قياس الازاحه العشوائية عن طريق الجمع بين مقياس مغناطيسي واثنين من ألياف براج الحواجز الشبكية

Summary

يتم تقديم بروتوكول لإنشاء جهاز استشعار الازاحه الخطية كامل المدى ، والجمع بين اثنين من ألياف المعلبة براج صريف كاشفات مع مقياس مغناطيسي.

Abstract

وكانت قياسات النزوح لمسافات طويلة باستخدام ألياف البصرية تشكل دائما تحديا في كل من البحوث الاساسيه والإنتاج الصناعي. وضعنا وتتميز درجه الحرارة المستقلة براج ألياف صريف (FBG)-القائم علي الازاحه العشوائية الاستشعار الذي يتبنى مقياس المغناطيسي كاليه نقل الرواية. من خلال الكشف عن نوبات من اثنين من الأطوال الموجية للمركز FBG ، يمكن الحصول علي قياس كامل المدى بمقياس مغناطيسي. لتحديد اتجاه دوران عقارب الساعة وعكس العقارب للمحرك (في الواقع ، اتجاه حركه الكائن الذي سيتم اختباره) ، هناك علاقة جيبيه بين الازاحه وتحول الطول الموجي للمركز من FBG. كما المناوبين عكس اتجاه عقارب الدورة ، والتحول الطول الموجي مركز الكاشف FBG الثاني يظهر فرق المرحلة الرائدة من حوالي 90 درجه (+ 90 °). بما ان ال [كلوركايشن] دوران مناوبات, المركز طول موجه تغير من الثاني [فبغ] يعرض فرق متاخره طور من حوالي 90 ° (-90 °). وفي الوقت نفسه ، فان اثنين من أجهزه الاستشعار المستندة إلى FBG هي درجه الحرارة المستقلة. إذا كان هناك بعض الحاجة لجهاز العرض عن بعد دون اي تدخل كهرومغناطيسي ، هذا النهج الملفت للنظر يجعلها أداه مفيده لتحديد الازاحه العشوائية. وهذه المنهجية مناسبه للإنتاج الصناعي. وبما ان هيكل النظام بأكمله بسيط نسبيا ، فانه يمكن استخدام مستشعر الازاحه هذا في الإنتاج التجاري. بالاضافه إلى كونه جهاز استشعار الازاحه ، يمكن استخدامه لقياس المعلمات الأخرى ، مثل السرعة والتسارع.

Introduction

أجهزه الاستشعار البصرية المستندة إلى ألياف لها مزايا كبيره ، مثل المرونة ، والطول الموجي تقسيم الموجه ، والرصد عن بعد ، ومقاومه التاكل ، وغيرها من الخصائص. التالي ، فان استشعار الازاحه ألياف البصرية لديها تطبيقات واسعه.

