TW201627637A - 自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構 - Google Patents

Abstract

本發明光纖感測彈簧是由較長的圓筒形拉張螺旋彈簧串聯較短圓筒形壓縮螺旋彈簧，再串聯較長的圓筒形拉張螺旋彈簧，所組成內外徑相同的彈簧，且內置己製成有一段長光纖光柵的一條單模態光纖。其中有光柵的一段長光纖被己壓縮至預設標距長度的圓筒形壓縮螺旋彈簧兩端固定後釋放施力，以達到作為預設此感測元件最大容許壓縮應變量的預拉方法和製造技術。此可創造出一種符合標準化0.9mm外徑，全長以彈簧材料被覆的全彈簧外被覆保護層及形成彈性伸長的彈性域內，線形應力應變關係的自體預拉光纖感測彈簧結構。

Description

自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構

本發明係有關於一種光纖感測彈簧作為物理特性之應變量預設及量測應變裝置的技術，且更具體而言，係直接預設應變感應範圍值在感測元件作用力的軸向應力感測區，以精確量測應變的技術。

習知以光纖製成光纖光柵(Fiber Grating)作為光纖感測功能，可以依各種不同量測點特性、形狀、用途及目的等做成各種結構，組成優良的應變感測元件，並以外接光波長掃描儀精確測出應變數值。光纖光柵又稱為光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating FBG)可做為光纖光柵感測器，以下簡稱FBG。FBG是利用同調雷射在光纖上曝光，以造成被照射段光纖核心(CORE)折射率永久改變，並成為該段折射率具有明暗週期性條紋間距Λ的光纖，稱為光纖光柵，又稱為光纖布拉格光柵。製造方法如圖1-1，圖1-2，圖1-3及圖1-4所示。先將圖1-1一般單模態光纖剖面圖，其外徑125μm裸光纖有塑膠或樹脂被覆成外徑250μm光纖，101 為125μm裸光纖外環樹脂被覆部區域。圖1-2為去除125μm裸光纖外被覆樹脂準備製造光柵。圖1-3為無外被覆樹脂的125μm裸光纖完成光纖光柵，102為光纖核心，103為光纖核心該段折射率具有明暗週期性條紋間距Λ的光纖光柵。圖1-4為完成光纖光柵125μm裸光纖區域再外被覆樹脂，製成外徑250μm的光纖光柵，104為250μm的再外被覆樹脂。

因FBG是利用布拉格繞射(Bragg Diffraction)所產生的回授作用，將滿足布拉格條件(Bragg condition)特定波長稱為回授布拉格波長λ_B，其與射入方向相反地方向，反射回到射出光波的掃描儀器來分析，以量測接收波長是否增減。此回授布拉格波長λ_B，以下式表示：λ_B=2nΛ (1)Λ為布拉格光柵週期長，n為光纖有效折射率，當光纖光柵受到外力產生應變時，造成原本Λ間距的改變量為△Λ，代入式(1)可得△λ_B=2n△Λ (2)

依應變ε定義，設1為受力体標距長度，△1為受力變化長度ε=△1/1=△Λ/Λ (3)

可得△1=(△Λ/Λ)1=(△λ_B/2n)/(λ_B/2n)1

因此ε=△1/1=△λ_B/λ_B (4)

故應力施加於1長光纖段長所產生△1應變長的微變長度，其反射回來的布拉格波長λ_B變化量為△λ_B。在光發射即回授反射端可接收到λ_B有△λ_B的波長飄移量。反過來說，若對光纖感測元件施力而收到△λ_B波長飄移，表示光纖感測元件拉長變化量為△1長。此可衡量光纖感測元件結構以標距長1，並聯固定於被測結構物體上所接受的施力，在工程應變所測得的變形量ε是否超限；如果超限值大於工程結構可承受值即可發出斷裂預警信號。但因布拉格光纖光柵物理特性會受溫度變化影響而△λ_B的波長飄移量也會受到影響，因此利用FBG做感測裝置時，常會以多感測裝置並置或近距離串接以取得溫度變化參考值，並做溫度補償修正精確度。或在內置在光纖感測元件內的光纖光柵，使用啁啾布拉格光纖光柵(Chirped Fiber Grating CFG)結構，以長短兩波長的消除色散效應方法克服單一感測元件正確度，而不受溫度影響。

當光纖製成光纖光柵作光纖感測，組成各種不同量測點特性、形狀、用途及目的等功能的結構，以標距長L，並聯固定於被測結構物體上所接受的施力，在工程應變所測得的變形量ε時，各種習知結構有唯一共同點：就是必須預拉至某一微應變量(Micro-strain)，例如-2500μs，以作為固定在感測位置後，成為將來容許的可被壓縮量。否則；沒被預拉的FBG，容易產生應變遲滯而失準確性。為了使光纖光柵可拉至測量的起始點波長，同時達到光纖光柵可被量測的容許最低應變值的目的。在工程實施技術上，不可能將正常使用狀況的巨大被測体模擬壓縮後再固定光 纖光柵，然後再釋放壓縮回復至正常狀況以開始量測。因此將光纖光柵預拉以先取得量測區域的可被壓縮容許量，是各種習知結構一致的共同點。

