XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В работе описываются кристалловолоконные датчики вибрации, которые могут использоваться для повышения безопасности поезда. В акселерометре, когда возникает вибрация, блок массы давит на спиральное фотонно-кристаллическое волокно на частоте, соответствующей частоте вибрации, вызывая измеримое изменение длины волны света в волокне. Сетевые акселерометры могут отслеживать поезда на наличие неприятных вибраций, которые могут привести к сходу с рельсов, но в современных моделях есть проблемы с чувствительностью или экранированием. Исследовательская группа в Гонконге разработала крошечный акселерометр, включающий в себя фотонно-кристаллическое волокно, которое демонстрирует большую чувствительность в более широком частотном диапазоне, чем более старые модели.

Ключевые слова: кристалловолоконные датчики вибрации, акселерометр, блок массы, фотонно-кристаллическое волокно, частота вибрации, длина волны света.

The paper describes crystal-fiber vibration sensors, which could boost train safety. In the accelerometer, when a vibration occurs, the mass block presses on the coiled photonic-crystal fiber at a frequency matching that of the vibration, causing the wavelength of light in the fiber to shift in a measurable way. Networked accelerometers can monitor trains for troublesome vibrations that could lead to a derailment, but current models have issues with sensitivity or shielding. A research team in Hong Kong has developed a tiny accelerometer, incorporating a photonic-crystal fiber that exhibits greater sensitivity over a wider frequency range than older designs

Keywords: crystal-fiber vibration sensors, accelerometer, mass block, photonic-crystal fiber, vibration frequency, wavelength of light.

Введение. В последние годы были разработаны различные виды акселерометров, включающие оптические волокна, состоящие из волоконных брэгговских решеток (FBG) или волоконных интерферометров (например, интерферометр Майкельсона, интерферометр Фабри-Перо). По сравнению с обычными пьезоэлектрическими акселерометрами, те, которые основаны на оптических волокнах, невосприимчивы к электромагнитным помехам (EMI) и обладают способностью быть мультиплексированными в одной нити волокна. Эти внутренние преимущества делают волоконно-оптические акселерометры превосходными во многих экстремальных применениях в железнодорожной и нефтяной промышленности. Кроме того, вместе с технологией оптоволоконной связи проще создать многофункциональную сенсорную сеть, состоящую из оптоволоконных датчиков для контроля ускорения, деформации, температуры и других физических параметров, таких как номер оси, скорость поезда и т. д., который идеально подходит для железнодорожной системы.

Целью работы является описать кристалловолоконные датчики вибрации, рассмотреть построение акселерометра и стабилизацию чувствительного сигнала после установки акселерометра на железнодорожном поезде.

Актуальность работы заключается в рассмотрении нового акселерометра, основанного на конфигурации интерферометра Саньяка с использованием фотонно-кристаллического волокна с сохранением поляризации (PM-PCF), которое имеет чувствительность ~ 8 пм / г и резонансную частоту, превышающую 2,5 кГц. Предлагаемый акселерометр способен функционировать с постоянной чувствительностью в широком диапазоне частот от 0 до 1 кГц, что намного шире, чем у многих акселерометров на основе FBG. Экспериментальные результаты, полученные в ходе полевых испытаний при мониторинге железных дорог, демонстрируют более широкий частотный диапазон для предлагаемого акселерометра по сравнению с таковым для акселерометра на основе FBG и сопоставимы с обычным пьезоэлектрическим датчиком.

Рисунок 1 - кристалловолоконный датчик вибрации

Рассмотрим построение данного акселерометра. Акселерометр из Гонконгского политехнического университета включает интерферометр Саньяка, в котором встречные лучи света проходят через кольцо или спиральную траекторию. Движение интерферометра вызывает сдвиг фаз в интерференционных полосах, выходящих из устройства.

В этом случае ученые создали интерферометр из имеющегося в продаже фотонно-кристаллического волокна (PM-PCF) с сохранением поляризации, согнутого в спираль диаметром 15 мм и соединенного с одномодовым волокном для входа и выхода. Стальная подложка поддерживает устройство, которое устанавливается на цилиндрический блок масс, который передает вибрации от транспортного средства к волокну.

