JP2006208080A - Optical fiber vibration sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバに加わる機械的な振動を検知する光ファイバ振動センサに係り、特に、サニャック干渉型の光ファイバ振動センサに関するものである。 The present invention relates to an optical fiber vibration sensor that detects mechanical vibration applied to an optical fiber, and more particularly to a Sagnac interference type optical fiber vibration sensor.
振動を計測する手段として光ファイバグレーティング(FBG:optical Fiber Bragg Grating )を用いたセンサがある。 As means for measuring vibration, there is a sensor using an optical fiber grating (FBG).
FBGは光ファイバのコアに長手方向に周期的な屈折率変化を与えることで形成される回折格子であり、光ファイバを伝搬する特定の波長帯を反射し、他の波長帯を透過させるものである。 An FBG is a diffraction grating formed by applying a periodic refractive index change in the longitudinal direction to the core of an optical fiber, reflecting a specific wavelength band propagating through the optical fiber and transmitting other wavelength bands. is there.
FBGを用いた振動センサは、FBGが形成された光ファイバをセンサケーブルとしており、そのセンサケーブルに振動(歪み)が加わると、センサケーブルが伸縮し、FBGの格子間隔が変化し、FBGに入射させた光の反射波長が格子間隔に合わせて波長シフトするので、FBGでの反射波長の変化からFBGに加わった歪みを計測するものである(例えば特許文献1参照)。 The vibration sensor using the FBG uses an optical fiber on which the FBG is formed as a sensor cable. When vibration (distortion) is applied to the sensor cable, the sensor cable expands and contracts, the lattice spacing of the FBG changes, and enters the FBG. Since the reflected wavelength of the light is shifted in accordance with the grating interval, the distortion applied to the FBG is measured from the change in the reflected wavelength at the FBG (see, for example, Patent Document 1).
これを利用して、それぞれ回折格子間隔の異なるFBGを複数多点接続したセンサケーブルをフェンス等に設置し、フェンス内への侵入者を検知するシステムが提案されている。 Using this, a system has been proposed in which a sensor cable in which a plurality of FBGs having different diffraction grating intervals are connected to each other is installed on a fence or the like to detect an intruder in the fence.
しかしながら、FBGを用いた振動センサは以下のような問題がある。 However, the vibration sensor using FBG has the following problems.
FBGを用いた振動センサは長尺のセンサケーブルにFBGが点在して形成されている。よって、FBGが計測できる振動(歪み)は点であるため、センサケーブル長手方向の振動を検出するにはセンサケーブルに均一な張力を加えて保持する必要がある。さらに、センサケーブルは、温度変化により伸縮するため、張力を加える機構やその管理が煩雑になってしまう。 The vibration sensor using the FBG is formed by interspersing the FBG on a long sensor cable. Therefore, since vibration (distortion) that can be measured by the FBG is a point, in order to detect vibration in the longitudinal direction of the sensor cable, it is necessary to apply a uniform tension to the sensor cable and hold it. Furthermore, since the sensor cable expands and contracts due to temperature changes, a mechanism for applying tension and its management become complicated.
FBGを製造する際には、大出力の紫外光レーザと微細加工された位相マスクが必要であり、光ファイバコーティングのリムーブ、リコート及び光学的な調整等、複雑な工程を経るため、コスト高になってしまう。 When manufacturing FBGs, a high-power ultraviolet laser and a finely processed phase mask are required, and complicated processes such as optical fiber coating removal, recoating, and optical adjustment are required, resulting in high costs. turn into.
FBGで反射される光の出力は小さいため、光ファイバセンサの分解能が向上しない。 Since the output of light reflected by the FBG is small, the resolution of the optical fiber sensor is not improved.
