馬剣清臺灣大學：機械工程學研究所葉耀文Yeh, Yao-WenYao-WenYeh2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61097光纖光柵所製成的感測器有不受電磁干擾，高靈敏度以及多樣性的量測能力等各項優點，其在靜態以及低頻的量測能力已受到肯定，且已大量在各方面獲得實質的應用成果。而光纖光柵在量測動態反應的能力上仍需有進一步的研究成果才能做實際的應用。本論文旨在建立光纖光柵在靜態、穩態以及暫態的量測技術及量測能力並創建可行的動態量測系統。在本論文中亦將使用應變規、雷射都卜勒振動儀及壓電式感測器三種量測技術並與光纖光柵的量測結果做比較以確定研究成果的可行性與正確性。 本論文主要建立靜態以及穩態(振動)的量測能力並涵誧C頻(10Hz以下)，中頻(數十到數百Hz)以及高頻(數千Hz)的三個不同頻段，其輸出的施力頻率將由壓電材料來控制及激發，且包含了軸向，拉伸及彎曲變形等不同的質點運動模式，而應用光纖光柵來量測材料受動力衝撞時的暫態反應亦是本論文的研究重點。Grating-based fiber sensors are simple and intrinsic and have all the advantages normally attributed to fiber sensors such as electromagnetic immunity, high sensitivity and multiplexing capabilities. Various applications in sensing static and low frequency response have been widely reported. However, some limitations, particularly in the capability of the sensing dynamic responses, may be needed for further investigations. The main objective of this thesis is to establish the experimental measuring system based on the grating-based fiber sensors to obtain the dynamic response of materials subjected to dynamic leadings. Another three measuring techniques, strain gage, laser Doppler vibrometer and NBS transducer, are also used in this study to verify the results obtained from grating-based fiber. The frequencies of the applied loading are controlled by piezoelectric materials and are covered from low frequency (under 10Hz), middle frequency (101~102 Hz) and high frequency (~103Hz). The measurement of the transient response of the material subjected to dynamic impact loadings is also investigated in this study.