臺灣博碩士論文加值系統

本論文將以桑克干涉儀為光路基礎，來設計改善應用於檢測土石流信號的光纖振動感測系統。首先探討感測頭心軸，以環繞不同光纖圈數來改變感測系統的靈敏度及準確性，心軸之環繞圈數分別為20、40、60、80及100圈，並以桑克干涉儀光路架構進行量測，比較5顆感測心軸之量測結果後，可得環繞圈數為60圈之感測心軸為最佳配置。再利用雙環桑克干涉儀架構，在兩處分別加入兩段不同長度之延遲光纖，以提昇感測系統對於土石流檢測地聲信號的靈敏度及準確度。交替搭配進行量測並比較實驗結果後，可得延遲光纖1長度設置為3公里長時為最佳配置，而延遲光纖2之長度對於感測系統整體之影響相當微小。
最後進行振幅強度之量測，由實驗結果得知，感測系統所量測到之振幅強度，會隨著延遲光纖1長度增加而有所提升，但長度到達3.5公里時便開始衰減，因此可再次證實延遲光纖1長度為3公里時為最佳配置。

In this paper, we research a fiber-optic sensor based on Sagnac interferometer for the performance enhancement of debris flow monitoring system. First, investigating the sensing head mandrel, it was shown that we can increase their sensitivities and accuracies by increase number of wrapping fiber coils, the wraps numbers of sensing head mandrel were 20, 40, 60, 80 and 100 rounds. Comparison of the experimental results, we can get 60 laps mandrel are the best number of wrapping fiber coils. Then we add two difference length delay fibers onto the dual-loop Sagnac interferometer structure for improving the sensitivity and accuracy of debris flow monitoring system. Comparing with experimental results, we can find the length of delay fiber 1 with 3 kilometers long are the best configuration, and the length of delay fiber 2 which effect of this sensing system is quite small.
Eventually, we measure the amplitude intensity. In the experimental results, we can find the measured amplitude intensity of sensing system will be improved when the length of delay fiber 1 increase. But the amplitude intensity begin to attenuate when the length increase to 3.5 kilometers long. In this experiment, we can confirm the length of delay fiber 1 in 3 kilometers long is the best configuration.

摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XV
第一章 緒論 1
? 1.1前言 1
? 1.2研究背景 2
? 1.3文獻回顧 3
? 1.3.1光纖布拉格光柵振動感測法 4
? 1.3.2懸臂樑結構振動感測法 5
? 1.3.3心軸式感測頭振動感測法 7
第二章 光纖感測系統原理介紹 8
? 2.1光纖結構與原理 8
? 2.1.1光纖結構 8
? 2.1.2光纖傳輸原理 9
? 2.1.3光纖損耗 12
? 2.2光纖耦合器 16
? 2.2.1耦合器種類 16
? 2.2.2耦合器製程 19
? 2.3干涉現象 21
? 2.3.1干涉現象 21
? 2.3.2光纖干涉原理 22
? 2.4干涉儀種類 25
? 2.4.1馬赫-詹德干涉儀 25
? 2.4.2麥克森干涉儀 27
? 2.4.3桑克干涉儀 29
第三章 實驗架構及元件 31
? 3.1實驗架構設計 31
? 3.1.1心軸式感測頭設計 31
? 3.1.2地聲石礫模擬箱 34
? 3.2實驗光路架構 35
? 3.3實驗元件及儀器校正 39
? 3.3.1光纖耦合器量測 39
? 3.3.2光纖隔離器量測 41
? 3.3.3極化控制器量測 42
? 3.3.4感測心軸量測 44
? 3.3.5檢光器及資料擷取卡 45
? 3.3.6傅立葉轉換之分析 46
? 3.3.7加速規 48
第四章 實驗量測結果與討論 51
? 4.1實驗步驟規劃及流程 51
? 4.2桑克干涉儀實驗結果 53
? 4.2.1感測頭心軸環繞圈數為20圈之量測結果 53
? 4.2.2感測頭心軸環繞圈數為40圈之量測結果 55
? 4.2.3感測頭心軸環繞圈數為60圈之量測結果 57
? 4.2.4感測頭心軸環繞圈數為80圈之量測結果 59
? 4.2.5感測頭心軸環繞圈數為100圈之量測結果 61
? 4.2.6桑克干涉儀量測結果分析 63
? 4.3雙環桑克干涉儀實驗結果 63
? 4.3.1延遲光纖1長度為1公里之實驗結果 64
? 4.3.2延遲光纖1長度為1.5公里之實驗結果 70
? 4.3.3延遲光纖1長度為2公里之實驗結果 75
? 4.3.4延遲光纖1長度為2.5公里之實驗結果 80
? 4.3.5延遲光纖1長度為3公里之實驗結果 85
? 4.3.6延遲光纖1長度為3.5公里之實驗結果 90
? 4.3.7雙環桑克干涉儀量測結果分析 95
? 4.4振幅強度量測之實驗結果 101
? 4.4.1延遲光纖1長度為1公里之量測結果 103
? 4.4.2延遲光纖1長度為1.5公里之量測結果 103
? 4.4.3延遲光纖1長度為2公里之量測結果 104
? 4.4.4延遲光纖1長度為2.5公里之量測結果 104
? 4.4.5延遲光纖1長度為3公里之量測結果 105
? 4.4.6延遲光纖1長度為3.5公里之量測結果 105
? 4.4.7振幅強度量測結果分析 106
第五章 結論 107
? 5.1結論 107
? 5.2未來展望 108
參考文獻 109