Как в лаборатории, так и на железнодорожном поезде исследователи испытали свое устройство на двух других типах акселерометров: пьезоэлектрической модели, которая требует электромагнитного экранирования, и устройстве на основе волоконных брэгговских решеток, которые не могут обнаруживать вибрации на частотах более 500 Гц, (Износ гусеницы - значительная причина железнодорожных происшествий - обычно генерирует частоты вибрации выше, чем у этого.) Инструмент PM-PCF работал сопоставимо со своим пьезоэлектрическим собратом, тогда как устройство на основе решетки улавливало много шума из-за своей низкой резонансной частоты.

Предлагаемый новый акселерометр основан на интерферометре Саньяка, построенном с использованием PM-PCF (NKT Photonics, PM-1550-01). PM-PCF был вручную соединен с двумя ответвлениями разветвителя на 3 дБ. Коммерческий сварочный аппарат (Fitel S178) был использован для соединения PM-PCF с SMF с модифицированной программой, следуя процедурам, аналогичным описанным в. В частности, мощность дуги и продолжительность времени дуги контролировались при сварке. Чтобы уменьшить коллапс воздушных отверстий в PCF, PM-PCF был расположен и выровнен на расстоянии смещения ~ 50 мкм от электродов. Перед проведением повторяемых дуговых разрядов SMF вручную толкали в сторону PM-PCF. При таком подходе потери на сращивание для одной точки составляют <1 дБ. PM-PCF выполняет функцию чувствительного рычага и имеет диаметр около 15 мм. Масса цилиндра из нержавеющей стали (56 грамм) диаметром 25 мм и высотой 15 мм была использована для приложения боковой силы к PM-PCF. Соединитель на 3 дБ, включая SMF и PM-PCF, а также массу, эпоксидировали с использованием эпоксидной смолы: EPO-TEK 353ND, гарантируя, что на PM-PCF было приложено только боковое усилие, и в петле Саньяка не было никакого другого движения. например> 10 дБ). Чтобы гарантировать, что сила вибрации была приложена к одной оси поляризации PM-PCF, медленная ось PM-PCF была размещена в той же плоскости, избегая любого возможного скручивания, которое может возникнуть в волокне во время намотки. Чтобы достичь этого, поперечные сечения обоих концов PCF были проверены под микроскопом, и одна сторона волокна была отмечена по всей длине. Во время наматывания отмеченная сторона была аккуратно размещена в одной плоскости. Сечения были проверены снова после намотки, чтобы обеспечить размещение. Поскольку боковая сила должна прикладываться только к одной оси из-за новой конструкции, эффект поперечной оси можно игнорировать.

Рисунок 2 - (a) Схематическое изображение акселерометра на основе интерферометра Саньяка с использованием фотонно-кристаллического волокна с сохранением поляризации (PM-PCF) и (b) измеренный спектр помех датчика с использованием длины волокна ~ 0,35 м.

В принципе, когда широкополосный свет запускается от входного конца ответвителя 3 дБ, он разделяется на два встречных луча, которые конструктивно или деструктивно создают помехи в одном и том же ответвителе после распространения через PM-PCF.

Полученное расстояние между полосами составляет ~ 9 нм, что указывает на то, что групповое двулучепреломление (G) этого волокна составляет ~ 7,5 × 10 ^{-4 в} соответствии с соотношением, Δλ = λ ² / (G⋅L).

