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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:何孟翰
研究生(外文):Meng-Han He
論文名稱:應用光纖感測器量測敲擊位置與強度
論文名稱(外文):Application of FBG sensors on measuring impact location and intensity
指導教授:何旭川
指導教授(外文):Shiuh-Chuan Her
口試委員:陳永樹鄭錦榮
口試委員(外文):Yeong-shu ChenJiin-Rong Cheng
口試日期:2013-07-23
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:118
中文關鍵詞:光纖光柵光濾波器光強度敲擊位置敲擊力
外文關鍵詞:Fiber Bragg gratingoptical filterlight intensityimpact locationimpact force
相關次數:
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光纖光柵承受機械應變所產生之反射光波長偏移,可用於量測結構應力、應變、位移、振動與壓力等物理量。本文以光纖光柵結合光濾波器與光偵測器,將短週期光纖光柵受到衝擊時所造成之反射光波長偏移轉換為光強度電壓變化,藉由量測光柵反射光強度電壓之變化,評估衝擊點所在位置與衝擊力大小。選用之試片為鋁板,並於鋁板中心位置沿0°方向、45°方向與135°方向,各黏貼一條光纖光柵,再以實驗方式求得這三條光柵反射光強度電壓變化與敲擊位置及敲擊力之關係式。最後以隨機方式敲擊鋁板,將量測所得光柵反射光強度電壓變化,代入實驗求得之數學關係式,計算敲擊力與位置,並與實際值比較,兩者相當吻合平均誤差約為5%,驗證光纖光柵量測衝擊力與位置之準確性與可行性。
The shift of Bragg wavelength induced by the mechanical strain can be used to detect many physical quantities such as stress, strain, displacement, vibration and pressures etc. In this work, fiber Bragg grating (FBG) sensors are employed to detect the impact force and location. Fiber Bragg grating is incorporated with optical filter and photo detector so that the shift of Bragg wavelength due to the impact can be converted to the change of light intensity and detected by a photo detector. The test specimen is an aluminum plate. Three fiber Bragg gratings are surface bonded in the central region of the aluminum plate, aligned along the , and , respectively. The mathematical relationships between the light intensity and the impact force and location for each fiber Bragg grating were established basing on a series of experimental tests. Several random impact tests were conducted to verify the proposed model. The light intensities of these three fiber Bragg gratings recorded by the photo detectors were substituted into the mathematical relationships to evaluate the impact force and location. Experimental test results show that the error of impact force and location measured by the fiber Bragg grating sensors is about 5 %. This demonstrates the feasibility of detecting the impact source using the fiber Bragg grating sensors.
目錄
書名頁 I
口試論文審定書 III
授權書 IV
中文摘要 VIII
英文摘要 IX
致謝 X
目錄 XI
表目錄 XIII
圖目錄 XIV
符號表 XVIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法及內容 4
第二章 光纖光柵原理與特性 6
2.1 光纖光柵原理 6
2.2 光纖光柵的分類與特性 7
2.3 布拉格條件(BRAGG CONDITION) 7
2.4 短週期光纖光柵(FBG) 9
2.4.1 短週期光纖光柵方程式 10
2.4.2 機械應變產生光柵反射波長之偏移量 10
第三章 光纖感測原理與衝擊實驗 12
3.1 感測原理 13
3.2 實驗設備與方法 13
3.3 不同位置光纖光柵接收敲擊訊號之時間差 16
第四章 光強度與敲擊力及位置之實驗關係 19
4.1光纖光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力及位置關係 20
