Eine Zufällige Verschiebungsmessung durch Kombination einer magnetischen Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter

Summary

Ein Protokoll zur Erstellung eines linearen Verdrängungssensors mit vollem Umfang, das zwei verpackte Faser-Bragg-Gitterdetektoren mit einer magnetischen Skala kombiniert, wird vorgestellt.

Abstract

Fernverschiebungsmessungen mit optischen Fasern waren schon immer eine Herausforderung sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der industriellen Produktion. Wir entwickelten und charakterisierten einen temperaturunabhängigen Faser-Bragg-Gittersensor (FBG) basierenden Zufallsverschiebungssensor, der eine magnetische Skala als neuartigen Übertragungsmechanismus annimmt. Durch die Detektion von Verschiebungen von zwei FBG-Mittelwellenlängen kann eine Vollbereichsmessung mit einer magnetischen Skala erreicht werden. Zur Identifizierung der Drehrichtung des Motors im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn (in der Tat die Bewegungsrichtung des zu prüfenden Objekts) besteht eine sinusförmige Beziehung zwischen der Verschiebung und der mittleren Wellenlängenverschiebung des FBG; Wenn sich die Drehung gegen den Uhrzeigersinn abwechselt, zeigt die mittlere Wellenlängenverschiebung des zweiten FBG-Detektors eine führende Phasendifferenz von etwa 90° (+90°). Wenn sich die Drehung im Uhrzeigersinn abwechselt, zeigt die mittlere Wellenlängenverschiebung der zweiten FBG eine Verzögerungsphasendifferenz von etwa 90° (-90°) an. Gleichzeitig sind die beiden FBG-basierten Sensoren temperaturunabhängig. Wenn ein Fernmonitor ohne elektromagnetische Störungen benötigt wird, macht dieser auffällige Ansatz sie zu einem nützlichen Werkzeug zur Bestimmung der zufälligen Verschiebung. Diese Methode ist für die industrielle Produktion geeignet. Da die Struktur des gesamten Systems relativ einfach ist, kann dieser Verdrängungssensor in der kommerziellen Produktion eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es ein Verschiebungssensor, kann es verwendet werden, um andere Parameter zu messen, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Introduction

Optische faserbasierte Sensoren haben große Vorteile, wie Flexibilität, Wellenlängenteilungsmultiplexing, Fernüberwachung, Korrosionsbeständigkeit und andere Eigenschaften. Somit hat der optische Faserverschiebungssensor breite Anwendungen.

