قياس الازاحه العشوائية عن طريق الجمع بين مقياس مغناطيسي واثنين من ألياف براج الحواجز الشبكية
Summary
يتم تقديم بروتوكول لإنشاء جهاز استشعار الازاحه الخطية كامل المدى ، والجمع بين اثنين من ألياف المعلبة براج صريف كاشفات مع مقياس مغناطيسي.
Abstract
وكانت قياسات النزوح لمسافات طويلة باستخدام ألياف البصرية تشكل دائما تحديا في كل من البحوث الاساسيه والإنتاج الصناعي. وضعنا وتتميز درجه الحرارة المستقلة براج ألياف صريف (FBG)-القائم علي الازاحه العشوائية الاستشعار الذي يتبنى مقياس المغناطيسي كاليه نقل الرواية. من خلال الكشف عن نوبات من اثنين من الأطوال الموجية للمركز FBG ، يمكن الحصول علي قياس كامل المدى بمقياس مغناطيسي. لتحديد اتجاه دوران عقارب الساعة وعكس العقارب للمحرك (في الواقع ، اتجاه حركه الكائن الذي سيتم اختباره) ، هناك علاقة جيبيه بين الازاحه وتحول الطول الموجي للمركز من FBG. كما المناوبين عكس اتجاه عقارب الدورة ، والتحول الطول الموجي مركز الكاشف FBG الثاني يظهر فرق المرحلة الرائدة من حوالي 90 درجه (+ 90 °). بما ان ال [كلوركايشن] دوران مناوبات, المركز طول موجه تغير من الثاني [فبغ] يعرض فرق متاخره طور من حوالي 90 ° (-90 °). وفي الوقت نفسه ، فان اثنين من أجهزه الاستشعار المستندة إلى FBG هي درجه الحرارة المستقلة. إذا كان هناك بعض الحاجة لجهاز العرض عن بعد دون اي تدخل كهرومغناطيسي ، هذا النهج الملفت للنظر يجعلها أداه مفيده لتحديد الازاحه العشوائية. وهذه المنهجية مناسبه للإنتاج الصناعي. وبما ان هيكل النظام بأكمله بسيط نسبيا ، فانه يمكن استخدام مستشعر الازاحه هذا في الإنتاج التجاري. بالاضافه إلى كونه جهاز استشعار الازاحه ، يمكن استخدامه لقياس المعلمات الأخرى ، مثل السرعة والتسارع.
Introduction
أجهزه الاستشعار البصرية المستندة إلى ألياف لها مزايا كبيره ، مثل المرونة ، والطول الموجي تقسيم الموجه ، والرصد عن بعد ، ومقاومه التاكل ، وغيرها من الخصائص. التالي ، فان استشعار الازاحه ألياف البصرية لديها تطبيقات واسعه.
لتحقيق القياسات المستهدفة الازاحه الخطية في بيئات معقده ، وهياكل مختلفه من ألياف البصرية (علي سبيل المثال ، مقياس التداخل ميميشسون1، والتداخل تجويف فابري بيرو2، وألياف براج صريف3، و وقد وضعت الانحناء خسارة4) علي مدي السنوات الاخيره. فقدان الانحناء يتطلب مصدر الضوء في محطه مستقره وغير صالحه للاهتزاز البيئية. وقد صممت كو وآخرون جهاز استشعار التداخل ألياف البصرية الضوئية التي تعتمد علي ألياف البلاستيكية ثنائيه النواة مع نهاية واحده مغلفه مع مراه فضية. لديها قرار من 70 nm5. واقترح جهاز استشعار الازاحه بسيطه استنادا إلى بنيه واحده عازمه-وضع متعددة-وضع واحد (SMS) ألياف للتغلب علي القيود المفروضة علي قياس نطاق النزوح ؛ هو زاد الازاحه حساسية ثلاثه مع مدي من 0 إلى 520 μm6. وقدم لين وآخرون نظام استشعار النزوح الذي يجمع بين FBG جنبا إلى جنب مع الربيع. الإنتاج قوه تقريبا خطيه مع الازاحه من 110-140 [م]7. A ألياف Fabry-بيرو النزوح الاستشعار لديه مجموعه قياس من 0-0.5 ملم مع الخطية من 1.1 ٪ وقرار من 3 μm8. وابلغ تشو وآخرون عن جهاز استشعار واسع النطاق للتشرد يستند إلى مقياس التداخل بين ألياف البصرية فابري-بيرو لقياسات المقياس الفرعي ، بما يصل إلى 0.084 نانومتر علي مدي دينامية تبلغ 3 مم9. وقد ثبت استشعار الازاحه ألياف البصرية علي أساس التكنولوجيا التضمين كثافة عاكسه باستخدام ألياف الليفية; كان هذا الاستشعار مدي أكثر من 30 سم10. علي الرغم من ان ألياف البصرية يمكن ان تكون ملفقه في أنواع كثيره من أجهزه الاستشعار الازاحه ، وهذه المستشعرات المستندة إلى ألياف عموما الاستفادة من الحد الشد من المواد نفسها ، والتي تحد من تطبيقها في قياسات واسعه النطاق. التالي ، فان الحلول التوفيقية تجري عاده بين نطاق القياس والحساسية. وعلاوة علي ذلك ، من الصعب تحديد النزوح بالنظر إلى ان المتغيرات المختلفة تحدث في وقت واحد ؛ خصوصا ، والحساسية المتبادلة للضغط ودرجه الحرارة يمكن ان تضر الدقة التجريبية. هناك العديد من تقنيات التمييز المبلغ عنها في الأدبيات ، مثل استخدام اثنين من هياكل الاستشعار المختلفة ، وذلك باستخدام واحده FBG نصف المستعبدين من قبل الغراء مختلفه ، أو استخدام ألياف البصرية الخاصة. وهكذا ، فان زيادة تطوير أجهزه استشعار الازاحه ألياف البصرية يتطلب حساسية عاليه ، وحجم صغير ، والاستقرار الكبير ، ومجموعه كامله ، ودرجه الحرارة الاستقلال.
هنا ، الهيكل الدوري للنطاق المغناطيسي يجعل قياس كامل المدى ممكن. ويتحقق النزوح العشوائي دون نطاق قياس محدود مع مقياس مغناطيسي. ويمكن حل كل من الحساسية المزاجية وتحديد اتجاه الحركة بالاقتران مع اثنين من الحروف المتوسطة. خطوات مختلفه ضمن هذه الطريقة تتطلب الدقة والاهتمام بالتفاصيل. يتم وصف بروتوكول تصنيع أجهزه الاستشعار بالتفصيل علي النحو التالي.
Protocol
Representative Results
Discussion
لقد أظهرنا طريقه جديده لقياسات الازاحه الخطية العشوائية من خلال الجمع بين مقياس مغناطيسي واثنين من ألياف الشبكية براج. والميزة الرئيسية لهذه المستشعرات هي الازاحه العشوائية دون حصر. وقد ولد المقياس المغناطيسي المستخدم هنا وتيره للمجال المغنطيسي بمقدار 10 ملم ، وهو ما يتجاوز بكثير الحدود …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويشكر المؤلفون مختبر البصريات علي معداتهم ، وهم شاكرون للدعم المالي من خلال برنامج الباحثين في تشانغجيانغ وفريق البحوث المبتكرة في الجامعة ووزارة التربية والتعليم في الصين.
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).
