JP2000221011A - Optical fiber type strain gage - Google Patents

Optical fiber type strain gage

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JP2000221011A
JP2000221011A JP11025601A JP2560199A JP2000221011A JP 2000221011 A JP2000221011 A JP 2000221011A JP 11025601 A JP11025601 A JP 11025601A JP 2560199 A JP2560199 A JP 2560199A JP 2000221011 A JP2000221011 A JP 2000221011A
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optical fiber
strain gauge
specimen
base material
type strain
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JP11025601A
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Taro Uesugi
太郎 上杉
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Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
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Kyowa Electronic Instruments Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To facilitate adjustment concerned in manufacture, enhance workability, cope with various samples with common simple constitution, and facilitate temperature compensation to provide high precision. SOLUTION: An optical fiber 11 and a reflection member 12 are opposed with a prescribed gap length G on a common axis to be fixed thick wall parts 13b, 13c of a base material 13. This optical fiber type strain gage is weldedly fixed to a sample by spot welding in plural points in a portion along the vicinity of the boundary line between the thick wall parts 13b, 13c of the base material 13 to be used.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ひずみ検出部に光
ファイバを用いた光ファイバ式ひずみゲージに係り、特
に供試体に対する光ファイバセンシング部の接合方式お
よび温度補償の改善を図った光ファイバ式ひずみゲージ
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber type strain gauge using an optical fiber for a strain detecting section, and more particularly to an optical fiber type strain gauge for improving a joining method of an optical fiber sensing section to a specimen and a temperature compensation. Related to strain gauges.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体の変形等のひずみを計測するひずみ
ゲージとしては、従来、変形により電気的特性、例えば
電気抵抗が変化する金属箔を用いるものが一般的であっ
た。このような金属箔による抵抗体ひずみゲージは、金
属箔をベース材に添着し、ひずみゲージパターンを形成
してなるひずみゲージを供試体に添着して用いる。供試
体に生じるひずみに基づくひずみゲージの電気抵抗等の
特性の変化を、ブリッジ回路等の電気回路により検出し
て、ひずみの大きさを計測する。供試体に種々の方向の
ひずみが生じる場合には、向きを異ならせて複数個のひ
ずみゲージを添着し、これらの検出情報を適宜解析する
ことにより、供試体に生じたひずみの方向および大きさ
を計測することができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a strain gauge for measuring a strain such as a deformation of an object, a strain gauge using a metal foil whose electric characteristics, for example, electric resistance changes due to deformation, has been generally used. Such a resistor strain gauge made of a metal foil is used by attaching a metal foil to a base material and attaching a strain gauge formed with a strain gauge pattern to a specimen. A change in characteristics such as electric resistance of the strain gauge based on the strain generated in the specimen is detected by an electric circuit such as a bridge circuit, and the magnitude of the strain is measured. When strains in various directions occur in the test specimen, a plurality of strain gauges are attached in different directions, and the detected information is appropriately analyzed to determine the direction and magnitude of the strain generated in the test specimen. Can be measured.

【0003】金属箔を用いたひずみゲージは、箔の厚さ
が数μm以下であり、極めて剛性が低いため、ベース材
および接着層が受け持つせん断力が小さくても供試体の
ひずみがほぼ完全に伝達されるという利点がある。とこ
ろが、このような金属箔による抵抗体ひずみゲージで
は、計測値を微弱な電気信号により検出するため、ひず
みゲージから計測回路に至る回路部分において電磁誘導
等による影響を受けることがある。したがって、例えば
供試体が強い電磁場の存在する環境下にある場合や、供
試体と計測回路との間の距離が長い場合等には、電磁誘
導の影響を受けて計測値が不正確になるおそれがあり、
その影響を除去するのが困難であった。
A strain gauge using a metal foil has a thickness of several μm or less and has extremely low rigidity, so that the strain of the specimen is almost completely reduced even if the shearing force applied to the base material and the adhesive layer is small. It has the advantage of being transmitted. However, in such a resistor strain gauge made of a metal foil, since a measurement value is detected by a weak electric signal, a circuit portion from the strain gauge to the measurement circuit may be affected by electromagnetic induction or the like. Therefore, for example, when the specimen is in an environment where a strong electromagnetic field exists, or when the distance between the specimen and the measurement circuit is long, the measurement value may be inaccurate due to the influence of electromagnetic induction. There is
It was difficult to eliminate that effect.

【0004】そこで、近年、電磁誘導による影響を受け
ることのないひずみゲージとして、光ファイバを用いて
光学的にひずみ検出を行う光ファイバ式ひずみゲージが
注目されつつある。この光ファイバ式ひずみゲージは、
例えば光ファイバの一端をギャップを存して、金属等か
らなるワイヤの一端に形成された反射面に対峙させたも
のである。このような構成においては、光ファイバの他
端から光を送出して、前記ワイヤの反射面により反射し
て戻る反射光の光量が、ひずみによる前記ギャップ部の
変位(間隔)に基づいて変動する。このギャップ部を介
して往復する光の光量を、前記光ファイバの他端におい
て検出することにより、前記ひずみの大きさを計測す
る。ここで、このひずみ計測の原理について説明する。
光ファイバ端面間に屈折率nの物質で満たされたギャッ
プG(ギャップ長=G)があるとき、光の波長をλおよ
び光ファイバ射出端におけるスポットサイズ(モードフ
ィールド径)をwとすると、光ファイバ間の結合効率η
は、数1であらわされる。
Therefore, in recent years, an optical fiber type strain gauge which optically detects a strain using an optical fiber has been receiving attention as a strain gauge which is not affected by electromagnetic induction. This optical fiber type strain gauge
For example, one end of an optical fiber has a gap and faces a reflection surface formed on one end of a wire made of metal or the like. In such a configuration, the amount of reflected light that is transmitted from the other end of the optical fiber and reflected by the reflecting surface of the wire fluctuates based on the displacement (interval) of the gap due to strain. . The magnitude of the distortion is measured by detecting the amount of light reciprocating through the gap at the other end of the optical fiber. Here, the principle of the strain measurement will be described.
When there is a gap G (gap length = G) filled with a substance having a refractive index n between the end faces of the optical fibers, if the wavelength of the light is λ and the spot size (mode field diameter) at the exit end of the optical fiber is w, the light Coupling efficiency between fibers η
Is represented by Equation 1.

【0005】[0005]

【数1】 (Equation 1)

【0006】数1は、図8のような光ファイバから光フ
ァイバへ光を入射させるときの式であるが、図9のよう
にミラーを用いて同じ光ファイバに再入射させるとき
は、ミラーでの反射率を100%と考えると、ギャップ
Gが2倍になるので、数2であらわされる。
Equation (1) is a formula when light is incident on an optical fiber from an optical fiber as shown in FIG. 8. When the light is re-entered on the same optical fiber using a mirror as shown in FIG. Assuming that the reflectance is 100%, the gap G is doubled.

【0007】[0007]

【数2】 よって、光ファイバから射出された光の強度をI0とす
ると、ミラーから戻り光ファイバへと再入射された光強
度IRの関係は、結合効率η=IR/I0であるから数3
であらわされる。
(Equation 2) Therefore, assuming that the intensity of the light emitted from the optical fiber is I 0 , the relationship of the light intensity I R re-incident from the mirror to the return optical fiber is as follows: coupling efficiency η = I R / I 0
It is represented by

【0008】[0008]

【数3】 すなわち、光ファイバへの入射光の光強度を一定に保つ
ようにすれば、戻り光の光強度を測定することにより、
ギャップGを計測することができることになる。
(Equation 3) That is, if the light intensity of the incident light to the optical fiber is kept constant, by measuring the light intensity of the return light,
The gap G can be measured.

