Une mesure de déplacement aléatoire en combinant une échelle magnétique et deux gratings de vantardise de fibre

Résumé

Un protocole pour créer un capteur de déplacement linéaire à pleine portée, combinant deux détecteurs de grille de vantardise bragg en fibre emballés avec une échelle magnétique, est présenté.

Résumé

Les mesures de déplacement à longue distance à l'aide de fibres optiques ont toujours été un défi tant dans la recherche fondamentale que dans la production industrielle. Nous avons développé et caractérisé un capteur de déplacement aléatoire à base de fibres bragg (FBG) indépendant de la température qui adopte une échelle magnétique comme un nouveau mécanisme de transfert. En détectant les décalages de deux longueurs d'onde du centre FBG, une mesure à pleine portée peut être obtenue à l'échelle magnétique. Pour l'identification de la direction de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre du moteur (en fait, la direction du mouvement de l'objet à tester), il existe une relation sinusoïdale entre le déplacement et le décalage de longueur d'onde centrale du FBG; à mesure que la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre alterne, le décalage de longueur d'onde centrale du deuxième détecteur FBG montre une différence de phase de pointe d'environ 90 degrés. Au fur et à mesure que la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre alterne, le décalage de longueur d'onde centrale du deuxième FBG affiche une différence de phase de retard d'environ 90 degrés (-90 degrés). Dans le même temps, les deux capteurs à base de FBG sont indépendants de la température. S'il y a un besoin d'un moniteur à distance sans aucune interférence électromagnétique, cette approche frappante en fait un outil utile pour déterminer le déplacement aléatoire. Cette méthodologie est appropriée pour la production industrielle. Comme la structure de l'ensemble du système est relativement simple, ce capteur de déplacement peut être utilisé dans la production commerciale. En plus d'être un capteur de déplacement, il peut être utilisé pour mesurer d'autres paramètres, tels que la vitesse et l'accélération.

Introduction

Les capteurs à fibres optiques présentent de grands avantages, tels que la flexibilité, le multiplexage de la division de longueur d'onde, la télésurveillance, la résistance à la corrosion et d'autres caractéristiques. Ainsi, le capteur de déplacement de fibre optique a de larges applications.

Pour réaliser des mesures de déplacement linéaireciblées dans des environnements complexes, diverses structures de la fibre optique (par exemple, l'interféromètre Michelson¹, l'interféromètre de cavité Fabry-Perot², la fibre Bragg rrating³, le perte de flexion⁴) ont été développées au cours des dernières années. La perte de flexion nécessite la source de lumière dans une station stable et ne convient pas aux vibrations environnementales. Qu et coll. ont conçu un capteur interférométrique de nano-déplacement à fibre optique à partir d'une fibre plastique à double cœur avec une extrémité recouverte d'un miroir argenté; il a une résolution de 70 nm⁵. Un capteur de déplacement simple basé sur une structure de fibre à mode unique plié-multimode-mode (SMS) a été proposé pour surmonter les limites sur la mesure de la plage de déplacement ; il a triplé la sensibilité au déplacement avec une fourchette de 0 à 520 m⁶. Lin et coll. ont présenté un système de capteurs de déplacement qui combine le FBG avec un ressort; la puissance de sortie est approximativement linéaire avec le déplacement de 110-140 mm^7. Un capteur de déplacement en fibre Fabry-Perot a une portée de mesure de 0-0,5 mm avec une linéarité de 1,1% et une résolution de 3 m⁸. Zhou et coll. ont signalé un capteur de déplacement à large portée basé sur un interféromètre à fibres optiques Fabry-Perot pour les mesures subnanométriques, jusqu'à 0,084 nm sur une plage dynamique de 3 mm⁹. Un capteur de déplacement de fibre optique basé sur la technologie modulée d'intensité réfléchissante a été démontré utilisant un collimateur de fibre ; cela avait une portée de détection de plus de 30 cm¹⁰. Bien que les fibres optiques puissent être fabriquées en de nombreux types de capteurs de déplacement, ces capteurs à base de fibres utilisent généralement la limite tendancieux du matériau lui-même, ce qui limite leur application dans les mesures à large portée. Ainsi, des compromis sont généralement faits entre la plage de mesure et la sensibilité. En outre, il est difficile de déterminer le déplacement que diverses variables se produisent simultanément; en particulier, la sensibilité croisée de la souche et de la température pourrait endommager la précision expérimentale. Il existe de nombreuses techniques de discrimination signalées dans la littérature, comme l'utilisation de deux structures de détection différentes, l'utilisation d'un seul FBG à moitié collépar par des colles différentes, ou l'utilisation de fibres optiques spéciales. Ainsi, le développement ultérieur des capteurs de déplacement de fibre optique exige une sensibilité élevée, une petite taille, une grande stabilité, la gamme complète, et l'indépendance de température.

