Manyetik Ölçek ve İki Fiber Bragg Gratings Birleştirerek Rastgele Yer Değiştirme Ölçümü
Summary
Manyetik bir ölçek ile iki paketlenmiş fiber Bragg ızgara dedektörleri birleştiren tam menzilli doğrusal deplasman sensörü oluşturmak için bir protokol sunulmaktadır.
Abstract
Optik lifler kullanılarak yapılan uzun mesafe liyer değiştirme ölçümleri hem temel araştırmalarda hem de endüstriyel üretimde her zaman zor olmuştur. Biz geliştirdi ve yeni bir aktarım mekanizması olarak manyetik bir ölçek benimseyen bir sıcaklık bağımsız lif Bragg ızgara (FBG) tabanlı rasgele yer değiştirme sensörü karakterize. İki FBG merkezi dalga boylarının kaymaları tespit edilerek manyetik ölçekle tam aralıklı bir ölçüm elde edilebilir. Motorun saat yönünde ve saat yönünün tersine dönüş yönünün belirlenmesi için (aslında, test edilecek nesnenin hareket yönü), FBG’nin yer değiştirmesi ile merkez dalga boyu kayması arasında sinüzoidal bir ilişki vardır; saat yönünün tersine dönmesiyle, ikinci FBG dedektörünün merkez dalga boyu değişimi yaklaşık 90° (+90°) bir faz farkı gösterir. Saat yönünde dönüş ler değiştikçe, ikinci FBG’nin merkez dalga boyu değişimi yaklaşık 90° (-90°) gecikmeli faz farkı gösterir. Aynı zamanda, iki FBG tabanlı sensörler sıcaklık bağımsızdır. Herhangi bir elektromanyetik girişim olmadan uzaktan monitör için bazı ihtiyaç varsa, bu çarpıcı yaklaşım onları rasgele deplasman belirlemek için yararlı bir araç yapar. Bu metodoloji endüstriyel üretim için uygundur. Tüm sistemin yapısı nispeten basit olduğundan, bu deplasman sensörü ticari üretimde kullanılabilir. Bir deplasman sensörü olmasının yanı sıra, hız ve ivme gibi diğer parametreleri ölçmek için kullanılabilir.
Introduction
Optik fiber tabanlı sensörler, esneklik, dalga boyu bölme çoklama, uzaktan izleme, korozyon direnci ve diğer özellikler gibi büyük avantajlara sahiptir. Böylece optik fiber deplasman sensörü geniş uygulamalara sahiptir.
Karmaşık ortamlarda hedeflenen doğrusal deplasman ölçümleri gerçekleştirmek için, optik fiber çeşitli yapılar (örneğin, Michelson interferometer1, Fabry-Perot kavite interferometer2, fiber Bragg ızgara3, bükme kaybı4) son yıllarda geliştirilmiştir. Bükme kaybı kararlı bir istasyonda ışık kaynağı gerektirir ve çevresel titreşim için uygun değildir. Qu ve ark. bir ucu gümüş ayna ile kaplanmış plastik çift çekirdekli fiber dayalı bir interferometrik fiber optik nanodisplacement sensör tasarladık; 70 nm5çözünürlüğe sahiptir. Yer değiştirme aralığının ölçümündeki sınırlamaları aşmak için bükülmüş tek modlu-çok modlu-tek modlu (SMS) fiber yapısına dayalı basit bir deplasman sensörü önerilmiştir; 0 ile 520 μm6arasında değişen deplasman hassasiyetini üç kat artırmıştır. Lin ve ark. fbg bir yay ile birlikte birleştiren bir deplasman sensör sistemi sundu; çıkış gücü 110-140 mm7’ninyer değiştirmesi ile yaklaşık olarak doğrusaldır. Fiber Fabry-Perot deplasman sensörü 0-0,5 mm’lik bir ölçüm aralığına sahiptir ve doğrusallık%1,1 ve çözünürlüğü 3 μm 8’dir. Zhou ve ark. 3 mm9dinamik bir aralık üzerinde 0,084 nm kadar, subnanometre ölçümleri için bir fiber optik Fabry-Perot interferometre dayalı geniş menzilli bir deplasman sensörü bildirdi. Yansıtıcı yoğunluk modüle teknolojiye dayalı bir fiber optik deplasman sensörü bir fiber kolimatör kullanılarak gösterilmiştir; bu 30 cm10üzerinde bir algılama aralığı vardı. Optik lifler birçok türde deplasman sensörüne imal edilse de, bu fiber tabanlı sensörler genellikle malzemenin kendisindeki çekme limitini kullanırlar ve bu da geniş kapsamlı ölçümlerde uygulamalarını sınırlar. Böylece, genellikle ölçüm aralığı ve hassasiyet arasında tavizler yapılır. Ayrıca, çeşitli değişkenler aynı anda meydana geldiğinden yer değiştirmeyi belirlemek zordur; özellikle, gerginlik ve sıcaklığın çapraz hassasiyeti deneysel hassasiyete zarar verebilir. Literatürde iki farklı algılama yapısı kullanmak, farklı yapıştırıcılarla yarı bağlanmış tek bir FBG kullanmak veya özel optik lifler kullanmak gibi birçok ayrımcılık tekniği rapor edilmiştir. Böylece, optik fiber deplasman sensörleri daha da geliştirilmesi yüksek hassasiyet gerektirir, küçük bir boyut, büyük istikrar, tam aralık, ve sıcaklık bağımsızlığı.
Burada manyetik ölçeğin periyodik yapısı tam kapsamlı bir ölçümü mümkün kılar. Manyetik ölçekte sınırlı bir ölçüm aralığı olmayan rastgele bir yer değiştirme elde edilir. İki FBG ile birlikte, hem sıcaklık çapraz duyarlılık ve hareket yönü için kimlik çözülebilir. Bu yöntemdeki çeşitli adımlar hassasiyet ve detaylara dikkat gerektirir. Sensör imalatı protokolü aşağıdaki gibi ayrıntılı olarak açıklanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biz bir manyetik ölçek ve iki fiber Bragg ızgarabirleştirerek rasgele doğrusal deplasman ölçümleri için yeni bir yöntem göstermiştir. Bu sensörlerin en büyük avantajı, sınırlama olmaksızın rastgele yer değiştirmesidir. Burada kullanılan manyetik ölçek, Lin ve ark.7 ve Li ve ark.8tarafından bahsedilen deplasman gibi geleneksel optik fiber deplasman sensörlerinin pratik sınırlarının çok ötesinde, 10 mm’de manyetik alanın periyodik olarak üre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar kendi ekipman için Optik Laboratuvarı teşekkür ve Üniversite ve Çin Eğitim Bakanlığı Changjiang Akademisyenler ve Yenilikçi Araştırma Ekibi programı aracılığıyla mali destek için müteşekkir.
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).
