Misurazione a spostamento casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg

Sommario

Viene presentato un protocollo per creare un sensore di spostamento lineare a tutta gamma, combinando due rilevatori di griglia Bragg in fibra confezionati con una scala magnetica.

Abstract

Le misurazioni dello spostamento a lunga distanza con fibre ottiche sono sempre state una sfida sia nella ricerca di base che nella produzione industriale. Abbiamo sviluppato e caratterizzato un sensore di spostamento casuale basato sulla griglia a fibra Bragg (FBG) indipendente dalla temperatura che adotta una scala magnetica come nuovo meccanismo di trasferimento. Rilevando gli spostamenti di due lunghezze d'onda del centro FBG, è possibile ottenere una misurazione a tutto campo con una scala magnetica. Per l'identificazione della direzione di rotazione in senso orario e antiorario del motore (in realtà, la direzione di movimento dell'oggetto da testare), c'è una relazione sinusoidale tra lo spostamento e lo spostamento della lunghezza d'onda centrale dell'FBG; man mano che la rotazione in senso antiorario si alterna, lo spostamento della lunghezza d'onda centrale del secondo rivelatore FBG mostra una differenza di fase iniziale di circa 90 gradi (90 gradi). Man mano che la rotazione in senso orario si alterna, lo spostamento della lunghezza d'onda centrale del secondo FBG mostra una differenza di fase in ritardo di circa 90 gradi (-90o). Allo stesso tempo, i due sensori basati su FBG sono indipendenti dalla temperatura. Se c'è bisogno di un monitor remoto senza alcuna interferenza elettromagnetica, questo approccio sorprendente li rende uno strumento utile per determinare lo spostamento casuale. Questa metodologia è appropriata per la produzione industriale. Poiché la struttura dell'intero sistema è relativamente semplice, questo sensore di spostamento può essere utilizzato nella produzione commerciale. Oltre ad essere un sensore di spostamento, può essere utilizzato per misurare altri parametri, come la velocità e l'accelerazione.

Introduzione

I sensori ottici a base di fibra presentano grandi vantaggi, come flessibilità, multiplexing di divisione della lunghezza d'onda, monitoraggio remoto, resistenza alla corrosione e altre caratteristiche. Pertanto, il sensore di spostamento della fibra ottica ha ampie applicazioni.

Per realizzare misurazioni mirate di spostamento lineare in ambienti complessi, varie strutture della fibra ottica (ad esempio, l'interferometro Michelson¹, l'interferometro della cavità Fabry-Perot², la griglia in fibra Bragg³, il negli ultimi anni sono state sviluppate perdite di flessione^4). La perdita di piegatura richiede la sorgente luminosa in una stazione stabile ed è inadatta per le vibrazioni ambientali. Qu et al. hanno progettato un sensore nanodisplacement in fibra ottica interferometrica basato su una fibra a doppio nucleo in plastica con un'estremità rivestita con uno specchio d'argento; ha una risoluzione di 70 nm⁵. Un semplice sensore di spostamento basato su una struttura in fibra a modalità singola-multimode-mode (SMS) piegata è stato proposto per superare i limiti sulla misurazione della gamma di spostamento; ha aumentato la sensibilità di spostamento triplicato con un intervallo da 0 a 520 m⁶. Lin et al. ha presentato un sistema di sensori di spostamento che combina l'FBG con una molla; la potenza di uscita è approssimativamente lineare con la cilindrata di 110-140 mm⁷. Un sensore di spostamento Fabry-Perot in fibra ha un intervallo di misura di 0-0,5 mm con una linearità dell'1,1% e una risoluzione di 3 m⁸. Un sensore di spostamento ad ampio raggio basato su un interferometro Fabry-Perot in fibra ottica per le misurazioni dei subnanometri, fino a 0,084 nm su un intervallo dinamico di 3 mm⁹. Un sensore di spostamento in fibra ottica basato sulla tecnologia modulata di intensità riflettente è stato dimostrato utilizzando un collimatore a fibra; questo aveva una gamma di rilevamento superiore a 30 cm¹⁰. Anche se le fibre ottiche possono essere fabbricate in molti tipi di sensori di spostamento, questi sensori basati su fibre generalmente fanno uso del limite di tensile del materiale stesso, che limita la loro applicazione nelle misurazioni a grande raggio. Pertanto, di solito vengono fatti compromessi tra l'intervallo di misurazione e la sensibilità. Inoltre, è difficile determinare lo spostamento poiché varie variabili si verificano contemporaneamente; in particolare, la sensibilità incrociata della tensione e della temperatura potrebbe danneggiare la precisione sperimentale. Ci sono molte tecniche di discriminazione riportate in letteratura, come l'utilizzo di due diverse strutture di rilevamento, utilizzando un singolo FBG mezzo legato da colla diverse, o utilizzando speciali fibre ottiche. Pertanto, l'ulteriore sviluppo dei sensori di spostamento della fibra ottica richiede un'elevata sensibilità, una piccola dimensione, grande stabilità, gamma completa e indipendenza della temperatura.