لتحقيق القياسات المستهدفة الازاحه الخطية في بيئات معقده ، وهياكل مختلفه من ألياف البصرية (علي سبيل المثال ، مقياس التداخل ميميشسون¹، والتداخل تجويف فابري بيرو²، وألياف براج صريف³، و وقد وضعت الانحناء خسارة⁴) علي مدي السنوات الاخيره. فقدان الانحناء يتطلب مصدر الضوء في محطه مستقره وغير صالحه للاهتزاز البيئية. وقد صممت كو وآخرون جهاز استشعار التداخل ألياف البصرية الضوئية التي تعتمد علي ألياف البلاستيكية ثنائيه النواة مع نهاية واحده مغلفه مع مراه فضية. لديها قرار من 70 nm⁵. واقترح جهاز استشعار الازاحه بسيطه استنادا إلى بنيه واحده عازمه-وضع متعددة-وضع واحد (SMS) ألياف للتغلب علي القيود المفروضة علي قياس نطاق النزوح ؛ هو زاد الازاحه حساسية ثلاثه مع مدي من 0 إلى 520 μm⁶. وقدم لين وآخرون نظام استشعار النزوح الذي يجمع بين FBG جنبا إلى جنب مع الربيع. الإنتاج قوه تقريبا خطيه مع الازاحه من 110-140 [م]⁷. A ألياف Fabry-بيرو النزوح الاستشعار لديه مجموعه قياس من 0-0.5 ملم مع الخطية من 1.1 ٪ وقرار من 3 μm⁸. وابلغ تشو وآخرون عن جهاز استشعار واسع النطاق للتشرد يستند إلى مقياس التداخل بين ألياف البصرية فابري-بيرو لقياسات المقياس الفرعي ، بما يصل إلى 0.084 نانومتر علي مدي دينامية تبلغ 3 مم⁹. وقد ثبت استشعار الازاحه ألياف البصرية علي أساس التكنولوجيا التضمين كثافة عاكسه باستخدام ألياف الليفية; كان هذا الاستشعار مدي أكثر من 30 سم¹⁰. علي الرغم من ان ألياف البصرية يمكن ان تكون ملفقه في أنواع كثيره من أجهزه الاستشعار الازاحه ، وهذه المستشعرات المستندة إلى ألياف عموما الاستفادة من الحد الشد من المواد نفسها ، والتي تحد من تطبيقها في قياسات واسعه النطاق. التالي ، فان الحلول التوفيقية تجري عاده بين نطاق القياس والحساسية. وعلاوة علي ذلك ، من الصعب تحديد النزوح بالنظر إلى ان المتغيرات المختلفة تحدث في وقت واحد ؛ خصوصا ، والحساسية المتبادلة للضغط ودرجه الحرارة يمكن ان تضر الدقة التجريبية. هناك العديد من تقنيات التمييز المبلغ عنها في الأدبيات ، مثل استخدام اثنين من هياكل الاستشعار المختلفة ، وذلك باستخدام واحده FBG نصف المستعبدين من قبل الغراء مختلفه ، أو استخدام ألياف البصرية الخاصة. وهكذا ، فان زيادة تطوير أجهزه استشعار الازاحه ألياف البصرية يتطلب حساسية عاليه ، وحجم صغير ، والاستقرار الكبير ، ومجموعه كامله ، ودرجه الحرارة الاستقلال.

هنا ، الهيكل الدوري للنطاق المغناطيسي يجعل قياس كامل المدى ممكن. ويتحقق النزوح العشوائي دون نطاق قياس محدود مع مقياس مغناطيسي. ويمكن حل كل من الحساسية المزاجية وتحديد اتجاه الحركة بالاقتران مع اثنين من الحروف المتوسطة. خطوات مختلفه ضمن هذه الطريقة تتطلب الدقة والاهتمام بالتفاصيل. يتم وصف بروتوكول تصنيع أجهزه الاستشعار بالتفصيل علي النحو التالي.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. تصنيع ألياف براج صريف

1. لتعزيز حساسية للضوء من ألياف الاساسيه ، وضع معيار ألياف وضع واحد في علبه محكم الهيدروجين محمله لمده أسبوع 1.
2. افتعال ألياف براج صريف باستخدام تقنيه المسح المرحلة قناع وتردد-تضاعف ، موجه مستمرة ليزر الارجون أيون في الطول الموجي من 244 نانومتر.
   1. التركيز علي ألياف البصرية مع عدسه اسطوانيه والاشعه فوق البنفسجية (UV) شعاع الليزر. بصمه صريف (التحوير الدوري لمؤشر الانكسار) في النواة الحساسة باستخدام قناع المرحلة (موازيه مع محور ألياف) وضعت امام ألياف. يتم تشكيل ضوء الإخراج بواسطة الليزر وعمودي علي قناع المرحلة. ضع ألياف في موضع الأمر ± 1 الخفيف للتعرض للاشعه فوق البنفسجية.
3. بعد الاشعه فوق البنفسجية نقش ، ووضع اثنين من ألياف براج حواجز شبكيه في فرن 100 درجه مئوية ل 48 h لأزاله اي الهيدروجين المتبقية ، حتى يتم تخفيض انعكاسيه من صريف ألياف بنسبه 10 ٪ ، يتم تقليل عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل ب0.1 نانومتر ، ويتم تحويل الطول الموجي المركز بواسطة 0.8 نانومتر. وتسمي هذه الخطوة معالجه الصلب. لن تتغير معلمات FBG بعد معالجه الصلب.
   ملاحظه: الأطوال الموجية المركزية لهذين الرقمين هي 1,555.12 نانومتر (1 # FBG) و 1,557.29 نانومتر (2 # FBG) مع أطوال صريف من 5 ملم.

