Измерение случайного перемещения путем объединения магнитной шкалы и двух волтоволоконных гратор Брэгга

Резюме

Представлен протокол для создания полнодиапазонного линейного датчика смещения, сочетающего в себе два упакованных оптоволоконных детекторов решетки Bragg с магнитной шкалой.

Аннотация

Измерения перемещения на большие расстояния с использованием оптических волокон всегда были проблемой как в фундаментальных исследованиях, так и в промышленном производстве. Мы разработали и охарактеризовали температурно-независимый волоконный брэгг-решетка (FBG) на основе случайного смещения датчик, который принимает магнитную шкалу в качестве нового механизма передачи. Обнаружив сдвиги двух длин волн центра FBG, полнодиапазонное измерение может быть получено с магнитной шкалой. Для определения направления вращения двигателя по часовой стрелке и против часовой стрелки (фактически направление движения объекта, подавено испытания), существует синусоидальная связь между смещением и сдвигом длины волны в центре волны ФБГ; по мере того как чередуемое вращение против часовой стрелки, сдвиг длины волны центра второго детектора FBG показывает ведущую разницу участка вокруг 90 «(90»). По мере того как вращение по часовой стрелке чередуется, сдвиг длины волны в центре второй FBG отображает отставание в фазе разницы около 90 градусов (-90 градусов). В то же время два датчика на основе FBG не зависят от температуры. Если есть некоторая потребность в удаленном мониторе без каких-либо электромагнитных помех, этот поразительный подход делает их полезным инструментом для определения случайного перемещения. Эта методология подходит для промышленного производства. Поскольку структура всей системы относительно проста, этот датчик смещения может быть использован в коммерческом производстве. В дополнение к тому, что датчик смещения, он может быть использован для измерения других параметров, таких как скорость и ускорение.

Введение

Оптические волоконные датчики имеют большие преимущества, такие как гибкость, мультиплексирование делекции длин волн, удаленный мониторинг, коррозионная устойчивость и другие характеристики. Таким образом, датчик смещения оптического волокна имеет широкое применение.

Для реализации целевых линейных измерений смещения в сложных средах, различные структуры оптического волокна (например, интерферометр Михельсона¹, Фэбри-Пери интерферометр2 , волокна Брэгг решетки³, изгиб потери⁴) были разработаны в течение последних лет. Изгиб потери требует источника света в стабильной станции и не подходит для экологической вибрации. Цю и др. разработали интерферометрический волоконно-оптический наноудеричный датчик на основе пластикового двухъямного волокна с одним концом, покрытым серебряным зеркалом; он имеет разрешение 70 нм⁵. Для преодоления ограничений на измерение диапазона перемещения был предложен простой датчик смещения на основе изогнутой однорежимной-многомообразной (SMS) волоконной структуры; он увеличил чувствительность смещения в три раза с диапазоном от 0 до 520 мкм⁶. Lin et al. представили систему датчиков смещения, которая сочетает в себе FBG вместе с пружиной; мощность выходной мощности примерно линейная с водоизмещением 110-140 мм^7. Датчик смещения волокна Fabry-Perot имеет диапазон измерений 0-0,5 мм с линейностью 1,1% и разрешением 3 мкм^8. Чжоу и др. сообщили о широком диапазоне датчика смещения на основе волоконно-оптического фальсификата Fabry-Perot интерферометра для измерений субнанометра, до 0,084 нм в течение динамического диапазона 3 мм⁹. Датчик волокнисто-оптического смещения на основе модулированной технологии светоотражающей интенсивности был продемонстрирован с помощью волоконно-оптического коллиматора; это было зондирования диапазоне более 30 см¹⁰. Хотя оптические волокна могут быть изготовлены в многие виды датчиков смещения, эти волоконно-оптические датчики обычно используют предел растяжения самого материала, что ограничивает их применение в измерениях широкого диапазона. Таким образом, обычно идут компромиссы между диапазоном измерений и чувствительностью. Кроме того, трудно определить перемещение, поскольку различные переменные возникают одновременно; особенно, поперечная чувствительность штамма и температуры может повредить экспериментальной точности. Есть много методов дискриминации сообщили в литературе, такие как использование двух различных структур зондирования, с использованием одного FBG полусвязанных различных клеев, или с использованием специальных оптических волокон. Таким образом, дальнейшее развитие датчиков смещения оптического волокна требует высокой чувствительности, небольшого размера, большой стабильности, полного диапазона и температурной независимости.

Здесь периодическая структура магнитной шкалы делает возможным полное измерение. Достигается случайное перемещение без ограниченного диапазона измерений с магнитной шкалой. В сочетании с двумя FBG можно было бы решить как температурную перекрестную чувствительность, так и определение направления движения. Различные шаги в рамках этого метода требуют точности и внимания к деталям. Протокол изготовления датчика подробно описан следующим образом.

