(3.239.33.139) 您好!臺灣時間:2021/02/27 00:43
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果

詳目顯示:::

我願授權國圖
: 
twitterline
研究生:詹惠媛
研究生(外文):Hui-Yuan Chan
論文名稱:布拉格光纖光柵感測器於高速內藏式主軸之健康檢測分析與工具機量測之應用
論文名稱(外文):Application of Fiber Bragg Grating Sensors for Machine Health Monitoring of Built-in High-speed Spindle and the Measurement of the Machine Tools
指導教授:馬劍清
口試委員:陳亮嘉蔡孟勳楊哲化蔡曜陽
口試日期:2019-07-23
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:機械工程學研究所
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:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:326
中文關鍵詞:布拉格光纖光柵感測器溫度熱伸長量工具機高速內藏式主軸數位影像相關法健康檢測麥克風長期監測
DOI:10.6342/NTU201901976
相關次數:
  • 被引用被引用:2
  • 點閱點閱:72
  • 評分評分:系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔系統版面圖檔
  • 下載下載:0
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:1
布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)感測器可以透過共振波長飄移理論將光纖光柵量測的波長訊號對於溫度變化與熱變形進行解耦合,以利後續量測,對於業界應用而言重要的物理量指標-熱伸長量,而利用光纖光柵高靈敏度、抗腐蝕且耐高溫的特點,除了可以提供高精確度量測外,亦可應用其徑細質輕的優勢,黏貼於工具機主軸的表面或埋入主軸內部進行相關物理量量測應用。
本文主要針對量測應用方面的不同可分為兩大部分,第一部分為以實驗室高速內藏式主軸為量測對象,使用不同於先前光纖光柵的黏貼方式,先針對光纖光柵之波長飄移與溫度的對應關係進行探討,以建立新的光纖光柵校正方法與流程,對於熱伸長量之量測做進一步的量測與改良,以增加光纖光柵可量測應用之範圍,並與實驗室自行開發的數位影像相關法進行相互驗證,確立不同的光纖光柵黏貼方法,其相關參數校正方法之可行性;第二部分則是針對實驗室高速內藏式主軸進行全域健康檢測分析,量測主軸之各物理量變化,以建立往後持續進行長時間監測之基礎,透過使用麥克風於主軸運轉期間進行聲音量測,不僅可以記錄主軸於運轉期間是否出現異常的聲音,亦可透過頻譜圖來找出異常的頻率分佈情況,再搭配與埋入主軸的多光纖光柵感測器之訊號進行比較以判斷主軸出現異常的可能位置。除了了解主軸之健康特性與相關訊號及物理量量測,也同時進行長時間多次重複相同實驗之監測,分析經多次運轉後的主軸於最初與最後監測日期之光纖光柵訊號之差異。最後以第一部分提出的光纖光柵黏貼方法與量測校正方法為基礎,實際針對業界工具機進行熱伸長量測應用,並證明光纖光柵感測器於工具機加工期間及有風扇或是切削液之加工環境下,依然可以正常進行量測與分析。
摘要 I
Abstract III
目錄 V
圖目錄 XI
表目錄 XXV
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目標 2
1.3 文獻回顧 3
1.3.1 光纖光柵參考文獻 3
1.3.2 數位影像相關法參考文獻 7
1.4 研究方法 8
1.5 本文架構與各章節內容簡介 9
第二章 光纖光柵基本理論與作用原理 13
2.1 光纖光學基本原理 13
2.2 光纖光柵基本原理 16
2.3 光彈效應與熱光效應 17
2.3.1 光彈效應 17
2.3.2 熱光效應 20
2.4 共振波長飄移理論 20
2.4.1 共振波長飄移原理 21
2.4.2 承受平面應力 23
2.4.3 承受單軸向應力 24
2.4.4 承受溫度影響 25
2.5 光纖光柵的種類 25
2.5.1 短週期光纖光柵(Short Period Fiber Grating) 26
2.5.2 長週期光纖光柵(Long Period Fiber Grating) 27
2.5.3 本文所使用的光纖光柵 27
2.6 光纖光柵的製作方法 28
2.6.1 光纖光感性 28
2.6.2 內部寫入法 28
2.6.3 橫向全像法 29
2.6.4 相位光罩法 29
第三章 實驗室量測技術與實驗設備 39
3.1 布拉格光纖光柵量測系統 39
3.1.1 光纖光柵感測器之量測系統 39