При приложении боковой силы к PM-PCF от одной поляризованной оси двулучепреломление изменяется в зависимости от приложенной силы. Моделирование проводилось с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics. Можно наблюдать, что двулучепреломление изменяется линейно с поперечной силой, однако, основываясь на ориентации приложенной силы, следует другая тенденция. Во время эксперимента смещение спектра такой СИ контролировалось при приложении боковой силы к PM-PCF через быструю и медленную оси. Результаты согласуются с результатами моделирования в соответствии с формулой. (2), Чувствительность статической силы, основанная на конфигурации SI, составляет 0,032 нм / N и -0,023 нм / N соответственно для случаев, когда боковые силы были приложены через быструю и медленную оси. Различные реакции от быстрой и медленной осей вызваны из-за двух больших воздушных отверстий, что приводит к различным изменениям двойного лучепреломления. Из-за противоположного отклика этих двух осей, ориентация PM-PCF во время намотки важна для максимизации чувствительности акселерометра. Следовательно, ось поляризации PM-PCF акселерометра должна быть размещена в одной плоскости, с отсутствием какого-либо скручивания в волокне во время намотки.

Рисунок 3 - Результаты моделирования фазового двулучепреломления PM-PCF при приложении боковой силы вдоль быстрой оси (а) и медленной оси (b), а также экспериментальные результаты сдвига длины волны относительно приложенной силы, направленной к (с)) быстрая ось и (d) медленная ось.

В отличие от статической поперечной силы, акселерометр учитывает динамический резонанс с частотой f и максимальной амплитудой F _m, т.е. F (t) = F _m ⋅ sin (2π f t + φ ₀), где t - это Время вибрации и φ ₀ - начальная фаза резонанса. По F = η ма ускорение имеет резонанс с той же частотой, где эмпирическая постоянная η (∈ [0,1]) представляет коэффициент передачи поперечной силы, приложенной к волокну после учета эпоксидных и покрывающих материалов. Как правило, η = 1 означает, что вызванная вибрацией сила может быть полностью передана волокну. Принимая во внимание взаимосвязь между сдвигом длины волны и приложенной силой (например, k = 0,032 нм / Н), рассчитанный сдвиг длины волны при конкретном ускорении (f = 500 Гц, a = 20 Гс).

Рисунок 4 - (а) Рассчитанный сдвиг длины волны акселерометра для вибрации 20 Гс на частоте 500 Гц (η = 1) и (b) соответствующий спектр быстрого преобразования Фурье сигнала временной области.

Для проверки работы вышеупомянутого акселерометра были проведены вибрационные испытания с использованием установки. Акселерометр на основе SI был упакован и закреплен на шейкере (Bruel & Kjaer: тип 4808). Функциональный генератор был использован для генерации желаемого сигнала с определенной частотой, который затем усиливался и использовался для управления вибратором. Фактическое ускорение, применяемое к шейкеру, также калибровалось коммерческим акселерометром (Bruel & Kjaer: тип 8305), установленным под держателем. В результате сдвиг длины волны, вызванный динамической силой во время вибрации, может быть откалиброван с точки зрения фактического ускорения. В ходе эксперимента ускорение вибратора постепенно увеличивалось до 20 Гс, а частота вибрации изменялась от 50 Гц до 2500 Гц с шагом 50 Гц. Сдвиг длины волны впадины спектра регистрировался запросчиком (модель MOI: si155) с частотой дискретизации 5 кГц. При разных степенях ускорения максимальный сдвиг длины волны (от пика к пику) увеличивается с приложенным ускорением. Вычисляя БПФ сигнала во временной области, можно получить соответствующие частоты колебаний.

Рисунок 5 - Экспериментальная установка, используемая для характеристики производительности предлагаемого акселерометра.

Кроме того, реакция ускорения характеризовалась увеличением ускорения для частот от 0 Гц до 2500 Гц. Чувствительность, достигаемая в этом частотном диапазоне, варьируется только от 7,8 до 8,5 пм / г (колебание ~ 5%), что указывает на то, что стабильная чувствительность может быть достигнута на рабочей частоте до 800 Гц. Даже при частоте 1000 Гц чувствительность составила только 11,2 пм / г. Для сравнения, имеющийся в продаже акселерометр на основе FBG (os7100) от Micro Optics имеет резонансную частоту ~ 700 Гц и флуктуацию чувствительности до 30%, когда частота превышает 400 Гц.