誌謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 表目錄 viii 圖目錄 ix 第一章 緒論 1 1-1 研究動機 1 1-2 文獻回顧 7 1-3 內容簡介 11 第二章 光纖及光纖光柵的基本原理 14 2-1 光纖的構造與分類 14 2-1-1 光纖的基本構造 14 2-1-2 光纖的分類 15 2-2 基本光學理論 20 2-2-1 基本光纖光學 21 2-2-2 光纖光柵的原理 25 2-2-3 光纖光柵的分類 27 2-3 光纖光柵的製作 31 2-3-1 光纖光柵的傳統式製作方法 31 2-4 光彈原理與熱光原理 40 2-4-1 光彈原理 40 2-4-2 熱光原理 44 第三章 傳統式短週期光纖光柵 45 3-1 基本特性 45 3-1-1 運作特性及設計參數 45 3-1-2 等效折射率及場形分佈 47 3-2 共振波長飄移理論 48 3-2-1 共振波長飄移原理 48 3-2-2 受平面應力下之情況 52 3-2-3 受單軸向應力下之情況 53 3-3 實驗儀器說明 54 3-3-1 實驗架設說明 54 3-3-2 光纖光柵分析儀 56 3-3-3 能量式光纖光柵感測系統 57 3-3-4 雷射都卜勒振動儀 61 3-4 靜態實驗結果、對照與討論 64 3-4-1 基本特性理論分析 64 3-4-2 基本特性實驗 65 第四章 穩態的實驗結果與討論 70 4-1 積層式壓電致動器試片－一維軸向振動 71 4-1-1 試片規格說明 71 4-1-2 實驗架設說明 75 4-1-3 穩態實驗結果與討論 76 4-1-4 暫態實驗結果與討論 90 4-2 壓電雙晶片驅動器試片－二維面外振動 95 4-2-1 試片規格說明 95 4-2-2 實驗架設說明 98 4-2-3 實驗結果與討論 98 4-3 圓形壓電陶瓷試片－二維面內面外振動 103 4-3-1 試片規格說明 103 4-3-2 實驗架設說明 103 4-3-3 實驗結果與討論－面外量測 105 4-3-4 實驗結果與討論－面內量測 113 4-4 圓形積層式壓電致動器－三維振動 117 4-4-1 試片規格說明 117 4-4-2 實驗架設說明 118 4-4-3 實驗結果與討論 119 第五章 暫態的實驗結果與討論 127 5-1 實驗說明 127 5-1-1 試片規格說明 127 5-1-2 實驗架設說明 128 5-2 實驗結果與討論 130 5-2-1 時間響應實驗結果與討論 130 5-2-2 暫態訊號量測實驗結果與討論 132 第六章 結論與未來展望 150 6-1 本文成果 150 6-2 未來展望 151 附錄 153 I 實驗用積層式壓電致動器特性 153 II 實驗用壓電雙晶片特性 157 III 壓電雙晶片模態圖 159 IV 圓形壓電陶瓷平板模態圖 160 參考文獻 162 表目錄 表4-1 實驗用積層式壓電致動器工作特性表 73 表4-2 受拉伸下特性分析求解之結果 85 表4-3 AF-ESPI模態量測結果 106 表4-4 光纖光柵振幅數據表-面外 111 表4-5 阻抗分析儀及AF-ESPI模態量測結果 113 表4-6 光纖光柵振幅數據表-面內 116 表4-7 積層式壓電致動器主要構件的材料性質 118 表4-8 光纖光柵振幅數據表-三維振動(1V) 120 表4-9 光纖光柵振幅數據表-三維振動(10V) 125 圖目錄 圖1- 1 光纖感測器目前分布圖 5 圖1- 2 光纖感測器目前研究領域分配圖 5 圖2- 1 光纖之構造 14 圖2- 2 商品用之光纖 15 圖2- 3 不同種類光纖之示意圖 16 圖2- 4 光纖依傳播模態數分類 16 圖2- 5 光學理論的演進 20 圖2- 6 司乃耳定律示意圖 21 圖2- 7 光纖導光原理示意圖 22 圖2- 8 光柵原理示意圖 25 圖2-9 短週期式光纖光柵工作原理示意圖 27 圖2-10 短週期式光纖光柵模態耦合示意圖 28 圖2-11 長週期式光纖光柵工作原理示意圖 29 圖2-12 長週期式光纖光柵模態耦合示意圖 30 圖2-13 幾種在光纖上寫入光柵的示意圖 32 圖2-14 相位光罩法原理示意圖 34 圖2-15 外力式光纖光柵 37 圖2-16 外力式光纖光柵製作流程示意圖 38 圖2-17 金屬遮罩外型示意圖 39 圖2-18 蒸鍍步驟示意圖 39 圖3- 1 短週期光纖光柵模態耦合示意圖 45 圖3- 2 短週期光纖光柵之反射頻譜圖 46 圖3- 3 短週期光纖光柵單位化之模態場形 47 圖3- 4 光纖上座標軸之定義 49 圖3- 5 兩共振波長下之頻譜圖 50 圖3- 6 平面應力狀態下座標軸之定義 52 圖3- 7 一般短週期光纖光柵之架設 55 