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方法論記事

磁気スケールと2つのファイバーブラッググレーティングを組み合わせたランダム変位測定

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DOI：

10.3791/58182

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2019年9月30日

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1School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Beijing Information Science and Technology University, 2Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments, Beijing Key Laboratory for Optoelectronics Measurement Technology, 3School of Precision Instrument & Opto-electronics Engineering, Tianjin University of Science and Technology, 4School of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, 5School of Instrument and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology

この記事について

サマリー

2つのパッケージ繊維ブラッググレーティング検出器と磁気スケールを組み合わせた、フルレンジ線形変位センサを作成するプロトコルを提示します。

要約

光ファイバを用した長距離変位測定は、基礎研究と工業生産の両面で常に課題となってきました。新しい転写機構として磁気スケールを採用した温度非依存ファイバーブラッググレーティング(FBG)ベースのランダム変位センサを開発・特徴付けました。2つのFBG中心波長のシフトを検出することで、磁気スケールで全範囲測定が得られます。モータの時計回りおよび反時計回りの回転方向(実際には、テスト対象の物体の動きの方向)を識別するために、FBGの変位と中心波長シフトとの間には、意味合いの関係があります。反時計回りの回転が交互に行われるにつれて、第2FBG検出器の中心波長シフトは、約90°(+90°)の主要位相差を示す。時計回りの回転が交互に行くにつれて、2番目のFBGの中心波長シフトは、約90°(-90°)の遅れ相差を表示します。同時に、2つのFBGベースのセンサーは温度に依存しない。電磁干渉のないリモートモニタが必要な場合、この顕著なアプローチは、ランダムな変位を決定するための有用なツールになります。この方法論は工業生産に適しています。システム全体の構造は比較的簡単であるとして、この変位センサーは商業生産で使用することができる。変位センサーであることに加えて、速度や加速度などの他のパラメータを測定するために使用することができます。

概要

光ファイバベースのセンサには、柔軟性、波長分割多重、遠隔監視、耐食性などの大きな利点があります。従って、光ファイバ変位センサは広い適用を有する。

複雑な環境下での標的線形変位測定を実現するために、光ファイバの様々な構造(例えば、ミケルソン干渉計1、ファブリーペロ空洞干渉計2、繊維ブラッグ格子3、繊維グレーチング3、曲げ損失4)は、近年開発されています。曲げ損失は安定したステーションの光源を要求し、環境振動のために不適当である。Qu et al. は、銀ミラーでコーティングされた一方の端を持つプラスチックデュアルコアファイバーに基づいて、干渉性光ファイバ光学ナノ変位センサを設計しました。それは70 nm5の解決を有する。曲がったシングルモードマルチモードシングルモード(SMS)ファイバ構造に基づくシンプルな変位センサは、変位範囲の測定の制限を克服するために提案されました。それは0から520 μm6の範囲の変位の感受性を3倍に高った。Linらは、FBGとスプリングを組み合わせた変位センサシステムを発表した。出力電力は110-140 mm7の変位とほぼ直線的である。繊維Fabry-Perotの変位センサーに1.1%の直線性および3 μm8の決断の0-0.5 mmの測定範囲がある。周らは、サブナノメートル測定用の光ファイバファブリーペロー干渉計に基づく広範囲変位センサを報告し、3mm9のダイナミックレンジで最大0.084nmを測定した。反射強度変調技術に基づく光ファイバ変位センサをファイバーコリメーターを用いて実証した。これは30 cm10以上の感知範囲を持っていました.光ファイバは多くの種類の変位センサに製造できますが、これらの光ファイバベースのセンサは一般的に材料自体の引張限界を利用し、広範囲の測定での応用を制限します。したがって、通常、測定範囲と感度の間で妥協が行われます。また、様々な変数が同時に発生するにつれて変位を決定することは困難です。特に、歪みと温度のクロス感度は、実験精度を損なう可能性があります。文献には、2つの異なるセンシング構造を使用する、異なる接着剤で半結合された単一のFBGを使用する、または特殊な光ファイバを使用するなど、多くの判別技術が報告されています。したがって、光ファイバ変位センサのさらなる開発には、高感度、小型、優れた安定性、フルレンジ、温度独立性が必要です。

