Name: Eine Zufällige Verschiebungsmessung durch Kombination einer magnetischen Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-30T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 s
Description: Lernen Sie eine temperaturunabhängige Wegmessung mit Faser-Bragg-Gittern und magnetischer Skala für industrielle Anwendungen. Diese Methode ermöglicht präzise Fernmessungen auch bei elektromagnetischer Störung.

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Die Autoren danken dem Optics Laboratory für ihre Ausrüstung und sind dankbar für die finanzielle Unterstützung durch das Programm für Changjiang Scholars und innovatives Forschungsteam in der Universität und dem Bildungsministerium Chinas.

1. Herstellung des Faser-Bragg-Gitters
<ol><li>Um die Lichtempfindlichkeit des Faserkerns zu verbessern, legen Sie eine Standard-Single-Mode-Faser für 1 Woche in einen wasserstoffbelasteten luftdichten Kanister.</li>
	<li>Fertigen Sie das Faser-Bragg-Gitter mit der Scanning-Phase-Masken-Technik und einem frequenzverdoppelten, kontinuierlichen Wellen-Argon-Ionen-Laser bei einer Wellenlänge von 244 nm.<ol>
<li>Konzentrieren Sie sich auf die optische Faser mit einer zylindrischen Linse und einem ultravioletten (UV) Laserstrahl. Bedrucken Sie das Gitter (periodische Modulation des Brechungsindex) im lichtempfindlichen Kern mit einer Phasenmaske (parallel zur Faserachse), die vor der Faser platziert ist. Die Lichtleistung des Lasers ist geformt und senkrecht zur Phasenmaske. Platzieren Sie die Faser an der Position des s1-Auftrags diffracted Licht für UV-Belichtung.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Nach der UV-Inschrift legen Sie die beiden Faser-Bragg-Gitter in einen 100 °C-Ofen für 48 h, um restliche Wasserstoff zu entfernen, bis die Reflektivität des Fasergitters um 10 % reduziert wird, die 3 dB Bandbreite um 0,1 nm reduziert wird und die mittlere Wellenlänge um 0,8 nm verschoben wird. Dieser Schritt wird als Glühverarbeitung bezeichnet. Die Parameter der FBG ändern sich nach der Glühverarbeitung nicht. HINWEIS: Die zentralen Wellenlängen dieser beiden FBGs sind 1.555,12 nm (1,FBG) und 1.557,29 nm (2-FBG) mit Gitterlängen von 5 mm.</li>
</ol>2. Vorbereitung der Magnetskala und der passenden Klemme
<ol><li>Bestimmen Sie die Größe des Permanentmagneten gemäß dem zuvor beschriebenen Entwurf8. Die Beschreibung des Permanentmagneten ist in Tabelle 1dargestellt.</li>
	<li>Entwerfen Sie den Schlitz der magnetischen Skala, dessen Dimension dem Permanentmagneten entspricht, wie in Abbildung 1dargestellt.<ol>
<li>Bestätigen Sie die Abmessung der passenden Klemme und stellen Sie einen Abstand von 22,5 mm zwischen den beiden Schlitzen in der Klemme ein. Um Magnetfeldstörungen zu entfernen, besteht die Klemme aus Edelstahl.</li>
		<li>Stellen Sie einen Abstand von 10 mm der Steigung in der magnetischen Skala () ein, um die Bewegungsrichtung zu unterscheiden, und legen Sie einen Abstand von 22,5 mm ((2+1/4)- zwischen den beiden Detektoren fest. Zwei Detektoren können die Verschiebungscharakteristik nach den folgenden Formeln erhalten, die sinusförmige Funktionsschwankungen durch eine Phasendifferenz von 90° erreichen können, wobei x die Verschiebung ist, F1-FBG und F2 #FBG sind die magnetische Kraft der beiden Detektoren, und B ist eine Konstante. Die Struktur der Magnetskala und ihre passende Klemme sind in Abbildung 1dargestellt. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58182/58182eq1.jpg">
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Setzen Sie Permanentmagnete in die Schlitze der Klemme, wobei das magnetische N/S abwechselnd angeordnet ist. Zylindrische Permanentmagnete werden nur in axialer Richtung magnetisiert, und sein magnetischer Vektor beträgt 750 kA/m.</li>
</ol>3. Herstellung des Verdrängungssensors
<ol><li>Bereiten Sie eine Mischung aus wärmehärtebarem Faseroptikepoxid (Klebstoff) vor, indem Sie 100 mg Härter (Komponente A) zu 200 mg Harz (Komponente B) hinzufügen, wie in Abbildung 2dargestellt.</li>
	<li>Messen Sie den Abstand des Faser-Pigtails, etwa 10 mm zwischen der Stirnfläche des Faser-Pigtails und dem Gitterbereich, und dann, punkten Sie es mit einem Feinpunkt-Marker.</li>
