Une mesure de déplacement aléatoire en combinant une échelle magnétique et deux gratings de vantardise de fibre
Summary
Un protocole pour créer un capteur de déplacement linéaire à pleine portée, combinant deux détecteurs de grille de vantardise bragg en fibre emballés avec une échelle magnétique, est présenté.
Abstract
Les mesures de déplacement à longue distance à l’aide de fibres optiques ont toujours été un défi tant dans la recherche fondamentale que dans la production industrielle. Nous avons développé et caractérisé un capteur de déplacement aléatoire à base de fibres bragg (FBG) indépendant de la température qui adopte une échelle magnétique comme un nouveau mécanisme de transfert. En détectant les décalages de deux longueurs d’onde du centre FBG, une mesure à pleine portée peut être obtenue à l’échelle magnétique. Pour l’identification de la direction de rotation dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre du moteur (en fait, la direction du mouvement de l’objet à tester), il existe une relation sinusoïdale entre le déplacement et le décalage de longueur d’onde centrale du FBG; à mesure que la rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre alterne, le décalage de longueur d’onde centrale du deuxième détecteur FBG montre une différence de phase de pointe d’environ 90 degrés. Au fur et à mesure que la rotation dans le sens des aiguilles d’une montre alterne, le décalage de longueur d’onde centrale du deuxième FBG affiche une différence de phase de retard d’environ 90 degrés (-90 degrés). Dans le même temps, les deux capteurs à base de FBG sont indépendants de la température. S’il y a un besoin d’un moniteur à distance sans aucune interférence électromagnétique, cette approche frappante en fait un outil utile pour déterminer le déplacement aléatoire. Cette méthodologie est appropriée pour la production industrielle. Comme la structure de l’ensemble du système est relativement simple, ce capteur de déplacement peut être utilisé dans la production commerciale. En plus d’être un capteur de déplacement, il peut être utilisé pour mesurer d’autres paramètres, tels que la vitesse et l’accélération.
Introduction
Les capteurs à fibres optiques présentent de grands avantages, tels que la flexibilité, le multiplexage de la division de longueur d’onde, la télésurveillance, la résistance à la corrosion et d’autres caractéristiques. Ainsi, le capteur de déplacement de fibre optique a de larges applications.
Pour réaliser des mesures de déplacement linéaireciblées dans des environnements complexes, diverses structures de la fibre optique (par exemple, l’interféromètre Michelson1, l’interféromètre de cavité Fabry-Perot2, la fibre Bragg rrating3, le perte de flexion4) ont été développées au cours des dernières années. La perte de flexion nécessite la source de lumière dans une station stable et ne convient pas aux vibrations environnementales. Qu et coll. ont conçu un capteur interférométrique de nano-déplacement à fibre optique à partir d’une fibre plastique à double cœur avec une extrémité recouverte d’un miroir argenté; il a une résolution de 70 nm5. Un capteur de déplacement simple basé sur une structure de fibre à mode unique plié-multimode-mode (SMS) a été proposé pour surmonter les limites sur la mesure de la plage de déplacement ; il a triplé la sensibilité au déplacement avec une fourchette de 0 à 520 m6. Lin et coll. ont présenté un système de capteurs de déplacement qui combine le FBG avec un ressort; la puissance de sortie est approximativement linéaire avec le déplacement de 110-140 mm7. Un capteur de déplacement en fibre Fabry-Perot a une portée de mesure de 0-0,5 mm avec une linéarité de 1,1% et une résolution de 3 m8. Zhou et coll. ont signalé un capteur de déplacement à large portée basé sur un interféromètre à fibres optiques Fabry-Perot pour les mesures subnanométriques, jusqu’à 0,084 nm sur une plage dynamique de 3 mm9. Un capteur de déplacement de fibre optique basé sur la technologie modulée d’intensité réfléchissante a été démontré utilisant un collimateur de fibre ; cela avait une portée de détection de plus de 30 cm10. Bien que les fibres optiques puissent être fabriquées en de nombreux types de capteurs de déplacement, ces capteurs à base de fibres utilisent généralement la limite tendancieux du matériau lui-même, ce qui limite leur application dans les mesures à large portée. Ainsi, des compromis sont généralement faits entre la plage de mesure et la sensibilité. En outre, il est difficile de déterminer le déplacement que diverses variables se produisent simultanément; en particulier, la sensibilité croisée de la souche et de la température pourrait endommager la précision expérimentale. Il existe de nombreuses techniques de discrimination signalées dans la littérature, comme l’utilisation de deux structures de détection différentes, l’utilisation d’un seul FBG à moitié collépar par des colles différentes, ou l’utilisation de fibres optiques spéciales. Ainsi, le développement ultérieur des capteurs de déplacement de fibre optique exige une sensibilité élevée, une petite taille, une grande stabilité, la gamme complète, et l’indépendance de température.
Ici, la structure périodique de l’échelle magnétique permet une mesure à pleine portée. Un déplacement aléatoire sans une plage de mesure limitée avec une échelle magnétique est atteint. Combiné avec deux FBG, à la fois la sensibilité de la température cross et l’identification de la direction du mouvement pourrait être résolu. Diverses étapes de cette méthode exigent la précision et l’attention aux détails. Le protocole de fabrication du capteur est décrit en détail comme suit.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous avons démontré une nouvelle méthode pour les mesures aléatoires de déplacement linéaire en combinant une échelle magnétique et deux grilles de Bragg de fibre. Le principal avantage de ces capteurs est le déplacement aléatoire sans limitation. L’échelle magnétique utilisée ici a généré une périodicité du champ magnétique à 10 mm, bien au-delà des limites pratiques des capteurs de déplacement de fibres optiques classiques, tels que le déplacement mentionné par Lin et al.7</sup…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient le Laboratoire d’optique pour leur équipement et sont reconnaissants pour leur soutien financier par le biais du Programme pour les boursiers Changjiang et l’équipe de recherche innovante à l’Université et le ministère de l’Éducation de la Chine.
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 |
References
- 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).
