Uma medida do aleatório-deslocamento combinando uma escala magnética e dois gratings do Bragg da fibra

Summary

Um protocolo para criar um sensor de deslocamento linear de gama completa, combinando dois detectores de grade de Bragg de fibra empacotada com uma escala magnética, é apresentado.

Abstract

Medições de deslocamento de longa distância usando fibras ópticas sempre foram um desafio tanto na pesquisa básica quanto na produção industrial. Nós desenvolvemos e caracterizamos uma temperatura-independente de fibra Bragg ralar (FBG)-baseado sensor de deslocamento aleatório que adota uma escala magnética como um novo mecanismo de transferência. Detectando deslocamentos de dois comprimentos de onda Center de FBG, uma medida Full-Range pode ser obtida com uma escala magnética. Para a identificação da direção de rotação no sentido horário e anti-horário do motor (na verdade, a direção do movimento do objeto a ser testado), há uma relação sinusoidal entre o deslocamento e o deslocamento de comprimento de onda central da FBG; como a rotação no sentido anti-horário alterna, o deslocamento Center do comprimento de onda do segundo detetor de FBG mostra uma diferença principal da fase de ao redor 90 ° (+ 90 °). Como a rotação no sentido horário alterna, o deslocamento Center do comprimento de onda do segundo FBG indica uma diferença da fase de retardamento de ao redor 90 ° (-90 °). Ao mesmo tempo, os dois sensores baseados em FBG são independentes de temperatura. Se há alguma necessidade para um monitor remoto sem nenhuma interferência eletromagnética, esta aproximação impressionante fá-los uma ferramenta útil para determinar o deslocamento aleatório. Esta metodologia é apropriada para a produção industrial. Como a estrutura de todo o sistema é relativamente simples, este sensor de deslocamento pode ser usado na produção comercial. Além de ser um sensor de deslocamento, ele pode ser usado para medir outros parâmetros, como velocidade e aceleração.

Introduction

Os sensores à base de fibra óptica têm grandes vantagens, tais como flexibilidade, multiplexação de divisão de comprimento de onda, monitorização remota, resistência à corrosão e outras características. Assim, o sensor de deslocamento de fibra óptica tem amplas aplicações.

Para realizar medições de deslocamento linear direcionadas em ambientes complexos, várias estruturas da fibra óptica (por exemplo, o interferômetro Michelson¹, o interferômetro de cavidade Fabry-Perot², a fibra Bragg grating³, o perda de flexão⁴) foram desenvolvidos nos últimos anos. A perda de dobra exige a fonte luminosa em uma estação estável e é inadequada para a vibração ambiental. Qu et al. projetaram um sensor de nanodeslocamento de fibra óptica interferométrico baseado em uma fibra plástica dual-core com uma extremidade revestida com um espelho de prata; Ele tem uma resolução de 70 nm⁵. Um sensor de deslocamento simples baseado em uma estrutura de fibra Single-Mode-multimodo-Single-Mode (SMS) dobrada foi proposto para superar as limitações na mensuração da faixa de deslocamento; aumentou a sensibilidade do deslocamento tríplice com uma escala de 0 a 520 μm⁶. Lin et al. apresentaram um sistema de sensor de deslocamento que combina a FBG juntamente com uma mola; o poder da saída é aproximadamente linear com o deslocamento de 110-140 milímetros⁷. Um sensor de deslocamento de fibra Fabry-Perot tem uma faixa de medição de 0-0,5 mm com uma linearidade de 1,1% e uma resolução de 3 μm⁸. Zhou et al. relataram um sensor de deslocamento de largo alcance baseado em um interferômetro de Fabry-Perot de fibra óptica para medições de subnanômetro, até 0, 84 nm em uma faixa dinâmica de 3 mm⁹. Um sensor de deslocamento de fibra óptica baseado na tecnologia modulada de intensidade reflexiva foi demonstrado usando um colimador de fibra; Isto teve uma escala de detecção sobre 30 cm¹⁰. Embora as fibras ópticas possam ser fabricadas em muitos tipos de sensores de deslocamento, esses sensores baseados em fibra geralmente fazem uso do limite de tração do próprio material, o que limita sua aplicação em medições de grande alcance. Assim, os comprometos são geralmente feitos entre a faixa de medição e a sensibilidade. Além disso, é difícil determinar o deslocamento à medida que várias variáveis ocorrem simultaneamente; especialmente, a sensibilidade cruzada da deformação e da temperatura pode danificar a precisão experimental. Há muitas técnicas de discriminação relatadas na literatura, como a utilização de duas estruturas de sensoriamento diferentes, utilizando uma única FBG parcialmente ligada por diferentes colas, ou usando fibras ópticas especiais. Assim, o desenvolvimento adicional de sensores de deslocamento de fibra óptica requer alta sensibilidade, um tamanho pequeno, grande estabilidade, gama completa, e independência de temperatura.

Aqui, a estrutura periódica da escala magnética faz uma medida Full-Range possível. Um deslocamento aleatório sem uma escala limitada da medida com uma escala magnética é conseguido. Combinado com dois FBGs, a temperaturecross-sensibilidade e a identificação para o sentido do movimento podiam ser resolvidas. Várias etapas dentro deste método exigem precisão e atenção aos detalhes. O protocolo da fabricação do sensor é descrito em detalhe como seguindo.

Protocol

1. fabricação do grating da fibra Bragg Para realçar a fotossensibilidade do núcleo da fibra, põr uma fibra do único-modo padrão em uma vasilha hermética hidrogênio-carregada por 1 semana. Fabricar o grating da fibra Bragg usando a técnica da fase-máscara da exploração e um laser freqüência-dobrado, contínuo do argônio-íon da onda em um comprimento de onda de 244 nanômetro. Concentre-se na fibra óptica com uma lente cilíndrica e um raio laser ultravioleta (UV). Imprima a g…

Representative Results

A distância, variando de 1 mm a 3 mm11, entre a escala magnética e o detector permitiu a detecção do deslocamento linear com uma função sinusoidal. Uma distância de 22,5 mm entre dois detectores permitiu que essa abordagem realizem a detecção da direção do movimento de um objeto com uma diferença de fase de 90 °. Os dois detectores foram separados entre si para (m ± 1/4) τ (m é um inteiro positivo) e (m ± 1/4) τ ≤ o co…

Discussion

Nós demonstramos um método novo para medidas aleatórias do deslocamento linear combinando uma escala magnética e dois gratings da fibra Bragg. A principal vantagem desses sensores é o deslocamento aleatório, sem limitação. A escala magnética utilizada aqui gerou uma periodicidade do campo magnético a 10 mm, muito além dos limites práticos dos sensores convencionais de deslocamento de fibra óptica, como o deslocamento mencionado por Lin et al.⁷ e Li et al.⁸. O s…

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