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Engineering

एक चुंबकीय स्केल और दो फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग के संयोजन से एक यादृच्छिक विस्थापन माप

Published: September 30, 2019 doi: 10.3791/58182
Automatic Translation
1,2, 3,4, 2,5, 3,4, 1,2
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

Summary

एक प्रोटोकॉल एक पूर्ण रेंज रैखिक विस्थापन सेंसर बनाने के लिए, एक चुंबकीय पैमाने के साथ दो पैक फाइबर Bragg grating डिटेक्टरों के संयोजन, प्रस्तुत किया है.

Abstract

ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग लंबी दूरी की विस्थापन माप हमेशा दोनों बुनियादी अनुसंधान और औद्योगिक उत्पादन में एक चुनौती रही है. हम विकसित और एक तापमान स्वतंत्र फाइबर Bragg ग्रेटिंग (FBG) आधारित यादृच्छिक विस्थापन सेंसर है कि एक उपन्यास स्थानांतरित तंत्र के रूप में एक चुंबकीय पैमाने को गोद ले विशेषता. दो FBG केंद्र तरंगदैर्ध्य की पाली का पता लगाने के द्वारा, एक पूर्ण दूरी माप एक चुंबकीय पैमाने के साथ प्राप्त किया जा सकता है. मोटर की दक्षिणावर्त और प्रतिदक्षिणावर्त घूर्णन दिशा की पहचान के लिए (वास्तव में, परीक्षण किया जा करने के लिए वस्तु के आंदोलन की दिशा), विस्थापन और FBG के केंद्र तरंगदैर्ध्य बदलाव के बीच एक sinusoidal संबंध है; के रूप में anticlockwise रोटेशन alternates, दूसरे FBG डिटेक्टर के केंद्र तरंगदैर्ध्य बदलाव के आसपास के एक अग्रणी चरण अंतर से पता चलता है 90 डिग्री (+90 डिग्री). दक्षिणावर्त रोटेशन alternates के रूप में, दूसरे FBG के केंद्र तरंगदैर्ध्य पारी लगभग 90 डिग्री (-90 डिग्री) के एक पिछड़े चरण अंतर प्रदर्शित करता है. एक ही समय में, दो FBG आधारित सेंसर तापमान स्वतंत्र हैं. यदि किसी भी विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के बिना एक दूरस्थ मॉनिटर के लिए कुछ की जरूरत है, इस हड़ताली दृष्टिकोण उन्हें यादृच्छिक विस्थापन का निर्धारण करने के लिए एक उपयोगी उपकरण बनाता है. यह पद्धति औद्योगिक उत्पादन के लिए उपयुक्त है। के रूप में पूरी प्रणाली की संरचना अपेक्षाकृत सरल है, इस विस्थापन सेंसर वाणिज्यिक उत्पादन में इस्तेमाल किया जा सकता है. यह एक विस्थापन सेंसर होने के अलावा, यह इस तरह के वेग और त्वरण के रूप में अन्य मापदंडों को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

Introduction

ऑप्टिकल फाइबर आधारित सेंसर इस तरह के लचीलापन, तरंगदैर्ध्य विभाजन multiplexing, दूरस्थ निगरानी, संक्षारण प्रतिरोध, और अन्य विशेषताओं के रूप में महान लाभ है। इस प्रकार, ऑप्टिकल फाइबर विस्थापन सेंसर व्यापक अनुप्रयोगों है.