Рисунок 6 - (а) Экспериментально измеренные сдвиги длин волн акселерометра при вибрации на частоте 500 Гц и ускорениях 8, 12 и 16 Гс (б) спектр быстрого преобразования Фурье сигнала во временной области на частотах 100, 400, 700 и 1000 Гц.

Экспериментально охарактеризованный отклик ниже теоретической оценки (~ 35 пм / г) из-за акрилатного покрытия и клея между волокном и массой, который действует как дополнительный буфер. Больший вес инерционной массы приводит к более высокой чувствительности, но более низкой резонансной частоте. Следовательно, чувствительность может быть дополнительно повышена путем использования большей массы. Кроме того, акрилатное покрытие может быть заменено полиимидным покрытием, чтобы также повысить чувствительность. Применительно к 8 пм / г чувствительность (т.е. 20 × log ₁₀ (S / S _ref)) находится в пределах 3 дБ в диапазоне частот до 1 кГц, что намного шире, чем в коммерческом акселерометре на основе FBG. Ожидается, что резонансная частота предлагаемого акселерометра на основе SI будет превышать 2,5 кГц, что не было измерено из-за ограничений нашей установки. В качестве примера, фактическая структура акселерометра была смоделирована и смоделирована с использованием Solid Mechanics в COMSOL. Для упрощения модели были рассмотрены только подложка из нержавеющей стали, масса и один слой эпоксидной смолы 353ND (толщина 1 мм). Модуль Юнга и коэффициент Пуассона для нержавеющей стали и эпоксидной смолы составляли 195 ГПа, 0,29 и 3,56 ГПа, 0,4 соответственно. В результате резонансная частота оценивается в 3216 Гц (= 0,3), что согласуется с экспериментальной оценкой (> 2,5 кГц). Тем не менее, в качестве спецификации, рабочая частота может достигать 1 кГц без каких-либо значительных колебаний чувствительности,13,20,28–30], особенно те, которые способны выдерживать ускорения выше 10 Г.

Рисунок 7 - (а) Измеренные отклики акселерометра для диапазона частот 100–800 Гц с чувствительностью, варьирующейся от 7,8 пм / г до 8,5 пм / г, и (б) измеренная чувствительность (дБ относительно 8 пм / г) с по отношению к частоте, где резонансная частота превышает 2,5 кГц. На вставке показано моделированное полное смещение на собственной частоте 3216 Гц в качестве эталона.

Поскольку чувствительная область волокна прижимается непосредственно, а не тянется массой, она может выдерживать высокие ускорения без какого-либо разрушения волокна. Максимальное ускорение, примененное во время эксперимента, составляло ~ 40 Гс, которое было ограничено шейкером, однако акселерометр не повредил во время процесса. Это очень важный аспект в железнодорожной отрасли или в любом другом экстремальном применении, где иногда возникают неожиданные быстрые вибрации. Температурная зависимость СИ, построенного методом PM-PCF с ядром из чистого кремнезема, составляет всего ~ 2 пм / ° C. После упаковки и фиксации с помощью клея эта температурная зависимость акселерометра была измерена как ~ 10 пм / ° C в другом независимом эксперименте, что соответствует перекрестной чувствительности ~ 1 Гс. Тем не менее, при практическом использовании она незначительна, поскольку акселерометр работает при динамических колебаниях на высоких частотах.

Стабилизация чувствительного сигнала после установки акселерометра на железнодорожном поезде была самой большой проблемой. Выяснилось, что оптический сигнал, используемый для обнаружения вибрации, может измениться из-за неправильных движений устройства во время транспортировки и установки в поезде.

Для решениря этой проблемы была использовала прочная эпоксидная смола для склеивания всех компонентов, включая PM-PCF. «Во время изготовления акселерометра, также был применен подход, позволяющий держать одну ось поляризации PM-PCF намотанной в одной плоскости, чтобы чувствительный сигнал акселерометра был с меньшей поляризацией перекрестных помех»

Рисунок 8 - Измерение ускорения с использованием акселерометров на основе (сверху вниз): волоконная брэгговская решетка, фотонно-кристаллическое волокно с сохранением поляризации и пьезоэлектрические технологии.

