מדידת הזחה אקראית על-ידי שילוב סולם מגנטי ושני בראג בלגים

Summary

פרוטוקול ליצירת חיישן הזחה ליניארי בטווח מלא, המשלב בין שני גלאים בראג ' עם קנה מידה מגנטי, מוצג.

Abstract

מדידות התזוזה ארוכת הטווח באמצעות סיבים אופטיים תמיד היה אתגר הן מחקר בסיסי הייצור התעשייתי. פיתחנו והתאפיין סיבים עצמאיים בראג פומפיה (FBG) מבוססי חיישן העקירה אקראי המבצע סולם מגנטי כמו מנגנון העברת רומן. על ידי גילוי שינויים של שני אורכי גל FBG מרכז, מדידה בטווח מלא ניתן להשיג בקנה מידה מגנטי. לזיהוי בכיוון השעון וכיוון השעון הסיבוב של המנוע (למעשה, הכיוון של התנועה של האובייקט להיבדק), יש קשר sinusoidal בין העקירה ואת מרכז אורך הגל של FBG; כמו הסבב הטיפולי של האנטילווקייז, שינוי אורך הגל המרכזי של הגלאי FBG השני מראה הפרש שלב מוביל של סביב 90 ° (+ 90 °). כיוון החלופות לסיבוב בכיוון השעון, שינוי אורך הגל המרכזי של FBG השני מציג הפרש שלב בפיגור של כ-90 ° (-90 °). במקביל, שני חיישנים מבוססי FBG הם טמפרטורה עצמאית. אם יש צורך בצג מרוחק ללא כל התערבות אלקטרומגנטית, גישה מרשימה זו הופכת אותם לכלי שימושי לקביעת התזוזה האקראית. מתודולוגיה זו מתאימה לייצור תעשייתי. כמו מבנה של המערכת כולה היא פשוטה יחסית, זה חיישן העקירה ניתן להשתמש בייצור מסחרי. בנוסף להיותו חיישן עקירה, ניתן להשתמש בו כדי למדוד פרמטרים אחרים, כגון מהירות ותאוצה.

Introduction

לחיישנים אופטיים מבוססי סיבים יש יתרונות גדולים, כגון גמישות, ריבוב חלוקה של אורך הגל, ניטור מרחוק, עמידות בפני קורוזיה ומאפיינים אחרים. לפיכך, חיישן העקירה של סיבים אופטיים יש יישומים רחבים.

כדי להגשים את מדידות התזוזה הליניארית בסביבות מורכבות, מבנים שונים של סיבים אופטיים (למשל, אינטריימסון מייקלסון¹, מכלול החלל של fabry-perot², סיבי בראג '³, ה אובדן כיפוף⁴) פותחו במהלך השנים האחרונות. אובדן הכיפוף דורש את מקור האור בתחנה יציבה ואינו מתאים לתנודות סביבתיות. Qu et אל. עיצבו חיישן ננו אופטי סיבים אופטיים מבוסס על סיבים פלסטיק ליבה כפולה עם קצה אחד מצופה במראה כסופה; יש לו רזולוציה של 70 ננומטר⁵. חיישן הזחה פשוטה המבוססת על מבנה מכופף במצב יחיד מרובה-מצב-במצב יחיד (SMS) במבנה סיבים הוצע כדי להתגבר על המגבלות על המדידה של טווח העקירה; זה הגביר את רגישות העקירה משולשת עם טווח בין 0 כדי 520 יקרומטר⁶. לין ואח ' הציגה מערכת חיישן עקירה המשלבת את FBG יחד עם קפיץ; כוח הפלט הוא ליניארי בקירוב עם עקירה של 110-140 מ"מ⁷. חיישן fabry-perot סיבים הזחה יש טווח מדידה של 0-0.5 מ"מ עם יניאריות של 1.1% ורזולוציה של 3 יקרומטר⁸. ז'או ואח ' דיווח על חיישן הזחה בטווח רחב המבוסס על מדידת פברי סיבים אופטיים למדידות תת-מרחביות, עד 0.084 ננומטר מעל טווח דינמי של 3 מ ל⁹. חיישן העקירה סיבים אופטיים מבוסס על עוצמה רפלקטיבית הטכנולוגיה מודנן הוכחו באמצעות מקוליסיבים תזונתיים; זה היה טווח חישה מעל 30 ס"מ¹⁰. למרות סיבים אופטיים יכול להיות מפוברק לסוגים רבים של חיישנים העקירה, אלה סיבים מבוססי חיישנים בדרך כלל לעשות שימוש במגבלת מתיחה של החומר עצמו, אשר מגביל את היישום שלהם במדידות לטווח רחב. לפיכך, הפשרות עשויות לרוב בין טווח המדידה לבין הרגישות. כמו-כן, קשה לקבוע את ההזחה כאשר משתנים שונים מתרחשים בו זמנית; במיוחד, רגישות מקושרת של המתח והטמפרטורה עלולה לגרום נזק לדיוק הנסיוני. ישנן טכניקות אפליה רבות שדווחו בספרות, כגון שימוש בשני מבני חישה שונים, באמצעות FBG בודד חצי בונדד על ידי דבקים שונים, או באמצעות סיבים אופטיים מיוחדים. כך, התפתחות נוספת של חיישנים אופטיים הזחה הסיבים דורש רגישות גבוהה, גודל קטן, יציבות גדולה, מגוון מלא, ועצמאות טמפרטורה.