जटिल वातावरण में लक्षित रैखिक विस्थापन माप का एहसास करने के लिए, ऑप्टिकल फाइबर के विभिन्न संरचनाओं (उदा., मिशेलसन इंटरफेरोमीटर1, फैबरी-पेरोट गुहा इंटरफेरोमीटर2, फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग3, झुकने हानि4) हाल के वर्षों में विकसित किया गया है. झुकने नुकसान एक स्थिर स्टेशन में प्रकाश स्रोत की आवश्यकता है और पर्यावरण कंपन के लिए अनुपयुक्त है. क्यू एट अल एक चांदी दर्पण के साथ लेपित एक छोर के साथ एक प्लास्टिक दोहरे कोर फाइबर पर आधारित एक interferometric फाइबर ऑप्टिक नैनोविस्थापन सेंसर डिजाइन किया है; यह 70 एनएम5का एक संकल्प है. एक तुला एकल मोड बहुमोड एकल मोड (एसएमएस) फाइबर संरचना पर आधारित एक सरल विस्थापन सेंसर विस्थापन रेंज की माप पर सीमाओं को दूर करने का प्रस्ताव किया गया था; इसने 0 से 520 डिग्री उ6तक की सीमा के साथ विस्थापन संवेदनशीलता को तीन गुना बढ़ा दिया। लिन एट अल एक विस्थापन सेंसर प्रणाली है कि एक वसंत के साथ एक साथ FBG को जोड़ती है प्रस्तुत; निर्गत शक्ति लगभग रेखीय होती है जिसमें 110-140 उउ 7 के विस्थापन होतेहैं। एक फाइबर फैबरी-पेरोट विस्थापन सेंसर की माप सीमा है 0-0.5 मिमी की एक रैखिकता के साथ 1.1% और एक संकल्प के साथ 3 डिग्री8. झोउ एट अल. एक फाइबर ऑप्टिक फैबरी-Perot interferometer के लिए subnanometer माप के लिए आधारित एक विस्तृत दूरी के विस्थापन सेंसर की सूचना दी, अप करने के लिए 0.084 एनएम की एक गतिशील रेंज पर 3 मिमी9. चिंतनशील तीव्रता संग्राहक प्रौद्योगिकी पर आधारित एक फाइबर ऑप्टिक विस्थापन सेंसर एक फाइबर कोलिमेंटर का उपयोग कर प्रदर्शन किया गया था; यह 30 सेमी10से अधिक संवेदन रेंज था . हालांकि ऑप्टिकल फाइबर विस्थापन सेंसर के कई प्रकार में निर्मित किया जा सकता है, इन फाइबर आधारित सेंसर आम तौर पर सामग्री ही है, जो व्यापक रेंज माप में उनके आवेदन को सीमित करता है की तन्य सीमा का उपयोग करें. इस प्रकार, समझौता आमतौर पर माप रेंज और संवेदनशीलता के बीच किया जाता है. इसके अलावा, विस्थापन का निर्धारण करना कठिन है क्योंकि विभिन्न चर एक साथ होते हैं; विशेष रूप से, तनाव और तापमान के पार संवेदनशीलता प्रयोगात्मक परिशुद्धता को नुकसान पहुंचा सकता है। साहित्य में कई भेदभाव तकनीकों की रिपोर्ट की गई है, जैसे दो अलग-अलग संवेदन संरचनाओं का उपयोग करना, अलग-अलग गोंदों द्वारा एक FBG आधा-बांड का उपयोग करना, या विशेष ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग करना। इस प्रकार, ऑप्टिकल फाइबर विस्थापन सेंसर के आगे विकास उच्च संवेदनशीलता, एक छोटे आकार, महान स्थिरता, पूरी रेंज, और तापमान स्वतंत्रता की आवश्यकता है.

यहाँ, चुंबकीय पैमाने की आवधिक संरचना एक पूर्ण दूरी माप संभव बनाता है. एक चुंबकीय पैमाने के साथ एक सीमित माप रेंज के बिना एक यादृच्छिक विस्थापन हासिल की है. दो FBGs के साथ संयुक्त, दोनों temperaturecross संवेदनशीलता और आंदोलन की दिशा के लिए पहचान हल किया जा सकता है. इस विधि के भीतर विभिन्न चरणों विस्तार करने के लिए सटीक और ध्यान की आवश्यकता है। सेंसर निर्माण के प्रोटोकॉल के रूप में विस्तार से निम्नलिखित के रूप में वर्णित है.

