指導教授：單秋成臺灣大學：機械工程學研究所林凡鈞Lin, Fan-ChunFan-ChunLin2014-11-292018-06-282014-11-292018-06-282014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/263192日常生活中許多機械構件如飛機、橋梁、火車、升降梯等，在長期使用下會因結構的疲勞而產生缺陷裂縫，當裂縫成長至臨界值時，結構則有斷裂破壞的危險，應於設計時提供構件監測的機制，而在疲勞發生後進行結構的補強修補。 目前以光纖光柵感測器的量測技術已發展了一段時間，由於光纖感測系統本身具有徑細質輕、敏感度高、長期穩定性佳、不受電磁雜訊干擾及與高分子材料相容性高等特性，可內埋至複合材料中，近年來廣泛使用於應變的感測上，而使用能量調變型光纖光柵感測器之技術多用於衝擊實驗以及微應變震動的實驗上，本研究設計一具有高靈敏度之能量調變型光纖光柵感測器來進行金屬結構疲勞以及複合材料修補貼片下的量測應用，並提出一靜態拉伸實驗的方法用以量化調變電壓與應變的關係，而後成功使用能量調變型光纖光柵感測器量測鋼索在模擬疲勞下的材料機械性質、CT試片於疲勞裂縫成長下之開口位移監測以及內埋光柵於複合材料補片內之裂縫成長監測，且證實了此能量調變型光纖光柵感測器之精度高於本實驗使用之光頻譜儀的成果。Daily life of many mechanical components such as aircraft, bridges, trains, elevators, etc., in the long-term use due to fatigue cracks in the structure when the crack grows to a critical value, should be designed monitoring means providing a mechanism for the occurrence and the fatigue strength in the reinforcing patch. Currently FBG sensor measurement techniques have been developed for a period of time. Due to the fiber optic sensing system has a diameter of fine lightweight, high sensitivity, long-term stability, immune to electromagnetic noise interference and phase and polymer materials higher capacitive characteristics. It can be buried in the complex material. FBG is widely used in the recent strain sensing. The use of energy modulation fiber grating sensor technology used for experiments on the impact or micro-strain. In this study design of a high sensitivity energy modulation type fiber grating sensors for measuring metal fatigue and structural composite repair patch. Propose a method for static tensile test modulation voltage and strain quantized. Success used energy modulation type fiber grating sensors measure the mechanical properties of steel wire, the standard compact type specimen’s opening displacement and buried fiber grating to monitor crack growth in composite materials. Finally confirmed the accuracy of the sensor is higher than the experimental optical spectrum analyzer.誌謝 II 摘要 III Abstract IV 目錄 V 圖目錄 VIII 表目錄 XII 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機 2 1.3論文架構 3 第二章 文獻回顧 4 2.1 光纖光柵文獻回顧 4 2.1.1光纖原理 4 2.1.2光纖光柵原理 6 2.1.3光纖光柵的製作 7 2.1.4布拉格光纖光柵感測原理 10 2.1.5光學能量調變感測系統回顧 13 2.2 疲勞破壞文獻回顧 16 2.2.1 應力強度因子(Stress Intensity Factor) 16 2.2.2 裂縫尖端塑性區 18 2.2.3 Paris’ Law 19 2.3修補方式文獻回顧 20 2.3.1膠合修補方式 21 2.3.2複合材料中的熱殘留應力 23 第三章 實驗設備 25 3.1疲勞拉伸試驗實驗設備 25 3.1.1高速疲勞拉伸試驗機(High Cycle Fatique, HCF) 25 3.1.2四極步進馬達 28 3.1.3電感式位移計 28 3.1.4荷重元(Loadcell) 29 3.1.5計數器 30 3.1.6熱壓成型系統 30 3.2 能量調變型光纖光柵感測系統實驗設備 31 3.2.1光纖切割機 31 3.2.2光纖熔接機 32 3.2.3雷射泵激光源(Laser Pump) 32 3.2.4摻鉺光纖(Erbium-Doped Fiber, EDF) 33 3.2.5濾波器(OTF-300-024-S2) 33 3.2.6檢光器(Photodetector, PD) 35 3.2.7光學頻譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA) 35 3.2.8訊號擷取器(Data acquisition, DAQ) 36 3.2.9圖控程式語言軟體Labview 37 第四章 實驗方法與流程 38 4.1 雷射環(Laser Ring)光學能量調變感測系統建構 38 4.1.1能量調變感測原理 38 4.1.2雷射環能量調變型光纖光柵感測系統架構 38 4.2 靜態拉伸實驗 41 4.2.1實驗說明 41 4.2.2實驗流程 41 4.3鋼索疲勞破壞實驗 44 4.3.1鋼索試片製作 44 4.3.2感測光纖黏貼方式 45 4.3.3鋼索試片定位方式 46 4.3.4實驗方法與流程 47 4.4 CT試片疲勞裂縫生長實驗 48 4.4.1疲勞CT試片製作 48 4.4.2 FBG黏貼位置 49 4.4.3 CT試片疲勞K值估算 50 4.4.4 CT試片開口位移之計算 50 4.4.5 CT試片疲勞實驗之流程 52 4.5 CT試片疲勞裂縫成長後膠合修補實驗 53 4.5.1膠合修補的材料與成化方式 53 4.5.2試片進行膠合修補之程序 54 4.5.3膠合修補後疲勞實驗流程 55 第五章 實驗結果與討論 57 5.1靜態拉伸實驗結果 57 5.2鋼索疲勞破壞實驗結果 61 5.2.1鋼索疲勞破壞實驗結果 61 5.2.1鋼索模擬疲勞破壞實驗結果 63 5.3 CT試片疲勞裂縫成長實驗結果 74 5.3.1試片#1實驗結果 75 5.3.2試片#2實驗結果 76 5.3.3試片#3實驗結果 79 5.3.4試片#4實驗結果 81 5.3.5開口位移理論與實驗結果比較 85 5.4 CT試片疲勞裂縫成長後膠合修補實驗結果 87 5.4.1修補前裂縫成長階段 88 5.4.2初修補後階段 90 5.4.3修補後裂縫成長階段 93 第六章 結論與未來展望 99 6.1結論 99 6.2未來展望 100 參考文獻 101 附錄1 實驗結果數值表 105 附錄2 膠合修補實驗結果2 1087793512 bytesapplication/pdf論文使用權限：不同意授權疲勞測試金屬裂縫生長監測複合材料貼片修補非破壞性檢測能量調變型光纖光柵感測器thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/263192/1/ntu-103-R01522532-1.pdf