Uma medida do aleatório-deslocamento combinando uma escala magnética e dois gratings do Bragg da fibra

Summary

Um protocolo para criar um sensor de deslocamento linear de gama completa, combinando dois detectores de grade de Bragg de fibra empacotada com uma escala magnética, é apresentado.

Abstract

Medições de deslocamento de longa distância usando fibras ópticas sempre foram um desafio tanto na pesquisa básica quanto na produção industrial. Nós desenvolvemos e caracterizamos uma temperatura-independente de fibra Bragg ralar (FBG)-baseado sensor de deslocamento aleatório que adota uma escala magnética como um novo mecanismo de transferência. Detectando deslocamentos de dois comprimentos de onda Center de FBG, uma medida Full-Range pode ser obtida com uma escala magnética. Para a identificação da direção de rotação no sentido horário e anti-horário do motor (na verdade, a direção do movimento do objeto a ser testado), há uma relação sinusoidal entre o deslocamento e o deslocamento de comprimento de onda central da FBG; como a rotação no sentido anti-horário alterna, o deslocamento Center do comprimento de onda do segundo detetor de FBG mostra uma diferença principal da fase de ao redor 90 ° (+ 90 °). Como a rotação no sentido horário alterna, o deslocamento Center do comprimento de onda do segundo FBG indica uma diferença da fase de retardamento de ao redor 90 ° (-90 °). Ao mesmo tempo, os dois sensores baseados em FBG são independentes de temperatura. Se há alguma necessidade para um monitor remoto sem nenhuma interferência eletromagnética, esta aproximação impressionante fá-los uma ferramenta útil para determinar o deslocamento aleatório. Esta metodologia é apropriada para a produção industrial. Como a estrutura de todo o sistema é relativamente simples, este sensor de deslocamento pode ser usado na produção comercial. Além de ser um sensor de deslocamento, ele pode ser usado para medir outros parâmetros, como velocidade e aceleração.

Introduction

Os sensores à base de fibra óptica têm grandes vantagens, tais como flexibilidade, multiplexação de divisão de comprimento de onda, monitorização remota, resistência à corrosão e outras características. Assim, o sensor de deslocamento de fibra óptica tem amplas aplicações.

Para realizar medições de deslocamento linear direcionadas em ambientes complexos, várias estruturas da fibra óptica (por exemplo, o interferômetro Michelson¹, o interferômetro de cavidade Fabry-Perot², a fibra Bragg grating³, o perda de flexão⁴) foram desenvolvidos nos últimos anos. A perda de dobra exige a fonte luminosa em uma estação estável e é inadequada para a vibração ambiental. Qu et al. projetaram um sensor de nanodeslocamento de fibra óptica interferométrico baseado em uma fibra plástica dual-core com uma extremidade revestida com um espelho de prata; Ele tem uma resolução de 70 nm⁵. Um sensor de deslocamento simples baseado em uma estrutura de fibra Single-Mode-multimodo-Single-Mode (SMS) dobrada foi proposto para superar as limitações na mensuração da faixa de deslocamento; aumentou a sensibilidade do deslocamento tríplice com uma escala de 0 a 520 μm⁶. Lin et al. apresentaram um sistema de sensor de deslocamento que combina a FBG juntamente com uma mola; o poder da saída é aproximadamente linear com o deslocamento de 110-140 milímetros⁷. Um sensor de deslocamento de fibra Fabry-Perot tem uma faixa de medição de 0-0,5 mm com uma linearidade de 1,1% e uma resolução de 3 μm⁸. Zhou et al. relataram um sensor de deslocamento de largo alcance baseado em um interferômetro de Fabry-Perot de fibra óptica para medições de subnanômetro, até 0, 84 nm em uma faixa dinâmica de 3 mm⁹. Um sensor de deslocamento de fibra óptica baseado na tecnologia modulada de intensidade reflexiva foi demonstrado usando um colimador de fibra; Isto teve uma escala de detecção sobre 30 cm¹⁰. Embora as fibras ópticas possam ser fabricadas em muitos tipos de sensores de deslocamento, esses sensores baseados em fibra geralmente fazem uso do limite de tração do próprio material, o que limita sua aplicação em medições de grande alcance. Assim, os comprometos são geralmente feitos entre a faixa de medição e a sensibilidade. Além disso, é difícil determinar o deslocamento à medida que várias variáveis ocorrem simultaneamente; especialmente, a sensibilidade cruzada da deformação e da temperatura pode danificar a precisão experimental. Há muitas técnicas de discriminação relatadas na literatura, como a utilização de duas estruturas de sensoriamento diferentes, utilizando uma única FBG parcialmente ligada por diferentes colas, ou usando fibras ópticas especiais. Assim, o desenvolvimento adicional de sensores de deslocamento de fibra óptica requer alta sensibilidade, um tamanho pequeno, grande estabilidade, gama completa, e independência de temperatura.

