介绍了一种用于制备全量程线性位移传感器的方案，该方案结合了两个封装的光纤布拉格光栅探测器与一个磁性标尺。
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摘要
摘要
利用光纤进行远距离位移测量在基础研究和工业生产中始终是一项挑战。我们研发并表征了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的、采用磁性标尺作为新型传递机制的温度无关随机位移传感器。通过检测两个FBG中心波长的偏移，结合磁性标尺可实现全量程测量。为了识别电机的顺时针和逆时针旋转方向（实际上即被测物体的运动方向），位移与FBG中心波长偏移之间存在正弦关系：当逆时针旋转交替时，第二个FBG探测器的中心波长偏移呈现约90°的超前相位差（+90°）；当顺时针旋转交替时，第二个FBG的中心波长偏移则呈现约90°的滞后相位差（-90°）。同时，这两个基于FBG的传感器具有温度无关特性。若需要在无电磁干扰条件下进行远程监测，这种显著的方法使其成为测定随机位移的有力工具。该方法适用于工业生产。由于整个系统结构相对简单，该位移传感器可应用于商业化生产。除了作为位移传感器外，它还可用于测量其他参数，如速度和加速度。
引言
基于光纤的传感器具有诸多优势，例如柔韧性好、波分复用、可实现远程监测、耐腐蚀等特性，因此光纤位移传感器具有广泛的应用前景。
为了在复杂环境中实现靶向线性位移测量，近年来已开发出多种光纤结构，例如迈克耳孙干涉仪1、法布里-珀罗腔干涉仪2、光纤布拉格光栅3、弯曲损耗结构4 。弯曲损耗型传感器要求光源处于稳定位置，不适用于存在环境振动的场合。Qu 等人设计了一种基于一端镀有银镜的塑料双芯光纤的干涉型光纤纳米位移传感器，其分辨率达 70 nm5。一种基于弯曲的单模-多模-单模（SMS）光纤结构的简易位移传感器被提出，用以克服位移测量范围的限制，在 0 至 520 µm 范围内使位移灵敏度提高了三倍6。Lin 等人 提出了一种将光纤布拉格光栅（FBG）与弹簧结合的位移传感系统，其输出功率在 110–140 mm 位移范围内近似呈线性关系7。一种光纤法布里-珀罗位移传感器的测量范围为 0–0.5 mm，线性度为 1.1%，分辨率为 3 µm8。Zhou 等人报道了一种基于光纤法布里-珀罗干涉仪的宽量程位移传感器，可实现亚纳米级测量，动态范围达 3 mm，分辨率达 0.084 nm9。一种基于反射式强度调制技术的光纤位移传感器利用光纤准直器实现，其传感范围超过 30 cm10。尽管光纤可被制成多种类型的位移传感器，但这些基于光纤的传感器通常受限于材料本身的拉伸极限，从而限制了其在大范围测量中的应用。因此，测量范围与灵敏度之间通常需要做出权衡。此外，由于多种变量同时变化，位移的准确判定较为困难；特别是应变与温度的交叉敏感性可能损害实验精度。文献中已报道多种解耦技术，例如采用两种不同的传感结构、使用胶水半粘接的单个 FBG，或采用特殊光纤。因此，光纤位移传感器的进一步发展需要实现高灵敏度、小尺寸、高稳定性、宽量程以及温度无关性。
此处，磁性标尺的周期性结构使得全量程测量成为可能。利用磁性标尺实现了无测量范围限制的随机位移检测。结合两个光纤布拉格光栅（FBG），可同时解决温度交叉敏感性问题以及运动方向的识别问题。该方法的各个步骤均需精确操作并注重细节。传感器制备的实验方案如下所述。
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方案
1. 光纤布拉格光栅的制备
- 为增强光纤纤芯的光敏性，将标准单模光纤置入充有氢气的密闭容器中，持续放置1周。
- 采用扫描相位掩模法，利用波长为244 nm的倍频连续波氩离子激光器制作光纤布拉格光栅。
- 使用柱面透镜将紫外（UV）激光束聚焦到光学光纤上。将相位掩模（与光纤轴平行）置于光纤前方，利用激光输出的光束垂直照射相位掩模，在光敏纤芯中刻写光栅（折射率的周期性调制）。将光纤放置在±1级衍射光的位置进行紫外曝光。
- 紫外刻写后，将两个光纤布拉格光栅置于100 °C的烘箱中退火48小时，以去除残余氢气，直至光纤光栅的反射率降低10%，3 dB带宽减小0.1 nm，中心波长漂移0.8 nm。此步骤称为退火处理。退火处理后，光纤布拉格光栅的参数将不再发生变化。
注意：这两个光纤布拉格光栅的中心波长分别为1,555.12 nm（1#FBG）和1,557.29 nm（2#FBG），光栅长度均为5 mm。
2. 磁性刻度尺及匹配夹具的准备
- 根据先前所述的设计8确定永磁体的尺寸。永磁体的参数如表1所示。
