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Engineering

Una medición de desplazamiento aleatorio mediante la combinación de una escala magnética y dos rejillas de fibra

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

Se presenta un protocolo para crear un sensor de desplazamiento lineal de rango completo, que combina dos detectores de rejilla Bragg de fibra empaquetada con una escala magnética.

Abstract

Las mediciones de desplazamiento de larga distancia utilizando fibras ópticas siempre han sido un desafío tanto en la investigación básica como en la producción industrial. Desarrollamos y caracterizamos un sensor de desplazamiento aleatorio basado en fibra Bragg (FBG) independiente de la temperatura que adopta una escala magnética como un mecanismo de transferencia novedoso. Mediante la detección de cambios de dos longitudes de onda centrales FBG, se puede obtener una medición de rango completo con una escala magnética. Para la identificación de la dirección de rotación en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj del motor (de hecho, la dirección de movimiento del objeto a probar), existe una relación sinusoidal entre el desplazamiento y el desplazamiento de longitud de onda central del FBG; a medida que la rotación en sentido antihorario se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del segundo detector FBG muestra una diferencia de fase inicial de alrededor de 90o (+90o). A medida que la rotación en el sentido de las agujas del reloj se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del segundo FBG muestra una diferencia de fase rezagada de alrededor de 90o (-90o). Al mismo tiempo, los dos sensores basados en FBG son independientes de la temperatura. Si hay alguna necesidad de un monitor remoto sin ninguna interferencia electromagnética, este enfoque llamativo los convierte en una herramienta útil para determinar el desplazamiento aleatorio. Esta metodología es adecuada para la producción industrial. Como la estructura de todo el sistema es relativamente simple, este sensor de desplazamiento se puede utilizar en la producción comercial. Además de ser un sensor de desplazamiento, se puede utilizar para medir otros parámetros, como la velocidad y la aceleración.

Introduction

Los sensores basados en fibra óptica tienen grandes ventajas, como flexibilidad, multiplexación por división de longitud de onda, monitoreo remoto, resistencia a la corrosión y otras características. Por lo tanto, el sensor de desplazamiento de fibra óptica tiene amplias aplicaciones.

Para realizar mediciones de desplazamiento lineal dirigidas en entornos complejos, varias estructuras de la fibra óptica (por ejemplo, el interferómetro Michelson1, el interferómetro de cavidad Fabry-Perot2, la fibra Bragg rejilla3, el pérdida de flexión4) se han desarrollado en los últimos años. La pérdida de flexión requiere la fuente de luz en una estación estable y no es adecuada para la vibración ambiental. Qu et al. han diseñado un sensor de nanodesplazamiento de fibra óptica interferométrica basado en una fibra de plástico de doble núcleo con un extremo recubierto con un espejo de plata; tiene una resolución de 70 nm5. Se propuso un sensor de desplazamiento simple basado en una estructura de fibra doblada de modo único-multimodo-modo único (SMS) para superar las limitaciones en la medición del rango de desplazamiento; aumentó la sensibilidad de desplazamiento tres veces con un rango de 0 a 520 m6. Lin et al. presentaron un sistema de sensor de desplazamiento que combina el FBG junto con un resorte; la potencia de salida es aproximadamente lineal con el desplazamiento de 110-140 mm7. Un sensor de desplazamiento Fabry-Perot de fibra tiene un rango de medición de 0-0,5 mm con una linealidad de 1,1% y una resolución de 3 m8. Zhou et al. informaron de un sensor de desplazamiento de amplio alcance basado en un interferómetro Fabry-Perot de fibra óptica para mediciones de subnanómetros, de hasta 0,084 nm en un rango dinámico de 3 mm9. Se demostró un sensor de desplazamiento de fibra óptica basado en tecnología modulada de intensidad reflectante utilizando un colimador de fibra; esto tenía un rango de sensación de más de 30 cm10. Aunque las fibras ópticas se pueden fabricar en muchos tipos de sensores de desplazamiento, estos sensores basados en fibra generalmente hacen uso del límite de tracción del propio material, lo que limita su aplicación en mediciones de amplio alcance. Por lo tanto, los compromisos se hacen generalmente entre el rango de medición y la sensibilidad. Además, es difícil determinar el desplazamiento ya que varias variables se producen simultáneamente; especialmente, la sensibilidad cruzada de la tensión y la temperatura podría dañar la precisión experimental. Hay muchas técnicas de discriminación reportadas en la literatura, como el uso de dos estructuras de sensor diferentes, el uso de un solo FBG medio unido por diferentes pegamentos, o el uso de fibras ópticas especiales. Por lo tanto, el desarrollo posterior de sensores de desplazamiento de fibra óptica requiere alta sensibilidad, un tamaño pequeño, gran estabilidad, rango completo e independencia de temperatura.

