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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Gli autori ringraziano il Laboratorio di ottica per le loro attrezzature e sono grati per il sostegno finanziario attraverso il Programma per Changjiang Scholars e Innovative Research Team in Università e il Ministero dell'Istruzione della Cina.

1. Fabbricazione della fibra Bragg grating
<ol><li>Per migliorare la fotosensibilità del nucleo in fibra, mettere una fibra standard a modalità singola in un contenitore ermetico carico di idrogeno per 1 settimana.</li>
	<li>Fabbricare la griglia in fibra Bragg utilizzando la tecnica di scansione della maschera di fase e un laser a zigonione ad onde continue con una frequenza doppiata ad una lunghezza d'onda di 244 nm.<ol>
<li>Concentrarsi sulla fibra ottica con una lente cilindrica e un fascio laser ultravioletto (U...

<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>

Abbiamo dimostrato un nuovo metodo per le misurazioni di spostamento lineare casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg. Il vantaggio principale di questi sensori è lo spostamento casuale senza limitazioni. La scala magnetica qui utilizzata ha generato una periodicità del campo magnetico a 10 mm, ben oltre i limiti pratici dei tradizionali sensori di spostamento delle fibre ottiche, come lo spostamento menzionato da Lin et al.7 e Li et al.8. Il se...

I sensori ottici a base di fibra presentano grandi vantaggi, come flessibilità, multiplexing di divisione della lunghezza d'onda, monitoraggio remoto, resistenza alla corrosione e altre caratteristiche. Pertanto, il sensore di spostamento della fibra ottica ha ampie applicazioni.
Per realizzare misurazioni mirate di spostamento lineare in ambienti complessi, varie strutture della fibra ottica (ad esempio, l'interferometro Michelson1, l'interferometro della cavità Fabry-Perot2, la griglia in fibra Bragg3, il negli ultimi anni sono state sviluppate perdite di flessione4). La perdita di piegatura richiede la sorgente luminosa in una stazione stabile ed è inadatta per le vibrazioni ambientali. Qu et al. hanno progettato un sensore nanodisplacement in fibra ottica interferometrica basato su una fibra a doppio nucleo in plastica con un'estremità rivestita con uno specchio d'argento; ha una risoluzione di 70 nm5. Un semplice sensore di spostamento basato su una struttura in fibra a modalità singola-multimode-mode (SMS) piegata è stato proposto per superare i limiti sulla misurazione della gamma di spostamento; ha aumentato la sensibilità di spostamento triplicato con un intervallo da 0 a 520 m6. Lin et al. ha presentato un sistema di sensori di spostamento che combina l'FBG con una molla; la potenza di uscita è approssimativamente lineare con la cilindrata di 110-140 mm7. Un sensore di spostamento Fabry-Perot in fibra ha un intervallo di misura di 0-0,5 mm con una linearità dell'1,1% e una risoluzione di 3 m8. Un sensore di spostamento ad ampio raggio basato su un interferometro Fabry-Perot in fibra ottica per le misurazioni dei subnanometri, fino a 0,084 nm su un intervallo dinamico di 3 mm9. Un sensore di spostamento in fibra ottica basato sulla tecnologia modulata di intensità riflettente è stato dimostrato utilizzando un collimatore a fibra; questo aveva una gamma di rilevamento superiore a 30 cm10. Anche se le fibre ottiche possono essere fabbricate in molti tipi di sensori di spostamento, questi sensori basati su fibre generalmente fanno uso del limite di tensile del materiale stesso, che limita la loro applicazione nelle misurazioni a grande raggio. Pertanto, di solito vengono fatti compromessi tra l'intervallo di misurazione e la sensibilità. Inoltre, è difficile determinare lo spostamento poiché varie variabili si verificano contemporaneamente; in particolare, la sensibilità incrociata della tensione e della temperatura potrebbe danneggiare la precisione sperimentale. Ci sono molte tecniche di discriminazione riportate in letteratura, come l'utilizzo di due diverse strutture di rilevamento, utilizzando un singolo FBG mezzo legato da colla diverse, o utilizzando speciali fibre ottiche. Pertanto, l'ulteriore sviluppo dei sensori di spostamento della fibra ottica richiede un'elevata sensibilità, una piccola dimensione, grande stabilità, gamma completa e indipendenza della temperatura.
In questo caso, la struttura periodica della scala magnetica rende possibile una misurazione a tutta gamma. Si ottiene uno spostamento casuale senza un intervallo di misurazione limitato con una scala magnetica. In combinazione con due FBG, sia la sensibilità alla temperatura che l'identificazione per la direzione di movimento potrebbero essere risolti. Vari passaggi all'interno di questo metodo richiedono precisione e attenzione ai dettagli. Il protocollo di fabbricazione del sensore è descritto in dettaglio come segue.