【0009】本出願人は、先に、特開平10−1419
23号公報に示すような光ファイバ式ひずみゲージを提
案した。その特開平10−141923号公報による光
ファイバ式ひずみゲージは、図10に示すように、光フ
ァイバ1は、一端に、投光部および受光部が結合され
る。スリーブ2は、一端の開口部から光ファイバ1の他
端を挿入し、該光ファイバ1の先端が該スリーブ2の中
間位置近傍に達するようにした状態で、スリーブ2の前
記一端の開口部に光ファイバ1を封着する。反射部材3
は、ワイヤ部3aを突出させた段付き柱状の部材であ
る。この反射部材3のワイヤ部3aの先端に反射面を形
成する。ベース材4は、矩形板状の中央部に外形とほぼ
相似形の開口部4aが形成される。ベース材4に、光フ
ァイバ1を収容したスリーブ2および反射部材3が予め
接着固定される。スリーブ2の中空部内において、ワイ
ヤ部3aの先端の反射面が光ファイバ1の先端面に所定
間隙で対峙する。
[0009] The present applicant has previously disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-1419.
No. 23 has proposed an optical fiber type strain gauge. In the optical fiber type strain gauge disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-141923, as shown in FIG. 10, an optical fiber 1 has a light projecting unit and a light receiving unit coupled to one end. The other end of the optical fiber 1 is inserted through the opening at one end of the sleeve 2, and the end of the optical fiber 1 reaches the vicinity of the intermediate position of the sleeve 2. The optical fiber 1 is sealed. Reflective member 3
Is a stepped columnar member with a protruding wire portion 3a. A reflecting surface is formed at the tip of the wire portion 3a of the reflecting member 3. The base member 4 has an opening 4a having a shape substantially similar to the outer shape at the center of the rectangular plate. The sleeve 2 containing the optical fiber 1 and the reflecting member 3 are bonded and fixed to the base member 4 in advance. In the hollow portion of the sleeve 2, the reflecting surface at the distal end of the wire portion 3 a faces the distal end surface of the optical fiber 1 with a predetermined gap.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】光ファイバ式ひずみゲ
ージは、上述したように、金属箔を用いた抵抗体ひずみ
ゲージに比して、電磁誘導による影響を受けないという
大きな長所があるが、高い剛性を有しているため、ひず
み伝達上の損失が大きい。また、光ファイバ式ひずみゲ
ージは、各構成要素間の接合部のせん断応力に起因し
て、ベース材および接着部に生ずる粘弾性挙動による問
題もある。さらに、接合に際しての作業性にも問題があ
り、良好な特性を得ることが容易ではない。しかも、光
ファイバ式ひずみゲージによる計測値は、ひずみのみな
らず温度によっても大きく変動するため、温度補償を適
切に行わねばならない。
As described above, the optical fiber type strain gauge has a great advantage in that it is not affected by electromagnetic induction as compared with the resistance type strain gauge using a metal foil. Due to the rigidity, the loss in strain transmission is large. Further, the optical fiber type strain gauge also has a problem due to viscoelastic behavior generated in the base material and the bonding portion due to the shear stress at the joint between the components. Further, there is a problem in workability at the time of joining, and it is not easy to obtain good characteristics. In addition, the measured value of the optical fiber type strain gauge fluctuates not only with strain but also with temperature, so that temperature compensation must be appropriately performed.

【0011】上述した特開平10−141923号公報
に示した光ファイバ式ひずみゲージは、簡単な構成で、
ひずみ伝達のロスが少なく、接着に係る作業性も比較的
良好で、高精度を得ることができ、温度変化の著しい環
境下においても、高精度を得ることができる。しかしな
がら、上述の特開平10−141923号公報の場合、
供試体5の材質が異なる場合、温度補償の調整に必要な
ワイヤ部3aを含む反射部材3の長さ寸法または材質が
相違する。したがって、適切な温度補償を行うために
は、供試体5の材質に応じて、ワイヤ部3aを含む反射
部材3の長さ寸法および材質の少なくとも一方を変化さ
せなければならず、供試体5の材質毎に特化した構成と
することが要求される。このため、種々の供試体材質
に、単なる調整のみで対応し得る汎用性を持った光ファ
イバ式ひずみゲージを構成することができない。
The optical fiber type strain gauge disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-141923 described above has a simple structure.
The loss of strain transmission is small, the workability related to bonding is relatively good, and high accuracy can be obtained, and high accuracy can be obtained even in an environment where temperature changes are remarkable. However, in the case of Japanese Patent Laid-Open No. 10-141923 described above,
When the material of the specimen 5 is different, the length dimension or the material of the reflecting member 3 including the wire portion 3a necessary for adjusting the temperature compensation is different. Therefore, in order to perform appropriate temperature compensation, it is necessary to change at least one of the length and the material of the reflecting member 3 including the wire portion 3a in accordance with the material of the specimen 5. It is required that the configuration be specialized for each material. For this reason, it is not possible to construct an optical fiber type strain gauge having versatility that can cope with various test specimen materials only by simple adjustment.

【0012】また、上記特開平10−141923号公
報では、小径のスリーブ2内に光ファイバ1を配置し、
該スリーブ2および反射部材3をベース材4に接着する
際の、光ファイバ1と反射部材3のワイヤ部3aの軸合
わせが容易ではない。本発明は、上述した事情に鑑みて
なされたもので、その第1の目的は、製造に係る調整が
容易で且つ作業性も良好で、各種供試体に対しても共通
の簡単な構成で対応することができ、高精度を得ること
ができる光ファイバ式ひずみゲージを提供することにあ
る。本発明の第2の目的は、特に、製造時の組立および
調整における作業性がよく、耐高温化も容易な光ファイ
バ式ひずみゲージを提供することにある。
In the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-141923, the optical fiber 1 is arranged in a small-diameter sleeve 2 and
When bonding the sleeve 2 and the reflecting member 3 to the base member 4, it is not easy to align the axis of the optical fiber 1 with the wire portion 3a of the reflecting member 3. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and a first object of the present invention is to provide easy adjustment in manufacturing and good workability, and to cope with various specimens with a common simple configuration. It is an object of the present invention to provide an optical fiber type strain gauge which can perform high accuracy. A second object of the present invention is to provide an optical fiber type strain gauge which has good workability particularly in assembling and adjusting at the time of manufacturing, and can easily withstand high temperatures.

【0013】本発明の第3の目的は、特に、製造時の組
立および調整における作業性が良好な光ファイバ式ひず
みゲージを提供することにある。本発明の第4の目的
は、特に、供試体への取付けにおける作業性がよく、取
付部において高いひずみ伝達率を得ることも可能な光フ
ァイバ式ひずみゲージを提供することにある。本発明の
第5の目的は、特に、製造時の温度補償に係る調整にお
ける作業性が極めて良好な光ファイバ式ひずみゲージを
提供することにある。
A third object of the present invention is to provide an optical fiber type strain gauge which has good workability particularly in assembly and adjustment at the time of manufacturing. A fourth object of the present invention is to provide an optical fiber type strain gauge which has good workability particularly in attaching to a test sample and can obtain a high strain transmission rate in an attaching portion. A fifth object of the present invention is to provide an optical fiber type strain gauge having extremely good workability particularly in adjustment relating to temperature compensation during manufacturing.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載した本発
明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、上述した目的を
達成するために、一端が投光および受光部に結合された
光ファイバと、前記光ファイバと先端に反射面を形成し
てなる細線状の反射部材と、ほぼ板状をなし、中央部を
欠除して開口部を形成し、且つ前記板状の板面に平行な
所定方向の中心軸線に沿う部分のみを、該板状の一方の
面側に膨出させて厚肉に形成し、該厚肉部を前記中心軸
線に沿って前記開口部内に相対向させて所定寸法突出さ
せるとともに、前記光ファイバおよび反射部材の各先端
を前記厚肉部の突出端面からさらに所定寸法突出させ、
前記反射部材の前記反射面を前記光ファイバの他端面に
所定寸法のギャップを存して対峙させた状態で、該光フ
ァイバおよび反射部材を前記厚肉部に埋設して固着支持
するとともに、前記板状の他方の面を供試体に当接し
て、前記厚肉部と薄肉の板状部分の境界部にて前記供試
体に溶接されるベース材と、を具備することを特徴とし
ている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical fiber strain gauge according to the present invention, comprising: an optical fiber having one end coupled to a light emitting and receiving part; A thin linear reflection member having a reflection surface formed at the tip of the optical fiber; a substantially plate-like shape; an opening formed by removing a central portion; and a predetermined parallel portion parallel to the plate-like plate surface. Only the portion along the central axis of the direction is bulged to one surface side of the plate to form a thick wall, and the thick portion is opposed to the inside of the opening along the central axis to have a predetermined size. While projecting, each tip of the optical fiber and the reflecting member is further projected from the projecting end face of the thick portion by a predetermined dimension,
In a state where the reflection surface of the reflection member is opposed to the other end surface of the optical fiber with a gap having a predetermined size, the optical fiber and the reflection member are embedded and fixedly supported in the thick portion, and And a base member which abuts the other surface of the plate on the specimen and is welded to the specimen at a boundary between the thick portion and the thin plate portion.

