JP2001174341A

JP2001174341A - 圧力分布センサ

Info

Publication number: JP2001174341A
Application number: JP35615099A
Authority: JP
Inventors: Koji Satori; 耕自佐鳥
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-29

Abstract

(57)【要約】【課題】特別な力学変換機構を必要としない圧力分布
センサを提供する。【解決手段】圧力に応じて径方向に変形する弾性体１
の周りに、歪みに応じて光学特性が変化する光ファイバ
２を巻き付け、この光ファイバ２の光学特性変化から前
記弾性体１が受ける圧力を検出するセンサ部を構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、歪みを分布的に計
測する光ファイバを用いた圧力分布センサに係り、特
に、特別な力学変換機構を必要としない圧力分布センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧力センサは、図１３に示される
ように、圧力を張力に変換するブルドン管９に歪み計測
用の光ファイバ（光ファイバ歪みセンサ）２を取り付
け、これにより圧力を光ファイバの歪みに変換するセン
サ部を構成したものである。この光ファイバは、歪みに
応じて光学特性が変化する光ファイバであり、例えば、
長手方向に屈折率分布を持たせたグレーティング（Fibe
r Bragg Grating:以下、ＦＢＧという）３からなる。こ
のＦＢＧ３の光学特性変化からブルドン管９によるＦＢ
Ｇ３の張力歪みを検出し、この歪みから圧力を検出する
ことができる。このセンサ部を光ファイバ２の延長上に
複数設けることにより、圧力分布センサが構成される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の圧力分布センサ
は、圧力を検出する各々のセンサ部に前記ブルドン管の
ような圧力張力変換機構を取り付けなければならないた
め、広範囲に亘る圧力分布を計測する場合、システムが
大掛かりになり施工等も複雑になる。

【０００４】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、特別な力学変換機構を必要としない圧力分布センサ
を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、圧力に応じて径方向に変形する弾性体の周
りに、歪みに応じて光学特性が変化する光ファイバを巻
き付け、この光ファイバの光学特性変化から前記弾性体
が受ける圧力を検出するセンサ部を構成したものであ
る。

【０００６】予め圧力を加えて前記弾性体を径方向に収
縮させ、この収縮させた弾性体の周りに前記光ファイバ
を巻き付け、前記弾性体に圧力が加わらないときに前記
光ファイバに歪みが生じるようにしてもよい。

【０００７】予め軸方向の張力を加えて前記弾性体を径
方向に収縮させ、この収縮させた弾性体の周りに前記光
ファイバを巻き付け、前記弾性体に圧力が加わらないと
きに前記光ファイバに歪みが生じるようにしてもよい。

【０００８】予め張力を加えることで歪みを生じさせた
前記光ファイバを前記弾性体の周りに巻き付け、前記弾
性体に圧力が加わらないときに前記光ファイバに歪みが
生じるようにしてもよい。

【０００９】予め前記弾性体に部分的に圧力を加えて前
記弾性体の周りに窪みを形成し、この窪みに沿わせて前
記光ファイバを巻き付け、前記弾性体に圧力が加わらな
いときに前記光ファイバに歪みが生じるようにしてもよ
い。

【００１０】予め加熱することで熱線膨張させた前記光
ファイバを前記弾性体の周りに巻き付けてから冷却し、
前記弾性体に圧力が加わらないときに前記光ファイバに
歪みが生じるようにしてもよい。

【００１１】前記弾性体中に軸方向の変形を規制する剛
性体を内蔵させてもよい。

【００１２】前記センサ部を耐環境性の高い部材で覆っ
てもよい。

【００１３】前記弾性体の周りに前記光ファイバを密な
ピッチで巻き付けてもよい。

【００１４】前記弾性体の周りに前記光ファイバを密な
ピッチと疎らなピッチとで交互に巻き付け、密なピッチ
の部分で前記圧力を検出するようにしてもよい。

【００１５】前記密なピッチの部分では前記弾性体の周
方向の一か所で前記光ファイバを前記弾性体に固定し、
前記疎らなピッチの部分では前記光ファイバに弛みを持
たせてもよい。