ここで、磁気スケールの周期構造により、全範囲測定が可能となる。磁気スケールの限られた測定範囲のないランダムな変位を達成する。2つのFGと組み合わせることで、温度クロス感度と移動方向の識別の両方を解決することができます。この方法内の様々なステップは、精度と細部への注意を必要とします。センサ製造のプロトコルは、以下のように詳細に説明される。

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プロトコル

1. 繊維ブラッグ格子の製造

  1. 繊維コアの光過敏性を高めるには、標準的なシングルモードファイバーを水素装填気密キャニスタに1週間入れて使用します。
  2. 走査相マスク技術と周波数倍増、連続波アルゴンイオンレーザーを244nmの波長で使用して繊維ブラッググレーティングを製造します。
    1. 円筒レンズと紫外線(UV)レーザー光で光ファイバに焦点を当てます。光感受性コアに格子(屈折率の周期的変調)を、繊維の前に配置した位相マスク(繊維軸と平行)を使用してインプリントします。レーザーによる光出力は、位相マスクに対して形状と垂直です。紫外線曝露のために±1オーダーの回折光の位置に繊維を置きます。
  3. 紫外線の碑文の後、残りの水素を除去するために48時間の100°Cオーブンに2つの繊維ブラッググレーティングを入れ、繊維格子の反射率が10%減少するまで、3dB帯域幅は0.1nm減少し、中心波長は0.8nmずれる。このステップは、アニーリング処理と呼ばれています。アニーリング処理後も FBG のパラメータは変更されません。
    注: これら 2 つの FG の中央波長は、1,555.12 nm (1#FBG) と 1,557.29 nm (2#FBG) で、格子の長さは 5 mm です。

2. 磁気スケールとマッチングクランプの準備

  1. 前述の設計8に従って永久磁石のサイズを決定する。永久磁石の説明を表1に示す。
  2. 図 1 に示すように、寸法が永久磁石と一致する磁気スケールのスロットを設計します。
    1. 一致するクランプの寸法を確認し、クランプ内の 2 つのスロット間の距離を 22.5 mm に設定します。磁場干渉を除去するために、クランプはステンレス鋼から成っている。
    2. 動きの方向を区別するために、磁気スケール(τ)でピッチの距離を10mmに設定し、2つの検出器間に22.5mm((2+1/4)=τの距離を設定します。2つの検出器は、xが変位、F1#FBGおよびF2である90°の位相差によって間弦機能の変化を達成することができる次の式に従って変位特性を得ることができる。#FBGは2つの検出器の磁力であり、Bは一定である。磁気スケールとその一致クランプの構造を図1に示します。
      figure-protocol-1
  3. クランプのスロットに永久磁石を入れ、磁気N/Sを交互に配置します。円柱状の永久磁石は軸方向にのみ磁化され、磁気ベクトルは750kA/mです。

