現有光纖壓力量測技術

現有光纖壓力計其壓力或位移調解（modulate）之方法可以包括：光強 度（intensity）、光纖光柵（FBG）與光干涉（interferometry）等。Rao et al.

(1994)使用一薄膜來反射經過光纖傳出之光源，如圖 3.7所示。當薄膜受壓 而變形後其反射之光強度減弱，然後根據光強度降低與薄膜變形之關係來 調解壓力。使用光強度調解壓力最主要之缺點是長期穩定度，光強度除受 調解因素影響之外也受光源強度之影響，因此當光源強度變化時會造成錯 誤之解讀，不利於長期使用。

詹凱博（2004）使用 FBG 做為壓力調解之原件，將一 FBG 黏接在醫學 用針孔內，FBG 兩端在針孔內用膠封死，在與 FBG 接觸之針邊緣開孔並以 薄膜覆蓋如圖 3.8所示。薄膜受壓後擠壓 FBG 造成 FBG 之拉伸，根據 FBG 拉伸量與 FBG 波長飄移之關係來解讀壓力之變化。此一設計有其體積小之 優點，但需對 FBG 波長讀數做溫度修正，此設計之靈敏度也偏低。

圖 3.7 使用薄膜反射光強度調解壓力（摘自 Rao et al., 1994）

圖 3.8 FBG 針孔式壓力計（摘自詹凱博，2004）

Raman (1999)研發直接使用裸光纖光柵感測壓力之方法如圖 3.9所示，

壓力會使光纖光柵產生徑向（radial）與軸向(longitudinal)之應變，利用光纖 光柵感應軸向應變的方法來解讀壓力，但光纖光柵彈性模數較大，所以光 纖光柵對於壓力反應靈敏度不佳，靈敏度為−1.98×10⁻⁶MPa⁻¹。

圖 3.9 裸光纖光柵壓力感測器(摘自 Raman, 1999)

Zhang et al. (2001) 修改 Raman 的研究中靈敏度不佳的問題，利用聚合 物的彈性係數較小的特性，將光纖光柵封裝於聚合物中，如圖 3.10 所示，

利用聚合物受壓會產生橫向延伸之特性來增加對光纖之軸向應變以提高光 纖光柵對於壓力的靈敏度，以聚碳酸酯為外襯的光纖光柵為例，其對壓力 量測的靈敏度為−6.25×10⁻⁵MPa⁻¹。但聚碳酸酯缺乏彈性與耐用之特性，此 壓力計讀數與壓力間缺乏重複性與線性之關係。

圖 3.10 以聚合物為外襯之光纖光柵壓力感測器(摘自 Zhang et al., 2001)

Xu et al. (1996) 發展出以球狀玻璃為外殼的壓力感測器，如圖 3.11 所

示，當玻璃球受壓時，該玻璃球內徑將隨著壓力的變化而變形，而黏貼於 玻璃球直徑上的光纖光柵也會產生軸向應變。此種感測器的靈敏度約為

1

10 5

12 .

2 × ^{− −}

− MPa 。玻璃球易碎，同時也缺乏線彈性之特性，不利於工程 之應用。

圖 3.11 球狀玻璃為外殼之光纖光柵壓力感測器(摘自 Xu et al., 1996)

Zhang et al. (2001) 發展出以聚合物為外襯加以封裝之壓力感測器，如

圖 3.12所示，此感測器有鋁質外殼，光柵穿過鋁質圓桶的中心，並以軟性

聚合物將光柵固結於鋁質圓桶中，藉外界壓力對聚合物產生擠壓變形時，

聚合物會往軸向變形，進而帶動光柵的變形。唯此種方式可能造成光纖光 柵產生非均勻的應變，使得量測結果缺乏穩定性與重複性。

圖 3.12 以聚合物為內襯之光纖光柵壓力感測器(摘自 Zhang et al., 2001)

Sheng et al. (2004) 因為光纖光柵為撓性不能感測壓縮，所以在軸向壓 縮上的線性程度不佳，此感測器乃採用拉伸光纖光柵的方式來製造壓力感 測器，如圖 3.13 所示，其工作原理為將光纖光柵埋入軟性聚合物中，當感 測器受到側向的外力作用時，聚合物便會往軸向伸展，使得光纖光柵也一 起拉伸。軟性聚合物缺乏彈性與耐用之特性，此壓力計讀數與壓力間缺乏 重複性與線性之關係。

Liu et al. (2000) 利用特殊的聚合物封裝，發展出一壓力感測器，如圖 3.14 所示，左端的 FBG1 使用受高靈敏的聚合物 A 封裝，其餘的 FBG2 由 另一聚合物覆蓋 B，此聚合物 B 僅作為保護作用，不對於 FBG2 的產生應 變，因此兩個光柵會發生不同的應變量，藉此得到壓力值。

