TWI388808B - 光纖量測裝置 - Google Patents

Description

光纖量測裝置

本發明係關於一種光纖量測裝置，尤其是一種用以量測動態物件之相關參數的光纖量測裝置。

隨著科技日新月異，利用光纖進行一待測物件的物理量(例如：應變或溫度)的測量技術已逐漸成熟。一般而言，若欲量測該待測物件之應變量，係讓一短週期布拉格光纖光柵之二端分別與一光源及一輸出單元相連接，其中該短週期布拉格光纖光柵設置於該待測物件上；由於該待測物件自身的應變量會連帶該短週期布拉格光纖光柵相對產生應變，使得該短週期布拉格光纖光柵之反射中心波長會隨著該應變量改變而飄移，藉此可透過該輸出單元偵測該反射中心波長的波長差，進而推導出該待測物件應變量的變化。

然而，前述習知光纖量測方式僅適合用以對處於靜止狀態下之待測物件進行量測，其並未針對處於運動狀態下之待測物件設置任何其他輔助量測構件，因此無法用以量測該待測物件之其他物理參數，導致習知光纖量測方式的應用領域受到侷限。

為了克服前述習知光纖量測方式的缺點，請參照第1圖所示，係中華民國公告第I283376號「應用光纖位移計之道路超速超載監測系統及方法」發明專利，該發明揭露一種光纖量測裝置9，其包含一基座91、一懸臂92、一探測桿93、一彈性元件94及一光纖95，該懸臂92設置於該基座91內，且具有一固定段921及一自由段922，該懸臂92之固定段921固設於該基座91上，該自由段922則水平延伸形成懸空狀；該探測桿93之二端分別為一頭端931及一抵接端932，該頭端931凸伸出該基座91外，該抵接端932則抵靠於該懸臂92之自由段922上。該彈性元件94之一端抵靠於該探測桿93之頭端931，另一端則抵靠於該基座91之頂部，該彈性元件94選自一彈簧。該光纖95設有一感測段951，該感測段951具有用來感測該懸臂92之光纖光柵。

當該探測桿93之頭端931受外力施壓而連動該抵接端932抵靠該自由端922時，係同時迫使該懸臂92向下產生彎折形變，此時藉由量測通過該感測段951之光訊號的中心波長偏移量，進一步推導出外力值的大小，藉此習知光纖量測裝置9係可應用於監測行駛於道路上之車輛的車速及車重。

然而，前述習知光纖量測裝置9必須透過該探測桿93及懸臂92的連動方可使該光纖95之感測段951產生彎折形變，其連動的必要構件過多，容易影響量測上的精確度及造成組裝的不便利性，同時也導致製作成本過高；再者，習知光纖量測裝置9無法針對量測需求調整量測靈敏度，亦導致使用便利性的低落。基於上述原因，前述習知光纖量測裝置確實有加以改善之必要。

本發明係提供一種光纖量測裝置，主要係利用簡單構件即可達到量測動態物件之相關參數的目的，藉此降低製作成本，為主要之發明目的。

本發明係提供一種光纖量測裝置，主要係可依量測需求調整量測靈敏度，以提升使用便利性，為次要之發明目的。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種光纖量測裝置，包含一承載單元、一彈性體、一光纖光柵單元、一輸入光源及一輸出單元。該承載單元一載板及至少一彈性元件，該彈性元件一端抵撐該載板之側面，另一端則抵靠於一支撐平面上。該彈性體為一半弧形彈性體，且該彈性體設有一受力部及二滑動端部，該二滑動端部設置於該彈性體之二端，且該受力部位於該二滑動端部之間。該光纖光柵單元具有一感測段，該感測段之二端分別為一第一端點及一第二端點，該第一端點及第二端點分別固定於該彈性體上，且該第一端點及第二端點在水平方向上分別位於該受力部的不同側。該輸入光源連接該光纖光柵單元之一端，用以提供一寬頻光；該輸出單元則連接該光纖光柵單元之另一端，且較佳選擇為一光電訊號轉換器。

其中，該彈性體設置於該載板及支撐平面之間，該彈性體之受力部抵靠於該載板，該彈性體之二滑動端部則可滑動的抵靠於該支撐平面上，當一外力施加於該載板時，該載板係迫使抵靠於該載板底面之彈性元件及彈性體產生變形，並帶動該二滑動端部沿著該支撐平面朝相反方向水平位移，藉此造成該光纖光柵單元產生拉伸形變，以便透過該光纖光柵單元之中心波長的調變測得施壓力值的大小。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第2圖所示，本發明較佳實施例之光纖量測裝置係包含一承載單元1、一彈性體2、一光纖光柵單元3、一輸入光源4及一輸出單元5；該承載單元1及彈性體2設置於一支撐平面P上，且該彈性體2位於該承載單元1與該支撐平面P之間。該光纖光柵單元3固定於該彈性體2上，且該光纖光柵單元3之一端連接該輸入光源4。另一端則連接該輸出單元5。

