JP5150445B2 - Optical fiber sensor device, temperature and strain measurement method, and optical fiber sensor - Google Patents

Optical fiber sensor device, temperature and strain measurement method, and optical fiber sensor Download PDF

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本発明は、光ファイバを用いた温度とひずみなどの物理量を計測する光ファイバセンサ装置と温度とひずみの計測方法並びに光ファイバセンサに関し、特に温度とひずみを同時に計測できる技術に関する。   The present invention relates to an optical fiber sensor device that measures physical quantities such as temperature and strain using an optical fiber, a temperature and strain measurement method, and an optical fiber sensor, and more particularly to a technique that can simultaneously measure temperature and strain.

光ファイバを用いた温度やひずみなどの物理量を計測するセンサは、長寿命であること、軽量であること、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能であること、光ファイバが絶縁性であるため、電磁ノイズに強いことなどから、橋梁やビルなどの巨大構造物および旅客機や人工衛星などの航空、宇宙機器の健全性の評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うための光ファイバセンサに求められる性能として、ひずみ分解能が高いこと、多点のセンサを有すること(検知範囲が広いこと)、リアルタイムで計測できること、などが挙げられる。
Sensors that measure physical quantities such as temperature and strain using optical fibers have a long life, are lightweight, and have a small diameter and flexibility, so they can be used in narrow spaces, and optical fibers are insulated. Therefore, it is expected to be used for the evaluation of the soundness of aerospace equipment such as huge structures such as bridges and buildings, passenger planes and artificial satellites.
The performance required for optical fiber sensors for evaluating the soundness of these structures includes high strain resolution, a multipoint sensor (wide detection range), and real-time measurement capability. .

これまで種々の光ファイバセンサが提案されているが、前記要求性能を十分に満たす最も有望なものとしてファイバブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating;以下FBGと略記する)からなる光ファイバセンサが挙げられる。
FBGとは、光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を持たせた光ファイバ型デバイスであり、コアの屈折率変化の周期と実効屈折率によって定まる特定の波長の光を反射する特性を有する。この反射光がブラッグ反射光であり、その反射波長はブラッグ波長と呼ばれる。
このFBGに温度変化やひずみなどが生じると、これに応じてコアの屈折率変化の周期や実効屈折率が変化し、ブラッグ波長がシフトする。このブラッグ波長のシフト量と温度変化量やひずみ量との関係を予め測定しておくことで、ブラッグ波長のシフト量から温度変化やひずみを計測することができる。このFBGからなる光ファイバセンサには、ブラッグ波長のシフト量を計測する手段の測定精度にもよるが、極めて高い分解能で温度変化とひずみを計測することができる特徴がある。
Various optical fiber sensors have been proposed so far, and the most promising one that sufficiently satisfies the required performance is an optical fiber sensor comprising a fiber Bragg grating (hereinafter abbreviated as FBG).
The FBG is an optical fiber type device in which the core of the optical fiber has a periodic refractive index change, and has a characteristic of reflecting light of a specific wavelength determined by the core refractive index change period and the effective refractive index. . This reflected light is Bragg reflected light, and the reflected wavelength is called Bragg wavelength.
When a temperature change or strain occurs in the FBG, the period of the refractive index change of the core and the effective refractive index change accordingly, and the Bragg wavelength shifts. By measuring the relationship between the Bragg wavelength shift amount and the temperature change amount and strain amount in advance, the temperature change and strain can be measured from the Bragg wavelength shift amount. The optical fiber sensor made of FBG has a feature that it can measure temperature change and strain with extremely high resolution, depending on the measurement accuracy of the means for measuring the shift amount of the Bragg wavelength.

また、このFBGからなる光ファイバセンサを用いて温度変化やひずみ量を計測する手段として、以下の方式が知られている。第1の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長の異なる複数のFBGを配置して、全てのFBGのブラッグ反射波長域にわたる測定光を連続的に入射して各FBGからのブラッグ波長シフト量を計測する波長多重(Wavelength Division Multiplexing ; 以下、WDMと略記する。)方式を例示することができ、第2の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のFBGをある一定距離以上の間隔で配置し、全てのFBGのブラッグ波長域にわたる測定光をパルス状に入射して各FBGからのブラッグ波長光の伝搬遅延時間の差に基づいて各FBGの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する時間多重(Time Division Multiplexing ; 以下、TDMと略記する。)方式を例示することができ、第3の方式として、1本の光ファイバに対してブラッグ波長がほぼ同一の複数のFBGを任意の間隔で配置して、各FBGからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して各FBGの位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測する光周波数領域反射測定(Optical Frequency Domain Reflectometry ;以下 OFDRと略記する。)方式を例示することができる。   In addition, the following methods are known as means for measuring temperature change and strain using an optical fiber sensor made of FBG. As a first method, a plurality of FBGs having different Bragg wavelengths are arranged for one optical fiber, and measurement light over the Bragg reflection wavelength region of all the FBGs is continuously incident, so that the Bragg wavelengths from each FBG are incident. A wavelength division multiplexing (Wavelength Division Multiplexing; hereinafter abbreviated as WDM) method for measuring the shift amount can be exemplified. As a second method, a plurality of Bragg wavelengths that are substantially the same for one optical fiber are used. FBGs are arranged at intervals of a certain distance or more, measurement light over the Bragg wavelength range of all FBGs is incident in pulses, and the position of each FBG is determined based on the difference in propagation delay time of Bragg wavelength light from each FBG. A time division multiplexing (Time Division Multiplexing; hereinafter abbreviated as TDM) method for measuring the amount of shift of the Bragg wavelength can be illustrated as a third method. As described above, a plurality of FBGs having substantially the same Bragg wavelength are arranged at an arbitrary interval with respect to one optical fiber, and the period of the interference intensity between the Bragg reflected light from each FBG and the reflected light from the reference reflection end An optical frequency domain reflection measurement (Optical Frequency Domain Reflectometry; hereinafter abbreviated as “OFDR”) system that specifies the position of each FBG using a change and measures the shift amount of the Bragg wavelength can be exemplified.

これらの計測手段のうち、特許文献1には、OFDR方式の計測方法について詳細が開示されている。特許文献1によると、OFDR方式の計測方法では、1本の光ファイバに複数個配置されたひずみ検知用のFBGが検知したひずみを、リアルタイムで計測することができる利点を有する。
以上説明したとおり、FBGからなる光ファイバセンサは、FBGに生じた温度変化やひずみを高い分解能で計測できるのが最大の特徴であり、この温度変化やひずみを計測する手段も豊富にあるという利点を有している。
Among these measurement means, Patent Document 1 discloses details of the OFDR measurement method. According to Patent Document 1, the OFDR measurement method has an advantage that the strain detected by a plurality of strain detection FBGs arranged in one optical fiber can be measured in real time.
As described above, the optical fiber sensor made of FBG has the greatest feature that it can measure temperature changes and strains generated in the FBGs with high resolution, and has an advantage that there are many means for measuring these temperature changes and strains. have.

このFBGからなる光ファイバセンサ以外の光ファイバセンサとしては、特許文献2に記載の如く光ファイバとその末端に設けたミラーからなる光ファイバセンサが開示されている。特許文献2によると、この光ファイバセンサは人物検知センサとして用いられる。この光ファイバセンサ上を人物が通過すると、光ファイバに曲がりが発生し、測定光の強度が変動する。この光ファイバセンサは光ファイバ端面に設けられたミラーに反射した測定光の強度を測定し、その強度から人物の通過の有無を判断するものである。
しかしながら、この特許文献2に記載されている光ファイバセンサは、ひずみ量と測定光の強度変動(光ファイバの曲がり)に定量的な相関関係が無いので、FBGをセンサとした光ファイバセンサのような正確なひずみ測定ができない問題がある。この特許文献2との比較からも、FBGからなる光ファイバセンサの有用性は明らかである。
As an optical fiber sensor other than the optical fiber sensor made of FBG, as disclosed in Patent Document 2, an optical fiber sensor made of an optical fiber and a mirror provided at the end thereof is disclosed. According to Patent Document 2, this optical fiber sensor is used as a person detection sensor. When a person passes over the optical fiber sensor, the optical fiber is bent and the intensity of the measurement light varies. This optical fiber sensor measures the intensity of measurement light reflected by a mirror provided on the end face of the optical fiber, and determines the presence or absence of a person from the intensity.
However, since the optical fiber sensor described in Patent Document 2 does not have a quantitative correlation between the strain amount and the intensity fluctuation (bending of the optical fiber) of the measurement light, it is like an optical fiber sensor using FBG as a sensor. There is a problem that accurate strain measurement cannot be performed. From the comparison with Patent Document 2, the usefulness of the optical fiber sensor made of FBG is clear.

一方、このFBGからなる光ファイバセンサの一般的な問題点として、温度やひずみなどの物理量が複数項目変化すると、それらの変化量を個別に切り分けて測定することができないことが挙げられる。このため、例えば、ひずみ検知用のセンサとして利用する場合は、検知部の温度変化をひずみの変化として捉えることなく、ひずみを計測することができる光ファイバセンサおよびその計測方法が必要であると考えられる。
このような光ファイバセンサおよびその計測方法として、特許文献1に記載の技術では、複数個配置されたFBGのうち、1つをひずみが作用しない(無ひずみ)状態とし、このFBGのブラッグ波長のシフト量を計測することで、光源の波長掃引の不安定性を取り除くとともに、全てのFBGが同一の温度である場合に限り、ひずみ検知用のFBGの温度補正(つまり、ひずみ検知用のFBGに生じる温度変化の計測)を行えることが記載されている。
On the other hand, as a general problem of the optical fiber sensor made of FBG, when a plurality of physical quantities such as temperature and strain change, it is not possible to individually measure and measure these changes. For this reason, for example, when used as a strain detection sensor, an optical fiber sensor capable of measuring strain without capturing a temperature change of the detection unit as a change in strain and a measurement method thereof are considered necessary. It is done.
As such an optical fiber sensor and a measuring method thereof, in the technique described in Patent Document 1, one of a plurality of FBGs is placed in a state in which no strain acts (no strain), and the Bragg wavelength of the FBG is set. By measuring the shift amount, instability of the wavelength sweep of the light source is removed, and only when all the FBGs are at the same temperature, temperature correction of the strain detection FBG (that is, occurs in the strain detection FBG). It is described that temperature change can be measured).

