En måling med tilfældig forskydning ved at kombinere en magnetisk skala og to fiber

Summary

En protokol til at skabe en fuld-range lineær fortrængnings sensor, der kombinerer to emballerede fibre Bragg rist detektorer med en magnetisk skala, præsenteres.

Abstract

Måling af langdistance forskydning ved hjælp af optiske fibre har altid været en udfordring i både grundforskning og industriel produktion. Vi udviklede og karakteriserede en temperatur uafhængig fiber Bragg rist (FBG)-baseret tilfældig fortrængnings sensor, der vedtager en magnetisk skala som en roman overførende mekanisme. Ved at detektere forskydninger af to FBG Center bølgelængder, en fuld-range måling kan opnås med en magnetisk skala. Til identifikation af motorens og mod uret rotationsretningen af motoren (i virkeligheden retningen af bevægelsen af objektet, der skal afprøves), er en sinusformet sammenhæng mellem forskydning og midterbølge længde skift af FBG; som den anti-roterende rotation suppleanter, den midterste bølgelængde skift af den anden FBG detektor viser en førende faseforskel på omkring 90 ° (+ 90 °). I takt med at rotationen med uret skifter, viser midterbølgelængde skiftet i den anden FBG en tilbagestående faseforskel på omkring 90 ° (-90 °). Samtidig er de to FBG-baserede sensorer temperatur uafhængige. Hvis der er behov for en fjernbetjening skærm uden elektromagnetisk interferens, denne slående tilgang gør dem et nyttigt redskab til bestemmelse af tilfældige forskydning. Denne metode er velegnet til industriel produktion. Da hele systemets struktur er forholdsvis enkel, kan denne forskydnings sensor bruges i kommerciel produktion. Ud over at det er en fortrængnings sensor, kan det bruges til at måle andre parametre, såsom hastighed og acceleration.

Introduction

Optiske fiber-baserede sensorer har store fordele, såsom fleksibilitet, bølgelængde division multiplexing, Fjernovervågning, korrosionsbestandighed, og andre egenskaber. Således, den optiske fiber forskydning sensor har brede applikationer.

For at realisere målrettede lineære forskydnings målinger i komplekse miljøer, forskellige strukturer af den optiske fiber (f. eks Michelson interferometer¹, Fabry-Perot hulrum interferometer², fiber Bragg rist³, den bøjning tab⁴) er blevet udviklet i de seneste år. Bøjnings tabet kræver lyskilden i en stabil Station og er uegnet til miljø vibrationer. Qu et al. har designet en interferometrisk fiberoptisk nanoforskydnings sensorbaseret på en plastik Dual-Core fiber med den ene ende belagt med et sølv spejl; Det har en opløsning på 70 nm⁵. En simpel forskydnings sensorbaseret på en bøjet single-mode-multi mode-single-mode (SMS) fiberstruktur blev foreslået for at overvinde begrænsningerne på målingen af forskydnings området; den forøgede forskydnings følsomheden tredoblet med et interval fra 0 til 520 μm⁶. Lin et al. præsenterede et forskydnings sensor system, der kombinerer FBG sammen med en fjeder; udgangs effekten er omtrent lineær med forskydningen på 110-140 mm⁷. En fiber Fabry-Perot forskydnings sensor har et måleområde på 0-0,5 mm med en linearitet på 1,1% og en opløsning på 3 μm⁸. Zhou et al. rapporterede en langtrækkende forskydnings sensorbaseret på et fiberoptisk Fabry-Perot interferometer for subnanometer målinger, op til 0,084 nm over et dynamisk område på 3 mm⁹. En fiberoptisk forskydnings sensorbaseret på reflekterende intensitet moduleret teknologi blev demonstreret ved hjælp af en fiber kollimator; Dette havde en sensing rækkevidde over 30 cm¹⁰. Selv om optiske fibre kan fremstilles i mange typer af forskydnings sensorer, disse fiber-baserede sensorer generelt gøre brug af trækgrænse af selve materialet, som begrænser deres anvendelse i bredspektret målinger. Således kompromiser er normalt lavet mellem måleområdet og følsomhed. Desuden er det vanskeligt at bestemme forskydningen, da forskellige variabler forekommer samtidigt; især, krydsfølsomhed af stammen og temperaturen kan beskadige den eksperimentelle præcision. Der er mange diskriminations teknikker rapporteret i litteraturen, såsom at bruge to forskellige sensing strukturer, ved hjælp af en enkelt FBG halvt bundet af forskellige lim, eller ved hjælp af særlige optiske fibre. Således, den videre udvikling af optiske fiber forskydnings sensorer kræver høj følsomhed, en lille størrelse, stor stabilitet, fuld rækkevidde, og temperatur uafhængighed.