上述將光纖光柵預拉以先取得量測區域的可被壓縮容許量的製程或方法，主要是在一條己製成光纖光柵FBG兩端中的一端先固定在被測体標距長L的一起算點上；再從光纖光柵另一端施力拉長至所設定被壓縮容許應變量時的波長後，固定此被測体標距長的另一終止點。則標距長兩固定點的光纖光柵己被預拉，亦即相等於預先在被測体上形成未來最高被壓縮容許量的製程作業技術。此項一條光纖光柵簡單的預拉製程作業常因實施在不同被測体結構上，為了達到同一預計最高被壓縮容許量的目的(例如-2500μs)，就發展出許多不同的預拉方法或使用許多不同的預拉工具或零件等作業，使FBG單純的預拉變得更複雜化。這些複雜製程作業成本相當高；有必要標準化及簡化，以降低成本且獲得更精確的預拉量。此為習知FBG必須預拉；但卻沒有標準而簡單的預拉載體，是時至今日的FBG無法成為標準化光纖感測元件的第一項缺點。

又習知在一條單模態光纖上製成一條光纖光柵FBG後，其結構通常是原本的一條外徑0.125毫米(125μm)裸光纖光柵而己，容易折斷或經不起側壓。因此常以亞克力或樹脂被覆保護成為一條外徑0.25毫米(250μm)的光纖，FBG及外接出光纖其亦很容易被外力破壞，如圖2習知固定於被測結構的光纖光柵感測元件 所示。其中201為125μm裸光纖光柵，202為樹脂被覆保護層，203為125μm光纖核心有光柵FBG區域，204為樹脂再被覆保護層，205為0.9mm外徑的PE外被覆材料層，206為光纖光柵固定座或固定膠，207為光纖光柵載体或被測物結構。習用的保護FBG方法是只在光纖光柵之外再加上一層0.9mm外徑的PE外被覆材料。而為了提高約10mm段長光纖光柵應變感度，方法一是此段在無0.9mm外徑的PE外被覆材料保護下，直接將光纖光柵兩端以206固定膠固定於207的被測物材料區域上；方法二是將光纖光柵兩端先固定於具有與被測結構相同或金屬材料上形成一感測元件。此與被測結構材料相同或與FBG結合的金屬材料稱為光纖光柵感測元件載体，如圖中207；再將此一感測元件兩端並聯固定於被測區域上，以具有直線型彈性限度內並聯量測方式，直接或間接取得應變感度正確性。因外被覆材料不跨越FBG感測光柵區，以避免外被覆材料因無法以具有彈性伸長的彈性域內(即彈性限度內)線性應變特性；而致超過塑膠被覆材料能承受抗張強度外的塑性變形缺點發生。而此裸露又沒外被保護的光纖光柵，如208區域為沒外被保護的光纖光柵區域，常是預拉製程作業或現場安裝及安裝後量測時容易造成破壞及斷裂的原因之一。因此沒外被保護的光纖光柵區域成為標準化光纖感測元件的第二項缺點。

現場作業環境中，沒外被保護的光纖光柵區域所接出250μm外徑被覆光纖，再連至外接兩端光纖十分纖細不易看清，容易被碰觸而致光功率受損或斷裂。光纖光柵區域外接兩端 光纖沒適當材料保護而受損或斷裂則成為標準化光纖感測元件的第三項缺點。因此，整合習知由單模態光纖及光纖光柵組合形成光纖感測線纜產品一次完成的製程構造，就必須從單模態光纖光纜被覆材料的技術跳脫創新出來，才能完美呈現同時符合光傳輸光纜線技術及標準化光纖感測元件的技術。

