JP2001280922A - 光ファイバ式ひずみセンサ及びその製造方法 - Google Patents
光ファイバ式ひずみセンサ及びその製造方法Info
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Abstract
式ひずみセンサを提供する。 【解決手段】ひずみセンサ1は、第1光ファイバ2及び
第2光ファイバ3により構成される。第1光ファイバ2
の先端面は軸心と直交する面に形成され、第2光ファイ
バ3の先端面には凹面4が形成されている。第1及び第
2光ファイバ2,3の先端面の周縁部は同心に融着され
ている。第1光ファイバ2の先端面の中心部6と第2光
ファイバ3の凹面4の底部4aとを相対向する一対の部
分反射面として共振器5が構成される。共振器5に光を
導入すると、部分反射面6,4aの間隔Dの二倍の光路
差を有する二つの光の干渉光信号が生成される。
Description
みセンサ、及びそのひずみセンサの製造方法に関する。
ては、例えば米国特許5202939に見られるよう
な、所謂ファブリ・ペロー(Fabry-Perot)型のものが
一般に知られている。図10にこのひずみセンサの基本
構造を示す。
本の光ファイバ100,101を有し、これらの光ファ
イバ100,101のそれぞれの先端面に、光の一部を
反射する(残部を透過する)薄膜状の部分反射面(semi
-reflective mirror)102,103が形成されてい
る。また、光ファイバ100,101の先端部は、それ
ぞれ細い管体104の各端部から該管体104内に挿入
され、それらの先端面の部分反射面102,103が適
当な間隔dを存して平行に相対向するように配置されて
いる。これにより、両部分反射面102,103の間の
空間(空洞)105が、その両端に部分反射面102,
103を有する共振器(詳しくは外部共振器)として形
成されている。そして、各光ファイバ100,101
は、それぞれ、固定部106,107において管体10
4の内周部に固定されている。
測定対象物のひずみを測定する場合には、前記管体10
4が測定対象物に生じるひずみと同じひずみを生じるよ
うに該測定対象物に貼着される。このとき、測定対象物
にひずみが生じると、管体104の長さ、ひいては、前
記固定部106,107の間隔が変化する。そして、こ
の固定部106,107の間隔の変化量と同じ量だけ前
記部分反射面102,103の間隔dが変化する。従っ
て、部分反射面102,103の間隔の変化量を計測す
ることによって、測定対象物に生じたひずみを測定する
ことができる。
当初の間隔をX(この間隔XがこのひずみセンサAのゲ
ージ長となる)とし、測定対象物のひずみに伴う固定部
106,107の間隔の変化量(=部分反射面102,
103の間隔dの変化量)をΔXとすると、測定対象物
のひずみは、ΔX/Xで与えられる。
隔の変化量ΔXは、次のように計測される。
際に、光ファイバ100,101のいずれか一方、例え
ば光ファイバ100に前記共振器105に向かう光を導
入する。このとき、その光の一部は、部分反射面102
で反射されて光ファイバ100内を戻っていく。また、
部分反射面102で反射されずに透過した光は、共振器
105内を部分反射面103に向かって進行した後、そ
の一部が該部分反射面103で反射されて、部分反射面
102に向かって進行する。そして、さらにその一部が
部分反射面102を透過して光ファイバ100内を戻っ
ていくと共に、前述のように部分反射面102で反射さ
れた光との干渉を生じる。
光ファイバ100内を戻る光は、部分反射面102で反
射されて光ファイバ100内を戻る光に対して、両部分
反射面102,103の間隔dの二倍の光路差を与えら
れる。このため、両者の光の干渉によって、上記光路差
(=2・d)に応じた干渉光信号が得られる。従って、
その干渉光信号に基づいて、上記光路差、ひいては両部
分反射面102,103の間隔dを測定することができ
る。
分反射面102,103の間隔dの計測手法には、所
謂、白色光干渉方式や位相検出方式(ヘテロダイン法)
等がある。白色光干渉方式の一例としては、例えば、前
記米国特許第5202939号に見られる手法が挙げら
れ、位相検出方式の一例としては、例えば特開平10−
170233号公報に見られる手法が挙げられる。
信号に基づいて両部分反射面102,103の間隔dを
計測することによって、該間隔dの当初の間隔からの変
化量、すなわち、前記ΔLを把握することができる。従
って、前述のように測定対象物のひずみを測定すること
ができる。
ァブリ・ペロー型のひずみセンサでは、次のような不都
合を生じるものとなっていた。
みセンサAでは、部分反射面102を有する光ファイバ
100と、部分反射面103を有する光ファイバ101
とは、これらの光ファイバ100,101の先端部を挿
入した管体104に固定部106,107で固定され、
これらの固定部106,107の当初の間隔Xがゲージ