3.1.2 能量調變型光纖光柵動態量測系統 40
3.1.3 波長解調器(I-MON)量測系統 41
3.1.4 多段布拉格光纖光柵量測系統 42
3.2 光纖光柵量測系統所需之相關儀器 43
3.2.1 寬頻光源(適用於能量調變法) 43
3.2.2 濾波器 44
3.2.3 光隔離器與光循環器 44
3.2.4 低密度分波多工器(CWMD) 44
3.2.5 光耦合器 45
3.2.6 光電二極體(光電轉換器) 45
3.2.7 ASE可調式光源(配合I-MON專用) 45
3.2.8 光譜分析儀 45
3.2.9 波長解調器(I-MON) 46
3.2.10 ASE寬頻光源 46
3.3 溫度擷取器(MV100)與熱電偶 47
3.4 熱像儀 47
3.5 溫度擷取器(GP10) 48
3.6 數位影像相關法 48
3.6.1 數位影像相關法實驗注意事項 49
3.6.2 數位影像相關法實驗數據分析之重要參數 50
3.6.3 時間參數 50
3.6.4 空間參數 50
3.6.5 半窗格 51
3.7 PCB 1/2’’自由聲場麥克風 51
3.8 資料擷取卡 51
3.9 動態訊號分析軟體FLEXDSA 52
3.10 遠端監控及即時通報系統 52
第四章 光纖光柵波長飄移特性探討與主軸熱伸長量測分析 73
4.1 本章介紹 73
4.2 單段光纖光柵量測主軸熱伸長量 73
4.2.1 光纖光柵之黏貼方法與架設 74
4.2.2 光纖係數之校正 75
4.2.3 主軸於各轉速運轉溫升20℃ 76
4.2.4 主軸於各轉速運轉溫升至主軸60℃ 77
4.2.5 本節小結 79
4.3 單段光纖光柵波長與溫度關係之探討 80
4.3.1 單段光纖光柵波長飄移與溫度之對應問題 80
4.3.2 單段光纖光柵溫升轉換係數之校正 81
4.3.3 本節小結 82
4.4 三段光纖光柵量測主軸之熱伸長量 83
4.4.1 光纖光柵之黏貼方法與架設 83
4.4.2 光纖係數之校正 84
4.4.3 主軸於各轉速溫升至60℃之熱伸長量量測 84
4.4.4 三段光纖光柵對於主軸升溫降溫實驗量測 86
4.4.5 本節小結 87
4.5 三段光纖光柵波長與溫度關係之探討 88
4.5.1 三段光纖光柵波長飄移與溫度之對應問題 88
4.5.2 不同溫升轉換係數方法於主軸各轉速運轉之熱伸長量比較 88
4.5.3 本節小結 89
4.6 討論 90
4.7 本章結論 91
第五章 高速內藏式主軸健康檢測與長時間監測之結果分析 137
5.1 本章介紹 137
5.2 長期監測之實驗排程與研究架構 138
5.3 長期監測光纖光柵感測器之選擇與事前量測分析 139
5.3.1 多光纖光柵感測器之架設與分析方法 139
5.3.2 主軸振動方面之量測分析 141
5.3.3 主軸溫度方面之量測分析 142
5.3.4 本節小結 143
5.4多光纖光柵埋入主軸與否之差異與波長飄移特性探討 144
5.4.1 多光纖光柵感測器對於主軸內外之量測差異與比較 144
5.4.2多光纖光柵波長飄移與溫度之對應問題 147
5.4.3多光纖光柵溫度之計算與熱伸長量量測結果 149
5.4.4 主軸於升溫降溫實驗之內外差異與比較 150
5.4.5 本節小結 153
5.5 多光纖光柵感測器與麥克風於主軸變轉速實驗之頻域分析 154
5.5.1 麥克風量測主軸之實驗架設 154
5.5.2 麥克風量測結果之頻域分析 154
5.5.3多光纖光柵感測器與麥克風之頻域分析與比較 157
5.5.4 本節小結 160
5.6 主軸長期監測之結果與分析 161
5.6.1 遠端監控及即時通報系統和實驗時程介紹 161
5.6.2 溫升相關參數於長時間監測之結果分析 162
5.6.3 振動相關參數於長時間監測之結果分析 163
5.6.4 本節小結 164
5.7 本章結論 165
第六章 業界工具機量測之應用 249
6.1 本章介紹 249
6.2 旭泰公司 249
6.2.1 旭泰工具機之介紹 249
6.2.2 實驗架設 250
6.2.3 光纖係數校正 251
6.2.4 工具機空轉於轉速20000rpm之量測 253
6.2.5 變轉速實驗 254
6.2.6 本節小結 255
6.3工研院智慧機械科技中心 256
6.3.1工研院智慧機械科技中心工具機介紹 256
6.3.2 實驗架設 257
6.3.3 光纖係數校正 257
6.3.4 工具機空轉於轉速12000rpm之量測 259
6.3.5 變轉速實驗 261
6.3.6 本節小結 262
6.4台大機械工廠CNC工具機加工量測 263
6.4.1 實驗架設與光纖係數校正 263
6.4.2 工具機變轉速實驗量測(空轉) 264
6.4.3 工具機加工工件量測 265
6.4.4 工具機於抽風或切削液對於光纖光柵之量測影響 267
6.4.5 本節小結 268
6.5 本章結論 269
第七章 結論與未來展望 317
7.1 本文結論 317
7.2未來工作與展望 319
參考文獻 321
