Losowy pomiar przemieszczenia poprzez połączenie skali magnetycznej i dwóch światłowodowych siatek Bragga
30 września 2019
Przedstawiono protokół tworzenia pełnozakresowego liniowego czujnika przemieszczenia, łączącego dwa upakowane światłowodowe detektory siatki Bragga ze skalą magnetyczną.
Sprostaliśmy wyzwaniu, jakim są pomiary przemieszczeń na duże odległości. A więc twoje światłowody. Technika może być wykorzystywana zarówno w badaniach podstawowych, jak i w produkcji przemysłowej.
Przy odpowiedniej konfiguracji można zmierzyć przemieszczenie. Inne mierzone światłowodem. Ta metodologia jest odpowiednia do stosowania w warunkach przemysłowych.
Użytkownik musi tylko pociągnąć wagę magnetyczną na poręczy. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat obszaru badań nad zmysłami światłowodowymi. Może być używany do pomiaru innych parametrów, takich jak prędkość i przyspieszenie.
Utwórz siatki Bragga Fiber za pomocą techniki skanowania maski fazowej. W tym celu należy użyć światłowodów jednomodowych, które przez tydzień znajdowały się w hermetycznym pojemniku załadowanym wodorem. Technika maski fazowej polega na skupieniu wiązki laserowej przez maskę fazową na światłowodzie w celu wytworzenia okresowej modulacji jego współczynnika załamania światła.
Po połączeniu dwóch włókien umieść je w piekarniku o temperaturze 100 stopni Celsjusza na 48 godzin, aby usunąć resztki wodoru. Odzyskane parametry krat włóknistych nie będą się już zmieniać po etapie wyżarzania. Zrealizuj projekt skali magnetycznej za pomocą odpowiednich magnesów.
Waga posiada szczeliny do przytrzymywania zestawu cylindrycznych magnesów na całej jej długości. Północny i południowy biegun magnesów trwałych naprzemiennie przebiegają wzdłuż skali z podziałką 10 milimetrów. Magnesy w badaniu mają średnicę 5 milimetrów i namagnesowanie 750 kiloamperów na metr.
2 detektory ustawione w stałej odległości od siebie będą odczuwać różne siły, gdy poruszają się po skali. Wybierz separację tak, aby siły miały różnicę faz 90 stopni. W takim przypadku utwórz zacisk ze stali nierdzewnej, aby utrzymać dwa detektory w odległości 22,5 milimetra od siebie.
Aby wyprodukować czujnik, zacznij od przygotowania utwardzanej termicznie żywicy epoksydowej światłowodowej. Gdy żywica epoksydowa będzie gotowa, zaopatrz się w jedną z dwóch krat Fiber Bragg. Umieść linijkę wzdłuż włókna.
Zaczynając od punktu tuż za kratą, zmierz około 10 milimetrów wzdłuż włókna i umieść tam znak. Ściągacz izolacji światłowodowej, usuń powłokę z zaznaczonego miejsca z dala od kraty. Oczyść powierzchnię z pozostałego polimeru papierem nasączonym alkoholem i bezpyłowym.
Po zakończeniu przenieś włókno do precyzyjnego obcinacza do włókien, aby rozciąć odizolowany obszar. Następnie skonfiguruj inne elementy czujnika. Umieść magnes trwały na gorącej płycie w temperaturze 150 stopni Celsjusza, a następnie umieść 15-milimetrową sprężynę na magnesie.
Wewnątrz sprężyny epoksydowej kratę z przygotowanego włókna do magnesu. Pozostaw żywicę epoksydową do utwardzenia w temperaturze 150 stopni Celsjusza przez 30 minut. Aby kontynuować, zdobądź zespół kraty sprężyny magnetycznej.
Ponadto mają stożkową i gwintowaną rurkę, która może przechodzić przez zespół. Umieść zespół wewnątrz stożkowej rury. Popchnij magnes, aby ścisnąć sprężynę.
Użyj taśmy klejącej, aby zamocować magnes na miejscu. Następnie włóż stożkową rurę wydechową na otwartym końcu rury. Po umieszczeniu na miejscu weź światłowód z żywicą epoksydową na końcu i włóż go do rury wydechowej, aby połączyć się z włóknem wewnętrznym.
