Sensors 2010, 10, 10198-10210; doi:10.3390/s101110198
OPEN ACCESS
sensors
ISSN 1424-8220
Article
Plastic Optical Fiber Displacement Sensor Based on Dual
Cycling Bending
Jao-Hwa Kuang 1, Pao-Chuan Chen 1 and Yung-Chuan Chen 2,*
1 Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering, National Sun Yat-Sen University, Kaohsiung, 80424, Taiwan; E-Mail: kuang@mail.nsysu.edu.tw (J.H.K.); d933020009@student.nsysu.edu.tw (P.C.C.)
2 Department of Vehicle Engineering, National Pingtung University of Science and Technology,
Pingtung, 91201, Taiwan
* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: chuan@mail.npust.edu.tw; Tel.: 886-8-7703-202; Fax: 886-8-7740-398.
Received: 28 September 2010; in revised form: 9 November 2010 / Accepted: 10 November 2010 / Published: 15 November 2010
Abstract: In this study, a high sensitivity and easy fabricated plastic optical fiber (POF) displacement sensor is proposed. A POF specimen subjected to dual cyclic bending is used to improve the sensitivity of the POF displacement sensor. The effects of interval between rollers, relative displacement and number of rollers on the sensitivity of the displacement sensor are analyzed both experimentally and numerically. A good agreement between the experimental measurements and numerical calculations is obtained. The results show that the interval between rollers affects sensitivity most significantly than the other design parameters. Based on the experimental data, a linear equation is derived to estimate the relationship between the power loss and the relative displacement. The difference between the estimated results and the experimental results is found to be less than 8%. The results also show that the proposed POF displacement sensor based on dual cyclic bending can be used to detect displacement accurately.
Keywords: plastic optical fiber; cycling bending; displacement fiber sensor
1. Introduction
Optical fibers are widely used in communication systems because of their low attenuation, light weight, higher data transmission rates and no electromagnetic influence [1]. In recent years, different types of optical fiber sensors for measuring displacement, temperature, pressure and other possible applications have been developed [2-4]. Compared with glass optical fibers (GOFs), plastic optical fibers (POFs) have higher numerical aperture, easier connectivity, are cheaper and display more flexibility [4-8]. Hence, POFs are more suitable for use in sensing devices. Donlagic [9] indicated that optical fiber sensors can usually be divided into extrinsic fiber optic sensors [10,11] and intrinsic fiber optic sensors [12-15]. Extrinsic fiber optic sensors are not useful for many purposes because the intensity of the light is changed by contaminated mirrored surfaces [14]. Intrinsic fiber optic sensors have higher signal stability because the output power can be changed according to the variation of measured parameter. The fabrication of optical fiber sensors based on macro- or micro-bending is simple, cheap and provides high signal stability. Furthermore, they can provide a wider measurement range and higher sensitivity [15].