また、特許文献3には、ダイヤフラムの変位を計測する変位検知用のセンサとなるFBG(FBGにかかるひずみ量からダイヤフラムの変位を検知しているので、実際はひずみ検知用のセンサとしてFBGを用いている)と同じベース上に温度検知用のセンサとなるFBGを配置し、予め温度検出用のセンサでベースの温度を計測しておき、変位検出用のセンサのブラッグ波長のシフト量から温度変化に相当する波長シフト量を減算することによりダイヤフラムの変位を計測する技術が開示されている。更に、特許文献4では、ひずみ検知用のセンサとなるFBGと温度補償部材を組み合わせてひずみ検知用のセンサが温度変化によるブラッグ波長のシフトを生じないような構造とする技術が開示されている。
特許第3740500号公報 特開2005−184772号公報 特開2000−221085号公報 特開2005−091151号公報
Further, in Patent Document 3, since the displacement of the diaphragm is detected from the FBG (displacement amount applied to the FBG) that serves as a displacement detection sensor for measuring the displacement of the diaphragm, the FBG is actually used as a strain detection sensor. FBG, which is a sensor for temperature detection, is placed on the same base as before, and the temperature of the base is measured in advance by the sensor for temperature detection, and the change in Bragg wavelength of the sensor for displacement detection is changed to the temperature change. A technique for measuring the displacement of the diaphragm by subtracting the corresponding wavelength shift amount is disclosed. Further, Patent Document 4 discloses a technique in which an FBG serving as a strain detection sensor and a temperature compensation member are combined so that the strain detection sensor does not cause a shift of the Bragg wavelength due to a temperature change.
Japanese Patent No. 3740500 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-184772 JP 2000-221085 A JP-A-2005-091151

しかしながら、特許文献1に記載されているひずみ検知用のFBGの温度補償方法では、それぞれのひずみ検知用のFBGに生じる温度変化が異なる場合にひずみ検知用のFBGの温度補償ができない問題がある。また、特許文献2に記載されている温度検知用のセンサとなるFBGを設ける方法では、温度変化とひずみ(ダイヤフラムの変位)を検知するために2つのFBGを必要とするため、光ファイバセンサが高価となる問題がある。
更に、特許文献3に記載されているひずみ検知用のFBGでは、温度無依存性構造とするために光ファイバセンサが高価となる上に、ひずみ検知用のFBGに生じる温度変化を計測できない問題がある。
However, the strain compensation FBG temperature compensation method described in Patent Document 1 has a problem that temperature compensation of strain detection FBGs cannot be performed when the temperature change occurring in each strain detection FBG is different. In addition, in the method of providing an FBG serving as a temperature detection sensor described in Patent Document 2, two FBGs are required to detect temperature change and strain (diaphragm displacement). There is an expensive problem.
Furthermore, in the strain detection FBG described in Patent Document 3, an optical fiber sensor is expensive because of a temperature-independent structure, and a temperature change occurring in the strain detection FBG cannot be measured. is there.

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、温度変化とひずみに対する分解能が高く、多点の計測が可能であり、計測のリアルタイム性に優れ、かつ安価な温度とひずみの計測用の光ファイバセンサと温度とひずみの計測方法、並びに、光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and has high resolution with respect to temperature change and strain, is capable of multipoint measurement, is excellent in real-time measurement, and is inexpensive and an optical fiber for measuring temperature and strain. An object is to provide a sensor, a method for measuring temperature and strain, and an optical fiber sensor device.

本発明の光ファイバセンサ装置は、光ファイバのコアに形成したFBGをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、光ファイバのコアに形成したFBGからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記FBGのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。 The optical fiber sensor device of the present invention uses an FBG formed in the core of an optical fiber as a sensor, and from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, An optical fiber sensor device that is applied to an optical frequency domain reflection measurement system that specifies a position and measures the distortion of the sensor unit from the shift amount of the wavelength of Bragg reflected light from the sensor, and is formed in the core of the optical fiber A light having a strain detection sensor unit made of FBG and a temperature detection sensor unit made of a temperature detection optical fiber connected to the strain detection sensor unit and provided with a reflection part at its end. and the fiber sensor, a referential reflecting end, a light source, the light receiver and is provided with a total of a temperature change from the fiber length variation of the sensor portion to become the optical fiber for the temperature sensing In doing so, by utilizing the periodic change in the interference intensity of the reflected light from the reflection portion provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detection sensor portion and the reflection light from the reference reflection end, the temperature detection identifies the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit measures the optical path length of the optical fiber, the temperature change is measured from the change amount of the optical path length of this, the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG The strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change.

本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長は40m以上であることを特徴とする。
本発明において、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバはチューブに遊挿されていることを特徴とする。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるFBGと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端は面状体に取り付けられてなることを特徴とする。
本発明において、前記面状体は金属薄板でも良い。
In the present invention, the optical fiber serving as the temperature detecting sensor section has a fiber length of 40 m or more.
In the present invention, the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part is loosely inserted into a tube.
In the present invention, one end or both ends of the FBG serving as the strain detecting sensor unit and the optical fiber serving as the temperature detecting sensor unit are attached to a planar body.
In the present invention, the planar body may be a thin metal plate.

本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部は接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記ひずみ検知用のセンサ部となるFBGの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が接着層により前記面状体に固定されてなる構造でも良い。
本発明において、前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるFBGのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置は、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなる構造でも良い。
In the present invention, one end or both ends of the optical fiber to be the strain detecting sensor part and one end or both end parts of the optical fiber to be the temperature detecting sensor part are fixed to the planar body by an adhesive layer. The structure made may be sufficient.
In the present invention, one end portion or both end portions of the FBG serving as the strain detection sensor portion and one end portion or both end portions of the optical fiber serving as the temperature detection sensor portion are fixed to the planar body by an adhesive layer. It may be a structure.
In the present invention, based on the measurement result of the optical path length of the optical fiber, the temperature change amount is measured from the change of the optical path length of the optical fiber to be a temperature detection sensor, and the Bragg of the FBG to be a strain detection sensor. The control device that measures the distortion by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the temperature change measured by the optical fiber serving as a temperature detection sensor from the shift amount of the wavelength is connected to the light receiver and the light source. The structure provided may be sufficient.

本発明の温度とひずみの計測方法は、先のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるFBGのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長の変化量を減算してひずみを計測することを特徴とする The temperature and strain measurement method of the present invention uses any one of the optical fiber sensor devices described above, measures the temperature change from the amount of change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detection sensor section, The distortion is measured by subtracting the change amount of the Bragg reflection wavelength due to the temperature change measured by the temperature detection sensor unit from the shift amount of the Bragg reflection wavelength of the FBG serving as the detection sensor .

本発明の光ファイバセンサは、光ファイバのコアに形成したFBGをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみや温度を計測する光周波数領域反射測定方式に用いられる光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したFBGからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサが備えられ、
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする。
The optical fiber sensor of the present invention uses the FBG formed in the core of the optical fiber as a sensor, and the position of the sensor is detected from the periodic change in interference intensity between the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end. And an optical fiber sensor used in an optical frequency domain reflection measurement method for measuring strain and temperature of the sensor unit from the shift amount of the wavelength of the Bragg reflected light from the sensor,
A temperature detecting sensor comprising a strain detecting sensor portion made of FBG formed in the core of the optical fiber and a temperature detecting optical fiber connected to the strain detecting sensor portion and provided with a reflection portion at an end thereof. An optical fiber sensor comprising a portion,
When measuring the temperature change from the change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part, the reflected light from the reflecting part provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part and the reference using a periodic variation of the interference intensity of the reflected light from the reflecting end, the identify the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit for temperature detection, to measure the optical path length of the optical fiber, this The temperature change is measured from the change amount of the optical path length, and the strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change from the shift amount of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. To do.

本発明の光ファイバセンサ装置は、温度検知用のセンサ部が光ファイバとその端末に形成した反射部で構成されているので、温度検知用のセンサ部としてFBGを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。従って、安価な光ファイバを温度検知用として用い、温度補償した状態でFBGにてひずみを計測することができ、正確なひずみ計測を行うことができる光ファイバセンサ装置を提供することができる。   In the optical fiber sensor device of the present invention, the temperature detection sensor unit is composed of an optical fiber and a reflection unit formed at the end thereof. Therefore, an optical fiber sensor using FBG as the temperature detection sensor unit, Compared to an optical fiber sensor having a dependency structure, it can be provided as an inexpensive optical fiber sensor. Therefore, it is possible to provide an optical fiber sensor device that can use an inexpensive optical fiber for temperature detection, measure strain with the FBG in a temperature compensated state, and perform accurate strain measurement.

本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用の光ファイバとして40m以上の長さの光ファイバを用いると、OFDR方式にて温度検知用のセンサ部を構成する光ファイバの光路長変化を基に温度変化を求める場合、正確な温度計測ができる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバをチューブに遊挿してなる構造にすると、温度検知用のセンサ部にひずみが生じても、チューブのみが伸縮し、その内部に収容されている温度検知用のセンサとなる光ファイバにひずみが作用し難いので、温度検知用のセンサ部となる光ファイバはひずみによる光路長変化が生じない。これにより、正確な温度検知ができる。
更に、本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサ部となる光ファイバをチューブに遊挿した状態で検知部もしくは面状体に固定するので、ひずみの影響を受けることなく温度計測することができる。
In the optical fiber sensor device of the present invention, when an optical fiber having a length of 40 m or more is used as the temperature detection optical fiber, the optical path length change of the optical fiber constituting the temperature detection sensor unit by the OFDR method is used. When calculating temperature changes, accurate temperature measurement is possible.
In the optical fiber sensor device of the present invention, when an optical fiber serving as a temperature detection sensor is loosely inserted into the tube, even if the temperature detection sensor section is distorted, only the tube expands and contracts. Since the strain hardly acts on the optical fiber serving as the temperature detection sensor housed in the optical fiber, the optical fiber serving as the temperature detection sensor section does not change the optical path length due to the strain. Thereby, accurate temperature detection can be performed.
Furthermore, in the optical fiber sensor device of the present invention, the temperature measurement is performed without being affected by the strain because the optical fiber to be a temperature detection sensor is fixed to the detection unit or the planar body while being loosely inserted into the tube. be able to.