	<li>Verwenden Sie einen Faseroptik-Stripper, um die Faserbeschichtung zu schälen und sie aus der Markerposition des vorherigen Schritts zu entfernen.</li>
	<li>Reinigen Sie die Oberfläche des verbleibenden Polymers mit staubfreiem Papier. Positionieren Sie die Klinge eines hochpräzisen Faserspalters senkrecht zum Glasfaserkabel und schneiden Sie es.</li>
	<li>Legen Sie einen Permanentmagneten auf die Kochplatte und legen Sie eine Feder mit einer Länge von 15 mm über dem Permanentmagneten. HINWEIS: Die Länge der Feder ist das Hauptelement der vorgespannten Kraft im nächsten Schritt.</li>
	<li>Kleben Sie die Faser aus Schritt 3.3 erhalten. Legen Sie den Pigtail der Faser in die Feder, wie in Abbildung 2dargestellt, und härten Sie den Klebstoff (Epoxy #1) 30 min bei 150 °C aus. HINWEIS: Diese drei kombinierten Teile werden als 1-Pbezeichnet.</li>
	<li>Setzen Sie 1-P in das kondienerte Rohr und verwenden Sie Klebeband, um den Permanentmagneten zu fixieren. wie in Abbildung 3dargestellt . Legen Sie den Klebstoff genau über dem Permanentmagneten und härten Sie den Klebstoff (Epoxy #2 ist der gleiche wie Epoxy #1) 30 min bei einer Temperatur von 150 °C aus. Dann tragen Sie die vorgespannte Kraft von Hand auf das Faser-Bragg-Gitter auf; Die Vorspannkraft ermöglicht es, dass sich die Faser in einem nicht biegenden Zustand befindet. HINWEIS: Diese kombinierten Teile werden als FBG-Detektor bezeichnet. Der FBG-Detektor ist verantwortlich für die Umwandlung des Signals der magnetischen Kraft in das Signal der Verschiebungsparameter.</li>
	<li>Entfernen Sie das Klebeband; die Produktion dieses Schritts wird als 2-Pbezeichnet.</li>
	<li>Spleißen Sie einen Einmodus-Singlemode-Steckverbinder vom Typ APC mit einem Fusionsspleißer nach den Anweisungen des Herstellers an das Ende der 2-P-Faser.</li>
	<li>Befestigen Sie zwei FBG-Detektoren in den Schlitz der Klemme, und fixieren Sie dann die Klemme an der Verdrängungsplattform.</li>
</ol>4. Aufbau des Prüfsystems
<ol><li>Schalten Sie den Hochgeschwindigkeits-Wellenlängen-Verhörturm mit dem eingebauten optischen Schalter aus.</li>
	<li>Schalten Sie die verstärkte spontane Emission (ASE) ein. Führen Sie das Licht in die Eingangs-Ausgangsfaser und propagieren Sie es an den FBG-basierten Verschiebungssensor. Dann reflektiert das vom Sensor modulierte Reflexionsspektren es über die Eingangs-Ausgangsfaser wieder zum Verhörer.</li>
	<li>Schließen Sie den Verhörer mit einem Ethernet-Kabel, das auf dem UDP-Protokoll basiert, mit dem Computer an den Computer an.</li>
	<li>Schließen Sie den optischen Zirkulator mit einer Mindestauflösung von 0,02 nm an den optischen Spektrumanalysator (OSA) an, um die Bragg-Wellenlängenverschiebung zu überwachen.</li>
	<li>Schalten Sie den Schrittmotor mit 24 V ein.</li>
	<li>Ändern Sie die Drehzahl des Motors, indem Sie den DIP-Schalter des Schrittmotorreglers einstellen. Mit dem externen Steueranschluss kann der Schrittmotorregler in Halbschritt-, Normal- und anderen Antriebsmodi angetrieben werden, wie in Tabelle 2dargestellt, und PWM-Chopperschaltungen ermöglichen eine Schaltmodussteuerung des Stroms in den Wicklungen auf Basis einer MCU.</li>
	<li>Passen Sie den Abstand zwischen den beiden Detektoren und der magnetischen Skala an.<ol>
<li>Stellen Sie ein, bis es eine bessere sinusförmige Kurve zwischen der Verschiebung und dem Magnetfeld gibt.</li>
		<li>Passen Sie so lange an, bis es gut beschriebene Methoden gibt, um den besten Abstand11 zu stimulieren, da zylindrische Permanentmagnete mit entgegengesetzten Magnetfeldern nebeneinander angeordnet sind. HINWEIS: Es besteht eine sinusförmige Beziehung zwischen der Verschiebung und dem Magnetfeld, wenn ein geeigneter Abstand zwischen der magnetischen Skala und dem Detektor besteht. Die magnetische Kraft hat eine lineare Beziehung zum Magnetfeld. Nach Hookes Gesetz hat Kraft eine lineare Beziehung mit der Dehnung, und die mittlere Wellenlängenverschiebung der FBG ist linear mit der Dehnung, die auf die FBG angewendet wird; somit kann eine sinusförmige Kurve erhalten werden.</li>
		<li>Trennen Sie die beiden Detektoren für 22,5 mm voneinander. ANMERKUNG:(m x 1/4) entspricht 22,5 mm(m ist eine positive ganze Zahl, m = 2), n ist die Steigung der magnetischen Skala und (m x 1/4) - die Gesamtlänge der magnetischen Skala, wobei n 10 entspricht.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Auswertung des entworfenen Verdrängungssensors