【００１６】前記センサ部全体の熱膨張率と前記光ファ
イバの熱膨張率とが同じであってもよい。

【００１７】前記センサ部の近傍に温度センサを設け、
この温度センサで検出される温度により、前記センサ部
で検出する圧力を補正するようにしてもよい。

【００１８】前記弾性体の周りに温度に応じて光学特性
が変化する別の光ファイバを巻き付け、この光ファイバ
の光学特性変化から検出される温度により、前記歪みに
応じて光学特性が変化する光ファイバで検出する圧力を
補正するようにしてもよい。

【００１９】前記歪みに応じて光学特性が変化する光フ
ァイバが温度に応じても光学特性が変化し、この光ファ
イバの光学特性変化から検出される温度により、この光
ファイバで検出する圧力を補正するようにしてもよい。

【００２０】前記弾性体を弾性チューブに気体を封入し
て構成してもよい。

【００２１】前記弾性体の周りに、前記光ファイバを巻
き付けるための窪みを形成してもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２３】図１に示されるように、本発明に係る圧力
分布センサのセンサ部は、ゴム等の弾性力のある材料で
線状又は円柱状の弾性体１を形成し、この弾性体１の周
囲に、ＦＢＧ３を複数個形成した光ファイバ（光ファイ
バ歪みセンサ）２を一定のピッチで巻き付けたものであ
る。弾性体１が径方向に変形すると光ファイバ２は長手
方向に伸縮することになる。従って、この光ファイバ２
の光学特性変化から弾性体１が受ける圧力を検出するこ
とができる。このセンサ部では、弾性体１の長手方向に
複数のＦＢＧ３が配置されるので、弾性体１の長手方向
の圧力分布が計測できることになる。また、センサ部を
光ファイバ２の延長上に複数設けることにより、光ファ
イバ２に沿った圧力分布が計測できることになる。

【００２４】ところで、光ファイバ２は、もっぱら伸び
歪みを計測するものである。弾性体１に光ファイバ２を
巻き付ける際に、圧力等が加わらない自然状態の弾性体
１に自然状態の光ファイバ２を巻き付けたのでは、弾性
体１に圧力が加わって弾性体１が径方向に収縮したとき
に、光ファイバ２が弛むだけで、圧力は検出できない。
そこで、予め弾性体１又は光ファイバ２を変形させて巻
き付けを行い、弾性体１に圧力が加わらないときに光フ
ァイバ２に歪みが生じ、弾性体１が圧力で収縮すると光
ファイバ２の歪みが緩和されるようにした。

【００２５】即ち、図２に示されるように、弾性体１に
光ファイバ２を巻き付ける際に、弾性体１に圧力又は軸
方向の張力を加えて弾性体１を径方向に収縮させてお
き、この収縮させた弾性体１の周りに光ファイバ２を巻
き付ける。その後、弾性体１に加えて圧力又は軸方向の
張力を取り除くと、弾性体１は径方向に膨張する（自然
状態に戻る）。このため光ファイバ２に伸び歪みが加わ
る。このようにして、弾性体１に圧力が加わらない自然
状態のときに光ファイバ２に歪みが生じるようにする。
これにより、圧力による弾性体１の収縮を光ファイバ２
の伸び歪みの減少として検出できるようになり、圧力の
ない自然状態から光ファイバ２が弛む状態までの範囲で
圧力が検出できることになる。

【００２６】このようなセンサ部は、弾性体１に光ファ
イバ２を巻き付ける際に、光ファイバ２に張力を加えな
がら巻き付けを行って形成することもできる。また、巻
き付けの際に、弾性体１の一部に圧力を加えて弾性体１
を部分的に窪ませ、この窪みに沿わせて光ファイバ２を
巻き付けるようにして形成することもできる。また、巻
き付けの際に、光ファイバ２を加熱して光ファイバ２を
伸長させておき、この伸長した光ファイバ２を弾性体１
に巻き付けてもよい。これらのいずれの場合も、弾性体
１に圧力が加わらない自然状態のときに光ファイバ２に
歪みが生じることになる。