Aquí, la estructura periódica de la escala magnética hace posible una medición de rango completo. Se logra un desplazamiento aleatorio sin un rango de medición limitado con una escala magnética. Combinado con dos FBG, se podrían resolver tanto la sensibilidad entre temperaturas cruzadas como la identificación de la dirección del movimiento. Varios pasos dentro de este método requieren precisión y atención al detalle. El protocolo de fabricación del sensor se describe en detalle como sigue.

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Protocol

1. Fabricación de la rejilla de fibra Bragg

  1. Para mejorar la fotosensibilidad del núcleo de fibra, coloque una fibra de modo único estándar en un recipiente hermético cargado por hidrógeno durante 1 semana.
  2. Fabricar la rejilla Bragg de fibra utilizando la técnica de máscara de fase de escaneo y un láser de argón de onda continua y duplicado por frecuencia a una longitud de onda de 244 nm.
    1. Concéntrese en la fibra óptica con una lente cilíndrica y un rayo láser ultravioleta (UV). Imprima la rejilla (modulación periódica del índice de refracción) en el núcleo fotosensible utilizando una máscara de fase (paralela con el eje de fibra) colocada delante de la fibra. La salida de luz por el láser tiene forma y perpendicular a la máscara de fase. Coloque la fibra en la posición de la luz difractada de pedido n.o 1 para la exposición a los rayos UV.
  3. Después de la inscripción UV, coloque las dos rejillas Bragg de fibra en un horno de 100 oC durante 48 h para eliminar cualquier hidrógeno residual, hasta que la reflectividad de la rejilla de fibra se reduzca en un 10%, el ancho de banda de 3 dB se reduce en 0,1 nm, y la longitud de onda central se desplaza en 0,8 nm. Este paso se denomina procesamiento de recocido. Los parámetros de FBG no cambiarán después del procesamiento de recocido.
    NOTA: Las longitudes de onda centrales de estos dos FBG son 1.555,12 nm (1 FBG) y 1.557,29 nm (2 FBG) con longitudes de rejilla de 5 mm.

2. Preparación de la báscula magnética y la abrazadera correspondiente

  1. Determine el tamaño del imán permanente de acuerdo con el diseño descrito anteriormente8. La descripción del imán permanente se muestra en la Tabla 1.
  2. Diseñar la ranura de la escala magnética, cuya dimensión coincide con el imán permanente, como se muestra en la Figura 1.
    1. Confirme la dimensión de la abrazadera coincidente y establezca una distancia de 22,5 mm entre las dos ranuras de la abrazadera. Con el fin de eliminar la interferencia del campo magnético, la abrazadera está hecha de acero inoxidable.
    2. Establezca una distancia de 10 mm del paso en la escala magnética (o) para distinguir la dirección del movimiento, y establezca una distancia de 22,5 mm ((2+1/4) entre los dos detectores. Dos detectores pueden obtener la característica de desplazamiento de acuerdo con las siguientes fórmulas, que pueden lograr variaciones de la función sinusoidal por una diferencia de fase de 90o, donde x es el desplazamiento, F1-FBG y F2 #FBG son la fuerza magnética de los dos detectores, y B es una constante. La estructura de la escala magnética y su abrazadera correspondiente se muestran en la Figura 1.
      Equation 1
  3. Coloque imanes permanentes en las ranuras de la abrazadera, con el N/S magnético dispuesto alternativamente. Los imanes permanentes cilíndricos sólo se magnetizan en la dirección axial, y su vector magnético es de 750 kA/m.