Aqui, a estrutura periódica da escala magnética faz uma medida Full-Range possível. Um deslocamento aleatório sem uma escala limitada da medida com uma escala magnética é conseguido. Combinado com dois FBGs, a temperaturecross-sensibilidade e a identificação para o sentido do movimento podiam ser resolvidas. Várias etapas dentro deste método exigem precisão e atenção aos detalhes. O protocolo da fabricação do sensor é descrito em detalhe como seguindo.

Protocol

1. fabricação do grating da fibra Bragg

1. Para realçar a fotossensibilidade do núcleo da fibra, põr uma fibra do único-modo padrão em uma vasilha hermética hidrogênio-carregada por 1 semana.
2. Fabricar o grating da fibra Bragg usando a técnica da fase-máscara da exploração e um laser freqüência-dobrado, contínuo do argônio-íon da onda em um comprimento de onda de 244 nanômetro.
   1. Concentre-se na fibra óptica com uma lente cilíndrica e um raio laser ultravioleta (UV). Imprima a grade (modulação periódica do índice de refração) no núcleo fotossensível usando uma máscara de fase (paralela com o eixo de fibra) colocada na frente da fibra. A saída de luz pelo laser é moldada e perpendicular à máscara de fase. Coloque a fibra na posição da luz difracted da ordem de ± 1 para a exposição UV.
3. Após a inscrição UV, coloque as duas grades Bragg fibra em um forno de 100 ° c para 48 h para remover qualquer hidrogênio residual, até que a refletividade do grating de fibra é reduzida em 10%, a largura de banda de 3 dB é reduzida por 0,1 nm, e o comprimento de onda centro é deslocado por 0,8 nm. Este passo é chamado de processamento de recozimento. Os parâmetros da FBG não serão alterados após o processamento de recozimento.
   Nota: os comprimentos de onda centrais destes dois FBGs são 1555,12 nanômetro (1 # FBG) e 1557,29 nanômetro (2 # FBG) com comprimentos grating de 5 milímetros.

2. preparação da balança magnética e da braçadeira de harmonização

1. Determine o tamanho do ímã permanente de acordo com o projeto previamente descrito⁸. A descrição do ímã permanente é mostrada na tabela 1.
2. Projete o entalhe da escala magnética, cuja a dimensão combina o ímã permanente, como mostrado em Figura 1.
   1. Confirme a dimensão do grampo correspondente e defina uma distância de 22,5 mm entre as duas ranhuras no grampo. A fim remover a interferência do campo magnético, a braçadeira é feita do aço inoxidável.
   2. Ajuste uma distância de 10 milímetros do passo na escala magnética (τ) para distinguir o sentido do movimento, e ajuste uma distância de 22,5 milímetros ((2 + 1/4) · τ) entre os dois detectores. Dois detectores podem obter a característica de deslocamento de acordo com as seguintes fórmulas, que podem alcançar variações da função sinusoidal por uma diferença de fase de 90 °, onde x é o deslocamento, f_{1 # FBG} e f_{2 #FBG} são a força magnética dos dois detectores, e B é uma constante. A estrutura da balança magnética e sua braçadeira correspondente são mostradas na Figura 1.
      
3. Põr ímãs permanentes nos entalhes da braçadeira, com o N/S magnético arranjados alternadamente. Os ímãs permanentes cilíndricos são magnetizados somente na direção axial, e seu vetor magnético é 750 kA/m.