[1]Hill, K. O., Fujii, Y., Johnson, D. C., & Kawasaki, B. S. (1978). Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication. Applied Physics Letters, vol. 32, 647-649.
[2]Meltz, G., Morey, W., & Glenn, W. H. (1989). Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method. Optics Letters, vol. 14, 823-825.
[3]Hill, K. O., Malo, B., Bilodeau, F., Johnson, D. C., & Albert, J. (1993). Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask. Applied Physics Letters, vol. 62, 1035-1037.
[4]Anderson, D. Z., Mizrahi, V., Erdogan, T., & White, A. E. (1993). Production of in-fiber gratings using a diffractive optical element. Electronics Letters, vol. 29, 566-568.
[5]Bennion, I., Williams, J. A. R., Zhang L., Doran, S. K., & Doran, N. J. (1996). Tutorial review, UV-written in-fiber Bragg gratings. Optics Quantum Electronics, vol. 28, 93-135.
[6]Hill, K. O., & Meltz, G. (1997). Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview. Journal of Lightwave Technology, vol. 15, 1263-1276.
[7]Kashyap, R. (1999). Fiber Bragg Gratings. Academic press.
[8]Erdogan, T. (1997). Fiber grating spectra. Journal of Lightwave Technology, vol. 15, 1277-1294.
[9]Nye, J. F. (1957).Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices. Oxford university press.
[10]Bertholds, A., & Dandliker, R. (1988). Determination of the individual strain-optic coefficients in single-mode optical fibres. Journal of Lightwave Technology, vol. 6, 17-20.
[11]Takahashi, S., & Shibata, S. (1979). Thermal variation of attenuation for optical fibers. Journal of Non-Crystalline Solids, vol. 30, 359-370.
[12]Tao, X., Tang, L., Du, W. C., & Choy, C. L. (2000). Internal strain measurement by fiber Bragg grating sensors in textile composites. Composites Science and Technology, vol. 60, 657-669.
[13]Kersey, A. D., Berkoff, T. A., & Morey, W. W. (1993). Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry–Perot wavelength filter. Optics Letters, vol. 18, 1370-1372.
[14]Sun, Q., Liu, D., Xia, L., Wang, J., Liu, H., & Shum, P. (2008). Experimental demonstration of multipoint temperature warning sensor using a multichannel matched fiber Bragg grating. Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 20, 933-935.
