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DC 欄位 | 值 | 語言 |
---|---|---|
dc.contributor.advisor | 馬劍清(Chien-Ching Ma) | |
dc.contributor.author | Wan-Rou Huang | en |
dc.contributor.author | 黃婉瑈 | zh_TW |
dc.date.accessioned | 2021-06-15T12:30:31Z | - |
dc.date.available | 2020-08-25 | |
dc.date.copyright | 2020-08-25 | |
dc.date.issued | 2020 | |
dc.date.submitted | 2020-08-11 | |
dc.identifier.citation | [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. 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[57] 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. [58] 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. [59] 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. [60] 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. [61] 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. [62] 毛英澤,馬劍清, '數位影像相關法於高速主軸即時監測與機械系統動態行為及車輛追跡之跨領域量測,' 碩士論文, 機械工程學研究所, 臺灣大學, 2019. | |
dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/50132 | - |
dc.description.abstract | 布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating, FBG),主要利用光罩寫入法製作光柵結構以達到感測器的功用;可由光訊號與電訊號間的能量轉換來量測波傳訊號,並解析其頻域訊號,此外光纖光柵是一種可同時針對溫度、變形以及振動等物理量同時進行量測的新興感測器;其外觀為一徑細質輕的線性幾何形狀,因此能夠埋入結構物內部進行量測,亦能利用多光柵光纖來達成多點的同時監測;由於近幾年機器學習與工業4.0等技術興起,對於巨量資料的要求增加,因此對資料的整理、數據的分析和不同訊號整合之要求遽增,而光纖光柵感測器便扮演至關重要的角色。 本文使用的解析方式可將光纖量測之物理訊號解耦合以達到同時量測溫升與振動之目的,並將其應用於工業相關問題量測,內容主要可分為四大部分:第一部份為高速內藏式主軸各光柵段之溫升、應變、熱膨脹係數以及振動位移等物理量,以及比較內外部熱伸長量之差異與熱傳遞之方向,並將量測結果與實驗室自行開發的數位影像相關法相互驗證,確立光纖光柵感測器量測之正確性。第二部分則是探討高硬度材料的高速鋼在銑削加工方式下的溫升、應變與加工後的殘留應變,其中當光纖原始波長飄移同時受力與熱的影響時,可以透過雙光纖法解耦合力與熱應變。第三部分為發揮光纖光柵感測器光傳輸與徑細質輕的特性,取代以往電訊號感測器的不穩定性,實際將光纖埋入機械手臂內部的馬達外殼上,解析其在運轉過程中之溫升與振動量,並與熱電偶相互比較,驗證光纖光柵感測器量測之準確性。最後,第四部份則是長時間監測壓縮彈簧系統之變形量,且以交互相關量測系統解析訊號間的相關係數,用於判別彈簧避震器是否有損傷產生,以此降低成本並保障設備之安全。 | zh_TW |
dc.description.abstract | The structure of fiber Bragg grating (FBG) is built on photomask to achieve the function as a sensor. The energy conversion between optical signals and electrical signals is used to measure wave propagation signals and analyze their frequency domain signals. Besides, FBG is an emerging sensor which can be used in the measurement of temperature, deformation, and vibration simultaneously. FBG based on its linear geometry with lightweight, it can be buried inside the structure for measurement. Moreover, the goal to measure multiple points could be achieved by using multiple grating embedded in one single FBG. To sum up, due to the rise of computer science and technology related to machine learning and industry 4.0, the demand for huge amounts of data has increased so the research on FBG is particularly important. In this thesis, the simultaneous measurement of temperature and vibration has been achieved by decomposing physical features of FBG. The experimental part of this thesis focuses on practical industrial problems, it is divided into four parts. First, measuring the temperature, thermal