3. Fabricación del sensor de desplazamiento

  1. Preparar una mezcla de epoxi de fibra óptica termocurable (pegamento) añadiendo 100 mg de endurecible (Componente A) a 200 mg de resina (Componente B), como se muestra en la Figura 2.
  2. Mida la distancia de la coleta de fibra, aproximadamente 10 mm entre la cara final de la cola de codo de fibra y la región de rejilla, y luego, anotarla con un marcador de punto fino.
  3. Utilice una destripadora de fibra óptica para pelar el recubrimiento de fibra y quitarlo de la posición del marcador del paso anterior.
  4. Limpie la superficie de cualquier polímero restante con papel libre de polvo. Coloque la hoja de una cortadora de fibra de alta precisión perpendicular al cable de fibra óptica y córtela.
  5. Coloque un imán permanente en la placa caliente y coloque un resorte con una longitud de 15 mm por encima del imán permanente.
    NOTA: La longitud del muelle es el elemento principal de la fuerza precargada en el siguiente paso.
  6. Pegue la fibra obtenida del paso 3.3. Colocar la cola de cerdo de la fibra dentro del muelle, como se muestra en la Figura 2,y curar el adhesivo (Epoxy #1) durante 30 min a 150 oC.
    NOTA: Estas tres piezas combinadas se denominan 1-P.
  7. Poner 1 P en el tubo cónico y utilizar cinta adhesiva para fijar el imán permanente. como se muestra en la Figura 3. Coloque el adhesivo exactamente por encima del imán permanente y cure el adhesivo (Epoxy #2 es el mismo que Epoxy #1) durante 30 min a una temperatura de 150 oC. A continuación, aplique la fuerza precargada a mano a la rejilla Bragg de fibra; la fuerza de preapriete permite que la fibra esté en un estado no doblado.
    NOTA: Estas piezas combinadas se denominan detector FBG. El detector FBG es responsable de convertir la señal de la fuerza magnética en la señal de los parámetros de desplazamiento.
  8. Retire la cinta adhesiva; la producción de este paso se llama 2OP.
  9. Empalme un conector monomodo de tipo APC al extremo de la fibra de 2OP utilizando un empalme de fusión, siguiendo las instrucciones del fabricante.
  10. Fije dos detectores FBG en la ranura de la abrazadera, y luego, fije la abrazadera a la plataforma de desplazamiento.

4. Construcción del sistema de pruebas

  1. Encienda el interrogador de longitud de onda de alta velocidad con el interruptor óptico incorporado.
  2. Encienda la emisión espontánea amplificada (ASE). Guiar la luz en la fibra de entrada-salida y propagarla al sensor de desplazamiento basado en FBG. A continuación, el espectro de reflexión modulado por el sensor lo refleja al interrogador a través de la fibra de entrada-salida de nuevo.
  3. Conecte el interrogador al ordenador con un cable Ethernet, basado en el protocolo UDP.
  4. Conecte el circulador óptico al analizador de espectro óptico (OSA) con una resolución mínima de 0,02 nm, para supervisar el desplazamiento de la longitud de onda Bragg.
  5. Encienda el motor paso a paso con 24 V.
  6. Cambie la velocidad del motor ajustando el interruptor DIP del controlador de motor paso a paso. Con el puerto de control externo, el controlador de motor paso a paso se puede accionar en los modos de tracción a medio paso, normal y otros, como se muestra en la Tabla 2,y los circuitos de helicóptero PWM en chip permiten el control del modo de conmutación de la corriente en los bobinados basados en un MCU.
  7. Ajuste la distancia entre los dos detectores y la escala magnética.
    1. Ajustar hasta que haya una mejor curva sinusoidal entre el desplazamiento y el campo magnético.
    2. Ajuste hasta que haya métodos bien descritos para estimular la mejor distancia11 porque los imanes permanentes cilíndricos con campos magnéticos opuestos están dispuestos adyacentes entre sí.
      NOTA: Existe una relación sinusoidal entre el desplazamiento y el campo magnético cuando hay una distancia adecuada entre la escala magnética y el detector. La fuerza magnética tiene una relación lineal con el campo magnético. Según la ley de Hooke, la fuerza tiene una relación lineal con la tensión, y el desplazamiento de longitud de onda central de FBG es lineal con la tensión aplicada en el FBG; por lo tanto, se puede obtener una curva sinusoidal.
    3. Separe los dos detectores entre sí durante 22,5 mm.
      NOTA:(m a 1/4) es igual a 22,5 mm(m es un entero positivo, m a 2), es el paso de la escala magnética, y (m a 1/4) - la longitud total de la escala magnética, donde es igual a 10.

