Artykuł metodologiczny

Losowy pomiar przemieszczenia poprzez połączenie skali magnetycznej i dwóch światłowodowych siatek Bragga

5.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/58182

⸱

30 września 2019

 ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Przedstawiono protokół tworzenia pełnozakresowego liniowego czujnika przemieszczenia, łączącego dwa upakowane światłowodowe detektory siatki Bragga ze skalą magnetyczną.

Streszczenie

Pomiary przemieszczeń na duże odległości za pomocą światłowodów zawsze stanowiły wyzwanie zarówno w badaniach podstawowych, jak i produkcji przemysłowej. Opracowaliśmy i scharakteryzowaliśmy niezależny od temperatury czujnik losowego przemieszczenia oparty na siatce Bragga (FBG), który wykorzystuje skalę magnetyczną jako nowatorski mechanizm przenoszenia. Wykrywając przesunięcia dwóch środkowych długości fal FBG, można uzyskać pomiar w pełnym zakresie za pomocą skali magnetycznej. W celu identyfikacji kierunku obrotów silnika w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (w rzeczywistości kierunku ruchu badanego obiektu), istnieje sinusoidalna zależność między przemieszczeniem a przesunięciem długości fali środkowej FBG; gdy ruch obrotowy w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara zmienia się, przesunięcie długości fali drugiego detektora FBG pokazuje wiodącą różnicę faz wynoszącą około 90° (+90°). Gdy obrót w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara zmienia się, przesunięcie długości fali o środku drugiego FBG wykazuje opóźnioną różnicę faz wynoszącą około 90° (-90°). Jednocześnie oba czujniki oparte na FBG są niezależne od temperatury. Jeśli istnieje pewne zapotrzebowanie na zdalny monitor bez żadnych zakłóceń elektromagnetycznych, to uderzające podejście sprawia, że są one użytecznym narzędziem do określania losowego przemieszczenia. Metodologia ta jest odpowiednia dla produkcji przemysłowej. Ponieważ konstrukcja całego systemu jest stosunkowo prosta, ten czujnik przemieszczenia może być stosowany w produkcji komercyjnej. Oprócz tego, że jest czujnikiem przemieszczenia, może być używany do pomiaru innych parametrów, takich jak prędkość i przyspieszenie.

Wprowadzenie

Czujniki światłowodowe mają wielkie zalety, takie jak elastyczność, multipleksowanie z podziałem długości fali, zdalne monitorowanie, odporność na korozję i inne cechy. Dzięki temu czujnik przemieszczenia światłowodu ma szerokie zastosowanie.

Aby realizować ukierunkowane pomiary przemieszczeń liniowych w złożonych środowiskach, różne struktury światłowodu (np. interferometr Michelsona1, interferometr wnękowy Fabry'ego-Perota2, światłowodowa krata Bragga3, strata przy zginaniu4) zostały opracowane w ostatnich latach. Tłumienie przy zginaniu wymaga, aby źródło światła znajdowało się w stabilnej stacji i nie jest przystosowane do wibracji otoczenia. Qu i in. zaprojektowali interferometryczny światłowodowy czujnik nanoprzemieszczenia oparty na plastikowym dwurdzeniowym włóknie, którego jeden koniec pokryty jest srebrnym lustrem; Ma rozdzielczość 70 nm5. Zaproponowano prosty czujnik przemieszczenia oparty na wygiętej strukturze światłowodu jednomodowego, wielomodowego, jednomodowego (SMS) w celu przezwyciężenia ograniczeń w pomiarze zakresu przemieszczenia; Trzykrotnie zwiększył czułość przemieszczenia w zakresie od 0 do 520 μm6. Lin i wsp. przedstawili system czujników przemieszczenia, który łączy FBG ze sprężyną; Moc wyjściowa jest w przybliżeniu liniowa o przemieszczeniu 110-140 mm7. Światłowodowy czujnik przemieszczenia Fabry-Perot ma zakres pomiarowy 0-0,5 mm z liniowością 1,1% i rozdzielczością 3 μm8. Zhou i in. opisali szerokozakresowy czujnik przemieszczenia oparty na światłowodowym interferometrze Fabry'ego-Perota do pomiarów subnanometrowych, do 0,084 nm w zakresie dynamicznym 3 mm9. Zademonstrowano światłowodowy czujnik przemieszczenia oparty na technologii modulacji intensywności odbicia przy użyciu kolimatora światłowodowego; Miał zasięg wykrywania ponad 30 cm10. Chociaż światłowody mogą być wytwarzane w wielu rodzajach czujników przemieszczenia, te czujniki oparte na światłowodach na ogół wykorzystują granicę rozciągania samego materiału, co ogranicza ich zastosowanie w pomiarach w szerokim zakresie. W związku z tym zwykle dochodzi do kompromisów między zakresem pomiarowym a czułością. Co więcej, trudno jest określić przemieszczenie, ponieważ różne zmienne występują jednocześnie; Zwłaszcza wrażliwość krzyżowa szczepu i temperatury może zaszkodzić precyzji eksperymentu. W literaturze opisano wiele technik dyskryminacji, takich jak użycie dwóch różnych struktur detekcyjnych, użycie pojedynczego FBG połączonego w połowie różnymi klejami lub użycie specjalnych światłowodów. W związku z tym dalszy rozwój światłowodowych czujników przemieszczenia wymaga wysokiej czułości, niewielkich rozmiarów, dużej stabilności, pełnego zakresu i niezależności od temperatury.