【0015】請求項2に記載した本発明に係る光ファイ
バ式ひずみゲージは、前記反射部材が、金属からなる金
属細線を含むことを特徴としている。請求項3に記載し
た本発明に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記ベー
ス材が、予め前記中心軸線に沿って前記他方の面側に溝
部を形成して構成され、該溝部内に前記光ファイバおよ
び反射部材を配置した状態で、該光ファイバおよび反射
部材を前記ベース材に固着したことを特徴としている。
請求項4に記載した本発明に係る光ファイバ式ひずみゲ
ージは、前記ベース材が、前記供試体にスポット溶接さ
れることを特徴としている。請求項5に記載した本発明
に係る光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部材を、
前記光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮
して、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存
する変動が相殺されるように、前記ベース材の前記厚肉
部の突出端面に対する突出寸法が設定されることを特徴
としている。
According to a second aspect of the present invention, in the optical fiber type strain gauge, the reflecting member includes a thin metal wire made of a metal. The optical fiber type strain gauge according to the present invention described in claim 3, wherein the base material is formed by forming a groove on the other surface side along the central axis in advance, and the optical fiber is formed in the groove. The optical fiber and the reflection member are fixed to the base material in a state where the reflection member is arranged.
The optical fiber type strain gauge according to the present invention described in claim 4 is characterized in that the base material is spot-welded to the specimen. The optical fiber strain gauge according to the present invention described in claim 5, wherein the reflecting member is
Taking into account the temperature dependence of the relative position with respect to the other end face of the optical fiber, the protruding end face of the thick portion of the base material so as to offset the temperature-dependent variation in the effective gauge length of the specimen. Is characterized in that a protruding dimension with respect to is set.

【0016】[0016]

【作用】すなわち、本発明に係る請求項1による光ファ
イバ式ひずみゲージは、一端が投光および受光部に結合
された光ファイバおよびほぼ同一の外径を有し且つ先端
に反射面を形成してなる細線状の反射部材を有し、ほぼ
板状をなし、中央部を欠除して開口部を形成し、且つ前
記板状の板面に平行な所定方向の中心軸線に沿う部分の
みを、該板状の一方の面側に膨出させて厚肉に形成し、
該厚肉部を前記中心軸線に沿って前記開口部内に相対向
させて所定寸法突出させたベース材の前記厚肉部に、前
記光ファイバおよび反射部材の各先端を前記厚肉部の突
出端面からさらに所定寸法突出させ、前記反射部材の前
記反射面を前記光ファイバの他端面に所定寸法のギャッ
プを存して対峙させた状態で、該光ファイバおよび反射
部材を埋設し固着支持して構成され、前記板状の他方の
面を供試体に当接して、前記厚肉部と薄肉の板状部分の
境界部にて該ベース材を前記供試体に溶接して使用す
る。
That is, the optical fiber strain gauge according to the first aspect of the present invention has an optical fiber having one end coupled to the light emitting and receiving portion and an outer diameter substantially equal to that of the optical fiber, and a reflecting surface formed at the tip. Having a thin line-shaped reflecting member, having a substantially plate shape, forming an opening by removing a central portion, and only a portion along a center axis line in a predetermined direction parallel to the plate-shaped plate surface. Forming a thick wall by swelling on one side of the plate,
The distal ends of the optical fiber and the reflecting member are provided at the protruding end face of the thick portion at the thick portion of the base material, the thick portion facing the inside of the opening along the central axis and protruding by a predetermined size. The optical fiber and the reflecting member are embedded and fixedly supported in a state where the reflecting surface of the reflecting member is opposed to the other end surface of the optical fiber with a gap of a predetermined size. Then, the other surface of the plate is brought into contact with the specimen, and the base material is welded to the specimen at the boundary between the thick portion and the thin plate portion for use.

【0017】このような構成により、光ファイバと反射
部材との位置合わせなどのような製造に係る調整が容易
で且つ作業性も良好で、溶接可能な金属でさえあれば、
各種の供試体に対しても共通の簡単な構成で対応するこ
とができ、高精度を得ることができる。本発明に係る請
求項2による光ファイバ式ひずみゲージは、前記反射部
材が、金属からなる金属細線を含む。このような構成に
より、特に、製造時の組立および調整における作業性が
よく、反射部材を接着以外の、いわゆるホットプレスや
メッキによる埋め込みにより固着することが可能で、耐
高温化も容易である。
According to such a configuration, it is easy to adjust the production such as the alignment between the optical fiber and the reflecting member, the workability is good, and the weldable metal can be used.
Various test specimens can be handled with a common simple configuration, and high accuracy can be obtained. In the optical fiber type strain gauge according to claim 2 of the present invention, the reflection member includes a thin metal wire made of metal. With such a configuration, workability in assembling and adjustment during manufacturing is particularly good, and the reflecting member can be fixed by embedding by so-called hot pressing or plating other than bonding, and high temperature resistance can be easily achieved.

【0018】本発明に係る請求項3による光ファイバ式
ひずみゲージは、前記ベース材が、予め前記中心軸線に
沿って前記他方の面側に溝部を形成して構成され、該溝
部内に前記光ファイバおよび反射部材を配置した状態
で、該光ファイバおよび反射部材を前記ベース材に固着
する。このような構成により、特に、製造時の組立およ
び調整における作業性が良好となる。本発明に係る請求
項4による光ファイバ式ひずみゲージは、前記ベース材
が、前記供試体にスポット溶接される。このような構成
により、特に、供試体への取付けにおける作業性がよ
く、取付部において高いひずみ伝達率を得ることも可能
である。
According to a third aspect of the present invention, in the optical fiber type strain gauge, the base member is formed in advance by forming a groove on the other surface side along the central axis, and the light is provided in the groove. With the fiber and the reflecting member arranged, the optical fiber and the reflecting member are fixed to the base material. With such a configuration, workability particularly in assembly and adjustment during manufacturing is improved. In the optical fiber type strain gauge according to claim 4 of the present invention, the base material is spot-welded to the specimen. With such a configuration, particularly, the workability in attaching to the test specimen is good, and a high strain transmission rate can be obtained in the attaching portion.

【0019】本発明に係る請求項5による光ファイバ式
ひずみゲージは、前記反射部材を、前記光ファイバ他端
面との相対位置の温度依存性を考慮して、前記供試体の
有効ゲージ長に関しての温度に依存する変動が相殺され
るように、前記ベース材の前記厚肉部の突出端面に対す
る突出寸法が設定される。このような構成により、特
に、製造時の温度補償に係る設計、機械加工、組立てお
よび調整における作業性を良好とすることができる。
According to a fifth aspect of the present invention, in the optical fiber type strain gauge, the reflection member is provided with respect to an effective gauge length of the specimen in consideration of temperature dependency of a relative position with respect to the other end surface of the optical fiber. The projecting dimension of the thick portion of the base material with respect to the projecting end face is set such that the temperature-dependent fluctuation is offset. With such a configuration, workability in design, machining, assembly, and adjustment relating to temperature compensation during manufacturing can be particularly improved.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づき、図面
を参照して本発明の光ファイバ式ひずみゲージを詳細に
説明する。図1〜図5は、本発明の一つの実施の形態に
係る光ファイバ式ひずみゲージの構成を示している。図
1は、光ファイバ式ひずみゲージの原理的な構成を示す
模式的な斜視図、図2は、その上面図、図3は、その正
面図、図4はその左側面図および図5は、その中心軸上
での縦断面図である。図1〜図5に示す光ファイバ式ひ
ずみゲージは、光ファイバ11、反射部材12およびベ
ース材13を具備している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An optical fiber type strain gage according to the present invention will be described in detail below based on embodiments with reference to the drawings. 1 to 5 show the configuration of an optical fiber type strain gauge according to one embodiment of the present invention. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a principle configuration of an optical fiber type strain gauge, FIG. 2 is a top view thereof, FIG. 3 is a front view thereof, FIG. 4 is a left side view thereof, and FIG. It is a longitudinal cross-sectional view on the center axis. The optical fiber type strain gauge shown in FIGS. 1 to 5 includes an optical fiber 11, a reflecting member 12, and a base material 13.

【0021】光ファイバ11は、例えば、外径130μ
m程度のシリカ(SiO2 )等からなるファイバであ
り、図1における右方の一端に、投光部および受光部が
(図1には示されていない)結合されている。光ファイ
バ11の他端面、すなわち図示左端面は、強度変化型の
場合、滑らかな鏡面研磨仕上げとされ、また干渉型の場
合、例えばインコネルによって半透過鏡面がコーティン
グされる。反射部材12は、光ファイバ11とほぼ同一
外径、例えば、外径130μm程度で適宜長さの、例え
ば、金属からなる細線状の部材、すなわち金属細線、で
構成され、この反射部材12の一方の先端面は、例えば
鏡面処理を施し、さらに金スパッタを施すなどして光を
反射する反射面を形成している。
The optical fiber 11 has, for example, an outer diameter of 130 μm.
This is a fiber made of silica (SiO 2 ) or the like having a length of about m, and a light emitting part and a light receiving part (not shown in FIG. 1) are coupled to one end on the right side in FIG. The other end surface of the optical fiber 11, that is, the left end surface in the drawing is smooth mirror-polished in the case of the intensity changing type, and the semi-transmissive mirror surface is coated with, for example, Inconel in the case of the interference type. The reflecting member 12 is composed of a thin line member made of, for example, a metal, that is, a metal thin line, which is approximately the same outer diameter as the optical fiber 11, for example, an outer diameter of about 130 μm, and has an appropriate length. Has a reflecting surface that reflects light by, for example, performing mirror finishing and further performing gold sputtering.

