同一層平行等距埋設多個 FBG 感測器以偵測複材損傷之成長

為能偵測複材損傷之成長，本計畫採中間同層平行等距埋設感測器（如圖六），在離圓 孔每1.5mm 埋入一個 FBG 當作偵測複材損傷成長之感測器， 將 FBG 感測器埋入複材時，

由於製程之側向殘留應力的作用會導致FBG 頻譜產生劈裂的現象，因此由頻譜劈裂程度可以 估算出殘留應力，並利用損傷成長時會造成殘留應力釋放，所以只要藉由光纖感測網路就可

即時監控複材損傷成長，如圖六所示，當疲勞週次增加至20000 次時，內埋之第一個感測器 層向鄰近±45 度層延伸，形成穿層基材裂紋(Transverse matrix cracking, T)，並隨著疲勞週次 增加而成長，沿著0 度方向形成脫層破壞。圖九 b 因為較遠離圓孔，所以疲勞損傷的程度較 此隨著疲勞損傷的生長，會使不均勻應變場的上限值(upper limits)及下限值(lower limits)分別 往高應變和低應變區擴張，所以FBG1 所感測到之應變範圍(strain range) 隨著疲勞損傷的生 長而增加，圖十為10kN 負載下波長漂移變化，當疲勞損傷成長，其全值半高寬 FWHM（Full

width half maximum）會有明顯的增加，圖十一中 10000 週次之前，FBG1 之啁啾頻譜之上限 (upper limits)及下限值(lower limits) 均往長波長移動表示感測區應變場變化一致，疲勞損傷尚 未發生；10000 週次之後，在 10kN 負載下，啁啾頻譜之上限及與下限值往相反方向移動，

高應變區因疲勞損傷的生長而使應變場加劇，因此啁啾頻譜之上限往長波長移動，反之，疲 勞損傷區則產生無法承載及應變釋放的影響而使啁啾頻譜之下限值隨之遞減。

圖十二為監測不同週次疲勞後頻譜之能量變化， 發現其結果與圖十一監測不同週次 疲勞後頻譜之波長變化一致，均於10,000-20,000 周次間發生訊號改變，並指向與疲勞損傷有 關，所以無論用能量監測或波長監測均可感測疲勞損傷的生長，並能即時監控，以便當損傷 成長至危及結構體安全時能發出警訊。

5 結論

本研究成功地建立光纖光柵感測器鑲埋在高分子複合材料的技術，並開發了頻率反映相 當不錯的解調系統，也建立了單一光纖多點式之感測技術，最後，利用相關技術之光纖光柵 反射頻譜，證明無論用頻譜之能量變化或波長變化進行監測，均可與疲勞所導致之複材內部 缺陷之發展有明確的關連，為將來智慧型材料/結構之線上即時破壞監測奠定基礎。

此方法比起傳統常用之超音波C-scan，放射線照相等方法，不單較為方便。並容許線上 連續之監控，而且因感測器是鑲埋在複材內部，不影響結構外部之形狀，也可直接針對內部 不同層間所發生之破壞進行偵測。

6 本計劃自評

利用光纖感測器在複合材料內部損傷的探討此一領域是一個新興的領域，國內外投入之 研究仍不多，本計劃在此一領域獲得了一些前人未有的結果，相關成果除已寫成論文投稿以 及尚在準備中的一些論文外，另直接、間接導致兩個專利申請的提出，此二專利台灣部份已 獲通過，美國部份則尚在申請過程中。相關專利及論文如下:

本計劃所產生之專利

1. 單秋成、林志豪、江家慶、廖顯奎、曾昱璋、陳宣臣, “光纖元件之熱補償”2002. 中華民 國專利發明第 二零一八六三號 ，US patent 申請中。

2. 單秋成、江家慶， “能量調變型光纖光柵感應器”, 中華民國專利發明第 二零一八九八 號，US patent 申請中。

.

本計劃所產生之論文

1. C.S. Shin, C.C.Chiang, ”Fatigue Damage Monitoring in Polymeric Composites using multiple Fibre Bragg Gratings,” International Journal of Fatigue, submitted.2004.

2. C.S. Shin, C.C.Chiang, ”High speed and high resolution fiber grating sensor interrogating system using hybrid Bragg grating-long period grating intensity modulation”, Smart Materials

& Structures , submitted.2004.

3. . C.S. Shin, C.C.Chiang, ”Fatigue Damage Monitoring in Polymeric Composites using multiple Fibre Bragg Gratings,” Third International Conference on Fatigue of Composites (ICFC3) , Kyoto, Japan (2004 9/15-9/17)。

4. C.C. Chiang, C.S. Shin, “An intensity modulation based high speed and high resolution long period fiber grating sensor interrogating system” The Optics and Photonics Taiwan Conference, Taipei, 2003.