4.2光纖光柵2反射光強度電壓變化與敲擊力及位置關係 26
4.3光纖光柵3反射光強度電壓變化與敲擊力及位置關係 29
第五章 平板敲擊力與位置實驗量測與驗證 33
5.1第一區域(0~90°)敲擊實驗量測 33
5.2第二區域(90~180°)敲擊實驗量測 36
5.3第三區域(180~270°)敲擊實驗量測 38
5.4第四區域(270~360°)敲擊實驗量測 41
第六章 結論 44
參考文獻 46

表目錄
表2.1單模石英光纖材料性質 48
表3.1敲擊槌規格(Impulse AT-303-1) 49
表3.2敲擊不同區域三條光柵接收到敲擊訊號之先後順序 49
表4.1不同敲擊位置(角度θ與距離r)實驗量測所得光柵1反射強度靈敏度K( mv/ N) 50
表4.2不同敲擊位置(角度θ與距離r)實驗量測所得光柵2反射強度靈敏度K( mv/ N) 51
表4.3不同敲擊位置(角度θ與距離r)實驗量測所得光柵3反射強度靈敏度K( mv/ N) 52
表5.1第一區域敲擊實驗應用光纖光柵量測所得敲擊點角度(θ) 距離(r)敲擊力(F)與實際值之比較 54
表5.2第二區域敲擊實驗應用光纖光柵量測所得敲擊點角度(θ)距離(r)敲擊力(F)與實際值之比較 55
表5.3第三區域敲擊實驗應用光纖光柵量測所得敲擊點角度(θ)距離(r)敲擊力(F)與實際值之比較 56
表5.4第四區域敲擊實驗應用光纖光柵量測所得敲擊點角度(θ)距離(r)敲擊力(F)與實際值之比較 57















圖目錄
圖2.1單模光纖基本結構 58
圖2.2短週期光纖光柵之反射與穿透 58
圖2.3光在光纖心蕊波傳(a)短週期光纖光柵 (b)長週期光纖光柵 59
圖3.1濾波器過濾後之光譜 59
圖3.2感測光路 60
圖3.3短週期光纖光柵1之反射光波長 60
圖3.4短週期光纖光柵2之反射光波長 61
圖3.5短週期光纖光柵3之反射光波長 61
圖3.6鋁薄板試片 62
圖3.7寬頻光源輸出光譜 62
圖3.8 FAZTEC型號ASE1550A之寬頻光源 63
圖3.9濾波器 63
圖3.10光循環器 (Optical Circulator) 64
圖3.11光偵測器(Photodector) 64
圖3.12資料擷取器(Data Acquisition System) 65
圖3.13資料擷取器模組由右至做為電壓量測模組(NI 9239)、應變規模組(NI 9237)、加速度量測模組(NI 9234) 65
圖3.14光譜儀(Optical Spectrum Analyzer) 66
圖3.15敲擊槌(Hammer) 66
圖3.16三條光纖光柵位置(a)實驗設置圖(b)示意圖。 67
圖3.17敲擊第一區域三條光纖光柵反射光強度訊號之時間差 68
圖3.18敲擊第二區域三條光纖光柵反射光強度訊號之時間差 68
圖3.19敲擊第三區域三條光纖光柵反射光強度訊號之時間差 69
圖3.20敲擊第四區域三條光纖光柵反射光強度訊號之時間差 69
圖4.1實驗量測光纖光柵1反射光強度訊號之敲擊點 70
圖4.2實驗設備架設圖 71
圖4.3敲擊位置角度θ=0°距離r=7cm敲擊力與光柵1反射光強度電壓 71
圖4.4敲擊位置角度θ=0°距離r=7cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 72
圖4.5敲擊位置角度θ=0°距離r=9cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 72
圖4.6敲擊位置角度θ=0°距離r=11cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 73
圖4.7敲擊位置角度θ=0°距離r=13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 73
圖4.8沿0度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 74
圖4.9敲擊位置角度θ=10°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 74
圖4.10沿10度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 75
圖4.11敲擊位置角度θ=15°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 75
圖4.12沿15度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 76
圖4.13敲擊位置角度θ=25°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 76
圖4.14沿25度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 77
圖4.15敲擊位置角度θ=30°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 77
圖4.16沿30度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 78
圖4.17敲擊位置角度θ=35°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 78
圖4.18沿35度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 79
圖4.19敲擊位置角度θ=55°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 79
圖4.20沿55度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 80
圖4.21敲擊位置角度θ=60°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 80
