淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-0409201215233000
中文論文名稱 基於布拉格光纖光柵之介尺度三維量測研究
英文論文名稱 The Study of Fiber Bragg Grating Based Meso-scale Three-dimensional Measurement
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 邱威泰
研究生英文姓名 Wei-Tai Chiu
學號 698371803
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-20
論文頁數 70頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-許正治
委員-李朱育
中文關鍵字 布拉格光纖光柵  介尺度  干涉  相位 
英文關鍵字 fber Bragg grating  meso-scale  interference  phase 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 全球當前量測技術於介尺度三維量測上遭遇到瓶頸。過去十年,全球各主要國家的研究組織進行多項與探頭感測器相關的研究工作,但並沒有太大的突破,例如燃油噴嘴孔徑的三維形貌量測,沒有適當儀器可得知元件之加工精密度,主要原因在於提出的方法及設計,無法應用在高深寬比的結構上。
本研究提出一種高靈敏度的光纖探針式探頭光學感測技術,可應用於介尺度之特徵結構,基於布拉格光纖光柵原理,搭配光學相位感測及解相位技術,利用雷射干涉儀(HP5529A)提供位移量測標準,以壓電柱提供增量位移,預期可大幅提昇探針式探頭感測技術的位移解析度,降低量測的不確定性。
預行程是探針式探頭感測器主要的誤差來源,本系統量測過程僅需判斷探針式頭觸發之訊號,側向預行程可達10奈米,突破了澳洲學者Ji無法解析探頭側向加載過程之情形,並可提升量測的準確度並節省量測時間。該技術具有建構容易、成本低及解析度高等優勢。
英文摘要 The worldwide metrology in meso-scale three-dimensional topography encounters a bottleneck. Over past a decade, the major countries over the world, cooperated with world-renowned research organizations to carry out a number of research work related to the probing sensors, but there is no great breakthrough. As an example for three-dimensional topology of the fuel nozzle aperture measurements, there is no appropriate instruments which can be learn of the manufacturing accuracies of components. The main reason relies on the fact that known methods and designs fail in measuring microstructures with high aspect ratio.
In this study, an optical sensing technique of fiber probing head is proposed. It has high sensitivity and can be applied in the characterization of the meso-scale structures. The operation principle is based on fiber Bragg grating principle, and optical interferometry (HP5529A) provide displacement measurement standards, and provide incremental displacement piezoelectric column, which is expected to significantly enhance the resolution of the probe sensing displacement to reduce the measurement uncertainty.
The pre-travel is the major error source for micro coordinate measuring systems. Our probing sensing technique is touch-triggered. Experimental results demonstrate that our probing sensor has an in-plane pre-travel of 10 nm. The specification outperforms the one of Ji’s method. Accordingly, our probing sensor can effectively improve the measurement accuracy. It has many merits: easy build-up, low cost and high-resolution.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 i
表目錄 iv
圖目錄 v
符號說明 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 3
1.3 文獻回顧 5
1.3.1 光纖光柵感測技術 5
1.3.2 探頭感測器分類 7
1.4 論文架構和創新點 11
第二章 光纖及光纖光柵之基本原理 12
2.1 光纖的源起 12
2.1.1 光纖結構 12
2.1.2 光纖分類 12
2.2 基本光纖光學 14
2.2.1 數值孔徑 15
2.2.2 光傳播模態 16
2.3 高斯光束(Gaussian Beam) 17
2.4 光纖光柵基本原理 20
2.5 光纖光柵之分類 21
2.5.1 短週期光纖光柵 22
2.5.2 長週期光纖光柵 22
2.6 布拉格光纖光柵感測原理 22
2.7 光彈效應感測運作原理 24
2.7.1 菲涅爾方程式(Fresnel Equation) 24
2.7.2 光彈效應 24
第三章 光纖探針式探頭光學感測系統 25
3.1 光纖加工方法 25
3.2 光纖光柵製作 26
3.3 光纖探頭製作 27
3.4 光學相位式感測技術 30
3.5 相位展開 32
3.6 實驗儀器設備與元件 35
3.7 實驗架構 40
第四章 模擬分析與系統調校程序 43
4.1 前言 43
4.2 LightToolsTM分析耦合效率 43
4.2.1 參數設定 44
4.3 光學元件的調校程序 46
4.3.1 光源的調校 48
4.3.2 非偏振分光鏡的調校 48
4.3.3 反射鏡的調校 49
4.4 單模光纖的調校 49
4.4.1 光纖端面處理 49
4.4.2 光源與光纖耦合 51
4.5 干涉條紋調校 52
4.5.1 光路光束平行度與重疊度調校 53
4.5.2 干涉光路的調校 54
第五章 探頭性能量測 59
5.1 面內預行程實驗 59