<ol><li>Stellen Sie den Abstand zwischen dem Detektor und der magnetischen Skala auf 1,5 mm ein und fixieren Sie dann die Klemme.</li>
	<li>Schließen Sie das APC-Steckerende des Sensors an den Verhördienstanschluss an, und starten Sie die Konfigurationssoftware. Stellen Sie die Abtastfrequenz des Interrogators auf 5 kHz für eine Echtzeitaufzeichnung der FBG-Mittelwellenlänge im Laufe der Zeit. Drücken Sie die Taste, um den Motor jedes Mal in einem Inkrement von 40 m zu steuern (Typ F, wie in Tabelle 2dargestellt). Verschiedene Typen stellen unterschiedliche Schritte dar. Wenn der Motor mit Typ F arbeitet, kann der Motor das kleinste Schrittintervall und die höchste Verdrängungsgenauigkeit aufweisen.</li>
	<li>Schließen Sie das APC-Anschlussende des Sensors an den OSA-Port an, und starten Sie die Konfigurationssoftware. Ein OSA und ein Vernehmungsbeamter überwachen die zentrale Wellenlängenverschiebung von FBGs. Speichern Sie die Daten aus der statischen Zustandskalibrierung.</li>
	<li>Wechseln Sie die Drehung des Motors im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn in einem dynamischen Zustand ab. Speichern Sie die Daten wie oben.</li>
	<li>Setzen Sie den Sensor auf die Kochplatte und führen Sie ein Temperaturkalibrierungsexperiment durch. Ändern Sie die Temperatur der Kochplatte von 25 °C auf 90 °C.</li>
	<li>Führen Sie eine Datenanalyse durch.<ol>
<li>Importieren Sie die Daten im CSV-Format aus dem statischen Kalibrierungsexperiment in MATLAB. Verwenden Sie die Findpeaks-Funktion, um die mittlere Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters zu extrahieren. Verwenden Sie die sinusförmige Funktion aus dem Kurvenanpassungswerkzeug, um die Beziehung zwischen der mittleren Wellenlänge und der Verschiebung anzupassen, wie in Abbildung 5adargestellt. Die passenden Restfehler zwischen den Probenpunkten und der Fitting-Kurve sind ebenfalls in Abbildung 5bdargestellt. Die beiden Fourier-Fitting-Kurven zwischen den mittleren Wellenlängenverschiebungen und der linearen Verschiebung trotz der ursprünglichen Phase sind hier: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58182/58182eq2.jpg">
</li>
		<li>Importieren Sie die Daten in die Verarbeitungssoftware. Verarbeiten Sie mit dem Kurvenanpassungswerkzeug die Daten aus einer dynamischen Drehung im Uhrzeigersinn (Vorwärtsbewegung) und einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn (Rückwärtsbewegung) des Motors (Abbildung 6).</li>
		<li>Verarbeiten Sie die Daten aus dem Temperaturkalibrierungsexperiment wie oben (Abbildung 7).</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Salcedadelgado, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptable+Optical+Fiber+Displacement-Curvature+Sensor+Based+on+a+Modal+Michelson+Interferometer+with+a+Tapered+Single+Mode+Fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">Adaptable Optical Fiber Displacement-Curvature Sensor Based on a Modal Michelson Interferometer with a Tapered Single Mode Fiber.</a> Sensors. 17 (6), 1259(2017).</li>
<li>Milewska, D., Karpienko, K., Jędrzejewska-Szczerska, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+thin+diamond+films+in+low-coherence+fiber-optic+Fabry+P%C3%A9rot+displacement+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Diamond+and+Related+Materials%22%5BJournal%5D)">Application of thin diamond films in low-coherence fiber-optic Fabry Pérot displacement sensor.</a> Diamond and Related Materials. 64, 169-176 (2016).</li>
<li>Zou, Y., Dong, X., Lin, G., Adhami, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wide+Range+FBG+Displacement+Sensor+Based+on+Twin-Core+Fiber+Filter%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Lightwave+Technology%22%5BJournal%5D)">Wide Range FBG Displacement Sensor Based on Twin-Core Fiber Filter.</a> Journal of Lightwave Technology. 30 (3), 337-343 (2012).</li>
<li>Zhao, J., Bao, T., Kundu, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wide+Range+Fiber+Displacement+Sensor+Based+on+Bending+Loss%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Sensors%22%5BJournal%5D)">Wide Range Fiber Displacement Sensor Based on Bending Loss.</a> Journal of Sensors. 2016 (2016-1-27), 1-5 (2016).</li>