[15]Murukeshan, V. M., Chan, P. Y., Ong, L. S., & Seah, L. K. (2000). Cure monitoring of smart composites using fiber Bragg grating based embedded sensors. Sensors and Actuators A: Physical, vol. 79, 153-161.
[16]Zhao, X., Song, G., Fernandez, M., & Ou, J. (2009). One kind of fiber Bragg grating displacement sensor using micro-elastic spring. Second International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering, 74932X-74932X-6.
[17]Biswas, P., Bandyopadhyay, S., Kesavan, K., Parivallal, S., Sundaram, B. A., Ravisankar, K., & Dasgupta, K. (2010). Investigation on packages of fiber Bragg grating for use as embeddable strain sensor in concrete structure. Sensors and Actuators A: Physical, vol. 157, 77-83.
[18]Ball, G. A., & Morey, W. W. (1992). Continuously tunable single-mode erbium fiber laser. Optics Letters, vol. 17, 420-422.
[19]Ball, G., & Morey, W. W. (1994). Compression-tuned single-frequency Bragg grating fiber laser. Optics Letters, vol. 19, 1979-1981.
[20]YoonKim, S., BaeLee, S., WonKwon, S., & SamChoi, S. (1998). Channel-switching active add/drop multiplexer with tunable gratings. Electronics Letters, vol. 34, 104-105.
[21]Mavoori, H., Jin, S., Espindola, R. P., & Strasser, T. A. (1999). Enhanced thermal and magnetic actuations for broad-range tuning of fiber Bragg grating based reconfigurable add drop devices. Optics Letters, vol. 24, 714-716.
[22]Inui, T., Komukai, T., & Nakazawa, M. (2001). Highly efficient tunable fiber Bragg grating filters using multilayer piezoelectric transducers. Optics Communications, vol. 190, 1-4.
[23]Yoffe, G. W., Krug, P. A, Ouellette, F., & Thorncraft, D. A. (1995). Passive temperature-compensation package for optical fiber gratings. Applied Optics, vol. 34, 6859-6861.
[24]Melle, S. M., & Liu, K. (1992). A passive wavelength demodulation system for guided-wave Bragg grating sensors. IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, 516-518.
[25]Kersey, A. D., Berkoff, T. A., & Morey, W. W. (1993). Two-channel fiber Bragg-grating strain sensor with high-resolution interferometric wavelength-shift detection. Fibers'', vol. 92, 48-55.
[26]蔣彥儒,王立康, "溫度無感之布拉格式光纖光柵應變感測系統之研究," 博士論文, 電機工程學系, 國立清華大學, 2003.
[27]江家慶,單秋成, "能量調變型光纖光柵感測器," 第二十屆機械工程研討會, 2003.
[28]葉耀文,馬劍清, "短週期光纖光柵在動態系統的量測與應用," 碩士論文, 機械工程研究所, 台灣大學, 2004
[29]許碩修,馬劍清, "能量調變型光纖光柵感測器在動態系統的量測與應用," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2005.
[30]莊國志,馬劍清, "以長週期光纖光柵作為能量調變之光纖光柵感測系統動態實驗," 中華民國力學學會第二十九屆全國力學會議, 2005.
[31]林伯睿,馬劍清, "高靈敏度光纖濾波器與高感度光纖光柵之開發及應用於量測穩態和暫態波傳研究," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2006.
[32]粱正言,馬劍清, "高頻面內光纖光柵感測器及其動態量測系統之開發與研究," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2007.
[33]汪政緯,馬劍清, "應用布拉格光纖光柵感測器於結構件承受撞擊之暫態應變量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2008.
[34]莊國志,馬劍清, "多維高解析度布拉格光纖光柵動態位移及應變量測系統之研發並應用於暫態波傳之量測," 博士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2008.
[35]王兆祥,馬劍清, "布拉格光纖光柵感測器之理論分析以及應用動態量測與監測之探討," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2010.
[36]王俊耀,馬劍清, "布拉格光纖光柵感測器應用於三維結構物邊點之暫態應變量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2012.
