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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Los autores agradecen al Laboratorio de óptica por su equipo y están agradecidos por el apoyo financiero a través del Programa para Changjiang Scholars y Innovative Research Team en la Universidad y el Ministerio de Educación de China.

1. Fabricación de la rejilla de fibra Bragg
<ol><li>Para mejorar la fotosensibilidad del núcleo de fibra, coloque una fibra de modo único estándar en un recipiente hermético cargado por hidrógeno durante 1 semana.</li>
	<li>Fabricar la rejilla Bragg de fibra utilizando la técnica de máscara de fase de escaneo y un láser de argón de onda continua y duplicado por frecuencia a una longitud de onda de 244 nm.<ol>
<li>Concéntrese en la fibra óptica con una lente cilíndrica y un rayo láser ultravioleta (UV). Im...

<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>

Hemos demostrado un nuevo método para mediciones de desplazamiento lineal aleatorio combinando una escala magnética y dos rejillas Bragg de fibra. La principal ventaja de estos sensores es el desplazamiento aleatorio sin limitación. La escala magnética utilizada aquí generó una periodicidad del campo magnético a 10 mm, muy por enbajo de los límites prácticos de los sensores convencionales de desplazamiento de fibra óptica, como el desplazamiento mencionado por Lin et al.7 y Li et al.<sup...

Los sensores basados en fibra óptica tienen grandes ventajas, como flexibilidad, multiplexación por división de longitud de onda, monitoreo remoto, resistencia a la corrosión y otras características. Por lo tanto, el sensor de desplazamiento de fibra óptica tiene amplias aplicaciones.
Para realizar mediciones de desplazamiento lineal dirigidas en entornos complejos, varias estructuras de la fibra óptica (por ejemplo, el interferómetro Michelson1, el interferómetro de cavidad Fabry-Perot2, la fibra Bragg rejilla3, el pérdida de flexión4) se han desarrollado en los últimos años. La pérdida de flexión requiere la fuente de luz en una estación estable y no es adecuada para la vibración ambiental. Qu et al. han diseñado un sensor de nanodesplazamiento de fibra óptica interferométrica basado en una fibra de plástico de doble núcleo con un extremo recubierto con un espejo de plata; tiene una resolución de 70 nm5. Se propuso un sensor de desplazamiento simple basado en una estructura de fibra doblada de modo único-multimodo-modo único (SMS) para superar las limitaciones en la medición del rango de desplazamiento; aumentó la sensibilidad de desplazamiento tres veces con un rango de 0 a 520 m6. Lin et al. presentaron un sistema de sensor de desplazamiento que combina el FBG junto con un resorte; la potencia de salida es aproximadamente lineal con el desplazamiento de 110-140 mm7. Un sensor de desplazamiento Fabry-Perot de fibra tiene un rango de medición de 0-0,5 mm con una linealidad de 1,1% y una resolución de 3 m8. Zhou et al. informaron de un sensor de desplazamiento de amplio alcance basado en un interferómetro Fabry-Perot de fibra óptica para mediciones de subnanómetros, de hasta 0,084 nm en un rango dinámico de 3 mm9. Se demostró un sensor de desplazamiento de fibra óptica basado en tecnología modulada de intensidad reflectante utilizando un colimador de fibra; esto tenía un rango de sensación de más de 30 cm10. Aunque las fibras ópticas se pueden fabricar en muchos tipos de sensores de desplazamiento, estos sensores basados en fibra generalmente hacen uso del límite de tracción del propio material, lo que limita su aplicación en mediciones de amplio alcance. Por lo tanto, los compromisos se hacen generalmente entre el rango de medición y la sensibilidad. Además, es difícil determinar el desplazamiento ya que varias variables se producen simultáneamente; especialmente, la sensibilidad cruzada de la tensión y la temperatura podría dañar la precisión experimental. Hay muchas técnicas de discriminación reportadas en la literatura, como el uso de dos estructuras de sensor diferentes, el uso de un solo FBG medio unido por diferentes pegamentos, o el uso de fibras ópticas especiales. Por lo tanto, el desarrollo posterior de sensores de desplazamiento de fibra óptica requiere alta sensibilidad, un tamaño pequeño, gran estabilidad, rango completo e independencia de temperatura.
Aquí, la estructura periódica de la escala magnética hace posible una medición de rango completo. Se logra un desplazamiento aleatorio sin un rango de medición limitado con una escala magnética. Combinado con dos FBG, se podrían resolver tanto la sensibilidad entre temperaturas cruzadas como la identificación de la dirección del movimiento. Varios pasos dentro de este método requieren precisión y atención al detalle. El protocolo de fabricación del sensor se describe en detalle como sigue.