長となる。この場合、各固定部106,107において
は、各光ファイバ100,101は、通常、レーザやア
ーク放電によって管体104の内周部に溶接されて固定
され、あるいは、接着剤によって管体104の内周部に
接着されて固定される。
部分は一般に、管体104の長手方向にある程度の幅を
有するものとなると共に、その幅や位置を高精度に管理
することは極めて困難である。つまり、各光ファイバ1
00,101の管体104に対する固定位置を高精度に
管理することは極めて困難である。また、融着部分や接
着部分の幅があることから、各光ファイバ100,10
1を管体104に固定した後にその固定位置を正確に特
定することも難しい。さらに、比較的長期間に渡るひず
み測定の際等のように、管体104に繰り返しひずみが
作用すると、各光ファイバ100,101の管体104
に対する固定位置がずれることがある。
は、測定するひずみ量に係わる基準長としてのゲージ長
Xを高精度に規定し、また該ゲージ長Xを高精度に把握
しておくことが困難である。この結果、前記固定部10
6,107の間隔の変化量ΔXとしての両部分反射面1
02,103の間隔の変化量を精度よく測定しても、こ
の変化量ΔXの前記ゲージ長Xに対する比として得られ
るひずみ測定値自体の十分な精度を確保することができ
ない。
定対象物のひずみを直接的に受ける管体104は光ファ
イバ100,101に外挿されるため、比較的厚いもの
とならざるを得ない。このため、管体104のひずみに
対する高い感度を確保することが難しく、精度のよいひ
ずみ測定を行う上で不利である。
鑑みてなされたものであり、精度のよいひずみ測定を可
能とする光ファイバ式ひずみセンサを提供することを目
的とする。
ンサを効率よく容易に製造することができる製造方法を
提供することを目的とする。
ずみセンサはかかる目的を達成するために、光の一部を
反射可能な一対の部分反射面を両端に相対向させて形成
してなる共振器と、前記両部分反射面の一方側から他方
側に向かう光を前記共振器にその外部から導入する光フ
ァイバとを備え、前記両部分反射面の間隔がひずみ測定
対象物のひずみに応じて変化するよう前記共振器を該測
定対象物に取付けた状態で前記光ファイバを介して前記
共振器に光を導入したとき、各部分反射面で反射した光
の干渉により両部分反射面の間隔に応じた干渉光信号を
生成する光ファイバ式ひずみセンサにおいて、少なくと
も先端面の中心部に軸心と略直交する直交面があらかじ
め形成された第1の光ファイバと、先端面の中心部にあ
らかじめ凹面が形成され、且つ該凹面の底部が軸心と略
直交する第2の光ファイバとを備える。さらに、前記第
1の光ファイバの先端面の周縁部と前記第2の光ファイ
バの先端面の周縁部とが略同心に接合されて固着されて
いる。そして、前記第1の光ファイバの先端面の中心部
と前記第2の光ファイバの凹面の底部とを前記両部分反
射面として前記共振器を構成したことを特徴とするもの
である。
イバと第2の光ファイバとは、それらの先端面の周縁部
が略同心に接合されて固着されている。従って、両光フ
ァイバは、一体的に連接されている。そして、両光ファ
イバの接合部分の内部では、第1の光ファイバの先端面
と第2の光ファイバの凹面とによって密閉された空間が
形成される。このとき、第1の光ファイバの先端面の中
心部の前記直交面と第2の光ファイバの凹面の底部とは
第1の光ファイバの軸心と略直交し、換言すれば、互い
に平行となる。従って、第1の光ファイバの先端面の中
心部の直交面と第2の光ファイバの凹面の底部とは前記
部分反射面として機能することができる。これにより、
上記の空間部分に前記共振器が形成されることとなる。
は、第1及び第2の光ファイバは、それらの先端部同士
が直接的に接合・固着されて、一体化されており、しか
も、その接合部分の内部に密閉された前記共振器が形成
されている。このため、前記共振器の両部分反射面の間
隔がひずみ測定対象物のひずみに応じて変化するように
該共振器を測定対象物に取付けるためには、第1及び第
2の光ファイバの接合部分を直接的にひずみ測定対象物
に取付ければよい。そして、このとき、共振器の両部分
反射面の当初の間隔がゲージ長に相当するものとなる。
さらにそのゲージ長は、例えば第1又は第2の光ファイ
バを介して前記共振器に光を導入して、前記干渉光信号
を生成すれば、その干渉光信号に基づいて計測すること
ができる。あるいは、前記凹面の深さ等に基づいて求め
ることもできる。従って、本発明のひずみセンサによれ
ば、測定するひずみの基準長となるゲージ長を精度よく
特定することが可能となる。
測定に際して第1及び第2の光ファイバの接合部分を前
記のように直接的に測定対象物に取付ければよいので、
測定対象物のひずみに対する受感部分となる上記接合部
分は、光ファイバの径程度の薄いものとなる。このた
め、測定対象物のひずみに対して良好な感度で前記共振
器の両部分反射面の間隔が変化する。
