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光纖感測器 授課老師:杜翌群 學生:醫電三甲 49927010 趙賞易
壹●前言 由於光對於微細變化的靈敏度比傳統的電子感測器高出許多，隨著光纖通訊 的蓬勃發展，利用光纖及光纖元件來進行分布式感測，一直是眾人注目的研究焦 點。光纖感測具有不受電磁干擾、體積小、寬頻、信號易於傳輸等優點，因此利 用光纖來感測應變、溫度、壓力、電流、氣體等變化的應用便不斷地開發出來。 特別是近年來在土木工程等領域，有許多人大力探討使用光纖感測系統來實現智 慧型土木結構的可行性，也為智慧型光纖光柵應變感測系統的發展注入了強烈的 驅動力。智慧型土木結構科技的發展趨勢，主要是把光纖光柵感測器埋入或黏貼 在結構物中，藉以監測結構體的應變行為。
這種方法對於監測結構體的狀態與老化的進展非常有用，例如橋梁、公路、 水壩、管線、隧道及房屋結構等，都可以在建造時就埋入或者在表面上黏貼光纖 光柵感測器，以作自我監測。最近研究人員已開發出智慧型土木工程系統，例如 交通大學的研究團隊是把光纖感測器埋放在土木結構中。此外，研究人員發現一 般的光纖感測系統已無法因應現今的大型土木工程結構，因此開發遠距離高容量 的光纖光柵感測系統，是目前亟待解決的問題。
貳 ● 正文 • 光纖感測器是利用光纖，將光源所產生的光波導引至待測區，待測區中物理量， 如應力／應變、溫度、折射率…等的變化將造成光波特性的變化，分析光波特性 的改變，即可推得待測區中物理量之變化。由於光纖具有徑細質輕、高頻寬、不 受電磁場干擾、同一光纖多點量測等優點，光纖目前已有廣泛應用於航太、醫學、 化學…等各領域，至於工程量測，也有在航太結構的研究，嘗試將光纖埋入機身 各部，形成可即時監控的智慧型結構，以增加航空器飛行的安全，或是將光纖鑲 埋在橋樑及建築結構體中，作為即時的安全監控系統。
1.光纖的基本構造 • 光纖的基本構造如圖一所示，光纖本質上是一軸對稱圓柱結構的光波導（optical waveguide），由軸心往徑向，大致上可依折射率的不同分成纖核（core）、纖殼（cladding）及外面作為保護的纖衣（coating）三層。 圖一.光纖之構造
其中纖核的直徑，依光纖 種類的不同，約略為 8～62.5 μm，而纖殼大小的範圍則在 100～200μm 間。事實 上，纖核和纖殼為光纖傳遞光線的基本要件。但為能應用於各種不同的嚴苛環境 中，故光纖一般除了在纖殼外層塗佈上約 200～1000μm 不等的聚合物（polymer） 材質作為保護外，最後再使用尼龍製成的外皮包覆做成商用光纖，或依使用上的 需求，將八、十六甚至三十二蕊的光纖製成光纜。
根據司乃耳定律（Snell‘s law）：光由第一種介質進入第二種介質時，方向會 • 發生改變，如圖二所示，且滿足下式： • 其中 θ1 為入射角，θ2 為折射角，n1,n2 分別為第一種介質與第二種媒質的折射 • 率。折射率大的稱為光密介質，折射率小的稱為光疏介質。由圖二中可以看出，
根據司乃耳定律（Snell's law）：光由第一種介質進入第二種介質時，方向會發生改變，如圖二所示，且滿足下式： • 其中 θ1 為入射角，θ2 為折射角，n1,n2 分別為第一種介質與第二種媒質的折射率。折射率大的稱為光密介質，折射率小的稱為光疏介質。由圖二中可以看出，
當 n1>n2 時，隨著入射角 θ1 的增大，折射角 θ2 也越來越大，當 θ2=90°時，光線不再進入第二種介質，光能量全部返回第一種介質，這種現象稱為全反射。 • 光纖作為光波導，即藉由纖核和纖殼折射率的差異（纖核 n1 的折射率略大於 纖殼 n2），使得由光纖端面入射的光能夠在纖核和纖殼的交界面上不斷進行全反射而向前傳播。
1.玻璃光纖（glass fiber） • 由純化的二氧化矽（SiO2）添加二氧化鍺（GeO2）或氟（F）製作的即為石 英系玻璃光纖，其中摻雜鍺（Ge）、鈉（Na）、鎂（Mg）及鋰（Li）等成分的 多成分玻璃光纖是目前最佳的光波導材質，由於具有良好的機械性質、容易加工 以及優良的傳輸特性（如低損失、頻帶寬及低色散等），為目前應用最廣及使用率最高的種類
2.塑膠光纖（plastic optical fiber） • 塑膠光纖核的材質主要是由聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate； PMMA）所構成，而纖殼的構成則是以氟聚合物為主。塑膠光纖雖然具有低成本 且製作容易的優點，但是發展尚未如玻璃光纖般成熟，且仍有損失較大、機械性 較差等缺點，故尚未能被普遍使用。