Nałożony klej utwardzamy na gorącej płycie w temperaturze 150 stopni Celsjusza. Włókno powinno być ustawione równolegle do powierzchni płyty grzejnej. Po 30 minutach wyjmij zestaw z płyty grzejnej.
Następnie usuń taśmę, aby sprężyna mogła przyłożyć siłę, aby napiąć włókno. Spaw fuzyjny i złącze jednomodowe typu APC do końca światłowodu wychodzącego z rury. Jest to jeden z dwóch detektorów po spawaniu złącza.
Jest gotowy do użycia w systemie. Gdy detektory zostały wykonane z obu włókien, przymocuj je do szczeliny zacisku za pomocą. Zabierz zacisk z detektorami do systemu testowego.
Głównymi elementami systemu jest platforma mikroprzemieszczeniowa, która jest równoległa do skali magnetycznej. Interrogator długości fal o dużej prędkości z wbudowaną wzmocnioną emisją spontaniczną i jest źródłem zasilania oraz optycznym analizatorem widma o rozdzielczości co najmniej 200 nanometrów. Zamontuj zacisk z detektorami do platformy mikroprzemieszczenia.
Wyreguluj wysokość czujek nad skalą magnetyczną i zamocuj zacisk. Ten schemat przedstawia przegląd systemu testującego po podłączeniu detektorów. Wyjście interrogatora trafia do pierwszego portu cyrkulatora trzyportowego.
Stamtąd światło trafia do detektorów. Widma odbite od detektorów przechodzą przez kubek, a następnie do drugiego portu cyrkulatora. Wyjście z cyrkulatora jest wprowadzane do optycznego analizatora widma.
Użyj obwodu regulatora położenia, aby sterować silnikiem krokowym platformy z mikroprzemieszczeniem. Podłącz ten kontroler i interrogator do komputera. Umieść detektory w różnych pozycjach na skali, aby zmieniać siłę działającą na włókna.
Gdy detektory znajdują się na odpowiedniej wysokości nad skalą, istnieje sinusoidalna zależność między przemieszczeniem wzdłuż skali a przesunięciami długości fal środkowych z powodu naprężeń włókien mierzonych w warunkach statycznych. Zamocuj detektory na wysokości, która wytwarza sinusoidę i ustaw parametr dla pomiarów dynamicznych. Zmierz przesunięcia długości fali, używając silnika krokowego, aby przesunąć detektory w jednym kierunku na odległość przed ich zatrzymaniem.
Następnie kontynuuj pomiary, przesuwając detektory w przeciwnym kierunku. Następnie wykonaj kalibrację temperatury czujników. Utrzymuj czujniki podłączone do przyrządów, ale wyjmij je z clamp.
Następnie umieść czujniki na płycie grzejnej. Zmierz ich centralną zmianę długości fali w temperaturach od 25 do 90 stopni Celsjusza. Statyczne pomiary kalibracyjne prezentowanego układu detektora ujawniły zależność między przemieszczeniem a przesunięciem długości fali dwóch siatek Bragga.
Przesunięcia długości fal wynoszą około pół nanometra. Błędy szczątkowe są mniejsze niż 10 pikometrów. Wykres ten pokazuje zdolność detektorów do identyfikowania ruchu do przodu i do tyłu.
Początkowo przy ruchu do przodu środkowa długość fali siatki nr 2 prowadzi długość fali siatki nr 1 o fazę 90 stopni. Następnie ruch zatrzymuje się i cofa. Teraz środkowa długość fali siatki numer 2 jest opóźniona w stosunku do siatki numer 1 o 90 stopni.
Dane te reprezentują wiele pomiarów wykonanych, gdy siatka detektora numer 1 jest ustawiona tak, aby jej biegunowość i biegunowość skali magnetycznej były takie same, a pomiary wykonano, gdy biegunowość jest przeciwna. W ciągu dziesięciu pomiarów te, w których detektor i skala mają tę samą polaryzację, są bardziej stabilne. Oto zmierzona długość fali w funkcji temperatury dla dwóch detektorów.
Gdy weźmie się pod uwagę zakłócenia temperatury, czułość temperaturowa czujników jest taka sama. Co pozwala na kompensację temperatury. Ładowano siłę i podawano temperaturę.