ば、ゲージ長を精度よく特定することができ、また、測
定対象物のひずみに対する十分な感度を確保することが
できるため、精度のよいひずみ測定を行うことが可能と
なる。
の製造方法は、上述した構成のひずみセンサを製造する
方法である。そして、この製造方法は、軸心と略直交す
る先端面があらかじめ形成された二本の素材光ファイバ
のうちの一方の素材光ファイバの先端面にエッチング加
工を施すことにより該素材光ファイバの中心部に前記凹
面を形成して前記第2の光ファイバを得る工程と、前記
二本の素材光ファイバのうちの他方の素材光ファイバを
前記第1の光ファイバとし、該第1の光ファイバの先端
面の周縁部と前記第2の光ファイバの先端面の周縁部と
を略同心に融着する工程とからなるものである。
分反射面を構成する前記凹面を有する第2の光ファイバ
は、前記二本の素材光ファイバのうちの一方の素材光フ
ァイバの先端面にエッチング加工を施して該先端面に凹
面を形成することにより得られる。すなわち、素材光フ
ァイバの先端部をエッチング液中に浸漬させると、該素
材光ファイバの先端面が該素材光ファイバのコア部分を
中心としてエッチングされ、前記凹面が形成される。こ
のとき、該凹面は、例えばその縦断面が軸心に対して対
称的な湾曲面形状となり、該凹面の底部は、素材光ファ
イバの軸心と略直交するものとなる。この場合、前記素
材光ファイバが例えば石英系のものであるとしたとき、
前記エッチング液としては、例えば弗化水素水溶液、あ
るいは、これに弗化アンモニウム水溶液を混合した溶液
が挙げられる。
ング加工により凹面を形成してなる第2の光ファイバの
先端面の周縁部と、前記二本の素材光ファイバのうちの
他方の素材光ファイバの先端面の周縁部とを略同心に融
着する(加熱・溶融させてくっつける)。これにより、
両光ファイバの先端面の周縁部が確実に接合・固着さ
れ、その接合部分(融着部分)の内部に密閉的に前記共
振器が形成される。また、このとき、第2の光ファイバ
の先端面の周縁部(前記凹面の周囲部分)と、第1の光
ファイバの先端面(その周縁部を含む)とは、それぞれ
の光ファイバの軸心と略直交しているため、それらの周
縁部を精度よく同心に融着することが可能となる。さら
にその融着によって、第1の光ファイバの先端面の中心
部及び第2の光ファイバの凹面の底部は、互いに略平行
な部分反射面となる。
に前記エッチング加工によって、前記第2の光ファイバ
の先端面に凹面を形成するので、前記共振器の一方の部
分反射面を形成するものとして適切な凹面を有する第2
の光ファイバを再現性よく、しかも効率よく製造するこ
とができる。そして、この第2の光ファイバの先端面の
周縁部と前記第1の光ファイバの先端面の周縁部とを融
着するだけで、前述のように精度のよいひずみ測定が可
能なひずみセンサを得ることができる。このため、製品
毎のばらつきの少ない良好なひずみセンサを量産的に効
率よく製造することができる。
凹面を形成する素材光ファイバは、石英系マルチモード
光ファイバであることが好適である。
を用いたとき、前記エッチング加工によって、適切な深
さの前記凹面を比較的短時間で得ることができる。
みセンサの一実施形態を図1を参照して説明する。
式ひずみセンサ1は、その構成要素として、第1光ファ
イバ2及び第2光ファイバ3を具備する。第1光ファイ
バ2は、本実施形態では、例えば石英系のシングルモー
ド光ファイバであり、参照符号2a,2bを付した部分
がそれぞれこの光ファイバ2のコア、クラッドである。
また、第2光ファイバ3は、例えば石英系のマルチモー
ド光ファイバ(より詳しくは、石英系のグレイデッド・
インデックス・光ファイバ)であり、参照符号3a,3
bを付した部分がそれぞれこの光ファイバ3のコア、ク
ラッドである。
わたって該光ファイバ2の軸心とほぼ直交する面に形成
されている。また、第2光ファイバ3の先端面には、そ
の中心部であるコア3a部分に、縦断面、略放物線形状
の凹面4が形成されており、この凹面4の底部4aは、
該光ファイバ3の軸心とほぼ直交する。
面は、同心に突き合わされ、それらの周縁部を全周にわ
たって加熱・溶融して融着することによって、接合・固
着されている。これにより、第1及び第2光ファイバ
2,3は、実質的に一本の光ファイバから構成されてい
るように一体的に連接されている。
は、両光ファイバ2,3の接合箇所の内部で第1光ファ
イバ2の先端面と第2光ファイバ3の凹面4との間で形
成された密閉された空間5(空洞)が、ファブリ・ペロ
ー型のひずみセンサとしてのひずみセンサ1の共振器
(詳しくは外部共振器)となり、この共振器5の一対の
部分反射面は、第1光ファイバ2の先端面の中心部6
(該先端面のコア2a部分)と、第2光ファイバ3の凹
面4の底部4aとにより構成される。
えば第1光ファイバ2に共振器5に向かう光を導入する
と、その光の一部は、光ファイバ2の先端面の中心部で
ある部分反射面6で反射され、該光ファイバ2内を戻
る。また、第1光ファイバ2の先端面で反射されずに、