In questo caso, la struttura periodica della scala magnetica rende possibile una misurazione a tutta gamma. Si ottiene uno spostamento casuale senza un intervallo di misurazione limitato con una scala magnetica. In combinazione con due FBG, sia la sensibilità alla temperatura che l'identificazione per la direzione di movimento potrebbero essere risolti. Vari passaggi all'interno di questo metodo richiedono precisione e attenzione ai dettagli. Il protocollo di fabbricazione del sensore è descritto in dettaglio come segue.

Protocollo

1. Fabbricazione della fibra Bragg grating

1. Per migliorare la fotosensibilità del nucleo in fibra, mettere una fibra standard a modalità singola in un contenitore ermetico carico di idrogeno per 1 settimana.
2. Fabbricare la griglia in fibra Bragg utilizzando la tecnica di scansione della maschera di fase e un laser a zigonione ad onde continue con una frequenza doppiata ad una lunghezza d'onda di 244 nm.
   1. Concentrarsi sulla fibra ottica con una lente cilindrica e un fascio laser ultravioletto (UV). Imprint la grattugia (modulazione periodica dell'indice di rifrazione) nel nucleo fotosensibile utilizzando una maschera di fase (parallela con l'asse della fibra) posta davanti alla fibra. L'uscita luminosa del laser è sagomata e perpendicolare alla maschera di fase. Posizionare la fibra nella posizione della luce differenziata di ordine 1 per l'esposizione ai raggi UV.
3. Dopo l'iscrizione UV, inserire le due griglie Bragg in fibra in un forno a 100 gradi centigradi per 48 h per rimuovere l'idrogeno residuo, fino a quando la riflettività della griglia in fibra non viene ridotta del 10%, la larghezza di banda 3 dB viene ridotta di 0,1 nm e la lunghezza d'onda centrale viene spostata di 0,8 nm. Questo passaggio è denominato elaborazione dell'annealing. I parametri di FBG non cambieranno dopo l'elaborazione dell'annealing.
   NOTA: le lunghezze d'onda centrali di questi due FBG sono 1.555.12 nm (1-FBG) e 1.557.29 nm (2-FBG) con lunghezze di grata di 5 mm.

2. Preparazione della scala magnetica e del morsetto corrispondente

1. Determinare la dimensione del magnete permanente in base al disegno descritto in precedenza⁸. La descrizione del magnete permanente è illustrata nella Tabella 1.
2. Progettare lo slot della scala magnetica, la cui dimensione corrisponde al magnete permanente, come illustrato nella Figura 1.
   1. Confermare la quota del morsetto corrispondente e impostare una distanza di 22,5 mm tra i due slot nel morsetto. Al fine di rimuovere l'interferenza del campo magnetico, il morsetto è fatto di acciaio inossidabile.
   2. Impostare una distanza di 10 mm del passo nella scala magnetica (z) per distinguere la direzione di movimento, e impostare una distanza di 22,5 mm ((2,1/4) ) tra i due rivelatori. Due rivelatori possono ottenere la caratteristica di spostamento in base alle seguenti formule, che possono ottenere variazioni di funzione sinusoidale da una differenza di fase di 90, dove x è lo spostamento, F_1-FBG e F_{2 #FBG} sono la forza magnetica dei due rivelatori, e B è una costante. La struttura della scala magnetica e il morsetto corrispondente sono illustrati nella Figura 1.
      
3. Mettere magneti permanenti nelle fessure del morsetto, con il magnetico N/S disposti alternativamente. I magneti permanenti cilindrici sono magnetizzati solo nella direzione assiale e il suo vettore magnetico è di 750 kA/m.