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Protocol

1. फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग का निर्माण

  1. फाइबर कोर की photosensitivity बढ़ाने के लिए, 1 सप्ताह के लिए एक हाइड्रोजन भरी हुई airtight कनस्तर में एक मानक एकल मोड फाइबर डाल दिया.
  2. फाइबर Bragg ग्रेटिंग स्कैनिंग चरण मास्क तकनीक और एक आवृत्ति डबल, 244 एनएम की तरंगदैर्ध्य पर निरंतर लहर argon आयन लेजर का उपयोग कर बनाना.
    1. एक बेलनाकार लेंस और एक पराबैंगनी (यूवी) लेजर बीम के साथ ऑप्टिकल फाइबर पर ध्यान केंद्रित. फाइबर के सामने रखे गए प्रावस्था मास्क (फाइबर अक्ष के साथ समानांतर) का उपयोग करके फोटोसंवेदी कोर में ग्रेटिंग (कालिक सूचकांक का आवधिक मॉडुलन) अंकित करें। लेजर द्वारा प्रकाश उत्पादन के आकार का है और चरण मुखौटा के लंबवत है. यूवी जोखिम के लिए $ 1 आदेश diffracted प्रकाश की स्थिति में फाइबर प्लेस.
  3. यूवी शिलालेख के बाद, किसी भी अवशिष्ट हाइड्रोजन को हटाने के लिए 48 एच के लिए एक 100 डिग्री सेल्सियस ओवन में दो फाइबर ब्रैग gratings जगह, जब तक फाइबर ग्रेटिंग की परावर्तकता 10% से कम है, 3 डीबी बैंडविड्थ 0.1 एनएम से कम है, और केंद्र तरंगदैर्ध्य 0.8 एनएम द्वारा स्थानांतरित कर दिया है। इस चरण को अनीलन प्रक्रमण कहते हैं। एफबीजी के पैरामीटर अनीलिंग प्रोसेसिंग के बाद नहीं बदलेंगे।
    नोट: इन दो FBGs के केंद्रीय तरंगदैर्ध्य हैं 1,555.12 एनएम (1 $FBG) और 1,557.29 एनएम (2 FBG) 5 मिमी की ग्रेटिंग लंबाई के साथ.

2. चुंबकीय पैमाने और मिलान दबाना की तैयारी

  1. पहले वर्णित अभिकल्प8के अनुसार स्थायी चुंबक के आकार का निर्धारण कीजिए। स्थायी चुंबक का वर्णन सारणी 1 में दर्शायागया है।
  2. चुंबकीय पैमाने के स्लॉट को डिजाइन करें, जिसका आयाम स्थायी चुंबक से मेल खाता है, जैसा कि चित्र 1में दिखाया गया है।
    1. मिलान दबाना के आयाम की पुष्टि करें और की एक दूरी निर्धारित 22.5 दबाना में दो स्लॉट के बीच मिमी. आदेश में चुंबकीय क्षेत्र हस्तक्षेप को दूर करने के लिए, दबाना स्टेनलेस स्टील से बना है.
    2. गति की दिशा को अलग करने के लिए चुंबकीय पैमाने (जेड) में पिच के 10 मिमी की दूरी निर्धारित करें, और दो डिटेक्टरों के बीच 22.5 मिमी ((2+1/4)]) की दूरी निर्धारित करें। दो डिटेक्टरों निम्नलिखित सूत्रों के अनुसार विस्थापन विशेषता प्राप्त कर सकते हैं, जो 90 डिग्री के एक चरण अंतर से sinusoidal समारोह विविधताओं को प्राप्त कर सकते हैं, जहां एक्स विस्थापन है, एफ1 FBG और एफ2 #FBG दो डिटेक्टरों के चुंबकीय बल हैं, और बी एक स्थिरांक है. चुंबकीय पैमाने की संरचना और उसके मिलान क्लैम्प चित्र 1में दिखाए गए हैं।
      Equation 1
  3. क्लैम्प के स्लॉट में स्थायी मैग्नेट रखो, चुंबकीय N/S के साथ बारी-बारी से व्यवस्था की. Cylindrical स्थायी मैग्नेट केवल अक्षीय दिशा में चुंबकित कर रहे हैं, और इसके चुंबकीय वेक्टर 750 kA/