[1] Y. Zhang, D. Feng, Z. Liu, Z. Guo, X. Dong, K.Chiang, B. C. B. Chu, “High-Sensitivity Pressure Sensor Using a Shielded Poymer Coated Fiber Bragg Grating,” IEEE Photonics Technology Letters, 13, 6, 1041-1135, 2001.
[2] H. Lin, W. W. Lin, M. H. Cheng, S. C. Huang,“ A Vibration Insensitive Reciprocal Reflection Interferometer for Optical Fiber Current Sensor,” Optical Engineering, 38, 10, 1722-1799, 1999.
[3] J. Jung, H. Nam, B. Lee, J. O. Byun, N. S. Kim,“ Fiber Bragg Grating Temperature Sensor with Controllable Sensitivity,” Applied Optics, 38, 13, 2752-2754 1999.
[4] W. W. Lin, S. C. Huang, M. H. Cheng,“ A Fiber Optic Microampere DC Current Sensor,” Optical Engineering, 42, 9, 2551-2557, 2003.
[5] W. W. Lin,“ An All Fiber Optic Current Sensor,” Optical Engineering, 42, 4, 896-897, 2003.
[6] 林永豊、林武文，以光纖干涉儀作落石監測之可行性分析，安全與管理研討會，高雄市，國立高雄第一科技大學，2004。
[7] 許招墉，光電工學概論，全華科技圖書股份有限公司，台北，1990。
[8] 吳曜東，光纖原理與應用，全華科技圖書股份有限公司，台北，2001。
[9] 三下真司、白中和，光纖通信原理與最新應用技術，建興文化事業有限公司，台北，2004。
[10] 黃衍介，近代實驗光學，東華書局，台北，2005。