更詳言之，該承載單元1包括一載板11及至少一彈性元件12，該載板11較佳係選自一平面板體，該彈性元件12設置於該載板11與該支撐平面P之間，其一端抵靠於該載板11之一側面(底面)，另一端則抵靠於該支撐平面P上；其中，在實際使用上較佳係依照該載板11所欲承受之外力值大小選用具有適當彈性係數的彈性元件12，以避免該彈性體2直接承受過大負荷而形成永久變形，同時亦可使外力的分布較為均勻，進而達到精確量測的目的。另外，該支撐平面P可為任何具有平坦表面之物件，且該平坦表面較佳為光滑或低摩擦係數的表面(例如：金屬物件之表面等)，以減少該彈性體2與該支撐平面P之間的摩擦力，避免摩擦力影響到量測精確度。

本實施例之彈性體2選擇為半弧形之板片彈簧，或者亦可選擇為具有彈性恢復力之其他形狀物件(例如：L形金屬彈片等)。該彈性體2設有一受力部21及二滑動端部22，該受力部21設置於該半弧形彈性體2的弧形部位上，且位於該二滑動端部22之間，該受力部21係抵靠於該載板11之一側面(底面)。該二滑動端部22分別為該彈性體2之二端部，且該二滑動端部22係可滑動的抵靠於該支撐平面P上。又，本實施例之滑動端部22為了減少與該支撐平面P之間的摩擦力且能順利在該支撐平面P上滑動，故分別設有一滑動軸承6，或者該滑動端部22亦可選擇為任何與該支撐平面P間之接觸面積較小的構造型態(例如：弧狀端部等，如第4及5圖所示)。另外，該二滑動端部22在水平方向上分別位於該受力部21之不同側，且該受力部21到該任一滑動端部22之間的水平距離較佳係為相同。

本實施例之光纖光柵單元3較佳係選自一外力式長週期光纖光柵(CLPG)，該光纖光柵單元3具有一感測段31，該感測段31之二端分別為一第一端點311及一第二端點312，該第一端點311及第二端點312分別連接於該彈性體2上，且該第一端點311及第二端點312在水平方向上分別位於該受力部21之不同側，且該第一端點311及第二端點312距離該支撐平面P具有相等距離。又，該光纖光柵單元3之一端連接該輸入光源4，該輸入光源4較佳係選擇為可發射一寬頻光的發光元件，例如：發光二極體(LED)或雷射二極體等，以持續提供穩定且高功率及寬頻帶之光進行量測；該光纖光柵單元3之另一端則連接該輸出單元5，由於本發明考慮到所欲量測的相關參數可能為連續快速的高頻率物理參數(例如：振動次數或強度等)，故選擇該輸出單元5為一光電訊號轉換器(例如：光電二極體)，以便將光能量轉換為電壓或電流輸出訊號等方式輸出，使得輸出訊號得以在通過運算處理後能即時反映出對應數值於量測儀器上，避免訊號延遲的狀況發生。

請參照第2及3圖所示，本發明可適用在一定點位置上對處於運動狀態下之一動態待測物件進行所需參數的擷取，當一外力施加於該承載單元1之載板11時，該載板11會朝該支撐平面P的方向移動，迫使抵靠於該載板11底面之彈性元件12及彈性體2產生變形，該彈性體2受力變形時，該二滑動端部22會沿著該支撐平面P朝相反方向水平位移，如此會使該光纖光柵單元3之感測段31的長度被拉長(即該第一端點311及第二端點312之間的距離被拉大)，造成該光纖光柵單元3產生拉伸形變；由於該光纖光柵單元3之拉伸形變會造成柵間寬度改變，導致該光纖光柵單元3之穿透中心波長會產生飄移，且該光纖光柵單元3之穿透中心波長的飄移量與外力值之間具有一定的比例關係，故可透過飄移後與飄移前的波長差推導得知外力值的大小。

另外，由於本發明之彈性體2選擇為一半圓弧狀之板片彈簧，且該光纖光柵單元3之感測段31係透過該第一端點311與該第二端點312分別連接於該彈性體2上，因此若該感測段31設置的位置越靠近該二滑動端部22(如第2及3圖所示)，該第一端點311與該第二端點312越能立即反映各該滑動端部22的位移量，使該感測段31即刻被拉伸而產生調變，進一步推導出外力值。反之，若該感測段31設置的位置越遠離該二滑動端部22(即靠近該載板11，如第4及5圖所示)，該第一端點311與該第二端點312所反映出的位移總量與各該滑動端部22的實際位移量間之誤差就越大，例如：透過第2及3圖比對第4及5圖得知，在下壓高度相同的前提下，設置位置靠近該二滑動端部22的該感測段31之伸長量(L’-L)明顯大於設置位置遠離該二滑動端部22的該感測段31之伸長量(W’-W)，由此可知設置位置靠近該二滑動端部22的該感測段31所對應產生的伸長量較為接近實際該二滑動端部22的總滑動位移。據此，本發明可藉由控制該感測段31在該彈性體2上的設置位置，進而調整量測的靈敏度，提升使用便利性。