【0022】なお、光ファイバ11の前記他端面および
反射部材12の前記一方の先端反射面を保護するため、
覆いまたはコーティング材等で、中心部を覆うようにし
てもよい。ベース材13は、例えば、金属からなり、ほ
ぼ矩形板状をなして、中央部を欠除してほぼ矩形の開口
部13aを形成し、前記板状の板面に平行な所定方向の
中心軸線に沿う部分のみを、該板状の一方の面側に膨出
させて厚肉部13bおよび13cを形成して、該厚肉部
13bおよび13cを前記中心軸線に沿って前記開口部
13aの内方に向けて相対向させて所定寸法突出させて
いる。このベース材13を作成するには、例えば、厚肉
部13bおよび13cの厚みの矩形板体を用意し、エッ
チング加工により、開口部13aおよび薄肉部分(厚肉
部13bおよび13c以外の部分)を形成すればよい。
In order to protect the other end surface of the optical fiber 11 and the one end reflecting surface of the reflecting member 12,
The central portion may be covered with a cover or a coating material. The base member 13 is made of, for example, metal and has a substantially rectangular plate shape, a substantially rectangular opening 13a formed by removing a central portion, and a central axis line in a predetermined direction parallel to the plate-like plate surface. Only the portion along the line is bulged to one surface side of the plate to form the thick portions 13b and 13c, and the thick portions 13b and 13c are formed along the central axis in the opening 13a. And project toward the other side by a predetermined dimension. In order to form the base material 13, for example, a rectangular plate having a thickness of the thick portions 13b and 13c is prepared, and the opening 13a and the thin portion (the portions other than the thick portions 13b and 13c) are formed by etching. It may be formed.

【0023】ベース材13の前記他方の面には、前記厚
肉部13bおよび13cの背面側に、前記中心軸線に沿
い、光ファイバ11および反射部材12の各先端を厚肉
部13bおよび13cの突出端面からさらに互いに近づ
くように所定寸法突出させ、反射部材12の前記反射面
を前記光ファイバの滑らかな他端面に所定寸法のギャッ
プを存して対峙させた状態で、該光ファイバ11および
反射部材12を厚肉部13bおよび13cにそれぞれ埋
設して固着支持する。
On the other surface of the base member 13, on the back side of the thick portions 13b and 13c, the respective ends of the optical fiber 11 and the reflecting member 12 are attached along the central axis to the thick portions 13b and 13c. The optical fiber 11 and the reflection member are projected from the protruding end surfaces further by a predetermined size so as to be closer to each other, and the reflecting surface of the reflecting member 12 is opposed to the other end surface of the optical fiber with a gap of a predetermined size. The member 12 is embedded and fixedly supported in the thick portions 13b and 13c, respectively.

【0024】該ベース材13は、使用に際して、前記板
状の他方の面を、この場合金属からなる供試体に当接
し、図2に示すように、薄肉の板状部分の前記厚肉部1
3bおよび13cとの境界部に沿う溶接部位13wに
て、例えば、該境界部に沿う複数点13p(図6参照)
のスポット溶接にて前記供試体に溶接して、該供試体に
取着する。
When the base material 13 is used, the other surface of the plate is brought into contact with a test piece made of metal in this case, and as shown in FIG.
For example, at a plurality of points 13p along the boundary portion between the welding portions 13w along the boundary portions with the portions 3b and 13c (see FIG. 6).
Is welded to the specimen by spot welding, and attached to the specimen.

【0025】光ファイバ11および反射部材12を埋設
するにあたっては、予めエッチング加工等により、ベー
ス材13の前述した中心軸線に沿って、断面ほぼV字型
またはU字型の溝部を形成し、該溝部に光ファイバ11
および反射部材12を、前述したような所定の向きで、
所定位置に配置し、接着剤により接着して埋設する。前
記ベース材13の溝部に対する光ファイバ11および反
射部材12の埋設にあたっては、接着に代えて、ホット
プレス、メッキまたは銀ろう付けを行うようにしてもよ
い。さらに、光ファイバ11がベース材13から引き出
される部分(図2における両端部分)には、接着剤、ま
たは合成樹脂系のコーティング材等の補強材13rによ
り補強する(図2および図3参照)。
When the optical fiber 11 and the reflecting member 12 are embedded, a groove having a substantially V-shaped or U-shaped cross section is formed in advance along the central axis of the base member 13 by etching or the like. Optical fiber 11 in groove
And the reflecting member 12 in a predetermined direction as described above,
It is arranged at a predetermined position and is buried by bonding with an adhesive. In embedding the optical fiber 11 and the reflecting member 12 in the groove of the base member 13, hot pressing, plating or silver brazing may be performed instead of bonding. Further, the portions where the optical fiber 11 is pulled out from the base material 13 (both ends in FIG. 2) are reinforced with a reinforcing material 13r such as an adhesive or a synthetic resin coating material (see FIGS. 2 and 3).

【0026】次に、このように構成した光ファイバ式ひ
ずみゲージの原理およびその作用について、詳細に説明
する。基本構成は、上述したように、光ファイバ11お
よび反射部材12がベース材13に固着されてなる光フ
ァイバ式ひずみゲージを使用するにあたっては、図6に
示すように、ベース材13の薄肉部の厚肉部13bおよ
び13cとの境界線近傍に沿う部分において、例えば複
数点13pにおけるスポット溶接により供試体(図10
において示したような供試体5)に溶接固着する。この
ため、ひずみが発生する供試体から当該光ファイバ式ひ
ずみゲージへのひずみ伝達率は、充分に高いはずであ
り、ここでは100%として扱い、ひずみ伝達のロスは
考慮していない。なお、このような構成の光ファイバ式
ひずみゲージは、予め光ファイバ11および反射部材1
2をベース材13に固着する際に充分に高い精度にて位
置合わせしておけば、供試体への取付時には、単に供試
体に当接して溶接するだけで済み、溶接時における特別
な位置調整等も不要であり、頗る作業性がよい。
Next, the principle and operation of the optical fiber type strain gauge configured as described above will be described in detail. As described above, when using an optical fiber type strain gauge in which the optical fiber 11 and the reflecting member 12 are fixed to the base material 13 as described above, as shown in FIG. In a portion along the vicinity of the boundary between the thick portions 13b and 13c, the specimen (FIG. 10) is formed by spot welding at a plurality of points 13p.
5) is fixed to the specimen 5) by welding. For this reason, the strain transmission rate from the specimen in which the strain occurs to the optical fiber strain gauge should be sufficiently high. Here, the strain transmission rate is treated as 100%, and the strain transmission loss is not considered. In addition, the optical fiber type strain gauge having such a configuration includes the optical fiber 11 and the reflecting member 1 in advance.
If the 2 is fixed to the base material 13 with sufficiently high precision, it is only necessary to abut on the specimen and weld it when mounting on the specimen, and a special position adjustment at the time of welding is performed. Is unnecessary, and the workability is very good.

【0027】次に、このような光ファイバ式ひずみゲー
ジを供試体に取着した状態で、供試体にひずみが負荷さ
れた状態のもとでの変形について考察する。この場合、
図6に示すように、ゲージ長Lは、開口部13aの前記
中心軸線に沿う方向の寸法である。ベース材13の厚肉
部13bおよび13cの薄肉部から開口部13a内への
突出寸法をLB(厚肉部13bについても、厚肉部13
cについても同寸法とする)、厚肉部13bから反射部
材12側への光ファイバ11の突出寸法をLF、厚肉部
13cから光ファイバ11側への反射部材12の突出寸
法をLM、そして、光ファイバ11と反射部材12との
間の対峙する端面間のギャップ長をGとする。また、光
ファイバ11の線膨張係数をαF、反射部材12の線膨
張係数をαM、ベース材の線膨張係数をαB、そして供試
体の線膨張係数をαとして説明する。当該光ファイバ式
ひずみゲージを溶接固着した供試体が、負荷によりひず
みε分だけ延びたとすると、該ひずみによるギャップ長
Gの変化ΔGは、数4であらわされる。
Next, with the optical fiber type strain gauge attached to the test piece, the deformation under the condition that the strain is applied to the test piece will be considered. in this case,
As shown in FIG. 6, the gauge length L is a dimension of the opening 13a in a direction along the central axis. The projecting dimension from the thin portions of the thick portions 13b and 13c of the base material 13 into the opening 13a is set to L B (the thick portion 13b is also used for the thick portion 13b).
c is the same size), the projection size of the optical fiber 11 from the thick portion 13b toward the reflection member 12 is L F , and the projection size of the reflection member 12 from the thick portion 13c toward the optical fiber 11 is L M. G is the gap length between opposing end faces between the optical fiber 11 and the reflecting member 12. Further, the linear expansion coefficient of the optical fiber 11 will be described as α F , the linear expansion coefficient of the reflection member 12 will be α M , the linear expansion coefficient of the base material will be α B , and the linear expansion coefficient of the specimen will be α. Assuming that the specimen to which the optical fiber type strain gauge is fixed by welding is extended by the amount of strain ε due to the load, the change ΔG of the gap length G due to the strain is expressed by the following equation (4).