圖3- 8 FBG-IS外觀示意圖 56 圖3- 9 能量調變型光纖光柵感應器能量調變原理示意圖 59 圖3-10 雷射都卜勒振動儀光路示意圖 62 圖3-11 光纖光柵靜態拉伸設備 66 圖3-12 光纖光柵頻譜圖 66 圖3-13 應變對波長飄移量實驗結果 67 圖3-14 光纖光柵頻譜圖 67 圖3-15 應變對波長飄移量實驗結果 68 圖4- 1 實驗設計總覽說明圖 70 圖4- 2 積層式壓電致動器示意圖 72 圖4- 3 實驗用積層式壓電致動器外型及尺寸圖 72 圖4- 4 積層式壓電致動器的電壓位移關係圖 73 圖4- 5 光纖光柵頻譜圖-1546.54nm及1558.94nm 74 圖4- 6 積層式壓電致動器試片示意圖 74 圖4- 7 FBG-IS量測系統架設示意圖 75 圖4- 8 能量調變型光纖光柵感應系統架設範例示意圖 76 圖4- 9 各種波形響應示意圖（低頻，單軸向） 77 圖4-10 光纖光柵振幅響應圖 78 圖4-11 光纖光柵(FBG)波形響應時域圖 79 圖4-12 積層式壓電致動器掃頻圖 80 圖4-13 光纖光柵及應變計-100Hz時域圖 81 圖4-14 雷射都卜勒振動儀-100Hz時域圖 82 圖4-15 光纖光柵及應變計-1kHz時域圖 83 圖4-16 雷射都卜勒振動儀-1kHz時域圖 83 圖4-17 雷射都卜勒振動儀-1kHz FFT圖 83 圖4-18 光纖光柵、應變計、雷射都卜勒振動儀振幅歸一化示 意圖 84 圖4-19 雷射都卜勒振動儀移量與光纖光柵(FBG)的電壓值歸 一化關係圖 85 圖4-20 長週期光纖光柵頻譜圖 86 圖4-21 光纖光柵-11kHz時域圖 87 圖4-22 雷射都卜勒振動儀-11kHz時域圖 87 圖4-23 光纖光柵-20kHz時域圖 88 圖4-24 雷射都卜勒振動儀-20kHz時域圖 88 圖4-25 光纖光柵-250kHz時域圖 89 圖4-26 光纖光柵頻率對電壓關係圖-0－300kHz 90 圖4-27 光纖光柵頻率對電壓關係圖-30－110kHz 90 圖4-28 函數產生器自訂之暫態訊號示意圖 91 圖4-29 光纖光柵暫態量測結果示意圖 91 圖4-30 函數產生器自訂之暫態訊號示意圖 92 圖4-31 光纖光柵量測結果示意圖 93 圖4-32 光纖光柵及原輸出訊號比較示意圖-10Hz 93 圖4-33 光纖光柵及原輸出訊號比較示意圖-100Hz 94 圖4-34 函數產生器自訂之暫態訊號示意圖-1kHz 94 圖4-35 壓電雙晶試片實物圖 96 圖4-36 光纖光柵貼附示意圖 96 圖4-37 壓電雙晶片驅動器試片電壓驅動示意圖-Series Drive 97 圖4-38 壓電雙晶片驅動器試片電壓驅動示意圖-Parallel Drive 98 圖4-39 光纖光柵-737Hz時域圖 99 圖4-40 光纖光柵-試片靜止時的時域圖 99 圖4-41 光纖光柵-6.3kHz時域圖 100 圖4-42 光纖光柵-9.3kHz時域圖 100 圖4-43 雷射都卜勒振動儀掃頻圖 101 圖4-44 光纖光柵頻率對電壓關係圖-0-150kHz 102 圖4-45 圓形壓電陶瓷平板尺寸圖 104 圖4-46 光纖光柵頻譜圖 105 圖4-47 試片架設示意圖 105 圖4-48 光纖光柵-1.63kHz時域圖 106 圖4-49 光纖光柵-1.63kHz頻域圖 107 圖4-50 光纖光柵-3.406kHz時域圖 107 圖4-51 光纖光柵-3.406kHz頻域圖 108 圖4-52 光纖光柵-6.8kHz時域圖 108 圖4-53 光纖光柵-6.8kHz頻域圖 109 圖4-54 光纖光柵-7.8kHz時域圖 109 圖4-55 光纖光柵-7.8kHz頻域圖 110 圖4-56 光纖光柵-13.8kHz時域圖 110 圖4-57 光纖光柵-13.8kHz頻域圖 111 圖4-58 光纖光柵頻率對電壓關係圖-面外 112 圖4-59 雷射都卜勒振動儀掃頻圖 112 圖4-60 阻抗分析儀掃頻圖 113 圖4-61 光纖光柵-68.86kHz時域圖 114 圖4-62 光纖光柵-68.86kHz頻域圖 114 圖4-63 光纖光柵-1786kHz時域圖 115 圖4-64 光纖光柵-1786kHz頻域圖 115 圖4-65 光纖光柵頻率對電壓關係圖-面內 116 圖4-66 積層式壓電致動器內部構造及其相關尺寸示意圖 117 圖4-67 光纖光柵頻譜圖 119 圖4-68 雷射都卜勒振動儀掃頻圖-1 Volt. 119 圖4-69 光纖光柵頻率對電壓關係圖-三維振動 120 圖4-70 雷射都卜勒振動儀掃頻圖-10 Volt 121 圖4-71 光纖光柵-87.8kHz時域圖. 