Zur Realisierung gezielter linearer Verschiebungsmessungen in komplexen Umgebungen werden verschiedene Strukturen der optischen Faser (z.B. das Michelson Interferometer¹, das Fabry-Perot Hohlrauminterferometer², das Faser-Bragg-Gitter³, Biegeverlust⁴) wurden in den letzten Jahren entwickelt. Der Biegeverlust erfordert die Lichtquelle in einer stabilen Station und ist für Umweltschwingungen ungeeignet. Qu et al. haben einen interferometrischen faseroptischen Nanoverschiebungssensor entwickelt, der auf einer Kunststoff-Doppelkernfaser basiert, deren Ende mit einem silbernen Spiegel beschichtet ist; es hat eine Auflösung von 70 nm⁵. Ein einfacher Verschiebungssensor, der auf einer gebogenen Singlemode-Multimode-Singlemode-Faserstruktur (SMS) basiert, wurde vorgeschlagen, um die Einschränkungen bei der Messung des Verschiebungsbereichs zu überwinden. es erhöhte die Verdrängungsempfindlichkeit um drei Fachen mit einem Bereich von 0 bis 520 m⁶. Lin et al. präsentierten ein Verdrängungssensorsystem, das die FBG mit einer Feder kombiniert; die Ausgangsleistung ist mit der Verschiebung von 110-140 mm⁷ungefähr linear. Ein Faser-Fabry-Perot-Verschiebungssensor hat einen Messbereich von 0-0,5 mm mit einer Linearität von 1,1% und einer Auflösung von 3 m⁸. Zhou et al. berichteten über einen weiträumigen Verdrängungssensor, der auf einem faseroptischen Fabry-Perot-Interferometer für Subnanometermessungen basiert, bis zu 0,084 nm über einen Dynamikbereich von 3 mm⁹. Ein Faseroptik-Verschiebungssensor auf Basis der reflexiven Intensitätsmodul-Technologie wurde mit einem Faserkollimator demonstriert; dieser hatte einen Erfassungsbereich von über 30 cm¹⁰. Obwohl optische Fasern in vielen Arten von Verdrängungssensoren hergestellt werden können, nutzen diese faserbasierten Sensoren in der Regel die Zuggrenze des Materials selbst, was ihre Anwendung bei Weitbereichsmessungen einschränkt. So werden in der Regel Kompromisse zwischen messbereich und Sensitivität gemacht. Darüber hinaus ist es schwierig, die Verschiebung zu bestimmen, da verschiedene Variablen gleichzeitig auftreten; insbesondere die Kreuzempfindlichkeit der Dehnung und Temperatur kann die experimentelle Präzision beschädigen. Es gibt viele Diskriminierungstechniken, die in der Literatur berichtet werden, wie die Verwendung von zwei verschiedenen Sensorstrukturen, die Verwendung einer einzigen FBG, die durch verschiedene Klebstoffe halb gebunden ist, oder die Verwendung spezieller glasfaserverstärkung. Daher erfordert die Weiterentwicklung von optischen Faserverschiebungssensoren eine hohe Empfindlichkeit, eine geringe Größe, eine große Stabilität, volle Reichweite und Temperaturunabhängigkeit.

Hier ermöglicht die periodische Struktur der Magnetskala eine Vollbereichsmessung. Es wird eine zufällige Verschiebung ohne begrenzten Messbereich mit einer magnetischen Skala erreicht. In Kombination mit zwei FBGs konnten sowohl die Temperaturquerempfindlichkeit als auch die Identifikation für die Bewegungsrichtung gelöst werden. Verschiedene Schritte innerhalb dieser Methode erfordern Präzision und Liebe zum Detail. Das Protokoll der Sensorfertigung wird im Detail wie folgt beschrieben.

Protocol

1. Herstellung des Faser-Bragg-Gitters Um die Lichtempfindlichkeit des Faserkerns zu verbessern, legen Sie eine Standard-Single-Mode-Faser für 1 Woche in einen wasserstoffbelasteten luftdichten Kanister. Fertigen Sie das Faser-Bragg-Gitter mit der Scanning-Phase-Masken-Technik und einem frequenzverdoppelten, kontinuierlichen Wellen-Argon-Ionen-Laser bei einer Wellenlänge von 244 nm. Konzentrieren Sie sich auf die optische Faser mit einer zylindrischen Linse und einem ultravioletten (UV) Lase…

Representative Results

Der Abstand von 1 mm bis 3 mm11zwischen der magnetischen Skala und dem Detektor ermöglichte die Erfassung der linearen Verschiebung mit einer sinusförmigen Funktion. Ein Abstand von 22,5 mm zwischen zwei Detektoren ermöglichte es diesem Ansatz, die Richtung der Bewegung eines Objekts mit einer Phasendifferenz von 90° zu erkennen. Die beiden Detektoren wurden voneinander getrennt für (m x 1/4) (m ist eine positive ganze Zahl) und (m x…

Discussion

Wir haben eine neue Methode für zufällige lineare Verschiebungsmessungen demonstriert, indem wir eine magnetische Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter kombiniert haben. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist die zufällige Verschiebung ohne Einschränkung. Die hier verwendete magnetische Skala erzeugte eine Periodizität des Magnetfeldes bei 10 mm, weit über die praktischen Grenzen herkömmlicher optischer Lichtwellenleiter-Verschiebungssensoren, wie die von Lin et al.⁷ und Li et al.<sup class="xref…

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