【００２７】次に、センサ部の引張り強度を強化する実
施形態を説明する。

【００２８】図３に示されるように、弾性体１中に軸方
向の変形を規制する剛性体４を内蔵させる。この剛性体
４は、ＦＲＰや鉄等の硬い材料を線状に形成したもの
で、引張りに強いものである。この剛性体４を弾性体１
の中央部に配置する。弾性体１の引張り強度は弱いが、
センサ部に加わる引張り力が剛性体４で支えられること
になるため、センサ部の引張り強度は剛性体４の持つ強
度にまで高められることになる。

【００２９】次に、センサ部の耐環境性を強化する実施
形態を説明する。

【００３０】図４に示されるように、センサ部を耐環境
性の高い耐環境性部材５で覆う。耐環境性部材５は、耐
環境性の高い金属等からなり、弾性体１の外周に沿わせ
て設ける。また、耐環境性部材５の周囲には穴を開けて
おき、検出しようとしている圧力が弾性体１にかかるよ
うにしておく。これにより弾性体１や光ファイバ２が外
部環境から保護されるので、センサ部の劣化が防止でき
る。

【００３１】次に、圧力分布を計測するための装置構成
を説明する。

【００３２】図５に示されるように、センサ部から導か
れた光ファイバ２の一端に、センサ部のＦＢＧ３から戻
る光の光学特性変化からＦＢＧ３に生じている張力歪み
を検出する歪分布計測装置を接続する。ＦＢＧ３に生じ
ている張力歪みは、弾性体１が受けている圧力に対応し
ている。従って、この装置により、光ファイバ２に沿っ
た圧力分布が計測できることになる。この歪分布計測装
置は、ブリリュアン散乱光を利用した波長分散計測法を
使用してもよい。

【００３３】次に、図１、図３の構造を持つセンサ部に
おける歪と圧力との関係を詳しく検討する。

【００３４】弾性体１の厚さ（弾性体１の表面から剛性
体４の表面までの厚さ）をＤ、その厚さの変化量をΔ
Ｄ、弾性体１に加わった圧力（増加分）をΔＰ、弾性体
１のヤング率をＥとする。これらの変量の関係は、式
（１）で表される。

【００３５】

【数１】

【００３６】光ファイバ２の巻き付けピッチをｌ、剛性
体４の半径をｒとすると、光ファイバ２の１ピッチ分の
長さＬは、式（２）で表される。

【００３７】

【数２】

【００３８】従って、光ファイバ２の伸び量ΔＬは、式
（３）で表される。

【００３９】

【数３】

【００４０】ここで弾性体１の厚さＤの変化が十分に小
さい場合には、式（３）を式（４）で表すことができ
る。

【００４１】

【数４】

【００４２】よって、光ファイバ２の伸び率αは、式
（５）で表される。

【００４３】

【数５】

【００４４】Ｄ＝１０ｍｍ，ｌ＝１００ｍｍ，ｄ＝３ｍ
ｍ，ΔＰ＝１ａｔｍ＝１０１３２５Ｐａとしたとき、光
ファイバ２の伸び率α＝１％＝１００００εを得るため
には、弾性体１のヤング率Ｅが約３．１×１０⁶Ｐａで
あればよい。通常の弾性ゴムのヤング率は１．５〜５．
０×１０⁶Ｐａであるから、弾性体１に加わった圧力Δ
Ｐが１ａｔｍのとき光ファイバ２の伸び率αが１％にな
るセンサ部が実現可能である。一方、ＦＢＧ３を使用し
た光ファイバ歪計測の分解能は１μｓｔｒａｉｎ程度で
あるから、この圧力分布センサで水圧を計測してその水
圧から水深を求める水深計測装置を構成すると、約１ｃ
ｍの分解能が得られることになる。

【００４５】次に、光ファイバの巻き付け方法の実施形
態を説明する。

【００４６】図６に示されるように、略円柱状に形成し
た弾性体１周囲に光ファイバ２を巻き付ける際に、光フ
ァイバ２に張力を加えながら巻き付ける。光ファイバ２
が伸び歪みを生じた状態で巻き付けられているので、圧
力による弾性体１の収縮を光ファイバ２の伸び歪みの減
少として検出できるようになる。