121 圖4-72 光纖光柵-87.8kHz頻域圖. 122 圖4-73 光纖光柵-151kHz時域圖. 122 圖4-74 光纖光柵-156kHz時域圖. 123 圖4-75 光纖光柵-156kHz頻域圖. 123 圖4-76 光纖光柵-196kHz時域圖. 124 圖4-77 光纖光柵-196kHz頻域圖. 124 圖4-78 光纖光柵頻率對電壓關係圖-三維振動. 125 圖5-1 鋁塊試片尺寸及光纖光柵位置示意圖. 127 圖5-2 NBS垂直位移換能器. 128 圖5-3 雷射位移光學感測器. 129 圖5-4 雷射位移光學感測器原理示意圖. 130 圖5-5 光纖光柵時域響應圖-1sec./puise 131 圖5-6 光纖光柵時域響應圖-3、3、4sec./puise 131 圖5-7 光纖光柵時間響應圖 132 圖5-8 光纖光柵暫態量測結果-珠擊法20cm 133 圖5-9 NBS錐形位移換能器暫態量測結果-珠擊法20cm 134 圖5-10 光纖光柵與NBS錐形位移換能器結果比較示意圖（a） 135 圖5-11 光纖光柵與NBS錐形位移換能器結果比較示意圖（b） 135 圖5-12 光纖光柵與NBS錐形位移換能器結果比較示意圖（c） 136 圖5-13 光纖光柵與NBS錐形位移換能器結果比較示意圖（d） 136 圖5-14 雷射位移暫態測量結果-珠擊法20cm. 137 圖5-15 光纖光柵靈敏度測量結果. 138 圖5-16 光纖光柵靈敏度實驗量測結果放大圖 139 圖5-17 實驗架設示意圖 141 圖5-18 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-0度. 142 圖5-19 長週期光纖光柵頻譜圖. 142 圖5-20 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-45度. 144 圖5-21 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-90度. 144 圖5-22 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-135度. 143 圖5-23 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-180度. 145 圖5-24 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-225度. 145 圖5-25 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-270度. 145 圖5-26 光纖光柵及NBS錐形位移換能器量測結果-315度. 146 圖5-27 雷射位移計系統測量結果-0度. 147 圖5-28 雷射位移計系統測量結果-45度. 147 圖5-29 雷射位移計系統測量結果-90度. 147 圖5-30 雷射位移計系統測量結果-135度. 148 圖5-31 雷射位移計系統測量結果-180度. 148 圖5-32 雷射位移計系統測量結果-225度. 148 圖5-33 雷射位移計系統測量結果-270度. 148 圖5-34 雷射位移計系統測量結果-315度. 1493335832 bytesapplication/pdfen-US動態反應光纖光柵感測器Grating-based fiberSensorsDynamic responsethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61097/1/ntu-93-R91522514-1.pdf