3. fabricação do sensor de deslocamento

1. Prepare uma mistura de epóxi de fibra óptica termocurável (cola) adicionando 100 mg de endurecedor (componente A) a 200 mg de resina (componente B), como mostrado na Figura 2.
2. Meça a distância do pigtail da fibra, aproximadamente 10 milímetros entre a face da extremidade do pigtail da fibra e a região da grelha, e então, marca-a com um marcador do fino-ponto.
3. Use um descascador de fibra óptica para descascar o revestimento de fibra e tira-lo da posição do marcador da etapa anterior.
4. Limpe a superfície de qualquer polímero remanescente com papel livre de poeira. Posicione a lâmina de um cutelo de fibra de alta precisão perpendicular ao cabo de fibra óptica e corte-o.
5. Coloque um íman permanente na chapa quente e coloque uma mola com um comprimento de 15 mm acima do íman permanente.
   Nota: o comprimento da mola é o elemento principal da força pré-carregada na próxima etapa.
6. Cole a fibra obtida a partir do passo 3,3. Coloque o pigtail da fibra dentro da mola, como mostrado na Figura 2, e cure o adesivo (epóxi #1) por 30 min a 150 ° c.
   Nota: estas três partes combinadas são chamadas 1 # P.
7. Põr 1 # P na tubulação afilada e use a fita adesiva para fixar o ímã permanente. como mostrado na Figura 3. Coloc o adesivo exatamente acima do ímã permanente, e cure o adesivo (o #2 da cola Epoxy é o mesmo que #1 da cola Epoxy) por 30 minutos em uma temperatura de 150 ° c. Em seguida, aplique a força pré-carregada à mão para a fibra Bragg ralar; a força de preaperto permite que a fibra esteja em um estado nonflexão.
   Nota: estas peças combinadas são chamadas de detector FBG. O detector FBG é responsável por converter o sinal da força magnética no sinal dos parâmetros de deslocamento.
8. Retire a fita adesiva; a produção desta etapa é chamada 2 # P.
9. Emendar um APC-tipo conector do único-modo à extremidade da fibra 2 # P usando um Splicer da fusão, seguindo instruções do fabricante.
10. Fixe dois detectores FBG na ranhura da braçadeira e, em seguida, fixe o grampo na plataforma de deslocação.

4. construindo o sistema de teste

1. Poder o interrogador de alta velocidade do comprimento de onda com o interruptor ótico incorporado.
2. Ative a emissão espontânea amplificada (ASE). Guie a luz na fibra da entrada-saída e propage-a ao sensor FBG-baseado do deslocamento. Então, os espectros da reflexão modulados pelo sensor refletem-no ao interrogador através da fibra da entrada-saída outra vez.
3. Conecte o interrogador ao computador com um cabo Ethernet, com base no protocolo UDP.
4. Conecte o circulador óptico ao analisador de espectro óptico (OSA) com uma resolução mínima de 0, 2 nm, para monitorar o deslocamento do comprimento de onda de Bragg.
5. Ligue o motor deslizante com 24 V.
6. Mude a velocidade do motor ajustando o interruptor DIP do controlador do motor deslizante. Com a porta de controle externo, o controlador de motor deslizante pode ser conduzido em meio-passo, normal, e outros modos de acionamento, como mostrado na tabela 2, e em-chip PWM circuitos Chopper permitir interruptor-modo de controle da corrente nos enrolamentos com base em um MCU.
7. Ajuste a distância entre os dois detectores e a escala magnética.
   1. Ajuste até que haja uma melhor curva sinusoidal entre o deslocamento e o campo magnético.
   2. Ajuste até que existam métodos bem descritos para estimular a melhor distância¹¹ porque ímãs permanentes cilíndricos com campos magnéticos opostos são dispostos adjacentes uns aos outros.
      Nota: há uma relação sinusoidal entre o deslocamento e o campo magnético quando há uma distância apropriada entre a escala magnética e o detector. A força magnética tem uma relação linear com o campo magnético. De acordo com a lei de Hooke, a força tem uma relação linear com a tensão, e o deslocamento Center do comprimento de onda de FBG é linear com a tensão aplicada no FBG; assim, uma curva sinusoidal pode ser obtida.
   3. Separe os dois detectores uns dos outros por 22,5 mm.
      Nota: (m ± 1/4) τ é igual a 22,5 mm (m é um inteiro positivo, m = 2), τ é o Tom da escala magnética, e (m ± 1/4) τ ≤ o comprimento total da escala magnética, onde τ é igual a 10.