Чтобы продемонстрировать практическую выполнимость, предложенный акселерометр на основе СИ был установлен в поезде, работающем на железнодорожной линии. Для сравнения и дальнейшей проверки были также установлены акселерометр на основе FBG и пьезоэлектрический акселерометр. Оптические сигналы от акселерометров на основе FBG и SI отслеживались и записывались с использованием одного и того же запросчика (MOI si155). Все данные были собраны во время нормальной работы поезда. Мониторинг вибраций, обнаруженных акселерометрами в режиме реального времени, является одним из ключевых параметров, используемых для определения состояния здоровья железнодорожного пути.

Рисунок 9 - Схематическое изображение акселерометров PM-PCF, FBG и пьезо, установленных на поезде, вставки показывают точное местоположение.

Из результатов видно, что ускорение, измеренное акселерометром на основе SI, сравнимо с пьезодатчиком, тогда как акселерометр на основе FBG показывает сильный уровень шума из-за его низкой резонансной частоты, составляющей ~ 250 Гц. Акселерометр на основе FBG изготовлен в домашних условиях, имеет чувствительность и рабочую частоту ~ 21 пм / г и <50 Гц соответственно. Пьезоэлектрический акселерометр (Dytran Instrument Inc., модель: 3333M6T) имеет резонансную частоту и рабочий диапазон> 24 кГц и <10 кГц соответственно. Ожидается, что акселерометр на основе FBG будет иметь искаженный сигнал, когда частота вибрации близка к его резонансному пику, что приводит к высокому уровню шума. Фильтр с частотой среза 250 Гц был использован для фильтрации высокочастотных резонансов данных, измеренных методом FBG, и полученные результаты представлены на том же рисунке красным цветом. Из результатов ясно видно, что ускорение сравнимо с ускорением, измеренным на основе СИ и пьезоэлектрических акселерометров. Причиной отсутствия шума на высоких частотах в акселерометре на основе SI является его постоянный отклик в гораздо более широком диапазоне частот, как упоминалось ранее (и полученные результаты изображены на том же рисунке красным цветом. Из результатов ясно видно, что ускорение сравнимо с ускорением, измеренным на основе СИ и пьезоэлектрических акселерометров. Причиной отсутствия шума на высоких частотах в акселерометре на основе SI является его постоянный отклик в гораздо более широком диапазоне частот, как упоминалось ранее (и полученные результаты изображены на том же рисунке красным цветом. Из результатов ясно видно, что ускорение сравнимо с ускорением, измеренным на основе СИ и пьезоэлектрических акселерометров. Причиной отсутствия шума на высоких частотах в акселерометре на основе SI является его постоянный отклик в гораздо более широком диапазоне частот, как упоминалось ранее. С практической точки зрения контроля вибрации в железнодорожной отрасли, акселерометры с более высокими резонансными частотами позволяют выполнять простую обработку данных, повышая эффективность принятия решений. Он также может измерять вибрации на более высоких частотах, например, резонанс, создаваемый гофрами в рельсовом пути. Как правило, такие дефекты, как деформации и изгиб железнодорожных путей, вызывают низкочастотные колебания (например, <100 Гц), которые могут быть обнаружены акселерометрами FBG. Однако незначительные волнистости или рябь, возникающие на железнодорожном пути, обычно приводят к вибрациям колес на высоких частотах (например, > 600-800 Гц), которые можно различить по акселерометрам с высокими рабочими частотами. Таким образом, можно получить больше информации для оценки состояния железных дорог. Акселерометр на основе SI может выдерживать высокие ускорения и частоты благодаря новой конструкции бокового сжатия, позволяющей обнаруживать больше дефектов, таких как гофры и рябь на дорожке.

Рисунок 10 - Измеренное ускорение с использованием акселерометров FBG, PM-PCF и пьезоэлектрических датчиков между станциями.