請參照第6圖所示，本實施例係應用本發明於道路車輛的監控上，係將本發明的各構件將對舖設於一路面F，並使該承載單元1之載板11與該路面F齊平；當一車輛T通過該載板11上方時，該車輛T的自身車重會迫使該載板11朝下抵推該彈性元件12及彈性體2，此時該彈性體2係受壓變形而使得該光纖光柵單元3之穿透中心波長產生調變，該輸出單元5係將該光纖光柵單元3之光訊號轉換成電壓或電流訊號輸出，並經由該量測儀器依照該光訊號的調變量推導出該車輛T的重量。另外，本發明除了用以偵測該車輛T之車重外，亦可同時計算通過該路面F之車輛總數，或經由該車輛T之前輪及後輪通過該載板11的時間差推算該車輛T的行駛速度等。此外，本發明除了應用於上述道路車輛的監控外，亦可應用於其他量測領域，而並不受本實施樣態所侷限。

又，本發明之光纖光柵單元3特別選擇為該外力式長週期光纖光柵(CLPG)，利用該外力式長週期光纖光柵的穿透中心波長較為穩定的特性，而不需額外配置一光耦合器或其他光纖光柵，以便簡化構件複雜度，並降低製作成本。然而，該光纖光柵單元3亦可選擇為其他光纖光柵的組成，例如：經由該光耦合器分別連接一布拉格光纖光柵(FBG)及一長週期光纖光柵(LPG)或其他光纖光柵組成等，而並不侷限於該外力式長週期光纖光柵。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

1．．．承載單元

11．．．載板

12．．．彈性元件

2．．．彈性體

21．．．受力部

22．．．滑動端部

3．．．光纖光柵單元

31．．．感測段

311．．．第一端點

312．．．第二端點

4．．．輸入光源

5．．．輸出單元

6．．．滑動軸承

F．．．路面

P．．．支撐平面

L．．．感測段的長度

L’．．．感測段的長度T車輛

W．．．感測段的長度

W’．．．感測段的長度

[習知]

9．．．光纖量測裝置

91．．．基座

92．．．懸臂

921．．．固定段

922．．．自由段

93．．．探測桿

931．．．頭端

932．．．抵接端

94‧‧‧彈性元件

95‧‧‧光纖

951‧‧‧感測段

第1圖：習知光纖量測裝置之組合剖視圖。

第2圖：本發明較佳實施例之光纖量測裝置之組合剖視及未受外力抵壓之示意圖。

第3圖：本發明較佳實施例之光纖量測裝置受外力抵壓之組合剖視及作動示意圖。

第4圖：本發明較佳實施例之光纖量測裝置調整為低靈敏度狀態之組合剖視及未受外力抵壓之示意圖。

第5圖：本發明較佳實施例之光纖量測裝置調整為低靈敏度狀態且受外力抵壓之組合剖視及作動示意圖。

第6圖：本發明較佳實施例之光纖量測裝置應用於道路車輛監控之示意圖。

1．．．承載單元

11．．．載板

12．．．彈性元件

2．．．彈性體

21．．．受力部

22．．．滑動端部

3．．．光纖光柵單元

31．．．感測段

311．．．第一端點

312．．．第二端點

4．．．輸入光源

5．．．輸出單元

6．．．滑動軸承

P．．．支撐平面

L．．．感測段的長度

L’．．．感測段的長度

Claims (10)

1. 一種光纖量測裝置，包含：一承載單元，其包含一載板及至少一彈性元件，該彈性元件一端抵撐該載板之側面，另一端則抵靠於一支撐平面上；一彈性體，其係為一半弧形彈性體，該彈性體設有一受力部及二滑動端部，該二滑動端部設置於該彈性體之二端，且該受力部位於該二滑動端部之間；一光纖光柵單元，具有可拉伸變形的一感測段，該感測段之二端分別為一第一端點及一第二端點，該第一端點及第二端點分別固定於該彈性體上；一輸入光源，其連接該光纖光柵單元之一端；及一輸出單元，其連接該光纖光柵單元之另一端，且該輸出單元為一光電訊號轉換器；其中，該彈性體設置於該載板及支撐平面之間，該彈性體之受力部抵靠於該載板，該彈性體之滑動端部則可滑動的抵靠於該支撐平面上，在該受力部受到該載板施壓時，該二滑動端部係沿著該支撐平面朝相反方向滑動並拉伸該光纖光柵單元產生形變。
2. 依申請專利範圍第1項所述之光纖量測裝置，其中該感測段之第一端點及第二端點在水平方向上分別位於該受力部的不同側。
3. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中該第一端點及第二端點距離該支撐平面具有相等距離。
4. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中該受力部到該任一滑動端部之間的水平距離相同。
5. 依申請專利範圍第3項所述之光纖量測裝置，其中該受力部到該任一滑動端部之間的水平距離相同。
6. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中該滑動端部為一弧狀端部。
7. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中各該滑動端部分別設有一滑動軸承。
8. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中該輸入光源係為一發光二極體或一雷射二極體。
9. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中該輸出單元為一光電二極體。
10. 依申請專利範圍第1或2項所述之光纖量測裝置，其中該光纖光柵單元為外力式長週期光纖光柵(CLPG)。