5. avaliação do sensor de deslocamento projetado

1. Ajuste a distância entre o detector e a escala magnética para ser 1,5 mm e, em seguida, fixar o grampo.
2. Conecte a extremidade do conector APC-Type do sensor na porta do interrogador e inicie o software de configuração. Defina a frequência de amostragem do interrogador para 5 kHz para uma gravação em tempo real da mudança de comprimento de onda do centro FBG ao longo do tempo. Empurre o botão para controlar o motor por um incremento de 40 μm cada vez (tipo F, como mostrado na tabela 2). Tipos diferentes representam etapas diferentes. Se o motor trabalha com o tipo F, o motor pode ter o intervalo o menor da etapa e a exatidão a mais elevada do deslocamento.
3. Conecte a extremidade do conector APC-Type do sensor na porta OSA e inicie o software de configuração. Um OSA e um interrogador monitoram a mudança de comprimentos de onda central dos FBGs. Salve os dados da calibração de estado estático.
4. Alterne a rotação no sentido horário e anti-horário do motor em um estado dinâmico. Salve os dados como acima.
5. Coloque o sensor na chapa quente e conduza um experimento de calibração de temperatura. Mude a temperatura da chapa quente de 25 ° c para 90 ° c.
6. Executar a análise de dados.
   1. Importe os dados em um formato. csv do experimento de calibração estática para o MATLAB. Empregue a função de findpeaks para extrair o comprimento de onda Center da fibra Bragg grating. Use a função sinusoidal da ferramenta de encaixe da curva para caber a relação entre o comprimento de onda Center e o deslocamento, como mostrado na Figura 5a. Os erros residuais de encaixe entre os pontos amostrais e a curva de encaixe também estão representados na Figura 5b. As duas curvas apropriadas de Fourier entre o comprimento de onda Center desloca e o deslocamento linear apesar da fase original estão aqui:
      
   2. Importe os dados para o software de processamento. Usando a ferramenta de encaixe da curva, processe os dados obtidos de uma rotação dinâmica no sentido horário (movimento dianteiro) e uma rotação anti-horário (movimento inverso) do motor (Figura 6).
   3. Processe os dados obtidos a partir do experimento de calibração de temperatura acima (Figura 7).

Representative Results

A distância, variando de 1 mm a 3 mm¹¹, entre a escala magnética e o detector permitiu a detecção do deslocamento linear com uma função sinusoidal. Uma distância de 22,5 mm entre dois detectores permitiu que essa abordagem realizem a detecção da direção do movimento de um objeto com uma diferença de fase de 90 °. Os dois detectores foram separados entre si para (m ± 1/4) τ (m é um inteiro positivo) e (m ± 1/4) τ ≤ o comprimento total da escala magnética, onde τ = 10 mm e m = 2 são utilizados no experimento descrito aqui (Figura 1). A composição e a estrutura do detector de deslocamento são mostradas na Figura 2. A chave do processo de empacotamento é aplicar uma força pré-carregada ao FBG; quando houve um movimento, a força magnética entre a escala magnética e o detector mudaria (Figura 3), e a distribuição de tensões do eixo da FBG seria uniforme como a mola esticada ou comprimida. O sistema de medição é baseado no ASE, no interrogador e no OSA, que caracteriza a assinatura de comprimento de onda central do sensor (Figura 4). O OSA, com uma resolução mínima de 0, 2 nm, foi mais preciso do que o interrogador ao medir o espectro estaticamente. A OSA tem uma alta resolução; é mais apropriado do que o interrogador em experimentos de calibração estática.

Os resultados da calibração estática (Figura 5a) e os erros residuais correspondentes (Figura 5b) revelaram que o detector projetado permite a exploração da posição do aleatório-deslocamento em seu melhor. Para a identificação do sentido dianteiro e inverso do movimento do motor, como o movementalternates dianteiro, o deslocamento Center do comprimento de onda do detetor 2 # FBG tem uma diferença principal da fase de ao redor 90 ° (+ 90 °). À medida que o deslocamento inverso alterna, o deslocamento do comprimento de onda central do 2 # FBG exibiu as variações da função sinusoidal por uma diferença de fase de retardamento de cerca de 90 ° (-90 °) (Figura 6). A sensibilidade cruzada da temperatura no sensor proposto pode ser eliminada por uma função de seno diferencial. Uma mudança positiva ou negativa no ângulo de fase pode ser obtida. A direção do deslocamento poderia ser facilmente resolvida, como mencionado anteriormente¹². Em suma, os dados coletados a partir do experimento de calibração de temperatura são mostrados na Figura 7. Pode-se saber que a sensibilidade à temperatura (K_T) de ambos os detectores FBG é a mesma quando a interferência de temperatura não é ignorada neste sistema. A relação entre o deslocamento e as mudanças de comprimento de onda pode ser expressa da seguinte forma; assim, a compensação de temperatura é o mérito deste sistema.