5. Evaluación del sensor de desplazamiento diseñado

  1. Ajuste la distancia entre el detector y la escala magnética para que sea de 1,5 mm y, a continuación, fije la abrazadera.
  2. Conecte el extremo del conector de tipo APC del sensor en el puerto del interrogador e inicie el software de configuración. Establezca la frecuencia de muestreo del interrogador en 5 kHz para una grabación en tiempo real del cambio de longitud de onda central FBG a lo largo del tiempo. Pulse el botón para controlar el motor en un incremento de 40 m cada vez (tipo F, como se muestra en la Tabla 2). Diferentes tipos representan diferentes pasos. Si el motor funciona con el tipo F, el motor puede tener el intervalo de paso más pequeño y la precisión de desplazamiento más alta.
  3. Conecte el extremo del conector de tipo APC del sensor al puerto OSA e inicie el software de configuración. Un OSA y un interrogador monitorean el desplazamiento de las longitudes de onda centrales de los FBG.
  4. Alternar la rotación en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj del motor en un estado dinámico. Guarde los datos como se ha mencionado anteriormente.
  5. Coloque el sensor en la placa caliente y realice un experimento de calibración de temperatura. Cambiar la temperatura de la placa caliente de 25 oC a 90 oC.
  6. Realizar análisis de datos.
    1. Importe los datos en formato .csv desde el experimento de calibración estática a MATLAB. Emplear la función findpeaks para extraer la longitud de onda central de la rejilla Bragg de fibra. Utilice la función sinusoidal de la herramienta de ajuste de curva para ajustar la relación entre la longitud de onda central y el desplazamiento, como se muestra en la Figura 5a. Los errores residuales de ajuste entre los puntos de muestra y la curva de ajuste también se muestran en la Figura 5b. Las dos curvas de ajuste de Fourier entre los desplazamientos de longitud de onda central y el desplazamiento lineal a pesar de la fase original están aquí:
      Equation 2
    2. Importe los datos en el software de procesamiento. Con la herramienta de ajuste de curva, procese los datos obtenidos de una rotación dinámica en el sentido de las agujas del reloj (movimiento hacia delante) y una rotación en sentido antihorario (movimiento hacia atrás) del motor(Figura 6).
    3. Procesar los datos obtenidos del experimento de calibración de temperatura como se ha mencionado anteriormente(Figura 7).

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Representative Results

La distancia, que oscila entre 1 mm y 3 mm11,entre la escala magnética y el detector permitió la detección del desplazamiento lineal con una función sinusoidal. Una distancia de 22,5 mm entre dos detectores permitió que este enfoque realizara la detección de la dirección del movimiento de un objeto con una diferencia de fase de 90o. Los dos detectores se separaron entre sí para(m a 1/4) (m es un entero positivo) y (m a 1/4) - la longitud total de la escala magnética, donde se utilizan en el experimento descrito aquí (Figura 1). La composición y estructura del detector de desplazamiento se muestran en la Figura 2. La clave del proceso de envasado es aplicar una fuerza precargada al FBG; cuando había un movimiento, la fuerza magnética entre la escala magnética y el detector cambiaría(Figura 3), y la distribución de tensión del eje del FBG sería uniforme a medida que el resorte se estiraba o comprimía. El sistema de medición se basa en el ASE, el interrogador y la OSA, que caracteriza la firma de longitud de onda central del sensor(Figura 4). La OSA, con una resolución mínima de 0,02 nm, era más precisa que el interrogador al medir el espectro estáticamente. OSA tiene una alta resolución; es más adecuado que el interrogador en experimentos de calibración estática.

Los resultados de la calibración estática(Figura 5a)y los errores residuales correspondientes(Figura 5b)revelaron que el detector diseñado permite la exploración de la posición de desplazamiento aleatorio en su mejor momento. Para la identificación de la dirección de movimiento hacia delante e inversa del motor, a medida que el movimiento hacia delantealternaalterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del detector de 2 FBG tiene una diferencia de fase inicial de alrededor de 90o (+90o). A medida que el desplazamiento inverso se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del 2-FBG mostraba las variaciones de la función sinusoidal mediante una diferencia de fase de retraso de alrededor de 90o (-90o)(Figura 6). La sensibilidad cruzada de la temperatura en el sensor propuesto podría eliminarse mediante una función de seno diferencial. Se podría obtener un cambio positivo o negativo en el ángulo de fase. La dirección del desplazamiento podría resolverse fácilmente, como se mencionó anteriormente12. En resumen, los datos recopilados del experimento de calibración de temperatura se muestran en la Figura 7. Se puede saber que la sensibilidad a la temperatura (KT) de ambos detectores FBG es la misma cuando la interferencia de temperatura no se ignora en este sistema. La relación entre el desplazamiento y los desplazamientos de longitud de onda se puede expresar de la siguiente manera; por lo tanto, la compensación de temperatura es el mérito de este sistema.
Equation 3

