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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Os autores agradecem o laboratório de óptica por seus equipamentos e são gratos pelo apoio financeiro através do programa para os estudiosos de Changjiang e da equipe de pesquisa inovadora na Universidade e no Ministério da educação da China.

1. fabricação do grating da fibra Bragg
<ol><li>Para realçar a fotossensibilidade do núcleo da fibra, põr uma fibra do único-modo padrão em uma vasilha hermética hidrogênio-carregada por 1 semana.</li>
	<li>Fabricar o grating da fibra Bragg usando a técnica da fase-máscara da exploração e um laser freqüência-dobrado, contínuo do argônio-íon da onda em um comprimento de onda de 244 nanômetro.<ol>
<li>Concentre-se na fibra óptica com uma lente cilíndrica e um raio laser ultravioleta (UV). Imprima a g...

<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>

Nós demonstramos um método novo para medidas aleatórias do deslocamento linear combinando uma escala magnética e dois gratings da fibra Bragg. A principal vantagem desses sensores é o deslocamento aleatório, sem limitação. A escala magnética utilizada aqui gerou uma periodicidade do campo magnético a 10 mm, muito além dos limites práticos dos sensores convencionais de deslocamento de fibra óptica, como o deslocamento mencionado por Lin et al.7 e Li et al.8. O s...

Os sensores à base de fibra óptica têm grandes vantagens, tais como flexibilidade, multiplexação de divisão de comprimento de onda, monitorização remota, resistência à corrosão e outras características. Assim, o sensor de deslocamento de fibra óptica tem amplas aplicações.
Para realizar medições de deslocamento linear direcionadas em ambientes complexos, várias estruturas da fibra óptica (por exemplo, o interferômetro Michelson1, o interferômetro de cavidade Fabry-Perot2, a fibra Bragg grating3, o perda de flexão4) foram desenvolvidos nos últimos anos. A perda de dobra exige a fonte luminosa em uma estação estável e é inadequada para a vibração ambiental. Qu et al. projetaram um sensor de nanodeslocamento de fibra óptica interferométrico baseado em uma fibra plástica dual-core com uma extremidade revestida com um espelho de prata; Ele tem uma resolução de 70 nm5. Um sensor de deslocamento simples baseado em uma estrutura de fibra Single-Mode-multimodo-Single-Mode (SMS) dobrada foi proposto para superar as limitações na mensuração da faixa de deslocamento; aumentou a sensibilidade do deslocamento tríplice com uma escala de 0 a 520 μm6. Lin et al. apresentaram um sistema de sensor de deslocamento que combina a FBG juntamente com uma mola; o poder da saída é aproximadamente linear com o deslocamento de 110-140 milímetros7. Um sensor de deslocamento de fibra Fabry-Perot tem uma faixa de medição de 0-0,5 mm com uma linearidade de 1,1% e uma resolução de 3 μm8. Zhou et al. relataram um sensor de deslocamento de largo alcance baseado em um interferômetro de Fabry-Perot de fibra óptica para medições de subnanômetro, até 0, 84 nm em uma faixa dinâmica de 3 mm9. Um sensor de deslocamento de fibra óptica baseado na tecnologia modulada de intensidade reflexiva foi demonstrado usando um colimador de fibra; Isto teve uma escala de detecção sobre 30 cm10. Embora as fibras ópticas possam ser fabricadas em muitos tipos de sensores de deslocamento, esses sensores baseados em fibra geralmente fazem uso do limite de tração do próprio material, o que limita sua aplicação em medições de grande alcance. Assim, os comprometos são geralmente feitos entre a faixa de medição e a sensibilidade. Além disso, é difícil determinar o deslocamento à medida que várias variáveis ocorrem simultaneamente; especialmente, a sensibilidade cruzada da deformação e da temperatura pode danificar a precisão experimental. Há muitas técnicas de discriminação relatadas na literatura, como a utilização de duas estruturas de sensoriamento diferentes, utilizando uma única FBG parcialmente ligada por diferentes colas, ou usando fibras ópticas especiais. Assim, o desenvolvimento adicional de sensores de deslocamento de fibra óptica requer alta sensibilidade, um tamanho pequeno, grande estabilidade, gama completa, e independência de temperatura.
Aqui, a estrutura periódica da escala magnética faz uma medida Full-Range possível. Um deslocamento aleatório sem uma escala limitada da medida com uma escala magnética é conseguido. Combinado com dois FBGs, a temperaturecross-sensibilidade e a identificação para o sentido do movimento podiam ser resolvidas. Várias etapas dentro deste método exigem precisão e atenção aos detalhes. O protocolo da fabricação do sensor é descrito em detalhe como seguindo.

