Name: a random-displacement measurement by combining a magnetic scale and two fiber bragg gratings
Uploaded: 2019-09-30T13:00:00
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作者感谢光学实验室的设备，并感谢通过"长江学者与大学创新研究团队计划"和中国教育部提供的资金支持。

1. 制造纤维布拉格光栅
<ol><li>为了提高光纤芯的光敏性，将标准单模光纤放入氢载气密罐中，为期 1 周。</li>
	<li>使用扫描相掩膜技术和波长为 244 nm 的频率倍增连续波龙子激光法制造光纤布拉格光栅。<ol>
<li>使用圆柱透镜和紫外线 （UV） 激光束聚焦光纤。使用放置在光纤前面的相位掩膜（与光纤轴平行）在感光芯中压印光栅（折射率的周期性调制）。激光输出的形状与相位掩膜垂直。将纤维置...

<ol>
	<li>Salcedadelgado, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptable+Optical+Fiber+Displacement-Curvature+Sensor+Based+on+a+Modal+Michelson+Interferometer+with+a+Tapered+Single+Mode+Fiber.">Adaptable Optical Fiber Displacement-Curvature Sensor Based on a Modal Michelson Interferometer with a Tapered Single Mode Fiber.</a> Sensors. 17 (6), 1259 (2017).</li><li>Milewska, D., Karpienko, K., J&#281;drzejewska-Szczerska, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+thin+diamond+films+in+low-coherence+fiber-optic+Fabry+P&#233;rot+displacement+sensor.">Application of thin diamond films in low-coherence fiber-optic Fabry P&#233;rot displacement sensor.</a> Diamond and Related Materials. 64, 169-176 (2016).</li><li>Zou, Y., Dong, X., Lin, G., Adhami, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide+Range+FBG+Displacement+Sensor+Based+on+Twin-Core+Fiber+Filter.">Wide Range FBG Displacement Sensor Based on Twin-Core Fiber Filter.</a> Journal of Lightwave Technology. 30 (3), 337-343 (2012).</li><li>Zhao, J., Bao, T., Kundu, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide+Range+Fiber+Displacement+Sensor+Based+on+Bending+Loss.">Wide Range Fiber Displacement Sensor Based on Bending Loss.</a> Journal of Sensors. 2016 (2016-1-27), 1-5 (2016).</li><li>Qu, H., Yan, G., Skorobogatiy, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interferometric+fiber-optic+bending/nano-displacement+sensor+using+plastic+dual-core+fiber.">Interferometric fiber-optic bending/nano-displacement sensor using plastic dual-core fiber.</a> Optics Letters. 39 (16), 4835-4838 (2014).</li><li>Wu, Q., Semenova, Y., Wang, P., Muhamad Hatta, A., Farrell, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+demonstration+of+a+simple+displacement+sensor+based+on+a+bent+single-mode-multimode-single-mode+fiber+structure.">Experimental demonstration of a simple displacement sensor based on a bent single-mode-multimode-single-mode fiber structure.</a> Measurement Science &amp; Technology. 22 (2), 025203 (2011).</li><li>Lin, G., Adhami, R., Dong, X., Zou, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide+range+FBG+displacement+sensor+based+on+twin-core+fiber+filter.">Wide range FBG displacement sensor based on twin-core fiber filter.</a> Journal of Lightwave Technology. 30 (3), 337-343 (2012).</li><li>Li, M., Guo, J., Tong, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+double-fiber+F-P+displacement+sensor+based+on+direct+phase+demodulation.">A double-fiber F-P displacement sensor based on direct phase demodulation.</a> The International Conference on Optical Fibre Sensors. 8421, 84212R (2012).</li><li>Zhou, X., Yu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wide-range+displacement+sensor+based+on+fiber-Optic+Fabry-Perot+Interferometer+for+Subnanometer+Measurement.">Wide-range displacement sensor based on fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer for Subnanometer Measurement.</a> IEEE Sensors Journal. 11, 1602-1606 (2011).</li><li>Shen, W., Wu, X., Meng, H., Huang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long+distance+fiber-optic+displacement+sensor+based+on+fiber+collimator.">Long distance fiber-optic displacement sensor based on fiber collimator.</a> Review of Scientific Instruments. 81 (12), (2010).</li><li>Zhu, L., Lu, L., Zhuang, W., Zeng, Z., Dong, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-contact+temperature-independent+random-displacement+sensor+using+two+fiber+bragg+gratings.">Non-contact temperature-independent random-displacement sensor using two fiber bragg gratings.</a> Applied Optics. 57 (3), 447 (2018).</li><li>Yu, H., Yang, X., Tong, Z., Cao, Y., Zhang, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature-independent+rotational+angle+sensor+based+on+fiber+Bragg+grating.">Temperature-independent rotational angle sensor based on fiber Bragg grating.</a> IEEE Sensors Journal. 11 (5), 1233-1235 (2011).</li><li>Liu, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Wide-Range+Displacement+Sensor+Based+on+Plastic+Fiber+Macro-Bend+Coupling.">A Wide-Range Displacement Sensor Based on Plastic Fiber Macro-Bend Coupling.</a> Sensors. 17 (1), 196 (2017).</li></ol>