<li>Qu, H., Yan, G., Skorobogatiy, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interferometric+fiber-optic+bending%2Fnano-displacement+sensor+using+plastic+dual-core+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Letters%22%5BJournal%5D)">Interferometric fiber-optic bending/nano-displacement sensor using plastic dual-core fiber.</a> Optics Letters. 39 (16), 4835-4838 (2014).</li>
<li>Wu, Q., Semenova, Y., Wang, P., Muhamad Hatta, A., Farrell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+demonstration+of+a+simple+displacement+sensor+based+on+a+bent+single-mode-multimode-single-mode+fiber+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Experimental demonstration of a simple displacement sensor based on a bent single-mode-multimode-single-mode fiber structure.</a> Measurement Science & Technology. 22 (2), 025203(2011).</li>
<li>Lin, G., Adhami, R., Dong, X., Zou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wide+range+FBG+displacement+sensor+based+on+twin-core+fiber+filter%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Lightwave+Technology%22%5BJournal%5D)">Wide range FBG displacement sensor based on twin-core fiber filter.</a> Journal of Lightwave Technology. 30 (3), 337-343 (2012).</li>
<li>Li, M., Guo, J., Tong, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+double-fiber+F-P+displacement+sensor+based+on+direct+phase+demodulation%5BTitle%5D)+AND+%22The+International+Conference+on+Optical+Fibre+Sensors%22%5BJournal%5D)">A double-fiber F-P displacement sensor based on direct phase demodulation.</a> The International Conference on Optical Fibre Sensors. 8421, 84212R(2012).</li>
<li>Zhou, X., Yu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wide-range+displacement+sensor+based+on+fiber-Optic+Fabry-Perot+Interferometer+for+Subnanometer+Measurement%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">Wide-range displacement sensor based on fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer for Subnanometer Measurement.</a> IEEE Sensors Journal. 11, 1602-1606 (2011).</li>
<li>Shen, W., Wu, X., Meng, H., Huang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long+distance+fiber-optic+displacement+sensor+based+on+fiber+collimator%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Long distance fiber-optic displacement sensor based on fiber collimator.</a> Review of Scientific Instruments. 81 (12), 123104-1-23104-4 (2010).</li>
<li>Zhu, L., Lu, L., Zhuang, W., Zeng, Z., Dong, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-contact+temperature-independent+random-displacement+sensor+using+two+fiber+bragg+gratings%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Non-contact temperature-independent random-displacement sensor using two fiber bragg gratings.</a> Applied Optics. 57 (3), 447(2018).</li>
<li>Yu, H., Yang, X., Tong, Z., Cao, Y., Zhang, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature-independent+rotational+angle+sensor+based+on+fiber+Bragg+grating%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Sensors+Journal%22%5BJournal%5D)">Temperature-independent rotational angle sensor based on fiber Bragg grating.</a> IEEE Sensors Journal. 11 (5), 1233-1235 (2011).</li>
<li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Wide-Range+Displacement+Sensor+Based+on+Plastic+Fiber+Macro-Bend+Coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors%22%5BJournal%5D)">A Wide-Range Displacement Sensor Based on Plastic Fiber Macro-Bend Coupling.</a> Sensors. 17 (1), 196(2017).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Wir haben eine neue Methode für zufällige lineare Verschiebungsmessungen demonstriert, indem wir eine magnetische Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter kombiniert haben. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist die zufällige Verschiebung ohne Einschränkung. Die hier verwendete magnetische Skala erzeugte eine Periodizität des Magnetfeldes bei 10 mm, weit über die praktischen Grenzen herkömmlicher optischer Lichtwellenleiter-Verschiebungssensoren, wie die von Lin et al.7 und Li et al.8</su...