In theoretical and practical applications, the prediction of radiation loss in bent optical waveguides is an important topic [16]. Different purposes for bent optical fiber sensors have been proposed by many researchers [16-22], such as axial strain and curvature measurements [16-18], crack detection and vertical deflection monitoring [19], liquid-level measurement [20], signal compensation [21], humidity monitoring [22], etc. In order to improve the bend sensitivity of the optical fiber sensors, a segment of the POF cross-sectional profile was removed or increased the structural imperfections [14,16,17,19,20]. However, a POF sensor with structural imperfections may cause stress concentration or structural defects after a long time in service and this results in signal monitoring errors, especially for the POF with tooth shape imperfections. It is known that sensitivity improvment is not obvious for a POF with a bent radius. Thus, how to increase the sensitivity of the sensor with no imperfections in the POF is an important issue. Currently, few publications have investigated the sensitivity of sensors based on cyclic bending [9,23-30]. For example, Yin et al. [23] presented the application of a fiber specklegram sensor (FSS) to fine angular alignment. The results indicated that FSS is highly sensitive to fiber perturbations, due to which the sensitivity measurement increases as the NA of the sensing fiber increases. Kulkarni et al. [24] investigated the use of a novel POF sensor for measuring force in terms of weights. It was shown that increasing the corrugation pitch of the deforming plates enhanced microbend sensitivity. Sanz et al. [25] developed a POF force sensor by placing the POF in a snake-shaped mould. The results indicated that in the absence of force the POF remained undisturbed whereas with an external pressure the fiber inside the mould was stressed. Losada et al. [26-28] showed that the application of strain to multiple curvatures POFs caused a reduction in the bandwidth and an increased power loss. Jimeacute;nez et al. [29] explored a plastic optical fiber-based displacement sensor. The sensor was fabricated using a POF wrapped around a flexible cylinder. The r