5.2 塊規形貌量測實驗 66
第六章 結論與未來研究展望 67
6.1 結論 67
6.2 未來研究展望 67
參考文獻 69

表目錄 表目錄
表 1 象限的判別 ................................ ................................ ................................ .. 33
表 2 實驗儀器與元件規格 ................................ ................................ .................. 35
表 3 實驗使用單模光纖規格 ................................ ................................ .............. 43
表 4 LightTools詳細參數設定 ................................ ................................ ........... 46
表 5 布拉格 光纖柵規格................................ ................................ .................. 58
表 6 面內預行程重複性測試 ................................ ................................ .............. 64

圖目錄
圖 1 全球三維量測技術瓶頸範圍:圖 ?區塊乃當前全球量測技術瓶頸 .......... 1
圖 2 NPL之探頭系統................................ ................................ ........................... 8
圖 3 TUE 之探頭系統 ................................ ................................ ........................... 8
圖 4 雷射捕捉探頭感測技術 ................................ ................................ ................ 9
圖 5 Meli等人提出撓性結構式:( a)( b)( c)示意圖( d)實體圖 ... 10
圖 6 Ji 提出的光纖探頭感測技術 ................................ ................................ ...... 10
圖 7 光纖構造圖 ................................ ................................ ................................ .. 12
圖 8 多模光纖及單示意圖 ................................ ................................ ...... 13
圖 9 司乃耳定律的示意圖 ................................ ................................ .................. 15
圖 10 光纖內部傳播示意圖 ................................ ................................ .................. 16
圖 11 近軸光束傳遞示意圖 ................................ ................................ .................. 20
圖 12 光柵原理示意圖 ................................ ................................ .......................... 21
圖 13 短週期式光纖柵工作原理示意圖 ................................ .......................... 22
圖 14 長週期式光纖柵工作原理示意圖 ................................ .......................... 22
圖 15 市售 P-2000 熔拉機外觀 ................................ ................................ ............ 25
圖 16 內部構造示意圖 ................................ ................................ .......................... 26
圖 17 KrF 準分子雷射 ................................ ................................ .......................... 27
圖 18 PS750 光敏纖 ................................ ................................ .......................... 27
圖 19 製作光纖柵之曝架構 ................................ ................................ .......... 27
圖 20 以 CO 2雷射熔融光纖頂部成為一個半球型透鏡 ................................ ..... 29
圖 21 光纖末端透鏡的四種基本分類 ................................ ................................ .. 29
圖 22 可旋轉熔接機示意圖 ................................ ................................ .................. 30

圖 23 探針式探頭搭配光學相位式感測技術之光路示意圖.............................. 31
圖 24 呂薩加圓相位示意圖.................................................................................. 32
圖 25 原始1 tan
參考文獻 [1] 吳乾埼, 微型三次元量測儀探針技術研究, FY93 工業技術研究院前瞻科專計畫書, (2004).
[2] 吳乾埼, 翁漢甫, 許正治, 奈米三維形貌量測系統研究分析, 量測資訊, 108 (2006) 42-45.
[3] K.O. Hill, Y. Fujii, D.C. Johnson, B.S. Kawasaki, Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication, Applied Physics Letters, 32 (1978) 647-649.
[4] G. Meltz, W.W. Morey, W.H. Glenn, Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method, Opt. Lett., 14 (1989) 823-825.