上述習知技術中上述三項缺點，可由本發明的一種光纖感測彈簧同時解決。本光纖感測彈簧結構如圖3-1及圖3-2所示，圖3-1為彈簧結構及光纖光柵未組合剖面圖；圖3-2為光纖感測彈簧結構剖面圖。圖3-3為光纖感測彈簧結構固定於被測結構剖面圖，將在實施例1說明。圖3-4為光纖感測彈簧結構立體剖面結構圖。本光纖感測彈簧結構所使用彈簧如圖3-1中之左圖所示，為一定長度環繞被覆保護其內置單模態光纖的圓筒形螺旋彈簧，此彈簧是由較長的圓筒形拉張螺旋彈簧301串聯較短圓筒形壓縮螺旋彈簧302，再串聯較長的圓筒形拉張螺旋彈簧303，且較短圓筒形拉張螺旋彈簧302介於兩較長的圓筒形拉張螺旋彈簧301和303之間所組成，d為螺旋彈簧素線直徑，D為螺旋彈簧平均螺旋直徑，α為螺距角；其中圓筒形壓縮螺旋彈簧的螺距角大於兩拉張螺旋彈簧的螺距角。實例常用中，301為0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧、302為0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧、303為0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧、201為125μm裸光纖光柵、202為250μm外徑樹 脂被覆保護層、203為125μm光纖核心有光柵FBG區域、204為250μm外徑樹脂再被覆保護層、205為0.9mm外徑的PE外被覆材料層、207為光纖光柵載体或被測物結構、208為沒外被保護的光纖光柵區域、304為光纖光柵引出光纖、308為上光纖與彈簧預拉固定連接環、309為下光纖與彈簧預拉固定連接環、310為上拉張螺旋彈簧錨定載体架(固膠或銲接點)、311為下拉張螺旋彈簧錨定載体架(固膠或銲接點)等。構成此光纖感測彈簧的彈簧是由環繞並保護FBG的圓筒形壓縮螺旋彈簧302；及從此圓筒形壓縮螺旋彈簧的兩端各自連(接且延伸)續製造或連接出去的圓筒形拉張螺旋彈簧301及303組成。上述的圓筒形壓縮螺旋彈簧302，具有同時保護其內FBG及先壓縮彈簧且以上光纖與彈簧預拉固定連接環308和下光纖與彈簧預拉固定連接環309來固定內置FBG光纖段長後再釋放施力，以達成預拉FBG作用。而其所接出的圓筒形拉張螺旋彈簧，以密著彈簧具有預張力形成堅硬但又軟性可彎曲功能保護FBG兩端延續接至感測元件外部的內接光纖。此其所接出的圓筒形拉張螺旋彈簧不但比傳統PVC或PE外殼更堅硬；且又具備更柔軟的可彎曲撓度。

習知彈簧利用彈性材料線形彈性伸長彈性域內的機械特性，成功地作計測機械功能己有數百年歷史之久。其中尤以圓筒螺旋彈簧視同線型的彈簧特性，為各種彈簧中被廣泛使用至今者。由於彈簧對其施以應力的荷重P，所產生的應變變形δ，由圖4荷重與變形的關係，可以式1表示： P=kδ (5)

k=P/δ (6)

P為對彈簧所施荷重，δ為彈性限度內變形，正比例常數k為彈簧單位變形所需荷重稱為彈簧常數。此關係亦符合任一具有彈性限度內，工程應力與應變關係中的彈性模數(modulus of elasticity)E，或稱為楊氏模數(Young’s modulus)的物理特性。彈性模數是應力-應變曲線在彈性區內的斜率，此種關係稱之為虎克定律(Hooke’s law)。在研究工程應力與應變關係上，設σ為工程應力，ε為工程應變，並以式7表示如下：E=σ/ε (7)

σ為工程應力，比例如上式1之對彈簧所施荷重P，ε為工程應變，比例如上式1彈性限度內變形δ。因此式1用於彈簧之彈簧常數k亦如工程應用之彈性模數E，為彈簧歷史上機械工程所使用最頻繁虎克定律的楊氏模數。因此彈簧在彈性限度內的變形量，十分適合做為精密量測材料或結構物的健康監測(Structure Health Monitering SHM)。尤其內置一光波波長變化可數位化量測的光纖布拉格光柵FBG，即可組合成為本發明光纖感測彈簧。本光纖感測彈簧可以設計適當彈簧常數的組合並聯內置彈性模數的光纖光柵，不但能以外包圓筒螺旋彈簧保護內置脆弱的光纖；又可以其具有自然的虎克定律彈性模數做彈性限度內的應變值測量。

本發明是利用在一圓筒形拉張螺旋彈簧與壓縮螺旋彈簧組成的彈簧內置一FBG而形成光纖感測彈簧如圖3-2的結構 來量測彈性伸長彈性域內的彈性應力與應變關係，以結構健康監測SHM的檢測技術。本光纖感測彈簧利用FBG感測彈簧增長或變短相對應變量的工作原理如下：由於彈簧具有對其施以應力的荷重P，所產生的彈性限度內變形如式(6)的應變δ，符合將彈簧並聯其內光纖的平行施力，可由光纖光柵在式(4)中應變ε，即ε=△1/1=△λ_B/λ_B中波長變化△λ_B量測出來。故應力施加於1長光纖段長所產生△1應變長的微變長度，其反射回來的布拉格波長λ_B變化量為△λ_B。在光發射即回授反射端可接收到λ_B有△λ_B的波長飄移量。反過來說，若對光纖感測彈簧組施力而收到△λ_B波長飄移，表示彈簧拉長變化量為△1長。此可衡量光纖感測彈簧組以標距長1，並聯固定於被測結構物體上所接受的施力，在工程應變所測得的變形量ε是否超限；如果超限值大於工程結構可承受值即可發出斷裂預警信號。但因布拉格光纖光柵物理特性會受溫度變化影響而△λ_B的波長飄移量也會受到影響，因此利用FBG做感測裝置時，常會以多感測裝置並置或近距離串接以取得溫度變化參考值，並做溫度補償修正精確度；此在實施例2中說明。