3. 変位センサーの製造

  1. 図2に示すように、硬化器(成分A)を200mgの樹脂(成分B)に100mgを添加して熱硬化性光ファイバーエポキシ(接着剤)の混合物を調製する。
  2. 繊維ピグテールの距離を測定し、繊維ピグテールの端面と格子領域との間に約10mm、その後、細かい点マーカーでスコアリングします。
  3. 光ファイバーストリッパーを使用して繊維コーティングを剥がし、前工程のマーカー位置から剥離します。
  4. 残りのポリマーの表面をダストフリーペーパーで拭き取ります。光ファイバケーブルに垂直な高精度繊維包丁の刃を配置し、切断します。
  5. ホットプレートに永久磁石を置き、永久磁石の上に15ミリメートルの長さのスプリングを置きます。
    注: ばねの長さは、次のステップでプリロードされた力の主な要素です。
  6. ステップ3.3から得られた繊維を接着する。図2に示すように、繊維のピグテールをスプリングの内側に置き、接着剤(エポキシ#1)を150°Cで30分間硬化します。
    注: これら 3 つの組み合わせパーツは1#Pと呼ばれます。
  7. テーパーパイプに1#Pを入れ、粘着テープを使用して永久磁石を固定します。図 3に示すように。永久磁石の上に接着剤を置き、接着剤(エポキシ#2はエポキシ#1と同じ)を150°Cの温度で30分間硬化させます。その後、繊維ブラッググレーティングに手でプリロードされた力を適用します。締め付け力により、ファイバは曲げのない状態になります。
    注:これらの組み合わせ部品はFBG検出器と呼ばれています。FBG検出器は、磁力の信号を変位パラメータの信号に変換する責任があります。
  8. 粘着テープを取り外します。このステップの生産は2#Pと呼ばれています。
  9. 製造元の指示に従って、融合スプライサーを使用して、APCタイプのシングル モード コネクタを 2#P ファイバの端にスプライスします。
  10. 2つのFBG検出器をクランプのスロットに固定し、クランプを変位プラットフォームに固定します。

4. テストシステムの構築

  1. 内蔵の光スイッチで高速波長尋問者に電力を供給します。
  2. 増幅された自発的放出(ASE)をオンにします。光を入力出力ファイバに導き、FBGベースの変位センサーに伝搬します。次に、センサによって変調された反射スペクトルは、再び入力出力ファイバを介して尋問者に反射する。
  3. UDP プロトコルに基づいて、尋問者をイーサネット ケーブルでコンピュータに接続します。
  4. 光サーキュレータを光スペクトルアナライザ(OSA)に0.02nmの最小分解能で接続し、ブラッグ波長シフトを監視します。
  5. ステッパーモータに24Vの電源を入れる。
  6. ステッパーモータコントローラのDIPスイッチを調整してモータの速度を変更します。外部制御ポートを使用すると、ステッピングモータコントローラは、表2に示すように、ハーフステップ、ノーマル、およびその他のドライブモードで駆動することができ、オンチップPWMチョッパー回路はMCUに基づくワインディング内の電流のスイッチモード制御を可能にします。
  7. 2 つの検出器と磁気スケール間の距離を調整します。
    1. 変位と磁場の間により良い前弦曲線があるまで調整します。
    2. 反対の磁場を持つ円筒状の永久磁石が互いに隣接して配置されているので、最良の距離11を刺激するための十分に記載された方法があるまで調整します。
      注:磁性スケールと検出器との間に適切な距離がある場合、変位と磁場の間には正義の関係があります。磁力は磁場と直線的な関係を持っています。フックの法則によると、力は歪みと線形関係があり、FBGの中心波長シフトはFBGに適用される歪みと線形です。したがって、前弦波曲線を得ることができる。
    3. 2つの検出器を22.5 mmで分離します。
      注: (m ± 1/4) â は 22.5 mm(mは正の整数、m = 2)、τ は磁気スケールのピッチであり、磁気スケールの全長は 10 に等しくなります。

