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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Les auteurs remercient le Laboratoire d'optique pour leur équipement et sont reconnaissants pour leur soutien financier par le biais du Programme pour les boursiers Changjiang et l'équipe de recherche innovante à l'Université et le ministère de l'Éducation de la Chine.

1. Fabrication de la fibre Bragg râpage
<ol><li>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.</li>
	<li>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.<ol>
<li>Concentrez-vous sur la fibre optique avec une lentille cylindrique et un faisceau laser ultraviolet (UV). Impri...

<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>

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</sup...

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 mm7. 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.

<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

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.

La distance, allant de 1 mm à 3 mm11,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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A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

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.

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

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

Nous avons abordé le défi des mesures de déplacement à longue distance. Vos fibres optiques. La technique peut être utilisée à la fois dans la recherche fondamentale et la production industrielle.Avec le bon déplacement mis en place peut être mesurée. Autre mesure de la fibre optique. Cette méthologie est appropriée pour une utilisation dans les milieux industriels.L’utilisateur a juste besoin de tirer l’échelle magnétique sur le rail de garde. Cette méthode pourrait fournir un aperçu du domaine de recherche des sens de la fibre optique. Il peut être utilisé pour mesurer d’autres paramètres tels que la vitesse et l’accélération.Créez les grilles Fiber Bragg avec la technique du masque de phase de numérisation. Pour cela, utilisez des fibres optiques à mode unique qui ont été dans un récipient étanche à l’air chargé d’hydrogène pendant une semaine. La technique du masque de phase consiste à concentrer un faisceau laser à travers un masque de phase sur une fibre optique pour créer une modulation périodique de son index réfractif.Une fois que deux fibres sont inscrites, placez-les dans un four à 100 degrés Celsius pendant 48 heures pour éliminer tout hydrogène résiduel. Les paramètres de grilles de fibres récupérées ne changeront plus après l’étape d’annelement. Implémenter la conception de l’échelle magnétique avec les aimants appropriés.L’échelle a des fentes pour tenir un ensemble d’aimants cylindriques le long de sa longueur. Les pôles nord et sud des aimants permanents alternent le long de l’échelle avec un pas de 10 millimètres. Les aimants de l’étude mesurent 5 millimètres de diamètre et ont une magnétisation de 750 kiloampères par mètre.2 détecteurs réglés à une distance fixe l’un de l’autre sentiront différentes forces lorsqu’ils se déplaceront le long de l’échelle. Choisissez la séparation afin que les forces aient une différence de phase de 90 degrés. Dans ce cas, créer une pince en acier inoxydable pour maintenir les deux détecteurs à 22,5 millimètres l’un de l’autre.Pour fabriquer le capteur commencer par préparer la chaleur curable fibre optique époxy. Une fois que l’époxy est prêt obtenir l’une des deux grilles Fiber Bragg. Placez une règle à côté de la fibre.À partir d’un point juste au-delà de la grille, mesurer environ 10 millimètres le long de la fibre et y placer une marque. La décapant à fibres optiques, enlever le revêtement de la position marquée loin de la grille. Nettoyez la surface de tout polymère restant avec de l’alcool et du papier sans poussière.Une fois fait, prendre la fibre à un couperet de fibre de haute précision pour fendre la région dépouillée. Ensuite, configurer d’autres éléments du capteur. Placez un aimant permanent sur une plaque chaude à 150 degrés Celsius, puis placez un ressort de 15 millimètres sur le dessus de l’aimant.