共振器5内に透過した光の一部が第2光ファイバ3側の
部分反射面4a(凹面4の底部)で反射されて、部分反
射面6側に戻り、さらにその一部が部分反射面6を透過
して第1光ファイバ2内に進入し、該第1光ファイバ2
内を戻る。そして、このように部分反射面4aで反射さ
れて、第1光ファイバ2内を戻る光と、前述のように部
分反射面6で反射されて第1光ファイバ2内を戻る光と
が干渉し、それらの光の光路差(=両部分反射面6,4
aの間隔Dの二倍の長さ2D)に応じた干渉光信号が得
られる。
振器5の箇所)を測定対象物に貼着すると、測定対象物
のひずみに応じて共振器5の両部分反射面6,4aの間
隔Dが変化する。
4aは、第1光ファイバ2の先端面や、第2光ファイバ
3の凹面4に特別な反射皮膜層をコーティングすること
なく、各光ファイバ2,3のコア2a,3bそのものに
より形成されている。このため、それらの部分反射面
6,4aで生じる光の反射は所謂、フレネル反射であ
り、その反射率は、約4%程度である。従って、本実施
形態のひずみセンサ1で構成される干渉系はフィゾー干
渉系である。
図2を参照して説明する。本実施形態では、ひずみセン
サ1は、図2のフローチャートに示すように製造され
る。
素材光ファイバ(本実施形態では石英系のシングルモー
ド光ファイバ。以下、ここでは第1素材光ファイバとい
う)と第2光ファイバ3の素材となる素材光ファイバ
(本実施形態では石英系のグレイデッド・インデックス
・光ファイバ。以下、ここでは第2素材光ファイバとい
う)とを用意し、各素材光ファイバの先端面が軸心と直
交する面となるように、各素材光ファイバの先端部を切
断する(STEP1)。この切断によって、第1素材光
ファイバは、そのまま、第1光ファイバ2として得られ
る。尚、上記のような切断は、公知の工具を用いて行う
ことができる。
2素材光ファイバの先端部をエッチング液に浸漬させ
て、該第2素材光ファイバの先端面にエッチング加工を
施す(STEP2)。
素水溶液、あるいは、これに弗化アンモニウム水溶液を
混合したものをエッチング液として用いる。該エッチン
グ液は、より具体的には、47%弗化水素水溶液と水と
40%弗化アンモニウムとを1:1:0〜1(容積比)
の比率で混合したものであることが好ましい。そして、
本実施形態では、エッチング温度を室温として、上記エ
ッチング液中に前記第2素材光ファイバの先端部を数十
分、浸漬させることによって、第2素材光ファイバの先
端面にエッチング加工を施す。
素材光ファイバの先端面は、そのコア部分を中心にして
エッチングされ、前記凹面4が形成される。これによ
り、前記第2光ファイバ3が得られる。このとき、該凹
面4の深さは例えば40μm程度である。
て、第2光ファイバ3を得た後、前記STEP1で得た
第1光ファイバ2の先端面の周縁部と第2光ファイバ3
の先端面の周縁部とを同心に融着する(STEP3)。
3の先端面を同心に突き合わせ、この状態で、レーザや
アーク放電によって両光ファイバ3の先端面の周縁部を
加熱して溶融させ、その後、冷却することによってなさ
れる。
2,3の先端面の周縁部が一体的に接合・固着され、こ
れにより、図1のひずみセンサ1が得られる。
手法の具体的な一例を図3〜図8を参照して説明する。
わち、前記干渉光信号に基づくひずみ測定は、公知の白
色光干渉方式や位相検出方式を用いて行うことも可能で
あるが、本実施形態では、以下に説明するような手法に
よって、ひずみ測定を行う。この手法は、本願出願人が
特願2000−92088号にて提案している手法に基
づくものである。
定システムの全体のシステム構成を示す。尚、同図3で
は、ひずみセンサ1を模式化して記載している。
は、所定の波長分布を有する光源光を放出する光源10
に、投光側光ファイバ11及び3dBカプラ12を介し
て、ひずみセンサ1の第1光ファイバ2が接続されてい
る。また、カプラ12には、受光側光ファイバ13を介
して分光器14が接続されている。
ァイバ13は、第1光ファイバ2と同じシングルモード
光ファイバである。また、光源10は、例えば発光ダイ
オードにより構成され、それが放出する光源光(投光側
光ファイバ11に導入する光)の波長分布は、例えば図
4に実線aで示すような略正規型の分布であり、その中
心波長は例えば830nmである。
ァイバ11に光源光を導入すると、その光は、カプラ1
2及び第1光ファイバ2を介してひずみセンサ1の共振
器5に導かれる。そして、このとき、共振器5の部分反
射面6,4aで前述のようにそれぞれ反射された二つの
光の干渉光信号が、第1光ファイバ2内をカプラ12側
に戻り、該カプラ12から受光側光ファイバ13を介し
て分光器14に導かれて受光される。
しないグレーティングにより分光して、該干渉光信号の
強度の波長分布データを生成するもので、各波長の強度
に応じたレベルの信号を出力するCCD15を備えてい
る。そして、このCCD15は、その各素子の出力、す
