Een meting van willekeurige verplaatsing door het combineren van een magnetische schaal en twee Gratingen van vezel Bragg

Samenvatting

Een protocol om een full-range lineaire verplaatsingssensor te creëren, die twee verpakte Fiber Bragg-rooster detectoren met een magnetische weegschaal combineert, wordt gepresenteerd.

Samenvatting

Metingen over de verplaatsing van lange afstanden met behulp van optische vezels zijn altijd een uitdaging geweest in zowel fundamenteel onderzoek als industriële productie. We ontwikkelden en kenmerkten een temperatuur onafhankelijke Fiber Bragg rooster (FBG)-gebaseerde Random-verplaatsingssensor die een magnetische schaal aanneemt als een roman Transfer mechanisme. Door verschuivingen van twee FBG Center golflengten te detecteren, kan een full-range meting worden verkregen met een magnetische weegschaal. Voor de identificatie van de rechtsom en linksom rotatierichting van de motor (in feite de bewegingsrichting van het te testen object), is er een sinus verhouding tussen de verplaatsing en de middelste golflengte verschuiving van de FBG; Als de linksom rotatie wisselt, toont de middelste golflengte verschuiving van de tweede FBG-detector een leidend faseverschil van ongeveer 90 ° (+ 90 °). Als de rechtsom rotatie afwisselend, de middelste golflengte verschuiving van de tweede FBG geeft een achterblijvende faseverschil van rond 90 ° (-90 °). Tegelijkertijd zijn de twee op FBG gebaseerde sensoren temperatuur onafhankelijk. Als er een externe monitor nodig is zonder elektromagnetische interferentie, maakt deze opvallende benadering ze een handig hulpmiddel om de willekeurige verplaatsing te bepalen. Deze methodologie is geschikt voor industriële productie. Omdat de structuur van het hele systeem relatief eenvoudig is, kan deze verplaatsingssensor worden gebruikt in de commerciële productie. Naast het feit dat het een verplaatsingssensor is, kan het worden gebruikt om andere parameters te meten, zoals snelheid en versnelling.

Inleiding

Optische vezel sensoren hebben grote voordelen, zoals flexibiliteit, golflengte divisie multiplexing, bewaking op afstand, corrosiebestendigheid en andere kenmerken. Zo heeft de optische vezel verdringings sensor brede toepassingen.

Om gerichte lineaire verplaatsings metingen te realiseren in complexe omgevingen, verschillende structuren van de optische vezel (bijv. de Michelson interferometer¹, de Fabry-Perot holte interferometer², de Fiber Bragg rooster³, de Buig verlies⁴) zijn ontwikkeld in de afgelopen jaren. Het buig verlies vereist de lichtbron in een stabiel station en is ongeschikt voor omgevings trillingen. Qu et al. hebben een interferometrische Fiber-Optic nano verplaatsingssensor ontworpen op basis van een plastic Dual-Core vezel met één uiteinde bekleed met een zilveren spiegel; het heeft een resolutie van 70 nm⁵. Een eenvoudige verplaatsingssensor op basis van een gebogen single-mode-multimode-single-mode (SMS) vezelstructuur werd voorgesteld om de beperkingen op de meting van het verplaatsings bereik te overwinnen; het verhoogde de verplaatsing gevoeligheid drievoudig met een bereik van 0 tot 520 μm⁶. Lin et al. presenteerde een verplaatsingssensor systeem dat de FBG samen met een veer combineert; het uitgangsvermogen is ongeveer lineair met de verplaatsing van 110-140 mm⁷. Een Fiber Fabry-Perot verplaatsingssensor heeft een meetbereik van 0-0,5 mm met een lineariteit van 1,1% en een resolutie van 3 μm⁸. Zhou et al. rapporteerde een wide-range verplaatsingssensor op basis van een Fiber-Optic Fabry-Perot interferometer voor subnanometer metingen, tot 0,084 nm over een dynamisch bereik van 3 mm⁹. Een fiber-optische verplaatsingssensor op basis van reflecterende intensiteit gemoduleerde technologie werd aangetoond met behulp van een vezel collimator; Dit had een schakelbereik van meer dan 30 cm¹⁰. Hoewel optische vezels kunnen worden gefabriceerd in vele soorten verplaatsings sensoren, maken deze op vezels gebaseerde sensoren in het algemeen gebruik van de Trek grens van het materiaal zelf, wat de toepassing ervan beperkt in breedbereik metingen. Er worden dus meestal compromissen gesloten tussen het meetbereik en de gevoeligheid. Bovendien is het moeilijk om de verplaatsing te bepalen, aangezien verschillende variabelen gelijktijdig optreden; vooral, kruisgevoeligheid van de stam en temperatuur kan de experimentele precisie beschadigen. Er zijn veel discriminatie technieken gerapporteerd in de literatuur, zoals het gebruik van twee verschillende sensing structuren, met behulp van een enkele FBG half gebonden door verschillende lijmen, of met behulp van speciale optische vezels. De verdere ontwikkeling van optische vezel verdringings sensoren vereist dus een hoge gevoeligheid, een klein formaat, grote stabiliteit, volledig bereik en onafhankelijkheid van de temperatuur.