<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

Las mediciones de desplazamiento de larga distancia utilizando fibras ópticas siempre han sido un desafío tanto en la investigación básica como en la producción industrial. Desarrollamos y caracterizamos un sensor de desplazamiento aleatorio basado en fibra Bragg (FBG) independiente de la temperatura que adopta una escala magnética como un mecanismo de transferencia novedoso. Mediante la detección de cambios de dos longitudes de onda centrales FBG, se puede obtener una medición de rango completo con una escala magnética. Para la identificación de la dirección de rotación en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj del motor (de hecho, la dirección de movimiento del objeto a probar), existe una relación sinusoidal entre el desplazamiento y el desplazamiento de longitud de onda central del FBG; a medida que la rotación en sentido antihorario se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del segundo detector FBG muestra una diferencia de fase inicial de alrededor de 90o (+90o). A medida que la rotación en el sentido de las agujas del reloj se alterna, el desplazamiento de la longitud de onda central del segundo FBG muestra una diferencia de fase rezagada de alrededor de 90o (-90o). Al mismo tiempo, los dos sensores basados en FBG son independientes de la temperatura. Si hay alguna necesidad de un monitor remoto sin ninguna interferencia electromagnética, este enfoque llamativo los convierte en una herramienta útil para determinar el desplazamiento aleatorio. Esta metodología es adecuada para la producción industrial. Como la estructura de todo el sistema es relativamente simple, este sensor de desplazamiento se puede utilizar en la producción comercial. Además de ser un sensor de desplazamiento, se puede utilizar para medir otros parámetros, como la velocidad y la aceleración.

La distancia, que oscila entre 1 mm y 3 mm11,entre la escala magnética y el detector permitió la detección del desplazamiento lineal con una función sinusoidal. Una distancia de 22,5 mm entre dos detectores permitió que este enfoque realizara la detección de la dirección del movimiento de un objeto con una diferencia de fase de 90o. Los dos detectores se separaron entre sí para(m a 1/4) (m es un entero positivo) y (m a 1/4) - la l...

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

Se presenta un protocolo para crear un sensor de desplazamiento lineal de rango completo, que combina dos detectores de rejilla Bragg de fibra empaquetada con una escala magnética.

Una medición de desplazamiento aleatorio mediante la combinación de una escala magnética y dos rejillas de fibra

