國立聯合大學電機資訊學院
2018 年全國金腦獎專題競賽
計畫書
專題競賽題目：
金屬錫球光纖之風速感測器
報名編號： 5
指導教授： 李澄鈴老師
就讀系所： 光電系
參賽隊員：梁騰輿 （隊長）
羅士宏
中華民國 一零七 年 四 月 九 日
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目錄
(1) 中文摘要 ---2 (2) 研究背景、動機與目的---2 (3) 研究流程---3 (4) 研究內容---5 (5) 結論與建議---7 (6) 參考文獻---82
中文摘要
風速測量技術的改進在工業和科學技術中非常重要。已經開發出許多使用風速計和 流量計的測量技術。這項研究提出了一種在光纖端面覆蓋金屬錫球（Sn），簡單、低成 本 且 高 靈 敏 度 的 空 氣 腔 光 纖 法 布 里 - 珀 羅 干 涉 儀 (Air-Gap fiber Fabry–Perot interferometer，AG-PPFI)光纖風速感測器。由於材料的內聚力，極小的金屬錫(Sn)被 加熱，然後熔化，收縮成微球狀。當光纖插入被加熱的金屬錫(Sn)球中，在冷卻過程中 在光纖端面和金屬錫(Sn)球之間自然形成空氣腔。因此，可以獲得所提出的 AG-PPFI 並且可以應用於感測氣流。 AG-PPFI 風速計利用雷射加熱到高溫。高溫 AG-PPFI 可以 通過氣流冷卻，然後改變它們的干涉頻譜。實驗結果表明AG-PPFI 風速計在氣流測量 中有良好的靈敏度。在風速範圍為0 m / s 至 25 m / s 時，可在低風速 0 m/s~5m/s 時獲 得-2.046nm /（m / s）的高靈敏度。
研究背景、動機與目的
光纖因其直徑小、質輕、可撓性高、抗腐蝕、響應速度快、傳輸損耗低、傳輸頻 帶寬及不受電磁干擾等優異特性，於各種通訊領域中已被廣泛應用。光纖技術的發展 始於通訊上的需要，隨著低損耗光纖的研製成功，藉由光纖來傳遞資訊才達實用化的 階段。除應用於有線通訊外，光纖經設計或改良後能夠製成對某些物理現象有特殊敏 感性的光纖感測器。光纖感測器的整體架構主要是由輸入光源、信號傳輸光纖、光纖 感測器及光信號分析儀組成。將光纖感測器置於待測區域中，光信號由傳遞光纖導引 至感測器，而待測區域中的物理量變化會影響信號光之特性，再由信號分析儀上的頻 譜推論得信號光特性變化，即可測得待測區中的物理量變化。光纖感測器製作完成後， 可封裝成極小型的感測元件，加上其柔軟可撓曲，能在狹窄處輕易安裝。光纖感測器 也適合在條件嚴苛的環境下使用，如：高振動、高溫、高濕度、易腐蝕等，是其他電 子設備較難以達成的。近年來結構小、高靈敏度的光纖感測器能依生醫方面需求，製 作成光纖針頭插入或在活體表面進行長時間或即時監測，取代傳統需要由手術切片取 出組織的方式，提供更快速及豐富的樣品資訊，因此有許多專家學者投入研究並深入3 探討。光纖感測器有以上優點，因此利用光纖來感測應力 [1]、震動 [2]、溫濕度 [3]、 折射率 [4]、風速 [5]等變化的應用也持續的被開發。許多已開發之風速感測器和流量 計大量應用在工業和科學上，而熱線式技術（hot. wire anemometry， HWA）仍然是流 量的量測的首選方法，因為它具有許多優點並且可以用於測量快速的流量 [6]。HWA 的測量架構是由感測器傳熱到周圍環境，該方法簡單可靠所以HWA光纖風速感測器已 經吸引了大量的研究 [7]，而HWA最常見的光纖風速感測器是加熱光纖布拉格光柵 （fiber Bragg grating， FBG）[7]。其他已經提出的架構有模間干涉 [8] 跟Fabry–Pérot 干涉儀 [9]。
研究流程
1. 使用的單模光纖為康寧（Corning）公司生產，將剝除纖殼（jacket）且浸入超音波 清洗機（Ultrasonic cleaner）清洗乾淨的單模光纖用光纖切割刀（fiber cleaver）將 其端面切平。 2. 將錫(Sn)經由烙鐵融化，在融化的瞬間錫(Sn)會瞬間變成微小的球狀之後再將切平 的光纖插入金屬錫(Sn)球中，在冷卻過程中在光纖端面和金屬錫(Sn)球之間自然形 成空氣腔，我們的元件整個架構是在兩條光纖上面去做金屬錫(Sn)的覆蓋，而兩條 光纖分別是單模光纖用來感測干涉頻譜，另一條則是與雷射二極體連接用來傳輸雷 射，以便錫球加熱如圖1.結構示意圖與圖 2.實際元件圖。 圖 1.結構示意圖 圖 2.實際元件之顯微鏡照片 3. 經過金屬錫(Sn)球冷卻形成空氣腔之後，我們利用穩定的電流供應器與雷射二極體 形成雷射，利用雷射對金屬錫(Sn)球加溫，因為雷射升溫很快，等到溫度達到穩定 之後，所以馬上就可以利用空氣壓縮機來產生氣流，對金屬球進行0 m/s~25 m/s 的
4 風速的測量。