式(4)應變ε可由內置在上述的圓筒形壓縮螺旋彈簧內的FBG兩固定端點的標距長1的變化量△1來計算出來；但因兩固定端點的標距長變化量很難以機械式量尺看出來。又因變化量太小了，才只有幾微米，肉眼無法分辨。本發明利用式(4)後面的波長變化量可等比例測出並計算出來的方法，此由圓筒形壓縮螺旋彈簧內的FBG兩固定端點的標距長變化量△1，可以由光波射入 FBG反射回來波長變化計算出來。此利用光發射後可接收到△λ_B的波長飄移量，來創造一種利用彈簧彈性特性做光波級數精密量測材料應變的新技術。其進步性在於創造一圓筒形拉張螺旋彈簧與壓縮螺旋彈簧所組成的彈簧結構，以內置一FBG於壓縮螺旋彈簧軸心，先壓縮彈簧固定其內FBG標距長後，再釋放被壓縮螺旋彈簧以達到光纖光柵被預拉作用。因其符合彈性伸長彈性域內的彈性模數技術，實施虎克定律以直線關係完成預拉值設定目的。因此，本壓縮彈簧不但可以固定內置FBG後再釋放施力的預拉FBG作用；同時又可以壓縮螺旋彈簧形成堅硬如鋼殼自身保護穿過其內脆弱FBG光纖目的。

上述圓筒形壓縮螺旋彈簧內的光纖光柵兩固定端點的標距長，先被壓縮再釋放彈簧達到光纖光柵被預拉的作用力P和其受力變形的彈簧撓度δ關係，可以下式表示：δ=(8nD³/Gd⁴)P (8)

d為不銹鋼素線直徑

D為平均螺旋直徑

G為橫彈性係數

n為有效圈數其中可設一彈簧指數為c，c=D/d，則式(8)可以下式表示：δ=(8nc³/Gd)P (9) =(8nc⁴/GD)P (10)c=D/d的彈簧指數可以做為彈簧尺寸結構選擇，以設計各種符合 彈簧外徑、彈簧內徑、彈簧有效圈數、預拉力或最大容許壓縮應力的彈簧。G所代表的橫彈性係數，是使材料產生單位剪斷應變所需之應力，為一種取決於材料特性的常數，同尺寸彈簧的撓度反比於材料的G值。

另一和上述壓縮螺旋彈簧共同保護內置光纖光柵，且由此光纖光柵兩端接出光纖的外被覆密著性拉張螺旋彈簧，也具有獨特的新穎性和技術使用進步性。其新穎性在首先以此拉張螺旋彈簧所具有的初張力保護內置光纖，形成以壓縮螺旋彈簧和拉張螺旋彈簧共同組合的全彈簧被覆的光纖感測彈簧元件。

上述拉張螺旋彈簧的製造，在冷間成形時，所產生獨特的初張力最異於壓縮螺旋彈簧。拉張螺旋彈簧的計算，大部分彈簧的拉張荷重作用在螺旋的軸心上。因此，計算荷重-撓度，荷重-應力等關係的基本公式與上列壓縮彈簧完全相同。通常拉張螺旋彈簧無荷重時，各螺旋間沒有間隙而形成密著無間隙的彈簧，是本發明利用其保護內置光纖的堅固且又比任何塑膠被覆更可柔軟彎曲的金屬外殼。由於在冷間成形密著無間隙的拉張彈簧，具有圖5荷重與撓度關係圖所示的彈簧特性，荷重P達到某P₀之前，拉張彈簧幾乎不變形，其所加外力消耗於與螺旋成形時所生成的殘留壓縮應力的平衡上，此界限值P₀稱為初張力。當荷重P大於Po後才有撓度δ的增加變化。通常鋼線時的初張力宜選自實驗值如圖6初應力與初張力關係圖中二線區間的範圍，其可用下式計算初張力Po： Po=(π d³/8D)τ_O (11)

當選擇不同材料做柔軟度或其他特性考量時，例如選不銹鋼線材時，其初張力比圖中鋼材減少15%，考慮電導特性選磷青銅線或黃銅材料時減少50%。

此初張力即本發明所應用在保護內置光纖抵抗外力的保護抗拉斷力。因鋼線材被扭捲成密著式時，線不能再自由旋轉，所以被扭曲某種程度的成形，阻止彈簧軸線方向的彈性變形。產生無荷重時欲使螺旋互相密著的力，稱為初張力。本發明的進步性又在於創造一圓筒形拉張螺旋彈簧以初張力，將FBG所接出光纖加上密著性圓筒形拉張螺旋彈簧，如金屬堅硬但又柔軟可彎曲的外殼加以保護形成自體預拉及自被覆保護的光纖感測彈簧。

