臺灣博碩士論文加值系統

本論文以光機電與光纖光柵感測技術為基礎，設計與製作陣列式曲率微感測裝置。本裝置藉由感測薄膜應變量變化，引起光纖光柵中心波長漂移，獲取不同曲面準確的曲率值。感測薄膜結構以有限元素法模擬，分析曲率感測壓縮量及位移，推導光纖光柵之光-應變效應的物理量轉換，以達到感測參數與製程最佳化之設計。本研究量測分析不同感測薄膜厚度對靈敏度的影響；分析不同光纖感測架構量測特性的差異，並進行校正。設計2×2感測矩陣支撐結構以放大感測訊號，矽膠材質的感測中心柱量測時，可有效貼合且不會刮傷量測曲面，有效減少量測誤差。陣列式曲率量測光纖感測器整合驅動接觸之電磁鐵與x-y微步進量測裝置，完成自動化量測裝置設計與測試。陣列式曲率感測元件實驗重複量測凸面鏡曲率的平均靈敏度為0.00185 nm/m-1，量測凹面鏡曲率的平均靈敏度為0.00243 nm/m-1。雙懸臂光纖曲率量測架構，可即時分辨測量曲面為凹面鏡或凸面鏡，簡支樑形式的感測架構提供較好的靈敏度與信號輸出。

Based on optical mechatronics and optical fiber grating technologies, an optical fiber microsensing is designed and developed for measuring curvatures. The precision curvatures can be derived by measuring the central wavelength shifts of the elastic membrane deflection induced fiber. The finite element method is used to simulate the sensing membrane structures for obtaining optimal parameters. The sensitivity of curvature measurement array is studied by analyzing different elastic membrane thickness. Different device characterizations of optical fiber microsensing array are measured with calibrating. An automatic curvature measurement array is set up by integrating optical fiber sensors, electromagnets and a x-y table. The developed supporting structure can amplify the sensor signal. The silicone-based center columns of sensors are used to protect contact surface and to prevent scratch damages and to reduce measurement error. The curvature measurement array is manufactured, calibrating and tested completely. A convex mirror’s curvatures are measured to have average sensitivity 0.00185 nm/m-1. A concave mirror’s curvatures are also measured to have average sensitivity 0.00243 nm/m-1. Double-cantilever optical curvature measurement can distinguish between concave mirrors and convex mirrors. Experimental results show the developed system which has better sensitivity and larger output signal.

目錄
誌謝 i
中文摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 1
1.3文獻探討 2
1.4研究流程與架構 3
第二章 曲率量測與光纖感測原理 5
2.1基礎曲率量測原理 5
2.2光纖構造與性質 7
2.3光纖光柵感測原理 10
2.4光機電曲率量測原理 12
2.5陣列式曲率量測方法與表面輪廓重建 14
第三章 陣列式曲率量測裝置設計與製作 17
3.1自動化量測機構規劃 17
3.2陣列式曲率感測元件設計 18
3.3自動對準之感測器磁性吸附機構設計 27
3.4量測機構與自動對準吸附機構製作 28
3.5陣列式光纖感測元件製作 31
第四章 量測分析與討論 35
4.1元件測試與分析 35
4.2陣列式曲率感測陣列改進與比較 49
4.3曲率感測驗證與非球面曲率量測 57
第五章 結論 71
5.1結論 71
5.2未來發展 72



















