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....
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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。
-
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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.
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重印与许可