Ici, la structure périodique de l'échelle magnétique permet une mesure à pleine portée. Un déplacement aléatoire sans une plage de mesure limitée avec une échelle magnétique est atteint. Combiné avec deux FBG, à la fois la sensibilité de la température cross et l'identification de la direction du mouvement pourrait être résolu. Diverses étapes de cette méthode exigent la précision et l'attention aux détails. Le protocole de fabrication du capteur est décrit en détail comme suit.

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Protocole

1. Fabrication de la fibre Bragg râpage

1. Pour améliorer la photosensibilité du noyau de fibre, mettez une fibre standard à mode unique dans une boîte hermétique chargée d'hydrogène pendant 1 semaine.
2. Fabriquez la fibre Bragg grille à l'aide de la technique de balayage phase-masque et une fréquence doublée, laser à ondes continues argon-ion à une longueur d'onde de 244 nm.
   1. Concentrez-vous sur la fibre optique avec une lentille cylindrique et un faisceau laser ultraviolet (UV). Imprimez la grille (modulation périodique de l'indice de réfraction) dans le noyau photosensible à l'aide d'un masque de phase (parallèle à l'axe de fibre) placé devant la fibre. La sortie de lumière par le laser est en forme et perpendiculaire au masque de phase. Placez la fibre à la position de la lumière diffractée de commande no 1 pour l'exposition aux UV.
3. Après l'inscription UV, placez les deux grilles bragg en fibre dans un four à 100 oC pendant 48 h pour enlever tout hydrogène résiduel, jusqu'à ce que la réflectivité de la grille de fibre soit réduite de 10 %, la bande passante de 3 dB est réduite de 0,1 nm, et la longueur d'onde centrale est décalée de 0,8 nm. Cette étape est appelée le traitement annealing. Les paramètres de FBG ne changeront pas après le traitement d'annealing.
   REMARQUE : Les longueurs d'onde centrales de ces deux FBG sont de 1 555,12 nm (1 FBG) et de 1 557,29 nm (2 FBG) avec des longueurs de grille de 5 mm.

2. Préparation de l'échelle magnétique et de la pince correspondante

1. Déterminer la taille de l'aimant permanent selon la conception décrite précédemment⁸. La description de l'aimant permanent est indiquée dans le tableau 1.
2. Concevoir la fente de l'échelle magnétique, dont la dimension correspond à l'aimant permanent, comme le montre la figure 1.
   1. Confirmer la dimension de la pince correspondante et définir une distance de 22,5 mm entre les deux fentes dans la pince. Afin d'éliminer les interférences de champ magnétique, la pince est faite d'acier inoxydable.
   2. Fixez une distance de 10 mm de la hauteur dans l'échelle magnétique pour distinguer la direction du mouvement, et fixez une distance de 22,5 mm ((2 x 1/4) entre les deux détecteurs. Deux détecteurs peuvent obtenir la caractéristique de déplacement selon les formules suivantes, qui peuvent atteindre des variations de fonction sinusoïdale par une différence de phase de 90 degrés, où x est le déplacement, F_1-FBG et F_{2 #FBG} sont la force magnétique des deux détecteurs, et B est une constante. La structure de l'échelle magnétique et sa pince assortie sont indiquées dans la figure 1.
      
3. Placez des aimants permanents dans les fentes de la pince, avec le N/S magnétique disposés alternativement. Les aimants permanents cylindriques ne sont magnétisés que dans la direction axiale, et son vecteur magnétique est de 750 kA/m.