若在彈簧內置一FBG形成光纖感測彈簧，因內建FBG布拉格光柵的本感測彈簧裝置，本身為波導光學中一項重要的光電元件外；並可廣泛組合到光纖通信、量測儀器控制及量測連接應變和溫度等物理數據的感測應用。此一感測元件又可做為智能結構研發製造及應用的最基礎細胞元件。其優勢來自其體積小重量輕、材料強度高、幾何韌性強、光機能損失小、高速傳輸而有高頻寬、抗高溫與電磁干擾、在高輻射環境持續使用等惡劣環境時的穩定特性和耐用外，又符合單一光纖可同時串接同時多點量測應變物理量的精確分辨且又簡單的極大優點。相對於傳統習知其他應變計製造及安裝的複雜性比較下，本發明是屬於元件標準化一大進步的技術。

102‧‧‧光纖核心

103‧‧‧光纖核心該段折射率具有明暗週期性條紋間距Λ的光纖光柵

104‧‧‧250μm的再外被覆樹脂

201‧‧‧125μm裸光纖光柵

202‧‧‧250μm外徑樹脂被覆保護層

203‧‧‧125μm光纖核心有光柵區域

204‧‧‧250μm外徑樹脂再被覆保護層

205‧‧‧0.9mm外徑的PE外被覆材料層

206‧‧‧光纖光柵固定座或固定膠

207‧‧‧光纖光柵載体或被測物結構

208‧‧‧為沒外被保護的光纖光柵區域

301‧‧‧0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧

302‧‧‧0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧

303‧‧‧0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧

304‧‧‧光纖光柵引出光纖

308‧‧‧上光纖與彈簧預拉固定連接環

309‧‧‧下光纖與彈簧預拉固定連接環

310‧‧‧上拉張螺旋彈簧錨定載体架

311‧‧‧下拉張螺旋彈簧錨定載体架

312‧‧‧溫度補償上光纖與彈簧固定連接環

701‧‧‧兩光纖己剝除250μm樹脂被覆的125μm裸光纖熔接區

702‧‧‧熱縮保護套管

703‧‧‧熱縮套管內主強度保護棒

704‧‧‧0.9mm外徑塑膠被覆外套

705‧‧‧0.9mm外徑彈簧被覆外套

706‧‧‧光纖與彈簧固定連接環

707‧‧‧250μm樹脂被覆保護層

801‧‧‧感測彈簧載體錨釘

圖1-1 一般單模態光纖剖面圖

圖1-2 去除125μm裸光纖外被覆樹脂準備製造光柵

圖1-3 無外被覆樹脂的125μm裸光纖完成光纖光柵

圖1-4 完成光纖光柵125μm裸光纖區域再外被覆樹脂所製成外徑250μm的光纖光柵

圖2 習知固定於被測結構的光纖光柵感測元件

圖3-1 彈簧結構及光纖光柵末組合剖面圖

圖3-2 光纖感測彈簧結構剖面圖

圖3-3 光纖感測彈簧結構固定於被測結構剖面圖

圖3-4 光纖感測彈簧結構立體剖面結構圖

圖4 荷重與變形的關係

圖5 荷重與撓度關係圖所示的彈簧特性

圖6 初應力與初張力關係圖

圖7 0.9毫米彈簧被覆和0.9毫米的塑膠被覆的熱縮套管延長接續完成圖

圖8 實施例2溫度補償的光纖感測彈簧結構圖

實施例1：如圖3-3所示，將己預拉如圖3-2所示結構的光纖感測彈簧安裝至受測結構體上的實施例。本發明光纖感測 彈簧是以符合0.9mm外徑商用規格的全彈簧被覆長度保護其內光纖；及以被覆0.9mm外徑的壓縮螺旋彈簧302自預先壓縮來形成線性彈性域內應力應變關係的一種可調預拉光纖光柵結構。當預設標距長的壓縮彈簧302被預壓縮後固定其兩端的光纖與彈簧預拉固定連接環，亦即圖3-3上光纖與彈簧預拉固定連接環308部位及下光纖與彈簧預拉固定連接環309部位。當兩連接環以預定間距固定在壓縮彈簧軸內沒被壓縮的裸光纖201，再放開被壓縮彈簧而獲得預定的預先張力(等同習知在各型感測元件結構上的事先預拉FBG)。在設計此一壓縮彈簧特性時，如以光纖光柵預拉3nm波長位移量才可達到-2500μs預壓縮應變的需求目的計算。由於光纖光柵段長預拉3nm波長位移量依光纖光柵製成後的數據關係，每預拉1nm約需80公克施力，則壓縮彈簧需壓縮施力為240g(=0.24kg)，P=0.24kg。由彈簧軸荷重P所致彈簧的撓度δ可以式(8)計算出來。本例設以n為50圈，d=0.3mm，D=1mm，P=0.24kg，G以不銹鋼橫彈性係數7.5 x 10³kg/mm²，由公式(8)可得軸荷重P所致彈簧的撓度δ，δ=1.5mm。亦即以壓縮螺旋彈簧壓縮1.5mm，將緊鄰兩端的拉張彈簧兩密著座圈部位和內置的光纖以樹脂膠固化形成連接環或以金屬壓著形成連接環固定後，再放開預壓縮螺旋彈簧。則可以對內置光纖光柵施力而產生預拉3nm波長位移作用，以獲得約-2500μs預應變，來承受將來裝置在被測結構物上的最大容許壓縮應變量。實例上由壓縮螺旋彈簧302內之FBG203及緊鄰兩端連續接出的拉張彈簧301及303，其可延長接到下一光纖感測彈簧組內的光 纖，皆受到外殼堅固又可彎曲的光纖被覆彈簧保護。當彈簧其所內置光纖所接出的光纖，可熔接接續或以光纖連接頭接續。則FBG光纖光柵所外置0.9mm外徑壓縮螺旋彈簧及0.9mm緊鄰兩端連續接出的拉張彈簧，同時達到保護其內光纖功能。此雖與習知具有保護其內光纖功能的各種0.9mm塑膠PE、PVC或其它材料精織纖維相比，其進步性在本壓縮螺旋彈簧及緊鄰兩端連續接出的拉張彈簧不但具有可彎曲性更佳又更堅硬；更進步的是同時具有全長被覆性地保護作用下，更具備獨特的預拉作用以精簡化光纖感測元件製作及成本降低等優點。由於本發明全元件己縮小體積並己預拉的彈簧被覆光纖光柵，而可稱為全彈簧被覆光纖光柵。全元件可稱為全彈簧被覆光纖感測元件而裝置於各種特殊細微感測場合。