圖目錄
圖1.1 研究流程方塊圖 …………………………………………………………4
圖2.1 曲線 C 在 P 點的密切圓和曲率半徑 ……………………………………5
圖2.2 球徑計架構:(a)組件說明，(b)商用球徑計。 ………………………………6
圖2.3 量測曲率面鏡方式：(a)凸面鏡，(b)凹面鏡。 …………………………6
圖2.4 光纖之構造 ………………………………………………………………7
圖2.5 光纖內之光線靠全反射傳輸 ………………………………………………7
圖2.6 光纖光柵基本傳輸機制 ……………………………………………………8
圖2.7 不同折射率與模態的光纖：(a)步階式多模態，(b)漸進式多模態，(c)步階..式或漸進式單模態。……………………………………………..……………9
圖2.8 圓心角、曲率半徑、弧長與弦長之關係 ……………………………..12
圖2.9 陣列式曲率掃描量測方法 ………………………………………..16
圖2.10 曲率感測數據可視化處理(a)雙線性內插法示意圖，(b)陣列感測數據視覺化流程。 …………………………………………………………………16
圖3.1 陣列式曲率量測裝置規劃圖 ……………………………………………..17
圖3.2 曲率感測彈性薄膜結構模擬流程圖 …………………………………..19
圖3.3 薄膜結構模擬示意圖(中心柱直徑3 mm) ……………………………..20
圖3.4 薄膜受10g作用力，中心柱位移量模擬圖(中心柱直徑3 mm) ………..20
圖3.5 薄膜受10g作用力，中心柱壓縮量模擬圖(中心柱直徑3 mm) ………..21
圖3.6 中心柱位移0.5mm，薄膜側向伸長量模擬圖(中心柱直徑3 mm) …..21
圖3.7 不同負載導致的中心柱位移量變化圖 …………………………………..22
圖3.8 不同負載導致的中心柱壓縮量變化圖 …………………………………..23
圖3.9 不同中心柱位移導致的薄膜側向拉伸變化圖 ………………………..23
圖3.10 陣列式彈性薄膜結構頂視圖 ……………………………………………..24
圖3.11 彈性薄膜翻模模具截面圖 ……………………………………………..24
圖3.12 嵌入光纖光柵感測陣列於彈性薄膜製程 ……………………………..25
圖3.12 嵌入光纖光柵感測陣列於彈性薄膜製程(續) ………………………..26
圖3.13 (a)電磁鐵磁性分佈 (b) 釹磁強力磁鐵穢騄W劃 ……………………..27
圖3.14 感測器吸附機構-不銹鋼墊圈部份上視圖 …………………………..28
圖3.15 感測器吸附機構-釹磁強力磁鐵部份上視圖 ……………………………..28
圖3.16 感測元件磁性夾取測試，夾取感測陣列前，以垂直方向為z軸。 ……....29
圖3.17 感測元件磁性夾取測試，夾取感測陣列後，以垂直方向為z軸。 ……....30
圖3.18 改良後感測器吸附機構-不銹鋼墊圈部份上視圖 ……...……………..30
圖3.19 改良後感測器吸附機構-不銹鋼墊圈部份上視圖 ...…..……..………..30
圖3.20 彈性薄膜模具尺寸 ......…………………………………………………..31
圖3.21 以AutoCAD繪製彈性薄膜分層模具 …………………………………..31
圖3.22 雕刻分層壓克力模具(中心柱直徑4 mm) ……………………………..32
圖3.23 雕刻分層壓克力模具(中心柱直徑3 mm) ……………………………..33
圖3.24 陣列式光纖感測元件(直徑4 mm) ………………………………………..34
圖3.25 測試用陣列式光纖感測元件(直徑3 mm) ……………………………..34
圖3.26 陣列式光纖感測元件(直徑3 mm) ………………………………………..34
圖4.1 FBG的雙懸臂樑壓力與溫度量測架構[16] ……………………………..36
圖4.2 雙懸臂感測架構在不同應力下的反射頻譜[16] ………………………..37
圖4.3 基本曲率感測設計原理流程圖 ....…………………………………..37
圖4.4 感測元件反射頻譜圖(S1、S2) ………….………………………………38
圖4.5 感測元件反射頻譜圖(S3、S4) ….....……………………………………38
圖4.6 感測元件穿透頻譜圖(S1、S2) ….....……………………………………39
圖4.7 感測元件穿透頻譜圖(S3、S4) …….……………………………………39
圖4.8 曲率量測設備實體圖 ………………………………………………40
圖4.9 陣列式曲率量測元件-曲率量測架構圖 ……………………………..40
圖4.10 無下遠P測裝置之曲率量測分析(元件11- 4 mm) …………………..41
圖4.11 無下遠P測裝置之曲率量測分析(元件12- 4 mm) …………………..41
圖4.12 無下遠P測裝置之曲率量測凹面鏡誤差分析(元件11- 4 mm) ………..43