【００４７】図７に示されるように、略円柱状に形成し
た弾性体１の周囲に光ファイバ２を巻き付ける際に、弾
性体１の一部に圧力を加えて弾性体１を部分的に窪ま
せ、この窪みに沿わせて光ファイバ２を巻き付ける。弾
性体１から圧力を取り去ると、窪みが回復しようとする
ので、光ファイバ２に歪みが生じる。よって、圧力によ
る弾性体１の収縮を光ファイバ２の伸び歪みの減少とし
て検出できるようになる。図２の方法と比較すると、圧
力又は張力を加える部分が小さいため、巻き付け設備を
小さくすることができる。

【００４８】図８に示されるように、予め光ファイバ２
を加熱し、熱線膨張により伸長させた光ファイバ２を略
円柱状の弾性体１の周囲に巻き付ける。その後、光ファ
イバ２が熱を失うと元の長さに戻ろうとするので、光フ
ァイバ２に歪みが生じる。よって、圧力による弾性体１
の収縮を光ファイバ２の伸び歪みの減少として検出でき
るようになる。

【００４９】次に、計測誤差を小さくするための巻き付
け形状の実施形態を説明する。

【００５０】弾性体１に光ファイバ２を巻き付けたセン
サ部の計測誤差要因を検討すると、圧力による弾性体１
の径方向収縮以外の原因により光ファイバ２に歪みが発
生することが考えられる。これには３つの要因がある。
即ち、センサ部の長手方向の伸縮、センサ部の曲げ変
形、センサ部の熱膨張である。

【００５１】長手方向の伸縮と曲げ変形とについて考察
する。図１のように光ファイバ２が所定の巻き付けピッ
チｌで巻き付けられていると、センサ部の長手方向の伸
縮の影響と曲げ変形の影響とを共に受けてしまう。計算
を簡単にするためセンサ部に長手方向の伸縮のみ生じた
とすると、巻き付けピッチｌの変化分がΔｌのときの光
ファイバ２の伸び量ΔＬは、式（２）をｌについて微分
した式（６）で表される。

【００５２】

【数６】

【００５３】よって、光ファイバ２の伸び率αは、式
（７）で表される。

【００５４】

【数７】

【００５５】このように、センサ部が長手方向に伸縮す
ると光ファイバ２が伸び率αで伸びることになるため、
圧力計測に誤差を生じてしまう。

【００５６】式（７）によれば巻き付けピッチｌが０で
あればセンサ部が長手方向に伸縮しても光ファイバ２は
伸びない。巻き付けピッチｌを可及的に０に近くすれば
伸び率αを小さくして圧力計測の誤差を小さくできる。
そこで、周回した光ファイバ２同士が密接するように巻
き付けて巻き付けピッチｌを光ファイバ２の径に等しく
することが考えられる。このように、弾性体１の周りに
光ファイバ２を密なピッチで巻き付けると、光ファイバ
２の歪変化がもっぱら弾性体１の径の変化に依存するよ
うになり、圧力計測の誤差を小さくできる。

【００５７】しかし、弾性体１の全長に亘って密なピッ
チで巻き付けると光ファイバ２の長さが非常に長くな
る。そこで、図９に示されるように、光ファイバ２を密
なピッチと疎らなピッチとで交互に巻き付け、巻き付け
ピッチが大きい（疎らな）部分と巻き付けピッチが小さ
い（密な）部分とを形成する。このようにして、圧力計
測を行うための巻き付けピッチが小さい部分を確保しつ
つ、光ファイバ２の長さを減らすことができる。

【００５８】図９の形態においても、圧力計測の誤差を
完全になくすことはできない。センサ部の長手方向の伸
縮や曲げ変形の影響が巻き付けピッチの大きい部分を介
して巻き付けピッチの小さい部分に伝搬するからであ
る。そこで、図１０に示されるように、巻き付けピッチ
が小さい部分では、弾性体１の一点で弾性体１と光ファ
イバ２とが互いに動かないように接着等により固定す
る。光ファイバ２は周回毎に同じ周方向位置に固定す
る。また、巻き付けピッチの大きい部分では、光ファイ
バ２に弛みを持たせておく。これにより、センサ部の長
手方向の伸縮や曲げ変形があっても光ファイバ２には影
響がない。そして、弾性体１の径の変化は確実に巻き付
けピッチが小さい部分の光ファイバ２の伸び歪の変化と
して検出することができる。