【0028】[0028]

【数4】ΔG=(LM+LF+2LB+G)ε したがって、このときのLは、数5であらわされる。ΔG = (L M + L F + 2L B + G) ε Therefore, L at this time is represented by Expression 5.

【0029】[0029]

【数5】L=(LM+LF+2LB+G)(1+ε) さらに、環境温度の変化によるギャップ長Gへの影響に
ついて、考察する。すなわち、ゲージ添着部の近傍の供
試体周りの雰囲気がΔT℃だけ変化し、それが上述した
構造の光ファイバ式ひずみゲージに完全に伝達されたと
すると、次の数6が成り立つ。
Equation 5] L = (L M + L F + 2L B + G) (1 + ε) Further, the effect of the gap length G due to a change in environmental temperature, discussed. That is, if the atmosphere around the specimen near the gauge attachment portion changes by ΔT ° C. and is completely transmitted to the optical fiber type strain gauge having the above-described structure, the following equation 6 is established.

【0030】[0030]

【数6】 このため、ギャップ長Gの変化ΔGは、数7であらわさ
れる。
(Equation 6) Therefore, the change ΔG of the gap length G is expressed by Expression 7.

【0031】[0031]

【数7】 ΔG=ΔL−2ΔLB−ΔLM−ΔLF ={Lα−(2LBαB+LMαM+LFαF)}ΔT 次に、ひずみおよび温度変化によるギャップ長Gの変化
について考察する。数4〜数7の各式の結果に基づい
て、ひずみおよび温度の両方による変化が供試体に加わ
ったときのギャップ長Gの変化ΔGは、数8であらわさ
れる。
Equation 7] ΔG = ΔL-2ΔL B -ΔL M -ΔL F = {Lα- (2L B α B + L M α M + L F α F)} ΔT Next, change of the gap length G of Strain and temperature changes Consider. Based on the results of Equations 4 to 7, the change ΔG of the gap length G when a change due to both strain and temperature is applied to the test piece is expressed by Equation 8.

【0032】[0032]

【数8】ΔG=(LM+LF+2LB+G)ε+{(LM
F+2LB+G)(1+ε)α−(LMαM+LFαF+2
BαB)}ΔT このとき、温度による影響を“0”とするための条件
は、数9の通りである。
Equation 8] ΔG = (L M + L F + 2L B + G) ε + {(L M +
L F + 2L B + G) (1 + ε) α- (L M α M + L F α F +2
L B α B)} ΔT In this case, conditions for the the influence of temperature "0" are as few 9.

【0033】[0033]

【数9】0={(LM+LF+2LB+G)(1+ε)α−
(LMαM+LFαF+2LBαB)}ΔT ここで、発生しているひずみεが充分に小さい場合に
は、εα≒0として数10であらわされる。
Equation 9] 0 = {(L M + L F + 2L B + G) (1 + ε) α-
(L M α M + L F α F +2 L B α B )} ΔT Here, if the generated strain ε is sufficiently small, it is expressed by the following equation (10) as εα ≒ 0.

【0034】[0034]

【数10】0=LM(αM−α)+LF(αF−α)+2L
B(αB−α)−Gα この数10に基づき供試体の材質に合わせて各部の寸法
および反射部材12の材質を決定すればよい。すなわ
ち、寸法の決定にあたっては、例えば、線膨張係数αの
供試体用のひずみゲージを製作するものとすれば、光フ
ァイバの線膨張係数αFは既に決定されており、光強度
変化の特性上、ギャップ長Gは、一定とする。また、設
計上、ベース材13を共通化するためベース材13に係
る寸法、つまりゲージ長Lおよび肉厚部13bおよび1
3cの開口部13a内への突出寸法LBは一定とするこ
とが望ましい。よって、数11が得られる。なお、この
時点では、ベース材13の線膨張係数αB、反射部材1
2の突出寸法LM、および反射部材12の線膨張係数αM
(並びに光ファイバ11の突出寸法LF)は、まだ決定
されていない。
[Number 10] 0 = L M (α M -α ) + L F (α F -α) + 2L
BB −α) −Gα The dimensions of each part and the material of the reflecting member 12 may be determined according to the material of the specimen based on the equation (10). That is, when determining the size, for example, if those fabricating a strain gauge for specimens of linear expansion coefficient alpha, the linear expansion coefficient alpha F of the optical fiber has already been determined, the characteristics of the light intensity variation , And the gap length G is constant. Also, in terms of design, in order to make the base material 13 common, dimensions related to the base material 13, that is, the gauge length L and the thick portions 13 b and 1
Projection dimension L B to 3c of the opening 13a should preferably be constant. Therefore, Expression 11 is obtained. At this time, the linear expansion coefficient α B of the base material 13 and the reflection member 1
2 of projection dimension L M, and the linear expansion coefficient of the reflecting member 12 alpha M
(And the protrusion dimension L F of the optical fiber 11) have not been determined yet.

【0035】[0035]

【数11】 [Equation 11]

【0036】この後、供試体との間の溶接性を考慮して
ベース材13の材質を決定することにより、ベース材1
3の線膨張係数αBを決定し、さらに、数11に従って
反射部材12の突出寸法LMおよび線膨張係数αMを決定
する。次に、上述した光ファイバ式ひずみゲージを供試
体の材質に応じて構成する場合の具体的な計算例を示
す。 (1)普通鋼材用ひずみゲージ 供試体として普通鋼材を用いる場合に上述した光ファイ
バ式ひずみゲージを構成するためには、光ファイバ11
の線膨張係数αF、ベース材13の厚肉部13bおよび
13cの開口部13a内への突出寸法LB、ゲージ長
L、ギャップ長G、および供試体の線膨張係数αを、そ
れぞれ次のように設定する。
Thereafter, the material of the base material 13 is determined in consideration of the weldability between the base material 13 and the test piece.
Determines the third linear expansion coefficient alpha B, further, it determines the projecting dimension of the reflecting member 12 L M and the linear expansion coefficient alpha M according to the equation 11. Next, a specific calculation example in the case where the above-described optical fiber type strain gauge is configured according to the material of the specimen will be described. (1) Strain gauge for ordinary steel material In order to constitute the above-mentioned optical fiber type strain gauge when using ordinary steel material as a specimen, an optical fiber 11 is used.
Linear expansion coefficient alpha F of projection dimension L B of the thick portions 13b and 13c of the opening 13a of the base member 13, a gauge length L, the gap length G, and the linear expansion coefficient of the specimen alpha, follows each Set as follows.

【0037】αF=0.5×10-6/℃、 LB=1mm、 L=5mm、 G=0.05mm、 α=11.7×10-6/℃、 そして、ベース材13の材質を線膨張係数αB=16.
2×10-6/℃のSUS304のステンレス鋼として、
上述した数11により反射部材12の突出寸法LMを求
めると、数12から数13が得られる。
The α F = 0.5 × 10 -6 / ℃, L B = 1mm, L = 5mm, G = 0.05mm, α = 11.7 × 10 -6 / ℃, and the material of the base member 13 With the coefficient of linear expansion α B = 16.
As SUS304 stainless steel of 2 × 10 −6 / ° C.,
When obtaining the projection dimension L M of the reflecting member 12 by the number 11 as described above, the number 13 is obtained from equation (12).

【0038】[0038]

【数12】 (Equation 12)

【0039】[0039]

【数13】 よって、反射部材12として普通鋼等の線膨張係数αM
=11.7×10-6/℃の材質を使用すると、数14お
よび数15として、反射部材12の突出寸法L Mおよび
光ファイバ11の突出寸法LFが求められる。
(Equation 13)Therefore, as the reflection member 12, the linear expansion coefficient αM
= 11.7 × 10-6/ 14 ° C, the number 14
And the number of projections of the reflecting member 12 as L Mand
Projection dimension L of optical fiber 11FIs required.

【0040】[0040]

【数14】LM=2.2mm## EQU14 ## L M = 2.2 mm

【0041】[0041]

【数15】LF=0.750mm (2)ステンレス鋼SUS630材用ひずみゲージ 供試体としてステンレス鋼SUS630材を用いる場合
に上述した光ファイバ式ひずみゲージを構成するために
は、光ファイバ11の線膨張係数αF、ベース材13の
厚肉部13bおよび13cの開口部13a内への突出寸
法LB、ゲージ長L、ギャップ長G、および供試体の線
膨張係数αを、それぞれ次のように設定する。
L F = 0.750 mm (2) Strain gauge for stainless steel SUS630 material In order to constitute the above-mentioned optical fiber type strain gauge when stainless steel SUS630 material is used as a test piece, the wire of the optical fiber 11 is required. expansion coefficient alpha F, projection dimension L B of the thick portions 13b and 13c of the opening 13a of the base member 13, a gauge length L, the gap length G, and the linear expansion coefficient of the specimen alpha, respectively, as follows Set.

