자기 눈금과 두 개의 광섬유 브래그 격자를 결합하여 무작위 변위 측정
Summary
두 개의 패키지 된 섬유 브래그 격자 검출기를 자기 스케일과 결합한 풀 레인지 선형 변위 센서를 생성하는 프로토콜이 제공됩니다.
Abstract
광섬유를 이용한 장거리 변위 측정은 항상 기초 연구와 산업 생산 모두에서 어려운 과제였습니다. 우리는 새로운 전달 메커니즘으로 자기 스케일을 채택하는 온도 독립적 인 섬유 브래그 격자 (FBG) 기반의 무작위 변위 센서를 개발하고 특성화했습니다. 두 개의 FBG 중심 파장의 변화를 감지하여 자기 스케일로 전체 범위 측정을 얻을 수 있습니다. 모터의 시계 방향 및 반시계 방향 회전 방향의 식별을 위해 (사실, 테스트 할 물체의 이동 방향), FBG의 변위와 중심 파장 시프트 사이의 정현파 관계가 있습니다. 시계 반대 방향으로 회전하는 경우 두 번째 FBG 검출기의 중심 파장 이동은 약 90°(+90°)의 선행 위상 차이를 보여줍니다. 시계 방향 회전이 번갈아 가며 두 번째 FBG의 중심 파장 이동은 약 90° (-90°)의 지연 위상 차이를 표시합니다. 동시에 두 FBG 기반 센서는 온도독립적입니다. 전자기 간섭없이 원격 모니터가 필요한 경우이 눈에 띄는 접근 방식은 무작위 변위를 결정하는 데 유용한 도구가됩니다. 이 방법론은 산업 생산에 적합합니다. 전체 시스템의 구조가 비교적 간단하기 때문에 이 변위 센서는 상업적 생산에 사용될 수 있습니다. 변위 센서 이외에도 속도 및 가속도와 같은 다른 파라미터를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.
Introduction
광섬유 기반 센서는 유연성, 파장 분할 다중화, 원격 모니터링, 내식성 및 기타 특성과 같은 큰 장점을 가지고 있습니다. 따라서 광섬유 변위 센서는 광범위한 응용 프로그램을 가지고 있습니다.
복잡한 환경에서 표적 선형 변위 측정을 실현하기 위해, 광섬유의 다양한 구조 (예를 들어, 미켈슨 간섭계1,파브리 페로 캐비티 간섭계2,섬유 브래그 격자3, 굽힘 손실4)최근 몇 년 동안 개발되었습니다. 굽힘 손실은 안정적인 스테이션의 광원을 필요로 하며 환경 진동에 적합하지 않습니다. Qu. 외. 은 거울로 코팅 된 한쪽 끝과 플라스틱 듀얼 코어 섬유를 기반으로 간섭 광섬유 나노 배기 센서를 설계; 그것은 70 nm5의해상도를 가지고 있습니다. 구부러진 단일 모드-멀티 모드-단일 모드(SMS) 섬유 구조에 기초한 간단한 변위 센서는 변위 범위의 측정에 대한 한계를 극복하기 위해 제안되었다; 0에서 520 μm6의범위로 변위 감도를 세 배로 증가시켰습니다. Lin 등은 FBG와 스프링을 결합한 변위 센서 시스템을 선보였습니다. 출력 전력은 110-140 mm7의배위와 약 선형입니다. 섬유 Fabry-Perot 변위 센서는 0-0.5 mm의 측정 범위를 가지며 선형성은 1.1%, 해상도는 3 μm8입니다. Zhou 등은 3mm9의동적 범위에서 최대 0.084 nm의 서브 나노 미터 측정을위한 광섬유 Fabry-Perot 간섭계를 기반으로 한 광범위한 변위 센서를보고했습니다. 광섬유 콜리메이터를 사용하여 반사 강도 변위 기술을 기반으로 하는 광섬유 변위 센서가 입증되었습니다. 이것은 30cm10이상 감지 범위를 가지고 있었다. 광섬유는 여러 종류의 변위 센서로 제작될 수 있지만, 이러한 섬유 기반 센서는 일반적으로 재료 자체의 인장 한계를 사용하여 광범위한 측정에서 응용을 제한합니다. 따라서 일반적으로 측정 범위와 감도 간에 타협이 이루어집니다. 또한 다양한 변수가 동시에 발생함에 따라 변위를 결정하기가 어렵습니다. 특히, 스트레인과 온도의 교차 감도는 실험 정밀도를 손상시킬 수 있습니다. 두 개의 서로 다른 감지 구조를 사용하거나, 다른 접착제에 의해 반결합된 단일 FBG를 사용하거나, 특수 광섬유를 사용하는 등 문헌에 보고된 많은 차별 기술이 있습니다. 따라서 광섬유 변위 센서의 추가 개발은 높은 감도, 작은 크기, 큰 안정성, 전체 범위 및 온도 독립성을 요구합니다.