Her gør den periodiske struktur af den magnetiske skala en fuld-range måling muligt. Der opnås en tilfældig forskydning uden et begrænset måleområde med en magnetisk skala. Kombineret med to FBGs, både temperaturecross-følsomhed og identifikationen for retningen af bevægelse kunne løses. Forskellige trin inden for denne metode kræver præcision og sans for detaljer. Den protokol af sensoren fabrikation er beskrevet i detaljer som følgende.

Protocol

1. fabrikation af fibre Bragg rist

1. For at forbedre lysfølsomhed af fiber kerne, sætte en standard single-mode fiber i en brint-lastet lufttæt dåse i 1 uge.
2. Fabrikere fibrene Bragg rist ved hjælp af scanningen fase-Mask teknik og en frekvens-fordoblet, kontinuerlig bølge argon-ion laser ved en bølgelængde på 244 nm.
   1. Fokuser på den optiske fiber med en cylindrisk linse og en ultraviolet (UV) laserstråle. Aftryk af rist (periodisk modulation af brydningsindekset) i den lysfølsomme kerne ved hjælp af en fase maske (parallelt med fiber aksen) placeret foran fibrene. Den lyseffekt af laseren er formet og vinkelret på fase masken. Placer fibrene på positionen af den ± 1 orden diffracted lys for UV-eksponering.
3. Efter UV inskription, Placer de to fibre Bragg riste i en 100 °c ovn for 48 h at fjerne eventuelle resterende hydrogen, indtil reflektivitet af fiber rist reduceres med 10%, den 3 dB båndbredde reduceres med 0,1 nm, og midten bølgelængde er forskudt af 0,8 nm. Dette trin kaldes udglødning behandling. Parametrene for FBG vil ikke ændre sig efter udglødning behandling.
   Bemærk: de centrale bølgelængder af disse to FBGs er 1.555,12 nm (1 # FBG) og 1.557,29 nm (2 # FBG) med rigende længder på 5 mm.

2. klargøring af magnet skalaen og den tilsvarende klemme

1. Bestem størrelsen af den permanente magnet i henhold til det tidligere beskrevne design⁸. Beskrivelsen af den permanente magnet er vist i tabel 1.
2. Design åbningen af den magnetiske skala, hvis dimension matcher den permanente magnet, som vist i figur 1.
   1. Bekræft dimensionen af den matchende klemme og sæt en afstand på 22,5 mm mellem de to slots i klemmen. For at fjerne magnetisk felt interferens er klemmen lavet af rustfrit stål.
   2. Indstil en afstand på 10 mm af banen i magnet skalaen (τ) for at skelne bevægelsesretningen, og Indstil en afstand på 22,5 mm ((2 + 1/4) · τ) mellem de to detektorer. To detektorer kan opnå forskydnings karakteristik i henhold til følgende formler, som kan opnå sinusformede funktions variationer ved en faseforskel på 90 °, hvor x er forskydningen, f_{1 # FBG} og f_{2 #FBG} er den magnetiske kraft af de to detektorer, og B er en konstant. Strukturen af den magnetiske skala og dens matchende klemme er vist i figur 1.
      
3. Sæt permanente magneter i Klemmens åbninger, hvor magnet N/S skiftevis er arrangeret. Cylindriske permanente magneter er kun magnetiseret i den aksiale retning, og dens magnetiske vektor er 750 kA/m.