3. Fabrication du capteur de déplacement

1. Préparer un mélange d'époxy fibre optique curable à la chaleur (colle) en ajoutant 100 mg de durcisseur (composant A) à 200 mg de résine (composant B), comme le montre la figure 2.
2. Mesurer la distance de la fibre de queue de cochon, environ 10 mm entre la face d'extrémité de la fibre de queue de porc et la région de grille, puis, le marquer avec un marqueur de point fin.
3. Utilisez un décapant à fibres optiques pour peler le revêtement de fibres et le retirer de la position de marqueur de l'étape précédente.
4. Nettoyez la surface de tout polymère restant avec du papier sans poussière. Placez la lame d'un couperet en fibre de haute précision perpendiculaire ment au câble de fibre optique et coupez-le.
5. Placez un aimant permanent sur la plaque chauffante et placez un ressort d'une longueur de 15 mm au-dessus de l'aimant permanent.
   REMARQUE : La longueur du ressort est l'élément principal de la force préchargée à l'étape suivante.
6. Collez la fibre obtenue à partir de l'étape 3.3. Placez la queue de cochon de la fibre à l'intérieur du ressort, comme le montre la figure 2,et guérissez l'adhésif (Époxy #1) pendant 30 min à 150 oC.
   REMARQUE : Ces trois parties combinées sont appelées 1 p.
7. Mettre 1 P dans le tuyau effilé et utiliser du ruban adhésif pour fixer l'aimant permanent. comme le montre la figure 3. Placez l'adhésif exactement au-dessus de l'aimant permanent, et guérissez l'adhésif (Epoxy #2 est le même que l'Époxy #1) pendant 30 min à une température de 150 oC. Ensuite, appliquer la force préchargée à la main à la fibre Bragg râpage; la force de présserrage permet à la fibre d'être dans un état de non-flexion.
   REMARQUE : Ces pièces combinées sont appelées détecteur s'appellent FBG. Le détecteur FBG est responsable de la conversion du signal de la force magnétique en signal des paramètres de déplacement.
8. Retirer le ruban adhésif; la production de cette étape s'appelle 2'P.
9. Épissage d'un connecteur monomode de type APC à l'extrémité de la fibre 2-P à l'aide d'un épissage de fusion, suivant les instructions du fabricant.
10. Fixez deux détecteurs FBG dans la fente de la pince, puis fixez la pince à la plate-forme de déplacement.

4. Construire le système d'essai

1. Alimentez l'interrogateur à longueur d'onde à grande vitesse avec l'interrupteur optique intégré.
2. Activez l'émission spontanée amplifiée (ASE). Guidez la lumière dans la fibre de sortie d'entrée et propagez-la au capteur de déplacement basé sur LE FBG. Ensuite, les spectres de réflexion modulés par le capteur le reflètent à nouveau à l'interrogateur via la fibre d'entrée-sortie.
3. Connectez l'interrogateur à l'ordinateur avec un câble Ethernet, basé sur le protocole UDP.
4. Connectez le circulateur optique à l'analyseur de spectre optique (OSA) avec une résolution minimale de 0,02 nm, pour surveiller le décalage de longueur d'onde bragg.
5. Alimentez le moteur stepper avec 24 V.
6. Changez la vitesse du moteur en ajustant l'interrupteur DIP du contrôleur moteur stepper. Avec le port de commande externe, le contrôleur moteur stepper peut être conduit en demi-étape, normal, et d'autres modes d'entraînement, comme indiqué dans le tableau 2, et sur puce circuits d'hélico PWM permettent le contrôle en mode commutateur du courant dans les enroulements basés sur un MCU.
7. Ajuster la distance entre les deux détecteurs et l'échelle magnétique.
   1. Ajustez-vous jusqu'à ce qu'il y ait une meilleure courbe sinusoïdale entre le déplacement et le champ magnétique.
   2. Ajustez-vous jusqu'à ce qu'il y ait des méthodes bien décrites pour stimuler la meilleure distance¹¹ parce que les aimants permanents cylindriques avec des champs magnétiques opposés sont disposés à côté les uns des autres.
      REMARQUE : Il existe une relation sinusoïdale entre le déplacement et le champ magnétique lorsqu'il y a une distance appropriée entre l'échelle magnétique et le détecteur. La force magnétique a une relation linéaire avec le champ magnétique. Selon la loi de Hooke, la force a une relation linéaire avec la souche, et le décalage de longueur d'onde centrale de FBG est linéaire avec la contrainte appliquée sur le FBG ; ainsi, une courbe sinusoïdale peut être obtenue.
   3. Séparez les deux détecteurs l'un de l'autre pendant 22,5 mm.
      REMARQUE : (m - 1/4) équivaut à 22,5 mm(m est un entier positif, m - 2), est la hauteur de l'échelle magnétique, et(m - 1 /4) - la longueur totale de l'échelle magnétique, où est égal à 10.

