臺灣博碩士論文加值系統

光纖光柵的應變感測特性可以透過貼附的方式，量測其載體的應變特性。本實驗將光纖光柵於塑膠射出成型的澆注製程時，直接將光纖光柵埋到產品中。透過這樣的埋入方式，可以提高光纖光柵的量測範圍和壽命。研究其靜態與動態感測的特性，期許這樣的感測系統能應用在關鍵的塑膠元件的即時監測與損壞預防上。
本實驗從射出成型開始，克服異質埋入所導致的產品缺陷(如氣泡)，直到足夠的良率進行光纖光柵的埋入。隨後，對於有/無埋入光纖的產品，比較其拉伸強度與疲勞壽命的差異。其中，觀察破斷面型態與光柵的波長飄移，可以瞭解產品內部的殘留應力與破斷面分析。最後，試驗這樣的感測系統其靜態與動態的感測特性，並用以監測產品的模數衰減圖，討論此系統相較其他應變感測系統的優劣性。

By sticking onto the surface, Fiber Bragg gratings (FBGs) measure the straining property of substrate. The research is to apply FBGs to the injection molding by imbedding it right into the injection process. By using this method, we can increase the range and the fatigue life of FBGs. This research investigates the static and dynamics properties of the sensing system in hope that such system can be applied to the practical field of monitoring and damage prevention of the critical plastic components in national defense, medical, and aerospace.
Beginning from injection molding, some challenges faced in the experiments, like bubbles arisen from the imbedding of FBGs, were overcame until the result of imbedding process was good enough. Then, the tensile strength and fatigue life of specimens with FBGs imbedded and without were compared. Finally, we examined the capability of FBG strain sensing system in both static and dynamic condition, monitored the stiffness-N curve of specimen, and discussed the advantage and disadvantages of other strain sensing system.

目錄

致謝…………………………………………………………………………………….i
摘要……………………………………………………………..……………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………………………..Ⅱ
目錄………………………………………………………………………………… Ⅲ
表目錄…………………………………………………………………………….... Ⅵ
圖目錄………………………………………………………………………………..Ⅶ
第一章 導論…………………………………………………………………………..1
1.1前言…………………………………………………………………………..1
1.2研究動機……………………………………………………………………..2
1.3論文架構……………………………………………………………………..2
第二章 文獻回顧……………………………………………………………………..4
2.1光纖的構造與分類…………………………………………………………..4
2.1-1光纖的基本構造……………………………………………………...4
2.1-2光纖的分類…………………………………………………………...4
2.2光纖光柵發展………………………………………………………………..7
2.2-1光纖光柵的原理……………………………………………………...8
2.2-2光纖光柵的分類……………………………………………………...9
2.3光纖光柵感測及其應用…………………………………………………….11
2.3-1光纖光柵的光學性質……………………………………………….11
2.3-2波長飄移與應變關係理論………………………………………….13
2.3-3波長飄移與溫度關係理論………………………………………….14
2.3-4膠固效應影響理論………………………………………………….15
2.3-5短週期光纖光柵受不均勻應變場頻譜劈裂現象………………….15
第三章 實驗準備與方法……………………………………………………………23
3.1實驗設備……………………………………………………………………23
3.1-1液壓式萬能材料試驗機(Material Test System 810，MTS810)…….23
3.1-2應變計功率放大器(Strain Gage Amplifier)………………………...23
3.1-3光學頻譜分析儀(Optical Spectrum Analyser)……………………...24
3.1-4光纖熔接機(Splicer)………………………………………………...24
3.1-5光纖切割器(Optical Fiber Cleaver)…………………………………24
3.1-6光柵攝譜儀(Fiber Bragg Grating Interrogation System)…………...25
3.1-7微射出成型機……………………………………………………….25
3.2實驗方法……………………………………………………………………26
3.2-1微射出成型機製作試片…………………………………………….26
3.2-2試片的後製………………………………………………………….27
3.3射出過程的困難回顧與克服…………………………………………27
第四章 射出成型內部殘留應力的觀察……………………………………………35
4.1射出成型的殘留應力………………………………………………………35
4.1-1流動時所產生的殘留應力………………………………………….35
4.1-2不均勻溫度所產生之熱殘留應力………………………………….36
4.2光纖光柵埋入前後的波長飄移……………………………………………36
第五章 埋入光纖對射出件的影響…………………………………………………41
5.1實驗方法……………………………………………………………………41
5.1-1拉伸試驗…………………………………………………………….41
5.1-2疲勞試驗…………………………………………………………….42
5.2實驗結果……………………………………………………………………42
5.2-1拉伸試驗…………………………………………………………….43
5.2-2疲勞試驗…………………………………………………………….44
第六章 射出件試驗後的斷面觀察與探討…………………………………………44
6.1實驗儀器與方法……………………………………………………………48
6.1-1立體顯微鏡………………………………………………………….48
6.1-2掃描式電子顯微鏡(SEM)…………………………………………..48
6.2觀察結果……………………………………………………………………49
6.2-1拉伸破壞之破斷面………………………………………………….49
6.2-2疲勞破壞之破斷面………………………………………………….50
第七章 埋入光纖光柵監測射出件的疲勞行為……………………………………59
7.1光纖光柵之應變感測特性…………………………………………………59
7.1-1靜態負載…………………………………………………………….59
7.1-2週期性動態負載…………………………………………………….59
7.2光纖光柵之即時監測………………………………………………………60
7.2-1疲勞試驗之監測…………………………………………………….61
第八章 結論與未來研究方向………………………………………………………68
8.1研究結論……………………………………………………………………68
8.2未來展望……………………………………………………………………69
參考文獻……………………………………………………………………………..70