2. اعداد المقياس المغناطيسي والمشبك مطابقه

1. تحديد حجم المغناطيس الدائم وفقا للتصميم الموصوف سابقا⁸. ويرد وصف المغناطيس الدائم في الجدول 1.
2. تصميم فتحه المقياس المغناطيسي ، الذي يطابق بعده المغناطيس الدائم ، كما هو موضح في الشكل 1.
   1. تاكيد البعد من المشبك مطابقه وتعيين مسافة 22.5 مم بين فتحات اثنين في المشبك. من أجل أزاله التداخل المجال المغناطيسي ، يرصد المشبك من الفولاذ المقاوم للصدا.
   2. تعيين مسافة 10 ملم من الملعب في مقياس المغناطيسي (τ) للتمييز بين اتجاه الحركة ، وتعيين مسافة 22.5 mm ((2 + 1/4) · τ) بين اثنين من أجهزه الكشف. اثنين من كاشفات يمكن الحصول علي خاصيه الازاحه وفقا لصيغ التالية ، والتي يمكن ان تحقق الاختلافات وظيفة الجيب بفارق المرحلة من 90 درجه ، حيث x هو الازاحه ، f_{1 # fbg} و f_{2 #FBG} هي القوه المغناطيسية للكشف عن اثنين ، و B هو ثابت. ويظهر هيكل المقياس المغناطيسي والمشبك مطابقه في الشكل 1.
      
3. وضع المغناطيس الدائم في فتحات من المشبك ، مع N/S المغناطيسي ترتيب بالتناوب. مغناطيس دائم أسطواني فقط ممغنطة في الاتجاه المحوري ، ومتجهة المغناطيسي هو 750 kA/m.

3. تصنيع مستشعر الازاحه

1. اعداد خليط من ألياف البصرية للشفاء الحرارة الايبوكسي (الغراء) عن طريق أضافه 100 ملغ من مقوي (العنصر A) إلى 200 ملغ من الراتنج (العنصر B) ، كما هو مبين في الشكل 2.
2. قياس المسافة من ضفيرة ألياف ، ما يقرب من 10 ملم بين الوجه النهائي لضفيرة ألياف والمنطقة صريف ، ومن ثم ، يسجل ذلك مع علامة غرامه نقطه.
3. استخدام متجرد ألياف البصرية لقشر طلاء ألياف وتجريده من موقف علامة من الخطوة السابقة.
4. تنظيف سطح اي البوليمر المتبقية مع ورقه خاليه من الغبار. ضع شفره الساطور عاليه الدقة ألياف عمودي علي كابل ألياف البصرية وقطع عليه.
5. وضع مغناطيس دائم علي لوحه الساخنة ووضع الربيع مع طول 15 ملم فوق المغناطيس الدائم.
   ملاحظه: طول الربيع هو العنصر الرئيسي للقوه المحملة مسبقا في الخطوة التالية.
6. الغراء ألياف التي تم الحصول عليها من الخطوة 3.3. وضع ضفيرة من ألياف داخل الربيع ، كما هو مبين في الشكل 2، وعلاج لاصقه (الايبوكسي #1) لمده 30 دقيقه في 150 درجه مئوية.
   ملاحظه: تسمي هذه الأجزاء الثلاثة مجتمعه 1 # P.
7. وضع 1 # P في الأنابيب مدبب واستخدام شريط لاصق لإصلاح المغناطيس الدائم. كما هو مبين في الشكل 3. مكان لاصق بالبالضبط فوق المغناطيس الدائم ، وعلاج لاصقه (الايبوكسي #2 هو نفس الايبوكسي #1) لمده 30 دقيقه في درجه حرارة 150 درجه مئوية. ثم ، تطبيق القوه المحملة مسبقا باليد إلى ألياف براج صريف. قوه الشد تسمح للألياف ان تكون في حاله عدم الانحناء.
   ملاحظه: تسمي هذه الأجزاء مجتمعه كاشف FBG. كاشف FBG هو المسؤول عن تحويل اشاره القوه المغناطيسية إلى اشاره معلمات الازاحه.
8. أزاله شريط لاصق. ويسمي إنتاج هذه الخطوة 2 # P.
9. لصق موصل النمط الواحد APC إلى نهاية ألياف 2 # P باستخدام الانصهار الربط ، واتباع تعليمات الشركة المصنعة.
10. إصلاح اثنين من كاشفات FBG في فتحه من المشبك ، ومن ثم ، إصلاح المشبك إلى منصة النزوح.