通过结合磁标和两个光纤布拉格光栅，演示了一种随机线性位移测量的新方法。这些传感器的主要优点是随机位移不受限制。这里使用的磁标产生了10毫米磁场的周期性，远远超出了传统光纤位移传感器的实际极限，如Lin等人7和Li等人提到的位移8。温度相关位移传感器也适用于远程监控实验。
FBG 上的预加载力是基于 FBG 磁性探测器封装协?...

基于光纤的传感器具有灵活性、波长分割多路复用、远程监控、耐腐蚀等特点。因此，光纤位移传感器具有广泛的应用价值。
为了在复杂环境中实现有针对性的线性位移测量，光纤的各种结构（例如，米歇尔森干涉仪1、法布里-佩罗腔干涉仪2、光纤布拉格光栅3、弯曲损失4）近年来已经发展出来。弯曲损耗需要稳定站中的光源，并且不适合环境振动。曲等人设计了一种基于塑料双核光纤的干涉光纤纳米位移传感器，一端涂有银镜;它的分辨率为70纳米5。提出了一种基于弯曲单模-多模式-单模（SMS）光纤结构的简单位移传感器，克服了位移范围测量的限制;它使位移灵敏度提高三倍，范围从0到520μm6。Lin等人介绍了一个位移传感器系统，该系统将FBG与弹簧结合在一起;输出功率约为线性，位移为110-140 mm7。光纤 Fabry-Perot 位移传感器的测量范围为 0-0.5 mm，线性度为 1.1%，分辨率为 3 μm8。周等人报告说，一种基于光纤Fabry-Perot干涉仪的宽距离位移传感器用于亚纳米测量，在3mm9的动态范围内高达0.084纳米。利用光纤准直器演示了一种基于反射强度调制技术的光纤位移传感器;这有一个感应范围超过30厘米10。虽然光纤可以制成多种位移传感器，但这些基于光纤的传感器通常利用材料本身的拉伸极限，这限制了其在远距离测量中的应用。因此，测量范围和灵敏度之间通常存在折衷。此外，由于各种变量同时发生，很难确定位移;特别是，应变和温度的交叉灵敏度会损害实验精度。文献中有许多鉴别技术，例如使用两种不同的传感结构、使用单个 FBG 半粘合不同胶水或使用特殊光纤。因此，光纤位移传感器的进一步发展要求灵敏度高、体积小、稳定性大、范围广、温度独立。
在这里，磁标的周期性结构使得全范围测量成为可能。实现了具有磁标的有限测量范围的随机位移。结合两个FBG，可以求解温度交叉灵敏度和运动方向的识别。此方法中的各种步骤需要精度和对细节的关注。传感器制造方案如下。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>ASE</td>
			<td>OPtoElectronics Technology Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>1525nm-1610nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>computer</td>
			<td>Thinkpad</td>
			<td></td>
			<td>win10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fiber cleaver/ CT-32</td>
			<td>Fujikura</td>
			<td></td>
			<td>the diameter of 125</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>fiber optic epoxy /DP420</td>
			<td>henkel-loctite</td>
			<td></td>
			<td>Ratio 2:1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>interrogator</td>
			<td>BISTU</td>
			<td></td>
			<td>sample rate:17kHz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>motor driver</td>
			<td>Zolix</td>
			<td></td>
			<td>PSMX25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>optical circulator</td>
			<td>Thorlab</td>
			<td></td>
			<td>three ports</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>optical couple</td>
			<td>Thorlab</td>
			<td></td>
			<td>50:50</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>optical spectrum analyzer/OSA</td>
			<td>Fujikura</td>
			<td></td>
			<td>AQ6370D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>permanent magnet</td>
			<td>Shanghai Sichi Magnetic Industry Co., Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>D5x4mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>plastic shaped pipe</td>
			<td>Topphotonics</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>power source</td>
			<td>RIGOL</td>
			<td></td>
			<td>adjustable power</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>single mode fiber</td>
			<td>Corning</td>
			<td></td>
			<td>9/125um</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spring</td>
			<td>tengluowujin</td>
			<td></td>
			<td>D3x15mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>stepper motor controller</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>JF24D03M</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a random-displacement measurement by combining a magnetic scale and two fiber bragg gratings