なわち、受光した干渉光信号の各波長の強度を表す出力
をA/D変換するA/D変換器16を介してパソコン等
からなるデータ処理装置17に接続されている。
構成として、分光器14のCCD15から得られる波長
分布データに所定の変換処理を施す分布データ変換手段
18と、この分布データ変換手段18により得られるデ
ータから、所定の波長差当たりの干渉光信号の強度差の
複数のデータを求める強度差データ生成手段19と、そ
の強度差データを用いて干渉光信号の所定の位相成分を
求める位相算出手段20と、その位相成分を用いてひず
みを算出する等の処理を行うひずみ算出手段21とを具
備している。尚、これらの各手段18〜21の処理の具
体的な内容については、本実施形態のひずみ測定システ
ムの作動の説明と併せて後述する。
の作動を具体的に説明する前に、本システムによるひず
み測定の基本的原理について説明しておく。
に光を導入すると、共振器5の両部分反射面6,4aの
間隔D(以下、反射面間隔Dという)の二倍の光路差
(=2D)を有する二つの光が生成され、それらの光を
干渉させてなる干渉光信号が生成される。このとき、共
振器5に導入する光源光が理想的な白色光である場合を
想定する。ここで、「白色光」は、図4に仮想線bで示
すように、ある波長範囲(比較的広い波長範囲)におい
てその範囲内の各波長の光の強度(波長分布)が均一で
あるような光を意味するものとする(以下、同様)。
成分の強度をI(これは白色光では各波長において同一
である)、上記干渉光信号を組成する二つの光の干渉度
をV、その二つの光の光路差をL(=2D)とおくと、
その二つの光の干渉光信号の任意の波長値λ(光源光の
上記波長範囲内の波長値)における強度I(λ)は、一般
的に次式(1)により表される。
なる複数の波長値λ0、λ1(=λ0+Δλ)、λ2(=λ
1+Δλ)、…、λn(=λn-1+Δλ)、……を定める
と共に、その複数の波長値λn(n=0,1,2,…
…)のうちの一つ、例えばλ1(但し、λ1>>Δλ)を
特定して、それをλaとおく(λa=λ1とおく)。以
下、この所定波長値λaを基準波長値λaという。このと
き、次式(2),(3)により定義するθ,αを導入す
ると、
おける干渉光信号の強度I(λn)は次式(4)により与
えられる。
干渉光信号を組成する二つの光の光路差Lに比例する位
相であるので、該光路差Lに応じた位相成分としての意
味をもつ。また、式(3)により定義されるαは、光路
差Lに比例するものであると同時に、前記単位波長差Δ
λに比例する位相であるので、波長差に応じた位相成分
としての意味をもつ。以下、θを光路差位相成分と称
し、αを波長差位相成分と称する。
(λn)(n=0,1,2,…)の数列において、前記単
位波長差Δλのある整数倍、例えば2倍の波長差(=2
・Δλ)を有するものの組(I(λ0),I(λ2))、(I
(λ1),I(λ3))、…、(I(λn+2),I(λn))、…
…を考え、それらの各組における二つの強度I(λn+
2),I(λn)(n=0,1,2,…)の差(=I(λn+2)
−I(λn))をΔInとおく。このとき、この強度差ΔI
n(=I(λn+2)−I(λn)、n=0,1,2…)は、式
(4)に基づいて、次式(5)により与えられる。
α)(n=0,1,2,…)を複素数により表現する
と、次式(6)が得られる。尚、式(6)中のexp()
は、自然対数の底eの指数関数である。
Z1,Z2,A1,A2を導入すると、
nの数列は、次式(8)の漸化式によって、自己回帰モ
デルの形式で表現される。
2,…)の数列を自己回帰モデルの形式で表現したと
き、強度差ΔInの複数の計測データが得られれば、そ
の計測データから最小二乗法や、Yule-Walker法、Burg
法等によって、自己回帰モデルの自己回帰係数としての
前記複素数Z1,Z2,A1,A2の値を求める(同定す
る)ことができる。
2,A1,A2の値を求めたとき、前記式(7)の定義式
によって、それらの値(複素数値)から、次式(9),
(10)によって、それぞれ前記光路差位相成分θ及び
波長差位相成分αを求めることができる。
算出は、実際上は、複素数A1/A2の位相(=2θ)を
例えば−π〜+πの範囲で求め、その位相2θの半分の
値を求めることによって行われる。従って、求められる
光路差位相成分θの範囲は、−π/2<θ<π/2であ
る。このことは波長差位相成分αについても同様であ
る。
相成分αが求まれば、基本的には、前記式(2),
(3)の定義式に基づいて、光路差Lの半分の値である
共振器5の反射面間隔Dは、光路差位相成分θを用いた
次式(11)、あるいは、波長差位相成分αを用いた次
式(12)によって求めることができることとなる。
尚、以下の説明では、光路差位相成分θあるいは波長差
位相成分αを用いて求まる共振器5の反射面間隔Dにそ
れぞれ参照符号Dp,Daを付することがある。
成分αは、位相であるので、光路差L、ひいては共振器
