En slumpmässig deplacement mätning genom att kombinera en magnetisk skala och två fiber Bragg galler
Summary
Ett protokoll för att skapa en full-range linjär förskjutning sensor, som kombinerar två förpackade fiber Bragg galler detektorer med en magnetisk skala, presenteras.
Abstract
Långdistans förskjutning mätningar med optiska fibrer har alltid varit en utmaning i både grundforskning och industriell produktion. Vi utvecklade och karakteriserade en temperatur oberoende fiber Bragg gallerdurken (FBG)-baserad slump-förskjutning sensor som antar en magnetisk skala som en roman överföring mekanism. Genom att detektera förskjutningar av två FBG Center våglängder, kan en full-range mätning erhållas med en magnetisk skala. För identifiering av den medurs och motsols rotationsriktningen av motorn (i själva verket riktningen för förflyttning av objektet som skall testas), det finns en sinusformad relation mellan förskjutning och centrum våglängd förskjutning av FBG; som den moturs rotationen växlar, centrera våglängdsförskjutningen av understödjafbg-avkännaren visar en leda arrangerar gradvis skillnad av omkring 90 ° (+ 90 °). Som den medurs rotationen växlar, visar centrera våglängd förskjutningen av understödja FBG en släpande arrangerar gradvis skillnad av omkring 90 ° (-90 °). Samtidigt är de två FBG-baserade sensorerna temperatur oberoende. Om det finns något behov av en avlägsen bildskärm utan elektromagnetiska störningar, gör detta slående tillvägagångssätt dem ett användbart verktyg för att bestämma slumpmässig förskjutning. Denna metod är lämplig för industriell produktion. Eftersom strukturen för hela systemet är relativt enkel, kan denna förskjutnings sensor användas i kommersiell produktion. Förutom att det är en förskjutnings sensor, kan den användas för att mäta andra parametrar, såsom hastighet och acceleration.
Introduction
Optiska fiber-baserade sensorer har stora fördelar, såsom flexibilitet, våglängd Division Multiplexing, fjärrövervakning, korrosionsbeständighet, och andra egenskaper. Sålunda, den optiska fiber förskjutning sensorn har breda tillämpningar.
För att realisera riktade linjära förskjutnings mätningar i komplexa miljöer, olika strukturer av den optiska fibern (t. ex., den Michelson interferometer1, den Fabry-Perot hålighet interferometer2, fiber Bragg gallerdurk3, den bockning förlust4) har utvecklats under de senaste åren. Böj förlusten kräver ljuskällan i en stabil Station och är olämplig för miljö vibrationer. Qu et al. har utformat en interferometrisk fiberoptisk nanodeplacement sensor baserad på en plast Dual-Core fiber med en ände belagd med en silver spegel; den har en upplösning på 70 nm5. En enkel förskjutnings sensor baserad på en böjd enläges-multimode-single-mode (SMS) fiberstruktur föreslogs för att övervinna begränsningarna av mätningen av förskjutnings området; det ökade förskjutningen känsligheten trefaldigt med en spänna från 0 till 520 μm6. Lin et al. presenterade en förskjutning sensor system som kombinerar FBG tillsammans med en fjäder; uteffekten är ungefär linjär med förskjutningen 110-140 mm7. En fiber Fabry-Perot-förskjutningssensorn har ett mätområde på 0-0,5 mm med en linearitet på 1,1% och en upplösning på 3 μm8. Zhou et al. rapporterade en stor-Range förskjutning sensor baserad på en fiberoptisk Fabry-Perot interferometer för subnanometer mätningar, upp till 0,084 nm över ett dynamiskt omfång av 3 mm9. En fiberoptisk förskjutning sensor baserad på reflekterande intensitet modulerad teknik visades med hjälp av en fiber Collimator; Detta hade ett avkänningsområde över 30 cm10. Även optiska fibrer kan tillverkas i många typer av deplacement sensorer, dessa fiber-baserade sensorer i allmänhet använder sig av drag gränsen för själva materialet, vilket begränsar deras tillämpning i stora mätvärden. Således görs kompromisser vanligtvis mellan mätområde och känslighet. Dessutom är det svårt att bestämma förskjutningen eftersom olika variabler förekommer samtidigt; särskilt, kors känslighet av stammen och temperaturen kan skada experimentell precision. Det finns många diskriminerings tekniker som rapporteras i litteraturen, såsom att använda två olika Avkännings strukturer, med hjälp av en enda FBG halv bunden av olika lim, eller med hjälp av speciella optiska fibrer. Således kräver vidareutveckling av optiska fiber förskjutning sensorer hög känslighet, en liten storlek, stor stabilitet, full räckvidd, och temperatur oberoende.
Här gör den periodiska strukturen av den magnetiska skalan en full-range mätning möjligt. En slumpmässig förskjutning utan ett begränsat mätområde med en magnetisk skala uppnås. Kombinerat med två FBGs, både temperaturecross-känslighet och identifiering för rörelseriktning kunde lösas. Olika steg inom denna metod kräver precision och uppmärksamhet på Detaljer. Protokollet för sensorn Fabrication beskrivs i detalj som följande.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har visat en ny metod för slumpmässiga linjära förskjutnings mätningar genom att kombinera en magnetisk skala och två fiber Bragg galler. Den största fördelen med dessa sensorer är slumpmässig förskjutning utan begränsning. Den magnetiska skalan som används här genererade en periodicitet av magnetfältet vid 10 mm, långt bortom de praktiska gränserna för konventionella optiska fiber förskjutning sensorer, såsom den förskjutning som nämns av lin et al.7 och Li et al.<sup cla…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar optik laboratorium för sin utrustning och är tacksamma för ekonomiskt stöd genom programmet för Changjiang forskare och innovativ forskargrupp på universitetet och undervisningsministeriet i Kina.
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).