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译 文
基于双循环弯曲的塑料光纤位移传感器
摘要：在这项研究中，采用灵敏度高，易于制造的塑料光纤（POF）位移传感器的建议。进行双循环弯曲的POF试样是用来改善POF位移传感器的灵敏度。该位移传感器的灵敏度辊，相对位移和辊子数之间的时间间隔的影响进行了实验和数值两者分析。得到的实验测量和数值计算之间有很好的一致性。结果表明，辊子之间的间隔与其他设计参数影响灵敏度相比最显著。基于实验数据，线性方程推导来估算的功率损失和相对位移之间的关系。估计的结果和实验结果之间的差被发现为小于8％。该结果还表明，基于双循环弯曲拟议的POF位移传感器可用于检测位移准确度。
关键词：塑料光纤;循环弯曲;位移光纤传感器
1.简介
光纤被广泛使用，因为它们在通信系统中的低衰减，重量轻，更高的数据传输速率和无电磁影响[1]。在最近几年，已经开发了不同类型的光纤传感器，用于测量位移，温度，压力和其他可能的应用[2-4]。与玻璃光纤（GOFs）相比，塑料光纤（塑料光纤）具有更高的数值孔径，更容易连接，更便宜，更显示灵活性[4-8]。因此，塑料光导纤维更适合于在感测设备中使用。 Donlagic [9]表示光纤传感器通常可以分为外在光纤传感器[10,11]和固有光纤传感器[12-15]。外在光纤传感器无法用于许多目的，因为该光的强度由受污染的镜面[14]改变。光纤传感器具有较高的信号稳定性，因为输出功率可根据测得的参数的变化而改变。光纤传感器基于宏观或微观弯曲，制造简单，价格便宜，并提供高信号稳定。此外，他们可以提供一个更宽的测量范围和更高的灵敏度[15]。
在理论和实践应用中，弯曲光波导辐射损耗的预测是一个重要的课题[16]。研究者已对弯曲光纤传感器提出许多不同的目的[16-22]，如轴向应变和曲率的测量[16-18]，裂缝的检测和垂直偏转监测[19]，液位测量[20]，信号补偿[21]，湿度监测[22]，等等。为了提高光纤传感器的弯曲灵敏度，改善所述塑料光导纤维的横截面轮廓的片段被删除或增加的结构缺陷[14,16,17， 19,20]。然而，POF传感器结构缺陷可能导致应力集中或结构缺陷后很长一段时间在服务，这导致信号监测错误，特别是对于具有齿形缺陷的塑料光导纤维。已知的是，用于与弯曲半径的POF灵敏度改良效果不明显。因此，如何增加传感器的灵敏度，成为POF没有缺陷的一个重要问题。目前，很少有出版物已经研究基于循环弯曲[9,23-30]传感器的灵敏度。例如，Yin等[23]提出了一种光纤传感器specklegram（FSS）细角对准的应用。结果表明，FSS使纤维扰动高度敏感，由于该灵敏度测量随传感光纤增大。 Kulkarni等[24]研究了使用一种新颖的POF传感器用于测量力中的权重的方面。结果表明，增加增强微弯灵敏度变形板的波纹的间距。桑斯等人[25]开发的POF力传感器通过将POF放在蛇形状的模具。结果表明，在没有力的作用下，塑料光导纤维保持原状，而在外部压力的模具内的纤维被改变。洛萨达等26-28]表明，菌株的多个曲率塑料光导纤维的应用引起了减小的带宽和增加的功率损耗。希门尼斯等人[29]探索出的塑料光纤为基础的位移传感器。用缠柔性气缸的POF传感器制作。结果表明，灵敏度可以通过predeforming缸或通过降低其半径得到改善。聚物等 [30]提出了基于一个额外的衰减从弯曲和抛光塑料光纤产生一个准分布式水平传感器。改善液位传感器发生的缺陷和不同旋转主轴，以提高灵敏度。
在这项研究中，根据循环弯曲一个高度敏感的塑料光纤位移传感器（POF位移传感器）实验和数值分析。该POF传感器圆柱的模型表面没有压损坏。双弯曲模型是用来增加POF位移传感器的灵敏度。受辊子数目的影响，顶板和底板，两个辊之间的间隔之间的距离对传感器的灵敏度影响进行了讨论。
2. POF位移传感器设计