【0042】αF=0.5×10-6/℃、 LB=1mm、 L=5mm、 G=0.05mm、 α=10.3×10-6/℃、 そして、ベース材13の材質を線膨張係数αB=16.
2×10-6/℃のSUS304のステンレス鋼として、
上述した数11により反射部材12の突出寸法LMを求
めると、数16から数17が得られ.る。
The α F = 0.5 × 10 -6 / ℃, L B = 1mm, L = 5mm, G = 0.05mm, α = 10.3 × 10 -6 / ℃, and the material of the base member 13 With the coefficient of linear expansion α B = 16.
As SUS304 stainless steel of 2 × 10 −6 / ° C.,
When the protruding dimension L M of the reflecting member 12 is obtained by the above-described Expression 11, Expression 17 from Expression 16 is obtained. You.

【0043】[0043]

【数16】 (Equation 16)

【0044】[0044]

【数17】 [Equation 17]

【0045】よって、反射部材12として普通鋼等の線
膨張係数αM=11.7×10-6/℃の材質を使用する
と、数18および数19として、反射部材12の突出寸
法L Mおよび光ファイバ11の突出寸法LFが求められ
る。
Therefore, as the reflecting member 12, a wire made of ordinary steel or the like is used.
Expansion coefficient αM= 11.7 × 10-6Use material of / ° C
18 and 19, the projected dimension of the reflecting member 12
Law L MAnd the projection length L of the optical fiber 11FIs required
You.

【0046】[0046]

【数18】LM=1.57mm[Expression 18] L M = 1.57 mm

【0047】[0047]

【数19】LF=1.38mm 上述したように、本発明による光ファイバ式ひずみゲー
ジは、供試体が異なる場合にも製造時におけるベース材
13の厚肉部13bおよび13cから開口部12a内へ
の光ファイバ11および反射部材12の突出長さのみを
変更するだけで、適切な温度補償を施すことができる。
ちなみに、上述した特開平10−141923号公報に
開示した光ファイバ式ひずみゲージにおける温度補償式
は、図10に示すように、ベース材4の開口部寸法をL
0、反射部材3のベース材4への接着寸法をL1、キャピ
ラリーチューブ部、すなわちスリーブ2のベース材4へ
の接着寸法をL2、反射部材3の長さをL1w、供試体の
線膨張係数Chost、および反射部材3の線膨張係数C
wireとして、光ファイバ1の線膨張係数を無視できる
(=0)ものとすれば、数20であらわされる。
Equation 19 L F = 1.38 mm, as described above, the optical fiber type strain gage according to the present invention, openings 12a from the thick portion 13b and 13c of the base member 13 during manufacture even when the specimen is different Only by changing the protruding length of the optical fiber 11 and the reflecting member 12 to the right side, appropriate temperature compensation can be performed.
Incidentally, the temperature compensation type in the optical fiber type strain gauge disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-141923 describes that, as shown in FIG.
0 , the bonding dimension of the reflecting member 3 to the base member 4 is L 1 , the bonding dimension of the capillary tube portion, that is, the sleeve 2 to the base member 4 is L 2 , the length of the reflecting member 3 is L 1w , Expansion coefficient C host and linear expansion coefficient C of the reflecting member 3
Assuming that the linear expansion coefficient of the optical fiber 1 can be ignored (= 0) as the wire , it is expressed by Equation 20.

【0048】[0048]

【数20】 すなわち、反射部材3の長さL1wは、数21であらわさ
れる。
(Equation 20) That is, the length L 1w of the reflecting member 3 is expressed by Expression 21.

【0049】[0049]

【数21】 したがって、上述した普通鋼材用ひずみゲージを構成す
る場合、供試体の線膨張係数Chost=11.7×10-6
/℃、反射部材3のベース材4への接着寸法L 1=4m
m、スリーブ2のベース材4への接着寸法L2=4mm、お
よびベース材4の開口部寸法L0=5mmを、数21の温
度補償式に代入すると数22が得られる。
(Equation 21)Therefore, the above-described strain gauge for ordinary steel is constituted.
The linear expansion coefficient C of the specimenhost= 11.7 × 10-6
/ ° C, adhesion dimension L of reflective member 3 to base material 4 1= 4m
m, adhesion dimension L of the sleeve 2 to the base material 4Two= 4mm
And opening dimension L of base material 40= 5 mm, the temperature of Equation 21
By substituting into the degree compensation equation, Equation 22 is obtained.

【0050】[0050]

【数22】 よって、反射部材3として普通鋼等の線膨張係数αM
11.7×10-6/℃の材質を使用すると、数23とし
て、反射部材3の長さL1wが求められる。
(Equation 22) Therefore, as the reflecting member 3, the linear expansion coefficient α M =
When a material of 11.7 × 10 −6 / ° C. is used, the length L 1w of the reflecting member 3 is obtained as Expression 23.

【0051】[0051]

【数23】L1w=11mm また、上述したステンレス鋼SUS630材用ひずみゲ
ージを構成する場合、供試体の線膨張係数Chost=1
0.3×10-6/℃、反射部材3のベース材4への接着
寸法L1=4mm、スリーブ2のベース材4への接着寸法
2=4mm、およびベース材4の開口部寸法L0=5mm
を、数21の温度補償式に代入すると数24が得られ
る。
L 1w = 11 mm Also, when the above-described strain gauge for stainless steel SUS630 is formed, the coefficient of linear expansion of the specimen C host = 1
0.3 × 10 -6 / ℃, bonding dimension L 1 = 4 mm to the base material 4 of the reflecting member 3, the adhesion dimension L 2 = 4 mm to the base material 4 of the sleeve 2, and the opening size of the base member 4 L 0 = 5mm
Is substituted into the temperature compensation equation of Equation 21 to obtain Equation 24.

【0052】[0052]

【数24】 よって、反射部材3として普通鋼等の線膨張係数αM
11.7×10-6/℃の材質を使用すると、数25とし
て、反射部材3の長さL1wが求められる。
(Equation 24) Therefore, as the reflecting member 3, the linear expansion coefficient α M =
When a material of 11.7 × 10 −6 / ° C. is used, the length L 1w of the reflecting member 3 is obtained as Expression 25.

【0053】[0053]

【数25】L1w=9.92mm 上述した本発明の実施の形態による光ファイバ式ひずみ
ゲージの利点をまとめると次のようになる。 (a) 供試体の材質が変わっても反射部材12および光フ
ァイバ11の突出寸法を調整するだけで、温度補償のた
めの調整を行うことができ、部品の共通化を図ることが
でき、製造が容易で作業性もよい。 (b) 供試体に対して溶接により固着するので、通常の接
着等に比して高い安定性を実現することができると共
に、ひずみ伝達率は100と考えられるため開口部13
aの長さに相当する正確なゲージ長Lのものが得られ、
したがって、先に述べた本発明による光ファイバ式ひず
みゲージによれば、製造に係る調整が容易で且つ作業性
も良好で、各種供試体に対しても共通の簡単な構成で対
応することができ、高精度を得ることができる。
L 1w = 9.92 mm The advantages of the above-described optical fiber strain gauge according to the embodiment of the present invention can be summarized as follows. (a) Even if the material of the specimen changes, the adjustment for temperature compensation can be performed only by adjusting the protrusion size of the reflection member 12 and the optical fiber 11, and the parts can be shared, and the manufacturing can be performed. Is easy and workability is good. (b) Since it is fixed to the test piece by welding, higher stability can be realized as compared with ordinary bonding and the like, and the strain transmission rate is considered to be 100, so the opening 13
An accurate gauge length L corresponding to the length of a is obtained,
Therefore, according to the above-described optical fiber strain gauge according to the present invention, adjustment relating to manufacturing is easy and workability is good, and it is possible to cope with various specimens with a common simple configuration. , High accuracy can be obtained.

【0054】図7は、上述した本発明の実施の形態に係
る光ファイバ式ひずみゲージを用いた光強度型のひずみ
測定系の構成例を模式的に示しているが、干渉型のひず
み測定系にも上述とほぼ同様にして適用することができ
る。図7に示す測定系は、図1に示したのと同様な光フ
ァイバ式ひずみゲージ101、2×2カプラ102、発
光素子103、第1の受光素子104および第2の受光
素子105を具備している。
FIG. 7 schematically shows an example of the configuration of a light intensity type strain measuring system using the optical fiber type strain gauge according to the above-described embodiment of the present invention. This can be applied in substantially the same manner as described above. The measurement system shown in FIG. 7 includes an optical fiber type strain gauge 101, a 2 × 2 coupler 102, a light emitting element 103, a first light receiving element 104, and a second light receiving element 105 similar to those shown in FIG. ing.