Tutaj okresowa struktura skali magnetycznej umożliwia pomiar w pełnym zakresie. Uzyskuje się losowe przemieszczenie bez ograniczonego zakresu pomiarowego za pomocą skali magnetycznej. W połączeniu z dwoma FBG można było rozwiązać zarówno kwestię czułości krzyżowej temperatury, jak i identyfikacji kierunku ruchu. Poszczególne kroki w ramach tej metody wymagają precyzji i dbałości o szczegóły. Protokół produkcji czujnika jest szczegółowo opisany w następujący sposób.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Wykonanie światłowodowej sieci Bragga

  1. Aby zwiększyć światłoczułość rdzenia włókna, należy umieścić standardowe włókno jednomodowe w szczelnym pojemniku z załadowanym wodorem na 1 tydzień.
  2. Wykonaj światłowodową kratkę Bragga, stosując technikę skanującej maski fazowej oraz laser argonowy w trybie ciągłym z podwojeniem częstotliwości o długości fali 244 nm.
    1. Skup wiązkę lasera ultrafioletowego (UV) na włóknie optycznym za pomocą soczewki cylindrycznej. Wytraw kratkę (periodyczną modulację współczynnika załamania światła) w światłoczułym rdzeniu, używając maski fazowej (umieszczonej równolegle do osi włókna) znajdującej się przed włóknem. Wiązka światła emitowana przez laser jest kształtowana i pada prostopadle do maski fazowej. Umieść włókno w położeniu światła dyfrakcyjnego rzędu ±1 w celu naświetlania UV.
  3. Po zapisie UV umieść dwie światłowodowe kratki Bragga w piekarniku w temperaturze 100 °C na 48 h, aby usunąć pozostałości wodoru, aż do momentu, gdy odbiciowość kratki włókna spadnie o 10%, szerokość pasma 3 dB zmniejszy się o 0.1 nm, a długość fali środkowej przesunie się o 0.8 nm. Krok ten nazywa się procesem wyżarzania. Parametry FBG nie ulegną zmianie po procesie wyżarzania.
    UWAGA: Długości fal środkowych tych dwóch FBG wynoszą 1,555.12 nm (1#FBG) oraz 1,557.29 nm (2#FBG) przy długościach kratek wynoszącej 5 mm.