本発明の光ファイバセンサ装置において、温度検知用のセンサとなる光ファイバとひずみ検知用のFBGを金属薄板からなる面状体に固定した構造であるので、検知部への取付けが容易となる。また、温度検知用の光ファイバとひずみ検知用のFBGを固定する面状体において、これらを固定した面とは異なる面に接着層を設けることで、検知部への取付けがより容易となる。
本発明の光ファイバセンサ装置において、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設している構造であるので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易に実施できる。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易にできる。
Since the optical fiber sensor device of the present invention has a structure in which an optical fiber serving as a temperature detection sensor and an FBG for strain detection are fixed to a planar body made of a thin metal plate, the attachment to the detection unit is facilitated. In addition, in the planar body for fixing the temperature detection optical fiber and the strain detection FBG, an adhesive layer is provided on a surface different from the surface on which these are fixed, thereby facilitating attachment to the detection unit.
Since the optical fiber sensor device of the present invention has a structure in which a plurality of optical fiber sensors are connected in series using connectors, temperature and strain sensing over multiple points can be easily performed. In addition, the number of points to be sensed can be easily adjusted by attaching / detaching the connector.

本発明の光ファイバセンサ装置を用いた温度とひずみの計測方法によれば、OFDR方式の計測器を用いるので温度検知用のセンサとなる光ファイバのファイバ長を短くすることができる。   According to the temperature and strain measurement method using the optical fiber sensor device of the present invention, since the OFDR type measuring instrument is used, the fiber length of the optical fiber serving as a temperature detection sensor can be shortened.

また、本発明の光ファイバセンサは、温度検知用のセンサ部を光ファイバとその端末に形成した反射部で構成しているので、OFDR方式にて温度検知用のセンサ部の光ファイバの光路長の変化から温度変化を求める際に使用することができ、更に、その温度計測結果を基にFBGにてひずみを計測する場合に温度補償した状態でひずみの計測を行う場合に使用することができる。
従って本発明の光ファイバセンサによれば、温度検知用のセンサ部としてFBGを用いる光ファイバセンサや、温度無依存構造を有する光ファイバセンサと比較して安価な光ファイバセンサとして提供することができる。即ち、安価な光ファイバを温度検知用のセンサとして用い、温度補償した状態でFBGにてひずみを計測することができる光ファイバセンサを提供することができる。
Further, in the optical fiber sensor of the present invention, the temperature detection sensor part is composed of the optical fiber and the reflection part formed at the end thereof, so that the optical path length of the optical fiber of the temperature detection sensor part in the OFDR method. It can be used to determine the temperature change from the change in temperature, and can also be used to measure strain in a temperature compensated state when measuring strain with FBG based on the temperature measurement result. .
Therefore, according to the optical fiber sensor of the present invention, it can be provided as an inexpensive optical fiber sensor as compared with an optical fiber sensor using FBG as a temperature detecting sensor part or an optical fiber sensor having a temperature-independent structure. . That is, it is possible to provide an optical fiber sensor that can measure strain with an FBG in a state where temperature is compensated using an inexpensive optical fiber as a sensor for temperature detection.

以下、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサの基本構造について図面を参照して説明するが、本発明が以下に説明する形態に制限されるものではないことは勿論である。
図1は、本発明に係る温度変化とひずみを計測する光ファイバセンサ(温度ひずみ計測センサ)の基本構造を示す構成図である。図1において本実施形態の光ファイバセンサSは、FBG(ファイバブラッググレーティング)1をコアに備えた光ファイバ2からなるひずみ検知用のセンサ部3と、このセンサ部3に光接続された光ファイバ5の端部に反射部6を形成してなる温度検知用のセンサ部7を備えて構成されている。
Hereinafter, the basic structure of an optical fiber sensor for measuring temperature change and strain according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is of course not limited to the embodiments described below.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a basic structure of an optical fiber sensor (temperature strain measurement sensor) for measuring temperature change and strain according to the present invention. In FIG. 1, an optical fiber sensor S of the present embodiment includes a strain detection sensor unit 3 composed of an optical fiber 2 having an FBG (fiber Bragg grating) 1 in its core, and an optical fiber optically connected to the sensor unit 3. 5 is provided with a temperature detecting sensor portion 7 formed by forming a reflecting portion 6 at an end portion.

FBG1は、光ファイバコアの長手方向の屈折率変化分布が一定間隔で変化するように構成したものであり、例えば高屈折率部と低屈折率部とを一定間隔で繰り返す構造としたものである。このFBG1は高い分解能でひずみ計測できる(高い分解能でブラッグ波長のシフト量を計測できる)光学特性を有するものが望ましい。温度検知用のセンサ部7を構成する光ファイバ5は、その一端側を前記ひずみ検知用のセンサ部1の一端側に光接続し、その他端側の端面に適切な反射率を有する反射部6を備えてなり、かつ、前記FBG1と前記反射部6との間の光路長が温度変化に対して大きく変化するような長さを有するものが好ましい。その一例として光ファイバ5は長さ40m以上の光ファイバであることが望ましい。   The FBG 1 is configured such that the refractive index change distribution in the longitudinal direction of the optical fiber core changes at regular intervals. For example, the FBG 1 has a structure in which a high refractive index portion and a low refractive index portion are repeated at regular intervals. . The FBG 1 desirably has an optical characteristic capable of measuring strain with high resolution (measuring the shift amount of the Bragg wavelength with high resolution). The optical fiber 5 constituting the temperature detecting sensor unit 7 is optically connected at one end thereof to one end side of the strain detecting sensor unit 1 and has an appropriate reflectance at the other end surface. And having a length such that the optical path length between the FBG 1 and the reflecting portion 6 changes greatly with respect to a temperature change. As an example, the optical fiber 5 is preferably an optical fiber having a length of 40 m or more.

次に、図1に示す基本構造の光ファイバセンサSを備え、光周波数反射測定方式(以下、OFDR方式と略記する。)を適用した光ファイバセンサ装置(温度ひずみ計測センサ装置)の第1の実施形態を図2に示す
この実施形態の光ファイバセンサ装置10は、光カプラ(ファイバカプラ)11と、チューナブルレーザ(TLS;波長可変光源)12と、フォトダイオード(PD;光検出器)13と、参照用反射端16と、先の構造の光ファイバセンサSを備えて概略構成され、チューナブルレーザ12は光ファイバ14を介し、フォトダイオード13は光ファイバ15を介し光カプラ11に光接続され、参照用反射端16は光ファイバ17を介し、光ファイバセンサSは光ファイバ18を介して光カプラ11に光接続されている。即ち、チューナブルレーザ12とフォトダイオード13と参照用反射端16と光ファイバセンサSは光ファイバ14、15、17、18によって光カプラ11を介し連設された構造とされていて、チューナブルレーザ12から出射した測定光を光カプラ11を介して光ファイバ17と光ファイバセンサSに入射できるように構成されている。また、光ファイバ17と光ファイバセンサSに入射した測定光の一部はそれぞれ反射されるので、光カプラ11を介してフォトダイオード13で干渉光として計測することができる。
Next, a first optical fiber sensor device (temperature strain measurement sensor device) including the optical fiber sensor S having the basic structure shown in FIG. 1 and employing an optical frequency reflection measurement method (hereinafter abbreviated as OFDR method) is applied. An embodiment is shown in FIG. 2. An optical fiber sensor device 10 of this embodiment includes an optical coupler (fiber coupler) 11, a tunable laser (TLS; tunable light source) 12, and a photodiode (PD; photodetector) 13. And a reflection end 16 for reference and an optical fiber sensor S having the above structure, and the tunable laser 12 is optically connected to the optical coupler 11 via the optical fiber 14 and the photodiode 13 via the optical fiber 15. The reference reflection end 16 is optically connected to the optical coupler 11 via the optical fiber 17 and the optical fiber sensor S is connected to the optical coupler 11 via the optical fiber 18. That is, the tunable laser 12, the photodiode 13, the reference reflection end 16, and the optical fiber sensor S are connected to each other through the optical coupler 11 by optical fibers 14, 15, 17, and 18. The measurement light emitted from the optical fiber 12 can enter the optical fiber 17 and the optical fiber sensor S through the optical coupler 11. In addition, since part of the measurement light incident on the optical fiber 17 and the optical fiber sensor S is reflected, it can be measured as interference light by the photodiode 13 via the optical coupler 11.

前記構造の光ファイバセンサ装置10において、チューナブルレーザ12は、チューナブルレーザ12から出射した測定光がひずみ検知用のセンサ部3となるFBG1および温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の端面の反射部6で反射してフォトダイオード13に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレント長を有するものが望ましい。また、フォトダイオード13は、チューナブルレーザ12から出射する測定光の波長を変化させた際に、参照用反射端16と反射部6の2つの反射点から得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが望ましい。   In the optical fiber sensor device 10 having the above-described structure, the tunable laser 12 includes an FBG 1 in which the measurement light emitted from the tunable laser 12 serves as a strain detection sensor unit 3 and an optical fiber 5 that serves as a temperature detection sensor unit 7. It is desirable to have a coherent length longer than the optical path length that is reflected by the reflecting portion 6 on the end face and enters the photodiode 13. The photodiode 13 can detect intensity modulation of optical interference obtained from the two reflection points of the reference reflection end 16 and the reflection part 6 when the wavelength of the measurement light emitted from the tunable laser 12 is changed. Those having a cut-off frequency are desirable.