A incerteza do encaixe de dados mostra que a incerteza máxima é quase paralela com a amplitude máxima da curva de encaixe sinusoidal. Pode haver alguma melhoria para fazer a incerteza menor de modo que a incerteza represente a propriedade do sensor. Nós tomamos o ponto equilibrado (5 milímetros, uma posição em que o detetor é oposto na polaridade à escala magnética) e a amplitude máxima (2,5 milímetros, uma posição em que o detetor tem a polaridade à escala magnética) de 1 # FBG como um exemplo (representado na Figura 5b ), e a repetibilidade da medida (10 contagens) é mostrada na Figura 8. É evidente que o ponto de equilíbrio (5 mm) foi mais estável do que a amplitude máxima (2,5 mm), e o erro residual máximo (7,5 PM) ocorreu na amplitude máxima (2,5 mm) de 1 # FBG. A exatidão da medida do deslocamento é 0,69 μm.

O controle e a produção automáticos, especial para a monitoração da máquina em circunstâncias óleo-contaminadas sérias, precisam o deslocamento longo fibra-baseado ótico. Assim, o sensor de fibra óptica projetado pode ser usado em aço e processo de ferro.

Figura 1: a escala magnética e a braçadeira de harmonização. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: composição e estrutura do detector de deslocamento. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: método de força pré-carregada aplicada durante a embalagem. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: configuração do experimento para medições de deslocamento. O sistema é baseado no ASE, o interrogador, e o OSA, que caracterizam a assinatura do comprimento de onda Center do sensor. Esta figura é reimpressa com permissão de Zhu et al.¹¹. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: calibração estática e erros residuais. (a) a relação entre o deslocamento e os dois turnos de comprimento de onda FBGS. (b) o erro residual da curva de encaixe entre os dados originais e a curva sinusoidal. Esta figura é reimpressa com permissão de Zhu et al.¹¹. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: identificação do sentido de rotação no sentido horário e anti-horário do motor. Esta figura é reimpressa com permissão de Zhu et al.¹¹. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: a relação entre o comprimento de onda central e a temperatura. Esta figura é reimpressa com permissão de Zhu et al.¹¹. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: a repetibilidade da medição. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nome	Parâmetros
Classe magnética	N35
Material do ímã	NdFeB
Revestimento & de superfície	Níquel
Direção de magnetização	Pólo de N/S em ambos os lados do plano
Tamanho	D5 x 4 mm
M (magnetização)	750 [kA/m]

Tabela 1:Descrição do íman permanente. Esta tabela é reimpressa com permissão de Zhu et al.¹¹.

Tipo	Passos	Deslocamento/passo (μm)
Um	1.600	312
B	2.000	250
C	3.200	156
D	4.000	125
E	6.400	78
F	12.800	40

Tabela 2: Descrição do driver do microstep.

Discussion

Nós demonstramos um método novo para medidas aleatórias do deslocamento linear combinando uma escala magnética e dois gratings da fibra Bragg. A principal vantagem desses sensores é o deslocamento aleatório, sem limitação. A escala magnética utilizada aqui gerou uma periodicidade do campo magnético a 10 mm, muito além dos limites práticos dos sensores convencionais de deslocamento de fibra óptica, como o deslocamento mencionado por Lin et al.⁷ e Li et al.⁸. O sensor de deslocamento dependente da temperatura também é adequado para experimentos envolvidos no monitoramento remoto.

A força pré-carregada no FBG é a etapa crítica no protocolo de empacotamento do detetor magnético FBG-baseado. Quando a mola é esticada ou comprimida, uma distribuição uniforme do esforço do eixo do FBG é obtida. Uma distância de (m ± 1/4) τ entre dois detectores é essencial para garantir que todo o sistema reconheça a direção do movimento.

Esta nova tecnologia de medição de deslocamento requer uma susceptibilidade reduzida à vibração. Os sensores podem igualmente ser melhorados reduzindo sua sensibilidade às mudanças da umidade, que são afetadas pela mola no detetor. O trabalho futuro poderia centrar-se sobre o desenvolvimento de algoritmos de software para eliminar a afeição da vibração. Este sistema do sensor do deslocamento pode tornar-se disponível comercialmente se o passo da escala magnética pode ser diminuído como a escala magnética eletrônica comercial.

Este sensor pode ser usado para medir o deslocamento aleatório sem limitação da escala com respeito aos métodos existentes. Embora o protocolo aqui tenha sido provado ser eficaz como um sensor de deslocamento, ele também pode ser usado para medir outros parâmetros, como velocidade e aceleração.

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