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.

<table><tbody><tr><td>Verifizierter</td><td>Lieferant - ASE OPtoElectronics Technology Co., Ltd.</td><td></td><td>1525nm-1610nm</td></tr><tr><td>Computer</td><td>Thinkpad</td><td></td><td>Win10</td></tr><tr><td>Faserspalt / CT-32</td><td>Fujikura</td><td></td><td>der Durchmesser von 125</td></tr><tr><td>Glasfaser Epoxid / DP420</td><td>Henkel-Loctit</td><td></td><td>Verhältnis 2:1</td></tr><tr><td>Interrogator</td><td>BISTU</td><td></td><td>Abtastrate: 17kHz</td></tr><tr><td>Motortreiber</td><td>Zolix</td><td></td><td>PSMX25</td></tr><tr><td>optischer Zirkulator</td><td>Thorlab</td><td></td> optisches Paar <td>mit drei Anschlüssen</td></tr><tr><td></td><td>Thorlab</td><td></td><td>50:50</td></tr><tr><td>optischer Spektrumanalysator / OSA</td><td>Fujikura</td><td></td><td>AQ6370D</td></tr><tr><td>Permanentmagnet</td><td>Shanghai Sichi Magnetic Industry Co., Ltd.</td><td></td><td>D5x4mm</td></tr><tr><td>Kunststoff geformtes Rohr</td><td>Topphotonics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Stromquelle</td><td>RIGOL</td><td></td><td>einstellbare Leistung</td></tr><tr><td>Singlemode-Faser</td><td>Corning</td><td></td><td>9/125um</td></tr><tr><td>Feder</td><td>Tengluowujin</td><td></td><td>D3x15mm</td></tr><tr><td>Schrittmotor Controller</td><td></td><td></td><td>JF24D03M</td></tr></tbody></table>

