Summary
提出了一种将两个封装的光纤布拉格光栅探测器与磁标相结合的全范围线性位移传感器的协议。
Abstract
使用光纤进行远距离位移测量一直是基础研究和工业生产中的挑战。我们研制并采用了一种基于温度的光纤布拉格光栅（FBG）随机位移传感器，采用磁垢作为一种新颖的传输机制。通过检测两个 FBG 中心波长的偏移，可以使用磁标进行全范围测量。为了识别电机的顺时针和逆时针旋转方向（事实上，要测试的物体的运动方向），FBG的位移和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显示大约 90° （+90°） 的领先相位差。当顺时针旋转交替时，第二个 FBG 的中心波长偏移显示大约 90° （-90°） 的滞后相差。同时，两个基于FBG的传感器是独立的。如果需要远程监视器，无需任何电磁干扰，这种惊人的方法使其成为确定随机位移的有用工具。这种方法适用于工业生产。由于整个系统的结构相对简单，这种位移传感器可用于商业生产。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。
Introduction
基于光纤的传感器具有灵活性、波长分割多路复用、远程监控、耐腐蚀等特点。因此，光纤位移传感器具有广泛的应用价值。
为了在复杂环境中实现有针对性的线性位移测量，光纤的各种结构（例如，米歇尔森干涉仪1、法布里-佩罗腔干涉仪2、光纤布拉格光栅3、弯曲损失4）近年来已经发展出来。弯曲损耗需要稳定站中的光源，并且不适合环境振动。曲等人设计了一种基于塑料双核光纤的干涉光纤纳米位移传感器，一端涂有银镜;它的分辨率为70纳米5。提出了一种基于弯曲单模-多模式-单模（SMS）光纤结构的简单位移传感器，克服了位移范围测量的限制;它使位移灵敏度提高三倍，范围从0到520μm6。Lin等人介绍了一个位移传感器系统，该系统将FBG与弹簧结合在一起;输出功率约为线性，位移为110-140 mm7。光纤 Fabry-Perot 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。周等人报告说，一种基于光纤Fabry-Perot干涉仪的宽距离位移传感器用于亚纳米测量，在3mm9的动态范围内高达0.084纳米。利用光纤准直器演示了一种基于反射强度调制技术的光纤位移传感器;这有一个感应范围超过30厘米10。虽然光纤可以制成多种位移传感器，但这些基于光纤的传感器通常利用材料本身的拉伸极限，这限制了其在远距离测量中的应用。因此，测量范围和灵敏度之间通常存在折衷。此外，由于各种变量同时发生，很难确定位移;特别是，应变和温度的交叉灵敏度会损害实验精度。文献中有许多鉴别技术，例如使用两种不同的传感结构、使用单个 FBG 半粘合不同胶水或使用特殊光纤。因此，光纤位移传感器的进一步发展要求灵敏度高、体积小、稳定性大、范围广、温度独立。
在这里，磁标的周期性结构使得全范围测量成为可能。实现了具有磁标的有限测量范围的随机位移。结合两个FBG，可以求解温度交叉灵敏度和运动方向的识别。此方法中的各种步骤需要精度和对细节的关注。传感器制造方案如下。
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Protocol
1. 制造纤维布拉格光栅
- 为了提高光纤芯的光敏性，将标准单模光纤放入氢载气密罐中，为期 1 周。
- 使用扫描相掩膜技术和波长为 244 nm 的频率倍增连续波龙子激光法制造光纤布拉格光栅。
- 使用圆柱透镜和紫外线 （UV） 激光束聚焦光纤。使用放置在光纤前面的相位掩膜（与光纤轴平行）在感光芯中压印光栅（折射率的周期性调制）。激光输出的形状与相位掩膜垂直。将纤维置于 ±1 阶衍射光的位置，以便进行紫外线照射。
- UV铭文后，将两个光纤布拉格光栅放入100°C烤箱48小时，以去除任何残留的氢气，直到纤维光栅的反射率降低10%，3 dB带宽减少0.1nm，中心波长偏移0.8nm。此步骤称为退火处理。退火处理后，FBG的参数不会改变。
注：这两个 FBG 的中心波长为 1，555.12 nm （1=FBG） 和 1，557.29 nm （2=FBG），光栅长度为 5 mm。
2. 磁标和匹配夹具的准备
- 根据前面描述的设计8确定永磁体的大小。永磁体的描述如表1所示。
- 设计磁标的槽，其尺寸与永磁体匹配，如图1所示。
- 确认匹配夹具的尺寸，并在夹具中的两个插槽之间设置 22.5 mm 的距离。为了消除磁场干扰，夹具由不锈钢制成。
