Eine Zufällige Verschiebungsmessung durch Kombination einer magnetischen Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter

Optische faserbasierte Sensoren haben große Vorteile, wie Flexibilität, Wellenlängenteilungsmultiplexing, Fernüberwachung, Korrosionsbeständigkeit und andere Eigenschaften. Somit hat der optische Faserverschiebungssensor breite Anwendungen.

Zur Realisierung gezielter linearer Verschiebungsmessungen in komplexen Umgebungen werden verschiedene Strukturen der optischen Faser (z.B. das Michelson Interferometer¹, das Fabry-Perot Hohlrauminterferometer², das Faser-Bragg-Gitter³, Biegeverlust⁴) wurden in den letzten Jahren entwickelt. Der Biegeverlust erfordert die Lichtquelle in einer stabilen Station und ist für Umweltschwingungen ungeeignet. Qu et al. haben einen interferometrischen faseroptischen Nanoverschiebungssensor entwickelt, der auf einer Kunststoff-Doppelkernfaser basiert, deren Ende mit einem silbernen Spiegel beschichtet ist; es hat eine Auflösung von 70 nm⁵. Ein einfacher Verschiebungssensor, der auf einer gebogenen Singlemode-Multimode-Singlemode-Faserstruktur (SMS) basiert, wurde vorgeschlagen, um die Einschränkungen bei der Messung des Verschiebungsbereichs zu überwinden. es erhöhte die Verdrängungsempfindlichkeit um drei Fachen mit einem Bereich von 0 bis 520 m⁶. Lin et al. präsentierten ein Verdrängungssensorsystem, das die FBG mit einer Feder kombiniert; die Ausgangsleistung ist mit der Verschiebung von 110-140 mm⁷ungefähr linear. Ein Faser-Fabry-Perot-Verschiebungssensor hat einen Messbereich von 0-0,5 mm mit einer Linearität von 1,1% und einer Auflösung von 3 m⁸. Zhou et al. berichteten über einen weiträumigen Verdrängungssensor, der auf einem faseroptischen Fabry-Perot-Interferometer für Subnanometermessungen basiert, bis zu 0,084 nm über einen Dynamikbereich von 3 mm⁹. Ein Faseroptik-Verschiebungssensor auf Basis der reflexiven Intensitätsmodul-Technologie wurde mit einem Faserkollimator demonstriert; dieser hatte einen Erfassungsbereich von über 30 cm¹⁰. Obwohl optische Fasern in vielen Arten von Verdrängungssensoren hergestellt werden können, nutzen diese faserbasierten Sensoren in der Regel die Zuggrenze des Materials selbst, was ihre Anwendung bei Weitbereichsmessungen einschränkt. So werden in der Regel Kompromisse zwischen messbereich und Sensitivität gemacht. Darüber hinaus ist es schwierig, die Verschiebung zu bestimmen, da verschiedene Variablen gleichzeitig auftreten; insbesondere die Kreuzempfindlichkeit der Dehnung und Temperatur kann die experimentelle Präzision beschädigen. Es gibt viele Diskriminierungstechniken, die in der Literatur berichtet werden, wie die Verwendung von zwei verschiedenen Sensorstrukturen, die Verwendung einer einzigen FBG, die durch verschiedene Klebstoffe halb gebunden ist, oder die Verwendung spezieller glasfaserverstärkung. Daher erfordert die Weiterentwicklung von optischen Faserverschiebungssensoren eine hohe Empfindlichkeit, eine geringe Größe, eine große Stabilität, volle Reichweite und Temperaturunabhängigkeit.

Hier ermöglicht die periodische Struktur der Magnetskala eine Vollbereichsmessung. Es wird eine zufällige Verschiebung ohne begrenzten Messbereich mit einer magnetischen Skala erreicht. In Kombination mit zwei FBGs konnten sowohl die Temperaturquerempfindlichkeit als auch die Identifikation für die Bewegungsrichtung gelöst werden. Verschiedene Schritte innerhalb dieser Methode erfordern Präzision und Liebe zum Detail. Das Protokoll der Sensorfertigung wird im Detail wie folgt beschrieben.