eine zufällige verschiebungsmessung durch kombination einer magnetischen skala und zwei faser-bragg-gitter

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Fernverschiebungsmessungen mit optischen Fasern waren schon immer eine Herausforderung sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der industriellen Produktion. Wir entwickelten und charakterisierten einen temperaturunabhängigen Faser-Bragg-Gittersensor (FBG) basierenden Zufallsverschiebungssensor, der eine magnetische Skala als neuartigen Übertragungsmechanismus annimmt. Durch die Detektion von Verschiebungen von zwei FBG-Mittelwellenlängen kann eine Vollbereichsmessung mit einer magnetischen Skala erreicht werden. Zur Identifizierung der Drehrichtung des Motors im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn (in der Tat die Bewegungsrichtung des zu prüfenden Objekts) besteht eine sinusförmige Beziehung zwischen der Verschiebung und der mittleren Wellenlängenverschiebung des FBG; Wenn sich die Drehung gegen den Uhrzeigersinn abwechselt, zeigt die mittlere Wellenlängenverschiebung des zweiten FBG-Detektors eine führende Phasendifferenz von etwa 90° (+90°). Wenn sich die Drehung im Uhrzeigersinn abwechselt, zeigt die mittlere Wellenlängenverschiebung der zweiten FBG eine Verzögerungsphasendifferenz von etwa 90° (-90°) an. Gleichzeitig sind die beiden FBG-basierten Sensoren temperaturunabhängig. Wenn ein Fernmonitor ohne elektromagnetische Störungen benötigt wird, macht dieser auffällige Ansatz sie zu einem nützlichen Werkzeug zur Bestimmung der zufälligen Verschiebung. Diese Methode ist für die industrielle Produktion geeignet. Da die Struktur des gesamten Systems relativ einfach ist, kann dieser Verdrängungssensor in der kommerziellen Produktion eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es ein Verschiebungssensor, kann es verwendet werden, um andere Parameter zu messen, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung.

Der Abstand von 1 mm bis 3 mm11zwischen der magnetischen Skala und dem Detektor ermöglichte die Erfassung der linearen Verschiebung mit einer sinusförmigen Funktion. Ein Abstand von 22,5 mm zwischen zwei Detektoren ermöglichte es diesem Ansatz, die Richtung der Bewegung eines Objekts mit einer Phasendifferenz von 90° zu erkennen. Die beiden Detektoren wurden voneinander getrennt für (m x 1/4) (m ist eine positive ganze Zahl) und (m x 1/4)...

Ein Protokoll zur Erstellung eines linearen Verdrängungssensors mit vollem Umfang, das zwei verpackte Faser-Bragg-Gitterdetektoren mit einer magnetischen Skala kombiniert, wird vorgestellt.

