臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
相較於裸光纖光柵壓力感測器而言，本文探討一種以高斯無足型的布拉格光纖光柵結合聚合物於有效的封裝後，其壓力量測之靈敏度已被大幅提升，理論分析之結果與實際量測結果相似，且布拉格中心波長的位移量與壓力曲線亦呈線性關係。
延伸壓力感測器的應用，配合水壓力的量測與原理，可實現水位計的製作，而在不增加光纖光柵水位計的尺寸條件下，利用蝕刻光纖的方式可進一步提升其水位計之壓力靈敏度。同時，此水位計可藉由水位高低之間水壓力的變化，得知水位之高度的改變，代表此光纖光柵水位計確實具有量測水壓力與水位高度的能力，而在水下載具潛水深度的量測應用上亦具有高度的潛力。

Abstract
This paper investigates a different configuratings of the piezometer is based on fiber Bragg grating (FBG) encapsulated in a polymer-half-filled metal cylinder. The polymer can be pressurized along one radial direction only, and responds to an axial force on the round plate, creating an axial stretched-strain on the FBG. The measured pressure sensitivity of our proposed the piezometer based on fiber grating is significantly improved compared to that of a bare FBG.
The experiment results are in good agreement with theoretical calculations and the linear relationship between the center-wavelength shift of the fiber grating and the applied pressure is confirmed .In the case of keeping the constant size of sensor head, the pezometer based on fiber grating sensitivity can be enhanced by the fiber etching technology.
The piezometer based on fiber grating can be extendly applied in the water pressure measurement for obtaining the variation of water level. The piezometer based on fiber grating has the potential to be applied to the measurement of medium pressure, liquid level and depth of water.

目 錄
誌 謝…. .……i
摘 要… ii
Abstract…. iii
目 錄… iv
表 錄… vi
圖 錄… vii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3本文架構 2
第二章 光纖光柵 3
2.1引言 3
2.2光纖光柵發展史 3
2.3 光纖光柵的種類 4
2.4 光纖光柵原理與推導 12
2.4.1 均勻型光纖光柵原理與推導 12
2.4.2 高斯無足型光纖光柵原理與推導 14
2.5 光纖光柵寫製方法 18
2.6 光纖光柵寫製裝置 20
第三章 光纖光柵壓力感測器 23
3.1裸光纖光柵壓力感測器 23
3.2以球狀玻璃為外殼之光纖光柵壓力感測器 24
3.3以聚合物為外襯之光纖光柵壓力感測器 26
3.4以聚合物為外襯加以封裝之光纖光柵壓力感測器 27
3.5側壓式光纖光柵水位計 28
第四章 布拉格光纖光柵水位計的理論分析 31
4.1 引言 31
4.2 布拉格光纖光柵水位計的構造 31
4.3布拉格光纖光柵水位計的工作原理 33
4.3.1一維應力、應變與卜松比 33
4.3.2三維應力與應變 34
4.3.3布拉格光纖光柵中心波長位移與應變的關係 34
4.3.4布拉格光纖光柵水位計中心波長位移與壓力的關係 37
第五章 光纖光柵水位計實驗成果與理論分析 39
5.1 光纖光柵水位計之製作與與壓力靈敏度的量測 39
5.1.1 光纖光柵水位計之製作 39
5.1.2 光纖蝕刻 41
5.1.3 實驗設備 45
5.1.4 實際量測結果與理論之比較 46
5.2光纖光柵水位計之水位高度量測 51
5.2.1 實驗設備 51
5.2.2 實際量測結果 52
第六章 結論 54
參考文獻…………………………………………………………………...... 55
表 錄
表5.1 光纖光柵水位計實驗用之RTV530矽膠主要特性表 40
表5.2 光纖光柵水位計之光纖蝕刻前與蝕刻後壓力靈敏度的比較 48



圖 錄
圖2.1 光柵基本架構 4
圖2.2 均勻型光纖光柵之(a)折射率調變量與(b)反射頻譜 7
圖2.3 高斯無足型光纖光柵之(a)折射率調變量與(b)反射頻譜 8
圖2.4 雙波紋型光纖光柵之(a)折射率調變量與(b)反射頻譜 9
圖2.5 週期漸變型光纖光柵之(a)折射率調變量與(b)反射頻譜 10
圖2.6 超結構型光纖光柵之(a)折射率調變量與(b)反射頻譜 11
圖2.7 改變m值之平均折射率與折射率調變量圖形(a)m>1(b)m=1(c)m= 0.5(d)m=0. ..............................................................16
圖2.8 UV入射光經Apodized Phase Mask產生0 order與 ±1order …16
圖2.9 (a)UV曝照mask之0 order與 ±1 order折射率變化(b)Apodized Mask繞射光折射率影響 17
圖2.10 雙波束寫製技術 19
圖2.11 稜鏡寫製技術 20
圖2.12 相位光罩之寫製技術 20
圖2.13 利用相位光罩法與準分子雷射製作光柵之架構 22
圖3.1 裸光纖光柵壓力感測器示意圖 23
圖3.2 裸光纖光柵壓力量測反應圖 24
圖3.3 球狀玻璃為外殼之光纖光柵壓力感測器示意圖 25
圖3.4 球狀玻璃為外殼之光纖光柵壓力感測器壓力反應圖 25
圖3.5 以聚合物為外襯之光纖光柵壓力感測器示意圖 26
圖3.6 以聚合物為外襯加以封裝之光纖光柵壓力感測器示圖 27
圖3.7 以聚合物為外襯加以封裝之光纖光柵壓力感測器壓力反應圖…... .
….…………………………………………………………………...28
圖3.8 側壓式光纖光柵水位計構造示意圖 29
圖3.9 側壓式光纖光柵水位計壓力反應圖………………………..............29
圖4.1 光纖光柵水位計構造示意圖 32
圖4.2 物體應變產生示意圖 33
圖4.3 光纖光柵水位計內部圓型平板軸向位移產生示意圖……………38
圖5.1 光纖蝕刻之二甲苯、氫氟酸與三氯乙烯之相對位置 42
圖5.2 單位時間與纖殼直徑的趨勢圖…………………………..................43
圖5.3 經由CCD光學顯微鏡拍攝直徑為125μm的光纖 43
圖5.4 經由CCD光學顯微鏡拍攝直徑為28μm的光纖 44
圖5.5 光纖蝕刻概略說明圖 45
圖5.6 光纖光柵水位計測壓實驗架構圖.………………….......…………46
圖5.7 光纖光柵水位計之(a)反射頻譜圖(b)壓力與波長關係圖………...47
圖5.8 經由CCD光學顯微鏡拍攝直徑為105μm的光纖………………49
圖5.9 經由CCD光學顯微鏡拍攝直徑為47μm的光纖…………….….49
圖5.10 光纖光柵水位計之(a)反射頻譜圖(b)壓力與波長關係圖(纖殼直徑
(105μm)………………………………………………………….....50
圖5.11 光纖光柵水位計之(a)反射頻譜圖(纖殼直徑47μm)………….......51
圖5.12 光纖光柵水位計實驗架構圖.………………….......………………52
圖5.13 光纖光柵水位計(a)實驗水位反射頻譜圖(b)實驗水位與波長關係圖…………………………………………………………………...53

參考文獻
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