ASE(増幅自然放出)光源等のスペクトル幅の広い光源や、光導波路型の波長フィルタを用いて振動センサを構成するので高価になってしまう。 Since the vibration sensor is configured using a light source having a wide spectral width such as an ASE (amplified spontaneous emission) light source or an optical waveguide type wavelength filter, the vibration sensor is expensive.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、センサケーブルの敷設が容易で、低コストに製造でき、かつ、センサケーブル長手方向に加わる振動を高い分解能で検出できる光ファイバ振動センサを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical fiber vibration sensor that solves the above-described problems, can be easily laid, and can be manufactured at low cost, and can detect vibration applied in the longitudinal direction of the sensor cable with high resolution. There is.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、光源より出射し、第1の光カプラ、偏光子、第2の光カプラを順次伝搬して分岐した2つの光信号を、位相変調器を含む光ファイバループに左右回りに入射し、その戻り光信号を第2の光カプラ、偏光子、第1の光カプラを介して受光器で光電変換し、信号処理ユニットで信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いた光ファイバ振動センサである。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2の発明は、光源より出射し、光カプラを伝搬して分岐した2つの光信号を、位相変調器を含む光ファイバループに左右回りに入射し、その戻り光信号を光カプラを介して受光器で光電変換し、信号処理ユニットで信号を検出してデータを出力するサニャック干渉型の光ファイバセンサにおいて、上記光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いた光ファイバ振動センサである。 According to the second aspect of the present invention, two optical signals emitted from a light source, propagated through an optical coupler and branched are incident left and right into an optical fiber loop including a phase modulator, and the return optical signal is transmitted through the optical coupler. In a Sagnac interference type optical fiber sensor that performs photoelectric conversion with a light receiver, detects a signal with a signal processing unit, and outputs data, an optical fiber vibration using a part of the optical fiber loop as a sensor cable for vibration measurement It is a sensor.
請求項3の発明は、上記光ファイバループの中央部を除く光ファイバ部分を振動計測用のセンサケーブルとして用いる請求項1または2記載の光ファイバ振動センサである。 A third aspect of the present invention is the optical fiber vibration sensor according to the first or second aspect, wherein an optical fiber portion excluding a central portion of the optical fiber loop is used as a sensor cable for vibration measurement.
請求項4の発明は、上記信号処理ユニットには、受光器で検出された振動データの出力レベルを判定し、予め設定された値以上の出力レベルが検出された場合に、警報器等が作動する信号を出力する処理部が設けられる請求項1〜3いずれかに記載の光ファイバ振動センサである。
According to a fourth aspect of the present invention, the signal processing unit determines an output level of vibration data detected by a light receiver, and an alarm device or the like is activated when an output level greater than a preset value is detected. The optical fiber vibration sensor according to
請求項5の発明は、上記光源、受光器、偏光子、光カプラに接続される光ファイバ及び光ファイバループは偏波面保持光ファイバからなる請求項1〜4いずれかに記載の光ファイバ振動センサである。
The optical fiber vibration sensor according to any one of
本発明によれば、センサケーブルの敷設が容易で、低コストで構成でき、センサケーブル長手方向に加わる振動を高分解能で検出できるといった優れた効果を発揮する。 According to the present invention, the sensor cable can be easily laid, can be configured at low cost, and exhibits excellent effects such that vibration applied in the longitudinal direction of the sensor cable can be detected with high resolution.
