算机和阻抗分析仪构成。 图2 - 6 复参数测量装置 传感器模型的参数测量算法的实质是s h e r r i t 法和s m i t s 法的结合【3 0 】。具体 过程如图2 7 所示： 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 7传感器模型参数测量流程图 2 3 压电传感器测量电路的电特性分析 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面 上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看作一个静电发生器，也 可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容量为： e = 百z s = t e r e o s ( 2 - 1 2 ) 式中： s 极板面积；h 压电元件厚度； s 介质介电常数； s o 空气介电常数( 其值为8 8 6 x 1 0 4f c m ) ： 1 7 上海大学硕士学位论文 压电元件的相对介电常数，随材料不同而变。 两极板间的电压为： u = 旦 ( 2 1 3 ) c 口 一 因此，压电传感器可等效为电压源u 和一个电容c a 的串联电路( 如图 2 - 8 一a ) ，也可等效为电荷源q 和一个电容c a 的并联电路( 如图2 - 8 - b ) 。 ( a ) 电压等效电路图( b ) 电荷等效电路图 图2 - 8压电传感器等效电路图 由图可见，只有在外电路负载无穷大，传感器内部信号电荷无“漏损”时， 压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，如果负载不是无穷大，则 电路将以时间常数毗c 口按指数规律放电。为此，在测量一个变化频率很低的参 数时，就必须保证负载魁具有很大的数值，以确保有很大的时间常数凡g ， 使漏电造成的电压降很小，这对静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然 带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大， 只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶 体不适合于静态测量。 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连线的等效电容，前 置放大器的输入电阻、输入电容。 图2 - 9 压电传感器完整等效电路图【3 l 】 上海大学硕士学位论文 图中： g 传感器的固有电容；g 前置放大器输入电容； g 连线电容；r a 传感器的漏电阻； 砌前置放大器的输入电阻。 可见，压电传感器的绝缘电阻心与前置放大器的输入电阻r ；相并联。为保 证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应 保待在1 0 1 3 口以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与 上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输 入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 在测量电路中选用前置放大器的两个作用是：把压电传感器的高输出阻抗 变换为低阻抗输出和放大压电传感器的弱信号。本课题中的涡街流量计选用的 是电荷放大器作为前置放大器，它的输出电压与输入电荷成正比。 1 9 上海大学硕士学位论文 第三章幅频特性测试方法的可行性分析 3 1 幅频特性测试方案的研究 电荷放大器是压电传感元件专用的一种前置放大器，它可将高内阻的电荷 源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此电荷放大器起 阻抗变换的作用，其阻抗高达1 0 1 0 1 0 1 2 q ，输出阻抗小于1 0 0 9 2 。因此，电荷 放大器的性能对压电元件信号转换的优劣有着重要的影响。 3 1 1 电荷放大器原理 图3 1 是典型的电荷放大器框图，由稳压电源，电荷放大级，衰减级，电 压放大级，低通滤波器，高通滤波器以及功率放大级等环节组成。 图3 - 1 电荷放大器组成框图 常用于涡街流量计中的电荷放大器原理电路副3 2 1 如图3 2 所示，其中，i 部分是压电元件传感器的等效电路；i i 部分是电荷放大器，它实际上是一个深 度电容负反馈的积分放大器，其输入量是电荷量，输出信号为电压量。 7 一一一一一一一鬲一一一、 图3 2涡街流量计中电荷放大器原理图 图中： c 口压电传感元件的静态电容；r 口压电传感元件的绝缘电阻； o 反馈电容；r 反馈电阻。 上海大学硕士学位论文 考虑如远远大于1 0 1 0 1 0 1 2 t 2 时，当信号频率不满足厂 五= 1 2 z c r ，o 时， 输出电压u s c 为： u 雹 2 列氓 一丽 当信号频率满足厂 五= j 2 积，o ，可以简化输出电压u s c 为： ( 3 1 ) u 卵等 ( 3 - 2 ) 乙3 由式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 可见，当。和尺，确定后，电荷放大器的频率响应特 性近似于一个高通滤波器，它的放大倍数只与反馈电容。成反比，g 越小，电 荷电压放大倍数越大；此外，电荷放大器的截止频率( - 3 d b 点) 如式( 3 1 ) 所示为龙= 1 2 兀r ，o ，低于此频率时，信号将大幅衰减。 涡街流量计信号处理模块中，电荷放大器的反馈电阻及反馈电容的选取兼 顾了信号放大倍数和当前信号频带的要求，该截止频率尼低于信号的最低频率 ；反之，低流速信号原先的幅频特性将被破坏，不便于动态调整工作点的设 定。显然，实际电荷放大器的输入阻抗和。和尺，参数将影响电路的幅频特性。 由于与电荷放大器匹配的压电传感器信号频率需要在特定压力变化的频率 下产生。对应的传感器信号输出又要求是高内阻的电荷信号。这对测试实际电 荷放大器的幅频特性来说是一个挑战。对此，我们提出了基于硅光电池信号的 电荷放大器幅频特性测试方法。 3 1 2 硅光电池及其性能 光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的 电动势1 。光电池种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷 化镓光电池等，其中应用最广泛的是本课题选用的硅光电池，因为它具有一系 列优点，例如性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐 射等州。 3 1 2 1 硅光电池的工作原理 硅光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光学元件，它的工 作原理基于光生伏特效应，简称光伏效应( 光生伏特效应是光照使不均匀半导 2 1 上海大学硕士学位论文 体或均匀半导体中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象。即将 光能转换为电能) 啪1 。 硅光电池实质上是一个由半导体硅材料构成的大面积的p n 结，其结构有 两种形式：一种是在一块n 型硅片上用扩散的方法掺人一些p 型杂质而形成的 一个大面积p n 结( 2 c r 型) ，见图3 3 a ；另一种是以p 型硅片为基片进行n 掺杂形成p n 结( 2 d r 型) 。在有光线作用时，p n 结就相当于一个电压源。这 两种结构的p n 结，不同之处是其直流输出电压方向相反。但交流输出特性相 同，即光电转换原理是一样的。 ( a ) 结构示意图( b ) 图形符号 图3 32 c r 型光电池 如图3 3 所示，当光照射p 区表面时，若光子能量加大于硅的禁带宽度， 则在p 型区内每吸收一个光子便产生一个电子一空穴对，p 区表面吸收的光子最 多，激发的电子空穴最多，越向内部越少。这种浓度差便形成从表面向体内扩 散的自然趋势。由于p n 结内电场的方向是由n 区指向p 区的，它使扩散到p n 结附近的电子一空穴对分离，光