在圓筒形螺旋壓縮彈簧作為精密儀器用的彈簧時，常要求荷重與撓度的完全線性(Linear)比例關係的彈簧，亦即選用有效卷圈數比較少受因荷重的變化而變動的彈簧。例如選用長方形斷面的圓筒形螺旋彈簧，其平行彈簧軸的邊長至少為彈簧螺距的5/8、或在圓筒形圓形斷面螺旋彈簧的座圈焊接使無效螺旋不連續轉移成有效螺旋360⁰的接觸面，即如本發明的光纖和彈簧以樹脂膠固化形成連接環方法、或將管狀彈簧鋼銑削出螺旋溝的一種長方形斷面彈簧，成為線性彈性域優良的極度精密量測結構。選用長方形斷面的圓筒形螺旋彈簧來製成本發明的光纖感測彈簧是常用的一種方法。

實施例1中外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302兩端接出外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧301及303，也可以使用螺距角比302小的外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧，其中主要達到光纖光柵被預拉的壓縮螺旋彈簧不變；同樣可成為自體預拉及自被覆保護的光纖感測彈簧結構。

實施例1中由外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302兩端接出的外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧301及303，更可以使用螺距角和外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧302相同的全外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧，而成為全外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧結構的光纖感測彈簧。因其中主要達到光纖光柵被預拉的壓縮螺旋彈簧不變；且在兩端光纖與彈簧預拉固定連接環足夠緊緊固定光纖與彈簧，以達到如兩密著座圈部位堅固的條件下，同樣可成為自體預拉及自被覆保護的光纖感測彈簧結構。

習知0.9毫米的塑膠被覆的光纖可以和本發明自體預拉及自被覆保護的光纖感測彈簧所接出0.9毫米彈簧被覆的光纖熔接接續。圖7為0.9毫米彈簧被覆和0.9毫米的塑膠被覆的熱縮套管延長接續完成圖。圖中所示701為二光纖己剝除250μm樹脂被覆的125μm裸光纖熔接區，702為熱縮保護套管，703為熱縮套管內主強度保護棒，704為0.9mm外徑塑膠被覆外套，705為0.9mm外徑彈簧被覆外套，706為光纖與彈簧固定連接環，707為250μm樹脂被覆保護層。由圖7可知，任何兩條光纖熔接區都有250μm樹脂被覆保護層被剝除且都只剩下一小段125μm外徑裸光纖存在。因此必 須以較大面積熱縮套管套住，並且以其內保護棒固定來增加其接續強度。

實施例2：溫度補償的光纖感測彈簧結構。

前述因布拉格光纖光柵物理特性會受溫度變化而影響△λ_B的波長飄移量；溫度變化而引的波長飄移量常以△λ_BT表示，因此利用FBG做任何一種感測裝置時，常會以多個感測裝置並置或近距離串接以取得相同溫度變化所引起之相同△λ_BT的波長飄移量參考值，再將同溫度變化區域引的波長飄移量△λ_BT扣除，做溫度補償修正的功能。此實施例2溫度補償的光纖感測彈簧結構圖如圖8所示，圖示801為感測彈簧載體錨釘。圖中並列的兩組光纖感測彈簧是由圖3-2光纖感測彈簧固定在被測結構體207上所製成；不同的是兩組光纖感測彈簧其中右邊缺少下端光纖與彈簧預拉固定連接環。此缺少下端光纖與彈簧預拉固定連接環的結構，將使右邊的光纖光柵只有單端固接不受結構體或彈簧應變影響，而單純只受光纖光柵自身溫度應變影響。因此可固定在被測結構上作溫度補償用。此光纖光柵外被覆彈簧結構可以保護光纖光柵，並再與其串接相同外徑全圓筒形彈簧保持一致性被覆結構的功能。