strain, coefficient of linear thermal expansion and vibrations of the various parts of the built-in high-speed spindle. The difference between internal and external thermal displacement and the direction of heat transfer is discussed. Besides, the validity of these measurements is verified via Digital Image Correlation (DIC) developed by the laboratory. Second, the temperature rising, variation of strain and residual strain of the workpiece which is made from high speed steel (ASP-60) under the milling process are discussed. Since the wavelength drift of the FBG is caused by both force and heat, the dual FBG method is chosen to decouple the force strain and the thermal strain. In the third part, the FBG is attached to the motor case which is inside the mechanical arm to analyze the temperature and the vibration characteristic. The accuracy of FBG sensor is verified by comparing the measurement result with the thermocouples. Finally, the FBG sensor is applied to the long-term monitoring of the deformation for spring system. Also, we construct the cross-correlation measurement system to determine the spring is damaged or not with correlation coefficient. | en |
dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2021-06-15T12:30:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 U0001-1108202015252400.pdf: 65719292 bytes, checksum: f1183da8909d9bcdb25f46cf736f2eeb (MD5) Previous issue date: 2020 | en |
dc.description.tableofcontents | 摘要 I ABSTRACT III 目錄 V 表目錄 XI 圖目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 4 1.2.1 光纖光柵參考文獻 4 1.2.2 數位影像相關法參考文獻 8 1.3 論文內容簡介 9 第二章 光纖光柵基本理論與製作方法 13 2.1 光纖光學原理 13 2.2 光纖光柵基本原理 17 2.3 光彈效應與熱光效應 18 2.3.1 光彈效應 18 2.3.2 熱光效應 21 2.4 共振波長飄4移理論 22 2.4.1 共振波長飄移原理 22 2.4.2 承受平面應力 25 2.4.3 承受單軸向應力 26 2.4.4 承受溫度影響 27 2.5 光纖光柵之種類 27 2.5.1 短週期光纖光柵(Short Period Fiber Grating) 27 2.5.2 長週期光纖光柵(Long Period Fiber Grating) 28 2.5.3 本文所使用的光纖光柵 29 2.6 光纖光柵之製作方法 29 2.6.1 光纖光感性 30 2.6.2 內部寫入法和橫向全像法 30 2.6.3 橫向全像法 31 2.6.4 相位光罩法 31 2.6.5 製作方法特點比較 33 第三章 實驗室量測技術與實驗設備 41 3.1 布拉格光纖光柵量測系統 41 3.1.1 光纖光柵感測器量測之事前準備 41 3.1.2 能量調變型光纖光柵動態量測系統 42 3.1.3 光纖光柵配合波長解調器(I-MON)量測系統 44 3.1.4 多光柵多點量測之能量調變系統 46 3.2 配合光纖光柵量測系統之相關儀器 48 3.2.1 單模光纖跳接線與光纖熔接機 48 3.2.2 寬頻光源(適用於能量調變法) 48 3.2.3 可調式光源(配合I-MON專用) 48 3.2.4 ASE寬頻光源與單模可變光纖衰減器 49 3.2.5 濾波器 49 3.2.6 光隔離器與光循環器 50 3.2.7 光耦合器 50 3.2.8 光電二極體(光電轉換器) 51 3.2.9 光譜分析儀 51 3.2.10 分波多工器(CWDM) 51 3.2.11 波長解調器(I-MON) 52 3.2.12 高速波長解調器(I-MON) 54 3.3 熱電偶與溫度擷取器(GP10) 55 3.4 加熱型電磁攪拌器與控制器 56 3.5 應變規 56 3.6 數位影像相關法 56 3.6.1 數位影像相關法實驗注意事項 57 3.6.2 數位影像相關法實驗數據分析之重要參數 58 3.6.3 時間參數 58 3.6.4 空間參數 59 3.6.5 半窗格 59 3.7 遠端監控與即時通報系統 60 第四章 倉儲式機械手臂運動型態、應變及變形量測 87 4.1 研究背景 87 4.2 彈性倉儲系統簡介 88 4.3 倉儲式機械手臂精密量測 88 4.3.1 中心波長飄移與應變、變形量之關係 89 4.3.2 多軸取放載具於相同高度、不同荷重下之精密量測 90 4.3.3 多軸取放載具於不同高度、相同荷重下之精密量測 93 4.3.4 十段光柵光纖感測器精密量測之波形細部分析 95 4.3.5 多軸取放載具夾取不同位置的荷重托盤之精密量測 96 4.3.6 多軸取放載具夾取150 kg托盤於不同高度連續運動之精密量測 