5. C.C.Chiang, C.S. Shin, “Using multi-FBGs monitoring fatigue damage in composite,” The 20th National Conference on Mechanical Engineering, Taiwan, 2003.

6. C.C.Chiang, C.S. Shin, L. Wang, “High speed and high resolution strain sensing by using LPFG as filter interpretation FBG strain sensor in power detecting,” The Optics and Photonics Taiwan Conference, Taipei, 2002.

7. C. L. Lin, C.S. Shin, L. Wang, “The application of multi-function FBGs sensor on composites,”

The 17th National Conference on Mechanical Engineering, Taiwan, 2000.

8. C. L. Lin, C.S. Shin, L. Wang, “The application of inner stress/strain measurement of composite using embedded FBGs sensor,” The 25th National Conference on Mechanics, Taiwan, 2000 9. C. L. Lin, C.S. Shin, L. Wang, “The application of fiber Bragg gratings sensor on the polymer

composites,” The 16th National Conference on Mechanical Engineering, Taiwan, 1999.

7 參考文獻

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圖一(a) RH=65%、無 Silane 塗層光纖，拉伸強度理論韋伯預`測曲線與實驗值。

圖一(b) RH=30%、無 Silane 塗層之光纖，拉伸強度理論韋伯預測曲線與實驗值。

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00

Strength of Optical Fiber in Xo 0.00

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Distribution Function

:Weibull Distribution :Experimental Data

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60

Strength of Optical Fiber in Xo 0.00

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Distribution Function

Experimental Data Weibull Distribution

圖一(c) RH=65%、塗層 2%Silane 之光纖，拉伸強度理論韋伯預測曲線與實驗值。

圖一(d) RH=65%、塗層 4%Silane 之光纖，拉伸強度理論韋伯預測曲線與實驗值。

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60

Strength of Optical Fiber in Xo 0.00

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Distribution Function

:Experimental Data :Weibull Distribution

0.00 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00

Strength of Optical Fiber in Xo 0.00

0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

Distribution Function

:Experimental Data :Weibull Distribution

圖二(A)在不同層間埋入均依 0^o埋設FBG 感測器

圖二(B)在不同層間依疊層方向埋設 FBG 感測器

圖三: 複材層板成化冷卻過程中光纖光柵頻譜之改變。

圖四: 為利用長週期光纖光柵濾波效應形成能量調變機制示意圖。

圖五: 不同層間依疊層方向埋設 FBG 感測器，以量測複材損傷型態與成長

Laser diode 980nm

WDM Er doped fiber

Mirror

1544 1546 1548 1550 1552 1554 Wavelength(nm)

-60 -40 -20 0

Engery (dbm) ^-60

-40

圖六: 中間同層平行等距埋設感測器，在離圓孔每 1.5mm 埋入一個 FBG 當作偵測複材 損傷成長之感測器

0x10

⁰

1x10

^-6

2x10

^-6

3x10

^-6

Po w e r( n W )

Load-Strain.grf

1540 1544 1548

Wavelength (nm)

0x10

⁰

1x10

^-6

2x10

^-6

3x10

^-6

Po w e r( n W )

0 cycles 20000 cycles

0x10

⁰

2x10

^-7

4x10

^-7

6x10

^-7

8x10

^-7

1x10

^-6

Pow e r( nW )

60000 cycles

FBG1 FBG2 FBG3 FBG4 0

2 4 6

Crack dens ity (1 /mm

2

)

0 200 400 600 800

Strain( µε )

0 4 8 12 16

Lo ad (kN)

No. of cycles 0 2000 5000 10000 20000 60000 100000

圖七: 複材試片剛性隨疲勞週次增加之變化。

圖八: 光纖光柵感測器位置之基材裂縫密度。

Orthogonal to loading direction

T: Translaminar D: Delamination

(圖九 a) (圖九 b) (圖九 c)

(圖九 d)

Loading direction

(圖九 a) (圖九 b)

1540 1544 1548 1552 1556 1560

1540 1544 1548 1552 1556 1560 Wavelength (nm)

1540 1544 1548 1552 1556 1560 Wavelength (nm)

1536 1540 1544 1548 1552 Wavelength (nm)

1536 1540 1544 1548 1552 Wavelength (nm)

1536 1540 1544 1548 1552 Wavelength (nm)

0 20000 40000 60000 80000 100000

Fatigue cycles

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

∆λ (n m)

FBG 3

FBG 1 lower limit FBG 1 upper limit

10 kN load

0 20000 40000 60000 80000 100000

Fatigue Cycles

-800 -400 0 400 800

Intensity change (nw)

FBG1 FBG2 FBG3

10 kN load

圖十一: 不同疲勞週次下光纖光柵波長漂移之情形。

圖十二: 不同疲勞週次下光纖光柵反射頻譜之能量強度變化情形。

31

在文檔中 複材內部損傷探測(3/3) (頁 18-36)