使用光纤进行远距离位移测量一直是基础研究和工业生产中的挑战。我们研制并采用了一种基于温度的光纤布拉格光栅（FBG）随机位移传感器，采用磁垢作为一种新颖的传输机制。通过检测两个 FBG 中心波长的偏移，可以使用磁标进行全范围测量。为了识别电机的顺时针和逆时针旋转方向（事实上，要测试的物体的运动方向），FBG的位移和中心波长偏移之间存在正弦关系;当逆时针旋转交替时，第二个 FBG 探测器的中心波长偏移显示大约 90° （+90°） 的领先相位差。当顺时针旋转交替时，第二个 FBG 的中心波长偏移显示大约 90° （-90°） 的滞后相差。同时，两个基于FBG的传感器是独立的。如果需要远程监视器，无需任何电磁干扰，这种惊人的方法使其成为确定随机位移的有用工具。这种方法适用于工业生产。由于整个系统的结构相对简单，这种位移传感器可用于商业生产。除了作为位移传感器外，它还可用于测量其他参数，如速度和加速度。

磁标和探测器之间的距离从1毫米到3毫米11不等，能够检测具有正弦函数的线性位移。两个探测器之间的距离为 22.5 mm，使该方法能够以 90° 的相位差实现对物体运动方向的检测。两个探测器彼此分离（m = 1/4）*（m为正整数）和（m = 1/4）= 磁标的总长度，其中 ± = 10 mm 和m = 2 用于此处所述的实验（图 1）。?...

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A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

提出了一种将两个封装的光纤布拉格光栅探测器与磁标相结合的全范围线性位移传感器的协议。

通过组合磁量表和两个光纤布拉格光栅进行随机位移测量

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...

