4.1 光纖光柵水壓計之改善研發及耐久性評估
4.1.3 光纖光柵水壓計之改良
原等週期式光纖光柵水壓計如圖4.5所示，使用單一金屬模，當等週光 纖光柵水壓計因水位或水壓發生變化時，其鋼模片會產生一位移量，而等 週光纖光柵水壓計靈敏度的高低，主要取決於鋼模片之位移量的大小，一 般本研究所研發之光纖光柵水壓計，可感受2.8~3.5cm的水位變化，圖 4.14 及圖4.16為等週期光纖光柵水壓計受力狀態示意圖與單綱模片光纖光柵水 壓計實體圖。
但對於水位變化甚小的地區，其等週期光纖光柵水壓計之靈敏度較 低，本次改進將增加一片金屬模使得光纖光柵兩端都與金屬模連接，如此 其靈敏度應該可以增加一倍，如圖4.15及圖 4.17所示。
透水石
鋼模片 封膠
光纖光柵
圖4.14 等週期光纖光柵水壓計受力狀態示意圖
光纖光柵
鋼模片
鋼模片 透水石
圖4.15 雙鋼模片之等週期光纖光柵水壓計受力圖
圖4.16 單鋼模片之等週期光纖光柵水壓計實體圖
圖4.17 雙鋼模片之等週期光纖光柵水壓計實體圖
圖 4.18為雙鋼模片之光纖柵水壓計之率定圖，其可感測水位之靈敏度為 3.17cm的水位變化，與預期可增加一倍的靈敏度有些差異，因等週期光纖 光柵水壓計為感測光纖光柵應變變化量，而應變量的大小會受到光纖光柵 兩點的固定距離大小而有所改變，故研判為兩鋼模片的距離需減少一半，
才可達到所需的靈敏度。
0 20 40 60 80 100
P 120
resser, kPa 0.000
100.000 200.000 300.000 400.000
Wavelength, pm
Equation Y = 3.174 * X + 1.378 R-squared = 0.999634
圖4.18 雙剛模片之等週期光纖光柵水壓計率定圖
考量將等週期光纖光柵水壓計量測範圍提升至10kg/cm2 的受壓需求，
另設計一光纖光柵水壓計尺寸為長度 7 公分；直徑為 3 公分，而靈敏度可 感測5cm之水位變化，圖 4.19為其實體圖，圖 4.20為其率定圖。
圖 4.19 等週期光纖光柵實體圖(量測範圍 10kg/cm2)
1555 1555.5 1556 1556.5 1557 1557.5
Wavelength, nm
0 2 4 6 8 10
Presser, kg/cm2
Y = 4.91114749 * X - 7637.134176 R2 = 0.9999
圖4.20 等週期光纖光柵水壓計率定圖(範圍 10kg/cm2)
4.1.4 光纖光柵水壓計之封裝與安裝設計
傳統開口式水位計以手動的方法量測，由於封層不易，在同一鑽孔中 通常只能安裝兩個水位計。近來有用電子式水壓計放入水位計內以便於自 動紀錄水位之變化。但電子式設備有耐用性不佳，易受電磁波干擾等之缺
點。本研究預計將採取的方式為將等週期FBG水壓計固定於長 0.5m、直徑 約為 2.5mm的PVC管內，而PVC管外將予以打孔和包不織布並在孔內上下 處予以隔絕，只能使得該範圍透水，而該部分稱為感測單元。至於連接部 份，以相同直徑大小之PVC管作銜接以保護光纖傳輸線，其在鑽孔內之裝 設示意圖如圖 4.21所示。此一安排有利於水壓計之現場安裝，光纖光柵水 壓計以及其連接之PVC管可以直接安裝於鑽孔中而無須另外安裝水位管。
感測單元周圍之鑽孔以透水材料（例如礫石）回填，連接部份周圍則以不 透水材料（例如白皂土）回填，如圖4.21所示。
圖4.21 等週期 FBG 水壓計裝置改良示意圖
圖 4.22所示，將製作完成之等週期光纖光柵水壓計放置於具有篩孔之PVC 管中心處，依據需求其具有篩孔之PVC長度可依業主或量測範圍需要而調 整，而本次所製作之感測單元長度為 2 公尺，而阻隔層設置於距離PVC管 兩端處往內各 15 公分處，其方法是使用現有之水管塞頭並用拉釘與以固 定，最後灌注灌注膠增加其阻絕效果。因此，即可量測該範圍之水壓變化，
圖4.23為感測單元實體圖。
透水縫隙與不織布 水管塞頭
PVC 管與光纖線 水壓計放置處
圖4.22 等週期光纖光柵水壓計於具有篩孔之 PVC 管配置圖
圖 4.23 感測單元實體圖
