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 U0002-1807201210302100
中文論文名稱 運用變色油墨於光纖感測器之設計與實現
英文論文名稱 Design and Realization of Optical Fiber Sensors Employing Discoloration Ink
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 戎惠慈
研究生英文姓名 Hui-Tzu Jung
學號 600440027
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-22
論文頁數 81頁
口試委員 指導教授-楊淳良
委員-楊淳良
委員-曹恆偉
委員-劉政光
委員-李三良
委員-李揚漢
中文關鍵字 光纖感測器  光時域反射儀  變色油墨 
英文關鍵字 Optical fiber sensor  optical time-domain reflectometer (OTDR)  discoloration ink 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 我們設計並實現出運用變色油墨於光纖的感測器,非常適合架構於光纖網路中,用於浸水與溫度超載感測。
  常見的光纖浸水感測器是基於光纖彎曲損耗機制,並由光時域反射儀監測。然而,此感測器浸水後具有相當大的彎曲損耗,因此無法在光時域反射儀上同時觀察到多個處所的進水狀況。一般來說,溫度型光纖感測器是稍微複雜且昂貴。
  在本論文中,我們提出兩種基於光時域反射儀的光纖感測器,非常適合同時多點感測。將它們設置於準分佈分支網路中,進而形成網狀感測網路,延伸監測範圍且不因單一偵測點的故障或破壞而影響到其他的偵測點或是主幹光纖偵測線路的運作。一旦分支偵測點受損或浸水/溫度超載,它們相對應的狀態可立即由OTDR觀察,並且感測點可以輕易地定位及修復,有助於施工及維護。
  所提出的感測器具有成本低、結構輕巧和易於自行製作等特色,主要是由8度斜角APC端面或平坦PC端面與厚度3mm的變色油墨材料組合而成,例如:濕敏變色油墨、溫敏變色油墨。因為變色油墨內部結構的關係,它通常呈現漫射反射狀態,容易讓反射光脈衝進入光纖,因此光時域反射儀可得到較高的脈衝高度。然而,當感測器處於溫度超載或浸水狀態,油墨變色且呈現透光狀態,導致漫射反射率減少,而感測器產生較大的返回損耗,光時域反射儀所量到的脈衝高度也就下降了。
英文摘要 We design and carry out the optical fiber sensors employing discoloration ink, which are particularly suitable for deploying in the optical fiber networks for water-immersion and temperature -overload sensing.
A conventional water immersion fiber sensor is based on the fiber bending mechanism, and it is monitored by an optical time-domain reflectometer (OTDR). However, such sensor immersed in water has a remarkably high bending loss. Thus, many events of water immersion occurring could not simultaneously be monitored by an OTDR. In general, temperature fiber sensors are somewhat complicated and expensive.
In this thesis, we propose two types of OTDR-based optical fiber sensors, which are especially suitable for simultaneous multipoint sensing. To install them in the quasi-distributed branch networks can form mesh sensing networks, reaching their sensing ranges and avoiding the failure of sensing points introducing an interruption to the rear sensing networks. Once the branched sensing points are damaged or immersed in water/overloaded in temperature, their respective states can quickly be observed from an OTDR, and then those sensing points can easily be located and repaired to facilitate the creation and maintenance.
The proposed sensors, which possess low-cost, compact and easily do-it-yourself (DIY) features, consist of a fiber connector with either 8-degree angled physical contact (APC) facet or physical contact (PC) facet and a 3-mm thickness of discoloration ink, for example, soaking discoloration ink and temperature discoloration ink. Because of the inner structure of discoloration ink, it naturally presents a state of diffuse reflection, easily leading the reflected light into the fiber; therefore, the OTDR can obtain a relatively high pulse-height. However, when the sensors were in a temperature-overload or water-immersion state, the ink changed its color and presented a transparent state, which leads to the reduction of diffuse reflection and produces a higher return loss for sensors to make the pulse-height measured by an OTDR decrease.