3. Fabbricazione del sensore di spostamento

1. Preparare una miscela di epossidica in fibra ottica termonica (colla) aggiungendo 100 mg di induritore (Componente A) a 200 mg di resina (Componente B), come illustrato nella Figura 2.
2. Misurare la distanza di codino in fibra, circa 10 mm tra la faccia finale della coda di maiale in fibra e la regione di grata, quindi, segnarlo con un marcatore punto fine.
3. Utilizzare una spogliarellista in fibra ottica per sbucciare il rivestimento in fibra e spogliarlo dalla posizione del marcatore del passo precedente.
4. Pulire la superficie di qualsiasi polimero rimanente con carta priva di polvere. Posizionare la lama di una mannaia in fibra ad alta precisione perpendicolare al cavo in fibra ottica e tagliarla.
5. Mettere un magnete permanente sulla piastra calda e mettere una molla con una lunghezza di 15 mm sopra il magnete permanente.
   NOTA: la lunghezza della molla è l'elemento principale della forza precaricata nel passaggio successivo.
6. Incollare la fibra ottenuta dal passaggio 3.3. Posizionare il codino della fibra all'interno della molla, come mostrato nella Figura 2, e curare l'adesivo (Epoxy #1) per 30 min a 150 gradi centigradi.
   NOTA: queste tre parti combinate sono denominate 1 .
7. Mettete 1/P nel tubo affusolato e usate del nastro adesivo per fissare il magnete permanente. come illustrato nella Figura 3. Posizionare l'adesivo esattamente sopra il magnete permanente e curare l'adesivo (Epoxy #2 è lo stesso di Epoxy #1) per 30 min ad una temperatura di 150 gradi centigradi. Quindi, applicare la forza precaricata a mano alla griglia in fibra Bragg; la forza di preinserzione permette alla fibra di essere in uno stato non pieghente.
   NOTA: Queste parti combinate sono chiamate rilevatore FBG. Il rilevatore FBG è responsabile della conversione del segnale della forza magnetica nel segnale dei parametri di spostamento.
8. Rimuovere il nastro adesivo; la produzione di questo passaggio è chiamata 2 -P.
9. Agcidere un connettore monomodalmente di tipo APC alla fine della fibra 2-P utilizzando una giunzione di fusione, seguendo le istruzioni del produttore.
10. Fissare due rilevatori FBG nello slot del morsetto, quindi fissare il morsetto alla piattaforma di spostamento.

4. Costruire il sistema di test

1. Potenzia l'interrogante ad alta velocità con l'interruttore ottico integrato.
2. Accendere l'emissione spontanea amplificata (ASE). Guidare la luce nella fibra di uscita e propagarla al sensore di spostamento basato su FBG. Quindi, gli spettri di riflessione modulati dal sensore lo riflettono all'interrogante tramite la fibra di ingresso-output.
3. Collegare l'interrogante al computer con un cavo ethernet, basato sul protocollo UDP.
4. Collegare il circolatore ottico all'analizzatore di spettro ottico (OSA) con una risoluzione minima di 0,02 nm, per monitorare lo spostamento della lunghezza d'onda di Bragg.
5. Alimentare il motore stepper con 24 V.
6. Cambiare la velocità del motore regolando l'interruttore DIP del controller del motore stepper. Con la porta di controllo esterna, il controller motore stepper può essere azionato in modalità a metà passo, normale e in altre modalità di azionamento, come mostrato nella tabella 2,e i circuiti chopper PWM su chip consentono il controllo della modalità di commutazione della corrente negli avvolgimenti basati su una MCU.
7. Regolare la distanza tra i due rivelatori e la scala magnetica.
   1. Regolare fino a quando non c'è una migliore curva sinusoidale tra lo spostamento e il campo magnetico.
   2. Regolare fino a quando non ci sono metodi ben descritti per stimolare la migliore distanza¹¹ perché magneti permanenti cilindrici con campi magnetici opposti sono disposti adiacenti l'uno all'altro.
      NOTA: C'è una relazione sinusoidale tra lo spostamento e il campo magnetico quando c'è una distanza adeguata tra la scala magnetica e il rivelatore. La forza magnetica ha una relazione lineare con il campo magnetico. Secondo la legge di Hooke, la forza ha una relazione lineare con la deformazione, e lo spostamento della lunghezza d'onda centrale di FBG è lineare con la deformazione applicata sull'FBG; così, si può ottenere una curva sinusoidale.
   3. Separare i due rivelatori l'uno dall'altro per 22,5 mm.
      NOTA: (m - 1/4)) è uguale a 22,5 mm(m è un numero intero positivo, m - 2), è il passo della scala magnetica, e (m - 1/4) - la lunghezza totale della scala magnetica, dove il segno s è pari a 10.