3. विस्थापन सेंसर का निर्माण

  1. गर्मी-करयोग्य फाइबर ऑप्टिक एपॉक्सी (ग्लू) का मिश्रण 100 मिलीग्राम हार्डनर (घटक क) को 200 मिलीग्राम राल (घटक बी) में जोड़कर, जैसा कि चित्र 2 में दर्शायागया है।
  2. फाइबर pigtail की दूरी को मापने, लगभग 10 मिमी फाइबर pigtail और ग्रेटिंग क्षेत्र के अंत चेहरे के बीच, और फिर, यह एक ठीक बिंदु मार्कर के साथ स्कोर.
  3. फाइबर कोटिंग छील और पिछले कदम के मार्कर स्थिति से यह पट्टी करने के लिए एक फाइबर ऑप्टिक खाल उधेड़नेवाला का प्रयोग करें.
  4. धूल मुक्त कागज के साथ किसी भी शेष बहुलक की सतह को साफ करें। फाइबर ऑप्टिक केबल के लंबवत एक उच्च परिशुद्धता फाइबर क्लीवर के ब्लेड स्थिति और यह कटौती.
  5. गर्म थाली पर एक स्थायी चुंबक रखो और स्थायी चुंबक के ऊपर 15 मिमी की लंबाई के साथ एक वसंत जगह है.
    नोट: वसंत की लंबाई अगले चरण में preloaded बल का मुख्य तत्व है.
  6. चरण 3.3 से प्राप्त फाइबर गोंद. वसंत के अंदर फाइबर की पिगटेल रखें, जैसा कि चित्र 2में दिखाया गया है, और चिपकने वाला (एप्स्टी #1) को 150 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट के लिए ठीक करें।
    नोट: इन तीन संयुक्त भागों 1 डिग्री पीकहा जाता है।
  7. पतला पाइप में 1 $P रखो और स्थायी चुंबक को ठीक करने के लिए चिपकने वाला टेप का उपयोग करें। के रूप में चित्र 3में दिखाया गया है. स्थायी चुंबक के ठीक ऊपर चिपकने वाला रखें, और चिपकने वाला इलाज (एपॉक्सी #2 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 30 मिनट के लिए एपॉक्सी #1) के समान है। फिर, फाइबर Bragg ग्रेटिंग करने के लिए हाथ से preloaded बल लागू; pretightening बल फाइबर एक nonbending राज्य में होने की अनुमति देता है.
    नोट: इन संयुक्त भागों FBG डिटेक्टर कहा जाता है. FBG डिटेक्टर विस्थापन मानकों के संकेत में चुंबकीय बल के संकेत परिवर्तित करने के लिए जिम्मेदार है.
  8. चिपकने वाला टेप निकालें; इस चरण के उत्पादन को 2$Pकहा जाता है।
  9. निर्माता के निर्देशों का पालन करते हुए, एक संलयन splicer का उपयोग कर 2 "पी फाइबर के अंत करने के लिए एक APC-प्रकार एकल मोड कनेक्टर छिड़क।
  10. दबाना के स्लॉट में दो FBG डिटेक्टरों को ठीक करें, और फिर, विस्थापन मंच के लिए दबाना ठीक.