為了證明阻隔層之阻隔效果，本團隊先利用未具有篩孔之PVC管作測 試並在PVC管內埋設光纖傳輸線，其測試架構如圖 4.24與圖 4.25所示。而 測試方法如下說明：
步驟一：封層
先使用「水管膠」將套有光纖線的水管塞頭與測試用PVC 管之間的縫 隙予以封住，再以「拉釘」將PVC 管與水管塞頭固定，最後以「灌注膠」
將水管塞頭填滿5-8 公分，等待膠乾即完成「封層」。
步驟二：壓力測試
將裝有光纖線並封層完成之PVC管一端給予輸入 3kg/cm2之壓力（約 300kPa），當PVC管內壓力達到 3kg/cm2之壓力時，透過輸入壓力之管線所 配置之閥門阻斷壓力源，藉由PVC管另一端所配置之電子式水壓計及運用 Agilent電表連續擷取PVC管管內之壓力變化，假若PVC管內壓力隨時間變小 時，則代表阻隔層未阻隔確實。圖4.26為連續擷取PVC管內壓力變化圖，
由該圖可知PVC管內壓力並未明顯減少，代表此阻隔方法是可行的，而PVC 管內壓力微量的變動，在感測儀器誤差範圍之內，主要是電子式水壓計受 外界溫度變化所影響，使得量測壓力值有些微的變動。
壓力輸入 電子式 水壓計
Agilent 截取器
壓力輸入 電子式 水壓計
Agilent
截取器灌注膠封層處
圖4.24 阻隔層測試架構圖
圖 4.25 PVC 管壓力封層測試實體
0 2000 4000 6000 8000 10000
Time, min
300 302 304 306 308 310
Presser, kPa
圖4.26 PVC 管內壓力隨時間變化圖
4.1.5 光纖光柵水壓計之耐久性評估
關於老化試驗本研究根據中華民國國家標準CNS 3556 進行，其步驟如 下：
1. 所用之老化試驗機或類似裝置，其溫度之許可差不得超出±2oC。
2. 老化試驗之溫度為要求為 70oC，且依照本研究之需要將等週期 FBG 水壓計放入裝滿水之容器裡。
3. 試驗所需時間為 24hr、48hr、96hr、168hr、336hr，每階段皆記錄 需要之數據。
如圖 4.27所示，將等週期式光纖光柵水壓計至於裝滿水之容器中，並 將水溫加至70oC及使得水溫變化不超過規範所規定之容許範圍值(見圖 4.28 所示)。爾後，分別記錄每階段之數據。而圖 4.29顯示本次試驗所得之結果，
該圖所呈現當時間增加至 5000 分鐘而FBG波長值變動量約為 70pm，初步 評估其等週期式FBG水壓計並未有脫膠現象，但後續仍需將等週期FBG水壓 計重新標定並與未施作老化試驗前所做試驗結果相互比較。
圖 4.30所示，為等週期式FBG水壓計置放於密閉式儲存槽中，並予以加壓 至300kPa (~3kg/cm2)及維持至 5000 分鐘，由此圖所得出FBG波長變動量約 為 20pm，其表示在固定依壓力作用下(~3kg/cm2)，初步評估等週期式FBG 水壓計受潛變效應約 20με。圖 4.31為等週期式FBG水壓計潛變試驗過程試 驗之架設。
圖 4.27 等週期式 FBG 水壓計置於裝滿水之容器示意圖
圖4.28 恆濕恆溫加熱過程示意圖
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Time, min
19.78 19.8 19.82 19.84 19.86
19.79 19.81 19.83 19.85
Wavelength without temperature influence, nm Temperature test (70oC)
圖 4.29 等週期式 FBG 水壓計老化試驗結果圖
0 2000 4000 6000
Time, min 32.16
32.17 32.18 32.19 32.2
Wavelength without temp. influence, nm
pressure (3kg/cm2)
圖 4.30 等週期式 FBG 水壓計潛變試驗結果圖
圖 4.31 等週期式 FBG 水壓計潛變試驗過程示意圖
4.2 光纖光柵自動化擷取系統整合
土木工程系統監測，例如橋樑、水庫壩體結構、隧道與天然邊坡等，