【0055】光ファイバ式ひずみゲージ101は、図1
に示した光ファイバ式ひずみゲージと同様の構成を有し
ている。2×2カプラ102は、第1〜第4のポートP
1〜P4を有しており、第1のポートP1から入力した
光を、50%/50%の強度比で、第2および第3のポ
ートP2およびP3に分岐出力する。また、2×2カプ
ラ102は、第3のポートP3から入力した光を、第4
のポートP4に出力する。
The optical fiber type strain gauge 101 is shown in FIG.
Has the same configuration as the optical fiber type strain gauge shown in FIG. The 2 × 2 coupler 102 has first to fourth ports P
1 to P4, and splits and outputs the light input from the first port P1 to the second and third ports P2 and P3 at an intensity ratio of 50% / 50%. The 2 × 2 coupler 102 converts the light input from the third port P3 into a fourth light.
To the port P4.

【0056】発光素子103は、光ファイバ111を介
して2×2カプラ102の第1のポートP1に結合され
ている。なお、2×2カプラ102の第2のポートP2
は、光ファイバ112を介して光ファイバ式ひずみゲー
ジ101に結合されている。第1の受光素子104は、
光ファイバ114を介して2×2カプラ102の第4の
ポートP4に結合されている。第2の受光素子104
は、光ファイバ113を介して2×2カプラ102の第
3のポートP3に結合されている。このような構成にお
いて、発光素子103より射出した光は、光ファイバ1
11を介して、2×2カプラ102の第1のポートP1
に導かれる。2×2カプラ102では、第1のポートP
1に入射した光を50%/50%の強度比で分岐し、そ
れぞれ第2のポートP2へ向かう光および第3のポート
P3に向かう光とする。
The light emitting element 103 is connected to the first port P1 of the 2 × 2 coupler 102 via the optical fiber 111. Note that the second port P2 of the 2 × 2 coupler 102
Is coupled to the optical fiber type strain gauge 101 via an optical fiber 112. The first light receiving element 104
It is coupled to a fourth port P4 of the 2 × 2 coupler 102 via an optical fiber 114. Second light receiving element 104
Is coupled to the third port P3 of the 2 × 2 coupler 102 via the optical fiber 113. In such a configuration, light emitted from the light emitting element 103 is
11, the first port P1 of the 2 × 2 coupler 102
It is led to. In the 2 × 2 coupler 102, the first port P
The light incident on 1 is split at an intensity ratio of 50% / 50%, and the light is directed toward the second port P2 and the light traveling toward the third port P3, respectively.

【0057】第2のポートP2から光ファイバ112を
介してセンサ部である光ファイバ式ひずみゲージ101
に導かれた光は、光ファイバ式ひずみゲージ101の光
ファイバ11の先端から射出され、反射部材12の先端
反射面により反射され、再び同一の光ファイバ112へ
戻る。この光ファイバ112へ戻った光は、2×2カプ
ラ102を通って、第4のポートP4から光ファイバ1
14を介して第1の受光素子104に導かれる。2×2
カプラ102の第3のポートP3からでた光は、光ファ
イバ113を通って第2の受光素子105へ戻る。2×
2カプラ102は、光ファイバ式ひずみゲージ101が
磁場または電磁場の影響を受ける場所に設置されている
場合には、光ファイバケーブル112によって距離が確
保され、該磁場および電磁場の影響を受けない箇所に配
置される。
An optical fiber type strain gauge 101 serving as a sensor section from the second port P 2 via an optical fiber 112.
Is emitted from the tip of the optical fiber 11 of the optical fiber type strain gauge 101, is reflected by the tip reflecting surface of the reflecting member 12, and returns to the same optical fiber 112 again. The light returning to the optical fiber 112 passes through the 2 × 2 coupler 102 and passes through the fourth port P4 to the optical fiber 1
The light is guided to the first light-receiving element 104 via. 2x2
Light emitted from the third port P3 of the coupler 102 returns to the second light receiving element 105 through the optical fiber 113. 2x
When the optical fiber type strain gauge 101 is installed in a place where the magnetic fiber or the electromagnetic field is affected, the two couplers 102 are secured at a distance by the optical fiber cable 112 and in a place where the magnetic field and the electromagnetic field are not affected. Be placed.

【0058】発光素子103から射出して2×2カプラ
102によって分岐された光の一方は、第2のポートP
2を介して光ファイバ式ひずみゲージ101に導かれ、
反射部材12により反射して、2×2カプラ102に戻
る。光ファイバ式ひずみゲージ101から2×2カプラ
102の第2のポートP2に戻った反射光は、第4のポ
ートP4を介して第1の受光素子104に導かれて信号
光として用いられる。発光素子103から射出して2×
2カプラ102によって分岐された光の他方は、第3の
ポートP3を介して第2の受光素子105に導かれて参
照光として用いられる。これら第1および第2の受光素
子104および105で検出される光信号は、所定の信
号解析処理が施されて光ファイバ式ひずみゲージ101
により検出されたひずみであるギャップGの変化を算出
する。
One of the lights emitted from the light emitting element 103 and branched by the 2 × 2 coupler 102 is supplied to the second port P
2 to the optical fiber type strain gauge 101,
The light is reflected by the reflection member 12 and returns to the 2 × 2 coupler 102. The reflected light returning from the optical fiber type strain gauge 101 to the second port P2 of the 2 × 2 coupler 102 is guided to the first light receiving element 104 via the fourth port P4 and used as signal light. 2 × emitted from the light emitting element 103
The other of the lights split by the two couplers 102 is guided to the second light receiving element 105 via the third port P3 and used as reference light. The optical signals detected by the first and second light receiving elements 104 and 105 are subjected to predetermined signal analysis processing, and are subjected to an optical fiber type strain gauge 101.
The change in the gap G, which is the strain detected by the above, is calculated.

【0059】このような構成において、先に述べたよう
に、光ファイバ式ひずみゲージ101は、正確なひずみ
計測値を得ることができ、さらに、それ自体で適切な温
度補償も施こされる。したがって、従来の光ファイバ式
ひずみゲージでは得られないような高精度のひずみ計測
が可能となる。なお、本発明は、上述した実施の形態に
のみ限定されるものではなく、その要旨に含まれる範囲
内において、種々変形して実施することができる。
In such a configuration, as described above, the optical fiber type strain gauge 101 can obtain an accurate strain measurement value, and is itself subjected to appropriate temperature compensation. Therefore, high-precision strain measurement that cannot be obtained with a conventional optical fiber strain gauge can be performed. The present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be implemented with various modifications within the scope of the gist.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項1に
よれば、一端が投光および受光部に結合された光ファイ
バおよび先端に反射面を形成してなる細線状の反射部材
を有し、ほぼ板状をなし、中央部を欠除して開口部を形
成し、且つ前記板状の板面に平行な所定方向の中心軸線
に沿う部分のみを、該板状の一方の面側に膨出させて厚
肉に形成し、該厚肉部を前記中心軸線に沿って前記開口
部内に相対向させて所定寸法突出させたベース材の前記
厚肉部に、前記光ファイバおよび反射部材の各先端を前
記厚肉部の突出端面からさらに所定寸法突出させ、前記
反射部材の前記反射面を前記光ファイバの他端面に所定
寸法のギャップを存して対峙させた状態で、該光ファイ
バおよび反射部材を埋設し固着支持して構成され、前記
板状の他方の面を供試体に当接して、前記厚肉部と薄肉
の板状部分の境界部にて該ベース材を前記供試体に溶接
して使用する構成により、光ファイバと反射部材との位
置合わせなどのような製造に係る調整が容易で且つ作業
性も良好で、溶接可能な金属でさえあれば、各種の供試
体に対しても共通の簡単な構成で対応することができ、
高精度を得ることが可能な光ファイバ式ひずみゲージを
提供することができる。
As described above, according to the first aspect of the present invention, there is provided an optical fiber having one end coupled to a light emitting and receiving part and a thin line-shaped reflecting member having a reflecting surface formed at the tip. Has a substantially plate-like shape, has an opening formed by removing a central portion thereof, and has only one portion along a central axis in a predetermined direction parallel to the plate-like plate surface, one surface of the plate-like shape. The optical fiber and the reflection are formed on the thick portion of the base material, which is formed so as to bulge to the side and has a large thickness, and the thick portions are opposed to each other in the opening along the central axis and are protruded by a predetermined size. In a state in which each end of the member is further protruded by a predetermined dimension from the protruding end face of the thick portion, and the reflecting surface of the reflecting member faces the other end face of the optical fiber with a gap having a predetermined dimension, the light The fiber and the reflecting member are embedded and fixedly supported. A configuration in which the base material is welded to the specimen at the boundary between the thick part and the thin plate-shaped part in contact with the specimen, such as alignment of an optical fiber and a reflection member, etc. It is easy to adjust for manufacturing and good in workability, as long as it is a weldable metal, it can respond to various specimens with a common simple configuration,
An optical fiber strain gauge capable of obtaining high accuracy can be provided.