Hier maakt de periodieke structuur van de magnetische weegschaal een full-range meting mogelijk. Een willekeurige verplaatsing zonder een beperkt meetbereik met een magnetische schaal wordt bereikt. In combinatie met twee FBGs kunnen zowel temperaturecross-gevoeligheid als de identificatie voor de bewegingsrichting worden opgelost. Verschillende stappen binnen deze methode vereisen precisie en aandacht voor detail. Het Protocol van de fabricage van de sensor wordt in detail beschreven als volgt.

Protocol

1. fabricage van de Fiber Bragg rooster

1. Om de lichtgevoeligheid van de vezel kern te verbeteren, zet u een standaard single-mode glasvezel in een luchtdichte busje met waterstof voor 1 week.
2. Fabriceren de Fiber Bragg roosters met behulp van de Scanning Phase-Mask techniek en een frequentie-verdubbelde, continue Wave argon-Ion laser met een golflengte van 244 nm.
   1. Focus op de optische vezel met een cilindrische lens en een ultraviolette (UV) laserstraal. Opdruk van het rooster (periodieke modulatie van de brekingsindex) in de lichtgevoelige kern met behulp van een fase masker (parallel met de vezel as) geplaatst voor de vezel. De lichtopbrengst door de laser is gevormd en loodrecht op het fase masker. Plaats de vezel op de positie van de ± 1 orde verstrooide Light voor blootstelling aan UV-straling.
3. Plaats na UV-inscriptie de twee vezel Bragg-roosters in een 100 °C-oven voor 48 uur om eventuele rest waterstof te verwijderen, totdat de reflectie van de vezel roosters met 10% is verminderd, de 3 dB-bandbreedte wordt verlaagd met 0,1 nm en de middelste golflengte wordt verschoven met 0,8 nm. Deze stap wordt de gloeien verwerking genoemd. De parameters van FBG worden niet gewijzigd na het gloeien van de verwerking.
   NB: de centrale golflengten van deze twee FBGs zijn 1.555,12 nm (1 # FBG) en 1.557,29 nm (2 # FBG) met een rooster lengte van 5 mm.

2. bereiding van de magnetische weegschaal en de bijpassende klem

1. Bepaal de grootte van de permanente magneet volgens het eerder beschreven ontwerp⁸. De beschrijving van de permanente magneet wordt weergegeven in tabel 1.
2. Ontwerp de sleuf van de magnetische schaal, waarvan de afmeting overeenkomt met de permanente magneet, zoals weergegeven in Figuur 1.
   1. Bevestig de afmeting van de bijpassende klem en stel een afstand van 22,5 mm in tussen de twee sleuven in de klem. Om magnetische veld interferentie te verwijderen, is de klem gemaakt van roestvrijstaal.
   2. Stel een afstand van 10 mm van het veld in op de magnetische schaal (τ) om de bewegingsrichting te onderscheiden en stel een afstand van 22,5 mm ((2 + 1/4) · τ) tussen de twee detectoren in. Twee detectoren kunnen de verschuivings karakteristiek verkrijgen volgens de volgende formules, die sinusvormige functie variaties kunnen bereiken met een faseverschil van 90 °, waarbij x de verplaatsing is, f_{1 # FBG} en f_{2 #FBG} zijn de magnetische kracht van de twee detectoren, en B is een constante. De structuur van de magnetische schaal en de bijbehorende klem worden weergegeven in Figuur 1.
      
3. Zet permanente magneten in de sleuven van de klem, met de magnetische N/S afwisselend gerangschikt. Cilindrische permanente magneten zijn alleen gemagnetiseerd in de axiale richting, en de magnetische vector is 750 kA/m.