<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

Le misurazioni dello spostamento a lunga distanza con fibre ottiche sono sempre state una sfida sia nella ricerca di base che nella produzione industriale. Abbiamo sviluppato e caratterizzato un sensore di spostamento casuale basato sulla griglia a fibra Bragg (FBG) indipendente dalla temperatura che adotta una scala magnetica come nuovo meccanismo di trasferimento. Rilevando gli spostamenti di due lunghezze d'onda del centro FBG, è possibile ottenere una misurazione a tutto campo con una scala magnetica. Per l'identificazione della direzione di rotazione in senso orario e antiorario del motore (in realtà, la direzione di movimento dell'oggetto da testare), c'è una relazione sinusoidale tra lo spostamento e lo spostamento della lunghezza d'onda centrale dell'FBG; man mano che la rotazione in senso antiorario si alterna, lo spostamento della lunghezza d'onda centrale del secondo rivelatore FBG mostra una differenza di fase iniziale di circa 90 gradi (90 gradi). Man mano che la rotazione in senso orario si alterna, lo spostamento della lunghezza d'onda centrale del secondo FBG mostra una differenza di fase in ritardo di circa 90 gradi (-90o). Allo stesso tempo, i due sensori basati su FBG sono indipendenti dalla temperatura. Se c'è bisogno di un monitor remoto senza alcuna interferenza elettromagnetica, questo approccio sorprendente li rende uno strumento utile per determinare lo spostamento casuale. Questa metodologia è appropriata per la produzione industriale. Poiché la struttura dell'intero sistema è relativamente semplice, questo sensore di spostamento può essere utilizzato nella produzione commerciale. Oltre ad essere un sensore di spostamento, può essere utilizzato per misurare altri parametri, come la velocità e l'accelerazione.

La distanza, che va da 1 mm a 3 mm11, tra la scala magnetica e il rivelatore ha permesso il rilevamento della cilindrata lineare con una funzione sinusoidale. Una distanza di 22,5 mm tra due rilevatori ha permesso a questo approccio di realizzare il rilevamento della direzione del movimento di un oggetto con una differenza di fase di 90 . I due rivelatori sono stati separati l'uno dall'altro per (m - 1/4) -m è un numero intero positivo) e (m<...

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

Viene presentato un protocollo per creare un sensore di spostamento lineare a tutta gamma, combinando due rilevatori di griglia Bragg in fibra confezionati con una scala magnetica.

Misurazione a spostamento casuale combinando una scala magnetica e due griglie in fibra Bragg