4. 首先將寬頻光源（broadband light source，BLS）當作輸入信號源，其波長範圍為 1450 nm ~ 1650 nm，利用跳接線（pig tail）與 AG-FPPI 元件連接，再使用光循環器 （circulator）與跳接線連接，如此一來可將寬頻光源輸出的信號光經過光纖干涉儀 元件的端面後反射回光循環器，之後進入至光頻譜分析儀（optical spectrum analyzer， OSA）中接收其反射光訊號，測量其干涉頻譜特性。利用 GPIB 卡（general purpose interface bus）之 USB 介面電腦與光頻譜分析儀通聯，由 LabVIEW 讀取干涉頻譜數 據再用MATLAB 程式做分析。 5. 使用光纖干涉儀元件測量風速是要先將光纖感測端面的溫度升高直至超過室溫，如 此便可以感測環境溫度的風速大小，故要做風速感測前，要先取得光纖元件對於溫 度的特性。在金屬錫(Sn)球周圍用光學膠固定在玻片上，之後利用另一條與雷射二 極體連接的光纖(DCF)所形成的雷射將元件升溫至不同溫度，並用塑膠板隔離周圍 環境氣流以免影響實驗過程。感測過程中每一溫度設定完後都讓整個封閉系統達到 熱平衡才紀錄數據與頻譜，上述所說的實驗步驟可以利用下面的系統架構圖(圖 3.) 來說明。 圖3.系統架構圖
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研究內容
將元件空氣共振腔長L =12.3 μm 的金屬錫(Sn)球使用光學膠固定在玻片上並用波 長915 nm 雷射加熱，從電流供應器上的 0 A 加熱到 1.08 A，很快地會達到熱平衡，並 每次升溫都記錄其干涉頻譜。過程中以雷射加熱，並用電流供應器監控即時的電流， 而在整個架構外圍架塑膠板，隔離外界空氣擾動降低誤差，使系統更快達熱平衡，如 圖4.電流干涉頻譜顯示我們從 0 .00 A ~1.08 A 慢慢的升溫，如圖 4.電流干涉頻譜以及利 用圖4.製造出圖 5.電流線性配適圖，我們可利用圖 5.來知道經由雷射加熱的線性斜率 為249.7 nm/ m/s，這代表雷射加熱有很好的響應。 圖4.不同電流的雷射干涉頻譜6 圖5. 不同電流的雷射線性配適圖
將金屬球感測器由光學膠固定至玻片上，保持不會他不會變動，藉由電流供應器 來調整電流(固定在 1.08 A)，升溫完後靜置整個系統以達到熱平衡。於 AG-PPFI上方垂 直固定空氣壓縮機氣閥的出風口，控制空壓機及氣閥出風量即為風速大小(𝑣)，施加垂 直風速於光纖元件端面之金屬共振腔上與商用熱線式(hot-wire anemometers)風速感測 器。使用的熱線式風速感測器型號為Testo 1341 與 AG-FPPI平行，紀錄其即時風速， 可量測0 m/s 到 25 m/s 的風速，如圖 6.所示，我們可以觀察到金屬錫球(Sn)經過風速吹 過後，會慢慢地往藍移，也就是所謂的往短波常移動。並用塑膠板隔離周圍環境氣流 下放至絕緣熱能的材質以免影響實驗過程，觀察元件在定電流狀態下受風速降溫所影 響的干涉頻譜，由圖6.的實驗數據，可得知空氣流速（𝑣）對應波長位移（Δλ）的配適 曲線，公式如下所示 ∆= 𝑎(𝑒𝑏𝑣1) (1) a 和 b 是指數曲線的係數。b 是一個負值，因為∆λ 對𝑣呈現指數衰減響應。從公式（1）， 氣流速度（𝑣）可以通過以下公式容易地確定： 𝑣 =1 𝑏ln( ∆ 𝑎 + 1) (2)
7 從公式（2）可以估計光譜的波長位移（∆）時的氣流速度（𝑣）。 在低氣流中有著線性響應，高風速下干涉頻譜波長變化逐漸趨緩，如圖 7.風速曲線配 適圖，我們獲得了具有最高的波長位移靈敏度的指數衰減率∆λ = 24.71(𝑒−0.1093𝑣− 1)， 我們可以很明顯地看到在低風速0 m/s~5 m/s 時，會實現-2.046 nm/m/s 的高靈敏度，假 設我們干涉頻譜的解析度為 0.04 nm 而我們可得知金屬錫球(Sn)在低風速的解析度為 0.02 m/s，也就代表我們的金屬錫球。 圖6. 0 m/s 到 25 m/s 風速干涉頻譜 圖7.風速曲線適配圖
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結論
這項研究提出了一個用空氣腔光纖 Fabry–Perot 干涉儀（Air-Gap fiber Fabry-Perot interferometer，AG- PPFI）；由一個自製設計可控電流供應器與雷射二極體提供波長為 915 nm 雷射，來加熱(紅移)該風速感測器在單模光纖（SMF）端面的金屬球(Sn)共振腔。 利用金屬對溫度的高靈敏性及回復性，被氣流冷卻；干涉頻譜往短波長移動（藍移）。 在固定的加熱雷射的輸入電流為1.08 A 下;在低氣流良好的線性適配，在高氣流下逐漸 趨於平緩穩定。實驗結果顯示: 當光纖元件之空氣共振腔的長度為L =12.3 μm，加熱 雷射之輸入電流為1.08 A 時，在低風速 0 m/s~5 m/s 時，實現了-2.046 nm /（m / s）的 高靈敏度，可想而知當我們OSA 的解析度為 0.04 nm 時。我們可得知當時的解析度為 0.02 m/s，後續實驗當金屬錫(Sn)球變小時，給定相對更小的加熱電流時，預期可以升 至相同且穩定的高溫以節約驅動電量。因此實驗結果證明所提出的金屬錫(Sn)球光纖干 涉儀可作為一個良好的微小型之光纖式風速感測器。
參考文獻
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