여기서, 자기 눈금의 주기적인 구조는 전체 범위 측정을 가능하게 한다. 자기 눈금이 있는 제한된 측정 범위가 없는 임의 변위가 달성됩니다. 두 개의 FBG와 결합하여 온도 교차 감도와 이동 방향에 대한 식별을 모두 해결할 수 있습니다. 이 방법 내의 다양한 단계는 정밀도와 세부 사항에주의를 기울여야합니다. 센서 제작의 프로토콜은 다음과 같이 상세히 설명된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
우리는 자기 눈금과 두 개의 섬유 브래그 격자를 결합하여 무작위 선형 변위 측정을위한 새로운 방법을 입증했다. 이러한 센서의 주요 장점은 제한없이 임의 변위입니다. 여기서 사용되는 자기 스케일은 Lin et al.7 및 Li et al.8에의해 언급된 배기량과 같은 종래의 광섬유 변위 센서의 실질적인 한계를 훨씬 뛰어넘는 10 mm에서 자기장의 주기성을 생성하였다. 온도 ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 장비에 대한 광학 실험실에 감사하고 대학과 중국 교육부에서 창장 학자 및 혁신적인 연구 팀을위한 프로그램을 통해 재정 지원에 감사드립니다.
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 |
Referenzen
- Salcedadelgado, G., et al. Adaptable Optical Fiber Displacement-Curvature Sensor Based on a Modal Michelson Interferometer with a Tapered Single Mode Fiber. Sensors. 17 (6), 1259 (2017).
- Milewska, D., Karpienko, K., Jędrzejewska-Szczerska, M. Application of thin diamond films in low-coherence fiber-optic Fabry Pérot displacement sensor. Diamond and Related Materials. 64, 169-176 (2016).
- Zou, Y., Dong, X., Lin, G., Adhami, R. Wide Range FBG Displacement Sensor Based on Twin-Core Fiber Filter. Journal of Lightwave Technology. 30 (3), 337-343 (2012).
- Zhao, J., Bao, T., Kundu, T. Wide Range Fiber Displacement Sensor Based on Bending Loss. Journal of Sensors. 2016 (2016-1-27), 1-5 (2016).
- Qu, H., Yan, G., Skorobogatiy, M. Interferometric fiber-optic bending/nano-displacement sensor using plastic dual-core fiber. Optics Letters. 39 (16), 4835-4838 (2014).
- Wu, Q., Semenova, Y., Wang, P., Muhamad Hatta, A., Farrell, G. Experimental demonstration of a simple displacement sensor based on a bent single-mode-multimode-single-mode fiber structure. Measurement Science & Technology. 22 (2), 025203 (2011).
- Lin, G., Adhami, R., Dong, X., Zou, Y. Wide range FBG displacement sensor based on twin-core fiber filter. Journal of Lightwave Technology. 30 (3), 337-343 (2012).
- Li, M., Guo, J., Tong, B. A double-fiber F-P displacement sensor based on direct phase demodulation. The International Conference on Optical Fibre Sensors. 8421, 84212R (2012).
- Zhou, X., Yu, Q. Wide-range displacement sensor based on fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer for Subnanometer Measurement. IEEE Sensors Journal. 11, 1602-1606 (2011).
- Shen, W., Wu, X., Meng, H., Huang, X. Long distance fiber-optic displacement sensor based on fiber collimator. Review of Scientific Instruments. 81 (12), (2010).
- Zhu, L., Lu, L., Zhuang, W., Zeng, Z., Dong, M. Non-contact temperature-independent random-displacement sensor using two fiber bragg gratings. Applied Optics. 57 (3), 447 (2018).
- Yu, H., Yang, X., Tong, Z., Cao, Y., Zhang, A. Temperature-independent rotational angle sensor based on fiber Bragg grating. IEEE Sensors Journal. 11 (5), 1233-1235 (2011).
- Liu, J., et al. A Wide-Range Displacement Sensor Based on Plastic Fiber Macro-Bend Coupling. Sensors. 17 (1), 196 (2017).