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

протокол

1. Изготовление волокна Брэгг решетки

1. Для повышения светочувствительности волоконного ядра, положить стандартный однорежимное волокно в водородной герметичной канистры в течение 1 недели.
2. Изготовить решетку волокна Bragg с помощью метода сканирования фазовой маски и частотно-двойного, непрерывного волнового аргон-ионного лазера на длине волны 244 нм.
   1. Сосредоточьтесь на оптическом волокне с цилиндрической линзой и ультрафиолетовым (УФ) лазерным лучом. Запечатайте решетку (периодическую модуляцию рефракционного индекса) в фоточувствительном ядре с помощью фазовой маски (параллельно с оси волокна), помещенной перед волокном. Световой выход лазером имеет форму и перпендикулярно фазовой маске. Поместите волокно в положение 1 порядка диффломный свет для воздействия УФ-излучения.
3. После УФ-надписи поместите две решетки бряца в духовку на 100 градусов по Цельсию на 48 ч, чтобы удалить остатки водорода, пока отражательная способность решетки волокна не уменьшается на 10%, пропускная способность 3 дБ уменьшается на 0,1 нм, а длина центральной волны смещается на 0,8 нм. Этот шаг называется обработкой аннулирования. Параметры FBG не изменятся после обработки annealing.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Центральные длины волн этих двух FBGs 1555,12 нм (1 fBG) и 1557,29 нм (2 "FBG) с решеткой длиной 5 мм.

2. Подготовка магнитной шкалы и соответствующего зажима

1. Определить размер постоянного магнита в соответствии с ранее описанной конструкцией⁸. Описание постоянного магнита показано в таблице 1.
2. Дизайн слот амеб, размер которого совпадает с постоянным магнитом, как показано на рисунке 1.
   1. Подтвердите размер соответствующего зажима и установите расстояние 22,5 мм между двумя слотами в зажиме. Для того, чтобы удалить магнитные помехи поля, зажим изготовлен из нержавеющей стали.
   2. Установите расстояние в 10 мм поля в магнитной шкале (яп. ) для различения направления движения и установите расстояние 22,5 мм (2 х 1/4) между двумя детекторами. Два детектора могут получить смещение, характерное в соответствии со следующими формулами, которые могут достичь синусоидальных вариаций функции фазы разница в 90 ", где х является перемещение, F_1'FBG и F_{2 #FBG} являются магнитной силой двух детекторов, а B является постоянной. Структура магнитной шкалы и ее соответствующий зажим показаны на рисунке 1.
      
3. Положите постоянные магниты в слоты зажима, с магнитным N / S попеременно расположены. Цилиндрические постоянные магниты намагниченные только в осевом направлении, а его магнитный вектор составляет 750 кА/м.

3. Изготовление датчика перемещения

1. Подготовка смесь теплоизлечимых волоконно-оптической эпоксидной (клей), добавив 100 мг затвердевания (компонент A) до 200 мг смолы (компонент B), как показано на рисунке 2.
2. Измерьте расстояние волокна косичка, приблизительно 10 мм между конечным лицом волокна косички и решеткой области, а затем, оценка его с тонкой точки маркера.
3. Используйте волоконно-оптический стриптизершу, чтобы очистить покрытие волокна и лишить его от маркера позиции предыдущего шага.
4. Очистите поверхность любого оставшегося полимера с помощью безпыляющей бумаги. Расположите лезвие высокоточного волокна тесак перпендикулярно волоконно-оптическому кабелю и разрежьте его.
5. Положите постоянный магнит на горячую пластину и поместите пружину длиной 15 мм над постоянным магнитом.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Длина пружины является основным элементом предустановленной силы на следующем этапе.
6. Клей волокна, полученные из шага 3.3. Поместите косичка волокна внутри пружины, как показано на рисунке 2, и вылечить клей (Epoxy #1) в течение 30 мин при 150 градусах Цельсия.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эти три комбинированные части называются 1'P.
7. Положите 1'P в конической трубе и использовать клеевую ленту, чтобы исправить постоянный магнит. как показано на рисунке 3. Поместите клей точно над постоянным магнитом, и вылечить клей (Epoxy #2 такой же, как Эпокси #1) в течение 30 минут при температуре 150 градусов по Цельсию. Затем нанесите предустановленную силу вручную на решетку волокна Брэгга; предегевание силы позволяет волокна быть в неизгибаемом состоянии.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эти комбинированные части называются детектором FBG. Детектор FBG отвечает за преобразование сигнала магнитной силы в сигнал параметров смещения.
8. Удалите клеевую ленту; производство этого шага называется 2'P.
9. Splice APC типа однорежимного разъема до конца 2'P волокна с помощью термоядерного сплайсера, следуя инструкциям производителя.
10. Закрепите два детектора FBG в слот зажима, а затем закрепите зажим на платформе смещения.

