馬劍清 / 臺灣大學機械系；楊宜恒 / 工研院材化所
本研究主要目的在開發新穎感測器(光纖光柵感測器FBG)以取代現有使用的感測器(如熱電偶、應變規、加速規) ，以及非接觸式影像視覺追跡量測(數位影像相關法DIC)技術取代現有的量測技術(如雷射位移計、加速規、都卜勒測速儀) ，以嶄新的技術且低廉的硬體設備配合自行開發的軟體來建構FBG感測及DIC量測系統，將所開發的光纖光柵感測器應用於材料溫度、變形、熱膨脹係數、材料機械性質以及動態的量測，並以數位影像相關法來量測跨領域、跨尺度的結構及材料變形和位移場。
本研究擬透過結合光纖光柵感測器及數位影像相關法快速評估材料的機械性質，建構結構的損傷監測及評估，並建立快速且經濟之材料特性評估測試平台，縮短材料開發時程，可提升新材料在各項工程應用的優勢。本文將先闡述這兩種新穎感測及量測技術的優勢，簡介這兩種技術的基本原理，最後呈現這兩種新穎感測及量測技術各三個實驗量測結果。
一、 前言
1. 光纖光柵感測器的優勢與量測原理
近年來隨著工業 4.0 ( Industry 4.0 )、人工智慧 (Artificial Intelligence; AI) 的崛起，物聯網 (Internet of Things; IoT)、大數據 (Big Data)與機器學習 (Machine Learning)等智慧化關鍵技術蓬勃發展，不論是在機械工程、航太科技或土木結構等領域中對於感測器的使用皆有大量的需求。例如，量測結構物的位移或應變、管線及軌道監測、腐蝕探測等問題，使得投入感測器的開發與應用已成為現今科學的主流。以往機械工程或是土木結構領域中量測應變的感測器以應變規(Strain Gauge)為主，因其具有精確定量量測的能力，易於裝設與使用且價格低廉。然而，其感測的電路原理為電阻式應變感測器，在應用層面上容易受到周圍環境的干擾，其使用限制如下。
(1) 電磁波干擾
電子元件相當容易受到環境中電磁波訊號的影響，相鄰電路間彼此也會互相干擾，將會使得高頻的訊號被雜訊所覆蓋，造成量測的結果失真。解決方法可透過外加屏蔽裝置保護電子元件，但需要較大空間。
(2) 電路訊號一對一傳輸
一個感測器在使用上必須搭配一個解調電路來操作，若是多點同時進行量測，會造成線路規劃的困擾以及空間的侷限性。
(3) 耐腐蝕性與潮濕問題
電子元件若處於腐蝕性或是潮濕的工作環境，易使元件受損，或使其輸出訊號不佳，故傳統的電子感測器元件，需加上各種保護裝置來應付惡劣的工作環境。
近年來，光纖應用在感測器領域的發展快速。光纖光柵的優勢是細長的線狀感測器且具可撓性，不僅能夠安裝於狹小的極端區域，亦可埋入結構物中進行長期監測，且訊號不受電磁波干擾、耐腐蝕，因此逐漸取代一般電子感測器。而布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating; FBG)的開發以及相關研究，使得光纖感測器可應用在更多不同的量測領域。其特點及優勢說明如下。
(1) 光纖徑細質輕，可以放置於一般感測器不易進行量測的位置，更可以埋入結
構中作長期監測，應用範圍十分廣泛。
(2) 光纖靈敏度高且反應迅速，具備不受電磁波干擾特性，更有耐腐蝕、抗高熱的能力，在惡劣的工作環境中感測能力依舊良好。
(3) 一般的電子元件感測器僅有單點量測的能力，而光纖可藉由分波多工器或多波長追蹤技術達到多點同時量測的能力，大幅增加使用的便利性以及應用之範圍。
(4) 光纖利用光做為傳輸媒介，因此具有高頻寬、高速、長距離傳輸及低損耗等特性，使得光纖能夠進行遠距離的即時監控。
(5) 根據光波傳的特性並搭配調變設計，光纖具有量測不同種物理量的能力。
布拉格光纖光柵是由三層不同折射率的材料以軸對稱的圓柱結構組合而成，由內而外依序為纖核、纖殼及覆蓋層(如圖一)，三層的直徑大小分別約為9 μm、125 μm、245 μm。根據司乃爾定律，纖殼和纖核之間不同的折射率關係，使光在纖核內進行全反射傳播。其製作方式為使用紫外光穿過週期性光罩時所產生的干涉條紋，在光纖纖核上蝕刻形成短週期光柵，當寬頻光源通過光柵時會產生反射
圖一、光纖光柵結構圖
光譜以及穿透頻譜(如圖二)，當光纖受力伸縮或是溫度改變時，光柵間的距離產生變化，而共振中心波長也隨之飄移。因此，可以利用光纖光柵波長飄移的特性，量測到待測物之應變、溫度以及動態訊號。
圖二、光纖光柵製造原理和運作方式
布拉格光纖光柵共振波長變化量、軸向應變和溫度變化之間的關係，可表示成---以上為部分節錄內容，完整資料請見下方附檔。