3. fremstilling af forskydnings sensoren

1. Forbered en blanding af varme-helbredelig fiberoptisk epoxy (lim) ved at tilføje 100 mg hærder (komponent A) til 200 mg harpiks (komponent B), som vist i figur 2.
2. Mål afstanden af fiber Pigtail, ca. 10 mm mellem ansigtet af fiber Pigtail og rist regionen, og derefter score det med en fin-punkt markør.
3. Brug en fiberoptik stripper til at skrælle fiber belægningen og strip den fra markørpositionen af det foregående trin.
4. Rengør overfladen af eventuelle resterende polymer med støvfri papir. Placer klingen på en højpræcisions fiber kløver vinkelret på fiberoptisk kabel og skær den.
5. Sæt en permanent magnet på kogepladen og Placer en fjeder med en længde på 15 mm over den permanente magnet.
   Bemærk: længden af foråret er det vigtigste element i den forudindlæste kraft i næste trin.
6. Lim fibrene opnået fra trin 3,3. Placer Pigtail af fiber indersiden af foråret, som vist i figur 2, og helbrede klæbemidlet (epoxy #1) i 30 min ved 150 °c.
   Bemærk: disse tre kombinerede dele kaldes 1 # P.
7. Put 1 # P i det koniske rør og bruge tape til at fastsætte den permanente magnet. som vist i figur 3. Placer klæbemidlet nøjagtigt over den permanente magnet, og kurere klæbemidlet (epoxy #2 er det samme som epoxy #1) i 30 min ved en temperatur på 150 °C. Påfør derefter den forudindlæste kraft ved hånden til fiber Bragg rist; den forspændende kraft gør det muligt for fibrene at være i en ikke-bøjelig tilstand.
   Bemærk: disse kombinerede dele kaldes FBG-detektoren. FBG-detektoren er ansvarlig for at omdanne signalet fra den magnetiske kraft til signalet fra forskydnings parametrene.
8. Fjern Klæbebåndet; produktionen af dette trin kaldes 2 # P.
9. Splice en single-mode Connector af typen APC til slutningen af 2 # P fiber ved hjælp af en fusion splicer, efter producentens anvisninger.
10. Fastgør to FBG-detektorer i Klemmens slot, og fastgør derefter klemmen til forskydnings platformen.

4. opbygning af testsystemet

1. Tænd for højhastigheds bølgelængde interrogatoren med den indbyggede optiske afbryder.
2. Tænd for den forstærkede spontane emission (ASE). Guide lyset ind i input-output fiber og udbrede den til FBG-baserede fortrængnings sensor. Derefter reflekterer refleksions spektre moduleret af sensoren det til interrogatoren via input-output fiber igen.
3. Tilslut interrogatoren til computeren med et Ethernet-kabel, baseret på UDP-protokollen.
4. Tilslut den optiske cirkulator til det optiske spektrumanalysator (OSA) med en minimum opløsning på 0,02 nm til overvågning af Bragg bølgelængde Skift.
5. Power stepper motor med 24 V.
6. Skift motorens hastighed ved at justere DIP-kontakten på stepper motor controlleren. Med den eksterne kontrol port, kan stepper motor controlleren køres i halv-trins, normal, og andre drev modes, som vist i tabel 2, og on-chip PWM chopper kredsløb tillader switch-mode kontrol af strømmen i viklinger baseret på en MCU.
7. Juster afstanden mellem de to detektorer og den magnetiske skala.
   1. Juster, indtil der er en bedre sinusformet kurve mellem forskydning og magnetfelt.
   2. Juster indtil der er velbeskrevne metoder til at stimulere den bedste afstand¹¹ , fordi cylindriske permanente magneter med modsat magnetiske felter er arrangeret støder op til hinanden.
      Bemærk: der er et sinusformet forhold mellem forskydning og magnetfelt, når der er en passende afstand mellem den magnetiske skala og detektoren. Den magnetiske kraft har et lineært forhold til magnetfeltet. Ifølge Hooke lov har Force et lineært forhold til stammen, og midterbølgelængde skiftet af FBG er lineært med belastning påført FBG; således kan en sinusformet kurve opnås.
   3. Adskil de to detektorer fra hinanden i 22,5 mm.
      Bemærk: (m ± 1/4) τ er lig med 22,5 mm (m er et positivt heltal, m = 2), τ er den magnetiske målestok og (m ± 1/4) τ ≤ den samlede længde af den magnetiske skala, hvor τ er lig med 10.

5. evaluering af den designede forskydnings sensor

1. Juster afstanden mellem detektoren og magnet skalaen til 1,5 mm, og fastgør derefter klemmen.
2. Sæt stikket til APC-typen på enden af sensoren i interrogatorporten, og start konfigurationssoftwaren. Indstil prøveudtagningsfrekvensen for interrogatoren til 5 kHz for en Real-timeregistrering af FBG Center bølgelængde ændre over tid. Tryk på knappen for at styre motoren med en forøgelse på 40 μm hver gang (type F, som vist i tabel 2). Forskellige typer repræsenterer forskellige trin. Hvis motoren virker med type F, kan motoren have det mindste trin interval og den højeste forskydnings nøjagtighed.
3. Sæt stik enden af sensoren i APC-stikket i OSA-porten, og start konfigurationssoftwaren. En OSA og interrogator overvåger de centrale bølgelængder skift af FBGs. Gem dataene fra den statiske tilstands kalibrering.
4. Alternativ rotation af motoren med urets retning og mod uret i en dynamisk tilstand. Gem dataene som ovenfor.
5. Sæt sensoren på kogepladen og Udfør et temperatur kalibrerings eksperiment. Temperaturen på kogepladen ændres fra 25 °C til 90 °C.
6. Udføre dataanalyse.
   1. Importer dataene i et. csv-format fra det statiske kalibrerings eksperiment til MATLAB. Anvend findpeaks -funktionen til at udtrække den midterste bølgelængde af fiber Bragg rist. Brug sinus funktionen fra kurve tilpasningsværktøjet til at passe til forholdet mellem midterbølgelængden og forskydningen, som vist i figur 5a. Passende restfejl mellem prøve punkterne og tilpasnings kurven er også afbildet i figur 5b. De to Fourier fitting kurver mellem midten bølgelængde forskydninger og den lineære forskydning på trods af den oprindelige fase er her:
      