圖4.22沿60度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 81
圖4.23敲擊位置角度θ=65°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 81
圖4.24沿65度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 82
圖4.25敲擊位置角度θ=75°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 82
圖4.26沿75度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 83
圖4.27敲擊位置角度θ=80°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 83
圖4.28沿80度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 84
圖4.29敲擊位置角度θ=90°距離r=7~13cm光柵1反射光強度電壓變化與敲擊力之關係曲線 84
圖4.30沿90度方向敲擊所得光柵1靈敏度與敲擊距離之關係曲線 85
圖4.31 光柵1靈敏度係數a與敲擊角度θ之關係曲線 85
圖4.32光柵1靈敏度係數b與敲擊角度θ之關係曲線 86
圖4.33實驗量測光纖光柵2與光柵3反射光強度訊號之敲擊點 86
圖4.34敲擊位置角度θ=0°距離r=7cm敲擊力與光柵2反射光強度電壓 87
圖4.35光柵2靈敏度係數a與敲擊角度θ之關係曲線 87
圖4.36光柵2靈敏度係數b與敲擊角度θ之關係曲線 88
圖4.37光柵2靈敏度係數a與敲擊角度0~90°之關係曲線 88
圖4.38光柵2靈敏度係數b與敲擊角度0~90°之關係曲線 89
圖4.39光柵2靈敏度係數a與敲擊角度90~180°之關係曲線 89
圖4.40光柵2靈敏度係數b與敲擊角度90~180°之關係曲線 90
圖4.41光柵2靈敏度係數a與敲擊角度180~270°之關係曲線 90
圖4.42光柵2靈敏度係數b與敲擊角度180~270°之關係曲線 91
圖4.43光柵2靈敏度係數a與敲擊角度270~360°之關係曲線 91
圖4.44光柵2靈敏度係數b與敲擊角度270~360°之關係曲線 92
圖4.45敲擊位置角度θ=0°距離r=7cm敲擊力與光柵2反射光強度電壓 92
圖4.46光柵3靈敏度係數a與敲擊角度θ之關係曲線 93
圖4.47光柵3靈敏度係數b與敲擊角度θ之關係曲線 93
圖4.48光柵3靈敏度係數a與敲擊角度0~90°之關係曲線 94
圖4.49光柵3靈敏度係數b與敲擊角度0~90°之關係曲線 94
圖4.50光柵3靈敏度係數a與敲擊角度90~180°之關係曲線 95
圖4.51光柵3靈敏度係數b與敲擊角度90~180°之關係曲線 95
圖4.52光柵3靈敏度係數a與敲擊角度180~270°之關係曲線 96
圖4.53光柵3靈敏度係數b與敲擊角度180~270°之關係曲線 96
圖4.54光柵3靈敏度係數a與敲擊角度270~360°之關係曲線 97
圖4.55光柵3靈敏度係數b與敲擊角度270~360°之關係曲線 97
圖5.1隨機敲擊平板第一區域之敲擊點位置 98
圖5.2第一區域隨機敲擊點1之敲擊力響應 98
圖5.3第一區域隨機敲擊點1三條光柵反射光強度電壓 99
圖5.4第一區域隨機敲擊點2之敲擊力響應 99
圖5.5第一區域隨機敲擊點2三條光柵反射光強度電壓 100
圖5.6第一區域隨機敲擊點3之敲擊力響應 100
圖5.7第一區域隨機敲擊點3三條光柵反射光強度電壓 101
圖5.8第一區域隨機敲擊點4之敲擊力響應 101
圖5.9第一區域隨機敲擊點4三條光柵反射光強度電壓 102
圖5.10第一區域隨機敲擊點5之敲擊力響應 102
圖5.11第一區域隨機敲擊點5三條光柵反射光強度電壓 103
圖5.12隨機敲擊平板第二區域之敲擊點位置 103
圖5.13第二區域隨機敲擊點1之敲擊力響應 104
圖5.14第二區域隨機敲擊點1三條光柵反射光強度電壓 104
圖5.15第二區域隨機敲擊點2之敲擊力響應 105
圖5.16第二區域隨機敲擊點2三條光柵反射光強度電壓 105
圖5.17第二區域隨機敲擊點3之敲擊力響應 106
圖5.18第二區域隨機敲擊點3三條光柵反射光強度電壓 106
圖5.19第二區域隨機敲擊點4之敲擊力響應 107
圖5.20第二區域隨機敲擊點4三條光柵反射光強度電壓 107
圖5.21隨機敲擊平板第三區域之敲擊點位置 108
圖5.22第三區域隨機敲擊點1之敲擊力響應 108
圖5.23第三區域隨機敲擊點1三條光柵反射光強度電壓 109
圖5.24第三區域隨機敲擊點2之敲擊力響應 109
圖5.25第三區域隨機敲擊點2三條光柵反射光強度電壓 110
圖5.26第三區域隨機敲擊點3之敲擊力響應 110
圖5.27第三區域隨機敲擊點3三條光柵反射光強度電壓 111
圖5.28第三區域隨機敲擊點4之敲擊力響應 111
圖5.29第三區域隨機敲擊點4三條光柵反射光強度電壓 112
圖5.30第三區域隨機敲擊點5之敲擊力響應 112
圖5.31第三區域隨機敲擊點5三條光柵反射光強度電壓 113
圖5.32隨機敲擊平板第四區域之敲擊點位置 113
圖5.33第四區域隨機敲擊點1之敲擊力響應 114
圖5.34第四區域隨機敲擊點1三條光柵反射光強度電壓 114
圖5.35第四區域隨機敲擊點2之敲擊力響應 115
圖5.36第四區域隨機敲擊點2三條光柵反射光強度電壓 115
圖5.37第四區域隨機敲擊點3之敲擊力響應 116
圖5.38第四區域隨機敲擊點3三條光柵反射光強度電壓 116
圖5.39第四區域隨機敲擊點4之敲擊力響應 117
圖5.40第四區域隨機敲擊點4三條光柵反射光強度電壓 117
圖5.41鋁薄板試片實際敲擊位置與計算之敲擊位置分布圖 118
參考文獻
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