4. परीक्षण प्रणाली का निर्माण

  1. निर्मित ऑप्टिकल स्विच के साथ उच्च गति तरंगदैर्ध्य पूछताछ शक्ति.
  2. प्रवर्धित सहज उत्सर्जन (एएसई) को चालू करें। इनपुट-आउटपुट फाइबर में प्रकाश गाइड और यह FBG आधारित विस्थापन सेंसर करने के लिए प्रचार. फिर, प्रतिबिंब स्पेक्ट्रम सेंसर द्वारा संग्राहक यह इनपुट-आउटपुट फाइबर के माध्यम से फिर से पूछताछ करने के लिए दर्शाता है.
  3. UP प्रोटोकॉल पर आधारित एक ईथरनेट केबल के साथ कंप्यूटर के लिए प्रश्नकर्ता कनेक्ट करें।
  4. ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक (ओएसए) के लिए ऑप्टिकल परिसंचरण कनेक्ट 0.02 एनएम की एक न्यूनतम संकल्प के साथ, Bragg तरंगदैर्ध्य पारी की निगरानी के लिए.
  5. पावर थे स्टेपर मोटर विथ 24 वी.
  6. stepper मोटर नियंत्रक के डीआईपी स्विच का समायोजन करके मोटर की गति बदलें. बाहरी नियंत्रण पोर्ट के साथ, stepper मोटर नियंत्रक आधा कदम में संचालित किया जा सकता, सामान्य, और अन्य ड्राइव मोड, तालिका 2में दिखाए गए के रूप में, और पर चिप PWM हेलिकॉप्टर सर्किट एक MCU पर आधारित windings में वर्तमान के स्विच मोड नियंत्रण की अनुमति.
  7. दो डिटेक्टरों और चुंबकीय पैमाने के बीच की दूरी को समायोजित करें.
    1. समायोजित करें जब तक विस्थापन और चुंबकीय क्षेत्र के बीच एक बेहतर साइनॉइडी वक्र न हो।
    2. समायोजित करें जब तक वहाँ अच्छी तरह से निर्धारित तरीकों का सबसे अच्छा दूरी को प्रोत्साहित करने के लिए कर रहे हैं11 क्योंकि विपरीत चुंबकीय क्षेत्र के साथ बेलनाकार स्थायी मैग्नेट एक दूसरे के निकट की व्यवस्था कर रहे हैं.
      नोट: जब चुंबकीय पैमाने और डिटेक्टर के बीच एक उपयुक्त दूरी होती है तो विस्थापन और चुंबकीय क्षेत्र के बीच एक साइनॉइडी संबंध होता है। चुंबकीय बल का चुंबकीय क्षेत्र के साथ रेखीय संबंध होता है। हुक के कानून के अनुसार, बल तनाव के साथ एक रैखिक संबंध है, और FBG के केंद्र तरंगदैर्ध्य बदलाव FBG पर लागू तनाव के साथ रैखिक है; इस प्रकार, एक साइनॉइडी वक्र प्राप्त किया जा सकता है।
    3. 22.5 मिमी के लिए एक दूसरे से दो डिटेक्टरों अलग.
      नोट:(उ ] 1ध4) र् 22ण्5 उ(उ एक धनात्मक पूर्णांक, उ र् 2) के बराबर है, उ चुंबकीय पैमाने की पिच है, और(उ र् 1ध4)] चुंबकीय पैमाने की कुल लंबाई, जहाँ ज्110 के बराबर होती है।

5. डिजाइन विस्थापन सेंसर का मूल्यांकन

  1. डिटेक्टर और चुंबकीय पैमाने के बीच की दूरी को समायोजित करने के लिए हो सकता है 1.5 मिमी और, फिर, दबाना ठीक.
  2. सेंसर के APC-प्रकार कनेक्टर अंत को पूछताछकर्ता पोर्ट में प्लग करें और कॉन्फ़िगरेशन सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें. समय के साथ FBG केंद्र तरंगदैर्ध्य परिवर्तन की एक वास्तविक समय रिकॉर्डिंग के लिए 5 kHz करने के लिए प्रश्नकर्ता की नमूना आवृत्ति सेट करें. प्रत्येक बार 40 डिग्री मी की वृद्धि द्वारा मोटर को नियंत्रित करने के लिए बटन को पुश करें (F प्रकार, जैसा कि तालिका 2में दिखाया गया है). विभिन्न प्रकार के विभिन्न चरणों का प्रतिनिधित्व करते हैं। मोटर प्रकार एफ के साथ काम करता है, मोटर सबसे छोटी कदम अंतराल और उच्चतम विस्थापन सटीकता हो सकता है।
  3. APC-प्रकार कनेक्टर अंत सेंसर के OSA पोर्ट में प्लग करें और कॉन्फ़िगरेशन सॉफ़्टवेयर प्रारंभ करें। एक OSA और पूछताछकर्ता FBGs के केंद्रीय तरंगदैर्ध्य बदलाव की निगरानी. स्थिर राज्य अंशांकन से डेटा सहेजें.
  4. एक गतिशील राज्य में मोटर के दक्षिणावर्त और anticlockwise रोटेशन वैकल्पिक. ऊपर के रूप में डेटा सहेजें.
  5. गर्म थाली पर सेंसर रखो और एक तापमान अंशांकन प्रयोग का संचालन. हॉट प्लेट के तापमान को 25 डिग्री सेल्सियस से 90 डिग्री सेल्सियस में बदलें।
  6. डेटा विश्लेषण निष्पादित करें.
    1. DATA को .csv फ़ॉर्मेट में स्थिर अंशांकन प्रयोग से MATLABमें आयात करें. फाइबर Bragg ग्रेटिंग के केंद्र तरंगदैर्ध्य निकालने के लिए findpeks समारोह को रोजगार. केंद्र तरंगदैर्ध्य और विस्थापन के बीच के संबंध को फिट करने के लिए वक्र फिटिंग उपकरण से साइनसॉइडी फ़ंक्शन का उपयोग करें, जैसा कि चित्र 5कमें दर्शाया गया है। नमूना बिंदुओं और फिटिंग वक्र के बीच उपयुक्त अवशिष्ट त्रुटियों को भी चित्र 5खमें दर्शाया गया है। मूल चरण के बावजूद केंद्र तरंगदैर्ध्य पारियों और रैखिक विस्थापन के बीच दो फूरिये फिटिंग वक्र यहाँ हैं:
      Equation 2
    2. प्रसंस्करण सॉफ्टवेयर में डेटा आयात करें। वक्र फिटिंग उपकरण का उपयोग करके, गतिशील दक्षिणावर्त रोटेशन (आगे आंदोलन) और मोटर के एक प्रतिघड़ी रोटेशन (पीछे की गति) से प्राप्त डेटा को संसाधित करें (चित्र 6)।
    3. ऊपर दिए गए तापमान अंशांकन प्रयोग से प्राप्त आंकड़ों को संसाधित करें (चित्र 7) ।

