מדידת הזחה אקראית על-ידי שילוב סולם מגנטי ושני בראג בלגים
Summary
פרוטוקול ליצירת חיישן הזחה ליניארי בטווח מלא, המשלב בין שני גלאים בראג ‘ עם קנה מידה מגנטי, מוצג.
Abstract
מדידות התזוזה ארוכת הטווח באמצעות סיבים אופטיים תמיד היה אתגר הן מחקר בסיסי הייצור התעשייתי. פיתחנו והתאפיין סיבים עצמאיים בראג פומפיה (FBG) מבוססי חיישן העקירה אקראי המבצע סולם מגנטי כמו מנגנון העברת רומן. על ידי גילוי שינויים של שני אורכי גל FBG מרכז, מדידה בטווח מלא ניתן להשיג בקנה מידה מגנטי. לזיהוי בכיוון השעון וכיוון השעון הסיבוב של המנוע (למעשה, הכיוון של התנועה של האובייקט להיבדק), יש קשר sinusoidal בין העקירה ואת מרכז אורך הגל של FBG; כמו הסבב הטיפולי של האנטילווקייז, שינוי אורך הגל המרכזי של הגלאי FBG השני מראה הפרש שלב מוביל של סביב 90 ° (+ 90 °). כיוון החלופות לסיבוב בכיוון השעון, שינוי אורך הגל המרכזי של FBG השני מציג הפרש שלב בפיגור של כ-90 ° (-90 °). במקביל, שני חיישנים מבוססי FBG הם טמפרטורה עצמאית. אם יש צורך בצג מרוחק ללא כל התערבות אלקטרומגנטית, גישה מרשימה זו הופכת אותם לכלי שימושי לקביעת התזוזה האקראית. מתודולוגיה זו מתאימה לייצור תעשייתי. כמו מבנה של המערכת כולה היא פשוטה יחסית, זה חיישן העקירה ניתן להשתמש בייצור מסחרי. בנוסף להיותו חיישן עקירה, ניתן להשתמש בו כדי למדוד פרמטרים אחרים, כגון מהירות ותאוצה.
Introduction
לחיישנים אופטיים מבוססי סיבים יש יתרונות גדולים, כגון גמישות, ריבוב חלוקה של אורך הגל, ניטור מרחוק, עמידות בפני קורוזיה ומאפיינים אחרים. לפיכך, חיישן העקירה של סיבים אופטיים יש יישומים רחבים.
כדי להגשים את מדידות התזוזה הליניארית בסביבות מורכבות, מבנים שונים של סיבים אופטיים (למשל, אינטריימסון מייקלסון1, מכלול החלל של fabry-perot2, סיבי בראג ‘3, ה אובדן כיפוף4) פותחו במהלך השנים האחרונות. אובדן הכיפוף דורש את מקור האור בתחנה יציבה ואינו מתאים לתנודות סביבתיות. Qu et אל. עיצבו חיישן ננו אופטי סיבים אופטיים מבוסס על סיבים פלסטיק ליבה כפולה עם קצה אחד מצופה במראה כסופה; יש לו רזולוציה של 70 ננומטר5. חיישן הזחה פשוטה המבוססת על מבנה מכופף במצב יחיד מרובה-מצב-במצב יחיד (SMS) במבנה סיבים הוצע כדי להתגבר על המגבלות על המדידה של טווח העקירה; זה הגביר את רגישות העקירה משולשת עם טווח בין 0 כדי 520 יקרומטר6. לין ואח ‘ הציגה מערכת חיישן עקירה המשלבת את FBG יחד עם קפיץ; כוח הפלט הוא ליניארי בקירוב עם עקירה של 110-140 מ”מ7. חיישן fabry-perot סיבים הזחה יש טווח מדידה של 0-0.5 מ”מ עם יניאריות של 1.1% ורזולוציה של 3 יקרומטר8. ז’או ואח ‘ דיווח על חיישן הזחה בטווח רחב המבוסס על מדידת פברי סיבים אופטיים למדידות תת-מרחביות, עד 0.084 ננומטר מעל טווח דינמי של 3 מ ל9. חיישן העקירה סיבים אופטיים מבוסס על עוצמה רפלקטיבית הטכנולוגיה מודנן הוכחו באמצעות מקוליסיבים תזונתיים; זה היה טווח חישה מעל 30 ס”מ10. למרות סיבים אופטיים יכול להיות מפוברק לסוגים רבים של חיישנים העקירה, אלה סיבים מבוססי חיישנים בדרך כלל לעשות שימוש במגבלת מתיחה של החומר עצמו, אשר מגביל את היישום שלהם במדידות לטווח רחב. לפיכך, הפשרות עשויות לרוב בין טווח המדידה לבין הרגישות. כמו-כן, קשה לקבוע את ההזחה כאשר משתנים שונים מתרחשים בו זמנית; במיוחד, רגישות מקושרת של המתח והטמפרטורה עלולה לגרום נזק לדיוק הנסיוני. ישנן טכניקות אפליה רבות שדווחו בספרות, כגון שימוש בשני מבני חישה שונים, באמצעות FBG בודד חצי בונדד על ידי דבקים שונים, או באמצעות סיבים אופטיים מיוחדים. כך, התפתחות נוספת של חיישנים אופטיים הזחה הסיבים דורש רגישות גבוהה, גודל קטן, יציבות גדולה, מגוון מלא, ועצמאות טמפרטורה.
כאן, המבנה התקופתי של הסולם המגנטי הופך את המדידה לטווח מלא אפשרית. תזוזה אקראית ללא טווח מדידה מוגבל עם קנה מידה מגנטי מושגת. בשילוב עם שני FBGs, הן רגישות האקלים והזיהוי לכיוון התנועה יכול להיפתר. צעדים שונים בשיטה זו דורשים דיוק ותשומת לב לפרטים. פרוטוקול ייצור החיישנים מתואר בפרוטרוט כדלקמן.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדגמנו שיטה חדשה למדידות אקראיות לינאריות על ידי שילוב קנה מידה מגנטי ושני בראג מסיבי. היתרון העיקרי של חיישנים אלה הוא הזחה אקראית ללא הגבלה. הסולם המגנטי המשמש כאן יצר תקופתיות של השדה המגנטי ב 10 מ”מ, הרבה מעבר לגבולות המעשיים של חיישני סיבים אופטיים קונבנציונאלי הזחה, כגון עקירה שהוזכרו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים למעבדת האופטיקה על הציוד ומודים על התמיכה הפיננסית באמצעות התוכנית לחוקרי Changjiang וצוות מחקר חדשני באוניברסיטה ובמשרד החינוך של סין.
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).