以上本發明說明書內容及實施例闡述各種細節所引用各參考編號之元件，皆可視為相同或功能上類似之元件，且意欲以極簡化的圖解方式來圖說實例所表示之主要實施特點；因此，此圖示並非意欲描繪出實際實施例之所有特點，亦並非意欲 描繪所繪元件之相對尺寸及數量，故所示之圖並非按比例繪成，其係按本發明之結構製成光纖感測彈簧及其組成光纖感測彈簧各元件結構及其能完整實現感測結構組件的基本精神所繪成，且僅作為代表光纖感測彈簧可據以等效發揮功能及據以應用的各種樣態，一如實施例所舉選用長方形斷面圓筒形螺旋彈簧、舉選用不同螺距角圓筒形螺旋彈簧的串接組合結構或選用不同的彈簧指數c，即c=D/d中不同外徑彈簧和素線直徑的組合、鋼材的橫彈性係數G…等中各種製造參數的微調，做本可據以應用的一種補述，使光纖感測彈簧結構應用更為精彩及多元廣闊。

儘管本文係將己預拉光纖感測彈簧安裝至受測結構體上的感測裝置及其他以不同螺距角圓筒形螺旋彈簧組成之結構圖解說明並闡述本發明之感測彈簧應變計結構；但此並非意欲僅將本發明侷限於此等圖示細節，因為在以不脫離本發明精神之任何方式之前提下，可對本發明實施各種修改及結構之改變。

無需再分析以上說明所全面披露本發明之要旨，其己可以一定數量的光纖感測彈簧單元組成串接或並聯在各種被測結構陣列下，各輸出並存取組成系統安全陣列連線，分別形成使人們能夠應用現有知識在合併根據先前技術觀點，以合理構成本發明之一般或具體樣態之基本特徵之前提下，可輕易地將本發明修改用於各種應用或改用其他材料應用於本發明，且因此，此等修改應該且己意欲包含在隨附申請專利範圍之等效意義及範圍內。

201‧‧‧125μm裸光纖光柵

202‧‧‧250μm外徑樹脂被覆保護層

203‧‧‧125μm光纖核心有光柵區域

204‧‧‧250μm外徑樹脂再被覆保護層

301‧‧‧0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧

302‧‧‧0.9mm外被覆圓筒形壓縮螺旋彈簧

303‧‧‧0.9mm外被覆圓筒形拉張螺旋彈簧

308‧‧‧上光纖與彈簧預拉固定連接環

309‧‧‧下光纖與彈簧預拉固定連接環

Claims (24)