論文目次 目錄
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 論文架構 4
第二章 光纖感測器之介紹 5
2.1概述 5
2.2光纖感測器種類 6
2.3光纖感測器之技術與應用 11
2.3.1光纖溫度感測器 13
2.3.2光纖壓力感測器 15
2.3.3光纖流量流速感測器 15
2.3.4結構健康監測技術 16
2.3.5液位光纖感測器 17
2.3.6 神經型生物光子感測器 22
第三章 光時域反射儀之介紹 23
3.1光時域反射儀簡介 23
3.2一般光時域反射儀 24
3.2.1原理與參數 26
3.2.2脈衝寬度與波長 27
3.2.3測量距離 29
3.2.4死區 30
3.2.5鬼影 31
3.2.6軌跡圖的資訊 33
3.2.7動態範圍 37
3.3布里淵光時域反射儀 38
3.3.1布里淵光時域分析技術 40
3.4拉曼光時域反射儀 42
第四章 變色油墨之介紹 43
4.1 前言 43
4.2 光學變色油墨 43
4.3 溫敏變色油墨 44
4.4 濕敏變色油墨 44
第五章 光纖浸水感測器與光纖溫度感測器之設計與製作 46
5.1前言 46
5.2 APC與PC光纖端面之介紹 47
5.3 感測介面之選擇 49
5.3.1 光纖浸水感測器介面 49
5.3.2 光纖溫度感測器介面 50
5.4 光纖浸水感測器之設計 50
5.5 光纖浸水感測器之製作 52
5.6 光纖溫度感測器之設計 53
5.7 光纖溫度感測器之製作 55
第六章 理論分析與實驗結果 57
6.1實驗設置 57
6.2理論分析 58
6.2.1光纖浸水感測器之理論分析 60
6.2.2 光纖浸水感測器實驗結果 63
6.2.3光纖溫度感測器之理論分析 67
6.2.4 光纖溫度感測器實驗結果 70
第七章 結論與未來研究方向 76
7.1 成果與討論 76
7.2 未來研究方向 77
參考文獻 78

圖目錄
圖 2. 1 光纖感測器基本形式(a)功能型,(b)傳光型。 ................................ 7
圖2. 2 光纖光子晶體溫度感測器結構圖。 ................................................ 14
圖2. 3 光纖液位探測器(a)Y 型光纖;(b)U 型光纖;(C)稜鏡耦合。 ..... 19
圖2. 4 探測兩種液體的分界面。 ................................................................ 20
圖2. 5 返回光強與折射率的關係。 ............................................................ 21
圖2. 6 神經型生物光子探測頭示意圖。 .................................................... 22
圖3. 1 玻璃光纖衰減特性之波長相關。…...…………………………….25
圖3. 2 OTDR 內部系統架構方塊圖。 ......................................................... 27
圖3. 3 不同的光脈衝寬度下空間解析度與SNR 的差異。 ....................... 29
圖3. 4 光脈衝遇到事件之圖解說明。 ......................................................... 30
圖3. 5 事件死區的示意圖。 ........................................................................ 30
圖3. 6 鬼影示意圖。 ..................................................................................... 32
圖3. 7 含有反射峰值的鬼影軌跡圖。 ........................................................ 32
圖3. 8 軌跡圖範例。 .................................................................................... 34
圖3. 9 動態範圍與量測範圍。 ..................................................................... 35
圖3. 10 光纖斷點處,在OTDR 上所呈現的軌跡圖。 ............................. 36
圖3. 11 光纖彎曲造成:(a)損耗,(b)光纖裂痕。 ..................................... 37
圖3. 12 光纖中間斷裂造成後段光纖超出OTDR 可偵測範圍。 ............. 38
圖3. 13 B-OTDA 感測原理。 ....................................................................... 42
圖5. 1 PC 與APC 端面圖。 ………………………………………………48
圖5. 2 紅光經過未浸水之光纖浸水感測器的實體圖。 ............................ 51
圖5. 3 紅光經過已浸水之光纖浸水感測器的實體圖。 ............................ 52
圖5. 4 光纖浸水感測器之設計架構圖。 ..................................................... 52
圖5. 5 光纖浸水感測器之實體圖。 ............................................................ 53
圖5. 6 紅光經過常溫下之光纖溫度感測器的實體圖。 ............................ 54
圖5. 7 紅光經過已超載之光纖溫度感測器的實體圖。 ............................ 55
圖5. 8 光纖溫度感測器之設計架構圖。 .................................................... 56
圖5. 9 光纖溫度感測器之實體圖。 ............................................................ 56
圖6. 1 實驗架構圖。………………………………………………………58
圖6. 2 量測感測器浸水前後及溫度超載前後之返回損耗。.................... 59
圖6. 3 脈衝寬度10ns 時之感測器浸水、未浸水及鑑別度對照圖。 ...... 61