圖 3.13 側壓式壓力感測計(摘自 Sheng et al., 2004)

圖 3.14 不同聚合物封裝之光纖光柵壓力感測器(摘自 Liu et al., 2000) 光纖光柵為易受溫度影響的感測器，上述之壓力感測器均未對此影響 加以考慮，所以量測誤差大；另一缺點為柔性聚合物不具線彈性並且容易 產生塑性變形，此種感測器不利於長期監測使用。

Heo et al. (2005) 發展出微型光纖光柵壓力感測器，其簡易構造圖如圖 3.15 所示，其感測物件由一圓形板所構成，光纖光柵穿過於圓板中，當壓 力由物件的上方施加時，光纖光柵會被拉伸，如圖 3.15 (b) 所示的情形，

因為此種感測器是作為按鍵使用，所以設計時不考慮溫度對於光纖光柵的 影響，僅需考慮外力對光纖光柵產生的變化。

(a)

(b)

圖 3.15 微型光纖光柵壓力感測器(摘自 Heo et al., 2005)

Kojima et al. (2003) 利用傳統壓力計常用之巴登管(Bourdon tube)發展 一光柵壓力感測器，如圖 3.16 所示，巴登管是將具橢圓形斷面之銅合金薄 管，彎成圓弧形，彎管之一端密封且允許有活動伸展空間，其另一端不封 閉且焊定於固定管接頭上。當氣體或液體壓力自管接頭處引入時，會使彎 管有向外伸展的趨勢，彎管末端連結光纖光柵，使光柵受到拉力作用，由 光柵的變化向換算為壓力值，此感測器有放置一溫度光纖作為光纖受溫度 影響時的比較值。此設計以考慮溫度之修正，並有巴登管高重複性與線性 之優點，但巴登管體積大同時成本高昂。

Zhao et al. (2004) 利用雙 FBG 方式製作感測器，如圖 3.17所示，此感 測器的感測原理為將兩條光纖光柵分別黏貼於懸臂樑上下兩相對應的位 置，當懸臂樑變形時，兩個光纖光柵會分別承受拉應力與壓應力，雖然溫 度會對光纖光柵造成影響 ，但經由兩光纖光柵波長互減可以消除溫度對 FBG 之影響。此設計主要缺點在於懸臂樑必須有一自由端，因此無法使用 懸臂樑本身來隔離 FBG 而達到氣密的效果，在此限制條件下必須另外加裝 隔離膜，如圖 3.17 中之 active cylinder，才能達到壓力感測之目的。此一設 計將使得感測器之複雜度提高而靈敏度乃至於線性度降低。

圖 3.16 巴登管式光柵壓力感測器(摘自 Kojima et al., 2003)

圖 3.17 雙光纖光柵懸臂式壓力感測器(摘自 Zhao et al., 2004)

Dong et al. (2005) 使用漸變式光纖光柵 (CFBG) 製作感測器，將 CFBG 黏貼在一直角三角板的長邊處，如圖 3.18 所示，並斜穿過此三角板的中性 軸，這種方式可以讓光纖光柵同時產生拉應變與壓應變，當變形產生時，

光纖光柵的帶寬（Bandwidth）增加而中心波長不改變，如圖 3.18 所示。溫 度只對光纖光柵中心波長產生影響而不會改變光纖光柵的帶寬，；此種解 析方式可以消除溫度所產生之影響。但此設計與 Zhao et al. (2004)所用之懸 臂式壓力感測器有類似之缺點，三角板本身無法隔離 FBG 而達到氣密的效 果，在此限制條件下也必須另外加裝隔離膜，才能達到壓力感測之目的。

此一設計將使得感測器之複雜度提高而靈敏度乃至於線性度降低。

圖 3.18 CFBG 感測器裝置示意圖(摘自 Dong et al., 2005)

圖 3.19 CFBG 感測器的反射頻譜圖(摘自 Dong et al., 2005)

Rao et al. (1994) 以 Fabry-Perot 光干涉的技術設計一感測器如圖 3.20所 示 ，在 光纖 末端 形成 一空 腔 （ cavity）。 當 光 離 開 光 纖 進 入 空 腔 會 產 生 Fabry-Perot 光干涉之效應。利用 Fabry-Perot 光干涉與空腔距離之關係來做 壓力會應變之解讀 。此 設 計 不 受 溫 度 之 影 響， Fabry-Perot 為 非 分 佈 式

（non-distributive）之設計，同一光纖上只能使用單一感測器，其經濟性不 如 FBG 感測器。

圖 3.20 Fabry-Perot 壓力感測器示意圖(摘自 Rao et al., 1994)