В положении ~ 128 м наблюдается заметное внезапное увеличение ускорения (> 10 Гс), которое непосредственно различается как на основе SI, так и на пьезоэлектрических акселерометрах, тогда как в случае акселерометра на основе FBG оно полностью скрыто в шум и может быть обнаружен только после фильтрации высокочастотного шума. Этот аномальный сигнал вызван трещиной на рельсовом пути, которая была замечена во время регулярных проверок. Следовательно, предлагаемый акселерометр на основе SI, использующий PM-PCF, функционирует похвально в реальных полевых испытаниях и обладает превосходными характеристиками по сравнению с акселерометрами на основе FBG.

В будущем Лю и его группа заменит коммерческое фотонно-кристаллическое волокно волокном с более высокой чувствительностью, которое они изготовили в собственной лаборатории, а затем проведет полевые испытания с обновленным акселерометром. Исследователи также должны проверить повторяемость технологии изготовления, прежде чем начнется массовое производство устройств.

Команда также хочет разместить несколько акселерометров в одном волокне. По словам Лю, волоконные акселерометры считаются превосходящими пьезоэлектрические акселерометры из-за способности мультиплексировать волокна на большие расстояния. «В наших будущих исследованиях, - говорит он, - мы намерены эффективно мультиплексировать и демультиплексировать сигналы считывания, чтобы в волоконно-оптической системе можно было одновременно использовать несколько акселерометров». Наконец, поскольку сенсорная система с несколькими волоконными акселерометрами будет собирать миллионы точек данных, университет разрабатывает технологии искусственного интеллекта для обработки информации.

Вывод. Получен новый волоконный акселерометр, разработанный с использованием PM-PCF в конфигурации интерферометра Саньяка. Предложенный акселерометр принимает конструкцию «пружинной массы», в которой PM-PCF, свернутый в небольшой диаметр, был спрессован массой, вызывая интерферометрическое изменение фазы относительно приложенной вибрации. В результате отклик измерения ускорения был близок к постоянной (т.е. ~ 8 пм / г) в широком частотном диапазоне до 1 кГц. Резонансная частота предлагаемого акселерометра превышает 2,5 кГц. Моделирование проводилось для проверки принципа действия предлагаемого акселерометра путем приложения боковой силы к PM-PCF. Благодаря новой конструкции, в которой PM-PCF сжимался по массе, акселерометр может выдерживать ускорения выше 40 Гс, что было ограничено испытательной установкой в ​​нашей лаборатории. Чтобы проверить выполнимость предложенного акселерометра, он был установлен на поезд в процессе обслуживания для контроля изменения ускорения в режиме реального времени во время нормальной работы. Достигнутые результаты были сопоставимы с пьезоэлектрическим акселерометром, который также был установлен для сравнения. Дополнительно, он показывает превосходную производительность в отличие от акселерометра на основе FBG, который имеет высокий уровень шума из-за ограниченного диапазона рабочих частот. Насколько нам известно, это первая демонстрация использования акселерометра на основе PCF для мониторинга железных дорог. Обнадеживающие результаты, полученные в полевых испытаниях, делают предлагаемый акселерометр хорошим кандидатом для мониторинга состояния в железнодорожной отрасли и могут быть в дальнейшем включены в другие области, где необходим мониторинг больших ускорений на высоких частотах, особенно в условиях, где присутствует EMI.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Patricia Daukantas Crystal-Fiber Vibration Sensors Could Boost Train Safety // Research News. 23 July 2019.

2. Федеральный закон: Выпуск 86. О связи. – М.: Инфра. –М, 2003.

3. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов / М.М. Бутусов, С.М. Верник, С.Л. Галкин и др. – М.: Радио и связь, 1992. – 416 с.

4. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – 2е изд., перераб и доп. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.

5. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. – 267 с.

6. Бакланов И.Г. Технологии измерений первичной сети. Часть I. Системы Е1, PDH, SDH. Часть 2. Системы синхронизации, B-ISDN, АТМ. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000.

7. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: SYRUS SYSTEMS, 1999. – 671 с.

Код для цитирования: Скопировать