常需在偏遠，不易到達而潮濕惡劣環境下進行。感測系統之電源需求與耐 久性為重要考量因素。光纖光柵感測器使用光做為感應與訊號傳遞之媒 介，其功能遠勝於傳統常用之電子式監測裝置。唯現有商業用光纖光柵解 讀系統大多使用 PC based 之 DAQ 介面做為光路控制與光訊號分析之用。
電子式監測系統常用之 data logger 雖然可以用來做光纖光柵訊號紀錄之 用，但在訊號即時解讀與分析之功能有限，系統開發耗時。研究團隊使用
National Instruments 所開發之 CompactRIO 作為光纖光柵感測系統硬體平 台，搭配NI9215 模組，擷取光纖光柵訊號；NI9403 模組控制光纖切換，再 經由Real-time 系統架構下，即時進行訊號分析處理運算。此一系統充分利 用 CompactRIO 能 在 極 端 惡 劣 環 境 下 獨 立 運 作 以 及 低 耗 能 之 優 點 。 CompactRIO 只有在需要遠端展示/紀錄數據或發佈預警資訊時才需使用網 路與PC 連接。本團隊使用 Labview 撰寫使用 CompactRIO 做光路控制與光 訊號分析之程式，透過VHDL 語言方式編譯至 FPGA 內。此一系統將與交 通大學光纖感測試驗室所研發之光纖光柵感測系統結合做土木工程系統現 地，長期自動化監測之用。而光纖光柵自動化擷取系統主要分為三大技術，
其說明如下。
網路傳輸技術：
由於現地的環境惡劣與不安全，傳統使用的測傾儀大多需要人工現場 計讀，一方面監測頻率低，另一方面在現地環境惡劣時也不適合人工現場 作業。光纖光柵監測系統在使用Real-Time 控制器與 FPGA 模組後已經可以 達到自動化監測、分析的功能，而這些監測資訊也可以透過LabVIEW 程式 語言與網路技術做連結，使得分析運算後的結果可以即時的呈現達到預警 的功效，更可以透過網路的傳輸將運算簡化後的資訊傳回使用著端儲存。
目前光纖光柵監測系統所使用的是LabVIEW最新的網路技術Share Variable，它提供廣域變數的技術，可以在LabVIEW環境下，透過此一技術 在所有的分布式應用中存取任何類型的資料，使用Share Variable可以藉由網 路的技術分享資料在單一程式的迴圈之中或是介於不同的程式之間，甚至 是在不同網路位置的儀器上。相對於在LabVIEW中現存的許多技術例如：
TCP（Transmission Communication Protocol）、UDP（Universal Data gram Protocol）、Data Socket與VI Server等技術，Share Variable 是一種典型的簡 化技術，而且其底層仍舊是使用TCP/IP的架構，不但傳輸速度快，而且訊 號最為準確可靠，參考表4.2。它可以直接透過屬性的設定，建構出所需要 的特定功能，達到分享資料的工作，而略過令人覺得煩雜的TCP/IP等低階 的網路設定，與基本的程式碼撰寫工作。
表4.2 LabVIEW 環境下各種網路技術的特性
Protocol Speed Reliability
TCP Fast Lossless
UDP Very Fast Lossy
DataSocket Fast Lossy
VI Server Slow Lossless
使 用 Share Variable 有下列三種的基本變數型態(Variable Type)：
single-process、network-published、time-triggered。一般較常使用的部分是 single-process、network-published 這兩種方式：Single-process 大多是使用在 單一程式之間的資料分享，例如在許多平行迴圈當中，我們無法直接將某 參數拉到另一個迴圈做運算，就可以利用single-process 的 Share Variable。
另一種情況則是在同一個設備儀器中的兩個不同程式，也是需要透過這樣 的功能屬性設定，才能將資料做傳遞或是同步運算。這樣的特性相當便利
另一種情況則是在同一個設備儀器中的兩個不同程式，也是需要透過這樣 的功能屬性設定，才能將資料做傳遞或是同步運算。這樣的特性相當便利