5の反射面間隔Dの変化に対して、周期性を有する。す
なわち、光路差位相成分θは、その範囲(−π/2〜π
/2)と前記式(11)とから明らかなように、図5
(b)に示す如く、共振器5の反射面間隔Dが、前記基
準波長値λaの1/4(=λa/4)だけ変化する毎に、
同一の値を採る。また、波長差位相成分αは、その範囲
(−π/2〜π/2)と前記式(12)とから明らかな
ように、図5(a)に示す如く、共振器5の反射面間隔
Dが、λa2/(4・Δλ)だけ変化する毎に、同一の値
を採る。
れる反射面間隔D(=Dp)、及び波長差位相成分αの
値により求められる反射面間隔D(=Da)は、より正
確には、それぞれ次式(13),(14)により与えら
る。前記式(11),(12)は、それぞれ式(1
3),(14)の「m」の値が「0」であるときに成立
するものである。
位相成分αの値から、反射面間隔Dを把握するために
は、式(13)あるいは式(14)の「m」の値を特定
する必要がある。
りの反射面間隔Dの変化量λa/4よりも小さい分解能
で反射面間隔Dの大きさを大略的に推測できる場合(反
射面間隔Dが光路差位相成分θのどの周期内に属するか
を推測できる場合)には、前記式(13)の「m」の値
を特定することができるため、式(13)に従って、光
路差位相成分θの値から反射面間隔Dを求めることがで
きる。同様に、波長差位相成分αの1周期当たりの反射
面間隔Dの変化量λa2/(4・Δλ)よりも小さい分解
能で反射面間隔Dの大きさを大略的に推測できる場合に
は、前記式(14)の「m」の値を特定することができ
るため、式(14)に従って、波長差位相成分αの値か
ら反射面間隔Dを求めることができる。
相成分θの1周期内でのみ生じるような場合には、その
反射面間隔Dの変化量は、前記式(13)のθに係る係
数(λa/4)に、光路差位相成分θの変化量を乗算す
ることにより求められるので、式(13)の「m」の値
を認識する必要はない。このことは、波長差位相成分α
に関しても同様である。
とき、その波長は、数百nmであるから、光路差位相成分
θの1周期当たりの反射面間隔Dの変化量λa/4も、
概ね数百nm程度であり、比較的小さい。また、前記単位
波長差Δλを数nmとしたとき、波長差位相成分αの1周
期当たりの反射面間隔Dの変化量λa2/(4・Δλ)
は、概ね数十〜数百μmであり、光路差位相成分θの1
周期当たりの反射面間隔Dの変化量λa/4よりも十分
に大きい。従って、光路差位相成分θを用いることによ
って比較的微小な反射面間隔Dあるいは該反射面間隔D
の微小な変化量を把握することが可能となる。また、波
長差位相成分αを用いることによって、比較的大きな反
射面間隔Dあるいは、該反射面間隔Dの比較的大きな変
化量を把握することが可能となる。さらに、波長差位相
成分αに基づき把握される反射面間隔Dの分解能が、光
路差位相成分θの1周期当たりの反射面間隔Dの変化量
λa/4よりも小さく、波長差位相成分αに基づき把握
される反射面間隔Dが光路差位相成分θのどの周期内に
属するかを把握することができる(このことは式(1
3)の「m」の値を特定できることを意味する)場合に
は、波長差位相成分αに基づいて反射面間隔Dを巨視的
に把握しつつ、光路差位相成分θの複数周期にわたっ
て、該光路差位相成分θの値に基づいて、高精度に反射
面間隔Dやその変化量を把握することも可能である。
相成分αが求まれば、それらを選択的あるいは併用的に
用いることによって、反射面間隔Dやその変化量を幅広
い範囲で把握することが可能となる。
態におけるひずみ測定システムの作動を説明する。本実
施形態のひずみ測定システムによるひずみ測定は、次の
ように行われる。
(前記第1及び第2光ファイバ2,3の接合部分)を図
示しない測定対象物に貼着しておく。この場合、第1及
び第2光ファイバ2,3の接合部分は測定対象物と同じ
ひずみを生じるように接着剤等により直接的に測定対象
物に貼着される。
対象物に貼着した直後のひずみ測定の開始前に、光源1
0から投光側光ファイバ11、カプラ12及び第1光フ
ァイバ2を介してひずみセンサ1の共振器5に光源光を
導入し、前述のように干渉光信号を生成する。このと
き、生成される干渉光信号は、ひずみセンサ1の測定対
象物への貼着直後の状態での共振器5の反射面間隔D
(この間隔Dはひずみセンサ1のゲージ長に相当するも
ので、以後に測定するひずみの基準長となるものであ
る。以下、これに参照符号D0を付する)の二倍の光路
差(2D0)に応じた干渉光信号である。そして、その
干渉光信号を第1光ファイバ2からカプラ12及び受光
側光ファイバ13を介して分光器14に導き、該分光器
14で受光する。
例えば図4に実線cで示すような干渉光信号の波長分布
データが得られる。そして、この波長分布データ(干渉
光信号の各波長の強度データ)がA/D変換器16によ
ってA/D変換され、データ処理装置17に取り込まれ
る。尚、干渉光信号の波長分布データを得るに際には、