97 4.3.7 振動頻率分析 98 4.4 討論 100 4.5 本章結論 101 第五章 高速內藏式主軸於內外部多點即時量測與 長時間監測之結果分析 191 5.1 研究背景 191 5.2 光柵光纖中心波長內含之相關資訊 192 5.3 光柵光纖感測器之選擇與事前量測分析 193 5.3.1 多光纖光柵感測器之架設與分析方法 193 5.3.2 多光柵光纖感測器於高速內藏式主軸內部之溫升轉換係數 195 5.3.3 多光柵光纖感測器於高速內藏式主軸外部之溫升轉換係數 196 5.4 多光纖光柵埋入主軸與黏貼外部之差異與波長飄移特性探討 197 5.4.1 多光柵光纖感測器對於高速內藏式主軸內外之量測比較 197 5.4.2 高速內藏式主軸變轉速內外部振動之量測結果 200 5.4.3 高速內藏式主軸變轉速內外部溫度之量測結果 202 5.4.4 高速內藏式主軸於週期性運轉實驗之內外部差異與比較(一) 202 5.4.5 高速內藏式主軸於週期性運轉實驗之內外部差異與比較(二) 205 5.4.6 高速內藏式主軸於週期性運轉實驗之內外部差異與比較(三) 207 5.5 多光纖光柵感測器於主軸之溫升、熱伸長擬合公式 210 5.6 本章結論 211 第六章 機械手臂作動馬達溫升及減速機平板振動量測 281 6.1 研究背景 281 6.2 機械手臂簡介 282 6.3 光柵光纖感測器之黏貼位置與溫升轉換係數 282 6.4 機械手臂於溫度方面之精密量測 282 6.4.1 機械手臂反覆固定動作4小時 283 6.4.2 機械手臂開機激磁4小時 283 6.4.3 機械手臂開機不激磁4小時 284 6.4.4 機械手臂關機4小時 284 6.4.5 實驗間互相比較之分析 285 6.5 機械手臂於振動方面之精密量測 285 6.5.1 機械手臂做3D-DIC運動之振動分析 286 6.5.2 機械手臂於不同馬達轉速下之振動分析 287 6.6 機械手臂於高速運動之精密量測 287 6.6.1 機械手臂Y軸方向之高速運動分析 288 6.6.2 機械手臂Z軸方向之高速運動分析 289 6.7 本章結論 290 第七章 壓縮彈簧系統長時間之變形與互相關量測 339 7.1 研究背景 339 7.2 實驗的訊號解析流程 340 7.2.1 共振波長飄移理論 340 7.2.2 光纖光柵感測器於應變與變形量量測 340 7.2.3 互相關(cross-correlation) 341 7.3 實驗架設 341 7.4 精密量測結果 342 7.4.1 試驗機設定2Hz往復壓縮彈簧(變形分析) 342 7.4.2 試驗機設定2Hz往復壓縮彈簧(互相關分析) 344 7.4.3 試驗機設定3Hz往復壓縮彈簧(變形分析) 344 7.4.4 試驗機設定3Hz往復壓縮彈簧(互相關分析) 345 7.4.5 彈簧實驗前後之比較分析 345 7.5 本章結論 346 第八章 銑床銑削過程及工件殘留應變量測與分析 377 8.1 研究背景 377 8.2 光柵光纖感測器分析方法 377 8.2.1 溫升轉換係數與單光纖分析方法 378 8.2.2 雙光纖分析方法 379 8.3 力應變與熱應變解析方法 380 8.3.1 解析待測物加工過程之溫升 381 8.3.2 解析待測物加工過程之熱應變 381 8.3.3 解析待測物加工過程之總熱應變 381 8.3.4 解析待測物加工過程之力應變 382 8.3.5 解析待測物加工過程之總應變 382 8.4 銑削過程工件之溫升與應變量測 382 8.4.1 以超音波探傷儀量測工件的機械性質 383 8.4.2 預備加工工件與光纖感測器黏貼位置介紹 384 8.4.3 工件熱膨脹係數量測 385 8.4.4 工件進行銑削之儀器架設與機台、模具、刀具之介紹 386 8.4.5 銑削時光纖之波長飄移情形 387 8.4.6 實際銑削工件X方向量測之溫升與應變情形 388 8.4.7 實際銑削工件Y方向量測之溫升與應變情形 391 8.4.8 銑削工件X,Y方向量測之差異與殘留應變之探討 394 8.5 熱電偶與光纖感測器溫升之比較 394 8.6 本章結論 395 第九章 結論與未來展望 453 9.1 結論 453 9.2 未來展望 455 參考文獻 457 | |
dc.language.iso | zh-TW | |
dc.title | 開發布拉格光纖光柵感測器量測系統於機械加工系統之溫升、變形與振動特性之分析 | zh_TW |
dc.title | Developing Fiber Bragg Grating Sensor System for Precision Measuring Temperature, Deformation and Vibration Characteristics of Machining Systems | en |
dc.type | Thesis | |
dc.date.schoolyear | 108-2 | |
dc.description.degree | 碩士 | |
dc.contributor.oralexamcommittee | 楊哲化(Che-Hua Yang),尹慶中(Ching-Chung Yin),蔡孟勳(Meng-Shiun Tsai),蔡曜陽(Yao-Yang Tsai) | |
dc.subject.keyword | 布拉格光纖光柵,感測器,殘留應變,溫度,熱伸長量,倉儲系統,機械手臂,工具機,高速內藏式主軸,加工工件,彈簧避震器,長期監測, | zh_TW |
dc.subject.keyword | Fiber Bragg Grating,sensor,residual strain,temperature,thermal displacement,mechanical arm,machine tool,built-in high-speed spindle,workpiece,spring,long-term monitoring, | en |
dc.relation.page | 462 | |
dc.identifier.doi | 10.6342/NTU202002962 | |
dc.rights.note | 有償授權 | |
dc.date.accepted | 2020-08-12 | |
dc.contributor.author-college | 工學院 | zh_TW |
dc.contributor.author-dept | 機械工程學研究所 | zh_TW |
顯示於系所單位: | 機械工程學系 |
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