図2に示す構造の光ファイバセンサ装置10を用いて温度とひずみの計測方法を行うには、チューナブルレーザ12から出射した測定光をFBG1および光ファイバ5に入射し、反射部6において反射させてフォトダイオード13で検出し、チューナブルレーザ12から出射した測定光を参照用反射端16から反射させてフォトダイオード13にて検出するが、この際、以下のような計測を行うものとする。
本発明に係る温度とひずみの計測方法において、ひずみ検知用のFBG1からのブラッグ反射光と、参照用反射端16からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用して、該FBG1の位置を特定するとともに、ブラッグ波長のシフト量を計測し、それらと同時に、温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の端面の反射部6と参照用反射端16からの干渉光強度の周期的変化を利用して温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の端面の反射部位置を特定して該光ファイバ5の光路長を計測する。
In order to perform the temperature and strain measurement method using the optical fiber sensor device 10 having the structure shown in FIG. 2, the measurement light emitted from the tunable laser 12 is incident on the FBG 1 and the optical fiber 5 and reflected by the reflection unit 6. The measurement light detected by the photodiode 13 and emitted from the tunable laser 12 is reflected from the reference reflection end 16 and detected by the photodiode 13. At this time, the following measurement is performed.
In the temperature and strain measurement method according to the present invention, the position of the FBG 1 is determined using the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the strain detecting FBG 1 and the reflected light from the reference reflecting end 16. At the same time, the amount of shift of the Bragg wavelength is measured, and at the same time, the periodic change in the intensity of the interference light from the reflecting portion 6 and the reflecting end 16 of the reference end of the optical fiber 5 serving as the sensor portion 7 for temperature detection. Is used to identify the position of the reflection part of the end face of the optical fiber 5 that becomes the temperature detecting sensor part 7 and measure the optical path length of the optical fiber 5.

更に、前記計測結果を基に、温度検知用のセンサ部7となる光ファイバ5の光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサ部3となるFBG1のブラッグ波長のシフト量から、温度検知用のセンサ部7で計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを計測することができる。
本発明の概要は以上説明の通りであるが、本発明の具体例について以下の各実施例においてより詳細に説明する。
Further, based on the measurement result, the temperature change amount is measured from the change in the optical path length of the optical fiber 5 serving as the temperature detecting sensor unit 7, and the Bragg wavelength shift of the FBG 1 serving as the strain detecting sensor unit 3 is measured. The strain can be measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the temperature change measured by the temperature detection sensor unit 7 from the amount.
The outline of the present invention has been described above, but specific examples of the present invention will be described in more detail in the following embodiments.

「実施例1」
図3は本発明の実施例1に係る温度ひずみ計測用の光ファイバセンサの概略構成図であり、図3(a)は平面図、図3(b)は図3(a)のA−B線に沿う断面図である。
図3に示す光ファイバセンサ20は、先に説明した光ファイバセンサSと同等構造の光ファイバセンサSを面状体21に取り付け、コネクタを備えて構成されている。即ち、本実施例の光ファイバセンサ20は、ひずみ検知用のFBG22とそれに光接続された温度検知用の光ファイバ23とFBG22の入力側となる端部側に光接続された端面をPC研磨したFCコネクタ(以下、FC/PCコネクタと略す)からなるコネクタ25と、光ファイバ23の終端部に光接続されたFC/PCコネクタからなる反射部26と、前記FBG22をその中央部に固定用樹脂にて取り付けた金属薄板等からなる面状体21と、前記温度検知用の光ファイバ23を遊挿したルースチューブ27を具備して構成されている。なお、光ファイバ23はループ状に巻かれて面状体21の上面側に設置されている。また、FBG22の部分がひずみ検知用センサ部30となり、光ファイバ23の部分が温度検知用センサ部31とされてなる。
"Example 1"
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical fiber sensor for temperature strain measurement according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is an AB view of FIG. It is sectional drawing which follows a line.
An optical fiber sensor 20 shown in FIG. 3 includes an optical fiber sensor S having the same structure as that of the optical fiber sensor S described above, and a connector. That is, in the optical fiber sensor 20 of the present embodiment, the FBG 22 for strain detection, the optical fiber 23 for temperature detection optically connected thereto, and the end face optically connected to the end side which is the input side of the FBG 22 are PC-polished. A connector 25 composed of an FC connector (hereinafter abbreviated as FC / PC connector), a reflective portion 26 composed of an FC / PC connector optically connected to the terminal end of the optical fiber 23, and a resin for fixing the FBG 22 at the center thereof And a loose tube 27 into which the optical fiber 23 for temperature detection is loosely inserted. The optical fiber 23 is wound in a loop shape and installed on the upper surface side of the planar body 21. Further, the FBG 22 portion becomes the strain detection sensor unit 30, and the optical fiber 23 portion becomes the temperature detection sensor unit 31.

本実施例の光ファイバセンサ20において、ひずみ検知用のセンサとなるFBG22は、フッ化クリプトン(KrF)エキシマレーザとユニフォーム位相マスクを用いた一般的な露光方法により作製されたものであり、本実施例では、グレーティング長(センサ長)を98mm、ブラッグ波長を約1549.5nm、ブラッグ波長における反射率を1%とした。   In the optical fiber sensor 20 of the present embodiment, the FBG 22 serving as a strain detection sensor is manufactured by a general exposure method using a krypton fluoride (KrF) excimer laser and a uniform phase mask. In the example, the grating length (sensor length) is 98 mm, the Bragg wavelength is about 1549.5 nm, and the reflectance at the Bragg wavelength is 1%.

本実施例に適用される温度検知用のセンサ部となる光ファイバ23は、一般的なシングルモードファイバ(以下、SMファイバ)であり、石英ガラスからなるクラッドとゲルマニウム(Ge)をドーピング石英ガラスからなるコアの屈折率差は、約0.3%とされている。
本実施例では、このSMファイバからなる光ファイバ23のファイバ長を約40mとした。該光ファイバ23の端面に形成された反射部26は、フレネル反射(約3.4%の反射率)するファイバ端末やコネクタ端末、全反射(99%以上の反射率)する金属コーティングを施したファイバ端末など、その端面が適当な反射率を有するものが望ましい。
なお、適当な反射率とは、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器の性能にもよるが、0.001%以上の反射率であることが望ましい。本実施例では、温度検知用センサとなる光ファイバ23の端面にFC/PCコネクタ26を接続した。
An optical fiber 23 serving as a temperature detecting sensor unit applied to the present embodiment is a general single mode fiber (hereinafter referred to as an SM fiber), and a cladding made of quartz glass and germanium (Ge) are made of doped silica glass. The refractive index difference of the core is about 0.3%.
In this embodiment, the fiber length of the optical fiber 23 made of this SM fiber is about 40 m. The reflection part 26 formed on the end face of the optical fiber 23 is subjected to a fiber terminal and a connector terminal for Fresnel reflection (approximately 3.4% reflectivity) and a metal coating for total reflection (reflectance of 99% or more). It is desirable that the end surface of the fiber end has an appropriate reflectance.
The appropriate reflectance is preferably a reflectance of 0.001% or more, although it depends on the performance of the measuring instrument that measures the temperature strain sensor of the present invention. In the present embodiment, the FC / PC connector 26 is connected to the end face of the optical fiber 23 serving as a temperature detection sensor.

前記コネクタ26が未接続の状態であるとき、その端面はフレネル反射する特性を有する。また、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23は、その全長をルースチューブ27に挿入した。温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23をルースチューブ27に挿入することにより、温度検知用のセンサ部31にひずみが生じてもルースチューブ27が伸縮するだけで、挿入された光ファイバ23が伸縮しない。つまり、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23はひずみにより光路長が変化しない。ひずみ検知用のセンサ部30となるFBG22における、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23が接続された部位とは他方の部位は、本発明の温度ひずみセンサを計測する計測器に接続できる接続点を有することが望ましく、本実施例ではこのような接続点をFC/PCコネクタ25として設けた。   When the connector 26 is not connected, its end face has a characteristic of Fresnel reflection. The entire length of the optical fiber 23 serving as the temperature detecting sensor unit 31 was inserted into the loose tube 27. By inserting the optical fiber 23 to be the temperature detecting sensor unit 31 into the loose tube 27, even if the temperature detecting sensor unit 31 is distorted, the loose tube 27 only expands and contracts. Does not expand or contract. That is, the optical path length of the optical fiber 23 serving as the temperature detecting sensor unit 31 does not change due to strain. The other part of the FBG 22 serving as the strain detection sensor unit 30 to which the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31 is connected can be connected to a measuring instrument that measures the temperature strain sensor of the present invention. It is desirable to have a connection point. In this embodiment, such a connection point is provided as the FC / PC connector 25.

この例の温度ひずみセンサは、温度とひずみを計測する対象となる被測定部(以下、検知部)への取付けが容易となるよう、一面あるいは両面が面状体21に固定されている。温度ひずみセンサを一面あるいは両面に固定するための面状体21は金属系材料やプラスチック系材料、ガラス系材料など、平板状であるものであればいかなるものでも構わないが、検知部の温度とひずみを正確に検知するために熱伝導性と弾性率が高い金属系材料が望ましく、さらに該面状体が十分な弾性特性を有するような厚みであることが望ましい。本実施例では、面状体21を厚さ約0.3mmのステンレス鋼板(JIS規定SUS303)から構成した。   In the temperature strain sensor of this example, one surface or both surfaces are fixed to the planar body 21 so that the temperature strain sensor can be easily attached to a measurement target portion (hereinafter referred to as a detection portion) for measuring temperature and strain. The planar body 21 for fixing the temperature strain sensor on one or both surfaces may be any flat plate such as a metal material, a plastic material, or a glass material. In order to accurately detect strain, a metal-based material having high thermal conductivity and high elastic modulus is desirable, and it is desirable that the thickness be such that the planar body has sufficient elastic characteristics. In this embodiment, the planar body 21 is made of a stainless steel plate (JIS regulation SUS303) having a thickness of about 0.3 mm.

該面状体21への温度ひずみセンサの固定は、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤を用いて行う。本実施例では、ひずみ検知用のセンサ部30となるFBG22および温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23を挿入したルースチューブ27をポリイミド樹脂の接着層33により面状体21上に固定した。より詳細には、溶媒としてN−メチル−2ピロリジノンを含んだポリアミド酸樹脂を塗布した後に、面状体21および温度ひずみセンサを200℃程度に加熱し、N−メチル−2ピロリジノン溶媒を蒸発させるとともにポリアミド酸樹脂の架橋を促進してポリイミド樹脂に化学変化させて硬化し、固定した。ここで、ひずみ検知用のセンサ部30となるFBG22と温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23を挿入したルースチューブ27をポリイミド樹脂で固定したのは、耐熱性が高く、弾性率が高い材料であるため、検知部が高温である場合でも使用でき、かつ、検知部のひずみをひずみ検知用センサとなるFBG22に確実に伝えることができる。   The temperature strain sensor is fixed to the planar body 21 using an adhesive made of a thermosetting resin or an ultraviolet curable resin. In this embodiment, the loose tube 27 into which the FBG 22 serving as the strain detection sensor unit 30 and the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31 are inserted is fixed on the planar body 21 by the polyimide resin adhesive layer 33. . More specifically, after applying a polyamic acid resin containing N-methyl-2pyrrolidinone as a solvent, the planar body 21 and the temperature strain sensor are heated to about 200 ° C. to evaporate the N-methyl-2pyrrolidinone solvent. At the same time, the crosslinking of the polyamic acid resin was promoted and chemically changed to a polyimide resin to be cured and fixed. Here, the loose tube 27 into which the FBG 22 serving as the strain detection sensor unit 30 and the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31 are inserted is fixed with polyimide resin, which has high heat resistance and high elastic modulus. Since it is a material, it can be used even when the detection unit is at a high temperature, and the strain of the detection unit can be reliably transmitted to the FBG 22 serving as a strain detection sensor.

