Измерение случайного перемещения путем объединения магнитной шкалы и двух волтоволоконных гратор Брэгга
Summary
Представлен протокол для создания полнодиапазонного линейного датчика смещения, сочетающего в себе два упакованных оптоволоконных детекторов решетки Bragg с магнитной шкалой.
Abstract
Измерения перемещения на большие расстояния с использованием оптических волокон всегда были проблемой как в фундаментальных исследованиях, так и в промышленном производстве. Мы разработали и охарактеризовали температурно-независимый волоконный брэгг-решетка (FBG) на основе случайного смещения датчик, который принимает магнитную шкалу в качестве нового механизма передачи. Обнаружив сдвиги двух длин волн центра FBG, полнодиапазонное измерение может быть получено с магнитной шкалой. Для определения направления вращения двигателя по часовой стрелке и против часовой стрелки (фактически направление движения объекта, подавено испытания), существует синусоидальная связь между смещением и сдвигом длины волны в центре волны ФБГ; по мере того как чередуемое вращение против часовой стрелки, сдвиг длины волны центра второго детектора FBG показывает ведущую разницу участка вокруг 90 «(90»). По мере того как вращение по часовой стрелке чередуется, сдвиг длины волны в центре второй FBG отображает отставание в фазе разницы около 90 градусов (-90 градусов). В то же время два датчика на основе FBG не зависят от температуры. Если есть некоторая потребность в удаленном мониторе без каких-либо электромагнитных помех, этот поразительный подход делает их полезным инструментом для определения случайного перемещения. Эта методология подходит для промышленного производства. Поскольку структура всей системы относительно проста, этот датчик смещения может быть использован в коммерческом производстве. В дополнение к тому, что датчик смещения, он может быть использован для измерения других параметров, таких как скорость и ускорение.
Introduction
Оптические волоконные датчики имеют большие преимущества, такие как гибкость, мультиплексирование делекции длин волн, удаленный мониторинг, коррозионная устойчивость и другие характеристики. Таким образом, датчик смещения оптического волокна имеет широкое применение.
Для реализации целевых линейных измерений смещения в сложных средах, различные структуры оптического волокна (например, интерферометр Михельсона1, Фэбри-Пери интерферометр2 , волокна Брэгг решетки3, изгиб потери4) были разработаны в течение последних лет. Изгиб потери требует источника света в стабильной станции и не подходит для экологической вибрации. Цю и др. разработали интерферометрический волоконно-оптический наноудеричный датчик на основе пластикового двухъямного волокна с одним концом, покрытым серебряным зеркалом; он имеет разрешение 70 нм5. Для преодоления ограничений на измерение диапазона перемещения был предложен простой датчик смещения на основе изогнутой однорежимной-многомообразной (SMS) волоконной структуры; он увеличил чувствительность смещения в три раза с диапазоном от 0 до 520 мкм6. Lin et al. представили систему датчиков смещения, которая сочетает в себе FBG вместе с пружиной; мощность выходной мощности примерно линейная с водоизмещением 110-140 мм7. Датчик смещения волокна Fabry-Perot имеет диапазон измерений 0-0,5 мм с линейностью 1,1% и разрешением 3 мкм8. Чжоу и др. сообщили о широком диапазоне датчика смещения на основе волоконно-оптического фальсификата Fabry-Perot интерферометра для измерений субнанометра, до 0,084 нм в течение динамического диапазона 3 мм9. Датчик волокнисто-оптического смещения на основе модулированной технологии светоотражающей интенсивности был продемонстрирован с помощью волоконно-оптического коллиматора; это было зондирования диапазоне более 30 см10. Хотя оптические волокна могут быть изготовлены в многие виды датчиков смещения, эти волоконно-оптические датчики обычно используют предел растяжения самого материала, что ограничивает их применение в измерениях широкого диапазона. Таким образом, обычно идут компромиссы между диапазоном измерений и чувствительностью. Кроме того, трудно определить перемещение, поскольку различные переменные возникают одновременно; особенно, поперечная чувствительность штамма и температуры может повредить экспериментальной точности. Есть много методов дискриминации сообщили в литературе, такие как использование двух различных структур зондирования, с использованием одного FBG полусвязанных различных клеев, или с использованием специальных оптических волокон. Таким образом, дальнейшее развитие датчиков смещения оптического волокна требует высокой чувствительности, небольшого размера, большой стабильности, полного диапазона и температурной независимости.
Здесь периодическая структура магнитной шкалы делает возможным полное измерение. Достигается случайное перемещение без ограниченного диапазона измерений с магнитной шкалой. В сочетании с двумя FBG можно было бы решить как температурную перекрестную чувствительность, так и определение направления движения. Различные шаги в рамках этого метода требуют точности и внимания к деталям. Протокол изготовления датчика подробно описан следующим образом.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы продемонстрировали новый метод для случайных линейных измерений смещения путем объединения магнитной шкалы и двух волоконных решетк Ибгга. Основным преимуществом этих датчиков является случайное перемещение без ограничений. Магнитная шкала, используемая здесь, породила периодич…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Лабораторию оптики за их оборудование и благодарны за финансовую поддержку в рамках Программы для ученых Чанцзяна и инновационной исследовательской группы в университете и Министерстве образования Китая.
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).