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

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

Wir haben uns der Herausforderung der Fernverschiebungsmessungen gestellt. Ihre dann, Glasfasern. Das Technische kann sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der industriellen Produktion eingesetzt werden.Mit der richtigen Einstellung kann die Verschiebung gemessen werden. Andere gemessene optische Faser. Diese Methologie eignet sich für den Einsatz in industriellen Umgebungen.Der Benutzer muss nur die magnetische Waage auf der Leitplanke ziehen. Diese Methode könnte Einblicke in den Forschungsbereich der Glasfasersinne geben. Es kann verwendet werden, um andere Parameter wie Geschwindigkeit und Beschleunigung zu messen.Erstellen Sie die Fiber Bragg Gitter mit der Scanphasenmaskentechnik. Verwenden Sie dafür Optische Fasern mit einem Modus, die sich seit einer Woche in einem wasserstoffbelasteten luftdichten Behälter befinden. Die Phase-Masken-Technik beinhaltet die Fokussierung eines Laserstrahls durch eine Phasenmaske auf eine optische Faser, um eine periodische Modulation seines Brechungsindexes zu erzeugen.Sobald zwei Fasern eingeschrieben sind, legen Sie sie 48 Stunden lang in einen 100 Grad Celsius-Ofen, um restliche Wasserstoffe zu entfernen. Die abgerufenen Fasergitterparameter ändern sich nach dem Glühschritt nicht mehr. Implementieren Sie die Konstruktion der magnetischen Skala mit den entsprechenden Magneten.Die Waage verfügt über Schlitze, um einen Satz zylindrischer Magnete entlang ihrer Länge zu halten. Der Nord- und Südpol der Permanentmagnete wechseln sich entlang der Skala mit einer Steigung von 10 Millimetern ab. Die Magnete in der Studie haben einen Durchmesser von 5 Millimetern und eine Magnetisierung von 750 Kiloampere pro Meter.2 Detektoren, die in einer festen Entfernung voneinander gesetzt werden, fühlen unterschiedliche Kräfte, während sie sich entlang der Skala bewegen. Wählen Sie die Trennung, so dass die Kräfte eine Phasendifferenz von 90 Grad haben. Erstellen Sie in diesem Fall eine Edelstahlklemme, um die beiden Detektoren 22,5 Millimeter auseinander zuhalten.Um den Sensor zu fertigen, beginnen Sie mit der Vorbereitung hitzehärtebares Faseroptik-Epoxid. Sobald das Epoxid fertig ist, erhalten Sie eines der beiden Fiber Bragg Gitter. Platzieren Sie ein Lineal neben der Faser.Beginnend an einem Punkt direkt hinter dem Gitter, messen Sie etwa 10 Millimeter entlang der Faser und setzen Sie eine Markierung dort. Der Faseroptik-Stripper, entfernen Sie die Beschichtung von der markierten Position weg vom Gitter. Reinigen Sie die Oberfläche des verbleibenden Polymers mit alkohol- und staubfreiem Papier.Wenn Sie fertig sind, nehmen Sie die Faser zu einem hochpräzisen Faserspalter, um den abgestreiften Bereich zu spalten. Richten Sie als Nächstes andere Elemente des Sensors ein. Legen Sie einen Permanentmagneten bei 150 Grad Celsius auf eine Kochplatte und legen Sie dann eine 15-Millimeter-Feder auf den Magneten.Im Inneren der Feder Epoxy das Gitterende der vorbereiteten Faser zum Magneten. Lassen Sie das Epoxid bei 150 Grad Celsius für 30 Minuten aushärten. Um die Magnetfedergitterbaugruppe weiter zu erhalten.Darüber hinaus haben ein verjüngtes und Gewinderohr, das über die Baugruppe gehen kann. Legen Sie die Baugruppe in das verjüngte Rohr. Drücken Sie den Magneten, um die Feder zu komprimieren.Verwenden Sie Klebeband, um den Magneten in Position zu befestigen. Als nächstes legen Sie ein verjüngtes Endrohr am offenen Ende des Rohres ein. Sobald es an Ort und Stelle ist, erhalten Sie Glasfaser mit Epoxid an seinem Ende und legen Sie es in das Endrohr, um mit der internen Faser zu verbinden.Den aufgetragenen Klebstoff auf einer Kochplatte bei 150 Grad Celsius aushärten. Lassen Sie die Faser parallel zur Oberfläche der Kochplatte ausgerichtet sein. Nach 30 Minuten die Baugruppe von der Kochplatte holen.Entfernen Sie dann das Band, damit die Feder eine Kraft auftragen kann, um die Faser zu verengen. Fusion Spleiß und APC-Stil Single-Mode-Anschluss an das Ende der Faser aus dem Rohr kommen. Dies ist einer von zwei Detektoren nach dem Spleißen des Steckers.Es ist bereit für den Einsatz im System. Wenn