Ściskanie sprężyny za pomocą magnesu jest niezbędne do osiągnięcia sukcesu w tej technice. Ta technika może być użytecznym narzędziem wykorzystującym siłę magnetyczną. Ponieważ będzie wykrywać okresowe zmiany siły magnetycznej bezpośrednio.
Który następnie przekształca się w przemieszczenie.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia opracowanie i charakterystykę niezależnego od temperatury czujnika przemieszczeń losowych opartego na światłowodowych sieciach Bragga (FBG), wykorzystującego skalę magnetyczną jako nowatorski mechanizm przenoszenia. Czujnik ten umożliwia precyzyjne pomiary przemieszczeń na dużych odległościach i jest odpowiedni zarówno do badań podstawowych, jak i zastosowań przemysłowych. Poprzez detekcję przesunięć długości fal centralnych dwóch sieci FBG, system zapewnia pomiary przemieszczeń w pełnym zakresie i pozwala na określenie kierunku ruchu, pozostając jednocześnie odpornym na wahania temperatury.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Światłowodowe czujniki
- Pomiar przemieszczenia
- Inżynieria czujników
Wprowadzenie
- Pomiar przemieszczeń na dużych odległościach jest trudny w przypadku światłowodów ze względu na ograniczenia środowiskowe i techniczne.
- Wahania temperatury mogą zakłócać dokładne odczyty przemieszczeń w czujnikach opartych na światłowodach.
- Włókna Bragga (FBGs) są czułe na odkształcenia i temperaturę, co czyni je użytecznymi w zastosowaniach sensorycznych.
- Skale magnetyczne oferują nowatorski mechanizm przekazywania informacji o przemieszczeniu do czujników optycznych.
Cel badania
- Opracowanie czujnika przemieszczenia niezależnego od wahań temperatury.
- Wykorzystanie skali magnetycznej do przenoszenia przemieszczenia na FBGs.
- Umożliwienie dokładnych, zdalnych i wolnych od zakłóceń pomiarów przemieszczenia, odpowiednich do zastosowań w środowiskach przemysłowych.
Zastosowane metody
- Wytwarzanie FBG metodą skanowania maski fazowej na jednomodowych światłowodach nasyconych wodorem.
- Wyżarzanie zapisanych światłowodów w temperaturze 100°C przez 48 godzin w celu stabilizacji parametrów sieci.
- Montaż skali magnetycznej z magnesami o naprzemiennych biegunach północnym i południowym w odstępach 10 mm.
- Zamocowanie dwóch detektorów opartych na FBG w odległości 22,5 mm w zacisku ze stali nierdzewnej w celu uzyskania 90° różnicy faz w odpowiedzi.
- Integracja systemu czujników z platformą mikroprzemieszczeń, szybkim interrogatorem długości fali oraz analizatorem widma optycznego.
- Kalibracja i testowanie przy statycznych i dynamicznych przemieszczeniach, a także przy zmianach temperatury w zakresie od 25°C do 90°C.
Główne wyniki
- Czujnik wykazuje sinusoidalową zależność między przemieszczeniem a przesunięciem długości fali środkowej FBG.
- Kierunek ruchu jest określany przez różnicę faz między dwoma FBG: +90° dla obrotu przeciwnego do ruchu wskazówek zegara i -90° dla obrotu zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
- System wykazuje niezależność od temperatury, przy czym oba FBG wykazują podobną czułość temperaturową, co umożliwia kompensację.
- Pozostałe błędy pomiarowe są mniejsze niż 10 picometrów, a system pozostaje stabilny w wielu pomiarach.
Wnioski
- Czujnik przemieszczenia oparty na FBG z skalą magnetyczną zapewnia dokładne pomiary przemieszczenia, niezależne od temperatury.
- Zastosowane podejście jest odpowiednie do zdalnego monitorowania w środowiskach z zakłóceniami elektromagnetycznymi.