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Representative Results

दूरी, से लेकर 1 मिमी करने के लिए 3 मिमी11, चुंबकीय पैमाने और डिटेक्टर के बीच एक sinusoidal समारोह के साथ रैखिक विस्थापन का पता लगाने में सक्षम. दो डिटेक्टरों के बीच 22.5 मिमी की दूरी 90 डिग्री के एक चरण अंतर के साथ एक वस्तु के आंदोलन की दिशा का पता लगाने का एहसास करने के लिए इस दृष्टिकोण सक्षम. दो डिटेक्टरों के लिए एक दूसरे से अलग किया गया(उ ] 1ध4) के लिए (उ एक सकारात्मक पूर्णांक है) और(उ ] 1/4)] - चुंबकीय पैमाने की कुल लंबाई, जहां $ 10 मिमी और उ - 2 यहाँ वर्णित प्रयोग में उपयोग किया जाता है (चित्र 1)। विस्थापन संसूचक की संरचना और संरचना चित्र 2 में दर्शायीगई है। पैकेजिंग प्रक्रिया की कुंजी FBG करने के लिए एक preloaded बल लागू करने के लिए है; जब एक आंदोलन था, चुंबकीय पैमाने और डिटेक्टर के बीच चुंबकीय बल बदल जाएगा (चित्र 3),और FBG की धुरी तनाव वितरण वसंत फैला या संकुचित के रूप में एक समान होगा. माप प्रणाली एएसई, पूछताछकर्ता, और OSA पर आधारित है, जो सेंसर के केंद्र तरंगदैर्ध्य हस्ताक्षर की विशेषता है (चित्र 4)। OSA, 0.02 एनएम की एक न्यूनतम संकल्प के साथ, जब स्थिर स्पेक्ट्रम को मापने प्रश्नकर्ता की तुलना में अधिक सटीक था. OSA एक उच्च संकल्प है; यह स्थिर अंशांकन प्रयोगों में प्रश्नकर्ता की तुलना में अधिक उपयुक्त है.