また、この光ファイバセンサ20は、検知部への取付けがより容易となるよう、一面あるいは両面を固定する面状体21の少なくとも一方の面状体21におけるセンサ固定面とは他方の面の表面に接着層33aを設けている。この接着層33aには、熱硬化性樹脂や紫外線硬化性樹脂からなる接着剤や、粘着成分を有するテープを用いることができる。本実施例では、両面に粘着成分を有するシリコーン樹脂系のテープの任意の一面を面状体に貼り付けて接着層33aを形成した。   In addition, the optical fiber sensor 20 has a surface on the other side that is the sensor fixing surface of at least one of the planar bodies 21 that fixes one or both sides so that the optical fiber sensor 20 can be easily attached to the detection unit. Is provided with an adhesive layer 33a. As the adhesive layer 33a, an adhesive made of a thermosetting resin or an ultraviolet curable resin, or a tape having an adhesive component can be used. In this example, an adhesive layer 33a was formed by attaching an arbitrary surface of a silicone resin tape having an adhesive component on both sides to a planar body.

次に、前記基本構造の光ファイバセンサ20を用い、光周波数反射測定方式(OFDR方式)を適用して温度とひずみを計測する方法についてより具体的に説明する。
図4は、本発明の温度とひずみの計測方法を実施するための光ファイバセンサ装置の具体例を示す概略構成図である。この例の光ファイバセンサ装置40は、3つのファイバカプラ(光カプラ)41、42、43と、チューナブルレーザ(波長可変光源;Agilent製8164A)44と、2つのフォトダイオード(光検出器; New Focus 製2117FC)45、46と、3つの参照用反射端R1、R2、R3と、先の構成の光ファイバセンサ20とから概略構成され、これらは光ファイバ51、52、53、54、55、56、57、58、59、60によって連設されている。これらの光ファイバ51〜60は、測定光の波長に対してシングルモード伝搬が可能なものであれば、いかなるものでも構わなく、一般的なSMファイバもしくはPANDA(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)ファイバなどの偏波保持ファイバを用いることができる。本実施例では、光ファイバ23と同種のSMファイバを使用した。
Next, a method for measuring temperature and strain by using the optical fiber sensor 20 having the basic structure and applying an optical frequency reflection measurement method (OFDR method) will be described more specifically.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a specific example of an optical fiber sensor device for carrying out the temperature and strain measurement method of the present invention. The optical fiber sensor device 40 of this example includes three fiber couplers (optical couplers) 41, 42, and 43, a tunable laser (wavelength variable light source; 8164A manufactured by Agilent) 44, and two photodiodes (photodetectors; New). Focus 2117FC) 45, 46, three reference reflection ends R1, R2, R3, and the optical fiber sensor 20 having the above-described configuration, which are optical fibers 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 are connected. These optical fibers 51 to 60 are not particularly limited as long as they can propagate in the single mode with respect to the wavelength of the measurement light, and are general SM fibers or PANDA (Polarization-maintaining AND Absorption-reducing) fibers. A polarization maintaining fiber such as can be used. In this example, the same type of SM fiber as the optical fiber 23 was used.

また、チューナブルレーザ44は、汎用インターフェイスバス(GPIB)を介して、システムコントローラ(制御装置:National Instruments製PXI-8106)63に接続され、これにより制御されている。更に、2つのフォトダイオード45、46からの信号は、A/Dコンバータ(National Instruments製PXI-6115)64によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ63にてSTFT(Short-time Fourier transform;短時間フーリエ変換)解析されるようになっている。これらのチューナブルレーザ44とシステムコントローラ63とA/Dコンバータ64によりOFDR方式の計測器が構成される。   The tunable laser 44 is connected to and controlled by a system controller (control device: PXI-8106 manufactured by National Instruments) 63 via a general-purpose interface bus (GPIB). Further, the signals from the two photodiodes 45 and 46 are sampled by an A / D converter (PXI-6115 made by National Instruments) 64, and the sampling data is short-time Fourier transform (STFT) by the system controller 63. (Fourier transform) analysis. The tunable laser 44, the system controller 63, and the A / D converter 64 constitute an OFDR measuring instrument.

本実施例構成のOFDR方式の計測器においては、チューナブルレーザ44は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引(単調増加もしくは単調減少)された測定光を出射する。本実施例では、10nm/sの速度で1545〜1555nmの波長範囲を掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ44から出射された測定光は光カプラ41に入射し、該光カプラ41にて光パワー分岐されて2つの光干渉計に入射する。
一方の光干渉計は、ファイバカプラ42、光ファイバ57とその反射端R1、光ファイバ58とその反射端R2および光ファイバ53、54とフォトダイオード45からなり、反射端R1と反射端R2のファィバ長差(光路長差)に応じたトリガを生成している。本実施例では、反射端R1と反射端R2のファイバ長差を200mとした。なお、このトリガは以下の方法で生成している。
In the OFDR measuring instrument of the configuration of this embodiment, the tunable laser 44 emits measurement light that is swept (monotonically increased or monotonously decreased) at a certain constant speed and in a certain wavelength range. In this example, measurement light was swept in a wavelength range of 1545 to 1555 nm at a speed of 10 nm / s.
The measurement light emitted from the tunable laser 44 enters the optical coupler 41, and the optical power is branched by the optical coupler 41 to enter the two optical interferometers.
One optical interferometer is composed of a fiber coupler 42, an optical fiber 57 and its reflection end R1, an optical fiber 58 and its reflection end R2, and optical fibers 53 and 54 and a photodiode 45. The fiber of the reflection end R1 and the reflection end R2 is provided. A trigger corresponding to the length difference (optical path length difference) is generated. In this embodiment, the fiber length difference between the reflection end R1 and the reflection end R2 is 200 m. This trigger is generated by the following method.

チューナブルレーザ44からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光が前記の光干渉計に入射すると、この測定光は反射端R1と反射端R2によって反射され、その干渉光がフォトダイオード45で計測される。フォトダイオード45の出力した電圧信号は、A/Dコンバータ64によりサンプリングされてデジタル信号に変換され、該デジタル信号がシステムコントローラ63に取り込まれて解析される。
チューナブルレーザ44から出射された測定光は一定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード45から出力される電圧信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。従って、ある一定の電圧値をしきい値とし、システムコントローラ63上で該しきい値を超えるタイミング(しきい値以下の値からしきい値を上回るタイミング、もしくは、しきい値以上の値からしきい値を下回るタイミング)でトリガを生成することで、生成されたトリガは、ある一定の光波数間隔となる。
なお、このトリガ発生方法は、チューナブルレーザ44の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。また、このトリガ発生方法でもチューナブルレーザ44の波長掃引の不安定性を取り除けない場合は、先の特許文献1に記載されているような波長補正用のFBGを用いても良い。(ただし、このFBGから温度補正は行わない。)
When measurement light swept from the tunable laser 44 at a certain speed and in a certain wavelength range is incident on the optical interferometer, the measurement light is reflected by the reflection end R1 and the reflection end R2, and the interference light is reflected by the photodiode. Measured at 45. The voltage signal output from the photodiode 45 is sampled and converted into a digital signal by the A / D converter 64, and the digital signal is taken into the system controller 63 and analyzed.
Since the wavelength of the measurement light emitted from the tunable laser 44 changes at a constant speed, the voltage signal output from the photodiode 45 becomes a sine function that varies at constant light wave number intervals. Therefore, a certain voltage value is set as a threshold, and the timing at which the threshold is exceeded on the system controller 63 (the timing at which the threshold is exceeded from the value below the threshold or the value above the threshold is set). By generating a trigger at a timing (below the threshold value), the generated trigger has a certain light wave number interval.
This trigger generation method is very effective in that the interval of light wave numbers generated by the trigger is always constant even when the sweep speed of the tunable laser 44 is not constant. Further, when the instability of the wavelength sweep of the tunable laser 44 cannot be removed even by this trigger generation method, an FBG for wavelength correction as described in Patent Document 1 may be used. (However, temperature correction is not performed from this FBG.)

他方の光干渉計は、フォトダイオード43、光ファイバ59とその反射端R3、光ファイバセンサ20および光ファイバ55、56とフォトダイオード46からなる。この光干渉計では、光ファイバセンサ20からのブラッグ反射光と反射端R3からの参照光との千渉光がフォトダイオード46に入射する。
ここで光ファイバセンサ20からの反射光は、主にOFDR方式の計測器と接続したFC/PCコネクタ25、ひずみ検知用のセンサとなるFBG22および温度検知用のセンサとなる光ファイバ23の端末FC/PCコネクタ26の3箇所を起点としたものである。
The other optical interferometer includes a photodiode 43, an optical fiber 59 and its reflection end R 3, an optical fiber sensor 20, optical fibers 55 and 56, and a photodiode 46. In this optical interferometer, the interference light of the Bragg reflected light from the optical fiber sensor 20 and the reference light from the reflection end R 3 is incident on the photodiode 46.
Here, the reflected light from the optical fiber sensor 20 mainly includes an FC / PC connector 25 connected to an OFDR measuring instrument, an FBG 22 serving as a strain detection sensor, and a terminal FC of the optical fiber 23 serving as a temperature detection sensor. / Starts at three locations of the PC connector 26.