2. Przygotowanie skali magnetycznej i dopasowanego zacisku

  1. Wyznaczyć rozmiar magnesu trwałego zgodnie z wcześniej opisaną konstrukcją8. Opis magnesu trwałego przedstawiono w Tabeli 1.
  2. Zaprojektować gniazdo skali magnetycznej, którego wymiary odpowiadają magnesowi trwałemu, jak pokazano na Rysunku 1.
    1. Potwierdzić wymiary dopasowanego zacisku i ustawić odległość 22,5 mm między dwoma gniazdami w zacisku. Aby wyeliminować zakłócenia pola magnetycznego, zacisk wykonano ze stali nierdzewnej.
    2. Ustawić skok w skali magnetycznej (τ) na 10 mm w celu rozróżnienia kierunku ruchu oraz ustawić odległość 22,5 mm ((2+1/4)·τ) między dwoma detektorami. Za pomocą dwóch detektorów można uzyskać charakterystykę przemieszczenia zgodnie z poniższymi wzorami, co pozwala osiągnąć zmienności funkcji sinusoidalnej z różnicą faz 90°, gdzie x to przemieszczenie, F1#FBG i F2#FBG to siła magnetyczna dwóch detektorów, a B to stała. Strukturę skali magnetycznej i dopasowanego do niej zacisku pokazano na Rysunku 1.
      Równania matematyczne funkcji sinusoidalnych; istotne w badaniach analizy fal.
  3. Włożyć magnesy trwałe do gniazd zacisku, rozmieszczając bieguny N/S naprzemiennie. Cylindryczne magnesy trwałe są namagnesowane tylko w kierunku osiowym, a ich wektor namagnesowania wynosi 750 kA/m.

3. Wykonanie czujnika przemieszczeń

  1. Przygotuj mieszaninę utwardzanej na gorąco żywicy epoksydowej do światłowodów, dodając 100 mg utwardzacza (Komponent A) do 200 mg żywicy (Komponent B), zgodnie z rysunkiem na Rysunku 2.
  2. Zmierz odległość pigtaila światłowodowego, około 10 mm między czołem pigtaila a obszarem kratki, a następnie zaznacz to miejsce markerem o cienkiej końcówce.
  3. Użyj ściągacza do światłowodów, aby zdjąć powłokę światłowodu w miejscu zaznaczonym w poprzednim kroku.
  4. Oczyść powierzchnię z pozostałości polimeru za pomocą bezpyłowego papieru. Ustaw ostrze precyzyjnego przecinaka do światłowodów prostopadle do kabla światłowodowego i przetnij go.
  5. Umieść magnes trwały na płycie grzewczej i nad magnesem ustaw sprężynę o długości 15 mm.
    UWAGA: Długość sprężyny jest głównym elementem determinującym siłę wstępnego naprężenia w następnym kroku.
  6. Przyklej światłowód uzyskany w kroku 3.3. Umieść pigtail światłowodu wewnątrz sprężyny, jak pokazano na Rysunku 2, i utwardzaj klej (Epoxy #1) przez 30 min w temperaturze 150 °C.
    UWAGA: Te trzy połączone elementy nazywane są 1#P.
  7. Włóż element 1#P do stożkowej rurki i użyj taśmy klejącej, aby przymocować magnes trwały, zgodnie z Rysunkiem 3. Nałóż klej dokładnie nad magnesem trwałym i utwardzaj go (Epoxy #2 to ten sam produkt co Epoxy #1) przez 30 min w temperaturze 150 °C. Następnie ręcznie przyłóż siłę wstępnego naprężenia do światłowodowej kratki Bragga; siła wstępnego naprężenia pozwala światłowodowi pozostać w stanie niezgiętym.
    UWAGA: Te połączone elementy nazywane są detektorem FBG. Detektor FBG odpowiada za konwersję sygnału siły magnetycznej na sygnał parametrów przemieszczenia.
  8. Usuń taśmę klejącą; produkt uzyskany w tym kroku nazywa się 2#P.
  9. Zespawaj złącze jednomodowe typu APC z końcem światłowodu 2#P za pomocą spawarki światłowodowej, zgodnie z instrukcjami producenta.
  10. Zamocuj dwa detektory FBG w szczelinie zacisku, a następnie przymocuj zacisk do platformy przemieszczenia.