<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

Medições de deslocamento de longa distância usando fibras ópticas sempre foram um desafio tanto na pesquisa básica quanto na produção industrial. Nós desenvolvemos e caracterizamos uma temperatura-independente de fibra Bragg ralar (FBG)-baseado sensor de deslocamento aleatório que adota uma escala magnética como um novo mecanismo de transferência. Detectando deslocamentos de dois comprimentos de onda Center de FBG, uma medida Full-Range pode ser obtida com uma escala magnética. Para a identificação da direção de rotação no sentido horário e anti-horário do motor (na verdade, a direção do movimento do objeto a ser testado), há uma relação sinusoidal entre o deslocamento e o deslocamento de comprimento de onda central da FBG; como a rotação no sentido anti-horário alterna, o deslocamento Center do comprimento de onda do segundo detetor de FBG mostra uma diferença principal da fase de ao redor 90 ° (+ 90 °). Como a rotação no sentido horário alterna, o deslocamento Center do comprimento de onda do segundo FBG indica uma diferença da fase de retardamento de ao redor 90 ° (-90 °). Ao mesmo tempo, os dois sensores baseados em FBG são independentes de temperatura. Se há alguma necessidade para um monitor remoto sem nenhuma interferência eletromagnética, esta aproximação impressionante fá-los uma ferramenta útil para determinar o deslocamento aleatório. Esta metodologia é apropriada para a produção industrial. Como a estrutura de todo o sistema é relativamente simples, este sensor de deslocamento pode ser usado na produção comercial. Além de ser um sensor de deslocamento, ele pode ser usado para medir outros parâmetros, como velocidade e aceleração.

A distância, variando de 1 mm a 3 mm11, entre a escala magnética e o detector permitiu a detecção do deslocamento linear com uma função sinusoidal. Uma distância de 22,5 mm entre dois detectores permitiu que essa abordagem realizem a detecção da direção do movimento de um objeto com uma diferença de fase de 90 °. Os dois detectores foram separados entre si para (m ± 1/4) τ (m é um inteiro positivo) e (m ± 1/4) τ ≤ o co...

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

Um protocolo para criar um sensor de deslocamento linear de gama completa, combinando dois detectores de grade de Bragg de fibra empacotada com uma escala magnética, é apresentado.

Uma medida do aleatório-deslocamento combinando uma escala magnética e dois gratings do Bragg da fibra