上述のような干渉光信号の生成及びその分光器14によ
る受光を複数回行い、その各回の波長分布データの平均
値を求めるようにしてもよい。
長分布データに対して、分布データ変換手段18により
光源10の光源光の波長分布に基づく変換処理を施す。
この変換処理は、光源光(共振器10に導入される光源
光)が仮に白色光であったとして、前述のように干渉光
信号を生成した場合に分光器14を介して得られると推
定される干渉光信号の波長分布データ(以下、変換分布
データという)を、実際の波長分布データから推定的に
求める処理である。このような変換処理を行う理由は、
前述した光路差位相成分θや波長差位相成分αに基づく
ひずみ測定の原理では、光源光を白色光として、干渉光
信号を生成する場合を前提としているからである。
に行われる。すなわち、データ処理装置17は、実際の
光源光の波長分布(図4の実線a)のデータ(実際の光
源光の各波長値における強度のデータ)をあらかじめ記
憶保持している。そして、データ処理装置17の分布デ
ータ変換手段18は、実際に得られた干渉光信号の各波
長の強度データ(図4の実線c)に対して、その波長値
における実際の光源光の強度の逆数、あるいはこの逆数
にあらかじめ定めた所定値(例えば実際の光源光のピー
ク強度)を乗算したものを乗算することにより、実際に
得られた干渉光信号の波長分布データを変換する。
ば図6に示すような正弦波形状の変換分布データ、すな
わち、光源光が白色光である場合の干渉光信号の波長分
布データが推定的に得られる。
一で、その波長分布が白色光の波長分布とほぼ同一であ
る場合には、実際の干渉光信号の波長分布データに上記
のような変換処理を施しても、得られる変換分布データ
は、元の波長分布データとほぼ同一となる。従って、こ
のような場合には、実際の干渉光信号の波長分布データ
をそのまま変換分布データとして得るようにすればよ
い。
処理により変換分布データを得た後、データ処理装置1
7は、強度差データ生成手段19によって、前記式
(5)の強度差ΔIn(n=0,1,2,…)のデータ
を次のようにして得る。
生成手段19は、まず、上記変換分布データから、あら
かじめ定めた波長値λ0を起点として、所定の単位波長
差Δλ(本実施形態では例えば2nm)づつ、値が相違す
る複数の波長値λ0,λ1,…,λn,…における干渉光
信号の強度I(λ0),I(λ1),…,I(λn),…のデー
タ(これは、式(4)の強度I(λn)の計測データに相
当する)を抽出する。そして、これらの強度データI
(λ0),I(λ1),…,I(λn),…において、前記単位
波長差Δλの所定整数倍、例えば2倍の波長差を有する
もの同士(I(λ0),I(λ2)),(I(λ1),I(λ
3)),…,(I(λn+2),I(λn)),…をそれぞれ組
とし、その各組データの二つの強度データI(λn+2),
I(λn)(n=0,1,2,…)の差ΔI0(=I(λ2)−
I(λ0)),ΔI1(=I(λ3)−I(λ1)),……,ΔI
n(=I(λn+2)−I(λn))…を強度差データ(これは
前記式(5)の強度差ΔInの計測データに相当する)
として求める。このようにして求められる強度差データ
ΔIn(n=0,1,2,…)は、各強度差データΔIn
に対応する波長値をλnとしたとき、例えば図8に示す
ように波長値に対して正弦波状に変化するものとなる。
のように求められる強度差データΔIn(n=0,1,
2,…)に対して、移動平均処理等によるローパス特性
のフィルタリング処理を施したものを改めて強度差デー
タΔInとして得るようにしてもよい。
手段20によって、前記光路差位相成分θ及び波長差位
相成分αの値を次のようにして求める。
述のようにして強度差データ生成手段19により求めら
れた強度差データΔIn(n=0,1,2,…)から、
例えば最小二乗法の処理によって、前記式(8)の自己
回帰モデルの自己回帰係数としての複素数Z1,Z2,A
1,A2の値を求める。この場合、より具体的には式
(8)の3段目の式で、(Z1+Z2)及びZ1・Z2を
未知数として、最小二乗法の処理を行うことで、強度差
データΔIn(n=0,1,2,…)から(Z1+Z2)
及びZ1・Z2の値が求められ、それらの値から、複素数
Z1,Z2の値が求められる。そして、この複素数Z1,
Z2の値及び強度差データΔI1の値を式(8)の2段目
の式に代入してなる式と、強度差データΔI0の値を式
(8)の1段目の式ととを連立方程式とし、その連立方
程式を解くことによって、複素数A1,A2の値が求めら
れる。
従って、複素数A1,A2の値から、前記光路差位相成分
θの値を求めると共に、式(10)に従って、複素数Z
1,Z2の値から、前記波長差位相成分αの値を求める。
このようにして求められた光路差位相成分θ及び波長差
位相成分αは、それぞれ、前記基準波長値λaをλa=λ
1(本実施形態では例えばλa=840nm)に定めたと
き、共振器5の現在の反射面間隔D(=ゲージ長D0)