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1(a),図1(b)は本発明に係る光ファイバ振動センサの好適な実施の形態を示した模式図である。 FIGS. 1A and 1B are schematic views showing a preferred embodiment of an optical fiber vibration sensor according to the present invention.
図1(a),図1(b)に示すように、光ファイバ振動センサ10は、振動センサ本体部11と振動センサ本体部11に接続されて光閉回路を形成する光ファイバループ12とを備える。本実施の形態では2個の光コネクタ13,13により振動センサ本体部11と光ファイバループ12が接続されている。光ファイバで光閉回路を形成した光ファイバループ12は、その一部が振動計測用のセンサケーブル12aとなる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, an optical
振動センサ本体部11は、光源15、受光器16、第1の光カプラ18、偏光子21、第2の光カプラ19及びこれらを光学的に接続する接続用光ファイバ17、並びに信号処理ユニット23が筐体14内に収容されてなる。
The vibration sensor
光源15及び受光器16にはそれぞれ光ファイバ17a,17bが接続され、両光ファイバ17a、17bは共に光分岐結合素子である光カプラ18に接続されている。光カプラ18,19は1×2入出力ポートを有する光ファイバカプラである。第1の光カプラ18の一端側の2つの入出力ポートに、光ファイバ17a,17bがそれぞれ接続される。光カプラ18の他端側の1入出力ポートには光ファイバ17cが接続され、光ファイバ17cは、その一部が偏光子を形成して第2の光カプラ19の1入出力ポートに接続されている。第2の光カプラ19の他端側の2入出力ポートには長尺の光ファイバの両端がそれぞれ接続され、この光ファイバはループ(閉回路)状の光ファイバループ12となっている。
光ファイバループ12の一端側に設けた位相変調器22は、光ファイバループ12を互いに反対方向に伝搬する光波間に相対的に時間遅れのある位相変調をかけるものである。本実施の形態では、位相変調器22は、振動子とする円筒状のPZT(ピエゾセラミック)に光ファイバループ12の一部を巻き付けて形成し、PZTへ印加する電圧によりPZTに巻き付けた光ファイバを伸縮させて伝搬光の位相を変調するものとした。
A
信号処理ユニット23は、光源15の駆動、受光器16で検出された光信号が光電変換された電気信号の処理、位相変調器22の変調レベル制御、処理結果の出力等をするものであり、光源15、受光器16及び光位相変調器22と電気的に接続されている。
The
偏光子21は、第1及び第2の両光カプラ18,19間を接続する光ファイバ17cの一部をコイル状に形成すると共に、コアの複屈折を大きくしたファイバ型の偏光子である。
The
光源15、受光器16、偏光子21及び光カプラ18、19に接続される光ファイバ17及び光ファイバループ12は偏波面保存光ファイバで構成するのが好ましい。
The
本実施の形態に係る光ファイバ振動センサ10は、サニャック効果を原理とした光ファイバジャイロを応用したものであり、振動センサ本体部11に接続される光ファイバループ12の一部を振動計測用のセンサケーブル12aとして用いたことに特徴がある。
The optical
図2に示すように、光ファイバジャイロ25は、ループ状に閉じた光ファイバ(光ファイバループ)26が回転を受けたとき、光ファイバ26を右回りに伝搬する光と左回りに伝搬する光との間に回転角速度に比例した位相差が生じるサニャック効果を利用して、光ファイバループ26の回転角速度を測定するものである。
As shown in FIG. 2, when an optical fiber (optical fiber loop) 26 closed in a loop shape is rotated, the
光ファイバジャイロ25の光ファイバループ26は、回転角速度と同様に、外部の急激な温度変化、振動、音等に対して感度を有する。これら回転角速度以外の要因による位相変化を低減する対策として、通常、光ファイバループ26を、ループの中心部分から一側をS(右)巻きし、他側をZ(左)巻きする対称巻き技術を施している。また、光ファイバループ26に掛かる振動や衝撃を緩衝するべく熱硬化性樹脂等で光ファイバループ26を固定する樹脂ポッティングが施されている。
Similar to the rotational angular velocity, the
本実施の形態の光ファイバ振動センサ10は、光ファイバループの振動によって、左右回り光間に位相差が発生し、光ファイバジャイロにおける回転角速度に相当する振動データを出力するものである。
The optical
光ファイバ振動センサ10では、センサケーブル12aの回転角速度に対する感度を必要とせず、そのため光ファイバループ12を中央部分12cに対して一側を右巻き、他側を左巻きにし、左巻き及び右巻きの両光ファイバループがそれぞれ囲む面積を等しくするのが好ましい。
The optical
次に、本実施の形態の作用について説明する。 Next, the operation of the present embodiment will be described.
光源15より出射された光L1は、第1の光カプラ18を伝搬し、偏光子21で直線偏光にされ、第2の光カプラ19に入射する。第2の光カプラ19では、光L1が2つに分岐されて、光ファイバループ12の互いに異なる端に入射する。ここで、光ファイバループ12に入射した2つの光のうち、一方を右回り光Lcw、他方を左回り光Lccwとする。
The light L1 emitted from the
左右両回り光Lccw,Lcwはそれぞれ位相変調器22で光の位相を変調され、光ファイバループ12を1周して第2の光カプラ19へ再び入射する。
The left and right bi-directional light Lccw and Lcw are modulated in phase by the
第2の光カプラ19へ入射した各々左右両回り光Lccw,Lcwは、第2の光カプラ19で干渉して干渉光L2となる。干渉光L2は、偏光子21を伝搬して第1の光カプラ18へ入射し、再び2つの光に分岐され、分岐された光の一方は受光器16で検出される。
The left and right bi-directional light Lccw and Lcw incident on the second
第2の光カプラ19で干渉する2つの光Lcw,Lccwが同位相であれば、第2の光カプラに入射する光L1と、第2の光カプラを出射する干渉光L2は、光カプラ18,19での放射損失等を除き、光強度は等しく検出される。
If the two lights Lcw and Lccw that interfere with the second
一方、光が光ファイバループ12を伝搬中に、センサケーブル12aの任意の箇所に振動が生じると、振動が生じた箇所では光ファイバの伸縮により伝搬光の位相が変化する。
