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系統識別號 U0002-1009201310295700
中文論文名稱 彈性拍翼機構的動態偏振成像量測技術
英文論文名稱 Dynamic polarimetric imaging measurement of flexible flapping wing
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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 鄭迪升
研究生英文姓名 Di-Sheng Jhrng
學號 600370463
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-26
論文頁數 75頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-孫崇訓
委員-張天立
中文關鍵字 散射光量測  偏振影像  動態影像 
英文關鍵字 Scattered light measurements  polarization  motion pictures 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究主要是應用偏振散射光量測技術來量測彈性拍翼機構翼膜的變化情形。系統中使用了高準直及單一性的綠光雷射做為光源,通過光圈、偏振鏡以及擴束器等光學元件進行校正,使光源的雜訊降至最低,以高速攝影機作為影像的接收端。由不同的量測角度進行影像的截取,再利用偏振影像成像公式進行影像的處理,得到所需要的翼膜影像,作為觀察和改良拍翼機構的依據。本研究也使用了另一種不同性質的白光光源比較其差異性。在量測方面分為入射角的改變以及反射角的改變兩部分,利用系統的電動轉盤控制光源入射的角度以及高速攝影機影像接收的角度,進行不同角度的量測和截取,應而找出最好的量測效果。本研究已成功量測到翼膜的偏振影像、拍翼頻率、翅膀行程角的角度以及流場的變化,證明此光學系統不僅可以用於靜態量測亦可應用於動態量測上,是個成功且應用範圍廣泛的光學量測系統。
英文摘要 This study used of polarized light scattering measurement techniques to measure the variation situations for the elastic membrane flapping wing mechanism. The optical system uses a highly collimated green laser of light source. Light beam passes through the aperture, a polarizer and a beam expander for collimation. The detector in system is a high-speed camera. This study measure the elastic flapping mechanism at different angles. The polarization images is calculated by using polarized optical image(POL) equation. The wing flapping mechanism can be improved by polarization images. This study uses two types of light sources and compares with laser and white light source. In measurement, we change the incident angle and reflection angle for image detection. The incident angle and receiver angle is controlled by the motorized stages. The wing membrane changing images, wing membrane, flapping frequency ,wings changing angle and flow field have been measured. This study can be used for static measurements and also be applied to dynamic measurements. The optical measurement is a wide range of applications of the optical measurement system.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 V
圖目錄 VIII
第1.章 緒論 1
1-1前言及研究背景 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 光學量測方面: 2
1-2-2 微飛行器方面: 3
1-3 研究動機與目的 4
1-4 研究方法及論文架構 6
第2.章 飛行理論與拍翼式微飛行器介紹 8
2-1微飛行器之飛行方式 8
2-2 拍翼飛行機構的設計原理 9
2-3全塑膠拍翼式微飛行器設計與製作 9
2-4 翼膜設計與材料特性 11
2-4-1 翼模設計 11
2-4-2 翼膜材料特性 11
第3.章 應用理論 13
3-1散射理論 13
3-1-1散射理論概述 13
3-1-2散射現象的產生 14
3-1-3散射理論 15
3-2偏振理論 16
3-2-1光的偏振 16
3-2-2偏振影像 20
第4.章 實驗架構與流程及實驗方法 21
4-1研究方法及系統架構 21
4-2 實驗設備 24
4-2-1 雷射光源 (Laser Source) 24
4-2-2 白光光源 26
4-2-3 光圈(Iris) 27
4-2-4偏振鏡 (Polarizer) 28
4-2-5 擴束器 29
4-2-6 可變光通濾波器 (Circle Variable Filter) 30
4-2-7 相位緩速器 (Phase Retarder) 31
4-2-8 電源供應器 32
4-2-9 高速攝影機 33
4-3 系統控制介面 34
4-3-1 五相步電動機控制系統 34
4-3-2 高速攝影機影像擷取控制系統 35
第5.章 偏振影像及實驗數據 37
5-1 偏振光影像量測 37
5-1-1白光量測結果與討論 37
5-1-2綠光雷射光源量測結果與討論 44
5-1-3不同反射角的量測結果與討論 51
5-2偏振影像分析 64
5-2-1 入射角偏振影像分析 64
5-2-2 反射角偏振影像分析 65
5-3拍翼角度 67
5-4齒輪的運動情形 68
5-5流場分析 70
第6.章 結論與未來展望 72
6-1 結論 72
6-2未來展望 73
參考文獻 74

圖目錄
圖 1-1 雙攝影機數位影像量測系統 ...................................................... 3
圖 1-2 光學系統平面架構圖 .................................................................. 5
圖 1-3 論文架構流程圖 .......................................................................... 7
圖 2-1 微飛行器減速齒輪傳動機構 .................................................... 10
圖 2-2 拍翼式飛行器翼膜形狀示意圖 ................................................. 11
圖 2-3 PET 聚對苯二甲酸乙二醇酯 .................................................... 12
圖 2-4 用於量測的微飛行器 ................................................................ 12
圖 3-1 光的散射 .................................................................................... 14
圖 3-2 線性偏振化 ................................................................................ 16
圖 3-3 圓偏振化 .................................................................................... 17
圖 3-4 橢圓偏振化 ................................................................................ 18
圖 3-5 光波的行進方式 ........................................................................ 19
圖 3-6 色素痣皮膚成像 ........................................................................ 20
圖 4-1 光源組件示意圖 ........................................................................ 22
圖 4-2 待測物運動機構 ........................................................................ 23
圖 4-3 高速攝影機接收影像角度示意圖 ............................................. 23