La incertidumbre del empalme de datos muestra que la incertidumbre máxima es casi paralela a la amplitud máxima de la curva de conexión sinusoidal. Puede haber alguna mejora para hacer la incertidumbre más pequeña de modo que la incertidumbre representa la propiedad del sensor. Tomamos el punto equilibrado (5 mm, una posición en la que el detector es opuesto en polaridad a la escala magnética) y la amplitud máxima (2,5 mm, una posición en la que el detector tiene polaridad a la escala magnética) de 1-FBG como ejemplo (representado en la Figura 5b ), y la repetibilidad de la medición (10 recuentos) se muestra en la Figura 8. Está claro que el punto equilibrado (5 mm) era más estable que la amplitud máxima (2,5 mm), y el error residual máximo (7,5 pm) se produjo en la amplitud máxima (2,5 mm) de 1 FBG. La precisión de la medición de desplazamiento es de 0,69 m.

Equation 4

Equation 5

Equation 6

El control y la producción automáticos, especialmente para el monitoreo de la máquina en circunstancias graves contaminadas con aceite, necesitan un desplazamiento largo basado en fibra óptica. Por lo tanto, el sensor de fibra óptica diseñado se puede utilizar en el proceso de acero y hierro.

Figure 1
Figura 1: La escala magnética y la abrazadera correspondiente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Composición y estructura del detector de desplazamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Método de fuerza precargada aplicada durante el embalaje. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Configuración del experimento para mediciones de desplazamiento. El sistema se basa en el ASE, el interrogador y la OSA, que caracterizan la firma de longitud de onda central del sensor. Esta cifra se reimprime con el permiso de Zhu et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Calibración estática y errores residuales. (a) La relación entre el desplazamiento y el desplazamiento de longitud de onda de los dos FBG. (b) El error residual de la curva de ajuste entre los datos originales y la curva sinusoidal. Esta cifra se reimprime con el permiso de Zhu et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Identificación de la dirección de rotación en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj del motor. Esta cifra se reimprime con el permiso de Zhu et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: La relación entre la longitud de onda central y la temperatura. Esta cifra se reimprime con el permiso de Zhu et al.11. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: La repetibilidad de la medición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Nombre Parámetros
Grado magnético N35
Material del imán Ndfeb
Superficie y Recubrimiento Níquel
Dirección magnetizante Polo N/S a ambos lados del avión
Tamaño D5 x 4 mm
M (magnetización) 750 [kA/m]

Tabla 1:Descripción del imán permanente. Esta tabla se reimprime con el permiso de Zhu et al.11.

Tipo Pasos Desplazamiento/paso (m)
Un 1,600 312
B 2,000 250
C 3,200 156
D 4,000 125
E 6,400 78
F 12,800 40

Tabla 2: Descripción del controlador de micropasos.

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Discussion

Hemos demostrado un nuevo método para mediciones de desplazamiento lineal aleatorio combinando una escala magnética y dos rejillas Bragg de fibra. La principal ventaja de estos sensores es el desplazamiento aleatorio sin limitación. La escala magnética utilizada aquí generó una periodicidad del campo magnético a 10 mm, muy por enbajo de los límites prácticos de los sensores convencionales de desplazamiento de fibra óptica, como el desplazamiento mencionado por Lin et al.7 y Li et al.8. El sensor de desplazamiento dependiente de la temperatura también es adecuado para experimentos involucrados en monitoreo remoto.

La fuerza precargada en el FBG es el paso crítico en el protocolo de empaquetado del detector magnético basado en FBG. Cuando el muelle se estira o comprime, se obtiene una distribución uniforme de la tensión del eje del FBG. Una distancia dedos detectores es esencial para garantizar que todo el sistema reconozca la dirección del movimiento.

Esta nueva tecnología de medición de desplazamiento requiere una menor susceptibilidad a las vibraciones. Los sensores también pueden mejorarse reduciendo su sensibilidad a los cambios de humedad, que se ven afectados por el resorte en el detector. El trabajo futuro podría centrarse en el desarrollo de algoritmos de software para eliminar el afecto a las vibraciones. Este sistema de sensor de desplazamiento puede estar disponible comercialmente si el paso de la escala magnética puede disminuir como la escala magnética electrónica comercial.

Este sensor se puede utilizar para medir el desplazamiento aleatorio sin limitación de rango con respecto a los métodos existentes. Aunque el protocolo aquí ha demostrado ser eficaz como sensor de desplazamiento, también se puede utilizar para medir otros parámetros, como la velocidad y la aceleración.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores agradecen al Laboratorio de óptica por su equipo y están agradecidos por el apoyo financiero a través del Programa para Changjiang Scholars y Innovative Research Team en la Universidad y el Ministerio de Educación de China.

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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