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

Abbiamo affrontato la sfida delle misurazioni dello spostamento a lunga distanza. Allora, fibre ottiche. Il tecnico può essere utilizzato sia nella ricerca di base che nella produzione industriale.Con il giusto set up è possibile misurare lo spostamento. Altro misurato della fibra ottica. Questa metologia è appropriata per l'uso in ambienti industriali.L'utente deve solo tirare la scala magnetica sul guard rail. Questo metodo potrebbe fornire informazioni sull'area di ricerca dei sensi della fibra ottica. Può essere usato per misurare altri parametri come velocità e accelerazione.Create le griglie Fiber Bragg con la tecnica della maschera di fase di scansione. Per questo, utilizzare fibre ottiche monomodale che sono state in un contenitore ermetico caricato a idrogeno per una settimana. La tecnica della maschera di fase prevede la messa a fuoco di un raggio laser attraverso una maschera di fase su una fibra ottica per creare una modulazione periodica del suo indice di rifrazione.Una volta incise due fibre, posizionarle in un forno a 100 gradi celsius per 48 ore per rimuovere l'idrogeno residuo. I parametri delle griglie in fibra recuperate non cambieranno più dopo la fase di ricottura. Implementare il design della scala magnetica con i magneti appropriati.La scala ha fessure per contenere un insieme di magneti cilindrici lungo la sua lunghezza. I poli nord e sud dei magneti permanenti si alternano lungo la scala con un passo di 10 millimetri. I magneti nello studio hanno un diametro di 5 millimetri e hanno una magnetizzazione di 750 kiloampere per metro.2 rivelatori impostati a una distanza fissa l'uno dall'altro sentiranno forze diverse mentre si muovono lungo la scala. Scegli la separazione in modo che le forze abbiano una differenza di fase di 90 gradi. In questo caso creare un morsetto in acciaio inossidabile per tenere separati i due rivelatori a 22,5 millimetri di distanza.Per fabbricare il sensore iniziare preparando la fibra ottica polimerizzabile termicamente epossidica. Una volta che l'epossidico è pronto, prendi una delle due griglie Fiber Bragg. Posizionare un righello accanto alla fibra.Partendo da un punto appena oltre la griglia, misurare circa 10 millimetri lungo la fibra e posizionare un segno lì. La spogliarellista in fibra ottica, rimuovere il rivestimento dalla posizione contrassegnata lontano dalla griglia. Pulire la superficie di qualsiasi polimero rimanente con carta priva di alcol e polvere.Al termine, portare la fibra in una mannaia in fibra di alta precisione per scindere la regione spogliata. Impostare quindi altri elementi del sensore. Mettere un magnete permanente su una piastra calda a 150 gradi celsius, quindi posizionare una molla di 15 millimetri sopra il magnete.All'interno della molla epossidica l'estremità della griglia della fibra preparata al magnete. Lasciare che l'epossidico curi a 150 gradi Celsius per 30 minuti. Per continuare a ottenere l'assemblaggio della griglia a molla del magnete.Inoltre, avere un tubo affusolato e filettato che può andare oltre l'assieme. Mettere l'assieme all'interno del tubo affusolato. Spingere il magnete per comprimere la molla.Utilizzare il nastro adesivo per fissare il magnete in posizione. Quindi, inserire un tubo di coda affusolato all'estremità aperta del tubo. Una volta in posizione, ottenere la fibra ottica con epossidica alla sua estremità e inserirla nel tubo di coda per legare con la fibra interna.Polimerizza l'adesivo applicato su una piastra calda, a 150 gradi celsius. Avere la fibra orientata parallela alla superficie della piastra calda. Dopo 30 minuti recuperate l'assieme dalla piastra calda.Quindi, rimuovere il nastro per consentire alla molla di applicare una forza, per straiten la fibra. Giunzione fusion e connettore mono modalità stile APC fino all'estremità della fibra proveniente dal tubo. Questo è uno dei due rilevatori dopo aver giunzione il connettore.È pronto per l'uso nel sistema. Quando i rivelatori sono stati fatti di entrambe le fibre, fissarle nello slot del morsetto usando una vite. Portare il morsetto con i rilevatori al sistema di test.I componenti principali dei sistemi sono una piattaforma a micro cilindrata parallela alla scala magnetica. Un interrogatore di lunghezza d'onda ad alta velocità con emissione spontanea amplificata ed è una fonte di energia e un analizzatore di spettro ottico con un minimo di 200 ° di risoluzione nanometrica. Montare il morsetto con i rilevatori sulla piattaforma di micro cilindrata.Regolare l'altezza dei rivelatori al di sopra della scala magnetica e fissare il morsetto. Questo schema fornisce una panoramica del sistema di test dopo che i rilevatori sono stati collegati. L'uscita dell'interrogante va nel primo porto di un circolatore a tre porte.Da lì, la luce passa ai rivelatori. Gli spettri di riflessione dai rivelatori passano attraverso un cupulare, e poi alla seconda porta del circolatore. L'uscita dal circolatore viene immessa nell'analizzatore dello spettro ottico.Utilizzare un circuito del controller di posizione per controllare il motore stepper della piattaforma di micro cilindrata. Collegare questo controller e l'interrogante a un computer. Posizionare i rivelatori in diverse posizioni lungo la scala per variare la forza sulle fibre.Quando i rivelatori si trovano ad un'altezza adeguata al di sopra della scala, c'è una relazione sinusoidale tra lo spostamento lungo la scala e le lunghezze d'onda del centro si sposta a causa dello sforzo nelle fibre misurate in condizioni statiche. Fissare i rivelatori all'altezza che produce un sinusoide e impostare un parametro per le misurazioni dinamiche. Misurare i cambiamenti di lunghezza d'onda durante l'utilizzo del motore stepper per spostare i rivelatori in una direzione per una distanza prima di portarli a riposo.Quindi continuare le misurazioni mentre si spostano i rivelatori nella direzione opposta. Eseguire quindi la calibrazione della temperatura dei sensori. Tenere i sensori collegati agli strumenti ma rimuoverli dal morsetto.Quindi posizionare i sensori su una piastra calda. Misurare il cambiamento della lunghezza centrale delle onde a temperature da 25 a 90 gradi celsius. Misurazioni statiche di calibrazione del sistema di rivelatore presentato, hanno rivelato la relazione tra lo spostamento e lo spostamento della lunghezza d'onda delle griglie di Bragg in fibra.Gli spostamenti della lunghezza d'onda sono di circa mezzo nanometro. Gli errori residui sono meno di 10 picometri. Questo grafico dimostra la capacità dei rivelatori di identificare il movimento in avanti e inverso.Inizialmente con il movimento in avanti, la lunghezza d'onda centrale del numero di griglia 2 conduce quella della griglia numero 1 con una fase di 90 gradi. Quindi, il movimento si ferma e si inverte. Ora, la lunghezza d'onda centrale del numero di grattugiatura 2 è in ritardo rispetto alla grattugiatura numero 1 per 90 gradi.Questi dati rappresentano più misurazioni effettuate quando il rivelatore grattugiato numero 1 è posizionato in modo che la sua polarità e quella della scala magnetica siano le stesse e le misurazioni effettuate quando le polarità sono opposte. Nel corso di dieci misurazioni, quelle in cui il rivelatore e la scala hanno la stessa polarità sono più stabili. Ecco la lunghezza d'onda misurata in funzione della temperatura per i due rivelatori.Quando si tiene conto dell'interferenza della temperatura, la sensibilità alla temperatura dei rivelatori è la stessa. Il che consente la compensazione della temperatura. Stavano caricando la forza e la temperatura era di alimentazione.Comprimere la molla con un magnete è essenziale per il successo con la tecnica. Questa tecnica può essere uno strumento utile per impiegare i punti di forza magnetici. Perché rileverà direttamente la variazione periodica della forza magnetica.Che viene poi trasformato in spostamento.

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