- 在磁标 （*） 中设置 10 mm 的螺距以区分运动方向，并在两个探测器之间设置 22.5 mm （（2+1/4）*） 的距离。两个探测器可以根据以下公式获得位移特性，通过90°的相位差（其中x为位移，F1_FBG和F2）可实现正弦函数变化#FBG是两个探测器的磁力，B是常数。磁标的结构及其匹配夹具如图1所示。
- 将永磁体放入夹具的插槽中，磁 N/S 交替排列。圆柱形永磁只在轴向磁化，磁向为750kA/m。
3. 位移传感器的制造
4. 建立测试系统
- 使用内置光学开关为高速波长查询器供电。
- 打开放大的自发发射 （ASE）。将光引导到输入输出光纤中，并将其传播到基于 FBG 的位移传感器。然后，由传感器调制的反射光谱通过输入输出光纤再次将其反射给询问者。
- 根据 UDP 协议，使用以太网电缆将查询器连接到计算机。
- 将光学循环器连接到最小分辨率为 0.02 nm 的光谱分析仪 （OSA），以监控布拉格波长偏移。
- 使用 24 V 为步进电机供电。
- 通过调整步进电机控制器的 DIP 开关来改变电机的速度。使用外部控制端口，步进电机控制器可以以半步进、正常和其他驱动模式驱动，如表2所示，并且片上PWM斩波器电路允许基于MCU对绕组中的电流进行开关模式控制。
- 调整两个探测器和磁标之间的距离。
- 调整，直到位移和磁场之间有更好的正弦曲线。
- 调整，直到有精心描述的方法，以刺激最佳距离11，因为圆柱形永磁与相反的磁场排列相邻。
注：当磁标和探测器之间有适当的距离时，位移和磁场之间存在正弦关系。磁力与磁场有线性关系。根据胡克定律，力与应变有线性关系，FBG的中心波长偏移与施加在FBG上的应变是线性的;因此，可以得到正弦曲线。 - 将两个探测器彼此分开 22.5 mm。
注： （m = 1/4）= 等于 22.5 mm（m是正整数，m = 2），* 是磁标的螺距，和 （m = 1/4） = = 磁标的总长度，其中 = 等于 10。
5. 设计位移传感器的评估
- 将探测器和磁标之间的距离调整为 1.5 mm，然后固定夹具。
- 将传感器的 APC 型连接器端插入询问器端口并启动配置软件。将询问器的采样频率设置为 5 kHz，以便实时记录 FBG 中心波长随时间的变化。按下按钮，每次以 40 μm 的增量控制电机（类型 F，如表2所示）。不同的类型表示不同的步骤。如果电机与 F 型配合使用，则电机的步长间隔最小，位移精度最高。
- 将传感器的 APC 型连接器端插入 OSA 端口并启动配置软件。OSA 和查询器监控 FBG 的中心波长偏移。从静态状态校准中保存数据。
- 在动态状态下交替电机顺时针和逆时针旋转。保存数据，如上所示。
- 将传感器放在热板上，进行温度校准实验。将热板的温度从 25°C 更改为 90°C。
- 执行数据分析。
- 将数据以 .csv 格式从静态校准实验导入MATLAB。利用findpeaks函数提取光纤布拉格光栅的中心波长。使用曲线拟合工具中的正弦函数来拟合中心波长和位移之间的关系，如图5a所示。采样点和拟合曲线之间的拟合残余误差也如图5b所示。中心波长偏移和线性位移之间的两条傅立叶拟合曲线（尽管原始相位）如下所示：
- 将数据导入处理软件。使用曲线拟合工具，处理从电机的动态顺时针旋转（向前移动）和逆时针旋转（向后运动）获得的数据（图6）。
- 处理从温度校准实验中获得的数据（图7）。
- 将数据以 .csv 格式从静态校准实验导入MATLAB。利用findpeaks函数提取光纤布拉格光栅的中心波长。使用曲线拟合工具中的正弦函数来拟合中心波长和位移之间的关系，如图5a所示。采样点和拟合曲线之间的拟合残余误差也如图5b所示。中心波长偏移和线性位移之间的两条傅立叶拟合曲线（尽管原始相位）如下所示：
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Representative Results
磁标和探测器之间的距离从1毫米到3毫米11不等，能够检测具有正弦函数的线性位移。两个探测器之间的距离为 22.5 mm，使该方法能够以 90° 的相位差实现对物体运动方向的检测。两个探测器彼此分离（m = 1/4）*（m为正整数）和（m = 1/4）= 磁标的总长度，其中 ± = 10 mm 和m = 2 用于此处所述的实验（图 1）。位移检测器的组成和结构如图2所示。包装过程的关键是对 FBG 施加预加载力;当有运动时，磁标和探测器之间的磁力会发生变化（图3），FBG的轴应力分布会随着弹簧拉伸或压缩而均匀。测量系统基于ASE、询问器和OSA，后者对传感器的中心波长特征表示特征（图4）。OSA 的最小分辨率为 0.02 nm，在静态测量频谱时比询问器更准确。OSA 具有高分辨率;在静态校准实验中，它比询问器更合适。