在这项研究中，提出了一种基于循环弯曲的高度敏感的塑料光导纤维的位移传感器。图1示出的实验装置用于测量环状弯曲POF传感器的功率损耗。如图所示，该装置包括塑料光导纤维，一个循环弯曲模型，和一个配有一个检测器和光源的光功率计（Photom，型号205A）。在实验中，所使用的照明源是中心波长为660纳米的发光二极管（LED）。 LED的推出NA为0.5毫米。我们知道，当光线经过一个循环弯曲POF，会发生功率损耗。所使用的POF标本是阶跃折射率型为2.2毫米，1毫米的包层直径的SH-4001纤维（三菱丽阳公司制），0.98毫米的芯径和0.5毫米数值孔径（NA）的涂层直径。纤芯和包层的折射率分别是1.492和1.402。这些塑料光导纤维的芯包层和涂覆由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），含氟聚合物和低密度聚乙烯（LDPE）制成，分别表示进行一次循环弯曲和双循环弯曲POF试样的配置。在下文中，它们分别被命名为一个循环弯曲POF传感器和双循环弯曲POF传感器。双循环弯曲模型被用来提高传感器的灵敏度。第一循环弯曲路线是从所述光源到所述一个半圆柱体。第二个是从所述一个半圆柱体到光检测器。
塑料光导纤维位移传感器研究的参数包括辊子数（RN），两个辊子（Iroller）和两个压板（四）之间的间隔。弯曲模型中的最小间隔是有限至9毫米。如果最小间隔被用在该模型中，纤维会承受较大的塑性变形，这可能会导致芯表面损坏。另外，一个较大的间隔将导致更小的功率损耗。为了研究电源丢失间隔的效果，并避免小的功率损耗，三个区间，即12毫米，14.5毫米和18毫米在这项研究中进行了讨论。为了研究对POF传感器的多达七个的灵敏度，，采用了四个不同的辊子。虽然，辊的直径是一个重要参数，较小的滚筒半径可以引起塑性变形，并导致存储在所述塑料光导纤维传感器残余应力。因此在本研究中被认为是具有4毫米的半径的滚子。辊被固定用V沟。弯曲前的两个按压板之间的初始距离d0为13.3毫米。在弯曲变形过程中板距离d而变化。相对位移Delta;D被定义为D0 - ETH;。上部按压板和下部按压板之间的平行度也影响的相对位移。因此，在这些实验中，上部按压板被限制由四个较小的气缸移动至仅上下四个角发达的POF传感器来控制并行性。以上三个实验测试是探索对POF位移传感器的每个参数的影响。
3.结果与讨论
通过实验测量和数值分析来研究被测塑料光导纤维位移传感器的灵敏度。在这项研究中，由弹性塑料三维有限元模拟得到压制POF传感器的弯曲形状。仿真使用的是商业有限元程序包（ABAQUS）的功率损耗，然后可以通过变形的塑料光导纤维的几何尺寸代入光学数值软件ZEMAX来计算。在数值模拟中，一个三维光线跟踪模型被使用。光输入被假定为均匀地分布在芯横截面，因为在实验中使用的光源是LED。光线追踪模型包括子午线和斜交线。相对于光纤中心轴的最大射线的角度为20度。变形前和变形后的塑料光导纤维传感器的功率分别被表示为Pi和P0。被选择用于所述功率损耗计算的收敛测试各种数量的光线。功率比pi;/ P0的情况下，10万，20万线的数字分别计算百万顷0.702，0.701和0.703，为了节省计算时间，光线的数量被取为100000本研究。弯曲的POF传感器的有限元网格，由于塑料光导纤维几何的对称性，只有一半的模式被认为是在有限元分析。在执行所述分析一个假设，即在按压板是刚性体。一般情况下，有限元模型涉及约28,800八节点块单元和37467节点。在有限元模拟中使用的机械性能列于表1中。图2（b）表示从实验和数值模拟得到的载荷 - 位移关系。在该图中，符号表示的实验结果，实线是从建议的弹塑性有限元模型得到的数值计算结果。在这种情况下，辊子RN的数目和间隔Iroller取为4和12毫米。很显然，在两组结果之间存在良好的一致性。不确定性是其标称值的5％以内。功率比值P0 /皮带的辊的数量的变化，压板具有相对位移Delta;D4.43毫米。值得注意的是，一种环状的弯曲模型被认为是对功率比的计算。在该图中，实线和符号表示分别从光线跟踪模型和实验测量，所获得的数值计算结果。结果表明，在该两组结果之间获得的良好的一致性。从上述结果，可以得出结论，提出的有限元与射线追踪组合模型能准确预测变形POF传感器的功率损耗。结果还表明，该功率比因滚子数目的增加而线性降低。
功率比值P0 /Pi，RN = 4，相对位移的变化Iroller = 12毫米。由此可以看出，相对位移小于观察到无功率损耗1.5mm以下。这意味着，POF传感器在该范围内相对位移的弯曲变形可以不影响发送功率。结果还表明，功率损耗增加，相对位移时的相对位移是大于1.5mm。该结果可以通过附图进行说明。变形的POF位移传感器可以观察到，有四个不同的曲率半径，即R 1〜R 4，变形的塑料光导纤维的传感器。曲率半径R1是接近光源的输入侧，R4是接近光源的输出侧。各种元素网格进行各曲率半径R2的收敛检验，网眼比定义为所述元件长度与光纤直径DCO的比率。使用的网格比率2.869，1.435，0.729和0.364。相对位移delta;D，间隔Iroller和滚子数RN是4毫米，12毫米和4，分别在这些情况下。从网格比2.869，1.435，0.729和0.364所得的曲率半径分别为12.64，10.52，10.0和9.77毫米。结果表明，在曲率半径R 2的变化并不明显，网格比大于0.729。