À l’intérieur de l’époxy de ressort, l’extrémité râpante de la fibre préparée à l’aimant. Laissez l’époxy guérir à 150 degrés Celsius pendant 30 minutes. Pour continuer à obtenir l’assemblage de grille de ressort aimant.En outre, avoir un tube conique et fileté qui peut passer sur l’assemblage. Placez l’assemblage à l’intérieur du tube conique. Poussez l’aimant pour compresser le ressort.Utilisez du ruban adhésif pour fixer l’aimant en position. Ensuite, insérez un tuyau d’échappement conique à l’extrémité ouverte du tube. Une fois qu’il est en place, obtenir la fibre optique avec de l’époxy à son extrémité et l’insérer dans le tuyau d’échappement pour se lier avec la fibre interne.Guérir l’adhésif appliqué sur une plaque chaude, à 150 degrés Celsius. Avoir la fibre orientée parallèle à la surface de la plaque chaude. Après 30 minutes, récupérer l’assemblage de la plaque chaude.Ensuite, retirez le ruban pour permettre au ressort d’appliquer une force, pour enduir la fibre. Connecteur à mode unique de style Fusion et APC à l’extrémité de la fibre provenant du tube. C’est l’un des deux détecteurs après avoir épissé le connecteur.Il est prêt à être utilisé dans le système. Lorsque des détecteurs ont été faits des deux fibres les fixer dans la fente de la pince à l’aide d’une vis. Prenez la pince avec les détecteurs au système de test.Les composants principaux des systèmes sont une plate-forme de micro-déplacement parallèle à l’échelle magnétique. Un interrogateur de longueur d’onde à grande vitesse avec intégré dans l’émission spontanée amplifiée et est source d’énergie et un analyseur de spectre optique avec un minimum de 200e d’une résolution nanométrique. Monter la pince avec les détecteurs à la plate-forme de micro-déplacement.Ajustez la hauteur des détecteurs au-dessus de l’échelle magnétique et fixez la pince. Ce schéma donne un aperçu du système d’essai après que les détecteurs ont été connectés. La sortie de l’interrogateur va dans le premier port d’un circulateur de trois ports.De là, la lumière s’allume sur les détecteurs. Les spectres de réflexion des détecteurs passent à travers un cupulaire, puis dans le deuxième port du circulateur. La sortie du circulateur est entrée à l’analyseur de spectre optique.Utilisez un circuit de contrôleur de position pour contrôler le moteur stepper de la plate-forme de micro-déplacement. Connectez ce contrôleur et l’interrogateur à un ordinateur. Placez les détecteurs à différentes positions le long de l’échelle pour varier la force sur les fibres.Lorsque les détecteurs sont à une hauteur appropriée au-dessus de l’échelle, il ya une relation sinusoïdienne entre le déplacement le long de l’échelle et les longueurs d’onde centrale se déplace en raison de la tension dans les fibres mesurées dans des conditions statiques. Fixez les détecteurs à la hauteur qui produit un sinusoïde et définissez le paramètre pour les mesures dynamiques. Mesurez les changements de longueur d’onde tout en utilisant le moteur stepper pour déplacer les détecteurs dans une direction sur une distance avant de les amener au repos.Ensuite, continuez les mesures tout en déplaçant les détecteurs dans la direction opposée. Ensuite, effectuez l’étalonnage de température des capteurs. Gardez les capteurs connectés aux instruments, mais retirez-les de la pince.Placez ensuite les capteurs sur une plaque chaude. Mesurez leur variation de la longueur des vagues centrales à des températures de 25 à 90 degrés Celsius. Les mesures statiques d’étalonnage du système de détecteur présenté, ont indiqué la relation entre le déplacement et le décalage de longueur d’onde de râpeurs de deux bragg de fibre.Les changements de longueur d’onde sont d’environ un demi-nanomètre. Les erreurs résiduelles sont inférieures à 10 picomètres. Cette intrigue démontre la capacité des détecteurs à identifier le mouvement vers l’avant et l’inverse.Initialement avec le mouvement vers l’avant, la longueur d’onde centrale de râpage numéro 2 conduit celle de râpage numéro 1 par une phase de 90 degrés. Puis, le mouvement s’arrête et s’inverse. Maintenant, la longueur d’onde centrale du numéro de grille 2 est à la traîne de celle du numéro de grille 1 par 90 degrés.Ces données représentent de multiples mesures effectuées lorsque le détecteur râpant numéro 1 est positionné de sorte que sa polarité et celle de l’échelle magnétique sont les mêmes et les mesures effectuées lorsque les polarités sont opposées. Au cours de dix mesures, celles où le détecteur et l’échelle ont la même polarité sont plus stables. Voici la longueur d’onde mesurée en fonction de la température pour les deux détecteurs.Lorsque les interférences de température sont prises en compte, la sensibilité à la température des détecteurs est la même. Ce qui permet une compensation de température. Chargeaient la force et la température était de l’approvisionnement.En comprimant le ressort avec un aimant est essentiel pour le succès avec la technique. Cette technique peut être un outil utile employer les forces magnétiques. Parce qu’il détectera la variation périodique de la force magnétique directement.Qui se transforme alors en déplacement.

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