【００５９】次に、圧力分布計測における温度補正につ
いて説明する。

【００６０】センサ部を構成する弾性体１や光ファイバ
２は熱膨張するため、この熱膨張が圧力計測の誤差要因
となる。そこで、光ファイバ２の歪計測に並行して温度
計測を行い、温度補正することで誤差を解消することが
できる。各センサ部の近傍に温度センサを設けて圧力分
布と共に温度分布を計測すれば、各温度センサで検出さ
れる温度により、各センサ部で検出する圧力を補正する
ことができる。また、温度に応じて光学特性が変化する
光ファイバを光ファイバ２に添えて弾性体１に巻き付け
て温度分布を計測してもよい。さらには、光ファイバ２
が温度に応じても光学特性が変化するようであれば、光
ファイバ２で歪と温度とを計測することができる。

【００６１】次に、弾性体の他の形態を説明する。

【００６２】図１１に示されるように、ゴム等の弾性力
のある材料でチューブ７を形成する。この弾性チューブ
７に空気等の気体を封入すると、円柱状の弾性体１を構
成することができる。弾性チューブ７内の気体は弾性チ
ューブ７の外の圧力に応じて拡縮する。気体の体積は圧
力に比例するため、圧力変換係数の大きい弾性体１を構
成することができる。

【００６３】次に、光ファイバを保護するための弾性体
の形態を説明する。

【００６４】図１２に示されるように、弾性体１の表面
に窪みを形成する。ただし、この窪みは、図７の例のよ
うに圧力を付与して変形させたものではなく、永久的な
ものである。このような窪みを螺旋状に形成しておき、
この窪みの中に光ファイバ２を収容するようにして光フ
ァイバ２を弾性体１に巻き付ける。このセンサ部は、光
ファイバ２が窪みの中に収容され、弾性体１の外周表面
が光ファイバ２より外側に位置するので、例えば、セン
サ部を引きずったりして他の物体に接触させても、光フ
ァイバ２は衝撃や摩擦から保護されることになり、断線
等の心配がなくなる。

【００６５】本発明の圧力分布センサは、土中に埋設し
て地中圧力分布センサとすることにより、地中圧力の監
視装置に使用することができる。また、崖や堤防の縁近
くの土中に埋設して崩壊度監視装置に使用することがで
きる。

【００６６】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００６７】（１）特別な力学変換機構を用いないので
センサ部の設置が容易になり、労力及びコストを大幅に
削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態である圧力分布センサのセ
ンサ部の斜視図である。

