En tilfeldig-forskyvning måling ved å kombinere en magnetisk skala og to fiber Bragg rister

Summary

En protokoll for å skape en full-Range lineær forskyvning sensor, som kombinerer to pakket fiber Bragg rist detektorer med en magnetisk skala, er presentert.

Abstract

Langdistanse Forskyvnings målinger ved hjelp av optiske fibre har alltid vært en utfordring i både grunnleggende forskning og industriell produksjon. Vi utviklet og preget en temperatur-uavhengig fiber Bragg rist (FBG)-basert tilfeldig-forskyvning sensor som vedtar en magnetisk skala som en roman overføring mekanisme. Ved å detektere Skift av to FBG senter bølgelengder, kan en full-Range måling fås med en magnetisk skala. For identifisering av urviseren og mot urviseren rotasjonsretning av motoren (faktisk retningen av bevegelse av objektet som skal testes), er det en sinusformet forholdet mellom forskyvning og sentrum bølgelengde forskyvning av FBG; mens den mot klokken roterer veksler, viser senter bølgelengde forskyvning av den andre FBG detektoren en ledende fase forskjell på rundt 90 ° (+ 90 °). Etter hvert som rotasjon med klokken veksler, viser midt bølgelengde forskyvning i den andre FBG en varme fase forskjell på rundt 90 ° (-90 °). Samtidig er de to FBG-baserte sensorene temperatur uavhengige. Hvis det er noen behov for en ekstern skjerm uten elektromagnetisk interferens, gjør denne slående tilnærmingen dem til et nyttig verktøy for å bestemme den tilfeldige forskyvning. Denne metodikken er hensiktsmessig for industriell produksjon. Ettersom strukturen i hele systemet er relativt enkelt, kan denne Forskyvnings sensoren brukes i kommersiell produksjon. I tillegg til at det er en Forskyvnings sensor, kan den brukes til å måle andre parametre, for eksempel hastighet og akselerasjon.

Introduction

Optiske fiber-baserte sensorer har store fordeler, som fleksibilitet, bølgelengde divisjon multipleksing, fjernovervåkning, korrosjonsmotstand og andre egenskaper. Dermed har den optiske fiber Forskyvnings sensoren brede bruksområder.

For å realisere målrettede lineær forskyvning målinger i komplekse miljøer, ulike strukturer av den optiske fiber (f. eks den Michelson interferometer¹, Fabry-Perot hulrom interferometer², fiber Bragg rist³, den bøying tap⁴) har blitt utviklet de siste årene. Bøying tap krever lyskilden i en stabil stasjon og er uegnet for miljømessige vibrasjoner. Qu et al. har designet en henvise fiberoptisk nanodisplacement sensor basert på en plast Dual-Core fiber med den ene enden belagt med en sølv speil; den har en oppløsning på 70 NM⁵. En enkel Forskyvnings sensor basert på en bøyd enkelt modus-multimode-enkelt-modus (SMS) fiberstruktur ble foreslått for å overkomme begrensningene på målingen av Forskyvnings området; den økte Forskyvnings følsomheten tredelt med et område fra 0 til 520 μm⁶. Lin et al. presentert et forskyvning sensor system som kombinerer FBG sammen med en fjær; utgangseffekten er omtrent lineær med forskyvning av 110-140 mm⁷. En fiber Fabry-Perot forskyvning sensor har et Måleområde på 0-0,5 mm med en linearitet på 1,1% og en oppløsning på 3 μm⁸. Zhou et al. rapporterte en bredt spekter forskyvning sensor basert på en fiberoptisk Fabry-Perot interferometer for subnanometer målinger, opp til 0,084 NM over et dynamisk område på 3 mm⁹. En fiberoptisk forskyvning sensor basert på reflekterende intensitet modulert teknologi ble demonstrert ved hjelp av en fiber parallelliseringsoptikk; Dette hadde en sensing rekkevidde over 30 cm¹⁰. Selv om optiske fibre kan være fabrikkert i mange typer forskyvning sensorer, disse fiber-baserte sensorer generelt gjøre bruk av strekk grensen av materialet selv, som begrenser deres anvendelse i bredt spekter målinger. Dermed er kompromisser vanligvis gjøres mellom måleområdet og følsomhet. Videre er det vanskelig å bestemme forskyvning som ulike variabler oppstår samtidig; spesielt, kan kryss-følsomhet av belastningen og temperatur skade eksperimentell presisjon. Det er mange diskriminering teknikker rapportert i litteraturen, for eksempel ved hjelp av to forskjellige sensing strukturer, ved hjelp av en enkelt FBG halv-limt av forskjellige lim, eller ved hjelp av spesielle optiske fibre. Dermed, den videre utviklingen av optiske fiber forskyvning sensorer krever høy følsomhet, en liten størrelse, stor stabilitet, full Range, og temperatur uavhengighet.

Her gjør den periodiske strukturen i den magnetiske skalaen en full-Range måling mulig. En tilfeldig forskyvning uten et begrenset Måleområde med en magnetisk skala oppnås. Kombinert med to FBGs, både temperaturecross-følsomhet og identifisering for bevegelsesretningen kan løses. Ulike trinn i denne metoden krever presisjon og oppmerksomhet på detaljer. Protokollen av sensoren fabrikasjon er beskrevet i detaljer som følger.

Protocol

1. fabrikasjon av fiber Bragg rist For å forbedre Foto av fiber kjerne, sette en standard single-modus fiber i en hydrogen-lastet lufttett beholder for 1 uke. Dikte den fiber Bragg rist ved hjelp av skanning fase-maske teknikk og en frekvens-doblet, kontinuerlig bølge Argon-ion laser i en bølgelengde på 244 NM. Fokuser på den optiske fiber med en sylindrisk linse og en ultrafiolett (UV) laserstråle. Avtrykk risten (Periodisk modulering av brytningsindeks) i den lysfølsomme kjernen ved h…

Representative Results

Avstanden, fra 1 mm til 3 mm11, mellom den magnetiske skalaen og detektoren aktivert påvisning av lineær forskyvning med en sinusformet funksjon. En avstand på 22,5 mm mellom to detektorer aktivert denne tilnærmingen for å realisere påvisning av retningen av et objekts bevegelse med en fase forskjell på 90 °. De to detektorer ble adskilt fra hverandre for (m ± 1/4) τ (m er et positivt heltall) og (m ± 1/4) τ ≤ den totale len…

Discussion

Vi har vist en ny metode for tilfeldige lineære Forskyvnings målinger ved å kombinere en magnetisk skala og to fiber Bragg-rister. Den største fordelen med disse sensorene er tilfeldig forskyvning uten begrensning. Den magnetiske skalaen som brukes her genererte en periodisitet av det magnetiske feltet på 10 mm, langt utover de praktiske grensene for konvensjonelle optiske fiber forskyvning sensorer, slik som forskyvning nevnt av lin et al.⁷ og Li et al.⁸. Den temperat…

Materials

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