5. Évaluation du capteur de déplacement conçu

1. Ajuster la distance entre le détecteur et l'échelle magnétique à 1,5 mm et, ensuite, fixer la pince.
2. Branchez l'extrémité du connecteur de type APC du capteur dans le port d'interrogateur et démarrez le logiciel de configuration. Définir la fréquence d'échantillonnage de l'interrogateur à 5 kHz pour un enregistrement en temps réel de la variation de la longueur d'onde centrale FBG au fil du temps. Appuyez sur le bouton pour contrôler le moteur par une incrément de 40 m à chaque fois (type F, comme le montre le tableau 2). Différents types représentent différentes étapes. Si le moteur fonctionne avec le type F, le moteur peut avoir le plus petit intervalle d'étape et la plus grande précision de déplacement.
3. Branchez l'extrémité du connecteur de type APC du capteur dans le port OSA et démarrez le logiciel de configuration. Un AOS et un interrogateur surveillent le déplacement des longueurs d'onde centrales des FBG. Enregistrer les données de l'étalonnage statique de l'état.
4. Alternez la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre du moteur dans un état dynamique. Enregistrez les données ci-dessus.
5. Placez le capteur sur la plaque chauffante et effectuez une expérience d'étalonnage de la température. Modifier la température de la plaque chauffante de 25 à 90 oC.
6. Effectuer l'analyse des données.
   1. Importer les données dans un format .csv de l'expérience d'étalonnage statique dans MATLAB. Utilisez la fonction findpeaks pour extraire la longueur d'onde centrale de la fibre Bragg râpage. Utilisez la fonction sinusoïdale de l'outil de montage de courbe pour s'adapter à la relation entre la longueur d'onde centrale et le déplacement, comme le montre la figure 5a. Les erreurs résiduelles d'ajustement entre les points d'échantillonnage et la courbe d'ajustement sont également représentées dans la figure 5b. Les deux courbes d'ajustement Fourier entre les décalages de longueur d'onde centrale et le déplacement linéaire malgré la phase d'origine sont ici :
      
   2. Importer les données dans le logiciel de traitement. À l'aide de l'outil de montage de courbe, traiter les données obtenues à partir d'une rotation dynamique dans le sens des aiguilles d'une montre (mouvement vers l'avant) et d'une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (mouvement arrière) du moteur (figure 6).
   3. Traiter les données obtenues à partir de l'expérience d'étalonnage de température comme ci-dessus (Figure 7).

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Résultats

La distance, allant de 1 mm à 3 mm^11,entre l'échelle magnétique et le détecteur a permis la détection du déplacement linéaire avec une fonction sinusoïdale. Une distance de 22,5 mm entre deux détecteurs a permis à cette approche de réaliser la détection de la direction du mouvement d'un objet avec une différence de phase de 90 degrés. Les deux détecteurs ont été séparés l'un de l'autre pour(m - 1/4) (m est un entier positif) et ...

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Discussion

Nous avons démontré une nouvelle méthode pour les mesures aléatoires de déplacement linéaire en combinant une échelle magnétique et deux grilles de Bragg de fibre. Le principal avantage de ces capteurs est le déplacement aléatoire sans limitation. L'échelle magnétique utilisée ici a généré une périodicité du champ magnétique à 10 mm, bien au-delà des limites pratiques des capteurs de déplacement de fibres optiques classiques, tels que le déplacement mentionné par Lin et al.⁷

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matériels

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