光纖感測簡介及分類 1. 光纖傳感器的分類

以感測元件來分類光纖感測的方法一般可分為：

非本質式(Extrinsic)

在非本質性的感測器中，光纖只扮演著替感測組件傳送光訊號的傳輸 介質，並不負責感測外界的待測物理量。例如當兩根光纖是互相水準對準 固定的，雷射光由一根光纖出來，並進入另一根光纖。當中間的 shutter 隨 著感測物的移動而移動時，會造成兩根光纖間光耦合損失變動，此時藉由 偵測光纖所接收到的功率就可以得知感測物的位移變動量，所以在這種場 合中，光纖並不扮演感測的角色，只是負責傳送光訊號而已。

本質式(Intrinsic)

本質性的光纖傳感器中，光纖扮演著主要的角色，因為外界的待測量 會直接改變在光纖傳輸的光訊號特性，所以只要偵測此光訊號的特性改變 量就可以得知外界的待測物理量大小。在本質性光纖傳感器中，最典型的 應該算是光纖光柵（fiber grating），即是本計畫所使用的光纖傳感器。

以調變類型作為分類一般可分為：

波長(wavelength)調變：

藉由波長飄移量測環境變化，本次所使用的光纖光柵感測器即此一類 型。

3.2.2.2. 多工光纖感測系統

至今發展的光纖感測系統可應用于應力應變數測者且有多工能力者不 在少數，以型式區分大致可分為四種：其中以 TDM 與 WDM 較廣為使用，

TDM 型式的感測器以各類型的 Optic Time Domain Reflectometry (OTDR)最 為常見；而 WDM 感測器依照感測點對光的影響方式主要又分為兩種：干 涉式與反射式，前者以 Fabry-Perot 干涉式感應器為代表；後者以 Fiber Bragg Grating 光柵反射式感應器為代表。光纖光柵感測器則是本計畫所使用光纖 傳感器，其原理與性質介紹如下。

3.2.2.3. 光纖光柵感測

光纖光柵（Fiber Bragg Grating）的製造是利用高能量同調雷射對光纖 曝光造成折射率永久改變，成為一系列週期為Λ的明暗條紋，此稱為光纖光 柵（以下簡稱 FBG）。當一寬頻光耦合進入此一光纖時，除了滿足布拉格條 件(Bragg condition)的特定波長會被反射外，其餘波長都會穿過此光柵繼續

前進。布拉格反射波長λB為:

Λ

= n

B

2

λ

n = 光纖纖心的有效折射率 Λ = 折射率週期性改變的間距

圖 3.3為 FBG 構造示意圖，光柵中的週期明暗條紋類似在光纖中製造

一系列透鏡組合，當寬頻光束通過這些透鏡組合時，將會造成某特定頻率 光波被反射回發射端，而其他頻率光波則繼續向前傳導，而這些透鏡的間 距不同，則被反射光波頻率亦不相同。圖 3.4為其作用說明示意圖，左下角 為入射光的頻譜，中間為穿透光纖光柵後的光頻譜，右下角實線為反射光 波的頻譜，穿透光與反射光頻譜迭加即為原始的入射光頻譜。

圖 3.3 FBG 量測原理示意圖

grating sensor(λj)

measurand field

λ³ spectrum λ

input

source broadband

λ¹

outputs shift decoding

wavelength

λ ε

? = 光纖的熱光係數(Thermal Optical Coefficient) a = 光纖的熱膨脹係數(Thermal Expansion Coefficient) Kt = 溫度敏感係數

3.2.2.6. 漸變 FBG 與波峰寬度之關係

FBG 受應變或溫度影響，會產生前述如圖 3.3 與 3.4所示波峰之飄移，

而此波峰變寬量會正比於 FBG 應變量。此設計之優點是簡單而體積小，但 FBG 讀數會受溫度之影響，因此需要做溫度之修正。漸變週期式（chirped）

FBG 是指 FBG 內的光柵應變之分部是漸變的(如圖 3.5)，假設一原週期均勻 分佈之 FBG 當受到外力而產生漸變式應變時其 FBG 波峰寬度會變寬如圖 3.6所示，而非如圖 3.4所示當 FBG 受均勻應變所產生波峰之移動。此設計 之優點是 FBG 反應不受溫度變化之影響而結構簡單。

圖 3.5 光纖光柵內連續遞增之漸變應變

圖 3.6 連續遞增之漸變應變所產生 FBG 尖峰波長寬度之改變