[5] K.O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D.C. Johnson, J. Albert, Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask, Applied Physics Letters, 62 (1993) 1035-1037.
[6] D.Z. Anderson, V. Mizrahi, T. Erdogan, A.E. White, Production of in-fibre gratings using a diffractive optical element, Electronics Letters, 29 (1993) 566-568.
[7] K.O. Hill, G. Meltz, Fiber Bragg grating technology fundamentals and overview, Lightwave Technology, Journal of, 15 (1997) 1263-1276.
[8] A. Othonos, Fiber Bragg gratings, Review of Scientific Instruments, 68 (1997) 4309-4341.
[9] J.F. Nye, R.B. Lindsay, Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices, Physics Today, 10 (1957) 26-26.
[10] A. Bertholds, R. Dandliker, Determination of the individual strain-optic coefficients in single-mode optical fibres, Lightwave Technology, Journal of, 6 (1988) 17-20.
[11] A.D. Kersey, M.A. Davis, H.J. Patrick, M. LeBlanc, K.P. Koo, C.G. Askins, M.A. Putnam, E.J. Friebele, Fiber grating sensors, Lightwave Technology, Journal of, 15 (1997) 1442-1463.
[12] L. Richard, H. Jane, J. Keith, L. Andrew, O. Simon, Y. Andrew, Advances in traceable nanometrology at the National Physical Laboratory, Nanotechnology, 12 (2001) R1.
[13] E.J.C. Bos, R.W.P. Heldens, F.L.M. Delbressine, P.H.J. Schellekens, A. Dietzel, Compensation of the anisotropic behavior of single crystalline silicon in a 3D tactile sensor, Sensors and Actuators A: Physical, 134 (2007) 374-381.
[14] Y. Takaya, K. Imai, T. Ha, T. Miyoshi, N. Kinoshita, Vibrational Probing Technique for the Nano-CMM based on Optical Radiation Pressure Control, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 53 (2004) 421-424.
[15] M. Felix, K. Alain, AFM investigation on surface damage caused by mechanical probing with small ruby spheres, Measurement Science and Technology, 18 (2007) 496.
[16] H. Ji, et al., Development of a contact probe incorporating a Bragg grating strain sensor for nano coordinate measuring machines, Measurement Science and Technology, 20 (2009) 095304.
[17] 廖延彪, 光纖光學, 清華大學出版社, China, 2000.
[18] 吳曜東, 光纖原理與應用, 全華科技圖書公司, 台北市, 1997.
[19] U.C. Paek, A.L. Weaver, Formation of a Spherical Lens at Optical Fiber Ends with a CO2 Laser, Appl. Opt., 14 (1975) 294-298.
[20] F. Kuang-Chao, W. Weili, C. Horng-Shing, Fabrication optimization of a micro-spherical fiber probe with the Taguchi method, Journal of Micromechanics and Microengineering, 18 (2008) 015011.
[21] 朱志良, 具奈米級觸發式探頭與創新型光學尺之微型三次元座標量測儀的研製, 中國機械工程學刊, (2008).
[22] F. Kuang-Chao, H. Hung-Yao, H. Po-Yuan, W. Weili, Experimental study of fabricating a microball tip on an optical fibre, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 8 (2006) 782.
[23] 林子惟, 熱熔拉光纖探頭製造之研究, in: 機械工程研究所, 國立中山大學, 高雄市, 2011.
[24] M. Lazzaroni, F.E. Zocchi, Optical coupling from plane wave to step-index single-mode fiber, Optics Communications, 237 (2004) 37-43.
[25] J. Niu, J. Xu, Coupling efficiency of laser beam to multimode fiber, Optics Communications, 274 (2007) 315-319.
[26] 潘韋廷, 具影像觀察功能之微奈米級三次元接觸式掃描探頭研製, in: 機械工程研究所, 國立台灣大學, 台北市, 2010.
[27] M.B. Bauza, R.J. Hocken, S.T. Smith, S.C. Woody, Development of a virtual probe tip with an application to high aspect ratio microscale features, Review of Scientific Instruments, 76 (2005) 095112-095118.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2017-09-05公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2017-09-05起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信