3. fabricage van de verplaatsingssensor

1. Bereid een mengsel van hitte-curable Fiber Optic epoxy (lijm) door toevoeging van 100 mg verharder (component A) aan 200 mg hars (component B), zoals weergegeven in Figuur 2.
2. Meet de afstand van vezel staartje, ongeveer 10 mm tussen het eind vlak van vezel staartje en het rooster, en scoor het vervolgens met een fijnpuntsmarkering.
3. Gebruik een glasvezel-stripper om de vezel coating te schillen en uit de markerings positie van de vorige stap te strippen.
4. Reinig het oppervlak van het overgebleven polymeer met stofvrij papier. Plaats het blad van een hoge precisie Fiber Cleaver loodrecht op de glasvezelkabel en snijd het.
5. Zet een permanente magneet op de hete plaat en plaats een veer met een lengte van 15 mm boven de permanente magneet.
   Opmerking: de lengte van de veer is het belangrijkste element van de vooraf geladen kracht in de volgende stap.
6. Lijm de vezel die is verkregen uit stap 3,3. Plaats de staartje van de vezel in de veer, zoals afgebeeld in Figuur 2, en genees de lijm (epoxy #1) gedurende 30 minuten bij 150 °c.
   Opmerking: deze drie gecombineerde onderdelen worden 1 # Pgenoemd.
7. Zet 1 # P in de taps toelopende buis en gebruik plakband om de permanente magneet te bevestigen. zoals weergegeven in Figuur 3. Plaats de lijm precies boven de permanente magneet en genees de lijm (epoxy #2 is hetzelfde als epoxy #1) gedurende 30 minuten bij een temperatuur van 150 °C. Pas vervolgens de vooraf geladen kracht met de hand toe op de Fiber Bragg roosters; de voorgevormde kracht zorgt ervoor dat de vezels in een niet-buigbare toestand zijn.
   Opmerking: deze gecombineerde onderdelen worden de FBG-detector genoemd. De FBG-detector is verantwoordelijk voor het omzetten van het signaal van de magnetische kracht in het signaal van de verplaatsings parameters.
8. Verwijder de plakband; de productie van deze stap heet 2 # P.
9. Splice een APC-type single-mode connector aan het einde van de 2 # P Fiber met behulp van een Fusion Splicer, volgens de instructies van de fabrikant.
10. Bevestig twee FBG-detectoren in de sleuf van de klem en bevestig vervolgens de klem aan het verplaatsings platform.

4. het testsysteem opbouwen

1. Zet de High-Speed golflengte ondervrager aan met de ingebouwde optische schakelaar.
2. Schakel de versterkte spontane emissie (ASE) in. Leid het licht in de input-output fiber en propageren het naar de op FBG gebaseerde verplaatsingssensor. Vervolgens weerspiegelt de reflectie spectra die door de sensor is gemoduleerd, deze weer aan de ondervrager via de input-output fiber.
3. Verbind de ondervrachter met de computer met een Ethernet-kabel, op basis van het UDP-protocol.
4. Sluit de optische circulatiepomp aan op de optische spectrum analyzer (OSA) met een minimale resolutie van 0,02 nm, voor het bewaken van de golflengte van de Bragg.
5. Zet de stepper motor met 24 V aan.
6. Verander de snelheid van de motor door de DIP-schakelaar van de stappenmotor controller aan te passen. Met de externe controlepoort kan de stappenmotor controller worden gereden in half-Step, Normal, en andere aandrijf modi, zoals weergegeven in tabel 2, en op-chip PWM Chopper circuits toestaan schakelmodus controle van de stroom in de wikkelingen op basis van een MCU.
7. Pas de afstand tussen de twee detectoren en de magnetische weegschaal aan.
   1. Pas aan tot er een betere sinusoïdale curve is tussen de verplaatsing en het magnetische veld.
   2. Pas aan totdat er goed beschreven methoden zijn om de beste afstand¹¹ te stimuleren, omdat cilindrische permanente magneten met tegengestelde magnetische velden naast elkaar zijn gerangschikt.
      Opmerking: er is een sinusvormige relatie tussen de verplaatsing en het magnetische veld wanneer er een geschikte afstand is tussen de magnetische schaal en de detector. De magnetische kracht heeft een lineaire relatie met het magnetische veld. Volgens Hooke's wet, kracht heeft een lineaire relatie met stam, en de middelste golflengte verschuiving van FBG is lineair met stam toegepast op de FBG; Zo kan een sinusoïdale curve worden verkregen.
   3. Scheid de twee detectoren van elkaar voor 22,5 mm.
      Noot: (m ± 1/4) τ is gelijk aan 22,5 mm (m is een positief geheel getal, m = 2), τ is de toonhoogte van de magnetische schaal en (m ± 1/4) τ ≤ de totale lengte van de magnetische schaal, waarbij τ gelijk is aan 10.