3.其他新材質光纖 • 為了某些特殊之應用或是進一步改良光纖之特性，各種新材質的光纖陸續的 被發展出來，如結合玻璃與塑膠材質所製作的光纖、以氟化物玻璃所作的中紅外 線光纖以及含鉻（Cr）離子摻雜紅寶石為材質的光纖等，另一方面，也有利用內 部形狀構成的 photonic crystal 光波導。
1.依不同的調變機制，光纖感測器可分成很多類型。然而這些不同的類型， 如依感測調變作用發生的地點劃分，則可簡單地分成三大類，分別是：「非本質 型」(Extrinsic)；「本質型」(Intrinsic)和介乎這兩者間的 Evanescent 型。
2.所謂「非本質型」或 Extrinsic 感測方式，是指光波被光纖導引至待測區後， 暫時離開光纖，被外在環境調制，然後再耦合進光纖中，傳遞至訊號處理儀器， 進行解讀。換言之，光纖的角色僅為訊號傳輸線，不參與感測作用。前述的吸收 損失調變、色散調變、散射調變及螢光調變等牽涉到光強度的調變機制，常使用 非本質型的感測方式。
3.Evanescent 型感測器是利用光纖受到環境的影響而導致在其內傳輸的光能 量逸出或損失，從而推導該待測環境參數，在此型感測器雖與非本質型感測器同 樣牽涉到光能量離開光纖，但調變機制在光纖內發生，逸出光纖的光能量不再導 入光纖，光纖的角色不僅為訊號傳輸線，同時也是感測元件。上述幾何形狀的彎 曲調變及環境折射率調變等即為此型感測器常用的調變方式。
4.在「本質型」或 Intrinsic 感測器中，光波基本不離開光纖，外在環境的改 • 變造成光纖內部特性的改變，從而影響光波的某些特性（如波長）；上述干涉／ • 相位調變與波長調變等即為此型感測器常用的調變方式。
1.傳統感測器一般採用應變計、電容、電感或壓電材料等作為調變機制或感 測元件。這些傳統的方法，基本都牽涉到電壓或電流的量測，所以很容易被電磁 雜訊及磁場干擾。光纖感應器則較不受電磁雜訊及磁場干擾，對於游離輻射的影 響，也可以經輻射處理而避免，故適用於嚴格的環境，如核電廠中應用。
2.光纖徑細質輕，又同一光纖可同時作為感測器與訊號傳導線，整體體積往 往較傳統感測器加上導線小，故能夠被置於如細小或不容易到達的區域。另一方 面，光纖感測器以光作為激發、傳輸介質，不像傳統感測器使用電流、電壓，故 無處觸電的危險，頗為適合醫療上的量測。玻璃光纖又與高分子材料有不錯的相 容性，不會造成脫層，適宜埋入高分子基複合材料中，以進行複合材料結構內部 完整性及溫度等之監測與分析，這是應變計或壓電感測器所無法做到的。
3.光纖材料不怕腐蝕，適於深海工程及具化學腐蝕的環境，也因此具有良好的生物相容性。3.光纖材料不怕腐蝕，適於深海工程及具化學腐蝕的環境，也因此具有良好的生物相容性。 • 玻璃光纖耐溫性比金屬應變計佳，長期之穩定性以及疲勞壽命均較電阻式應變計高，適合作為長期監測。
4.因光纖本來即用在長距離通訊，因此光纖感測器相關技術很容易進行長距 離的遙測。此外，光通訊的分波多工技術也有助於同一光纖中作多點的量測，目 前也已有此方面之研究在開展。
5.光纖感測器雖有各種優於傳統感測器的特性，但較為脆弱，不如傳統感測器強韌（robust）。且因其較為細小脆弱，裝置較為不方便。另一方面，用作製造 光纖感測器的設備及讀取訊號的儀器價錢通常都相當昂貴。最後也是最重要的缺 點是光纖感測器很多時候均對不只一個環境物理量敏感，例如光纖光柵便同時受 溫度與應變影響而產生特徵波長的漂移，如何分離兩種物理量便成為重要的課 題。
目前在光纖感測器的應用方面有：土木結構如橋樑及建築結構體安全監測、航太結構量測、核電廠管路、石油開採機具、帆船船桅、軌道工程及腐蝕感測等。目前在光纖感測器的應用方面有：土木結構如橋樑及建築結構體安全監測、航太結構量測、核電廠管路、石油開採機具、帆船船桅、軌道工程及腐蝕感測等。 • 國外曾使用在海上鑽油台之豎管（riser），豎管之功用為注入水及導出油氣， 豎管必須從油井底部通到地面的鑽油平台，傳統之豎管為鋼製，重量相當可觀， 為節省重量，有嘗試研發以高分子複合材料製造，並使用光纖光柵感測器以掌握 其受力/變形情形，監測其結構的完整性。此外，工業界也在討論在輸油管上應 用光纖光柵監測其完整性及腐蝕的問題。
光纖感測器應用在結構完整性的監測仍未十分普及，其中一個重要原因是訊 號的擷取，解讀等相關技術，與實務應用的需求仍存在一定的距離，值得選擇適 當的項目投入研究，以趕上國際應用技術。例如混凝土或橋樑結構在受到撞擊或 振動災害後，其內部可能出現龜裂，如能加以監測，則可提高結構的可靠度。又 例如複合材料所製造的構件，如能利用鑲埋在內部的光纖感測器隨時監測其完整 性或健康狀況，即可大幅提高該等結構的安全性。