- Prosta konstrukcja i niezawodna praca sprawiają, że czujnik nadaje się do produkcji komercyjnej i przemysłowej, z potencjałem do pomiaru prędkości oraz przyspieszenia.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niezawodny pomiar przemieszczenia ma krytyczne znaczenie w środowiskach B&R biofarmaceutycznych, które wymagają precyzyjnego, wolnego od zakłóceń monitorowania ruchu urządzeń lub procesów. Integracja światłowodowych sieci Bragga (FBGs) ze skalą magnetyczną umożliwia niezależny od temperatury, wysokoprecyzyjny pomiar przemieszczenia, odpowiedni do zastosowań zdalnych i przemysłowych. Możliwość ta wspiera solidną analitykę procesową oraz walidację urządzeń w środowiskach wrażliwych na zakłócenia elektromagnetyczne.
Strategiczne zastosowania w badaniach biofarmaceutycznych&D
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia precyzyjne monitorowanie ruchu instrumentu lub platformy podczas wrażliwych procedur eksperymentalnych.
- Wspiera walidację systemów zautomatyzowanych lub zdalnie sterowanych, w których kluczowa jest dokładność przemieszczenia.
- Zmniejsza niejednoznaczność w ocenie wydajności systemu mechanicznego, zwiększając pewność predykcyjną w konfiguracjach eksperymentalnych.
Przesiewy i opracowanie testów
- Umożliwia powtarzalne pozycjonowanie komponentów testowych lub manipulatorów robotycznych w środowiskach wysokoprzepustowych.
- Dostarcza ilościowych danych o przesunięciu do kalibracji i standaryzacji platform przesiewowych.
- Umożliwia niezawodną integrację z zautomatyzowanymi procesami roboczymi wymagającymi stabilnego wykrywania bez zakłóceń.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wspiera ciągłość translacyjną poprzez zapewnienie precyzji mechanicznej w systemach modeli przedklinicznych.
- Umożliwia podejmowanie decyzji o postępie badań w oparciu o analizę ryzyka, dostarczając zwalidowane dane dotyczące przemieszczenia, niezależne od temperatury.
- Poprawia predykcyjną redukcję ryzyka w badaniach translacyjnych zależnych od sprzętu.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ten czujnik skali magnetycznej FBG wpisuje się w kontinuum od fazy odkrywczej do przedklinicznej wszędzie tam, gdzie wymagany jest precyzyjny, zdalny i odporny na zakłócenia pomiar przemieszczenia.
- Biologia odkrywcza: Zapewnia dokładne śledzenie ruchu w eksperymentach opartych na hipotezach z wykorzystaniem układów mechanicznych.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki przemieszczenia do kalibracji platform analitycznych.
- Analityka: Zapewnia odczyty o wysokiej rozdzielczości z kompensacją temperatury do analizy porównawczej warunków mechanicznych.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość precyzji mechanicznej od etapu odkryć po walidację przedkliniczną.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną, wielokrotnego użytku funkcję detekcji dla różnorodnych środowisk badawczo-rozwojowych (R&D) oraz produkcyjnych.
Wpływ operacyjny i organizacyjny
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w procesach zależnych od sprzętu.
- Wartość operacyjna: Zapewnia ustandaryzowany, powtarzalny i skalowalny pomiar przemieszczenia, odporny na zakłócenia elektromagnetyczne.
- Wartość strategiczna: Wspiera lepsze podejmowanie decyzji typu go/no-go oraz efektywność kapitałową poprzez zapewnienie solidnej analityki procesowej.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój programów B&R wymagających intensywnego wykorzystania aparatury.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu wykonania i kalibracji światłowodowych czujników optycznych.
- Niezbędny jest dostęp do interrogatorów długości fali oraz analizatorów widma optycznego w celu akwizycji danych.
- Wymagana jest standaryzacja międzyzespołowa w celu integracji z zautomatyzowanymi systemami monitorowania lub systemami zdalnymi.
- Może być konieczna adaptacja do różnych platform mechanicznych lub zakresów przemieszczeń.
- Kalibracja temperaturowa i wyrównanie mechaniczne są kluczowe dla uzyskania optymalnych wyników.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:47
Fabrication of the Fiber Bragg Grating
1:27
Preparation of the Magnetic Scale and the Matching Clamp
2:13
Fabrication of the Displacement Sensor
4:22
The Testing System and Evaluation of the Displacement Sensor
6:29
Results: Demonstration of Dynamic Measurements, Repeatability, and Thermal Behavior of a Sensor with Two Fiber Bragg Gratings and a Magnetic Scale
7:47
Conclusion
