基于激光自混合散斑干涉的微小流量检测

伊鹏宇,王世博,张子超,马 恺,孙翰文,张婷婷,姜春雷

(1.东北石油大学,电气信息工程学院,黑龙江 大庆 163318;2.廊坊中燃宏胜能源科技有限公司 工程技术部,河北 廊坊 065000)

0 引 言

流量计量是计量科学技术的重要组成部分,它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。科技的发展离不开计量科学的进步,尤其当今航天、航空等国防事业迅猛发展,对流量计量[1]的要求也在不断提高,研制出检测微小流量的流量计便愈发重要[2]。

2005年,蔡光节[3]利用容积式流量计作为标准表,实现一套不确定度为0.19%高精度流量计自动检测系统。2007 年,胡长岭等[4]设计了一种利用电子流量计作为标准表的流量计标定系统,该系统解决了对油井生产过程中油井产量的准确计量问题；2014年,郭辉[5]完成了称量法和标准表法相结合的流量计检定装置的设计,其标准表法和称量法的不确定度分别为0.25%和0.05%。随着生物医药等行业的兴起,流量测量正在向高精度、小流量的精确检测方向发展,对小流量的测量需求逐渐凸显。对微小流量计的研究也成为越来越多科学工作者的主要研究方向。因而,利用敏感的干涉光[6]测量液体流量进入了人们的视野。当一束激光照射到运动的流体表面,部分光由流体中各个不同面元散射回到激光腔与激光器内腔原有激光相互耦合,因该反馈光携带着目标物体的运动信息,该混合过程起到调制激光器输出功率的作用[7],从而形成激光自混合散斑。利用目标物体散射或反射回来的自混合散斑信号[8],通过CCD(Charge-Coupled Device)摄像机可分析物体表面[9],也可测量物体的速度[10]和距离[11]等。

笔者利用散射或反射回激光腔内部的散斑信号实现流量测量。利用半导体激光器采集由目标流体散射或反射回来的散斑信号,通过快速傅里叶变换对信号进行频谱分析[12],根据拟合得到的平均频率与速度的直线,结合管道参数求解出流量大小。该方法具有成本较低,结构简单等优势。由于其可实现微小流量检测,因而在工业应用、科学实验和生物医药领域有着广泛的应用前景。

1 微小流量检测的工作原理及实验装置

1.1 微小流量检测的工作原理

激光束照射在流体上时,由于流体中各个面元的散射,携带流体运动信息的反馈光与激光腔内的光混合,从而调制激光器的输出功率和频率。由于流体产生的动态散斑随时间改变,对光强的变化不需要外加光电检测器探测,在自混合散斑干涉中可直接利用激光器内部封装的光电探测器加以确定。

图1 自混合散斑干涉示意图

由图1可知,当M1定义为空间坐标的原点,则从M1发出的光场表示式为

(1)

(2)

其中nc为激光器内腔复折射率,nc=n0-ig0,LD为激光器内腔长,k是波矢值,r1,r2为激光腔面M1的反射系数。另一部分光透过M2被粗糙面T反射并耦合进激光腔,当返回到M1时它的光波光场为

(3)

其中ξ是激光内腔到激光器外腔的耦合系数,U0和φ是表面散射的光波振幅和相位的变化,x和y为在管道T上的坐标,LE为外腔长,f是照射到粗糙平面并返回的光耦合至激光腔内的反馈比。

这两束光在M1处发生叠加,根据阈值条件,可得

根据式(4)可知,角频率的变化和输出增益

(5)

(6)

(7)

(8)

其中Fi是傅立叶频谱中对应频率fi的模,并且平均频率与速度V的线性关系可表示为

(9)

1.2 微小流量检测装置的硬件构成

图2 实验装置原理图

为验证基于激光自混合散斑的流体流量测量的理论分析结果,笔者搭建了实验平台。实验装置图如图2所示。实验中,使用波长为650 nm的光源,输出功率为5 mW,半导体二极管(LD：Laser Diode)中内置光电二极管(PD：Photodetector),型号为QL65D5SA,QSI,Korea,并由包含跨阻放大器的恒流源(LD1255R)在28 mA的电流下驱动。目标物体为充满匀速流动液体的透明圆柱型管道。自混合干涉散斑信号由内置PD进行光电信号转换,由数据采集卡(NI-4431)采集后传输给计算机(PC),通过计算机进行数据分析。对该数据通过快速傅里叶变换获得相应散斑频移,将该频移代入式(8)中可获得平均频率。参考流量由微小液体流量传感器提供。

2 测量实验与结果

首先,按照上述的硬件构成拼接好实验装置,检查元件是否完好,检查各部分实验器材的拼接是否完整,同时在装有液体的装置中放入小颗粒物质,保证激光束可反馈信息。这时,通过五维调整台,打开水泵使液体匀速流动。同时,打开恒流源,使激光束照射在充满液体的透明管道上,随着水泵的驱动,混入固体小颗粒的水会流动,激光束打在流动的小颗粒产生反射反馈,同时利用Matlab软件进行分析。待取得完整稳定的波形,关闭恒流源使激光器停止工作,最后关掉水泵电源,通过信号采集及处理,获得散斑频移图像如图3所示。

(10)

利用计算机将图3的数据进行拟合得到图4所示的试验结果。由图4可见,频率越高,其速度越大,结合管道参数确定其截面面积,速度与时间的乘积与截面积相乘便确定液体流量。分析图4可知,其最大相对误差为1.13%,证明了该方法的有效性和准确性。试验结果表明,通过多普勒测速法进行微小流量的检测,其测量精度更高,测量时间更快,利用该原理设计的实验装置也更加简单方便,在工业生产、生物医药等领域将有更加广泛的应用。

图3 获得的激光自混合散斑频移图 图4 平均频率-速度关系图Fig.3 The speckle frequency shift diagram of laser self-mixing Fig.4 Average frequency-speed diagram

3 结 语

为满足计量行业测量精度高、速度快的要求,笔者提出利用激光自混合散斑干涉测量微小流量的技术,并给出了该实验装置的工作原理和装置构成。通过分析实验原理搭建了实验装置,通过平均频率法结合管道参数从而拟合出流体流量曲线。实验结果表明,利用此实验装置可精准测量流体流量,测量过程比较简单,测量结果具有较高的准确性。通过分析可知,其测量误差较小,且装置的结构简单、操作方便,满足计量行业对流量检测的要求,其未来的应用领域也会更加广阔。