Misurazione a spostamento casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg

Summary

Viene presentato un protocollo per creare un sensore di spostamento lineare a tutta gamma, combinando due rilevatori di griglia Bragg in fibra confezionati con una scala magnetica.

Abstract

Le misurazioni dello spostamento a lunga distanza con fibre ottiche sono sempre state una sfida sia nella ricerca di base che nella produzione industriale. Abbiamo sviluppato e caratterizzato un sensore di spostamento casuale basato sulla griglia a fibra Bragg (FBG) indipendente dalla temperatura che adotta una scala magnetica come nuovo meccanismo di trasferimento. Rilevando gli spostamenti di due lunghezze d’onda del centro FBG, è possibile ottenere una misurazione a tutto campo con una scala magnetica. Per l’identificazione della direzione di rotazione in senso orario e antiorario del motore (in realtà, la direzione di movimento dell’oggetto da testare), c’è una relazione sinusoidale tra lo spostamento e lo spostamento della lunghezza d’onda centrale dell’FBG; man mano che la rotazione in senso antiorario si alterna, lo spostamento della lunghezza d’onda centrale del secondo rivelatore FBG mostra una differenza di fase iniziale di circa 90 gradi (90 gradi). Man mano che la rotazione in senso orario si alterna, lo spostamento della lunghezza d’onda centrale del secondo FBG mostra una differenza di fase in ritardo di circa 90 gradi (-90o). Allo stesso tempo, i due sensori basati su FBG sono indipendenti dalla temperatura. Se c’è bisogno di un monitor remoto senza alcuna interferenza elettromagnetica, questo approccio sorprendente li rende uno strumento utile per determinare lo spostamento casuale. Questa metodologia è appropriata per la produzione industriale. Poiché la struttura dell’intero sistema è relativamente semplice, questo sensore di spostamento può essere utilizzato nella produzione commerciale. Oltre ad essere un sensore di spostamento, può essere utilizzato per misurare altri parametri, come la velocità e l’accelerazione.

Introduction

I sensori ottici a base di fibra presentano grandi vantaggi, come flessibilità, multiplexing di divisione della lunghezza d’onda, monitoraggio remoto, resistenza alla corrosione e altre caratteristiche. Pertanto, il sensore di spostamento della fibra ottica ha ampie applicazioni.

Per realizzare misurazioni mirate di spostamento lineare in ambienti complessi, varie strutture della fibra ottica (ad esempio, l’interferometro Michelson¹, l’interferometro della cavità Fabry-Perot², la griglia in fibra Bragg³, il negli ultimi anni sono state sviluppate perdite di flessione^4). La perdita di piegatura richiede la sorgente luminosa in una stazione stabile ed è inadatta per le vibrazioni ambientali. Qu et al. hanno progettato un sensore nanodisplacement in fibra ottica interferometrica basato su una fibra a doppio nucleo in plastica con un’estremità rivestita con uno specchio d’argento; ha una risoluzione di 70 nm⁵. Un semplice sensore di spostamento basato su una struttura in fibra a modalità singola-multimode-mode (SMS) piegata è stato proposto per superare i limiti sulla misurazione della gamma di spostamento; ha aumentato la sensibilità di spostamento triplicato con un intervallo da 0 a 520 m⁶. Lin et al. ha presentato un sistema di sensori di spostamento che combina l’FBG con una molla; la potenza di uscita è approssimativamente lineare con la cilindrata di 110-140 mm⁷. Un sensore di spostamento Fabry-Perot in fibra ha un intervallo di misura di 0-0,5 mm con una linearità dell’1,1% e una risoluzione di 3 m⁸. Un sensore di spostamento ad ampio raggio basato su un interferometro Fabry-Perot in fibra ottica per le misurazioni dei subnanometri, fino a 0,084 nm su un intervallo dinamico di 3 mm⁹. Un sensore di spostamento in fibra ottica basato sulla tecnologia modulata di intensità riflettente è stato dimostrato utilizzando un collimatore a fibra; questo aveva una gamma di rilevamento superiore a 30 cm¹⁰. Anche se le fibre ottiche possono essere fabbricate in molti tipi di sensori di spostamento, questi sensori basati su fibre generalmente fanno uso del limite di tensile del materiale stesso, che limita la loro applicazione nelle misurazioni a grande raggio. Pertanto, di solito vengono fatti compromessi tra l’intervallo di misurazione e la sensibilità. Inoltre, è difficile determinare lo spostamento poiché varie variabili si verificano contemporaneamente; in particolare, la sensibilità incrociata della tensione e della temperatura potrebbe danneggiare la precisione sperimentale. Ci sono molte tecniche di discriminazione riportate in letteratura, come l’utilizzo di due diverse strutture di rilevamento, utilizzando un singolo FBG mezzo legato da colla diverse, o utilizzando speciali fibre ottiche. Pertanto, l’ulteriore sviluppo dei sensori di spostamento della fibra ottica richiede un’elevata sensibilità, una piccola dimensione, grande stabilità, gamma completa e indipendenza della temperatura.

In questo caso, la struttura periodica della scala magnetica rende possibile una misurazione a tutta gamma. Si ottiene uno spostamento casuale senza un intervallo di misurazione limitato con una scala magnetica. In combinazione con due FBG, sia la sensibilità alla temperatura che l’identificazione per la direzione di movimento potrebbero essere risolti. Vari passaggi all’interno di questo metodo richiedono precisione e attenzione ai dettagli. Il protocollo di fabbricazione del sensore è descritto in dettaglio come segue.

Protocol

1. Fabbricazione della fibra Bragg grating Per migliorare la fotosensibilità del nucleo in fibra, mettere una fibra standard a modalità singola in un contenitore ermetico carico di idrogeno per 1 settimana. Fabbricare la griglia in fibra Bragg utilizzando la tecnica di scansione della maschera di fase e un laser a zigonione ad onde continue con una frequenza doppiata ad una lunghezza d’onda di 244 nm. Concentrarsi sulla fibra ottica con una lente cilindrica e un fascio laser ultravioletto (U…

Representative Results

La distanza, che va da 1 mm a 3 mm11, tra la scala magnetica e il rivelatore ha permesso il rilevamento della cilindrata lineare con una funzione sinusoidale. Una distanza di 22,5 mm tra due rilevatori ha permesso a questo approccio di realizzare il rilevamento della direzione del movimento di un oggetto con una differenza di fase di 90 . I due rivelatori sono stati separati l’uno dall’altro per (m – 1/4) -m è un numero intero positivo) e (m<…

Discussion

Abbiamo dimostrato un nuovo metodo per le misurazioni di spostamento lineare casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg. Il vantaggio principale di questi sensori è lo spostamento casuale senza limitazioni. La scala magnetica qui utilizzata ha generato una periodicità del campo magnetico a 10 mm, ben oltre i limiti pratici dei tradizionali sensori di spostamento delle fibre ottiche, come lo spostamento menzionato da Lin et al.⁷ e Li et al.⁸. Il se…

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