5. 設計された変位センサの評価

  1. 検出器と磁気スケールの間の距離を 1.5 mm に調整し、クランプを固定します。
  2. センサーの APC タイプのコネクタの端を尋問者ポートに差し込み、構成ソフトウェアを起動します。問い合言者のサンプリング周波数を5kHzに設定し、時間の経過に応じるためにFBG中心波長変化をリアルタイム記録します。ボタンを押すと、毎回 40 μm ずつモータを制御できます (表 2に示すように、F 型)。異なるタイプは、異なるステップを表します。モータがタイプ F で動作する場合、モータはステップ間隔を最小にし、変位精度を最も高くすることができます。
  3. センサーの APC タイプコネクタの端を OSA ポートに差し込み、構成ソフトウェアを起動します。OSAと尋問者は、FBGの中央波長シフトを監視します。
  4. モータの時計回りと反時計回りの回転を動的な状態で交互に行います。上記のようにデータを保存します。
  5. ホットプレートにセンサーを置き、温度校正実験を行います。ホットプレートの温度を25°Cから90°Cに変更します。
  6. データ分析を実行します。
    1. 静的キャリブレーション実験から.csv形式でデータをMATLABにインポートします。繊維ブラッグ格子の中心波長を抽出するためにfindpeaks機能を採用する。図 5aに示すように、カーブ フィッティング ツールの前弦関数を使用して、中心の波長と変位の関係に合わせてします。サンプル ポイントと継手曲線の間の継手残差誤差も図 5bに示されています。元の位相にもかかわらず、中心波長シフトと線形変位の間の 2 つのフーリエフィッティング カーブは次のとおりです。
      figure-protocol-2
    2. データを処理ソフトウェアにインポートします。カーブフィッティングツールを使用して、モータの動的時計回りの回転(前方移動)と反時計回りの回転(後方移動)から得られたデータを処理します(図6)。
    3. 上記の温度校正実験で得られたデータを処理します(図7)。

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結果

磁気スケールと検出器の間の距離は、1mmから3 mm11までの距離で、前鑑の異なった変位を検出することを可能にしました。2つの検出器間の距離22.5mmにより、位相差90°で物体の動き方向の検出を実現しました。2つの検出器は、(m±1/4)τ(mは正の整数である)と(m±1/4)τ≤磁気スケールの全長を互いに分離し、ここで説明する実験では10mmおよびm=2が使用される(図1)。変位検出器の組成と構造を図2に示す。パッケージングプロセスの鍵は、FBGにプリロードされた力を適用することです。動きがあると、磁器と検出器の間の磁力が変化し(図3)、FBGの軸応力分布はスプリングが伸びたり圧縮されたりするにつれて均一になります。測定システムは、ASE、尋問者、およびセンサーの中心波長シ...

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ディスカッション

磁気スケールと2つの繊維ブラッグ格子を組み合わせることで、ランダムな線形変位測定の新しい方法を実証しました。これらのセンサーの主な利点は、制限なしでランダムな変位です。ここで用いられる磁気スケールは、10mmで磁場の周期性を生み出し、Lin etal.7およびLi etal.8によって言及された変位のような従来の光ファイバ変位センサの実用的な限界をはるかに超えた。温度依存変位センサーは、遠隔監視に関わる実験にも適しています。

FBGのプリロードされた力はFBGベースの磁気検出器の包装プロトコルの重要なステップである。ばねが伸びたり圧縮したりすると、FBGの均一軸応力分布が得られる。2つの検出器間の距離(m±1/4)は、システム全体が移動方向を認識するために不可欠です。

この新しい変位測定技術は、振動に対する感受性を低減する必要があります。また、検出器のばねの影響を受ける湿度変化に対する感度を下げることで、センサーを...

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開示事項

著者は何も開示していない。

謝辞

著者らは、光学研究所の設備に感謝し、長江学者と大学の革新的研究チームと中国教育省のためのプログラムを通じて財政的支援に感謝しています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
ASEOPtoElectronics Technology Co., Ltd. (アセ・オプトエレクトロニクス・テクノロジー・カンパニー・リミテッド)1525nm-1610nm
コンピュータThinkpadwin10
ファイバークリーバー/ CT-32ジクラ125
光ファイバーエポキシ/ DP420ヘンケルロクタイトの直径2:1
器BISTUサンプルレート:17kHz
ドライバーZolixPSMX25
光サーキュレーターThorlab3ポート
光カップルThorlab50:50
光スペクトラムアナライザ/OSAフジクラAQ6370D
永久磁石Shanghai Sichi Magnetic Industry Co., Ltd.D5x4mm
プラスチック形状パイプTopphotonics
電源RIGOL調整可能な電力
シングルモードファイバーコーニング9 / 125um
スプリングtengluowujinD3x15mm
ステッピングモーターコントローラーJF24D03M
フ質問モーター

参考文献

  1. 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).
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  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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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