Een meting van willekeurige verplaatsing door het combineren van een magnetische schaal en twee Gratingen van vezel Bragg

Summary

Een protocol om een full-range lineaire verplaatsingssensor te creëren, die twee verpakte Fiber Bragg-rooster detectoren met een magnetische weegschaal combineert, wordt gepresenteerd.

Abstract

Metingen over de verplaatsing van lange afstanden met behulp van optische vezels zijn altijd een uitdaging geweest in zowel fundamenteel onderzoek als industriële productie. We ontwikkelden en kenmerkten een temperatuur onafhankelijke Fiber Bragg rooster (FBG)-gebaseerde Random-verplaatsingssensor die een magnetische schaal aanneemt als een roman Transfer mechanisme. Door verschuivingen van twee FBG Center golflengten te detecteren, kan een full-range meting worden verkregen met een magnetische weegschaal. Voor de identificatie van de rechtsom en linksom rotatierichting van de motor (in feite de bewegingsrichting van het te testen object), is er een sinus verhouding tussen de verplaatsing en de middelste golflengte verschuiving van de FBG; Als de linksom rotatie wisselt, toont de middelste golflengte verschuiving van de tweede FBG-detector een leidend faseverschil van ongeveer 90 ° (+ 90 °). Als de rechtsom rotatie afwisselend, de middelste golflengte verschuiving van de tweede FBG geeft een achterblijvende faseverschil van rond 90 ° (-90 °). Tegelijkertijd zijn de twee op FBG gebaseerde sensoren temperatuur onafhankelijk. Als er een externe monitor nodig is zonder elektromagnetische interferentie, maakt deze opvallende benadering ze een handig hulpmiddel om de willekeurige verplaatsing te bepalen. Deze methodologie is geschikt voor industriële productie. Omdat de structuur van het hele systeem relatief eenvoudig is, kan deze verplaatsingssensor worden gebruikt in de commerciële productie. Naast het feit dat het een verplaatsingssensor is, kan het worden gebruikt om andere parameters te meten, zoals snelheid en versnelling.

Introduction

Optische vezel sensoren hebben grote voordelen, zoals flexibiliteit, golflengte divisie multiplexing, bewaking op afstand, corrosiebestendigheid en andere kenmerken. Zo heeft de optische vezel verdringings sensor brede toepassingen.

Om gerichte lineaire verplaatsings metingen te realiseren in complexe omgevingen, verschillende structuren van de optische vezel (bijv. de Michelson interferometer¹, de Fabry-Perot holte interferometer², de Fiber Bragg rooster³, de Buig verlies⁴) zijn ontwikkeld in de afgelopen jaren. Het buig verlies vereist de lichtbron in een stabiel station en is ongeschikt voor omgevings trillingen. Qu et al. hebben een interferometrische Fiber-Optic nano verplaatsingssensor ontworpen op basis van een plastic Dual-Core vezel met één uiteinde bekleed met een zilveren spiegel; het heeft een resolutie van 70 nm⁵. Een eenvoudige verplaatsingssensor op basis van een gebogen single-mode-multimode-single-mode (SMS) vezelstructuur werd voorgesteld om de beperkingen op de meting van het verplaatsings bereik te overwinnen; het verhoogde de verplaatsing gevoeligheid drievoudig met een bereik van 0 tot 520 μm⁶. Lin et al. presenteerde een verplaatsingssensor systeem dat de FBG samen met een veer combineert; het uitgangsvermogen is ongeveer lineair met de verplaatsing van 110-140 mm⁷. Een Fiber Fabry-Perot verplaatsingssensor heeft een meetbereik van 0-0,5 mm met een lineariteit van 1,1% en een resolutie van 3 μm⁸. Zhou et al. rapporteerde een wide-range verplaatsingssensor op basis van een Fiber-Optic Fabry-Perot interferometer voor subnanometer metingen, tot 0,084 nm over een dynamisch bereik van 3 mm⁹. Een fiber-optische verplaatsingssensor op basis van reflecterende intensiteit gemoduleerde technologie werd aangetoond met behulp van een vezel collimator; Dit had een schakelbereik van meer dan 30 cm¹⁰. Hoewel optische vezels kunnen worden gefabriceerd in vele soorten verplaatsings sensoren, maken deze op vezels gebaseerde sensoren in het algemeen gebruik van de Trek grens van het materiaal zelf, wat de toepassing ervan beperkt in breedbereik metingen. Er worden dus meestal compromissen gesloten tussen het meetbereik en de gevoeligheid. Bovendien is het moeilijk om de verplaatsing te bepalen, aangezien verschillende variabelen gelijktijdig optreden; vooral, kruisgevoeligheid van de stam en temperatuur kan de experimentele precisie beschadigen. Er zijn veel discriminatie technieken gerapporteerd in de literatuur, zoals het gebruik van twee verschillende sensing structuren, met behulp van een enkele FBG half gebonden door verschillende lijmen, of met behulp van speciale optische vezels. De verdere ontwikkeling van optische vezel verdringings sensoren vereist dus een hoge gevoeligheid, een klein formaat, grote stabiliteit, volledig bereik en onafhankelijkheid van de temperatuur.