כאן, המבנה התקופתי של הסולם המגנטי הופך את המדידה לטווח מלא אפשרית. תזוזה אקראית ללא טווח מדידה מוגבל עם קנה מידה מגנטי מושגת. בשילוב עם שני FBGs, הן רגישות האקלים והזיהוי לכיוון התנועה יכול להיפתר. צעדים שונים בשיטה זו דורשים דיוק ותשומת לב לפרטים. פרוטוקול ייצור החיישנים מתואר בפרוטרוט כדלקמן.

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

Protocol

1. ייצור סיבי בראג

1. כדי לשפר את הרגישות של ליבת סיבים, לשים סיבים במצב אחד סטנדרטי לתוך מימן מטען אטום במשך שבוע אחד.
2. להרכיבו את הסיבים בראג באמצעות הטכניקה מסכת שלב הסריקה ואת התדר הוכפל, גל רציף לייזר ארגון-יון באורך גל של 244 ננומטר.
   1. התמקד סיבים אופטיים עם עדשה גלילי ו אולטרה סגול (UV) קרן לייזר. הטבעה של הפומפיה (אפנון תקופתי של מדד השבירה) בליבה הרגישים לאור באמצעות מסכת פאזה (במקביל לציר הסיבים) הממוקמת מול הסיבים. הפלט האור על ידי הלייזר מעוצב ומאונך למסכת הפאזה. מניחים את הסיבים במיקום של ± 1 הסדר הפצת אור לחשיפה UV.
3. לאחר כתובת UV, מניחים את שני בראג סיבים להגרנגס בתנור 100 ° c עבור 48 h כדי להסיר את כל המימן השאריות, עד השתקפות של פומפיה סיבים מופחת 10%, the 3 רוחב פס dB מופחת על ידי 0.1 nm, ואת הגל המרכזי מוזז על ידי 0.8 nm. שלב זה נקרא עיבוד הריפוי. הפרמטרים של FBG לא ישתנו לאחר עיבוד הריפוי.
   הערה: אורכי גל מרכזיים של שני FBGs אלה הם 1,555.12 ננומטר (1 FBG) ו 1,557.29 nm (2 FBG) עם אורכי פומפיה של 5 מ"מ.

2. הכנת הסולם המגנטי ומהדק התואם

1. לקבוע את גודל מגנט קבוע על פי העיצוב תיאר בעבר⁸. התיאור של מגנט קבוע מוצג בטבלה 1.
2. עצב את החריץ של הסולם המגנטי, שהמימד שלו תואם למגנט הקבוע, כפי שמוצג באיור 1.
   1. אשר את הממד של התפס התאמה ולקבוע מרחק של 22.5 מ"מ בין שני חריצים במלחציים. כדי להסיר הפרעה שדה מגנטי, המלחציים עשוי נירוסטה.
   2. להגדיר מרחק של 10 מ"מ של המגרש בקנה מידה מגנטי (τ) כדי להבדיל את כיוון התנועה, ולקבוע מרחק של 22.5 מ"מ ((2 + 1/4) · τ) בין שני הגלאים. שני גלאים יכולים להשיג את מאפיין העקירה בהתאם לנוסחאות הבאות, אשר יכולים להשיג sinusoidal פונקציה וריאציות על ידי הבדל שלב של 90 °, כאשר x הוא העקירה, F_{1 fbg} ו- F_{2 #FBG} הם הכוח המגנטי של שני הגלאים, ו- B הוא קבוע. מבנה הסולם המגנטי והמלחציים התואמים שלו מוצגים באיור 1.
      