静态校准（图5a）和相应的残余误差（图5b）显示，设计的探测器能够最好地探索随机位移位置。为了识别电机的正向和反向运动方向，作为前进运动交替，2_FBG 探测器的中心波长偏移具有约 90°（+90°）的领先相位差。当逆位移交替时，2_FBG的中心波长偏移显示正弦函数的变化，滞后相差约为90°（-90°）（图6）。通过差分的定位函数可以消除所建议传感器的温度交叉灵敏度。可以得到相位角度的正或负变化。如前文12所述，位移的方向很容易解决。简而言之，从温度校准实验中收集的数据如图7所示。可以知道，当系统中不忽略温度干扰时，两个FBG探测器的温度灵敏度（KT） 是相同的。位移和波长偏移之间的关系可以如下表示;因此，温度补偿是该系统的优点。
数据拟合的不确定度表明，最大不确定性几乎与正弦拟合曲线的最大振幅平行。可以有一些改进，使不确定性更小，以便不确定性代表传感器的属性。我们以1+FBG的平衡点（5 mm，探测器极性与磁力刻度相反）和最大振幅（2.5 mm，探测器具有极性与磁阶）为例（如图5b所示）），和可重复的测量（10 计数）如图8所示。显然，平衡点（5 毫米）比最大振幅 （2.5 mm） 更稳定，最大残余误差 （7.5 pm） 发生在 1=FBG 的最大振幅 （2.5 mm） 上。位移测量的精度为0.69 μm。
自动控制和生产，特别是在严重油污情况下的机器监测，需要光纤基长排量。因此，设计的光纤传感器可用于钢和铁工艺。
图1：磁标和匹配夹具。请点击此处查看此图的较大版本。
图2：位移检测器的组成和结构。请点击此处查看此图的较大版本。
图3：包装过程中施加预加载力的方法。请点击此处查看此图的较大版本。
图 4：位移测量的实验设置。系统基于 ASE、询问器和 OSA，后者对传感器的中心波长特征进行了特征化。这个数字经朱等人11日许可转载。请点击此处查看此图的较大版本。
图5：静态校准和残余误差。（a） 位移和两个 FBG 波长偏移之间的关系.（b） 原始数据与正弦曲线之间的拟合曲线残余误差。这个数字经朱等人11日许可转载。请点击此处查看此图的较大版本。
图 6：确定电机的顺时针和逆时针旋转方向。这个数字经朱等人11日许可转载。请点击此处查看此图的较大版本。
图7：中心波长与温度的关系。这个数字经朱等人11日许可转载。请点击此处查看此图的较大版本。
图8：测量的可重复性。请点击此处查看此图的较大版本。
| 名字 | 参数 |
| 磁性等级 | N35 |
| 磁铁材料 | 钕 铁 硼 |
| 表面和涂层 | 镍 |
| 磁化方向 | 飞机两侧的 N/S 极点 |
| 大小 | D5 x 4 毫米 |
| M（磁化） | 750 [千瓦/米] |
表1：永磁体说明。经朱等人11日许可，本表转载。
| 类型 | 步骤 | 位移/步长（μm） |
| A | 1,600 | 312 |
| B | 2,000 | 250 |
| C | 3,200 | 156 |
| D | 4,000 | 125 |
| E | 6,400 | 78 |
| F | 12,800 | 40 |
表 2：微步驱动程序的说明。
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Discussion
通过结合磁标和两个光纤布拉格光栅，演示了一种随机线性位移测量的新方法。这些传感器的主要优点是随机位移不受限制。这里使用的磁标产生了10毫米磁场的周期性，远远超出了传统光纤位移传感器的实际极限，如Lin等人7和Li等人提到的位移8。温度相关位移传感器也适用于远程监控实验。
FBG 上的预加载力是基于 FBG 磁性探测器封装协议的关键步骤。当弹簧拉伸或压缩时，获得 FBG 的均匀轴应力分布。两个探测器之间的距离（m = 1/4）]对于确保整个系统识别运动方向至关重要。
这种新的位移测量技术要求降低振动的易感性。传感器还可以通过降低对湿度变化的灵敏度来改进，湿度变化受探测器中的弹簧影响。今后的工作可以集中在软件算法的开发上，以消除振动的影响。如果磁标的螺距可以作为商业电子磁标降低，则这种位移传感器系统可以投入商业使用。
该传感器可用于测量随机位移，而不受现有方法的范围限制。尽管此处的协议已被证明是有效的位移传感器，但它也可用于测量其他参数，如速度和加速度。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者感谢光学实验室的设备，并感谢通过"长江学者与大学创新研究团队计划"和中国教育部提供的资金支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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