4. Budowa układu testowego

  1. Włącz szybki interrogator długości fali za pomocą wbudowanego przełącznika optycznego.
  2. Włącz wzmocnioną emisję spontaniczną (ASE). Poprowadź światło do włókna wejściowo-wyjściowego i skieruj je do czujnika przemieszczenia opartego na FBG. Następnie widma refleksyjne modulowane przez czujnik są odbijane z powrotem do interrogatora za pomocą włókna wejściowo-wyjściowego.
  3. Połącz interrogator z komputerem za pomocą kabla ethernet, korzystając z protokołu UDP.
  4. Podłącz cyrkulator optyczny do analizatora widma optycznego (OSA) o rozdzielczości minimum 0,02 nm w celu monitorowania przesunięcia długości fali Bragga.
  5. Zasil silnik krokowy napięciem 24 V.
  6. Zmień prędkość silnika, regulując przełącznik DIP kontrolera silnika krokowego. Za pomocą zewnętrznego portu sterowania kontroler silnika krokowego może być prowadzony w trybie półkroku, normalnym oraz innych trybach sterowania, jak pokazano w Table 2, a zintegrowane układy siekaczy PWM umożliwiają sterowanie prądem w uzwojeniach w trybie przełączania na podstawie MCU.
  7. Dostosuj odległość między dwoma detektorami a skalą magnetyczną.
    1. Reguluj do momentu uzyskania lepszej krzywej sinusoidalnej zależności między przemieszczeniem a polem magnetycznym.
    2. Reguluj zgodnie z opisanymi metodami stymulowania optymalnej odległości11, ponieważ cylindryczne magnesy trwałe o przeciwnych polach magnetycznych są rozmieszczone obok siebie.
      UWAGA: Między przemieszczeniem a polem magnetycznym występuje zależność sinusoidalna, gdy zachowana jest odpowiednia odległość między skalą magnetyczną a detektorem. Siła magnetyczna jest liniowo zależna od pola magnetycznego. Zgodnie z prawem Hooke'a siła jest liniowo zależna od odkształcenia, a przesunięcie długości fali centralnej FBG jest liniowo zależne od odkształcenia przyłożonego do FBG; w ten sposób można uzyskać krzywą sinusoidalną.
    3. Rozsuń dwa detektory od siebie na odległość 22,5 mm.
      UWAGA: (m ± 1/4)τ wynosi 22,5 mm (m jest liczbą całkowitą dodatnią, m = 2), τ to skok skali magnetycznej, a (m ± 1/4)τ ≤ całkowita długość skali magnetycznej, gdzie τ wynosi 10.