स्थैतिक अंशांकन के परिणाम (चित्र 5क) और संगत अवशिष्ट त्रुटियों (चित्र 5ख) से पता चला है कि अभिकल्पित संसूचक यादृच्छिक विस्थापन स्थिति की अन्वेषण को अपने सर्वोत्तम रूप में अनुमति देता है। मोटर के आगे और व्युत्क्रम आंदोलन दिशा की पहचान के लिए, आगे movementalternates के रूप में, केंद्र तरंगदैर्ध्य बदलाव के 2 $FBG डिटेक्टर के लगभग 90 डिग्री (+90 डिग्री) के एक अग्रणी चरण अंतर है. व्युत्क्रम विस्थापन के रूप में , 2 $FBG के केंद्र तरंगदैर्ध्य पारी के आसपास 90 डिग्री (-90 डिग्री) (चित्र 6) के एक पिछड़े चरण अंतर से sinusoidal समारोह विविधताओं प्रदर्शित किया. प्रस्तावित सेंसर पर तापमान पार संवेदनशीलता एक अंतर साइन समारोह द्वारा समाप्त किया जा सकता है. प्रावस्था कोण में एक धनात्मक या ऋणात्मक परिवर्तन प्राप्त किया जा सकता है। विस्थापन की दिशा को आसानी से हल किया जा सकता है, जैसा कि पहले12में उल्लेख किया गया था। संक्षेप में, ताप अंशांकन प्रयोग से एकत्र किए गए आंकड़ों को चित्र 7 में दर्शायागया है। यह ज्ञात हो सकता है कि एफबीजी डिटेक्टरों दोनों के तापमान संवेदनशीलता (केटी) एक ही है जब तापमान हस्तक्षेप इस प्रणाली में नजरअंदाज नहीं किया जाता है. विस्थापन और तरंगदैर्ध्य पारियों के बीच संबंध निम्नानुसार व्यक्त किए जा सकते हैं; इस प्रकार, तापमान मुआवजा इस प्रणाली की योग्यता है.
Equation 3

डेटा फिटिंग से अनिश्चितता से पता चलता है कि अधिकतम अनिश्चितता साइनॉइडी फिटिंग वक्र के अधिकतम आयाम के साथ लगभग समानांतर है। अनिश्चितता को छोटा करने के लिए कुछ सुधार हो सकता है ताकि अनिश्चितता सेंसर की संपत्ति का प्रतिनिधित्व करे। हम संतुलित बिंदु ले लिया (5 मिमी, एक स्थिति है जिसमें डिटेक्टर ध्रुवीयता में चुंबकीय पैमाने के विपरीत है) और अधिकतम आयाम (2.5 मिमी, एक स्थिति है जिसमें डिटेक्टर चुंबकीय पैमाने पर polarity है) के एक उदाहरण के रूप में 1$FBG (चित्र 5b में चित्रित) ), और माप की पुनरावृत्ति (10 गणना) चित्र 8में दिखाया गया है। यह स्पष्ट है कि संतुलित बिंदु (5 मिमी) अधिकतम आयाम (2.5 मिमी) की तुलना में अधिक स्थिर था, और अधिकतम अवशिष्ट त्रुटि (7.5 बजे) अधिकतम आयाम पर हुई (2.5 मिमी) की अधिकतम आयाम (2.5 मिमी) की 1 $FBG. विस्थापन मापन की शुद्धता 0ण्69 उ है।

Equation 4

Equation 5

Equation 6

स्वचालित नियंत्रण और उत्पादन, विशेष रूप से गंभीर तेल दूषित परिस्थितियों में मशीन की निगरानी के लिए, ऑप्टिकल फाइबर आधारित लंबे विस्थापन की जरूरत है. इस प्रकार, डिजाइन ऑप्टिकल फाइबर सेंसर इस्पात और लोहे की प्रक्रिया में इस्तेमाल किया जा सकता है.

Figure 1
चित्रा 1: चुंबकीय पैमाने और मिलान दबाना. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: विस्थापन डिटेक्टर की संरचना और संरचना। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: पैकेजिंग के दौरान लागू पहले से लोड बल की विधि। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: विस्थापन माप के लिए प्रयोग सेटअप. प्रणाली एएसई पर आधारित है, प्रश्नकर्ता, और OSA, जो सेंसर के केंद्र तरंगदैर्ध्य हस्ताक्षर की विशेषता. यह आंकड़ा झू एट अल11से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रण किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: स्थैतिक अंशांकन और अवशिष्ट त्रुटियाँ. (ं)विस्थापन तथा दो एफबीजीएस तरंगदैर्घ्य विस्थापन के बीच का संबंध। (ख)मूल डेटा और साइनॉइडी वक्र के बीच उपयुक्त वक्र अवशिष्ट त्रुटि। यह आंकड़ा झू एट अल11से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रण किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6: मोटर की दक्षिणावर्त और विपरीत दक्षिणावर्त घूर्णन दिशा की पहचान। यह आंकड़ा झू एट अल11से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रण किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7: केंद्र तरंगदैर्ध्य और तापमान के बीच संबंध। यह आंकड़ा झू एट अल11से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रण किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र 8: माप की पुनरावृत्ति। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