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

Abordamos el desafío de las mediciones de desplazamiento de larga distancia. Tus fibras ópticas. La técnica se puede utilizar tanto en la investigación básica como en la producción industrial.Con la configuración correcta se puede medir el desplazamiento. Otros medidos de la fibra óptica. Esta metotología es adecuada para su uso en entornos industriales.El usuario sólo tiene que tirar de la escala magnética en el carril de protección. Este método podría proporcionar información sobre el área de investigación de los sentidos de fibra óptica. Se puede utilizar para medir otros parámetros como la velocidad y la aceleración.Cree las rejillas de Fiber Bragg con la técnica de máscara de fase de escaneo. Para ello, utilice fibras ópticas de modo único que hayan estado en un contenedor hermético cargado de hidrógeno durante una semana. La técnica de máscara de fase consiste en enfocar un rayo láser a través de una máscara de fase en una fibra óptica para crear una modulación periódica de su índice de refracción.Una vez que se inscriba dos fibras, colóquelas en un horno de 100 grados centígrados durante 48 horas para eliminar cualquier hidrógeno residual. Los parámetros de rejillas de fibra recuperadas ya no cambiarán después del paso de recocido. Implemente el diseño de la escala magnética con los imanes apropiados.La báscula tiene ranuras para sostener un conjunto de imanes cilíndricos a lo largo de su longitud. Los polos norte y sur de los imanes permanentes se alternan a lo largo de la escala con un paso de 10 milímetros. Los imanes del estudio tienen 5 milímetros de diámetro y tienen una magnetización de 750 kiloamperios por metro.2 detectores establecidos a una distancia fija aparte sentirán diferentes fuerzas a medida que se mueven a lo largo de la escala. Elija la separación para que las fuerzas tengan una diferencia de fase de 90 grados. En este caso crear una abrazadera de acero inoxidable para mantener los dos detectores 22,5 milímetros de distancia.Para fabricar el sensor comience preparando epoxi de fibra óptica curable térmicamente. Una vez que el epoxi esté listo, obtenga una de las dos rejillas de Fiber Bragg. Coloque una regla junto a la fibra.Comenzando en un punto justo más allá de la rejilla, mida aproximadamente 10 milímetros a lo largo de la fibra y coloque una marca allí. El destripador de fibra óptica, retire el recubrimiento de la posición marcada lejos de la rejilla. Limpie la superficie de cualquier polímero restante con papel libre de alcohol y polvo.Cuando haya terminado, lleve la fibra a una cortadora de fibra de alta precisión para cortar la región desmontada. A continuación, configure otros elementos del sensor. Coloque un imán permanente en una placa caliente a 150 grados centígrados, luego coloque un resorte de 15 milímetros en la parte superior del imán.Dentro del epoxi del resorte, el extremo de rejilla de la fibra preparada al imán. Deje que el epoxi se cure a 150 grados centígrados durante 30 minutos. Para continuar con el conjunto de rejilla de resorte del imán.Además, tener un tubo cónico y roscado que puede pasar por encima del conjunto. Coloque el conjunto dentro del tubo cónico. Empuje el imán para comprimir el resorte.Utilice cinta adhesiva para fijar el imán en su posición. A continuación, inserte un tubo de cola cónico en el extremo abierto del tubo. Una vez que esté en su lugar, obtenga fibra óptica con epoxi en su extremo e insértela en el tubo de cola para unirse con la fibra interna.Curar el adhesivo aplicado en una placa caliente, a 150 grados centígrados. Tener la fibra orientada paralela a la superficie de la placa caliente. Después de 30 minutos recuperar el conjunto de la placa caliente.A continuación, retire la cinta para permitir que el resorte aplique una fuerza, para estrechar la fibra. Empalme de fusión y conector de modo único estilo APC al extremo de la fibra procedente del tubo. Este es uno de los dos detectores después de empalmar el conector.Está listo para su uso en el sistema. Cuando los detectores se han hecho de ambas fibras fijarlos en la ranura de la abrazadera utilizando un tornillo. Lleve la abrazadera con los detectores al sistema de pruebas.Los componentes principales de los sistemas son una plataforma de microdes desplazamiento que es paralela a la escala magnética. Un interrogador de longitud de onda de alta velocidad con emisión espontánea amplificada incorporada y es una fuente de alimentación y un analizador de espectro óptico con un mínimo de 200ths de una resolución nanométrica. Monte la abrazadera con los detectores en la plataforma de microbúbrcer.Ajuste la altura de los detectores por encima de la escala magnética y fije la abrazadera. Este esquema proporciona una visión general del sistema de pruebas después de que los detectores se han conectado. La salida del interrogador entra en el primer puerto de un circulador de tres puertos.A partir de ahí, la luz pasa a los detectores. Los espectros de reflexión de los detectores pasan a través de un cupular, y luego en el segundo puerto del circulador. La salida del circulador se introduce en el analizador de espectro óptico.Utilice un circuito de controlador de posición para controlar el motor paso a paso de la plataforma de microdesplazamiento. Conecte este controlador y el interrogador a un ordenador. Coloque los detectores en diferentes posiciones a lo largo de la escala para variar la fuerza en las fibras.Cuando los detectores están a una altura adecuada por encima de la escala, hay una relación sinusoidal entre el desplazamiento a lo largo de la escala y las longitudes de onda centrales cambian debido a la tensión en las fibras medidas en condiciones estáticas. Fije los detectores a la altura que produce un sinusoides y establezca el parámetro para las mediciones dinámicas. Mida los cambios de longitud de onda mientras utiliza el motor paso a paso para mover los detectores en una dirección durante una distancia antes de ponerlos en reposo.A continuación, continúe con las mediciones mientras mueve los detectores en la dirección opuesta. A continuación, realice la calibración de temperatura de los sensores. Mantenga los sensores conectados a los instrumentos, pero retírelos de la abrazadera.A continuación, coloque los sensores en una placa caliente. Mida su cambio en la longitud de las ondas centrales a temperaturas de 25 a 90 grados centígrados. Las mediciones de calibración estáticas del sistema detector presentado revelaron la relación entre el desplazamiento y el cambio de longitud de onda de las dos rejillas de Fiber Bragg.Los cambios de longitud de onda son aproximadamente medio nanómetro. Los errores residuales son menos de 10 picometros. Esta gráfica demuestra la capacidad de los detectores para identificar el movimiento hacia delante y hacia atrás.Inicialmente con el movimiento hacia adelante, la longitud de onda central de la rejilla número 2 conduce a la de la rejilla número 1 por una fase de 90 grados. Luego, el movimiento se detiene y se invierte. Ahora, la longitud de onda central de la rejilla número 2 se retrasa en el número de rejilla 1 por 90 grados.Estos datos representan múltiples mediciones realizadas cuando se coloca la rejilla del detector número 1, por lo que su polaridad y la de la escala magnética son las mismas y las mediciones realizadas cuando las polaridades son opuestas. En el transcurso de diez mediciones, aquellas en las que el detector y la escala tienen la misma polaridad son más estables. Aquí está la longitud de onda medida en función de la temperatura para los dos detectores.Cuando se tiene en cuenta la interferencia de temperatura, la sensibilidad a la temperatura de los detectores es la misma. Lo que permite la compensación de temperatura. Estaban cargando la fuerza y la temperatura era el suministro.Al comprimir el resorte con un imán es esencial para el éxito con la técnica. Esta técnica puede ser una herramienta útil para emplear las fuerzas magnéticas. Porque detectará la variación periódica de la fuerza magnética directamente.Que luego se transforma en desplazamiento.

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Prescribe en 3-D de Escritura directa de suspendidos Micron / Sub-micrones Estructuras Escala de fibra a través de un sistema de dispensación Robótica

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