On the other hand, if vibration occurs in any part of the
第2の光カプラ19に入射する2光の位相が異なる(位相差が生じる)と、受光器16で受光される光の強度は、同位相で結合した光の強度とは異なって検出される。すなわち、受光器16では、センサケーブル12aに振動がないときは常に略一定の光強度(零点)を検出しており、その一定の光強度と異なる光強度を検出したとき、センサケーブル12aで振動を検知したことになる。
When the phases of the two lights incident on the second
本実施の形態では、光ファイバ振動センサ10をサニャック干渉型で構成することにより、安価に製造できると共に、センサケーブル12aの敷設を容易にすることができる。また、受光器16で検出される光信号の強度(出力)が大きく、高分解能で振動の計測をすることができる。さらに、センサケーブル長手方向に加わる振動をセンサケーブル12aの全長で検出することができるので広範囲をセンシングすることができる。また、センサケーブル12aに一定の張力を付与しなくとも、正確にセンサケーブル12aの振動を検知することができる。
In the present embodiment, by configuring the optical
光ファイバループ12のループ中央部分(図中右端側)12cでは、第2の光カプラ19で分岐された右回り光Lcw及び左回り光Lccwがループ中央部分12cを同時刻に通過するため、振動による位相差が発生し難い。従って、光ファイバループ12のループ中央部部分12cは、センサとして機能する必要がない場所に敷設することが好ましい。光ファイバループ12の中央部分を除いた部分をセンサケーブル12aとすることで、センサケーブル12aに加えられた振動による位相差が表れないといったことがなく、高い信頼性を有する。
In the loop center portion (right end side in the figure) 12c of the
光ファイバループ12及び接続用の光ファイバ17を慣用のシングルモード光ファイバで構成すると、光ファイバを伝搬する光の偏波が回転して(偏光状態が変化して)左右回り光が干渉しない場合がある。そこで、光ファイバループ12及び接続用光ファイバを偏波面保存光ファイバで形成することで、左右回り光の偏波が回転することなく互いに干渉させることができる。
When the
また、出力される振動データから左右両回り光Lccw,Lcw間の位相差を計算して、センサケーブル12aの振動があった箇所を検知することができる。
In addition, the phase difference between the left and right light Lccw and Lcw can be calculated from the output vibration data, and the location where the
本実施の形態の光ファイバ振動センサ10は、フェンス等に取り付けて、侵入検知等のセキュリティを目的とするセンサとして適用できる。
The optical
例えば、図3に示すように、フェンス31の一端に収納ボックス32を設け、収納ボックス32に振動センサ本体11を収納する。光ファイバループ12の行きと折り返した後の帰りの2本を共にして形成したセンサケーブル12aは、フェンス31の検知する範囲(例えば金網の部分)に固定される。光ファイバループ12の中央部分はフェンス31に設けられる終端ボックス33に収納される。センサケーブル12aを固定する際、センサケーブル12aに均一な張力を付与する必要はなく、フェンス31が振動した時にセンサケーブル12aが振動する程度に一体に固定すればよい。
For example, as shown in FIG. 3, a
図4に、信号処理ユニットから出力される振動データの一例を示す。 FIG. 4 shows an example of vibration data output from the signal processing unit.
図4では、出力される振動データは、振動レベルを規格化し、デシベル表示している。センサケーブル12aに振動があれば、出力されたデータから振動を検知できる。図では、ある時間内にフェンス31が3度振動したことを示している。
In FIG. 4, the vibration data to be output is displayed in decibels with the vibration level normalized. If there is vibration in the
さらに、光ファイバ振動センサ10は、一本の光ケーブルで広い範囲の振動を検知することができるので、侵入検知等のセキュリティを目的とする監視カメラの台数を少なくすることができる。
Furthermore, since the optical
信号処理ユニット23に警報器を接続して、その警報器をフェンス付近に設けると共に、信号処理ユニット23に警報器を作動させる信号を出力する処理部を設けても良い。その処理部で、受光器16で検出された振動データの出力レベルを判定し、予め設定された値以上の出力レベルが検出された場合に、警報器を作動させることができる。
An alarm device may be connected to the
また、出力される振動データは図4に示したように時間領域での振動を出力したものであるが、これをフーリエ変換し、周波数特性から振動の要因を分析してもよい。予め雨や風などの自然現象による振動で得られる周波数特性や、人的な要因による振動で得られる周波数特性等を分析し、それを基に振動の原因を推定できればより有効な振動センサとすることができる。 Further, the vibration data to be output is obtained by outputting the vibration in the time domain as shown in FIG. 4, but this may be subjected to Fourier transform, and the cause of the vibration may be analyzed from the frequency characteristics. Analyzing the frequency characteristics obtained by vibrations caused by natural phenomena such as rain and wind in advance and the frequency characteristics obtained by vibrations caused by human factors, etc., if the cause of the vibrations can be estimated based on this analysis, a more effective vibration sensor is obtained. be able to.
