布拉格光纖光柵感測器於高速內藏式主軸之健康檢測分析與工具機量測之應用

布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating, FBG）感測器可以透過共振波長飄移理論將光纖光柵量測的波長訊號對於溫度變化與熱變形進行解耦合，以利後續量測，對於業界應用而言重要的物理量指標－熱伸長量，而利用光纖光柵高靈敏度、抗腐蝕且耐高溫的特點，除了可以提供高精確度量測外，亦可應用其徑細質輕的優勢，黏貼於工具機主軸的表面或埋入主軸內部進行相關物理量量測應用。本文主要針對量測應用方面的不同可分為兩大部分，第一部分為以實驗室高速內藏式主軸為量測對象，使用不同於先前光纖光柵的黏貼方式，先針對光纖光柵之波長飄移與溫度的對應關係進行探討，以建立新的光纖光柵校正方法與流程，對於熱伸長量之量測做進一步的量測與改良，以增加光纖光柵可量測應用之範圍，並與實驗室自行開發的數位影像相關法進行相互驗證，確立不同的光纖光柵黏貼方法，其相關參數校正方法之可行性;第二部分則是針對實驗室高速內藏式主軸進行全域健康檢測分析，量測主軸之各物理量變化，以建立往後持續進行長時間監測之基礎，透過使用麥克風於主軸運轉期間進行聲音量測，不僅可以記錄主軸於運轉期間是否出現異常的聲音，亦可透過頻譜圖來找出異常的頻率分佈情況，再搭配與埋入主軸的多光纖光柵感測器之訊號進行比較以判斷主軸出現異常的可能位置。除了了解主軸之健康特性與相關訊號及物理量量測，也同時進行長時間多次重複相同實驗之監測，分析經多次運轉後的主軸於最初與最後監測日期之光纖光柵訊號之差異。最後以第一部分提出的光纖光柵黏貼方法與量測校正方法為基礎，實際針對業界工具機進行熱伸長量測應用，並證明光纖光柵感測器於工具機加工期間及有風扇或是切削液之加工環境下，依然可以正常進行量測與分析。

關鍵字

布拉格光纖光柵感測器；溫度；熱伸長量；工具機；高速內藏式主軸；數位影像相關法；健康檢測；麥克風；長期監測

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Fiber Bragg Grating ； temperature ； thermal displacement ； machine tool ； built-in high-speed spindle ； Digital Image Correlation ； machine healthcare ； microphone ； long-term monitoring

參考文獻

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