4. بناء نظام الاختبار

1. قوه المحقق الموجه عاليه السرعة مع المدمج في التبديل البصرية.
2. قم بتشغيل البث التلقائي المضخم (ASE). توجيه الضوء في ألياف المدخلات والمخرجات ونشرها إلى مستشعر الازاحه القائم علي FBG. بعد ذلك ، يعكس أطياف الانعكاس التي تم تضمينها بواسطة جهاز الاستشعار ذلك للمحقق عبر ألياف المدخلة والمخرجات مره أخرى.
3. قم بتوصيل المحقق بالكمبيوتر باستخدام كبل ethernet ، استنادا إلى بروتوكول UDP.
4. توصيل دائري بصري إلى محلل الطيف البصري (OSA) مع الحد الأدنى من القرار من 0.02 نانومتر ، لرصد التحول الطول الموجي براج.
5. السلطة المحركات السائر مع 24 فولت.
6. تغيير سرعه المحرك عن طريق ضبط التبديل DIP من وحده تحكم المحرك السائر. مع منفذ التحكم الخارجي ، يمكن ان تكون مدفوعة وحده تحكم المحركات السائر في نصف خطوه ، عادي ، وغيرها من وسائط محرك الاقراص ، كما هو مبين في الجدول 2، وعلي رقاقه المروحية PWM الدوائر تسمح التبديل وضع السيطرة علي التيار في اللفات استنادا إلى MCU.
7. اضبط المسافة بين جهازي الكشف والمقياس المغناطيسي.
   1. ضبط حتى يكون هناك منحني الجيب أفضل بين النزوح والمجال المغناطيسي.
   2. ضبط حتى هناك طرق وصفها جيدا لتحفيز أفضل مسافة¹¹ لان المغناطيس الدائم أسطواني مع المجالات المغناطيسية المعاكسة يتم ترتيب المتاخمة لبعضها البعض.
      ملاحظه: هناك علاقة جيبيه بين الازاحه والمجال المغناطيسي عندما يكون هناك مسافة مناسبه بين المقياس المغناطيسي والكاشف. القوه المغناطيسية لديها علاقة خطيه مع المجال المغناطيسي. وفقا ل [هوك] قانون, يتلقى قوه علاقة خطيه مع سلاله, والمركز طول موجي تغير من [فبغ] خطيه مع سلاله يطبق علي ال [فبغ]; التالي ، يمكن الحصول علي منحني الجيب.
   3. فصل كاشفات اثنين من بعضها البعض ل 22.5 مم.
      ملاحظه: (m ± 1/4) τ يساوي 22.5 مم (m هو عدد صحيح موجب ، m = 2) ، τ هو الملعب من المقياس المغناطيسي ، و (م ± 1/4) τ ≤ الطول الإجمالي للجدول المغناطيسي ، حيث τ يساوي 10.