Hier maakt de periodieke structuur van de magnetische weegschaal een full-range meting mogelijk. Een willekeurige verplaatsing zonder een beperkt meetbereik met een magnetische schaal wordt bereikt. In combinatie met twee FBGs kunnen zowel temperaturecross-gevoeligheid als de identificatie voor de bewegingsrichting worden opgelost. Verschillende stappen binnen deze methode vereisen precisie en aandacht voor detail. Het Protocol van de fabricage van de sensor wordt in detail beschreven als volgt.

Protocol

1. fabricage van de Fiber Bragg rooster Om de lichtgevoeligheid van de vezel kern te verbeteren, zet u een standaard single-mode glasvezel in een luchtdichte busje met waterstof voor 1 week. Fabriceren de Fiber Bragg roosters met behulp van de Scanning Phase-Mask techniek en een frequentie-verdubbelde, continue Wave argon-Ion laser met een golflengte van 244 nm. Focus op de optische vezel met een cilindrische lens en een ultraviolette (UV) laserstraal. Opdruk van het rooster (periodieke modula…

Representative Results

De afstand, variërend van 1 mm tot 3 mm11, tussen de magnetische schaal en de detector, stelde de detectie van de lineaire verplaatsing met een sinusoïdale functie in staat. Een afstand van 22,5 mm tussen twee detectoren stelde deze benadering in staat om detectie van de richting van de beweging van een object te realiseren met een faseverschil van 90 °. De twee detectoren werden van elkaar gescheiden voor (m ± 1/4) τ (m is een positief gehee…

Discussion

We hebben een nieuwe methode voor willekeurige lineaire verplaatsings metingen gedemonstreerd door het combineren van een magnetische schaal en twee vezel Bragg roosters. Het belangrijkste voordeel van deze sensoren is willekeurige verplaatsing zonder beperking. De magnetische schaal die hier wordt gebruikt, genereert een periodefrequentie van het magnetische veld op 10 mm, tot ver buiten de praktische grenzen van conventionele optische vezel verdringings sensoren, zoals de verplaatsing genoemd door Lin et al.<sup class=…

Materials

ASE	OPtoElectronics Technology Co., Ltd.		1525nm-1610nm
computer	Thinkpad		win10
fiber cleaver/ CT-32	Fujikura		the diameter of 125
fiber optic epoxy /DP420	henkel-loctite		Ratio 2:1
interrogator	BISTU		sample rate:17kHz
motor driver	Zolix		PSMX25
optical circulator	Thorlab		three ports
optical couple	Thorlab		50:50
optical spectrum analyzer/OSA	Fujikura		AQ6370D
permanent magnet	Shanghai Sichi Magnetic Industry Co., Ltd.		D5x4mm
plastic shaped pipe	Topphotonics
power source	RIGOL		adjustable power
single mode fiber	Corning		9/125um
Spring	tengluowujin		D3x15mm
stepper motor controller			JF24D03M