3. שים מגנטים קבועים לתוך חריצי המלחציים, עם N מגנטי מסודרים לסירוגין. גלילי מגנטים קבועים ממוגנטים רק בכיוון הצירי, והווקטור המגנטי שלו הוא 750 kA/m.

3. הייצור של חיישן התזוזה

1. להכין תערובת של אפוקסי לריפוי סיבים אופטיים (דבק) על ידי הוספת 100 מ"ג של הררנר (רכיב A) כדי 200 mg של שרף (רכיב B), כפי שמוצג באיור 2.
2. למדוד את המרחק של סיבי הזנב סיבים, כ 10 מ"מ בין הפנים הקצה של הזנב הסיבים והאזור סורגים, ולאחר מכן, ציון זה עם סמן נקודה יפה.
3. להשתמש בחשפנית סיבים אופטיים כדי לקלף את ציפוי סיבים להסיר אותו מהמיקום סמן של השלב הקודם.
4. נקו את פני השטח של כל פולימר שנותר עם נייר ללא אבק. הצב את הלהב של קליבר בעל דיוק גבוה בניצב לכבל סיבים אופטיים וגזור אותו.
5. לשים מגנט קבוע על הצלחת חם ומניחים באביב עם אורך של 15 מ"מ מעל מגנט קבוע.
   הערה: אורך המעיין הוא המרכיב העיקרי של הכוח הטעון מראש בשלב הבא.
6. הדבק את סיבים שהתקבלו משלב 3.3. מניחים את הזנב הפיגמי של הסיבים בתוך המעיין, כפי שמוצג באיור 2, ומרפאים את הדבק (#1 אפוקסי) במשך 30 דקות ב-150 ° c.
   הערה: שלושת החלקים המשולבים האלה נקראים 1 P.
7. שים 1 P לתוך הצינור מחודדות ולהשתמש דבק קלטת כדי לתקן את המגנט קבוע. כפי שמוצג באיור 3. המקום דבק בדיוק מעל מגנט קבוע, ולרפא את הדבק (אפוקסי #2 זהה ל#1 אפוקסי) עבור 30 דקות בטמפרטורה של 150 ° c. לאחר מכן, החילו את הכוח שנטען מטעון על ידי הסיבים בראג. הכוח המהדק מאפשר לסיבים להיות במצב שאינו כפוף.
   הערה: חלקים משולבים אלה נקראים גלאי FBG. גלאי ה-FBG אחראי להמרת אות הכוח המגנטי לאות של פרמטרי ההזחה.
8. הסר את הדבק; הייצור של שלב זה נקרא 2 P.
9. אחוי מחבר במצב יחיד של APC לסוף 2 P סיבים באמצעות מיזוג פיוז'ן, בעקבות הוראות היצרן.
10. תקן שני גלאי FBG לחריץ של התפס ולאחר מכן תקן את התפס בפלטפורמת ההזחה.

4. בניית מערכת הבדיקות

1. הפעל את החוקר בעל הגל המהיר עם המתג האופטי המובנה.
2. הפעל את הפליטה הספונטנית מוגברת (ASE). הנחה את האור לתוך סיבי פלט הקלט והפץ אותו לחיישן התזוזה המבוסס על FBG. לאחר מכן, ספקטרום ההשתקפות מאופנן על-ידי החיישן משקף אותו לחוקר דרך סיבי פלט הקלט שוב.
3. חבר את החוקר למחשב באמצעות כבל ethernet, בהתבסס על פרוטוקול UDP.
4. חבר את מנוע אופטי למנתח ספקטרום אופטי (OSA) עם רזולוציה מינימלית של 0.02 ננומטר, עבור ניטור משמרת בראג אורך הגל.
5. כוח מנוע stepper עם 24 V.
6. לשנות את מהירות המנוע על ידי התאמת מתג DIP של בקר מנוע stepper. עם יציאת בקרה חיצונית, בקר מנוע stepper יכול להיות מונע בחצי צעד, רגיל, ומצבי כונן אחרים, כפי שמוצג בטבלה 2, ועל-ידי שבב מעגלים המסוק pwm להתיר לשלוט במצב של הנוכחי של עוטפי על בסיס mcu.
7. כוונן את המרחק בין שני הגלאים לבין הסולם המגנטי.
   1. כוונן עד שיהיה עיקול sinusoidal טוב יותר בין ההזחה לשדה המגנטי.
   2. כוונן עד שיש שיטות מתוארות היטב כדי לעורר את המרחק הטוב ביותר¹¹ מכיוון גלילי מגנטים קבועים עם שדות מגנטיים מנוגדים מסודרים סמוכים זה לזה.
      הערה: יש קשר sinusoidal בין העקירה לבין השדה המגנטי כאשר יש מרחק מתאים בין הסולם המגנטי לבין הגלאי. לכוח המגנטי יש קשר. לינארי עם השדה המגנטי לפי חוק של הוק, כוח יש קשר ליניארי עם המתח, ואת מרכז אורך הגל של FBG הוא ליניארי עם זן מוחל על FBG; לפיכך, עקומת sinusoidal ניתן להשיג.
   3. הפרד בין שני הגלאים אחד מהשני עבור 22.5 מ"מ.
      הערה: (m ± 1/4) τ שווה 22.5 מ"מ (m הוא מספר שלם חיובי, m = 2), τ הוא הגובה של הסולם המגנטי, ו (m ± 1/4) τ ≤ אורך הכולל של הסולם המגנטי, כאשר τ שווה 10.