我们应对了长距离位移测量的挑战。你的光纤该技术可用于基础研究和工业生产。用正确的设置可以测量位移。其他测量的光纤。此学说适用于工业环境。用户只需在护栏上拉磁秤。该方法可对光纤感官研究领域进行深入分析。它可用于测量其他参数，如速度和加速度。使用扫描相掩码技术创建光纤布拉格光栅。为此，请使用在氢气装气气容器中运行一周的单模光纤。相掩码技术涉及通过相位掩膜将激光束聚焦到光纤上，以创建其折射率的周期性调制。一旦两个纤维被刻上，将它们放在一个100摄氏度的烤箱48小时，以去除任何残留的氢气。回退步骤后，检索到的光纤光栅参数将不再更改。使用适当的磁体实现磁尺度的设计。刻度有插槽，可以沿其长度容纳一组圆柱形磁铁。永磁体的南北两极以10毫米的间距沿比例交替。研究中的磁体直径为5毫米，磁化程度为每米750千安。2 个探测器在固定距离内设置，在沿刻度移动时会感受到不同的力。选择分离，使力的相位差为 90 度。在这种情况下，创建一个不锈钢夹，将两个探测器保持 22.5 毫米的距离。制造传感器首先准备热固化光纤环氧树脂。一旦环氧树脂准备就绪，得到两个纤维布拉格光栅之一。在纤维旁边放置一把尺子。从光栅外一个点开始，沿着光纤测量大约 10 毫米，并在那里放置一个标记。光纤脱光板，从标记位置从光栅上去除涂层。用无酒精和无尘纸清洁任何剩余聚合物的表面。完成后，将光纤进行高精度光纤切割，以切割剥离区域。接下来，设置传感器的其他元素。在150摄氏度的热板上放置一个永磁体，然后在磁铁顶部放置一个15毫米的弹簧。在弹簧环氧树脂内，将准备好的纤维的光栅端到磁铁。让环氧树脂在150摄氏度下固化30分钟。继续获得磁铁弹簧光栅组件。此外，有一个锥形和螺纹管，可以超过组件。将组件放在锥形管内。推动磁铁压缩弹簧。使用胶带将磁铁固定到位。接下来，在管的开端插入锥形尾管。一旦它到位，得到光纤与环氧树脂在其末端，并插入尾管与内部纤维结合。在 150 摄氏度下固化热板上的粘合剂。使光纤方向与热板表面平行。30 分钟后，从热板中取回组件。然后，取出胶带，让弹簧施加力，使纤维被束化。融合接头和 APC 型单模连接器到来自管的光纤末端。这是拼接连接器后两个探测器之一。它已准备好在系统中使用。当两种纤维制造探测器时，用螺钉将它们固定到夹子的插槽中。将带探测器的夹子带到测试系统。系统主要部件是一个与磁尺度平行的微位移平台。高速波长检测仪，内置放大自射，是电源和光谱分析仪，分辨率最低为200分之一。将带探测器的夹具安装到微位移平台上。调整磁秤上方探测器的高度并固定夹具。此示意图提供探测器连接后测试系统的概述。询问器的输出进入三个端口循环器的第一个端口。从那里，光进入探测器。探测器的反射光谱穿过一个杯状，然后进入循环器的第二个端口。循环器的输出被输入到光谱分析仪中。使用位置控制器电路控制微位移平台的步进电机。将此控制器和询问器连接到计算机。将探测器沿刻度的不同位置放置，以改变光纤上的力。当探测器处于高于刻度的合适高度时，由于在静态条件下测量的光纤应变，沿刻度处的位移和中心波长之间存在正弦关系。将探测器固定到产生正弦的高度，并设置用于动态测量的参数。在使用步进电机将探测器向一个方向移动一段距离之前，测量波长变化，然后让探测器休息。然后继续测量，同时将探测器向相反方向移动。接下来，对传感器进行温度校准。保持传感器连接到仪器，但将其从夹具上拆下。然后将传感器放在热板上。测量其中心波长度在 25 到 90 摄氏度的温度下变化。显示探测器系统的静态校准测量，揭示了位移与两个光纤布拉格光栅波长移位之间的关系。波长变化大约半纳米。残留误差小于10个计。此图演示探测器识别前进和反向运动的能力。最初以向前运动，光栅2的中心波长以90度的相位将光栅1的中心波长领先。然后，运动停止和反转。现在，光栅2的中心波长滞后光栅1的90度。这些数据表示探测器光栅 1 定位时进行的多个测量，因此其极性与磁尺度的极性相同，当极性相反时进行测量。在十次测量中，探测器和刻度具有相同极性的位置更加稳定。以下是测量波长作为两个探测器温度的函数。如果考虑到温度干扰，探测器的温度灵敏度是相同的。允许温度补偿。正在装载力，温度是供应的。通过用磁铁压缩弹簧是技术成功的关键。这种技术可以是一个有用的工具，利用磁性强。因为它能直接检测磁力的周期性变化。然后转换为位移。

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Motion Along a Straight Line

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