圖6. 4 脈衝寬度100ns 時之感測器浸水、未浸水及鑑別度對照圖。 .... 62
圖6. 5 SRB = 10%之各脈衝寬度實驗與理論值對照圖。 ........................... 63
圖6. 6 脈衝寬度100ns 之各分光比實驗與理論值對照圖。 ..................... 64
圖6. 7 光纖浸水感測器之各公里未浸水圖。 ............................................ 65
圖6. 8 光纖浸水感測器之各公里浸水圖。 ................................................ 66
圖6. 9 感測器重複十五次乾/溼之測試結果。........................................... 67
圖6. 10 脈衝寬度10ns 時之感測器常溫下、溫度超載及鑑別度對照圖。
......................................................................................................................... 68
圖6. 11 脈衝寬度100ns 時之感測器常溫下、溫度超載及鑑別度對照圖。
......................................................................................................................... 69
圖6. 12 SRB = 10%之各脈衝寬度實驗與理論值對照圖。 ......................... 70
圖6. 13 脈衝寬度100ns 之各分光比實驗與理論值對照圖。 ................... 71
圖6. 14 光纖溫度感測器常溫下之各公里圖。 .......................................... 72
圖6. 15 光纖溫度感測器溫度超載之各公里圖。 ...................................... 73
圖6. 16 感測器重複十五次溫度超載/未超載之測試結果。 .................... 74
表目錄
表 2. 1 光纖感測器所用的主要物理效應與檢測量 ...................................... 8
表2. 2 光纖特性及測量時所適用的範圍 .................................................... 10
表2. 3 光纖特性及測量時所適用的範圍 .................................................... 11
表2. 4 光纖感測器的應用及目前技術水準 ................................................ 12
表2. 5 一些主要工業應用領域及所用感測器 ............................................ 13
參考文獻 [1] 石中達, “光纖溫度感測器產業及市場,” OPTOLINK, Jul. 1998.
[2] 安毓英、曾小東,光學感測與測量,五南圖書出版股份有限公司,Mar. 2004.
[3] F. J. Arregui, I. R. Matias, K. L.Cooper, and R. O. Claus, “Simultaneous Measurement of Humidity and Temperature by Combining a Reflective Intensity-based Optical Fiber Sensor and a Fiber Bragg Grating,” IEEE Sensors Journal, vol. 2, no. 5, pp. 482-487, Oct. 2002.
[4] B. Park, J. Provine, W. Jung, R. T. Howe, and O. Solgaard, “Photonic Crystal Fiber Tip Sensor for High-Temperature Measurement,” IEEE Sensors Journal, vol. 11, no. 11, pp. 2643-2048, Nov. 2011.
[5] G. W. Housner, L. A. Bergman, T. K. Caughey, et al, “Structural Control:Past, Present, and Future,” Journal of Engineering Mechanics, vol. 123, no. 9, pp. 897-971, 1997.
[6] Z. S. Wu, “Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure,” A. A. Balkema Publishers, pp.153-167, Tokyo, Japan, 2003.
[7] Z. H. Zong, T. L.Wang, and D. Z. Huang, et al, “State of the Art Report of Bridge Health Monitoring,” Journal of Fuzhou University(Natural Science), vol. 30, no. 2, pp. 127-152, Apr. 2002.
[8] M. P. Whelan, D. Albrecht, and A. Capsoni, “Remote Structural Monitoring of the Cathedral of Como Using An Optical Fiber Bragg Sensor System,” Smart Structures and Materials 2002, vol. 4694, pp. 242-252, Jun. 2002.
[9] J. M. López-Higuera and L. R. Cobo, “ Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring,” Journal of Lightwave Technology, vol. 29, no. 4, pp.587-608, Feb. 15, 2011.
[10] J.-H. Han and J. U. Kang, “Neuromorphic Biophotonic Sensor Based on Near Infrared Optical Reflectometry,” IEEE Sensors Journal, vol. 12, no. 3, pp.474-478, Mar. 2012.