   2. Importer dataene til behandlingssoftwaren. Ved hjælp af kurve tilpasningsværktøjet behandles de data, der er opnået fra en dynamisk rotation med uret (fremadrettet bevægelse) og en anti-lockwise rotation (baglæns bevægelse) af motoren (figur 6).
   3. De data, som er indhentet fra temperatur kalibrerings eksperimentet, behandles som ovenfor (fig. 7).

Representative Results

Afstanden, der spænder fra 1 mm til 3 mm¹¹mellem den magnetiske skala og detektoren, gjorde det muligt at påvise den lineære forskydning med en sinusformet funktion. En afstand på 22,5 mm mellem to detektorer gjorde det muligt for denne fremgangsmåde at opdage retningen af et objekts bevægelse med en faseforskel på 90 °. De to detektorer blev adskilt fra hinanden for (m ± 1/4) τ (m er et positivt heltal) og (m ± 1/4) τ ≤ den samlede længde af den magnetiske skala, hvor τ = 10 mm og m = 2 anvendes i det eksperiment, der er beskrevet her (figur 1). Forskydnings detektorens sammensætning og struktur er vist i figur 2. Nøglen til emballage processen er at anvende en forudindlæst kraft til FBG; Når der var en bevægelse, den magnetiske kraft mellem den magnetiske skala og detektoren ville ændre (figur 3), og aksen stress fordeling af FBG ville være ensartet som foråret strakt eller komprimeret. Målesystemet er baseret på ASE, forhør og OSA, som karakteriserer sensorens Center bølgelængde signatur (figur 4). OSA, med en minimum opløsning på 0,02 nm, var mere præcis end forhør ved måling af spektret statisk. OSA har en høj opløsning; Det er mere egnet end forhør i statiske kalibrering eksperimenter.

Resultaterne af statisk kalibrering (figur 5a) og tilsvarende restfejl (figur 5b) afslørede, at den designede detektor gør det muligt at udforske positionen for vilkårlig forskydning, når den er bedst. Til identifikation af motorens fremad-og inverse bevægelsesretning, som fremad bevægelsens alternativer, har midterbølgelængde skiftet i 2 # FBG-detektoren en førende faseforskel på ca. 90 ° (+ 90 °). Som den inverse forskydning skifter, den midterste bølgelængde skift af 2 # FBG viste sinusformede funktion variationer af en tilbagestående faseforskel på omkring 90 ° (-90 °) (figur 6). Temperatur krydsfølsomhed på den foreslåede sensor kan elimineres ved en differentialsinus funktion. Der kan opnås en positiv eller negativ ændring i fase vinklen. Retningen af forskydningen kunne nemt løses, som nævnt tidligere¹². Kort fortalt er de indsamlede data fra temperatur kalibrerings eksperimentet vist i figur 7. Det kan være kendt, at temperatur følsomheden (K_T) af begge FBG detektorer er den samme, når temperaturen interferens ikke ignoreres i dette system. Forholdet mellem forskydning og bølgelængde Skift kan udtrykkes som følger; således, temperaturkompensation er den fortjeneste af dette system.

Usikkerheden fra data tilpasningen viser, at den maksimale usikkerhed næsten er parallel med den maksimale amplitude af den sinusformede tilpasnings kurve. Der kan være en vis forbedring for at gøre usikkerheden mindre, så usikkerheden repræsenterer sensorens ejendom. Vi tog det afbalancerede punkt (5 mm, en position, hvor detektoren er modsat i polaritet til magnetisk skala) og den maksimale amplitude (2,5 mm, en position, hvor detektoren har polaritet til magnetisk skala) af 1 # FBG som et eksempel (afbildet i figur 5b ), og repeterbarheden af målingen (10 tal) er vist i figur 8. Det er klart, at det afbalancerede punkt (5 mm) var mere stabilt end den maksimale amplitude (2,5 mm), og den maksimale restfejl (7,5 PM) forekom på den maksimale amplitude (2,5 mm) af 1 # FBG. Nøjagtigheden af forskydnings målingen er 0,69 μm.