【0061】本発明の請求項2による光ファイバ式ひず
みゲージによれば、前記反射部材が、金属からなる金属
細線を含むことにより、特に、製造時の組立および調整
における作業性がよく、反射部材を接着以外のいわゆる
ホットプレスやメッキによる埋め込みにより固着するこ
とが可能で、耐高温化も容易である。本発明の請求項3
による光ファイバ式ひずみゲージによれば、前記ベース
材が、予め前記中心軸線に沿って前記他方の面側に溝部
を形成して構成され、該溝部内に前記光ファイバおよび
反射部材を配置した状態で、該光ファイバおよび反射部
材を前記ベース材に固着することにより、特に、製造時
の組立および調整における作業性が良好である。
According to the optical fiber type strain gauge of the second aspect of the present invention, since the reflecting member includes a thin metal wire made of metal, workability in assembling and adjusting at the time of manufacturing is particularly good, and the reflecting member Can be fixed by embedding by so-called hot pressing or plating other than bonding, and high temperature resistance can be easily achieved. Claim 3 of the present invention
According to the optical fiber type strain gauge according to the above, the base material is formed in advance by forming a groove on the other surface side along the central axis, and the optical fiber and the reflecting member are arranged in the groove. By fixing the optical fiber and the reflecting member to the base material, workability in assembling and adjusting at the time of manufacturing is particularly good.

【0062】本発明の請求項4による光ファイバ式ひず
みゲージによれば、前記ベース材が、前記供試体にスポ
ット溶接されることにより、特に、供試体への取付けに
おける作業性がよく、取付部において高いひずみ伝達率
を得ることも可能である。本発明の請求項5による光フ
ァイバ式ひずみゲージによれば、前記反射部材を、前記
光ファイバ他端面との相対位置の温度依存性を考慮し
て、前記供試体の有効ゲージ長に関しての温度に依存す
る変動が相殺されるように、前記ベース材の前記厚肉部
の突出端面に対する突出寸法が設定されることにより、
特に、製造時の温度補償に係る調整における作業性を良
好とすることができる。
According to the optical fiber type strain gauge of the fourth aspect of the present invention, since the base material is spot-welded to the specimen, workability particularly in attaching to the specimen is good, and , It is also possible to obtain a high strain transmission rate. According to the optical fiber type strain gauge according to claim 5 of the present invention, the reflection member is set at a temperature with respect to the effective gauge length of the specimen in consideration of the temperature dependence of a relative position with respect to the other end surface of the optical fiber. By setting a protrusion dimension with respect to a protrusion end face of the thick portion of the base material so as to cancel the dependent fluctuation,
In particular, it is possible to improve the workability in adjustment relating to temperature compensation during manufacturing.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみ
ゲージの構成を模式的に示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of an optical fiber type strain gauge according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す上面図である。
FIG. 2 is a top view schematically showing a configuration of the optical fiber type strain gauge of FIG.

【図3】図1の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す正面図である。
FIG. 3 is a front view schematically showing a configuration of the optical fiber type strain gauge of FIG.

【図4】図1の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す左側面図である。
FIG. 4 is a left side view schematically showing a configuration of the optical fiber type strain gauge of FIG.

【図5】図1の光ファイバ式ひずみゲージの構成を模式
的に示す縦断面図である。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view schematically showing a configuration of the optical fiber type strain gauge of FIG.

【図6】図1の光ファイバ式ひずみゲージの作用を説明
するための模式図である。
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the operation of the optical fiber type strain gauge of FIG.

【図7】本発明の実施の形態に係る光ファイバ式ひずみ
ゲージを用いた測定系の構成を模式的に示すブロック図
である。
FIG. 7 is a block diagram schematically showing a configuration of a measurement system using the optical fiber strain gauge according to the embodiment of the present invention.

【図8】光ファイバ式ひずみゲージの原理を説明するた
めの模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the principle of an optical fiber type strain gauge.

【図9】光ファイバ式ひずみゲージの原理を説明するた
めの模式図である。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the principle of an optical fiber type strain gauge.

【図10】従来の光ファイバ式ひずみゲージの構成の他
の一例を模式的に示す断面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing another example of the configuration of the conventional optical fiber strain gauge.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 光ファイバ 12 反射部材 13 ベース材 13a 開口部 13b 厚肉部 13c 厚肉部 13w 溶接部 13r 補強材 13p スポット溶接 101 光ファイバ式ひずみゲージ 102 2×2カプラ 103 発光素子 104 第1の受光素子 105 第2の受光素子 111、112、113、114 光ファイバ P1、P2、P3、P4 ポート DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Optical fiber 12 Reflecting member 13 Base material 13a Opening 13b Thick part 13c Thick part 13w Weld part 13r Reinforcement material 13p Spot welding 101 Optical fiber type strain gauge 102 2 × 2 coupler 103 Light emitting element 104 First light receiving element 105 Second light receiving element 111, 112, 113, 114 Optical fiber P1, P2, P3, P4 Port

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 一端が投光および受光部に結合された光
ファイバと、 前記光ファイバと先端に反射面を形成してなる細線状の
反射部材と、 ほぼ板状をなし、中央部を欠除して開口部を形成し、且
つ前記板状の板面に平行な所定方向の中心軸線に沿う部
分のみを、該板状の一方の面側に膨出させて厚肉に形成
し、該厚肉部を前記中心軸線に沿って前記開口部内に相
対向させて所定寸法突出させるとともに、前記光ファイ
バおよび反射部材の各先端を前記厚肉部の突出端面から
さらに所定寸法突出させ、前記反射部材の前記反射面を
前記光ファイバの他端面に所定寸法のギャップを存して
対峙させた状態で、該光ファイバおよび反射部材を前記
厚肉部に埋設して固着支持するとともに、前記板状の他
方の面を供試体に当接して、前記厚肉部と薄肉の板状部
分の境界部にて前記供試体に溶接されるベース材と、を
具備することを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。
1. An optical fiber having one end coupled to a light emitting and receiving part, a thin wire-shaped reflecting member having a reflecting surface formed at the tip of the optical fiber, and a substantially plate-shaped member having a central portion cut off. Forming an opening, and only a portion along a central axis in a predetermined direction parallel to the plate-shaped plate surface is bulged toward one surface side of the plate shape to form a thick wall; The thick portion is opposed to the inside of the opening along the central axis so as to protrude by a predetermined size, and each end of the optical fiber and the reflecting member is further protruded by a predetermined size from the protruding end face of the thick portion, and the reflection In a state where the reflection surface of the member is opposed to the other end surface of the optical fiber with a gap having a predetermined size, the optical fiber and the reflection member are embedded and fixedly supported in the thick portion, and the plate-shaped member is provided. Contact the other surface of the specimen with the thick part and the thin part. Fiber optic strain gauge characterized by comprising a base material to be welded to the specimen at a boundary portion of the plate-like portion.
【請求項2】 前記反射部材は、金属からなる金属細線
を含むことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ式
ひずみゲージ。
2. The optical fiber type strain gauge according to claim 1, wherein the reflection member includes a thin metal wire made of metal.
【請求項3】 前記ベース材は、予め前記中心軸線に沿
って前記他方の面側に溝部を形成しておき、該溝部内に
前記光ファイバおよび反射部材を配置した状態で、該光
ファイバおよび反射部材を前記ベース材に固着したこと
を特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバ式ひ
ずみゲージ。
3. The base member has a groove formed in advance on the other surface side along the central axis, and the optical fiber and the reflecting member are arranged in the groove in a state where the optical fiber and the reflecting member are arranged in the groove. The optical fiber type strain gauge according to claim 1, wherein a reflecting member is fixed to the base material.
【請求項4】 前記ベース材は、前記供試体にスポット
溶接されることを特徴とする請求項1〜3のうちのいず
れか1項に記載の光ファイバ式ひずみゲージ。
4. The optical fiber strain gauge according to claim 1, wherein the base material is spot-welded to the specimen.
【請求項5】 前記反射部材は、前記光ファイバ他端面
との相対位置の温度依存性を考慮して、前記供試体の有
効ゲージ長に関しての温度に依存する変動が相殺される
ように、前記ベース材の前記厚肉部の突出端面に対する
突出寸法を設定してなることを特徴とする請求項1〜4
のうちのいずれか1項に記載の光ファイバ式ひずみゲー
ジ。
5. The reflection member according to claim 1, wherein a temperature-dependent variation in an effective gauge length of the specimen is offset in consideration of a temperature dependence of a relative position with respect to the other end surface of the optical fiber. 5. A projecting dimension of the thick portion of the base material with respect to a projecting end face thereof is set.
The optical fiber strain gauge according to any one of the above.
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