[11] S. D. Personick, “Photon Probe - An Optical Fiber Time Domain Reflectometer,” Bell Syst. Tech. J., vol. 56, pp. 355-366, Mar. 1977.
[12] S. Kher, G. Srikant, S. Chaube, A. L. Chakraborty, T. P. S. Nathan, and D. D. Bhawalkar, “Design, Development and Studies on Raman-Based Fibre-Optic Distributed Temperature Sensor,” Current Science, vol. 83, no. 11, pp.1365-1368, Dec. 10, 2002.
[13] L. F. Zou, X. Y. Bao, Y. D.Wan, et al, “Coherent Pprobe-Pump-Based Brillouin Sensor Forcentimeter-Crack Detection,” Optics Letters, vol. 30, no. 4, pp. 370-372, Jul. 2005.
[14] The Great Sensing Technology: Brillouin Optical Time Domain Analysis http://www.botda.com/
[15] 楊淳良, “單元五光纖斷點的量測介紹與實驗,” 98年教育部顧問室「資通訊科技人才培育先導型計畫」寬頻有線教學推動聯盟中心「DWDM技術實驗教材」。
[16] W. R. Woodward, “Optical Time Domain Reflectometer – Basic Theory and Application,” W R Systems Ltd.
[17] Tech Optics Optical Time Domain Reflectometers (OTDRs), http://www.techoptics.com/pages/OTDR/OTDR%20Intro.html
[18] G. Lucas Leclin, T. Avignon, and L. Jacubowiez, “An Optical Time Domain Reflectometry Set-Up for Laboratory Work at École Supérieure d'Optique,” Conference on Education and Training in Optics & Photonics Marseille, pp.152-155,Oct. 27, 2005.
[19] B. Huttner, B. Gisin, and N. Gisin, “Distributed PMD Measurement with a Polarisation-OTDR in Optical Fibers,” Journal of Lightwave Technology, vol. 17, no. 10, pp.1843-1848, Oct. 1999.
[20] 許仕, “單元七OTDR光纖損耗之量測,” 94年教育部通訊教改計畫「光纖製備與量測多媒體教材」。
[21] Data sheet: OTDR MT9083A, http://www.eu.anritsu.com/files/MT9083A_OTDR_AccessMaster.pdf
[22] M. K. Barnoski, M. D. Rourke, S. M. Jensen, and R. T. Melville, “Optical Time Domain Reflectometer,” OSA Appl. Opt., vol. 16, no. 9, pp. 2375-2379, Sep. 1977.
[23] C. Hu, J. Wang, Z. Zhang, Y. Jin, H. Gong, and S. Jin, “Stability Analysis of Distributed Optical Fiber Temperature Sensor (DTS) System,” IEEE Conference Publications, May 16-18, 2011.
[24] C.-L. Yang, H.-H. Lin, and S.-L. Lee, “Demonstration of Optical Fiber Sensors for Water Immersion Detection,” Wireless and Optical Communications Conference 2011 (WOCC 2011), Session no. O2, Paper no. 1569403409, Apr. 15-16, 2011, Newark, New Jersey, USA.
[25] 瑞士錫克拜控股公司(SICPA), http://www.sicpa.com/58.asp
[26] 名博防偽技術有限公司, http://www.mb315.com/fanti/chanpin.htm
[27] Y.-J. Hsu, C.-Y. Wang, and Z.-W. Wang, “A Remote Water Sensing System with Optical Fiber Networks,” IEEE Conference Publications, Oct. 2011 .
[28] 日本電信電話株式會社(NTT Group),
http://www.ntt.co.jp/journal/0911/files/jn200911042.pdf
[29] 日本電信電話株式會社(NTT Group),
http://www.ntt.co.jp/RD/OFIS/active/2008pdf/pdf/h_nw05.pdf
[30] I. W. Jung, B. Park, J. Provine, R. T. Howe, and O. Solgaard, “Highly Sensitive Monolithic Silicon Photonic Crystal Fiber Tip Sensor for Simultaneous Measurement of Refractive Index and Temperature,” Journal of Lightwave Technology, vol. 29, no. 9, pp.1367-1374, May 1, 2011.

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2017-07-18公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2017-07-18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