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

Abordamos o desafio das medições de deslocamento de longa distância. Suas então, fibras ópticas. O técnico pode ser utilizado tanto na pesquisa básica quanto na produção industrial.Com a configuração correta, o deslocamento pode ser medido. Outras medidas da fibra óptica. Esta metologia é apropriada para uso em ambientes industriais.O usuário só precisa puxar a balança magnética no guard rail. Esse método poderia fornecer insights sobre a área de pesquisa de sentidos de fibra óptica. Pode ser usado para medir outros parâmetros, como velocidade e aceleração.Crie as grades Fiber Bragg com a técnica de máscara de fase de digitalização. Para isso, use fibras ópticas de modo único que estiveram em um recipiente de ar carregado de hidrogênio por uma semana. A técnica de máscara de fase envolve o foco de um raio laser através de uma máscara de fase em uma fibra óptica para criar modulação periódica de seu índice de refração.Uma vez que duas fibras são inscritas, coloque-as em um forno de 100 graus celsius por 48 horas para remover qualquer hidrogênio residual. Os parâmetros de grade de fibra recuperados não mudarão mais após a etapa de ressarção. Implemente o projeto da escala magnética com os ímãs apropriados.A escala tem ranhuras para segurar um conjunto de ímãs cilíndricos ao longo de seu comprimento. Os polos norte e sul dos ímãs permanentes alternam ao longo da escala com um arremesso de 10 milímetros. Os ímãs do estudo têm 5 milímetros de diâmetro e têm uma magnetização de 750 quiloamperes por metro.2 detectores separados a uma distância fixa sentirão forças diferentes à medida que se movem ao longo da escala. Escolha a separação para que as forças tenham uma diferença de fase de 90 graus. Neste caso, crie um grampo de aço inoxidável para segurar os dois detectores a 22,5 milímetros de distância.Para fabricar o sensor comece preparando epóxi de fibra óptica curável de calor. Assim que o epóxi estiver pronto, pegue uma das duas grades de Fibra Bragg. Coloque uma régua ao lado da fibra.Começando em um ponto logo após a grade, meça aproximadamente 10 milímetros ao longo da fibra e coloque uma marca lá. A stripper de fibra óptica, remova o revestimento da posição marcada para longe da grade. Limpe a superfície de qualquer polímero restante com álcool e papel sem poeira.Quando feito, leve a fibra para um cutelo de fibra de alta precisão para cortar a região despojada. Em seguida, configure outros elementos do sensor. Coloque um ímã permanente em uma placa quente a 150 graus celsius, em seguida, coloque uma mola de 15 milímetros em cima do ímã.Dentro da mola epóxi a extremidade grade da fibra preparada para o ímã. Deixe a epóxi curar a 150 graus celsius por 30 minutos. Para continuar a obter o conjunto de grade de mola ímã.Além disso, tenha um tubo afilado e roscado que pode passar por cima da montagem. Coloque o conjunto dentro do tubo afilado. Empurre o ímã para comprimir a mola.Use fita adesiva para fixar o ímã na posição. Em seguida, insira um tubo de cauda afilado na extremidade aberta do tubo. Uma vez no lugar, obtenha fibra óptica com epóxi no final e insira-a no tubo de cauda para se ligar com a fibra interna.Cure o adesivo aplicado em uma placa quente, a 150 graus celsius. Tenha a fibra orientada paralelamente à superfície da placa quente. Após 30 minutos, recupere o conjunto da placa quente.Em seguida, remova a fita para permitir que a mola aplique uma força, para esticar a fibra. Emenda de fusão e conector de modo único estilo APC até a extremidade da fibra proveniente do tubo. Este é um dos dois detectores depois de emendar o conector.Está pronto para uso no sistema. Quando os detectores tiverem sido feitos de ambas as fibras fixá-los na ranhura do grampo usando um parafuso. Leve o grampo com os detectores para o sistema de testes.Os principais componentes do sistema são uma plataforma de micro deslocamento paralela à escala magnética. Um interrogador de comprimento de onda de alta velocidade com emissão espontânea amplificada e é fonte de energia e um analisador de espectro óptico com um mínimo de 200 anos de resolução de nanômetros. Monte o grampo com os detectores na plataforma de micro deslocamento.Ajuste a altura dos detectores acima da escala magnética e fixe o grampo. Este esquema fornece uma visão geral do sistema de testes após a conexão dos detectores. A saída do interrogador vai para a primeira porta de um circulador de três portas.De lá, a luz se acende para os detectores. Espectros de reflexão dos detectores passam por um cupular, e depois para a segunda porta do circulador. A saída do circulador é entrada para o analisador de espectro óptico.Use um circuito controlador de posição para controlar o motor do estepe da plataforma de micro deslocamento. Conecte este controlador e o interrogador a um computador. Posicione os detectores em diferentes posições ao longo da escala para variar a força nas fibras.Quando os detectores estão em uma altura adequada acima da escala, há uma relação sinusoidal entre o deslocamento ao longo da escala e os comprimentos de onda centrais muda devido à tensão nas fibras medidas em condições estáticas. Fixar os detectores na altura que produz um parâmetro sinusoide e definir parâmetro para medições dinâmicas. Meça as mudanças de comprimento de onda enquanto usa o motor do estepe para mover os detectores em uma direção por uma distância antes de trazê-los para descansar.Em seguida, continue medições enquanto move os detectores na direção oposta. Em seguida, realize a calibração de temperatura dos sensores. Mantenha os sensores conectados aos instrumentos, mas remova-os do grampo.Em seguida, coloque os sensores em uma placa quente. Meça a mudança de comprimento da onda central a temperaturas de 25 a 90 graus celsius. As medições de calibração estática do sistema detector apresentado revelaram a relação entre o deslocamento e o deslocamento de comprimento de onda de duas grades de Fibra Bragg.As mudanças de comprimento de onda são cerca de meio nanômetro. Os erros residuais são menores que 10 picometros. Este enredo demonstra a capacidade dos detectores de identificar movimentos para frente e reverter.Inicialmente com movimento dianteiro, o comprimento de onda central da grade número 2 leva o de grade número 1 por uma fase de 90 graus. Em seguida, o movimento pára e inverte. Agora, o comprimento de onda central da grade número 2 atrasa o da grade número 1 por 90 graus.Esses dados representam múltiplas medições feitas quando a grade do detector número 1 é posicionada de modo que sua polaridade e a da escala magnética são as mesmas e as medições feitas quando as polaridades são opostas. Ao longo de dez medições, aquelas em que o detector e a escala têm a mesma polaridade são mais estáveis. Aqui está o comprimento de onda medido em função da temperatura para os dois detectores.Quando a interferência de temperatura é levada em conta a sensibilidade da temperatura dos detectores é a mesma. O que permite compensação de temperatura. Estavam carregando a força e a temperatura estava suprir.Comprimir a mola com um ímã é essencial para o sucesso com a técnica. Esta técnica pode ser uma ferramenta útil para empregar as forças magnéticas. Porque detectará a variação periódica da força magnética diretamente.Que é então transformado em deslocamento.

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