5. تقييم مستشعر الازاحه المصمم

1. ضبط المسافة بين الكاشف والمقياس المغناطيسي ليكون 1.5 مم و ، ثم ، إصلاح المشبك.
2. قم بتوصيل طرف الموصل من نوع APC بالمستشعر إلى منفذ المحقق وأبدا برنامج التكوين. تعيين تردد أخذ العينات من المحقق إلى 5 كيلوهرتز لتسجيل في الوقت الحقيقي من الطول الموجي مركز FBG تغير مع مرور الوقت. اضغط علي الزر للتحكم في المحرك بزيادة قدرها 40 μm في كل مره (النوع F ، كما هو موضح في الجدول 2). تمثل الأنواع المختلفة خطوات مختلفه. إذا كان المحرك يعمل مع نوع F ، يمكن ان يكون المحرك أصغر الفاصل الزمني الخطوة واعلي دقه النزوح.
3. قم بتوصيل طرف الموصل من نوع APC بالمستشعر إلى منفذ OSA وأبدا برنامج التكوين. يراقب المحقق OSA والمستجوب التحول الموجي المركزي لل Ffgs. حفظ البيانات من معايره الحالة الثابتة.
4. بالتناوب في اتجاه عقارب السيارة وعكس اتجاه عقارب الدورة للمحرك في حاله ديناميكية. حفظ البيانات علي النحو الوارد أعلاه.
5. وضع الاستشعار علي لوحه الساخنة واجراء تجربه معايره درجه الحرارة. تغيير درجه حرارة الصفيحة الساخنة من 25 درجه مئوية إلى 90 درجه مئوية.
6. اجراء تحليل البيانات.
   1. استيراد البيانات بتنسيق .csv من تجربه المعايرة الثابتة إلى Matlab. توظيف الدالة findpeaks لاستخراج الطول الموجي مركز ألياف براج صريف. استخدم الوظيفة الحلقية من أداه تركيب المنحني لتناسب العلاقة بين الطول الموجي للمركز والازاحه ، كما هو موضح في الشكل 5a. كما ان الأخطاء المتبقية المناسبة بين نقاط العينة ومنحني التركيب مبينه في الشكل 5 باء. الاثنان [فورير] تركيب منحنيات بين المركز طول موجه نوبات والازاحه خطيه علي الرغم من الطور أصليه هنا:
      
   2. استيراد البيانات إلى برنامج المعالجة. باستخدام أداه تركيب المنحني ، ومعالجه البيانات التي تم الحصول عليها من دوران ديناميكية في اتجاه عقارب الدورة (الحركة إلى الامام) ودوران عكس اتجاه عقارب السيارة (الحركة الخلفية) من المحرك (الشكل 6).
   3. معالجه البيانات التي تم الحصول عليها من تجربه معايره درجه الحرارة علي النحو الوارد أعلاه (الشكل 7).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

المسافة ، تتراوح بين 1 مم إلى 3 مم¹¹، بين المقياس المغناطيسي وكاشف تمكين الكشف عن النزوح الخطي مع وظيفة الجيب. مكنت مسافة 22.5 مم بين كاشفين هذا النهج من تحقيق الكشف عن اتجاه حركه الكائن مع فارق المرحلة من 90 °. تم فصل كاشفات اثنين عن بعضها البعض ل (م ± 1/4) τ (m

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

لقد أظهرنا طريقه جديده لقياسات الازاحه الخطية العشوائية من خلال الجمع بين مقياس مغناطيسي واثنين من ألياف الشبكية براج. والميزة الرئيسية لهذه المستشعرات هي الازاحه العشوائية دون حصر. وقد ولد المقياس المغناطيسي المستخدم هنا وتيره للمجال المغنطيسي بمقدار 10 ملم ، وهو ما يتجاوز بكثير الحدود ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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