圖4.13 無下遠P測裝置之曲率量測凸面鏡誤差分析(元件11- 4mm) ………..44
圖4.14 無下遠P測裝置之曲率量測凹面鏡誤差分析(元件12- 4 mm) ………..44
圖4.15 無下遠P測裝置之曲率量測凸面鏡誤差分析(元件12- 4 mm) ………..45
圖4.16 無下遠P測裝置之凹面鏡曲率量測與理論值(Sensor 11- 4 mm) ………..46
圖4.17 無下遠P測裝置之凸面鏡曲率量測與理論值(Sensor 11- 4 mm) ………..46
圖4.18 無下遠P測裝置之凹面鏡曲率量測與理論值(Sensor 12- 4 mm) …..47
圖4.19 無下遠P測裝置之凸面鏡曲率量測與理論值(Sensor 12- 4 mm) …..47
圖4.20 有下遠P測裝置之凸面鏡曲率量測理論值(Sensor11- 3 mm) ………..50
圖4.21 有下遠P測裝置之凸面鏡曲率量測理論值(Sensor12- 3 mm) ………..51
圖4.22 凹面鏡曲率切線靈敏比較(Sensor11-3 mm) …………………………......51
圖4.23 凸面鏡曲率切線靈敏度比較(Sensor11-3 mm) …………………..……52
圖4.24 有下遠P測裝置之曲率量測與反射波長漂移關係(Sensor11-3 mm) …..52
圖4.25 無下辣q測與反射波長漂移關係(Sensor11- 3 mm) ……………..53
圖4.26 有下辣q測與反射波長漂移關係(Sensor12- 3 mm) ……………..53
圖4.27 無下辣q測與反射波長漂移關係(Sensor12- 3 mm) ……………..54
圖4.28 不同薄膜厚度系統量測凹面鏡曲率量測與反射波長漂移關係 ………..54
圖4.29 不同薄膜厚度系統量測凸面鏡曲率與反射波長漂移關係 ……………..55
圖4.30 有下遠P測原理流程圖……………………………..………………..……55
圖4.31 光纖光柵曲率感測元件之量測分析模型 ……………………………..56
圖4.32 光纖光柵曲率感測元件量測架構分析，(a)具端點支撐之簡支樑結構，(b)無支撐之雙懸臂樑結構。 ……………………………..…………56
圖4.33 改良系統之凸面鏡曲率量測與理論值(Sensor 11) …………………..58
圖4.34 改良系統之後凸面鏡曲率量測與理論值(Sensor 12) …………………..58
圖4.35 改良系統之後凸面鏡與凹面鏡曲率量測(Sensor 11) …………………..59
圖4.36 改良系統之後凸面鏡與凹面鏡曲率量測(Sensor 12) …………………..59
圖4.37 光纖曲率量測元件之薄膜撓曲與校正實驗架構 ………………………..60
圖4.38 曲率感測元件量測範圍測定(Sensor 11- 3mm) ………………………..61
圖4.39 曲率感測元件量測範圍測定(Sensor 12- 3mm) ………………………..61
圖4.40 曲率感測元件量測特性比較 …....………………………………………62
圖4.41 非球面待測凸透鏡 ……………………..…………………………………63
圖4.42 非球面凸透鏡表面輪廓重建(S1) ..……………………………………63
圖4.43 非球面凸透鏡表面輪廓重建(S2) ..……………………………………64
圖4.44 非球面凸透鏡表面輪廓重建(S3) ..……………………………………64
圖4.45 非球面凸透鏡表面輪廓重建(S4) ..……………………………………65
圖4.46 非球面凸透鏡表面輪廓重建(陣列式曲率量測) ..……………………65
圖4.47 非球面待測凹透鏡 …..…………………………………………………66
圖4.48 非球面凹透鏡表面輪廓重建(S1) ..……………………………………67
圖4.49 非球面凹透鏡表面輪廓重建(S2) ..……………………………………67
圖4.50 非球面凹透鏡表面輪廓重建(S3) ..……………………………………68
圖4.51 非球面凹透鏡表面輪廓重建(S4) ..……………………………………68
圖4.52 非球面凹透鏡表面輪廓重建(陣列式曲率量測) ..……………………69
圖4.53 標準平面表面輪廓重建(陣列式曲率量測) ……..………………………69
圖4.54 含周圍平面之凸面輪廓重建 …..……………………………………70
圖4.55 含周圍平面之凹面輪廓重建 …..……………………………………70





表目錄
表2.1 不同特性光纖分類表 8
表2.2 一般鍺矽單模光纖的典型參數[25] 11
表3.1 SH-ET4027電磁吸鐵規格表 29
表3.2 雙液矽膠(SC - 812)相關參數………………………………………………..32

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