5. Ocena zaprojektowanego czujnika przemieszczeń

  1. Ustaw odległość między detektorem a skalą magnetyczną na 1,5 mm, a następnie zaciśnij zacisk.
  2. Wprowadź końcówkę czujnika z konektorem typu APC do portu interogatora i uruchom oprogramowanie konfiguracyjne. Ustaw częstotliwość próbkowania interogatora na 5 kHz w celu rejestracji w czasie rzeczywistym zmian długości fali środkowej FBG w czasie. Naciskaj przycisk, aby sterować silnikiem w przyrostach 40 μm za każdym razem (typ F, jak pokazano w Tabeli 2). Różne typy reprezentują różne kroki. Jeśli silnik pracuje w typie F, może on mieć najmniejszy interwał kroku i najwyższą dokładność przemieszczenia.
  3. Wprowadź końcówkę czujnika z konektorem typu APC do portu OSA i uruchom oprogramowanie konfiguracyjne. OSA i interogator monitorują przesunięcie długości fal centralnych FBG. Zapisz dane z kalibracji w stanie statycznym.
  4. Zmieniaj naprzemiennie obrót silnika zgodnie i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w stanie dynamicznym. Zapisz dane w sposób opisany powyżej.
  5. Umieść czujnik na płytce grzejnej i przeprowadź eksperyment kalibracji temperatury. Zmieniaj temperaturę płytki grzejnej z 25 °C do 90 °C.
  6. Przeprowadź analizę danych.
    1. Zaimportuj dane w formacie .csv z eksperymentu kalibracji statycznej do programu MATLAB. Wykorzystaj funkcję findpeaks, aby wyekstrahować długość fali środkowej światłowodowej kratki Bragga. Użyj funkcji sinusoidalnej z narzędzia curve fitting tool, aby dopasować zależność między długością fali środkowej a przemieszczeniem, jak pokazano na Rysunku 5a. Błędy rezydualne dopasowania między punktami próbek a krzywą dopasowania przedstawiono również na Rysunku 5b. Poniżej znajdują się dwie krzywe dopasowania Fouriera między przesunięciami długości fali środkowej a przemieszczeniem liniowym, z uwzględnieniem fazy początkowej:
      Równania równowagi statycznej; wzory λ1, λ2 z funkcjami sinus i cosinus; schemat analizy matematycznej.
    2. Zaimportuj dane do oprogramowania przetwarzającego. Używając narzędzia do dopasowywania krzywych, przetwórz dane uzyskane z dynamicznego obrotu silnika zgodnie z ruchem wskazówek zegara (ruch do przodu) oraz przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (ruch wstecz) (Rysunek 6).
    3. Przetwórz dane uzyskane z eksperymentu kalibracji temperatury w sposób opisany powyżej (Rysunek 7).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Odległość między skalą magnetyczną a detektorem, wynosząca od 1 mm do 3 mm11, umożliwiła wykrywanie przesunięcia liniowego za pomocą funkcji sinusoidalnej. Odległość 22,5 mm między dwoma detektorami pozwoliła na zastosowanie tego podejścia do wykrywania kierunku ruchu obiektu z różnicą faz o 90°. Dwa detektory były od siebie oddalone o (m ± 1/4)τ (m jest liczbą całkowitą dodatnią), przy czym (m ± 1/4)τ ≤ całkowitej długości skali magnetyc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Zademonstrowaliśmy nową metodę losowych pomiarów przemieszczeń liniowych poprzez połączenie skali magnetycznej i dwóch światłowodowych siatek Bragga. Główną zaletą tych czujników jest losowe przemieszczenie bez ograniczeń. Zastosowana tutaj skala magnetyczna generowała okresowość pola magnetycznego na poziomie 10 mm, znacznie wykraczającą poza praktyczne granice konwencjonalnych światłowodowych czujników przemieszczenia, takich jak przemieszczenie wspomniane przez Lina i wsp.7 oraz Li i

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują Laboratorium Optyki za sprzęt i są wdzięczni za wsparcie finansowe za pośrednictwem Programu dla Naukowców Changjiang i Innowacyjnego Zespołu Badawczego na Uniwersytecie oraz Ministerstwa Edukacji Chin.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ASEOPtoElectronics Technology Co., Sp. z o.o.Komputer 1525nm-1610nm
Tasak światłowodowy Thinkpadwin10
/ CT-32Fujikura średnica125
światłowodowej żywicy epoksydowej / DP420interrogator henkel-loctiteStosunek 2: 1
CzęstotliwośćBISTU17 kHz
ZolixPSMX25
TrzyportowaThorlab
Thorlab50:50
/ OSAFujikuraAQ6370D
magnes trwałyShanghai Sichi Magnetic Industry Co., Ltd.Rura
w kształcie tworzywa sztucznegoTopphotonics
źródło zasilaniaRIGOLregulowana moc
światłowód jednomodowyCorning9 / 125um
SprężynatengluowujinD3x15mm
sterownikJF24D03M
próbkowania : sterownik silnika Cyrkulator optyczny para optyczna Analizator widma optycznego D5x4mm silnika krokowego

Bibliografia

  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).
  2. Milewska, D., Karpienko, K., Jędrzejewska-Szczerska, M. Application of thin diamond films in low-coherence fiber-optic Fabry Pérot displacement sensor. Diamond and Related Materials. 64, 169-176 (2016).
  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Czujnik wiat owodowykompensacja temperaturytechnika maski fazowejdetekcja przesuni cia d ugo ci falisensoryka przemys owaplatforma do mikroprzemieszczeanalizator widma optycznego

Powiązane artykuły