Detektoren aus beiden Fasern gemacht wurden, fixieren sie sie mit einer Schraube in den Schlitz der Klemme. Nehmen Sie die Klemme mit den Detektoren zum Prüfsystem.Die Hauptkomponenten der Systeme sind eine Mikroverschiebungsplattform, die parallel zur magnetischen Skala verläuft. Ein Hochgeschwindigkeits-Wellenlängen-Verhörer mit eingebauter verstärkter spontaner Emission und ist Eine Stromquelle und ein optischer Spektrumanalysator mit einer Mindestauflösung von 200stel Nanometer. Montieren Sie die Klemme mit den Detektoren an der Mikroverschiebungsplattform.Stellen Sie die Höhe der Detektoren über der magnetischen Skala ein und fixieren Sie die Klemme. Dieser Schaltplan gibt einen Überblick über das Prüfsystem nach dem Anschluss der Detektoren. Die Ausgabe des Verhörers geht in den ersten Hafen eines drei Port-Zirkulators.Von dort geht das Licht auf die Detektoren über. Reflexionsspektren von den Detektoren passieren einen Becher und dann in den zweiten Port des Zirkulators. Der Ausgang des Zirkulators erfolgt in den optischen Spektrumanalysator.Verwenden Sie eine Positionsreglerschaltung, um den Schrittmotor der Mikroverschiebungsplattform zu steuern. Schließen Sie diesen Controller und den Prüfer an einen Computer an. Positionieren Sie die Detektoren an verschiedenen Positionen entlang der Skala, um die Kraft auf den Fasern zu variieren.Wenn sich die Detektoren in einer geeigneten Höhe über der Skala befinden, besteht eine sinusförmige Beziehung zwischen der Verschiebung entlang der Skala und den mittleren Wellenlängenverschiebungen aufgrund von Dehnungen in den Fasern, die unter statischen Bedingungen gemessen werden. Fixieren Sie die Detektoren in der Höhe, die ein Sinus erzeugt, und legen Sie Parameter für dynamische Messungen fest. Messen Sie die Wellenlängenverschiebungen, während Sie den Schrittmotor verwenden, um die Detektoren für eine Entfernung in eine Richtung zu bewegen, bevor Sie sie zur Ruhe bringen.Fahren Sie dann mit den Messungen fort, während Sie die Detektoren in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Führen Sie als Nächstes die Temperaturkalibrierung der Sensoren durch. Halten Sie die Sensoren an die Instrumente angeschlossen, entfernen Sie sie aber aus der Klemme.Legen Sie dann die Sensoren auf eine Kochplatte. Messen Sie ihre zentrale Wellenlängenänderung bei Temperaturen von 25 bis 90 Grad Celsius. Statische Kalibriermessungen des vorgestellten Detektorsystems ergaben die Beziehung zwischen der Verschiebung und den beiden Fiber Bragg Gitterwellenlängenverschiebungen.Die Wellenlängenverschiebungen betragen etwa einen halben Nanometer. Die Restfehler sind weniger als 10 Picometer. Dieses Diagramm zeigt die Fähigkeit der Detektoren, Vorwärts- und Rückwärtsbewegung zu identifizieren.Zunächst mit Vorwärtsbewegung führt die mittlere Wellenlänge des Gitters Nummer 2 die der Gitterzahl 1 um eine Phase von 90 Grad. Dann stoppt und kehrt die Bewegung auf. Nun liegt die mittlere Wellenlänge des Gitters Nummer 2 hinter der der Gitterzahl 1 um 90 Grad zurück.Diese Daten stellen mehrere Messungen dar, die durchgeführt werden, wenn Detektorgitter Nummer 1 so positioniert ist, dass ihre Polarität und die der magnetischen Skala identisch sind und Messungen durchgeführt werden, wenn die Polaritäten gegenüber liegen. Im Laufe von zehn Messungen sind diejenigen, bei denen Detektor und Waage die gleiche Polarität haben, stabiler. Hier ist die gemessene Wellenlänge als Funktion der Temperatur für die beiden Detektoren.Bei Berücksichtigung von Temperaturstörungen ist die Temperaturempfindlichkeit der Detektoren gleich. Das ermöglicht eine Temperaturkompensation. Waren die Belastung der Kraft und die Temperatur war Versorgung.Durch die Verdichtung der Feder mit einem Magneten ist entscheidend für den Erfolg mit der Technik. Diese Technik kann ein nützliches Werkzeug sein, um die magnetischen Stärken zu verwenden. Denn es erkennt die periodische Variation der magnetischen Kraft direkt.Was sich dann in Verschiebung verwandelt.

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Forschung

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Engineering

Ingenieurwesen

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