Automatisk kontrol og produktion, især til maskinovervågning i alvorlige olieforurenede forhold, har brug for optisk fiberbaseret lang forskydning. Således, den designede optiske fiber sensor kan bruges i stål og jern proces.

Figur 1: den magnetiske skala og matchende klemme. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2: forskydnings detektorens sammensætning og struktur. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3: metode til anvendt forudindlæst kraft under emballagen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: Opsætning af eksperiment for forskydnings målinger. Systemet er baseret på ASE, forhør, og OSA, som karakteriserer sensorens Center bølgelængde signatur. Dette tal er genoptrykt med tilladelse fra Zhu et al.¹¹. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5: statisk kalibrering og resterende fejl. a) forholdet mellem forskydningen og de to FBGs-bølgelængde Skift. b) den resterende fejl i tilpasnings kurven mellem de oprindelige data og den sinusformede kurve. Dette tal er genoptrykt med tilladelse fra Zhu et al.¹¹. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6: identifikation af motorens rotationsretning med uret og mod uret. Dette tal er genoptrykt med tilladelse fra Zhu et al.¹¹. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7: forholdet mellem midten bølgelængde og temperatur. Dette tal er genoptrykt med tilladelse fra Zhu et al.¹¹. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8: repeterbarhed af målingen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Navn	Parametre
Magnetisk kvalitet	N35
Magnet materiale	Ndfeb
Overflade & belægning	Nikkel
Magnetiserings retning	N/S stang på begge sider af flyet
Størrelse	D5 x 4 mm
M (magnetisering)	750 [kA/m]

Tabel 1:Beskrivelse af den permanente magnet. Denne tabel er genoptrykt med tilladelse fra Zhu et al.¹¹.

Type	Trin	Forskydning/trin (μm)
A	1.600	312
B	2.000	250
C	3.200	156
D	4.000	125
E	6.400	78
F	12.800	40

Tabel 2: Beskrivelse af Micro Step-driveren.

Discussion

Vi har demonstreret en ny metode til tilfældige lineære forskydning målinger ved at kombinere en magnetisk skala og to fiber Bragg Rister. Den største fordel ved disse sensorer er tilfældig forskydning uden begrænsning. Den magnetiske skala, der anvendes her, genererede en hyppighed af magnetfeltet ved 10 mm, langt ud over de praktiske grænser for konventionelle optiske fiber forskydnings sensorer, såsom forskydningen nævnt af Lin et al.⁷ og Li et al.⁸. Den temperaturafhængige forskydnings sensor er også velegnet til eksperimenter, der er involveret i fjernovervågning.

Den forudindlæste kraft på FBG er det kritiske trin i emballage protokollen for den FBG-baserede magnet detektor. Når fjederen er strakt eller komprimeret, opnås en ensartet akse stress fordeling af FBG. En afstand på (m ± 1/4) τ mellem to detektorer er afgørende for at sikre, at hele systemet genkender bevægelsesretningen.

Denne nye forskydnings målingsteknologi kræver reduceret modtagelighed for vibrationer. Sensorerne kan også forbedres ved at reducere deres følsomhed over for fugtigheds ændringer, som påvirkes af fjederen i detektoren. Fremtidigt arbejde kunne fokusere på udvikling af software algoritmer til at eliminere vibrationer hengivenhed. Dette forskydnings sensor system kan blive kommercielt tilgængeligt, hvis højden af den magnetiske skala kan reduceres som den kommercielle elektroniske magnetiske skala.

Denne sensor kan bruges til at måle tilfældig forskydning uden områdebegrænsning med hensyn til eksisterende metoder. Selv om protokollen her har vist sig at være effektiv som en fortrængnings sensor, kan den også bruges til at måle andre parametre, såsom hastighed og acceleration.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
ASE	OPtoElectronics Technology Co., Ltd.		1525nm-1610nm
computer	Thinkpad		win10
fiber cleaver/ CT-32	Fujikura		the diameter of 125
fiber optic epoxy /DP420	henkel-loctite		Ratio 2:1
interrogator	BISTU		sample rate:17kHz
motor driver	Zolix		PSMX25
optical circulator	Thorlab		three ports
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		adjustable power
single mode fiber	Corning		9/125um
Spring	tengluowujin		D3x15mm
stepper motor controller			JF24D03M