[11] J. Wang, Y. Yu, Y. Chen, H. Luo, Z. Meng,“ Research of a Double Fiber Bragg Gratings Vibration Sensor with Temperature and Cross Axis Insensitive,” Optik, 126, 7, 749-753, 2015.
[12] A. I. Hernández-Serrano, G. Salceda-Delgado, D. Moreno-Hernández, A. Martínez-Ríos, D. Monzón-Hernández,“ Robust Optical Fiber Bending Sensor to Measure Frequency of Vibration,” Optics and Lasers in Engineering, 51, 9, 1102-1105, 2013.
[13] Y. Zhao, X. G. Li, F. C. Meng, Z. Zhao,“ A Vibration Sensing System Based on SMS Fiber Structure,” Sensors and Actuators A: Physical, 214, 1, 163-167, 2014.
[14] L. Gao, S. Liu, Z. Yin, L. Chen, X. Chen,“ Multi Longitudinal Mode Fiber Optic Vibration Sensor,” IEEE MWP, 978, 1, 133-136, 2011.
[15] G. G. Thomas, A. B. Joseph, D. Anthony,“ Optical Fiber Sensor Technology,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 30, 4, 472-511, 1982.
[16] E. Udd, W. B. Spillman,“ Fiber Optical Sensors,” John Wiley and Sons, New York, 2011.
[17] G. B. Hocker,“ Fiber Optic Sensing of Pressure and Temperature,” Applied Optics, 18, 9, 1445-1448, 1979.
[18] B. E. A. Saleh, M. C. Teich,“ Fundamentals of Photonics,” John Wiley and Sons, New York, 2007.
[19] 胡竹林，高錕與光纖通訊技術(中)，RD專欄華人之光，2014。
[20] 黃素真，光纖技術手冊(第三版)，全華圖書股份有限公司，新加坡，2003。
[21] 林螢光，光電子學原理元件與應用，全華書局，台北市，2001。
[22] 孫慶成，光電概論，全華書局，台北市，1998。
[23] C. K. Kirkendall, A. Dandridge,“ Overview of High Performance Fibre Optic Sensing,” Journal of Physics D: Applied Physics, 37, 18, 1445-1448, 1979.
[24].陳漢揚，雙環桑克干涉式水中聽音器之性能提升，國立中山大學電機工程學系碩士論文，2006。
[25] 涂俊宏，土石流地聲傳播特性之實驗研究，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，2005。
[26] 陳建成，布拉格光纖光柵振動感測器設計，國立中山大學電機工程學系碩士論文，2003。
[27] X. Shu, D. Zhao, L. Zhang, K. Sugden, I. Bennion,“ Near Constant Time Delay Response of Fiber Grating Sagnac Loop Filters,” IEEE Photonics Letters, 14, 8, 1127-1129, 2002.
[28] 李昇達，光纖干涉式振動感測器之研究，國立高雄第一科技大學光電工程研究所碩士論文，2008。
[29] L. Byoungho,“ Review of the Present Status of Optical Fiber Sensors,” Optical Fiber Technology, 19, 9, 57-79, 2003.
[30] D. Inaudi, B. Glisic,“ Interferometric Inclinometer for Structural Monitoring,” Optical Fiber Sensor Conference, 1, 10, 391-394, 2002.
[31] C. Wurster, J. Staudenraus, W. Eisenmenger,“ The Fiber Optic Hydrophone,” IEEE Ultrasonics Symposium, 2, 8, 941-944, 1994.
[32] P. Nash,“ Review of Interferometric Optical Fiber Hydrophone Technology,” IEEE Proceedings, 143, 3, 204-209, 1996.
[33] A. Dandridge, A. B. Tveten, T. G. Gillorenzi,“ Homodyne Demodulation Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 30, 10, 1635-1641, 1982.
[34] K. Krakenes, K. Blotekjar,“ Effect of Laser Phase Noise in Sagnac Interferometer,” Journal of Lightwave Technology, 11, 4, 654-653, 1993.
[35] K. Krakenes, K. Blotekjar,“ Sagnac Interferometer for Underwater Sound Detection Noise Properties,” Optial Letter, 14, 20, 1152-1154, 1989.
[36] T. S. Jang, S. S. Lee, B. Kwon, W. J. Lee, J. J. Lee,“ Nocontact Detection of Ultransonic Wave Using Fiber Optic Sagnac Interferometer,” IEEE Transactions on Ultrasonics, 49, 6, 767-775, 2002.
[37] 周日峰，桑克干涉式水中聽音器之設計，國立中山大學電機工程學系碩士論 文，1999。
[38] P. Wei, X. Shan, X. Sun,“ Frequency Response of Distributed Fiber Optic Vibration Sensor Based on Nonbalanced Mach-Zehnder Interferometer,” Optical Fiber Technology, 19, 1, 47-51, 2013.
[39] Q. Zhu, W. Ye,“ Distributed Fiber Optic Sensing Using Double Loop Sagnac Interferometer,” IEEE, 978, 1, 499-503, 2014.
[40] B. J. Vakoc, M. J. F. Digonnet, G. S. Kino,“ A Novel Fiber Optic Sensor Array Based on the Sagnac Interferometer,” Journal of Lightwave Technology, 17, 11, 2316-2326, 1999.
[41] T. C. Liang, Y. L. Lin,“ Ground Vibrations Detection with Fiber Optic Sensor,” Optics Communications, 285, 9, 2363-2367, 2012.