表目錄

表2-1：光纖分類……………………………………………………………………..17
表2-2：各種外部寫入光纖光柵方式之比較[13]……………………………………..17
表3-1：表3-1：射出程序中關鍵製程參數…………………………………………30
表4-1：本研究中使用的三種參數組合…………………………………………….38
表4-2：FBG埋入前後的波長飄移量………………………………………………38
表4-3：FBG埋入前後的能量衰減………………………………………….……. 38
表4-4：FBG埋入前後的半高頻高增量……………………………………………39
表5-1：相同射出參數、不同批次射出件的比較……………………………………45
表5-2：疲勞試驗的循環週數………………………………………………………..45





















圖目錄

圖2-1：光纖之構造[21] ……………………………………………………………….18
圖2-2：不同種類光纖之示意圖[16] ……………………………………………….…18
圖2-3：K. O. Hill於1978年第一次製作光纖光柵的儀器架構[6] …………………18
圖2-4：G. Meltz於1989年以側寫方式製作光纖光柵的儀器架[7] ………………...19
圖2-5：K. O. Hill於1993年以相位光罩製作光纖光柵示意圖…………………….19
圖2-6：各種外部寫入光纖光柵方法………………………………………………..20
圖2-7：光柵原理示意圖[21] ………………………………………………………….20
圖2-8：週期式光纖光柵工作原理示意圖[21] …………………………………….…21
圖2-9：長週期光纖光柵原理示意圖[21] ……………………………………………21
圖2-10：含鍺玻璃內的GeO缺陷……………………………………………………22
圖2-11：干涉圖樣造成光柵…………………………………………………………22
圖2-12：光纖光柵受不均勻應變量所反射的頻譜情形[19] ………………………...22
圖3-1：液壓式萬能材料試驗機(MTS 810) ………………………………………...31
圖3-2：應變計功率放大器…………………………………………….……………31
圖3-3：微射出成型機(台大奈米科技中心) ……………………………..…………32
圖3-4：光學頻譜分析儀(OSA)………………………………………….…..………32
圖3-5：光纖融接機與光纖切割器…………………………………………………33
圖3-6：射出成型試片及其尺寸……………………………………………………..33
圖3-7：模具………………………………………………………………………….33
圖3-8：模穴內柱體的修整………………………………………………………….34
圖3-9：單一生產循環的流程……………………………………………………….34
圖3-10：射出時產出的兩種包封形式……………………………………….…….34
圖4-1：光纖光柵埋入前的頻譜……………………………………………………40
圖4-2：光纖光柵埋入後的頻譜……………………………………………………40
圖 5-1：典型的PC射出件的拉伸曲線…………………………………………….46
圖 5-2：PC試片拉伸試驗前後的外觀(類似呂德帶行為)…………………………46
圖 5-3：疲勞試驗結果，S-N Curve…………………………………………………47
圖 6-1：斷面試片與SEM載台……………………………………………………..52
圖 6-2：疲勞破壞階段示意圖[20] …………………………………………………..52
圖 6-3：拉伸試驗之斷面巨觀顯微…………………………………………………53
圖6-4：150N低負載疲勞試驗之斷面巨觀顯微……………………………………53
圖6-5：400N高負載疲勞試驗之斷面顯微…………………………………………54
圖6-6：拉伸破壞 – 裂縫萌生點之一………………………………………………54
圖6-7：拉伸破壞 – 裂縫萌生點之二………………………………………………55
圖6-8：拉伸破壞 – 裂縫開展－低倍率……………………………………………55
圖6-9：拉伸破壞 – 裂縫開展－高倍率……………………………………………56
圖6-10：疲勞破壞 – 裂縫萌生－低倍率………………………………………….56
圖6-11：疲勞破壞 – 裂縫萌生－高倍率………………………………………….57
圖6-12：疲勞破壞 – 裂縫開展－海波紋(Beach Mark) ………………………….57
圖6-13：疲勞破壞 – 最後破壞……………………………………………………58
圖7-1：表貼應變計的射出試片…………………………………………………….63
圖7-2：FBG的應變飄移([λ1]0=1541.64nm；[λ1]0=1538.24nm) ……………….63
圖7-3：FBG訊號於動態監測時的相位落後(埋入於射出試片)………………….64
圖7-4：FBG訊號於動態監測時，感測到的應變比例(埋入於射出試片)……….64
圖7-5：FBG訊號於動態監測時的相位落後(表貼於銅試片) ……………………65
圖7-6：FBG訊號於動態監測時，感測到的應變比例(表貼於銅試片)………….65
圖7-7：FBG疲勞監測之實驗配置…………………………………………………66
圖7-8：彈性係數衰減圖，27N(約800με)10Hz…………………………………66
圖7-9：疲勞試驗初期與末期的頻譜比較…………………………………………67

參考文獻

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