Una medición de desplazamiento aleatorio mediante la combinación de una escala magnética y dos rejillas de fibra

Summary

Se presenta un protocolo para crear un sensor de desplazamiento lineal de rango completo, que combina dos detectores de rejilla Bragg de fibra empaquetada con una escala magnética.

Abstract

Las mediciones de desplazamiento de larga distancia utilizando fibras ópticas siempre han sido un desafío tanto en la investigación básica como en la producción industrial. Desarrollamos y caracterizamos un sensor de desplazamiento aleatorio basado en fibra Bragg (FBG) independiente de la temperatura que adopta una escala magnética como un mecanismo de transferencia novedoso. Mediante la detección de cambios de dos longitudes de onda centrales FBG, se puede obtener una medición de rango completo con una escala magnética. Para la identificación de la dirección de rotación en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj del motor (de hecho, la dirección de movimiento del objeto a probar), existe una relación sinusoidal entre el desplazamiento y el desplazamiento de longitud de onda central del FBG; a medida que la rotación en sentido antihorario se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del segundo detector FBG muestra una diferencia de fase inicial de alrededor de 90o (+90o). A medida que la rotación en el sentido de las agujas del reloj se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del segundo FBG muestra una diferencia de fase rezagada de alrededor de 90o (-90o). Al mismo tiempo, los dos sensores basados en FBG son independientes de la temperatura. Si hay alguna necesidad de un monitor remoto sin ninguna interferencia electromagnética, este enfoque llamativo los convierte en una herramienta útil para determinar el desplazamiento aleatorio. Esta metodología es adecuada para la producción industrial. Como la estructura de todo el sistema es relativamente simple, este sensor de desplazamiento se puede utilizar en la producción comercial. Además de ser un sensor de desplazamiento, se puede utilizar para medir otros parámetros, como la velocidad y la aceleración.

Introduction

Los sensores basados en fibra óptica tienen grandes ventajas, como flexibilidad, multiplexación por división de longitud de onda, monitoreo remoto, resistencia a la corrosión y otras características. Por lo tanto, el sensor de desplazamiento de fibra óptica tiene amplias aplicaciones.

Para realizar mediciones de desplazamiento lineal dirigidas en entornos complejos, varias estructuras de la fibra óptica (por ejemplo, el interferómetro Michelson¹, el interferómetro de cavidad Fabry-Perot², la fibra Bragg rejilla³, el pérdida de flexión⁴) se han desarrollado en los últimos años. La pérdida de flexión requiere la fuente de luz en una estación estable y no es adecuada para la vibración ambiental. Qu et al. han diseñado un sensor de nanodesplazamiento de fibra óptica interferométrica basado en una fibra de plástico de doble núcleo con un extremo recubierto con un espejo de plata; tiene una resolución de 70 nm^5. Se propuso un sensor de desplazamiento simple basado en una estructura de fibra doblada de modo único-multimodo-modo único (SMS) para superar las limitaciones en la medición del rango de desplazamiento; aumentó la sensibilidad de desplazamiento tres veces con un rango de 0 a 520 m⁶. Lin et al. presentaron un sistema de sensor de desplazamiento que combina el FBG junto con un resorte; la potencia de salida es aproximadamente lineal con el desplazamiento de 110-140 mm⁷. Un sensor de desplazamiento Fabry-Perot de fibra tiene un rango de medición de 0-0,5 mm con una linealidad de 1,1% y una resolución de 3 m⁸. Zhou et al. informaron de un sensor de desplazamiento de amplio alcance basado en un interferómetro Fabry-Perot de fibra óptica para mediciones de subnanómetros, de hasta 0,084 nm en un rango dinámico de 3 mm^9. Se demostró un sensor de desplazamiento de fibra óptica basado en tecnología modulada de intensidad reflectante utilizando un colimador de fibra; esto tenía un rango de sensación de más de 30 cm¹⁰. Aunque las fibras ópticas se pueden fabricar en muchos tipos de sensores de desplazamiento, estos sensores basados en fibra generalmente hacen uso del límite de tracción del propio material, lo que limita su aplicación en mediciones de amplio alcance. Por lo tanto, los compromisos se hacen generalmente entre el rango de medición y la sensibilidad. Además, es difícil determinar el desplazamiento ya que varias variables se producen simultáneamente; especialmente, la sensibilidad cruzada de la tensión y la temperatura podría dañar la precisión experimental. Hay muchas técnicas de discriminación reportadas en la literatura, como el uso de dos estructuras de sensor diferentes, el uso de un solo FBG medio unido por diferentes pegamentos, o el uso de fibras ópticas especiales. Por lo tanto, el desarrollo posterior de sensores de desplazamiento de fibra óptica requiere alta sensibilidad, un tamaño pequeño, gran estabilidad, rango completo e independencia de temperatura.

Aquí, la estructura periódica de la escala magnética hace posible una medición de rango completo. Se logra un desplazamiento aleatorio sin un rango de medición limitado con una escala magnética. Combinado con dos FBG, se podrían resolver tanto la sensibilidad entre temperaturas cruzadas como la identificación de la dirección del movimiento. Varios pasos dentro de este método requieren precisión y atención al detalle. El protocolo de fabricación del sensor se describe en detalle como sigue.

Protocol

1. Fabricación de la rejilla de fibra Bragg Para mejorar la fotosensibilidad del núcleo de fibra, coloque una fibra de modo único estándar en un recipiente hermético cargado por hidrógeno durante 1 semana. Fabricar la rejilla Bragg de fibra utilizando la técnica de máscara de fase de escaneo y un láser de argón de onda continua y duplicado por frecuencia a una longitud de onda de 244 nm. Concéntrese en la fibra óptica con una lente cilíndrica y un rayo láser ultravioleta (UV). Im…

Representative Results

La distancia, que oscila entre 1 mm y 3 mm11,entre la escala magnética y el detector permitió la detección del desplazamiento lineal con una función sinusoidal. Una distancia de 22,5 mm entre dos detectores permitió que este enfoque realizara la detección de la dirección del movimiento de un objeto con una diferencia de fase de 90o. Los dos detectores se separaron entre sí para(m a 1/4) (m es un entero positivo) y (m a 1/4) – la l…

Discussion

Hemos demostrado un nuevo método para mediciones de desplazamiento lineal aleatorio combinando una escala magnética y dos rejillas Bragg de fibra. La principal ventaja de estos sensores es el desplazamiento aleatorio sin limitación. La escala magnética utilizada aquí generó una periodicidad del campo magnético a 10 mm, muy por enbajo de los límites prácticos de los sensores convencionales de desplazamiento de fibra óptica, como el desplazamiento mencionado por Lin et al.⁷ y Li et al.<sup…

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