4. Создание системы тестирования

1. Мощность высокоскоростной длины волны дознавателя со встроенным оптическим выключателем.
2. Включите усиленное спонтанное излучение (ASE). Направляй свет в входной волоконе и распространяй его на датчик смещения на основе FBG. Затем спектр отражения, модулированный датчиком, снова отражает его следователю через входной выходное волокно.
3. Подключите дознавателя к компьютеру с помощью кабеля Ethernet, основанного на протоколе UDP.
4. Подключите оптический циркулятор к анализатору оптического спектра (OSA) с минимальным разрешением 0,02 нм, для мониторинга смещения длины волны Брэгга.
5. Мощность ступенчатого двигателя с 24 V.
6. Измените скорость двигателя, регулируя переключатель DIP контроллера двигателя stepper. С портом внешнего управления, контроллер двигателя степпера может управляться в полушаг, нормальный, и другие режимы привода, как показано в таблице 2, и на чипе PWM цепи вертолета позволяют переключатель-режим управления током в обмотки на основе MCU.
7. Отрегулируйте расстояние между двумя детекторами и магнитной шкалой.
   1. Отрегулируйте до тех пор пока не будет более лучшей синусоидальной кривой между смещением и магнитным полем.
   2. Отрегулируйте до тех пор, пока не появляются хорошо описанные методы стимулирования наилучшего расстояния^11, потому что цилиндрические постоянные магниты с противоположными магнитными полями расположены рядом друг с другом.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Существует синусоидальная связь между перемещением и магнитным полем, когда есть подходящее расстояние между магнитной шкалой и детектором. Магнитная сила имеет линейную связь с магнитным полем. Согласно закону Хука, сила имеет линейную связь с напряжением, а сдвиг длины волны в центре FBG является линейным с нагрузкой, применяемой на FBG; таким образом, синусоидальная кривая может быть получена.
   3. Отделите два детектора друг от друга на 22,5 мм.
      ПРИМЕЧАНИЕ:(м 1/4) - равняется 22,5 мм(м является положительным рядом, м 2), - это шаг магнитной шкалы, и(м 1/4) - общая длина магнитной шкалы, где -10.

5. Оценка разработанного датчика перемещения

1. Отрегулируйте расстояние между детектором и магнитной шкалой, чтобы быть 1,5 мм, а затем зафиксируйте зажим.
2. Подключите конец разъема разъема типа APC в порт-следователь и запустите программное обеспечение конфигурации. Установите частоту отбора проб дознавателя до 5 кГц для записи в режиме реального времени изменения длины волны центра FBG с течением времени. Нажмите кнопку, чтобы контролировать двигатель приращением 40 мкм каждый раз (тип F, как показано в таблице 2). Различные типы представляют различные шаги. Если двигатель работает с типом F, двигатель может иметь наименьший интервал шага и самую высокую точность смещения.
3. Подключите конец разъема aPC-типа датчика в порт OSA и запустите программное обеспечение конфигурации. OSA и дознаватель отслеживают центральные длины волны сдвиг FBGs. Сохранить данные от статической калибровки состояния.
4. Альтернативный по часовой стрелке и против часовой стрелки вращения двигателя в динамическом состоянии. Сохранить данные, как указано выше.
5. Поставьте датчик на горячую пластину и проведите эксперимент по калибровке температуры. Измените температуру горячей пластины с 25 градусов по Цельсию до 90 градусов по Цельсию.
6. Выполняйте анализ данных.
   1. Импортируйте данные в формате .csv из эксперимента по статической калибровке в MATLAB. Используйте функцию findpeaks для извлечения центральной длины волны волокна Брэгг решетки. Используйте синусоидальную функцию из инструмента установки кривой, чтобы соответствовать отношениям между центральной длиной волны и смещением, как показано на рисунке 5a. Установки остаточных ошибок между точками выборки и установки кривой также изображены на рисунке 5b. Две кривые фурьера между сдвигами длины волны в центре и линейным смещением, несмотря на первоначальную фазу, здесь:
      
   2. Импортируйте данные в программное обеспечение для обработки. Используя инструмент установки кривой, обработайте данные, полученные в результате динамического вращения по часовой стрелке (движение вперед) и вращения по часовой стрелке (движение назад) двигателя(рисунок 6).
   3. Обработайте данные, полученные в ходе эксперимента по калибровке температуры, как указано выше(рисунок 7).

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

Результаты

Расстояние, варьирующееся от 1 мм до 3 мм^11,между магнитной шкалой и детектором позволило обнаружить линейное смещение с синусоидальной функцией. Расстояние 22,5 мм между двумя детекторами позволило этому подходу реализовать обнаружение направления движен?...

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

Обсуждение

Мы продемонстрировали новый метод для случайных линейных измерений смещения путем объединения магнитной шкалы и двух волоконных решетк Ибгга. Основным преимуществом этих датчиков является случайное перемещение без ограничений. Магнитная шкала, используемая здесь, породила периодич...

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

Материалы

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