本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではない。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment.
例えば、光源15として、SLD(スーパールミネッセントダイオード)を用いることで、センサケーブル12から光源15に向かって戻ってくる光(戻り光)とレイリー散乱光とが干渉して発生する干渉ノイズを低減することができる。
For example, by using an SLD (super luminescent diode) as the
また、光カプラ18,19、偏光子21及び位相変調器22等はファイバ型のものを用いたが、導波路型の光カプラ、偏光子或いは位相変調器を用いて、それらを光ファイバに接続して光ファイバ振動センサを構成してもよい。
The
第1及び第2の光カプラ18,19として、1×2入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いたが、2×2入出力ポートを有する光ファイバカプラを用いてもよい。
As the first and second
本実施の形態では、光ファイバループ12の一部を用いて位相変調器22を形成し、所定の周波数の正弦波電圧を印加して伝搬光の位相を変調するオープンループ型の光ファイバジャイロを基に光ファイバセンサ本体部11を構成したが、検知される伝搬光の位相から位相変調器にフィードバックをかけるクローズドループ型の光ジャイロを基に振動センサ本体部を構成してもよい。
In this embodiment, a
クローズドループ型の光ファイバ振動センサに用いる位相変調器としては、参考文献(熊谷、油原、梶岡「量産型光ファイバジャイロの開発とその応用」The Review of Laser Engineering,Vol1,No.4 April 1998,pp.304-309 )に記載されているような電気光学効果を利用した位相変調器等が挙げられる。 For the phase modulator used in the closed-loop type optical fiber vibration sensor, see References (Kumaya, Yubara, Tsujioka “Development of Mass-Production Type Optical Fiber Gyroscope and Its Applications”, The Review of Laser Engineering, Vol1, No.4 April 1998. , pp.304-309), and the like.
図5は、本発明に係る光ファイバ振動センサの好適な第二の実施の形態を示した模式図である。 FIG. 5 is a schematic view showing a second preferred embodiment of the optical fiber vibration sensor according to the present invention.
図5に示すように本実施の形態の光ファイバ振動センサ50は、基本的な構成部分が、上述した図1の光ファイバ振動センサ10とほぼ同様であり、同一構成部分には図1の場合と同一の符号を付してあるが、図1の第2の光カプラ19及び偏光子21を省略し、一つの光カプラ18で光源15、受光器16及び光ファイバループ12を接続した点において異なるものである。
As shown in FIG. 5, the basic configuration of the optical
本実施の形態の光ファイバ振動センサ50も図1の光ファイバ振動センサ10と同様の作用効果を有する。
The optical
本実施の形態の光ファイバ振動センサ50は、図1の光ファイバ振動センサ10に比べて振動センサ本体を構成する部品点数が少なのでより容易に構成できる。
The optical
ただし、本実施の形態の光ファイバ振動センサ50には偏光子がないため、センサケーブル12への入射光の偏光状態が不安定であり、検出される干渉光強度の零点の安定度が図1の光ファイバ振動センサ10に比べて低くなる。そこで、例えば、光ファイバループ12及び接続用の光ファイバ17を偏波面保存光ファイバとし、光源15と光カプラ18の間に偏光子を挿入し、光ファイバループ12に直線偏光の光信号を入射するようにして、干渉光強度の零点の安定度を良くしてもよい。
However, since the optical
10 光ファイバ振動センサ
11 振動センサ本体
12 光ファイバループ
12a センサケーブル
14 筐体
15 光源
16 受光器
18,19 光カプラ
21 偏光子
22 位相変調器
23 信号処理ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記光ファイバループの一部を振動計測用のセンサケーブルとして用いたことを特徴とする光ファイバ振動センサ。 Two optical signals emitted from the light source, propagated through the optical coupler, and branched are incident on the optical fiber loop including the phase modulator, and the return optical signal is photoelectrically converted by the light receiver via the optical coupler. In the Sagnac interference type optical fiber sensor that detects the signal by the signal processing unit and outputs the data,
An optical fiber vibration sensor, wherein a part of the optical fiber loop is used as a sensor cable for vibration measurement.
5. The optical fiber vibration sensor according to claim 1, wherein the optical fiber and the optical fiber loop connected to the light source, the light receiver, the polarizer, and the optical coupler are made of polarization-maintaining optical fibers.
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