- 设计磁栅尺的槽口，其尺寸需与永磁体相匹配，如图1所示。
- 确认匹配夹具的尺寸，并在夹具的两个槽口之间设置22.5 mm的距离。为消除磁场干扰，夹具采用不锈钢材料制成。
- 在磁栅尺上设置10 mm的节距（τ），以识别运动方向，并在两个探测器之间设置22.5 mm（(2+1/4)·τ）的距离。两个探测器可根据以下公式获得位移特性，通过90°的相位差实现正弦函数变化，其中x为位移，F1#FBG和F2#FBG为两个探测器所受的磁力，B为常数。磁栅尺及其匹配夹具的结构如图1所示。
- 将永磁体装入夹具的槽口中，磁极N/S交替排列。圆柱形永磁体仅在轴向上磁化，其磁化矢量为750 kA/m。
3. 位移传感器的制备
- 按照 图2 所示，通过将100 mg固化剂（组分A）加入200 mg树脂（组分B）中，配制热固化光纤环氧树脂（胶水）混合物。
- 测量光纤尾纤的长度，使尾纤端面与光栅区域之间距离约为10 mm，然后用细头记号笔在该位置做标记。
- 使用光纤剥线钳剥离上一步标记位置处的光纤涂覆层。
- 用无尘纸清洁残留的聚合物表面。将高精度光纤切割刀的刀片垂直于光纤电缆放置，并进行切割。
- 将一块永磁体放置在加热板上，并在永磁体上方放置一个长度为15 mm的弹簧。
注意：弹簧的长度是下一步中预加载力的主要因素。 - 将步骤3.3中获得的光纤涂胶。如 图2 所示，将光纤的尾纤部分置于弹簧内部，并在150 °C下加热固化胶粘剂（环氧树脂#1）30分钟。
注意：这三个组合部件称为 1#P。 - 将 1#P 放入锥形管中，并用胶带固定永磁体，如 图3 所示。在永磁体正上方精确涂上胶粘剂，并在150 °C下加热固化胶粘剂（环氧树脂#2与环氧树脂#1相同）30分钟。然后手动对光纤布拉格光栅施加预加载力；该预紧力使光纤保持在无弯曲状态。
注意：这些组合部件称为FBG探测器。FBG探测器负责将磁力信号转换为位移参数信号。 - 移除胶带；此步骤的成品称为 2#P。
- 按照制造商说明，使用熔接机将APC型单模连接器熔接到 2#P 光纤的末端。
- 将两个FBG探测器固定在夹具的槽口中，然后将夹具固定到位移平台。
4. 构建测试系统
- 使用内置光学开关为高速波长解调仪供电。
- 开启放大自发辐射（ASE）光源。将光引导至输入-输出光纤，并传输至基于光纤布拉格光栅（FBG）的位移传感器。随后，传感器调制后的反射光谱通过同一输入-输出光纤再次返回至解调仪。
- 通过以太网线缆将解调仪连接至计算机，通信基于UDP协议。
- 将光循环器连接至分辨率达0.02 nm或更高的光谱分析仪（OSA），用于监测布拉格波长的偏移。
- 使用24 V电源为步进电机供电。
- 通过调节步进电机控制器上的DIP开关来改变电机转速。通过外部控制端口，步进电机控制器可工作于半步、常规及其他驱动模式，如表2所示；片载PWM斩波电路可根据微控制器单元（MCU）实现对绕组电流的开关模式控制。
- 调节两个探测器与磁尺之间的距离。
- 调节至位移与磁场之间呈现较理想的正弦曲线关系。
- 调节至可明确描述激发最佳距离的方法11，因为具有相反磁场的圆柱形永磁体彼此相邻排列。
注：当磁尺与探测器之间距离适当时，位移与磁场之间呈正弦关系。磁力与磁场呈线性关系；根据胡克定律，力与应变呈线性关系，而FBG的中心波长偏移与施加在FBG上的应变呈线性关系；因此可获得正弦曲线。 - 将两个探测器相互间隔22.5 mm。
注：(m ± 1/4)τ 等于22.5 mm（m为正整数，m = 2），τ为磁尺节距，且(m ± 1/4)τ ≤ 磁尺总长度，其中τ等于10。
5. 设计的位移传感器的评估
- 调节探测器与磁栅尺之间的距离至1.5 mm，然后固定夹具。
- 将传感器的APC型连接器端插入解调仪端口，并启动配置软件。将解调仪的采样频率设置为5 kHz，以实时记录光纤布拉格光栅（FBG）中心波长随时间的变化。按下按钮，以每次40 μm的增量控制电机运动（如表2所示的F型）。不同类型代表不同的步长。若电机以F型运行，则可实现最小的步进间隔和最高的位移精度。
- 将传感器的APC型连接器端插入光谱分析仪（OSA）端口，并启动配置软件。使用光谱分析仪和解调仪共同监测FBG的中心波长偏移。保存静态状态校准的数据。
- 在动态状态下交替进行电机的顺时针和逆时针旋转。按上述方法保存数据。
- 将传感器置于加热板上，进行温度校准实验。将加热板的温度从25 °C调节至90 °C。
- 进行数据分析。
- 将静态校准实验获得的.csv格式数据导入MATLAB。使用findpeaks函数提取光纤布拉格光栅的中心波长。利用曲线拟合工具中的正弦函数拟合中心波长与位移之间的关系，如图5a所示。样本点与拟合曲线之间的拟合残差误差也示于图5b。忽略初始相位后，中心波长偏移与线性位移之间的两个傅里叶拟合曲线如下：