【図２】本発明の一実施形態である圧力分布センサの光
ファイバ巻き付け工程図である。

【図３】本発明の一実施形態である圧力分布センサの断
面図である。

【図４】本発明の一実施形態である圧力分布センサの断
面図である。

【図５】本発明の一実施形態である圧力分布センサを用
いた圧力分布計測装置の構成図である。

【図６】本発明の一実施形態である圧力分布センサの光
ファイバ巻き付け工程図である。

【図７】本発明の一実施形態である圧力分布センサの光
ファイバ巻き付け工程図である。

【図８】本発明の一実施形態である圧力分布センサの光
ファイバ巻き付け工程図である。

【図９】本発明の一実施形態である圧力分布センサの光
ファイバ巻き付け形状を示す斜視図である。

【図１０】本発明の一実施形態である圧力分布センサの
光ファイバ巻き付け形状を示す斜視図である。

【図１１】本発明の一実施形態である圧力分布センサの
斜視図である。

【図１２】本発明の一実施形態である圧力分布センサの
斜視図である。

【図１３】従来の圧力センサの構成図である。

【符号の説明】

１弾性体２光ファイバ３ＦＢＧ４剛性体５耐環境性部材７弾性チューブ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力に応じて径方向に変形する弾性体の
周りに、歪みに応じて光学特性が変化する光ファイバを
巻き付け、この光ファイバの光学特性変化から前記弾性
体が受ける圧力を検出するセンサ部を構成したことを特
徴とする圧力分布センサ。
【請求項２】予め圧力を加えて前記弾性体を径方向に
収縮させ、この収縮させた弾性体の周りに前記光ファイ
バを巻き付け、前記弾性体に圧力が加わらないときに前
記光ファイバに歪みが生じるようにしたことを特徴とす
る請求項１記載の圧力分布センサ。
【請求項３】予め軸方向の張力を加えて前記弾性体を
径方向に収縮させ、この収縮させた弾性体の周りに前記
光ファイバを巻き付け、前記弾性体に圧力が加わらない
ときに前記光ファイバに歪みが生じるようにしたことを
特徴とする請求項１記載の圧力分布センサ。
【請求項４】予め張力を加えることで歪みを生じさせ
た前記光ファイバを前記弾性体の周りに巻き付け、前記
弾性体に圧力が加わらないときに前記光ファイバに歪み
が生じるようにしたことを特徴とする請求項１記載の圧
力分布センサ。
【請求項５】予め前記弾性体に部分的に圧力を加えて
前記弾性体の周りに窪みを形成し、この窪みに沿わせて
前記光ファイバを巻き付け、前記弾性体に圧力が加わら
ないときに前記光ファイバに歪みが生じるようにしたこ
とを特徴とする請求項１記載の圧力分布センサ。
【請求項６】予め加熱することで熱線膨張させた前記
光ファイバを前記弾性体の周りに巻き付けてから冷却
し、前記弾性体に圧力が加わらないときに前記光ファイ
バに歪みが生じるようにしたことを特徴とする請求項１
記載の圧力分布センサ。
【請求項７】前記弾性体中に軸方向の変形を規制する
剛性体を内蔵させたことを特徴とする請求項１〜６いず
れか記載の圧力分布センサ。
【請求項８】前記センサ部を耐環境性の高い部材で覆
ったことを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の圧力
分布センサ。
【請求項９】前記弾性体の周りに前記光ファイバを密
なピッチで巻き付けたことを特徴とする請求項１〜８い
ずれか記載の圧力分布センサ。
【請求項１０】前記弾性体の周りに前記光ファイバを
密なピッチと疎らなピッチとで交互に巻き付け、密なピ
ッチの部分で前記圧力を検出するようにしたことを特徴
とする請求項１〜１０いずれか記載の圧力分布センサ。
【請求項１１】前記密なピッチの部分では前記弾性体
の周方向の一か所で前記光ファイバを前記弾性体に固定
し、前記疎らなピッチの部分では前記光ファイバに弛み
を持たせたことを特徴とする請求項１０記載の圧力分布
センサ。
【請求項１２】前記センサ部全体の熱膨張率と前記光
ファイバの熱膨張率とが同じであることを特徴とする請
求項１〜１１いずれか記載の圧力分布センサ。
【請求項１３】前記センサ部の近傍に温度センサを設
け、この温度センサで検出される温度により、前記セン
サ部で検出する圧力を補正するようにしたことを特徴と
する請求項１〜１２いずれか記載の圧力分布センサ。
【請求項１４】前記弾性体の周りに温度に応じて光学
特性が変化する別の光ファイバを巻き付け、この光ファ
イバの光学特性変化から検出される温度により、前記歪
みに応じて光学特性が変化する光ファイバで検出する圧
力を補正するようにしたことを特徴とする請求項１〜１
３いずれか記載の圧力分布センサ。
【請求項１５】前記歪みに応じて光学特性が変化する
光ファイバが温度に応じても光学特性が変化し、この光
ファイバの光学特性変化から検出される温度により、こ
の光ファイバで検出する圧力を補正するようにしたこと
を特徴とする請求項１〜１３いずれか記載の圧力分布セ
ンサ。
【請求項１６】前記弾性体を弾性チューブに気体を封
入して構成したことを特徴とする請求項１〜１５いずれ
か記載の圧力分布センサ。
【請求項１７】前記弾性体の周りに、前記光ファイバ
を巻き付けるための窪みを形成したことを特徴とする請
求項１〜１６いずれか記載の圧力分布センサ。