5. Valutazione del sensore di spostamento progettato

1. Regolare la distanza tra il rivelatore e la scala magnetica in modo che sia di 1,5 mm e, quindi, fissare il morsetto.
2. Collegare l'estremità del connettore aPC del sensore alla porta dell'interrogante e avviare il software di configurazione. Impostare la frequenza di campionamento dell'interrogante a 5 kHz per una registrazione in tempo reale del cambiamento della lunghezza d'onda del centro FBG nel tempo. Premere ogni volta il pulsante per controllare il motore di un incremento di 40 m (tipo F, come mostrato nella tabella 2). Tipi diversi rappresentano passaggi diversi. Se il motore funziona con il tipo F, il motore può avere l'intervallo di gradino più piccolo e la massima precisione di spostamento.
3. Collegare l'estremità del connettore aPC del sensore alla porta OSA e avviare il software di configurazione. Un OSA e un interrogante monitorano lo spostamento delle lunghezze d'onda centrali degli FBG. Salva i dati dalla calibrazione dello stato statico.
4. Alternare la rotazione in senso orario e antiorario del motore in uno stato dinamico. Salvare i dati come sopra.
5. Posizionare il sensore sulla piastra calda e condurre un esperimento di calibrazione della temperatura. Modificare la temperatura della piastra calda da 25 a 90 gradi centigradi.
6. Eseguire l'analisi dei dati.
   1. Importare i dati in formato .csv dall'esperimento di calibrazione statica in MATLAB. Impiegare la funzione findpeaks per estrarre la lunghezza d'onda centrale della fibra Bragg grating. Utilizzare la funzione sinusoidale dello strumento curva di adattamento per adattare la relazione tra la lunghezza d'onda centrale e lo spostamento, come illustrato nella Figura 5a. Gli errori residui di adattamento tra i punti campione e la curva di raccordo sono illustrati anche nella figura 5b. Le due curve di raccordo di Fourier tra gli spostamenti della lunghezza d'onda centrale e lo spostamento lineare nonostante la fase originale sono qui:
      
   2. Importare i dati nel software di elaborazione. Utilizzando lo strumento di raccordo curva, elaborare i dati ottenuti da una rotazione dinamica in senso orario (movimento in avanti) e una rotazione in senso antiorario (movimento all'indietro) del motore(Figura 6).
   3. Elaborare i dati ottenuti dall'esperimento di calibrazione della temperatura come sopra (Figura 7).

Risultati

La distanza, che va da 1 mm a 3 mm¹¹, tra la scala magnetica e il rivelatore ha permesso il rilevamento della cilindrata lineare con una funzione sinusoidale. Una distanza di 22,5 mm tra due rilevatori ha permesso a questo approccio di realizzare il rilevamento della direzione del movimento di un oggetto con una differenza di fase di 90 . I due rivelatori sono stati separati l'uno dall'altro per (m - 1/4) -m è un numero intero positivo) e (m

Discussione

Abbiamo dimostrato un nuovo metodo per le misurazioni di spostamento lineare casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg. Il vantaggio principale di questi sensori è lo spostamento casuale senza limitazioni. La scala magnetica qui utilizzata ha generato una periodicità del campo magnetico a 10 mm, ben oltre i limiti pratici dei tradizionali sensori di spostamento delle fibre ottiche, come lo spostamento menzionato da Lin et al.⁷ e Li et al.⁸. Il sens...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
ASE	OPtoElectronics Technology Co., Ltd.		1525nm-1610nm
computer	Thinkpad		win10
fibra mannaia / CT-32	Fujikura		il diametro di 125
fibra epossidica ottica / DP420	henkel-loctite		Rapporto 2:1
interrogatore	BISTU		frequenza di campionamento: 17kHz
driver motore	Zolix		PSMX25
circolatore ottico	Coppia ottica Thorlab		a tre porte
	Thorlab		50:50
/OSA	Fujikura		AQ6370D
a magneti permanenti	Shanghai Sichi Magnetic Industry Co., Ltd.		D5x4mm
	Fonte di alimentazione Topphotonics
	RIGOL		potenza regolabile
fibra monomodale	Corning		9/125um
Molla	tengluowujin		D3x15mm
controller			JF24D03M

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