- 将数据导入处理软件。使用曲线拟合工具，处理电机顺时针旋转（正向运动）和逆时针旋转（反向运动）时获得的动态数据（图6）。
- 按上述方法处理温度校准实验获得的数据（图7）。
- 将静态校准实验获得的.csv格式数据导入MATLAB。使用findpeaks函数提取光纤布拉格光栅的中心波长。利用曲线拟合工具中的正弦函数拟合中心波长与位移之间的关系，如图5a所示。样本点与拟合曲线之间的拟合残差误差也示于图5b。忽略初始相位后，中心波长偏移与线性位移之间的两个傅里叶拟合曲线如下：
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结果
磁尺与探测器之间的距离在 1 mm 到 3 mm11 范围内，使得线性位移可通过正弦函数进行检测。两个探测器之间相距 22.5 mm，使该方法能够通过 90° 的相位差实现对物体运动方向的检测。两个探测器之间的间距为 (m ± 1/4)τ（其中 m 为正整数），且满足 (m ± 1/4)τ ≤ 磁尺总长度，本实验中取 τ = 10 mm，m = 2（图 1）。位移探测器的组成与结构如 图 2 所示。封装过程的关键是对光纤布拉格光栅（FBG）施加预载力；当发生位移时，磁尺与探测器之间的磁力会发生变化（图 3），随着弹簧的拉伸或压缩，FBG 轴向的应力分布保持均匀。测量系统基于宽带光源（ASE）、解调仪和光谱分析仪（OSA），用于表征传感器的中心波长特征（
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讨论
我们展示了一种结合磁栅尺和两个光纤布拉格光栅进行随机线性位移测量的新方法。这类传感器的主要优势在于能够实现无限制的随机位移测量。本研究所采用的磁栅尺产生的磁场周期为10 mm，远超传统光纤位移传感器的实际测量范围，例如Lin等人7和Li等人8所提及的位移量。此外，这种对温度敏感的位移传感器也适用于涉及远程监测的实验。
光纤布拉格光栅（FBG）的预加载力是基于FBG的磁探测器封装工艺中的关键步骤。当弹簧被拉伸或压缩时，可获得FBG的均匀轴向应力分布。两个探测器之间保持(m ± 1/4)τ的距离，对于确保整个系统能够识别运动方向至关重要。
这种新型位移测量技术需要降低对振动的敏感性。还可以通过降低传感器对湿度变化的敏感性来改进其性能，而湿度变化会受到探测器中弹簧的影响。未来的研究可致力于开发软件算法，以消除振动带来的影响。如果磁尺的节距能够降低到商用电子磁尺的水平，这种位移传感器系统就有可能实现商业化应用。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢光学实验室提供的设备，并感谢长江学者和创新研究团队项目以及中国教育部提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ASE | OPtoElectronics Technology Co., Ltd. | 1525nm-1610nm | |
| 计算机 | Thinkpad | win10 | |
| 光纤切割刀/CT-32 | Fujikura | 直径125 | |
| 光纤环氧胶/DP420 | henkel-loctite | 比例 2:1 | |
| 解调仪 | BISTU | 采样率：17kHz | |
| 电机驱动器 | Zolix | PSMX25 | |
| 光隔离器 | Thorlab | 三端口 | |
| 光纤耦合器 | Thorlab | 50:50 | |
| 光谱分析仪/OSA | Fujikura | AQ6370D | |
| 永磁体 | 上海司其磁业有限公司 | D5x4mm | |
| 塑料成型管 | Topphotonics | ||
| 电源 | RIGOL | 可调电源 | |
| 单模光纤 | Corning | 9/125um | |
| 弹簧 | tengluowujin | D3x15mm | |
| 步进电机控制器 | JF24D03M |
参考文献
- 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), 123104-1-23104-4 (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).
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