本実施例の光干渉計において、フォトダイオード46に入射する光干渉信号Dは、それぞれ以下の(1)式で表される。
=RFBG cos (k2nLFBG) + Rconnect cos (k2nLconnect) …(1)式
ただし、OFDR方式の計測器と接続したFC/PCコネクタ25と反射端R3とによる干渉光は、本発明で利用しないので無視する。
ここで、RFBGはFBG22と反射端R3の干渉光強度、Rconnectは温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23の端末FC/PCコネクタ26と反射端R3の干渉光強度、kは波数、nはSMファイバの実効屈折率、LFBGはFBG22と反射端R3のファイバ長差、Lconnectは温度検知用センサ部31となる光ファイバ23の端末FC/PCコネクタ26と反射端R3のファイバ長差を示す。本実施例では、LFBGを約2m、Lconnectを約42mとした。つまり、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23のファイバ長は約40mである。
The optical interferometer of the present embodiment, the optical interference signal D 2 that enters the photodiode 46, are expressed by the following equation (1).
D 2 = R FBG cos (k2nL FBG ) + R connect cos (k2nL connect ) (1) However, the interference light by the FC / PC connector 25 connected to the measuring instrument of the OFDR system and the reflection end R3 is the present invention. Ignore it because it is not used in.
Here, R FBG is the interference light intensity between the FBG 22 and the reflection end R3, R connect is the interference light intensity between the terminal FC / PC connector 26 and the reflection end R3 of the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31, and k is the wave number. , N is the effective refractive index of the SM fiber, L FBG is the fiber length difference between the FBG 22 and the reflection end R3, and L connect is the fiber of the terminal FC / PC connector 26 and the reflection end R3 of the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31. Indicates the length difference. In this embodiment, L FBG is about 2 m and L connect is about 42 m. That is, the fiber length of the optical fiber 23 serving as the temperature detecting sensor unit 31 is about 40 m.

次いで、得られた光干渉信号Dをシステムコントローラ63にてSTFT解析することにより、RFBG、RconnectとnLFBG 、nLconnect を求める。ここでnLFBG、nLconnectは、光ファイバの実効屈折率に光ファイバ長を乗じたものであるので、光路長を示している。本実施例では、得られた光干渉信号を約40ms間隔(チューナブルレーザ44を10nm/sの速度で掃引しているので、波長に換算すると約400pm間隔)に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを16ビット(216)に割り当てて解析した。なお、チューナブルレーザ44の掃引速度が一定でない場合は、ある一定の時間間隔ではなく、ある一定の光波数間隔(つまり、ある一定の波長間隔)に相当するウインドウ幅で解析しても良い。最後にnに既知の値を代入することにより光ファイバ長差LFBG、Lconnectを求める。本実施例では、用いたSMファイバの代表的な値であるn=1.44772を使用した。 Then, by STFT analysis of the obtained optical interference signal D 2 by the system controller 63, R FBG, R connect and nL FBG, seek nL the connect. Here, nL FBG and nL connect indicate the optical path length because they are the effective refractive index of the optical fiber multiplied by the optical fiber length. In the present embodiment, the obtained optical interference signal is extracted with a window width corresponding to an interval of about 40 ms (the tunable laser 44 is swept at a speed of 10 nm / s, so that the wavelength is converted to a wavelength of about 400 pm). The data was assigned to 16 bits (2 16 ) and analyzed. When the sweep speed of the tunable laser 44 is not constant, the analysis may be performed with a window width corresponding to a certain light wave number interval (that is, a certain wavelength interval) instead of a certain time interval. Finally, a known value is substituted for n to obtain optical fiber length differences L FBG and L connect . In this example, n = 1.44772, which is a typical value of the used SM fiber, was used.

この実施例のOFDR方式の計測器を用いて温度ひずみセンサの状態を計測した結果を図5と図6に示す。なお、このときの検知部は20℃、0με(無ひずみ状態)であった。本実施例の計測器では、FBG22からのブラッグ反射光および光ファイバ23の端末からの反射光をスペクトログラムで表示する。
図5と図6に示すスペクトログラムは、横軸が波長、縦軸がファイバ位置(反射端R3を有する光ファイバの長さに相当する位置からのファイバ長差)、色調が反射強度を示す。図5においては、D信号を解析した結果のうちファイバ位置1.9〜2.1mの範囲を表示したものであり、図6はD信号を解析した結果のうちファイバ位置42.0〜42.2mの範囲を表示したものである。
図5に得られた全長98mmの反射がFBG22によるものであり、図6に得られた広波長帯域の反射が光ファイバ23の端末のFC/PCコネクタ26によるものである。FBG22による反射は1549.52nmで最大強度を示したので、該波長がブラッグ波長である。また、この計測結果よりFBG22とFC/PCコネクタ26とのファイバ長差は40.0050mであることがわかった(この値をFBG22末端からFC/PCコネクタ26までの距離と定義する)。
The results of measuring the state of the temperature strain sensor using the OFDR measuring instrument of this example are shown in FIGS. In addition, the detection part at this time was 20 degreeC and 0 microepsilon (no distortion state). In the measuring instrument of the present embodiment, the Bragg reflected light from the FBG 22 and the reflected light from the end of the optical fiber 23 are displayed as spectrograms.
In the spectrograms shown in FIGS. 5 and 6, the horizontal axis indicates the wavelength, the vertical axis indicates the fiber position (fiber length difference from the position corresponding to the length of the optical fiber having the reflection end R3), and the color tone indicates the reflection intensity. FIG. 5 shows a range of fiber positions 1.9 to 2.1 m among the results of analyzing the D 2 signal, and FIG. 6 shows fiber positions 42.0 to of the results of analyzing the D 2 signal. The range of 42.2m is displayed.
The reflection of 98 mm in total length obtained in FIG. 5 is due to the FBG 22, and the reflection in the wide wavelength band obtained in FIG. 6 is due to the FC / PC connector 26 at the end of the optical fiber 23. Since the reflection by the FBG 22 showed the maximum intensity at 1549.52 nm, the wavelength is the Bragg wavelength. Further, it was found from this measurement result that the fiber length difference between the FBG 22 and the FC / PC connector 26 is 40.050 m (this value is defined as the distance from the end of the FBG 22 to the FC / PC connector 26).

次に本発明の光ファイバセンサ20により計測方法について更に説明する。
以下の説明において、光ファイバセンサ20で計測した上記の検知部の状態を基準温度(20℃)、基準ひずみ(0με)とする。
本実施例の光ファイバセンサ20では、最初に温度検知用のセンサ部となる光ファイバ23のOFDR方式の計測器で表される光ファイバ長から温度を計測する。例えば、基準温度では上記の通り40.0050mである。この光ファイバ長を基準光ファイバ長としたとき、本実施例のOFDR方式の計測器における検知部の温度変化にともなう光ファイバ長の変化量の関係は光ファイバ長に依存する。
図7は、OFDR方式の計測器における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係を示すグラフである。この光ファイバ長変化は、光ファイバの実効屈折率の温度依存性および熱膨張による光ファイバ伸び、すなわち光路長変化に依存するものである。これらによる光ファイバ長の変化量は、同種の光ファイバに作製したFBGの温度変化によるブラッグ波長のシフト量から求めることができる。図8は、温度変化によるFBGのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。
Next, a measuring method using the optical fiber sensor 20 of the present invention will be further described.
In the following description, the state of the detection unit measured by the optical fiber sensor 20 is defined as a reference temperature (20 ° C.) and a reference strain (0 με).
In the optical fiber sensor 20 of the present embodiment, the temperature is first measured from the length of the optical fiber represented by the OFDR measuring instrument of the optical fiber 23 that is a sensor unit for temperature detection. For example, the reference temperature is 40.050 m as described above. When this optical fiber length is defined as the reference optical fiber length, the relationship of the change amount of the optical fiber length with the temperature change of the detection unit in the OFDR measuring instrument of the present embodiment depends on the optical fiber length.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the temperature of the detector and the change in optical fiber length in the OFDR measuring instrument. This change in the optical fiber length depends on the temperature dependence of the effective refractive index of the optical fiber and the elongation of the optical fiber due to thermal expansion, that is, the change in the optical path length. The change amount of the optical fiber length due to these can be obtained from the shift amount of the Bragg wavelength due to the temperature change of the FBG manufactured in the same type of optical fiber. FIG. 8 is a graph showing the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG due to temperature change.

図8において、FBGのブラッグ波長は以下の(2)式で表される。
λ=2nΛ … (2)式
ただし、(2)式において、λはFBGのブラッグ波長、n は光ファイバの屈折率、Λは屈折率変化の周期を示す。
(2)式において、FBGが温度変化すると、光ファイバの実効屈折率の温度依存性によりnが変化し、光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びによりΛが変化することになる。つまり、図8は、(2)式におけるnとΛの変化の総量をFBGの中心波長シフト量として求めた結果である。
一方、OFDR方式の計測器で求める光ファイバ長は、ある一定のnから光ファイバ長LFBG、Lconnectを計算するので、nの変化による光路長変化も光ファイバの熱膨張によるファイバ伸びとみなして計算していることになる。つまり、図7は、nとLFBG、Lconnectの変化の総量をLFBG、Lconnectのみの変化として計算した結果である。
In FIG. 8, the Bragg wavelength of the FBG is expressed by the following equation (2).
λ B = 2nΛ (2) where λ B is the Bragg wavelength of FBG, n Represents the refractive index of the optical fiber, and Λ represents the period of refractive index change.
In equation (2), when FBG changes in temperature, n changes due to the temperature dependence of the effective refractive index of the optical fiber, and Λ changes due to fiber elongation due to thermal expansion of the optical fiber. That is, FIG. 8 shows the result of obtaining the total amount of change of n and Λ in the equation (2) as the central wavelength shift amount of the FBG.
On the other hand, since the optical fiber length L FBG and L connect are calculated from a certain n, the optical fiber length calculated by the OFDR measuring instrument is regarded as the fiber elongation due to the thermal expansion of the optical fiber. Will be calculated. That is, FIG. 7 shows the result of calculating the total amount of changes in n, L FBG , and L connect as changes only in L FBG and L connect .

