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研究生: 施仲璘
Shih, Chung-Lin
論文名稱: 蝕刻之光纖光柵應用於應力和溫度的辨別
Discriminated measures of strain and temperature base on etched Fiber Bragg Grating
指導教授: 馮開明
Feng, Kai-Ming
口試委員: 劉文豐
彭朋群
馮開明
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 光電工程研究所
Institute of Photonics Technologies
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 57
中文關鍵詞: 布拉格光纖光柵感測器錐形蝕刻
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  • 由於光纖相對傳統電子機械式的感測系統有非常多的優勢,像是一些具有危險的場所,一般電子機械式的感測器都是無法架設的,而在這些場所,如果我們的光纖感測器具有溫度和應力區分的感測能力,提早發現當下環境所造成異常的原因,那麼就更能夠減少發生災害的可能,因此具有溫度和應力辨別的感測器對於一些感測環境是必要的。
    在本篇論文中,將布拉格光纖光柵蝕刻為單錐型和雙錐形的結構,由於經過蝕刻後的布拉格光纖光柵其截面積會有所改變,因此對於應力的敏感度會有所不同,在實驗中,利用不同蝕刻的樣本,量測其應力和溫度的係數,並且探討量測結果以及誤差來源。由於經過蝕刻後的布拉格光纖光柵其應力和溫度係數會有所不同,因此我們將兩個經過不同蝕刻條件的布拉格光纖光柵組合,可以達到辨別應力和溫度的功能,再將不同布拉格光纖光柵的樣本,以數學方式進行最佳化的分析,達到最佳化的組合,因此這樣的感測系統有較小的誤差值,能夠真實的反應出環境所受到應力以及溫度的狀況,有效作為環境的監控,最後再將最佳化的組合應用於一個具有自我治癒功能的感測網路,因此感測網路除了斷點的分析,更增加了環境監控的功能,使得感測網路更加的可靠,期許研究的成果將有助於光纖感測的發展。


    目錄 致謝 I 摘要 II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 IX 第一章 導論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 1 1-3 論文架構 4 第二章 基本原理 5 2-1 光纖基本介紹 5 2-1.1 結構 5 2-1.2 光纖傳輸原理 5 2-1.3 光纖數值孔徑 (Numerical Aperture, NA) 6 2-1.4 光纖模態數 (V) 7 2-1.5 光纖傳輸損失 8 2-1.6 光纖光柵簡介 8 2-1.7 光纖光柵的分類 11 2-2 光纖布拉格光柵 (fiber Bragg grating, FBG) 14 2.2-1 光纖布拉格光柵受應力時的理論分析 15 2-2.2 光纖布拉格光柵受溫度影響時的理論分析 16 2-2.3 轉換矩陣 17 2-3 相關布拉格光纖光柵技術應用於應力與溫度的辨別 18 (A) 具有截面積大小的差異 18 (B) 具有材料特性的差異 20 第三章 實驗步驟與結果分析 22 3-1 光纖光柵反射訊號量測架構 22 3-2 實驗架構 23 3-2.1 應力平台的架設 23 3-2.2 溫度平台的架設 24 3-2.3 布拉格光纖光柵的蝕刻 26 3-2.4 蝕刻型布拉格光纖光柵的理論分析 30 3-3 實驗結果 31 3-3.1 溫度變化的實驗結果 33 (A) 溫度變化的實驗數據 33 (B) 結果討論 39 3-3.2 應力變化的實驗結果 41 (A) 應力變化的實驗數據 41 (B) 結果討論 46 3-4 利用轉換矩陣計算誤差值 48 3-5 應用於感測網路 52 第四章 結論 54 References 55 圖目錄 圖 2-1 光在光纖中傳導 6 圖 2-2 相位光罩光纖光柵寫製技術[5] 11 圖 2-3 光纖布拉格光柵原理示意圖 14 圖 2-4 利用蝕刻光纖光柵作為應力和溫度的辨別 19 圖 2-5 利用熔燒拉錐式光纖作為應力和溫度的辨別 19 圖 2-6 利用旋轉形式的光纖光柵作為應力和溫度的辨別 20 圖 2-7 黏接光纖作為應力和溫度的辨別 20 圖 2-8 利用接著劑作為應力和溫度的辨別 21 圖 2-9 利用金屬基板作為應力和溫度的辨別 21 圖 3-1 光纖光柵反射頻譜量測架構 22 圖 3-2移動平台的架構 24 圖 3-3 溫度平台示意圖 25 圖 3-4 溫度平台實際情況 25 圖 3-5 光纖蝕刻架構圖 26 圖 3-6 光纖蝕刻溶液 27 圖 3-7 蝕刻的平台 27 圖 3-8 單錐形蝕刻光柵 28 圖 3-9 雙錐形蝕刻光柵 29 圖 3-10 電子顯微鏡下所視Type (A)之光纖光柵 32 圖 3-11 電子顯微鏡下所視Type (A)之光纖光柵蝕刻最深的部分 33 圖 3-12 Type (A)之光纖光柵不同溫度下所對應的反射波長光譜圖 34 圖 3-13 Type (A)之光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 35 圖 3-14 Type (B)之光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 36 圖 3-16 Type (C)之光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 36 圖 3-16 Type (D)之光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 37 圖 3-17 Type (E)之光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 37 圖 3-18 Type (F)之光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 38 圖 3-19 單錐型光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 39 圖 3-20 雙錐型光纖光柵在溫度變化下所對應的漂移波長 40 圖 3-21 Type (A)之光纖光柵不同應力變化下所對應的反射波長光譜圖 41 圖 3-22 Type (A)之光纖光柵不同應力下所對應的漂移波長 43 圖 3-23 Type (B)之光纖光柵不同應力下所對應的漂移波長 43 圖 3-24 Type (C)之光纖光柵不同應力下所對應的飄移波長..............41 圖 3-25 Type (D)之光纖光柵不同應力下所對應的漂移波長 44 圖 3-26 Type (E)之光纖光柵不同應力下所對應的漂移波長 45 圖 3-27 Type (F)之光纖光柵不同應力下所對應的漂移波長 45 圖 3-28 單錐型光纖光柵在應力變化下所對應的漂移波長 46 圖 3-29 雙錐型光纖光柵在應力變化下所對應的漂移波長 47 圖 3-30 光纖光柵Type (D)受到應力變化產生頻寬展開的光譜圖 48 圖 3-31 感測系統的架構圖 49 圖 3-32 應力的改變在定溫下所得到的溫度誤差 51 圖 3-33 溫度的改變在固定應力下所得到的應力誤差 52 圖 3-33具自我治癒功能的光纖布拉格光柵感測網路 53 表目錄 表2.1 布拉格光纖光柵種類及特性 12 表3.1 蝕刻的光纖光柵種類及其對應的精密移動平台移動速率 31 表3.2 Type (A)之光纖光柵不同溫度下所對應的反射波長 34 表3.3 六種類型光纖光柵分別所對應之溫度常數 38 表3.4 Type (A)之光纖光柵不同應力下所對應的反射波長 42 表3.5 六種類型的光纖光柵所對應之應力常數 46 表3.6 所有光纖光柵樣本組合的 值,單位為 50

    REFERENCES
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