1. 一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，此結構是由下列元件組成：一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；一定長度環繞被覆保護其內置單模態光纖的圓筒形螺旋彈簧，此彈簧是由較長的圓筒形拉張螺旋彈簧串聯較短圓筒形壓縮螺旋彈簧，再串聯較長的圓筒形拉張螺旋彈簧，且較短圓筒形拉張螺旋彈簧介於兩較長的圓筒形拉張螺旋彈簧之間所組成；一頭端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；一尾端固定光纖與彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；本光纖感測彈簧結構的特徵為，頭端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環與尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環兩者形成之預設標距長，是以先壓縮環繞保護光纖光柵所被覆的圓筒形壓縮螺旋彈簧兩端至預設內置光纖光柵可獲得最大容許壓縮應變量時，固定頭尾兩連接環之後再釋放施力，以達到光纖光柵以彈性伸長的彈性域內預拉作用所決定的標距長；且由被覆保護光纖光柵的圓筒形壓縮螺旋彈簧兩端所延長出去相同外徑的圓筒形拉張螺旋彈簧，具有以全彈簧材料被覆形成保護特性，以保護內置光纖的功能，而成為自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構者。
2. 如申請專利範圍第1項之一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測 結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以外接彈簧相同的材料壓著或膠固形成者。
3. 如申請專利範圍第1項之一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以內接光纖的被覆材料膠合固化製成者。
4. 如申請專利範圍第1項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是圓形斷面結構的彈簧結構者。
5. 如申請專利範圍第1項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是長方形斷面結構的彈簧結構者。
6. 如申請專利範圍第1項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其彈簧被覆外徑為0.9毫米的彈簧，可以和被覆外徑為0.9毫米的塑膠被覆材料以具有保護其內置熔接完成的熱縮套管延長接續的結構者。
7. 一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，此結構是由下列元件組成：一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；一定長度環繞被覆保護其內置單模態光纖的圓筒形螺旋彈簧，此彈簧是由螺距角較小的圓筒形壓縮螺旋彈簧串聯螺距角較大的圓筒形壓縮螺旋彈簧，再串聯螺距角較小的圓筒形壓縮螺旋彈簧，且螺距角較大的圓筒形壓縮螺旋彈簧介於兩螺距角較小的圓筒形壓縮螺旋彈簧之間所組成； 一頭端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；一尾端固定光纖與彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；本光纖感測彈簧結構的特徵為頭端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環與尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環兩者形成之預設標距長，是以先壓縮環繞保護光纖光柵所被覆的螺距角較大的圓筒形壓縮螺旋彈簧兩端至預設內置光纖光柵可獲得最大容許壓縮應變量時，固定頭尾兩連接環之後再釋放施力，以達到光纖光柵以彈性伸長的彈性域內預拉作用所決定的標距長；且由被覆保護光纖光柵的螺距角較大的圓筒形壓縮螺旋彈簧兩端所延長出去相同外徑的圓筒形壓縮螺旋彈簧，具有以全彈簧材料被覆形成保護特性，以保護內置光纖的功能，而成為自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構者。
8. 如申請專利範圍第7項之一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以外接彈簧相同的材料壓著或膠固製成者。
9. 如申請專利範圍第7項之一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以內接光纖的被覆材料膠合固化製成者。
10. 如申請專利範圍第7項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是圓形斷面結構的彈簧結構者。
11. 如申請專利範圍第7項的一種光纖自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是圓形斷面結構的彈簧結構者。
12. 如申請專利範圍第7項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其彈簧被覆外徑為0.9毫米的彈簧，可以和被覆外徑為0.9毫米的塑膠被覆材料以具有保護其內置熔接完成的熱縮套管延長接續的結構者。
13. 一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，此結構是由下列元件組成：一單模態光纖，此光纖內有一段長光纖光柵；一定長度環繞被覆保護其內置單模態光纖的圓筒形壓縮螺旋彈簧；一頭端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；一尾端固定光纖與彈簧預拉固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；本光纖感測結構的特徵為頭端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環與尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環兩者形成之預設標距長，是以先壓縮環繞保護光纖光柵所被覆的圓筒形壓縮螺旋彈簧兩端至預設內置光纖光柵可獲得最大容許壓縮應變量時，固定頭尾兩連接環之後再釋放施力，以達到光纖光柵以彈性伸長的彈性域內預拉作用所決定的標距長；且由被覆保護光纖光柵的圓筒 形壓縮螺旋彈簧兩端所延長出去相同外徑的圓筒形壓縮螺旋彈簧，具有以全彈簧材料被覆形成保護特性，以保護內置全長光纖功能，而成為自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構者。
14. 如申請專利範圍第13項之一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以外接彈簧相同的材料壓著或膠固製成者。
15. 如申請專利範圍第13項之一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以內接光纖的被覆材料膠合固化製成者。
16. 如申請專利範圍第13項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是圓形斷面結構的彈簧結構者。
17. 如申請專利範圍第13項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是長方形斷面結構的彈簧結構者。
18. 如申請專利範圍第13項的一種自體預拉全彈簧被覆的光纖感測結構，其彈簧被覆外徑為0.9毫米的彈簧，可以和被覆外徑為0.9毫米的塑膠被覆材料以具有保護其內置熔接完成的熱縮套管延長接續的結構者。
19. 一種全彈簧被覆的光纖線纜結構，此結構是由下列元件組成：一定長的光纖；一定長度環繞被覆保護其內置光纖的圓筒形密著拉張螺旋彈簧； 一頭端固定光纖與彈簧的固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖；一尾端固定光纖與彈簧固定連接環，此連接環外接彈簧並且內接光纖一定長的彈簧；本結構特徵為此光纖線纜結構，其頭端固定光纖與彈簧的固定連接環與尾端固定光纖與彈簧的固定連接環兩者形成之預設光纖全段長的被覆保護抗拉強度，是以環繞被覆保護內置光纖的圓筒形密著拉張螺旋彈簧初張力，加上圓筒形密著拉張螺旋彈簧抗拉強度及內置光纖抗拉強度的保護總抗拉強度做被覆保護內置光纖全段長的組成結構者。
20. 如申請專利範圍第19項之一種全彈簧被覆的光纖彈簧結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以外接彈簧相同的材料壓著或膠固製成者。
21. 如申請專利範圍第19項之一種全彈簧被覆的光纖彈簧結構，其頭端或尾端固定光纖與彈簧的預拉固定連接環，此固定連接環是以內接光纖的被覆材料膠合固化製成者。
22. 如申請專利範圍第19項的一種全彈簧被覆的光纖彈簧結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是圓形斷面結構的彈簧結構者。
23. 如申請專利範圍第19項的一種全彈簧被覆的光纖彈簧結構，其圓筒形螺旋彈簧的斷面是長方形斷面結構的彈簧結構者。
24. 如申請專利範圍第19項的一種全彈簧被覆的光纖彈簧結構，其彈簧被覆外徑為0.9毫米的彈簧，可以和被覆外徑為0.9毫米的塑 膠被覆材料以具有保護其內置熔接完成的熱縮套管延長接續的結構者。