図7における検知部の温度と光ファイバ長変化の関係は(3)式で表される。
ΔL=6.4536×10−6・ΔT・L …(3)式
ここで、ΔLはOFDR方式の計測器で計算される光ファイバ長変化(mm)、ΔTは検知部温度と基準温度の差(℃)、Lは光ファイバ長(mm)を示す。係数6.4536×10−6は、使用したSMファイバの単位温度変化あたりの光路長変化量示すものであり、光ファイバ毎に違う値となる。
本実施例の光ファイバセンサでは、OFDR方式の計測器を用いて温度検知用のセンサ部となる光ファイバ23のファイバ長変化を計測し、該計測を(3)式に代入してΔTを求めることにより検知部の温度を計測する。
The relationship between the temperature of the detection unit and the change in optical fiber length in FIG.
ΔL = 6.4536 × 10 −6 · ΔT · L (3) where ΔL is the change in optical fiber length (mm) calculated by the OFDR measuring instrument, and ΔT is the difference between the detector temperature and the reference temperature. (° C.) and L indicate the optical fiber length (mm). The coefficient of 6.4536 × 10 −6 indicates the amount of change in the optical path length per unit temperature change of the used SM fiber, and has a different value for each optical fiber.
In the optical fiber sensor of the present embodiment, an OFDR type measuring instrument is used to measure the change in the fiber length of the optical fiber 23 serving as a temperature detection sensor unit, and ΔT is obtained by substituting the measurement into equation (3). Thus, the temperature of the detection unit is measured.

次に、ひずみ検知用のセンサ部30となるFBGのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみ計測を行う。なお、光ファイバ長の変化から求めた温度変化におけるFBGのブラッグ波長のシフト量は、図8から求めることができる。図9は、ひずみ変化によるFBGのブラッグ波長のシフト量を示すグラフである。   Next, strain measurement is performed by subtracting the Bragg wavelength shift amount corresponding to the temperature change measured by the temperature detection sensor from the Bragg wavelength shift amount of the FBG serving as the strain detection sensor unit 30. Note that the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG in the temperature change obtained from the change in the optical fiber length can be obtained from FIG. FIG. 9 is a graph showing the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG due to the strain change.

図9において、ひずみ変化によるブラッグ波長のシフト量は以下の(4)式で表される。
Δλ=1.1206・ε …(4)式
ここで、Δλは、ひずみによるブラッグ波長のシフト量(nm)、εはひずみ量(με)を示す。係数1.1206は、使用したSMファイバの単位ひずみ量あたりのブラッグ波長シフト量を示すものであり、光ファイバ毎に異なる値となる。
In FIG. 9, the shift amount of the Bragg wavelength due to the strain change is expressed by the following equation (4).
Δλ B = 1.1206 · ε (4)
Here, Δλ B is the Bragg wavelength shift amount (nm) due to strain, and ε is the strain amount (με). The coefficient 1.1206 indicates the Bragg wavelength shift amount per unit strain amount of the used SM fiber, and has a different value for each optical fiber.

以上の演算処理を行うことで、本発明の光ファイバセンサ20を用いて検知部の温度とひずみを計測することが可能となる。なお、これらの演算は本実施例に記載のOFDR方式の計測器に備えるシステムコントローラ63を用いて簡単に行うことができる。   By performing the above arithmetic processing, it is possible to measure the temperature and strain of the detection unit using the optical fiber sensor 20 of the present invention. These calculations can be easily performed using the system controller 63 provided in the OFDR measuring instrument described in the present embodiment.

なお、一般的なひずみセンシングにおいて要求されるひずみの計測精度は10με程度である。つまり、ひずみ変化によるFBGのブラッグ波長シフト量は約0.01nmの精度で計測できる必要がある。また、FBGのブラッグ波長が0.01nmシフトする温度変化量は約1℃である。つまり、1℃の精度で温度計測して温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を差し引いてひずみを計測することにより、要求されるひずみの計測精度を満たすことができる。   The strain measurement accuracy required in general strain sensing is about 10 με. That is, the Bragg wavelength shift amount of the FBG due to the strain change needs to be able to be measured with an accuracy of about 0.01 nm. Further, the temperature change amount by which the Bragg wavelength of the FBG is shifted by 0.01 nm is about 1 ° C. That is, by measuring the temperature with an accuracy of 1 ° C. and subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the temperature change, the strain can be measured to satisfy the required strain measurement accuracy.

本実施例では、OFDR方式の計測器で得られた光干渉信号を約40ms間隔に相当するウインドウ幅で抜き出されたデータを16ビットに割り当てて解析しているが、このときのスペクトログラムは、波長0.0011nm刻み、ファイバ位置0.24mm刻みで得られる。本発明の光ファイバセンサにおいて1℃の精度で温度計測するには、検知部の温度が1℃変化するとファイバ長が0.24mm以上変化する必要があり、先の(3)式からそのときに必要なファイバ長は40m以上となる。
温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23が40m以上のとき、温度変化によるブラッグ波長シフト量を差引いてひずみ計測すると0.01nmの精度でひずみ変化によるFBG22のブラッグ波長シフト量を計測することができる。つまり、本発明の光ファイバセンサ20において、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23は40m以上とすることが望ましい。
In this embodiment, the optical interference signal obtained by the OFDR measuring instrument is analyzed by assigning data extracted at a window width corresponding to an interval of about 40 ms to 16 bits. The spectrogram at this time is The wavelength is obtained in increments of 0.0011 nm and fiber positions in increments of 0.24 mm. In order to measure the temperature with an accuracy of 1 ° C. in the optical fiber sensor of the present invention, the fiber length needs to change by 0.24 mm or more when the temperature of the detection unit changes by 1 ° C. The required fiber length is 40 m or more.
When the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31 is 40 m or longer, if the strain is measured by subtracting the Bragg wavelength shift amount due to temperature change, the Bragg wavelength shift amount of the FBG 22 due to strain change is measured with an accuracy of 0.01 nm. Can do. That is, in the optical fiber sensor 20 of the present invention, it is desirable that the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31 be 40 m or longer.

このように、温度検知用のセンサ部31となる光ファイバ23の長さは、計測器の光ファイバ位置計測分解能によって決まる。より具体的には、計測器の光ファイバ位置計測分解能が高いほど必要な光ファイバの長さは短くなる。OFDR方式の計測器は0.24mm刻みと非常に高いファイバ位置計測分解能有するために本発明の光ファイバセンサ20を計測する手段として非常に有効である。   As described above, the length of the optical fiber 23 serving as the temperature detection sensor unit 31 is determined by the optical fiber position measurement resolution of the measuring instrument. More specifically, the higher the optical fiber position measurement resolution of the measuring instrument, the shorter the required optical fiber length. Since the OFDR type measuring instrument has a very high fiber position measuring resolution of 0.24 mm, it is very effective as a means for measuring the optical fiber sensor 20 of the present invention.

なお、本発明の第1実施例ではOFDR方式の計測器に1つの光ファイバセンサ(温度ひずみセンサ)20を接続した例を示したが、光ファイバセンサ20を連設してOFDR方式の計測器に複数の光ファイバセンサ20を接続しても構わない。
係る構成において、OFDR方式の計測器に接続される光ファイバセンサ20を第1の光ファイバセンサとし、第1の光ファイバセンサに連設される光ファイバセンサを第2の光ファイバセンサとすると、第2の光ファイバセンサは、ひずみ検知用のセンサとなるFBG22に連設された接続点を第1の光ファイバセンサ20における温度検知用の光ファイバ23の端末の反射点に接続することが望ましい。
即ち、本発明の第1実施例における光ファイバセンサ20では、第1の光ファイバセンサと第2の光ファイバセンサがFC/PCコネクタで接続されることとなる。このFC/PCコネクタ接続点の反射率は0.01%であり、OFDR方式の計測器で反射点として計測することができる。つまり、第2の光ファイバセンサを接続しても第1の光ファイバセンサ20における温度変化を計測することが可能である。このように、本発明の光ファイバセンサおよびその計測方法によると、複数の光ファイバセンサを同時に計測することも可能となる。
In the first embodiment of the present invention, an example is shown in which one optical fiber sensor (temperature strain sensor) 20 is connected to an OFDR measuring instrument. However, an OFDR measuring instrument is provided by connecting the optical fiber sensor 20 in series. A plurality of optical fiber sensors 20 may be connected.
In such a configuration, when the optical fiber sensor 20 connected to the OFDR measuring instrument is the first optical fiber sensor, and the optical fiber sensor connected to the first optical fiber sensor is the second optical fiber sensor, In the second optical fiber sensor, it is desirable to connect the connection point connected to the FBG 22 serving as a strain detection sensor to the reflection point of the end of the temperature detection optical fiber 23 in the first optical fiber sensor 20. .
That is, in the optical fiber sensor 20 in the first embodiment of the present invention, the first optical fiber sensor and the second optical fiber sensor are connected by the FC / PC connector. The reflectance of this FC / PC connector connection point is 0.01%, and can be measured as a reflection point with an OFDR measuring instrument. That is, it is possible to measure a temperature change in the first optical fiber sensor 20 even if the second optical fiber sensor is connected. Thus, according to the optical fiber sensor and the measurement method of the present invention, it is possible to simultaneously measure a plurality of optical fiber sensors.

本実施形態の光ファイバセンサは、コネクタを用いて複数の光ファイバセンサを連設しているので、多点にわたる温度とひずみのセンシングが容易である。また、コネクタの着脱によってセンシングしたい点数の調整が容易である。
以上説明した本発明に係る光ファイバセンサは、OFDR方式で計測する点で特許文献1に記載の技術と同等であるが、FBGのブラッグ波長のシフト量から温度変化を計測するのではなく、光ファイバの光路長の変化から温度変化を計測する点で特許文献1に記載の技術とは異なる発明であるといえる。
また、光ファイバ端面に形成した反射部を利用して物理量を計測する点が、特許文献2に記載の技術と同等であるが、特許文献2に記載の技術では、ひずみ(人物の通過)を定性的に計測する手段であり、本発明は温度変化を定量的に計測する手段であることから、これらは異なる発明である。これは、すでに説明したそれぞれの計測方式を鑑みても明白である。
Since the optical fiber sensor of the present embodiment has a plurality of optical fiber sensors connected in series using a connector, it is easy to sense temperature and strain across multiple points. In addition, the number of points to be sensed can be easily adjusted by attaching / detaching the connector.
The optical fiber sensor according to the present invention described above is the same as the technique described in Patent Document 1 in that the measurement is performed by the OFDR method, but the temperature change is not measured from the shift amount of the Bragg wavelength of the FBG. It can be said that the invention differs from the technique described in Patent Document 1 in that the temperature change is measured from the change in the optical path length of the fiber.
Moreover, although the point which measures a physical quantity using the reflection part formed in the optical fiber end surface is equivalent to the technique of patent document 2, in the technique of patent document 2, distortion (passage of a person) is carried out. Since these are means for qualitative measurement and the present invention is a means for quantitatively measuring temperature changes, these are different inventions. This is clear even in view of each measurement method already described.