[37]王華均,馬劍清, "智慧懸臂樑結構的主動抑振研究以及布拉格光纖光柵多點量測的技術開發," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2013.
[38]林建鐘,馬劍清, "探討質量效應對於樑結構頻率域之影響以及移動質量的動態特性分析," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2014.
[39]柯秉良,馬劍清, "布拉格光纖光柵應用於壓力感測器設計與製作以及動態應變量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2015.
[40]黃康哲,馬劍清, "聚偏二氟乙烯薄膜與布拉格光纖光柵感測器之動態量測技術研發與應用," 博士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2015.
[41]李冠德,馬劍清, "以布拉格光纖光柵器量測與分析固液耦合結構物的動態特性及暫態波傳問題," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2016.
[42]許詠荏,馬劍清, "布拉格光纖光柵感測器於高速內藏式主軸及超精密平面磨床動態特性、溫升及變形之精密量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2016.
[43]龔瑞清,馬劍清, "開發布拉格光纖光柵感測器於多點與即時量測系統並應用在高速內藏式主軸與銑削工件之溫升、變形及轉速之精密量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2017.
[44]Siebert, T., Schubach, H. R., & Splitthof, K. (2010). Recent developments and applications for optical full field strain measurement using ESPI and DIC. Fourth International Seminar on Modern Cutting and Measuring Engineering, 79972B-79972B.
[45]Bay, B. K. (1995). Texture correlation: a method for the measurement of detailed strain distributions within trabecular bone. Journal of Orthopaedic Research, vol. 13, 258-267.
[46]Zhang, D., Zhang, X., & Cheng, G. (1999). Compression strain measurement by digital speckle correlation. Experimental Mechanics, vol. 39, 62-65.
[47]Chen, D. J., Chiang, F. P., Tan, Y. S., & Don, H. S. (1993). Digital speckle-displacement measurement using a complex spectrum method. Applied Optics, vol. 32, 1839-1849.
[48]Gaudette, G. R., Todaro, J., Krukenkamp, I. B., & Chiang, F. P. (2001). Computer aided speckle interferometry: a technique for measuring deformation of the surface of the heart. Annals of Biomedical Engineering, vol. 29, 775-780.
[49]Sjödahl, M., & Benckert, L. R. (1993). Electronic speckle photography: analysis of an algorithm giving the displacement with subpixel accuracy. Applied Optics, vol. 32, 2278-2284.
[50]Sjödahl, M. (1997). Accuracy in electronic speckle photography. Applied Optics, vol. 36, 2875-2885.
[51]Pan, B., Xie, H., Yang, L., & Wang, Z. (2009). Accurate measurement of satellite antenna surface using 3D digital image correlation technique. Strain, vol. 45, 194-200.
[52]Bruck, H. A., McNeill, S. R., Sutton, M. A., & Peters Iii, W. H. (1989). Digital image correlation using Newton-Raphson method of partial differential correction. Experimental Mechanics, vol. 29, 261-267.
[53]張敬源,馬劍清, "應用影像處理及叢集電腦於電子斑點干涉術及數位影像相關法全場分析技術之開發," 博士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2012.
[54]周宛萱,馬劍清, "建構高精度數位影像相關法並應用於土木結構動態系統及奈米材料微系統的變形量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2014.
[55]簡宸煜,馬劍清, "應用數位影像相關法於土木結構及碳纖維性質與電池表面變化之量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2015.
[56]彭柏勳,馬劍清, "應用數位影像相關法於量測機械系統與土木結構之變形及動態特性量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2016.
[57]陳亮至,馬劍清, "建構立體數位影像相關法之基礎理論並應用於結構靜態與動態三維變形之精密量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2016.
[58]黃右年,馬劍清, "建立即時立體數位影像相關法於三維工程問題的動態量測," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2018.
[59]王盛儀,馬劍清, "數位影像相關法於二維軌跡及變形量測和應用於建構立體形貌," 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2018.
[60]Y. Ephraim, D. Malah (1984). Speech enhancement using a minimum mean-square error short-time spectral amplitude estimator. IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Processing, vol. ASSP-32, 1109-1121.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
系統版面圖檔 系統版面圖檔