圖 4-4 綠光雷射(波長為515nm) ........................................................ 25
圖 4-5 鹵素燈 ........................................................................................ 26
圖 4-6 八片式光圈(A)光圈縮小示意圖(B)光圈放大示意圖 ............. 27
圖 4-7 偏振鏡示意圖 ............................................................................ 28
圖 4-8 擴束器原理示意圖 .................................................................... 29
圖 4-9 光濾波器光強與角度相對關係位置圖 ..................................... 30
圖 4-10 波板電場 .................................................................................. 31
圖 4-11 電源供應器GPC-3030D ........................................................... 32
圖 4-12 高速攝影機M310 ..................................................................... 33
圖 4-13 五相步電動機控制介面 .......................................................... 34
圖 4-14 影像擷取控制介面 .................................................................. 35
圖 4-15 高速攝影機影像擷取畫面全景圖 ........................................... 36
圖 5-1 白光光源以水平偏振量測,擷取拍翼最高角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 38
圖 5-2 白光光源以水平偏振量測,擷取拍翼最低角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 39
圖 5-3 白光光源以垂直偏振量測,擷取拍翼最高角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 40
圖 5-4 白光光源以垂直偏振量測,擷取拍翼最低角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 41
圖 5-5 白光光源POL 偏振影像,擷取拍翼最高角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 42
圖 5-6 白光光源POL 偏振影像,擷取拍翼最低角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 43
圖 5-7 雷射光源以水平偏振量測,擷取拍翼最高角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 45
圖 5-8 雷射光源以水平偏振量測,擷取拍翼最低角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 46
圖 5-9 雷射光源以垂直偏振量測,擷取拍翼最高角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 47
圖 5-10 雷射光源以垂直偏振量測,擷取拍翼最低角度角度,從0 度
至90 度 .......................................................................................... 48
圖 5-11 雷射光源POL 偏振影像,擷取拍翼最高角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 49
圖 5-12 雷射光源POL 偏振影像,擷取拍翼最低角度角度,從0 度至
90 度 ............................................................................................... 50
圖 5-13 雷射光源入射角為30 度以水平偏振量測,擷取拍翼最高角
度,從20 度至90 度 ..................................................................... 52
圖 5-14 雷射光源入射角為30 度以水平偏振量測,擷取拍翼最高角
度,從-20 度至-90 度 ................................................................... 53
圖 5-15 雷射光源入射角為30 度以水平偏振量測,擷取拍翼最低角
度,從20 度至90 度 ..................................................................... 54
圖 5-16 雷射光源入射角為30 度以水平偏振量測,擷取拍翼最低角
度,從-20 度至-90 度 ................................................................... 55
圖 5-17 雷射光源入射角為30 度以垂直偏振量測,擷取拍翼最高角
度,從20 度至90 度 ..................................................................... 56
圖 5-18 雷射光源入射角為30 度以垂直偏振量測,擷取拍翼最高角
度,從-20 度至-90 度 ................................................................... 57
圖 5-19 雷射光源入射角為30 度以垂直偏振量測,擷取拍翼最低角
度,從20 度至90 度 ..................................................................... 58
圖 5-20 雷射光源入射角為30 度以垂直偏振量測,擷取拍翼最低角
度,從-20 度至-90 度 ................................................................... 59
圖 5-21 雷射光源入射角為30 度POL 偏振影像,擷取拍翼最高角度,
從20 度至90 度 ............................................................................ 60
圖 5-22 雷射光源入射角為30 度POL 偏振影像,擷取拍翼最高角度,
從-20 度至-90 度........................................................................... 61
圖 5-23 雷射光源入射角為30 度POL 偏振影像,擷取拍翼最低角度,
從20 度至90 度 ............................................................................ 62
圖 5-24 雷射光源入射角為30 度POL 偏振影像,擷取拍翼最低角度,從-20 度至-90 度........................................................................... 63
圖 5-25 入射角光強分析圖 .................................................................. 64
圖 5-26 入射角POL 偏振影像光強分析圖 ........................................... 65
圖 5-27 反射角光強分析圖 .................................................................. 66
圖 5-28 反射角POL 偏振影像光強分析圖 ........................................... 66
圖 5-29 拍翼角度 .................................................................................. 67
圖 5-30 齒輪影像 .................................................................................. 68
圖 5-31 齒輪偏振影像 .......................................................................... 69
圖 5-32 乾冰流場環境 .......................................................................... 70
圖 5-33 煙線流場環境 .......................................................................... 71


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