नाम पैरामीटर
चुंबकीय ग्रेड एन35
चुंबक सामग्री एन डी एफ ई बी
सतह और कोटिंग निकल
चुंबकीय दिशा विमान के दोनों ओर N/S ध्रुव
आकार D5 x 4 मिमी
एम (चुंबकन) 750 [kA/m]

तालिका 1:स्थायी चुंबक का विवरण. इस तालिका को झू एट अल11से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रण किया जाता है।

प्रकार चरणों विस्थापन/कदम ($m)
एक 1,600 312
बी 2,000 250
सी 3,200 156
D 4,000 125
ई 6,400 78
F 12,800 40

तालिका 2: microstep ड्राइवर का विवरण।

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Discussion

हम एक चुंबकीय पैमाने और दो फाइबर Bragg gratings के संयोजन के द्वारा यादृच्छिक रैखिक विस्थापन माप के लिए एक नई विधि का प्रदर्शन किया है. इन सेंसरों का मुख्य लाभ सीमा के बिना यादृच्छिक विस्थापन है. यहाँ प्रयुक्त चुंबकीय पैमाने पर 10 मिमी पर चुंबकीय क्षेत्र की आवर्तता उत्पन्न, अभी तक पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर विस्थापन सेंसर की व्यावहारिक सीमा से परे, जैसे लिन एट अल द्वारा वर्णित विस्थापन7 और ली एट अल8. तापमान पर निर्भर विस्थापन सेंसर भी दूरस्थ निगरानी में शामिल प्रयोगों के लिए उपयुक्त है.

FBG पर preloaded बल FBG आधारित चुंबकीय डिटेक्टर की पैकेजिंग प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम है. जब वसंत फैला या संकुचित है, FBG के एक समान अक्ष तनाव वितरण प्राप्त किया जाता है. दो डिटेक्टरों के बीच(म ] 1/4 की दूरी यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि संपूर्ण तंत्र गति की दिशा को पहचानता है।

इस नए विस्थापन माप प्रौद्योगिकी कंपन के लिए एक कम संवेदनशीलता की आवश्यकता है. सेंसर भी आर्द्रता परिवर्तन करने के लिए उनकी संवेदनशीलता को कम करने से सुधार किया जा सकता है, जो डिटेक्टर में वसंत से प्रभावित होते हैं. भविष्य के काम कंपन स्नेह को खत्म करने के लिए सॉफ्टवेयर एल्गोरिदम के विकास पर ध्यान केंद्रित कर सकता है. चुंबकीय पैमाने की पिच वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक चुंबकीय पैमाने के रूप में कम किया जा सकता है अगर इस विस्थापन सेंसर प्रणाली व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हो सकता है.

यह सेंसर मौजूदा तरीकों के संबंध में सीमा के बिना यादृच्छिक विस्थापन को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. हालांकि प्रोटोकॉल यहाँ एक विस्थापन सेंसर के रूप में प्रभावी होने के लिए सिद्ध किया गया है, यह भी इस तरह के वेग और त्वरण के रूप में अन्य मापदंडों को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

लेखक अपने उपकरणों के लिए प्रकाशिकी प्रयोगशाला धन्यवाद और विश्वविद्यालय में चांगजियांग विद्वानों और अभिनव अनुसंधान टीम और चीन के शिक्षा मंत्रालय के लिए कार्यक्रम के माध्यम से वित्तीय सहायता के लिए आभारी हैं.

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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 151 फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग पैकेज यादृच्छिक विस्थापन चुंबकीय पैमाने दिशा भेदभाव तापमान मुआवजा
एक चुंबकीय स्केल और दो फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग के संयोजन से एक यादृच्छिक विस्थापन माप
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Zhu, L., Lu, L., Zhuang, W., Zeng, Z., Dong, M. A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings. J. Vis. Exp. (151), e58182, doi:10.3791/58182 (2019).

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