5. evaluatie van de ontworpen verplaatsingssensor

1. Stel de afstand tussen de detector en de magnetische schaal in op 1,5 mm en bevestig de klem.
2. Sluit het APC-type connector uiteinde van de sensor aan op de ondervrager poort en start de configuratiesoftware. Stel de bemonsteringsfrequentie van de ondervrager in op 5 kHz voor een real-time opname van de golflengte van het FBG Center in de loop van de tijd. Druk op de knop om de motor te bedienen met een increment van 40 μm per keer (type F, zoals weergegeven in tabel 2). Verschillende typen vertegenwoordigen verschillende stappen. Als de motor met type F werkt, kan de motor het kleinste stap-interval en de hoogste verplaatsings nauwkeurigheid hebben.
3. Sluit het APC-type connector uiteinde van de sensor aan op de OSA-poort en start de configuratiesoftware. Een OSA en ondervrager bewaken de centrale golflengten verschuiving van FBGs. Sla de gegevens op uit de statische status kalibratie.
4. Wissel rechtsom en linksom rotatie van de motor in een dynamische toestand. Sla de gegevens op zoals hierboven.
5. Plaats de sensor op de verwarmingsplaat en voer een experiment voor temperatuur kalibratie uit. Verander de temperatuur van de verwarmingsplaat van 25 °C tot 90 °C.
6. Voer gegevensanalyse uit.
   1. Importeer de gegevens in een CSV-indeling van het experiment voor statische kalibratie in MATLAB. Gebruik de functie findpeaks om de middengolf lengte van de Fiber Bragg roosters uit te pakken. Gebruik de sinusoïdale functie van de curve fitting tool om de relatie tussen de middelste golflengte en de verplaatsing te passen, zoals weergegeven in figuur 5a. De passende rest fouten tussen de monsterpunten en de montage curve worden ook afgebeeld in Figuur 5b. De twee Fourier fitting curven tussen de middelste golflengte verschuivingen en de lineaire verplaatsing ondanks de oorspronkelijke fase zijn hier:
      
   2. Importeer de gegevens in de Verwerkingssoftware. Gebruik de curve fitting tool om de gegevens te verwerken die zijn verkregen uit een dynamische rotatie met de klok mee (voorwaartse beweging) en een linksdraaiende rotatie (achteruit beweging) van de motor (Figuur 6).
   3. Verwerken van de gegevens die zijn verkregen van het experiment voor temperatuur kalibratie zoals hierboven beschreven (Figuur 7).

Resultaten

De afstand, variërend van 1 mm tot 3 mm¹¹, tussen de magnetische schaal en de detector, stelde de detectie van de lineaire verplaatsing met een sinusoïdale functie in staat. Een afstand van 22,5 mm tussen twee detectoren stelde deze benadering in staat om detectie van de richting van de beweging van een object te realiseren met een faseverschil van 90 °. De twee detectoren werden van elkaar gescheiden voor (m ± 1/4) τ (m is een positief geheel get...

Discussie

We hebben een nieuwe methode voor willekeurige lineaire verplaatsings metingen gedemonstreerd door het combineren van een magnetische schaal en twee vezel Bragg roosters. Het belangrijkste voordeel van deze sensoren is willekeurige verplaatsing zonder beperking. De magnetische schaal die hier wordt gebruikt, genereert een periodefrequentie van het magnetische veld op 10 mm, tot ver buiten de praktische grenzen van conventionele optische vezel verdringings sensoren, zoals de verplaatsing genoemd door Lin et al.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
ASE	OPtoElectronics Technology Co., Ltd.		1525nm-1610nm
computer	Thinkpad		win10
fiber cleaver/ CT-32	Fujikura		de diameter van 125
fiber optic epoxy /DP420	henkel-loctite		Verhouding 2:1
interrogator	BISTU		monsterfrequentie:17kHz
motor driver	Zolix		PSMX25
optical circulator	Thorlab		drie poorten
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		instelbaar vermogen
single mode fiber	Corning		9/125um
Spring	tengluowujin		D3x15mm
stepper motor controller			JF24D03M