5. הערכה של חיישן העקירה המתוכנן

1. כוונן את המרחק בין הגלאי לבין הסולם המגנטי כדי להיות 1.5 מ"מ ולאחר מכן תקן את התפס.
2. חבר את קצה מחבר הנגמ-סוג של החיישן לתוך יציאת החוקר והפעל את תוכנת התצורה. הגדר את תדירות הדגימה של החוקר ל-5 kHz עבור הקלטה בזמן אמת של מרכז FBG שינוי אורך הגל במשך הזמן. לחץ על הכפתור כדי לשלוט על המנוע על ידי תוספת של 40 יקרומטר בכל פעם (סוג F, כפי שמוצג בטבלה 2). סוגים שונים מייצגים שלבים שונים. אם המנוע עובד עם סוג F, המנוע יכול להיות מרווח הצעד הקטן ביותר ודיוק ההזחה הגבוהה ביותר.
3. חבר את קצה מחבר הנגמ-סוג של החיישן לתוך יציאת OSA והפעל את תוכנת התצורה. OSA וחוקר מפקחים על אורכי הגל המרכזי של FBGs. שמור את הנתונים מכיול המצב הסטטי.
4. החלפת מנוע בכיוון השעון והאנטילווקייז של המנוע במצב דינמי. שמור את הנתונים כמעל.
5. שים את החיישן על הצלחת החם ולבצע ניסוי כיול טמפרטורה. שינוי הטמפרטורה של הצלחת החמה מ-25 ° צ' עד 90 ° c.
6. בצע ניתוח נתונים.
   1. יבא את הנתונים בתבנית. csv מניסוי הכיול הסטטי לתוך MATLAB. השתמש בפונקציה findpeaks כדי לחלץ את אורך הגל המרכזי של מרכז הסיבים בראג. השתמש בפונקציה sinusoidal מכלי ההתאמה של העקומה כדי להתאים את הקשר בין אורך הגל המרכזי לבין ההזחה, כפי שמוצג באיור 5a. ההתאמה שיורית בין נקודות לדוגמה לבין עקומת ההתאמה מתוארים גם באיור 5b. שתי מדידות פורייה משתנה בין משמרות אורך הגל לבין התזוזה הליניארית למרות השלב המקורי הם כאן:
      
   2. יבא את הנתונים לתוך תוכנת העיבוד. באמצעות כלי המדידה העקומה, עבד את הנתונים המתקבלים מסיבוב בכיוון השעון הדינמי (תנועה קדימה) וסיבוב אנטילומטר (תנועה לאחור) של המנוע (איור 6).
   3. עבד את הנתונים שהושגו מניסוי כיול הטמפרטורה לעיל (איור 7).

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

תוצאות

המרחק, החל 1 מ"מ עד 3 מ"מ¹¹, בין הסולם המגנטי לבין הגלאי אפשרה זיהוי של העקירה הליניארית עם פונקציה sinusoidal. מרחק של 22.5 מ"מ בין שני גלאים אפשרה גישה זו כדי להגשים את הגילוי של הכיוון של תנועת האובייקט עם הבדל פאזה של 90 °. שני הגלאים הופרדו זה מזה (m ± 1/4) τ (m הו?...

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

Discussion

הדגמנו שיטה חדשה למדידות אקראיות לינאריות על ידי שילוב קנה מידה מגנטי ושני בראג מסיבי. היתרון העיקרי של חיישנים אלה הוא הזחה אקראית ללא הגבלה. הסולם המגנטי המשמש כאן יצר תקופתיות של השדה המגנטי ב 10 מ"מ, הרבה מעבר לגבולות המעשיים של חיישני סיבים אופטיים קונבנציונאלי הזחה, כגון עקירה שהוזכרו...

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