図1は本発明に係る光ファイバセンサの基本構造を示す構成図。FIG. 1 is a block diagram showing the basic structure of an optical fiber sensor according to the present invention. 図2は図1に示す光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の第1の実施形態を示す構成図。FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of an optical fiber sensor device including the optical fiber sensor illustrated in FIG. 1. 図3は図1に示す光ファイバセンサを面状体上に取り付けた状態を示す構成図。FIG. 3 is a configuration diagram showing a state where the optical fiber sensor shown in FIG. 1 is mounted on a planar body. 図4は図3に示す光ファイバセンサを備えた光ファイバセンサ装置の第1実施例を示す構成図。FIG. 4 is a block diagram showing a first embodiment of an optical fiber sensor device including the optical fiber sensor shown in FIG. 図5は実施例において得られたファイバ位置1.9〜2.1mにおける解析結果のスペクトログラムを示す図。FIG. 5 is a diagram showing a spectrogram of analysis results at fiber positions 1.9 to 2.1 m obtained in the example. 図6は実施例において得られたファイバ位置42.0〜42.2mにおける解析結果のスペクトログラムを示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a spectrogram of an analysis result obtained at the fiber positions of 42.0 to 42.2 m obtained in the example. 図7は実施例に用いた光ファイバの温度変化に対する光路長変化を光ファイバ長変化にみなした際の関係を示す図。FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship when an optical path length change with respect to a temperature change of the optical fiber used in the example is regarded as an optical fiber length change. 図8は実施例に用いた光ファイバに形成したFBGの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性を示す図。FIG. 8 is a diagram showing a Bragg wavelength shift characteristic with respect to a temperature change of the FBG formed in the optical fiber used in the example. 図9は実施例に用いた光ファイバに形成したFBGのひずみ変化に対するブラッグ波長のシフト特性を示す図。FIG. 9 is a diagram showing a shift characteristic of the Bragg wavelength with respect to a change in strain of the FBG formed in the optical fiber used in the example.

符号の説明Explanation of symbols

S、20…光ファイバセンサ、1、22…ファイバブラッググレーティング(FBG)、3、30…ひずみ検知用のセンサ部、5、23…光ファイバ、6、26…反射部、7、31…温度検知用のセンサ部、10、40…光ファイバセンサ装置、11、41、42、43…光カプラ、12、44…チューナブルレーザ(波長可変光源)、13、45、46…フォトダイオード(受光器)、16、R3…参照用反射端、14、15、17、18、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60…光ファイバ、21…金属薄板、25、26…FC/PCコネクタ、27…ルースチューブ、33…ポリイミド樹脂の接着層、33a…接着層。   S, 20 ... Optical fiber sensor, 1, 22 ... Fiber Bragg grating (FBG), 3, 30 ... Sensor unit for strain detection, 5, 23 ... Optical fiber, 6, 26 ... Reflection unit, 7, 31 ... Temperature detection Sensor unit 10, 40 ... optical fiber sensor device 11, 41, 42, 43 ... optical coupler, 12, 44 ... tunable laser (wavelength variable light source), 13, 45, 46 ... photodiode (receiver) , 16, R3 ... Reflection end for reference, 14, 15, 17, 18, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60 ... Optical fiber, 21 ... Metal thin plate, 25, 26 ... FC / PC connector, 27 ... loose tube, 33 ... polyimide resin adhesive layer, 33a ... adhesive layer.

Claims (10)

光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長のシフト量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサ装置であって、
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部とを具備した光ファイバセンサと、参照用反射端と、光源と、受光器とが備えられ、
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
Using the fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, the position of the sensor is specified from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, and An optical fiber sensor device applied to an optical frequency domain reflection measurement method for measuring distortion of a sensor unit from a shift amount of a wavelength of Bragg reflected light from a sensor,
A sensor unit for strain detection made of a fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber, and a temperature detection optical fiber made of a temperature detection optical fiber connected to the sensor unit for strain detection and provided with a reflection part at the end. An optical fiber sensor comprising a sensor unit, a reference reflection end, a light source, and a light receiver,
When measuring the temperature change from the change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part, the reflected light from the reflecting part provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part and the reference using a periodic variation of the interference intensity of the reflected light from the reflecting end, the identify the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit for temperature detection, to measure the optical path length of the optical fiber, this The temperature change is measured from the change amount of the optical path length, and the strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change from the shift amount of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. An optical fiber sensor device.
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長が40m以上であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ装置。  The optical fiber sensor device according to claim 1, wherein a fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor unit is 40 m or more. 前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバがチューブに遊挿されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバセンサ装置。  The optical fiber sensor device according to claim 1, wherein an optical fiber serving as the temperature detection sensor unit is loosely inserted into a tube. 前記ひずみ検知用のセンサ部となるファイバブラッググレーティングと、温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端あるいは両端が面状体に取り付けられてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光ファイバセンサ装置。  4. The fiber Bragg grating as the strain detection sensor part and one or both ends of an optical fiber as the temperature detection sensor part are attached to a planar body. 2. An optical fiber sensor device according to item 1. 前記面状体が金属薄板であることを特徴とする請求項4に記載の光ファイバセンサ装置。  The optical fiber sensor device according to claim 4, wherein the planar body is a thin metal plate. 前記ひずみ検知用のセンサ部となるファイバブラッググレーティングの一端部あるいは両端部と、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバの一端部あるいは両端部が、接着層により前記面状体に固定されてなることを特徴とする請求項4または5に記載の光ファイバセンサ装置。  One end portion or both end portions of the fiber Bragg grating serving as the strain detection sensor portion and one end portion or both end portions of the optical fiber serving as the temperature detection sensor portion are fixed to the planar body by an adhesive layer. The optical fiber sensor device according to claim 4 or 5, wherein: 前記ひずみ検知用のセンサ部と温度検知用のセンサ部を備えた光ファイバセンサが、複数、コネクタを介し連接され、これら連接された複数の光ファイバセンサが個々にひずみと温度を計測することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。  A plurality of optical fiber sensors including the strain detecting sensor unit and the temperature detecting sensor unit are connected via a connector, and the connected optical fiber sensors individually measure strain and temperature. The optical fiber sensor device according to any one of claims 1 to 6. 前記光ファイバの光路長の計測結果を基に、温度検知用のセンサとなる光ファイバの光路長の変化から温度変化量を計測するとともに、ひずみ検知用のセンサとなるファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から温度検知用のセンサとなる光ファイバで計測した温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算してひずみを測定する制御装置が、前記受光器と前記光源に接続した状態で設けられてなることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。  Based on the measurement result of the optical path length of the optical fiber, the temperature change amount is measured from the change in the optical path length of the optical fiber serving as the temperature detection sensor, and the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating serving as the strain detection sensor is measured. A control device for measuring strain by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the temperature change measured by the optical fiber serving as a temperature detection sensor from the shift amount is provided in a state of being connected to the light receiver and the light source. The optical fiber sensor device according to claim 1, wherein the optical fiber sensor device is an optical fiber sensor device. 請求項1〜8のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置を用い、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測し、ひずみ検知用のセンサとなるファイバブラッググレーティングのブラッグ反射波長のシフト量から温度検知用センサ部で計測した温度変化によるブラッグ反射波長のシフト量を減算してひずみを計測することを特徴とする温度とひずみの計測方法。  A fiber that uses the optical fiber sensor device according to any one of claims 1 to 8 to measure a temperature change from a change amount of a fiber length of the optical fiber that becomes the temperature detection sensor unit, and that becomes a strain detection sensor A temperature and strain measuring method, comprising: subtracting a shift amount of a Bragg reflection wavelength due to a temperature change measured by a temperature detection sensor unit from a shift amount of a Bragg reflection wavelength of a Bragg grating to measure strain. 光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングをセンサとし、該センサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化から、前記センサの位置を特定するとともに、前記センサからのブラッグ反射光の波長の変化量からセンサ部のひずみを計測する光周波数領域反射測定方式に適用される光ファイバセンサであって、
光ファイバのコアに形成したファイバブラッググレーティングからなるひずみ検知用のセンサ部と、該ひずみ検知用のセンサ部に接続されてその端部に反射部を備えた温度検知用光ファイバからなる温度検知用のセンサ部が備えられ、
前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバのファイバ長の変化量から温度変化を計測するに際し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面に設けた反射部からの反射光と前記参照用反射端からの反射光の干渉強度の周期的変化を利用し、前記温度検知用のセンサ部となる光ファイバ端面の反射部位置を特定して、該光ファイバの光路長を計測し、この光路長の変化量から温度変化を計測し、前記ファイバブラッググレーティングのブラッグ波長のシフト量から前記計測された温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量を減算することによりひずみを計測することを特徴とする光ファイバセンサ。
Using the fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber as a sensor, the position of the sensor is specified from the periodic change in the interference intensity of the Bragg reflected light from the sensor and the reflected light from the reference reflection end, and An optical fiber sensor applied to an optical frequency domain reflection measurement method for measuring a strain of a sensor unit from a change in wavelength of Bragg reflected light from a sensor,
A sensor unit for strain detection made of a fiber Bragg grating formed in the core of the optical fiber, and a temperature detection optical fiber made of a temperature detection optical fiber connected to the sensor unit for strain detection and provided with a reflection part at the end. The sensor part is provided,
When measuring the temperature change from the change in the fiber length of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part, the reflected light from the reflecting part provided on the end face of the optical fiber serving as the temperature detecting sensor part and the reference using a periodic variation of the interference intensity of the reflected light from the reflecting end, the identify the reflection portion position of the optical fiber end face serving as a sensor unit for temperature detection, to measure the optical path length of the optical fiber, this The temperature change is measured from the change amount of the optical path length, and the strain is measured by subtracting the shift amount of the Bragg wavelength corresponding to the measured temperature change from the shift amount of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating. Optical fiber sensor.
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