与0.729和0.364的网格比例所获得的结果相比较，所不同的不超过3％。为了节省计算时间，本文用0.729网状比率。从有限元模拟与一个循环弯曲模型的相对位移所得到的曲率半径的变化。据观察，曲率半径R1〜R4的减少将增加相对位移。结果还表明，对于一恒定的相对位移，R1的值是接近R4，R2是接近至R3。两者的曲率半径R1和R4是比R2和R3大很多。例如，曲率半径R1和R2是35毫米和9mm，分别作为相对位移Delta;D为4.5毫米。文献[34]表明，依赖样品的曲率半径上的功率损耗。曲率半径较小时，功率损耗较大。此外，由于几何对称，用于双循环模式，在第一辊子的变形POF传感器的曲率半径和所述第二辊是相同的，。因为光功率分布由第一辊改变，这将导致在第二辊有更多的光功率损耗。
曲线的曲率半径为所述塑料光导纤维试样和180度弯曲的功率比的变化。其结果从实验测量得到的。可以看出，对于Rgt;30mm时，功率比等于一。它意味着功率损耗不明显时的曲率半径是大于30毫米。功率损耗的增加明显降低的曲率半径R为小于30毫米。如图6（a）中，R 1或R 4的曲率半径保持大于30毫米的相对位移是小于4.5毫米的。结果证实，功率损耗是几乎独立的，R1和R4的相对位移从0至4.5mm增加。
因此，所提出的POF位移传感器的功率损耗主要归因于R2和R3，因为曲率半径R2和R3为不少于30毫米的相对位移，从1.5增加至4.5毫米。光线跟踪模型对POF传感器经受循环弯曲的射线路径。3-D射线跟踪模型的射线路径与delta;D= 4.5毫米给出的相对位移。为了清楚显示在该变形POF传感器的射线路径只有1000射线。可以看出，当光线从直线区域或区域的曲率大的半径（Rlt;lt;30毫米）与环状弯曲区域发射，大部分的光功率的损失在所述弯曲曲率半径为R2和R3的区域。图像也指示功率损耗在弯曲POF传感器的行为。它在没有观察到的功率损失时的相对位移小于1.5毫米，同时结果证实，当相对位移是大于1.5mm时，功率损耗的增加。此外，与一个循环弯曲POF传感器相比，很明显，在双循环弯曲POF传感器的增加，即，灵敏度提高了功率损耗。例如，给定一个相对位移delta;D= 4.3毫米，从一个双循环弯曲POF传感器获得的功率比分别是0.74和0.58的功率比由0.16降低（即，0.74-0.58）。由此可以得出结论，双循环弯曲POF位移传感器可以具有比所述基于一个循环弯曲的具有更高的灵敏度。
绘出的功率比相对于不同的时间间隔的相对位移的变化。一个双循环弯曲的POF传感器与七个辊被用于测量功率损耗。三个不同的时间间隔Iroller，即12毫米，14.5毫米，和18毫米，进行了探索。符号表示的实验结果表明，对于一恒定的相对位移，功率损耗增加的时间间隔减小。例如，给定的delta;D= 4.3毫米的相对位移，从间隔Iroller =12毫米得到的功率比和18mm的相比，通过0.55的功率比增大（即0.84-0.29）。它可以归因于该时间间隔的减小将导致塑料光导纤维传感器靠近辊半径的弯曲半径，从而导致大的功率损耗。由于POF位移传感器，间隔Iroller = 12毫米高灵敏度小的间隔的结果是用来探索辊的数目对在下面的功率比的影响。
具有相对位移的辊的数量影响用于双循环弯曲POF传感器的函数的功率比的变化。各符号表示的实验结果再次确认，当相对位移小于1.5毫米，更辊时甚至被观察到没有功率损耗。同时，可以看出，当相对位移是大于1.5毫米时，功率损耗呈现，相对位移近似线性依赖。该结果还表明，越来越多的辊的功率损失增加。多个辊暗示对POF传感器经受更多种几何变形，并且因此辐射损失随的辊的数量改变。例如，作为相对移动是从Delta;D=1.8毫米增加到delta;D= 4.3毫米，功率比由0.4降低（即0.98-0.58），用于RN= 4的情况下，但是，功率比降低0.64（即0.93-0.29），用于使RN =7的情况下的结果表明，该塑料光纤位移传感器的灵敏度可通过添加辊得到改善。
4.结论
这项研究已进行的实验和数值调查相对位移，辊数，并研究一个循环弯曲POF位移传感器的灵敏度与两个辊之间的间隔的影响。实验测量和数值结果表明，该塑料光纤传感模型用于测量位移是可行的。结果表明，基于循环弯曲的塑料光导纤维位移传感器显著受到的辊的数量，相对位移和时间间隔的影响。若辊的数量增加，并且间隔减小，功率比降低显著作为。一个基本的光线追踪分析的结果显示，大多数的光功率的损失，其转折点在第一回合和。根据实验结果，表达式被配制到涉及的功率损耗和相对位移。从所提出的方程和实验结果得到的预测功率损耗之间的最大偏差被发现为小于8％。因此，相对位移作为预测变形塑料光导纤维的传感器的电力
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