と前記式(13),(14)の関係を有するものとな
る。
差位相成分αを求めた後、次に、データ処理装置17
は、ひずみ算出手段21によって、前記波長差位相成分
αの値から、式(14)に基づいて、共振器5の現在の
反射面間隔Dを求め、それをひずみセンサ1のゲージ長
D0として図示しないメモリに記憶保持する。
演算に必要な前記基準波長値λa及び単位波長差Δλ
は、それぞれ例えば840nm、2nmであり、波長差位相
成分αの1周期当たりの反射面間隔Dの変化量λa2/
(4・Δλ)は、88.2μmである。また、本実施形
態では、ひずみセンサ1の前記凹面4の深さは、おおよ
そ40μm程度である。従って、前記式(14)でm=
0とした式によってゲージ長D0を波長位相成分αから
求めることができる(図5(b)を参照)。
長差位相成分αが負の値となるときには、前記式(1
4)でm=1とした式によって、波長差位相成分αか
ら、ゲージ長D0を求めればよい。
手段21は、前記のように位相算出手段20が波長差位
相成分αと共に求めた光路差位相成分θの値を初期光路
差位相成分θ0(図5(b)を参照)として図示しない
メモリに記憶保持する。
は、前述のようにゲージ長D0及び初期光路差位相成分
θ0を求めた場合と全く同様にして、干渉光信号を生成
し、その干渉光信号の分光データから、前記データ処理
装置17の分光データ変換手段18、強度差データ生成
手段19、及び位相算出手段19の処理を順次行うこと
によって、光路差位相成分θ及び波長差位相成分αの値
を求める。
ずみ測定時に上記のように求めた光路差位相成分θの値
の前記初期光路差位相成分θ0からの変化量(θ−θ0)
をひずみ算出手段21によって求める。そして、この変
化量(θ−θ0)から前記式(13)に基づいて共振器
5の反射面間隔Dの当初の値(=ゲージ長D0)からの
変化量ΔDを求める。この場合、共振器5の反射面間隔
Dの現在値が例えば図5(b)に示す「Dx」であると
し、また、今回求められた光路差位相成分θの値が「θ
x」であるとしたとき、共振器5の反射面間隔Dの変化
量ΔD(=Dx−D0)は、ΔD=(λa/4π)・(θx
−θ0)という式によって求めることができる。
にして求めた反射面間隔Dの変化量ΔDの前記ゲージ長
D0に対する比ΔD/D0をひずみ測定値として算出す
る。これにより、ひずみセンサ1を用いたひずみ測定が
なされる。
して、該アルミニウム材の温度を変化させながら前述の
ようにひずみ測定(アルミニウム材の温度ひずみの測
定)を行った場合の実測データのグラフを示す。同図1
0に示すように、ひずみ測定値は、温度変化に対してリ
ニアに変化している。そして、グラフの傾き(温度変化
に対するひずみ測定値の変化の割合)は20.4ppm/
℃で、アルミニウム材の物理定数である線膨張係数21
ppm/℃とほぼ同一の値が得られた。このことから、精
度の良いひずみ測定値が得られることが判る。
よって、ひずみ測定を行う場合を例にとって説明した
が、ひずみセンサ1を用いて生成される干渉光信号か
ら、従来の白色光干渉方式や、位相検出方式を用いて共
振器5の反射面間隔Dやその変化量を検出して、ひずみ
測定を行うことも可能である。
センサ1を用いてひずみ測定を行ったとき、前記共振器
5の当初の反射面間隔D0がゲージ長となり、このゲー
ジ長は、ひずみセンサ1毎に、干渉光信号に基づいて計
測して精度よく特定することができる。このため、該ゲ
ージ長D0に対する反射面間隔Dの変化量の比としてのひ
ずみ測定値を精度よく得ることができる。
なる共振器5は、前記第1及び第2光ファイバ2,3の
接合部分(融着部分)の内部に密閉的に形成されるた
め、該ひずみセンサ1を測定対象物に取付けるに際し
て、該接合部分を実質的に直接的に測定対象物に取付け
ることができる。このため、ひずみセンサ1の共振器5
の部分は、光ファイバ2,3の外径程度の薄肉なものと
なり、測定対象物のひずみに対する反射面間隔Dの変化
の良好な感度を得ることができ、ひいては、ひずみ測定
値の良好な精度を確保することができる。また、ひずみ
センサ1を測定対象物の曲面状の箇所にも支障なく取付
けることができる。
の接合・固着は、融着によってなされているため、両光
ファイバ2,3が確実に一体化し、測定対象物のひずみ
に対するひずみセンサ1の構造的な安定性を確保するこ
とができる。
図2のフローチャートに基づいて説明したように、少な
い工程数で、容易にひずみセンサ1を製造することがで
きる。特に、第2光ファイバ3の凹面4の形成に際して
は、エッチング加工を用いることによって、該凹面4を
再現性よく、短時間で容易に形成することができる。ま
た、この場合、ひずみセンサ1のゲージ長である共振器
5の当初の反射面間隔D0を前述のように干渉光信号に
基づいて計測することができるため、前記凹面4の深さ
や等をさほど厳密に管理する必要がない。従って、ひず
みセンサ1の大量生産を容易に行うことができる。
として、シングルモードの光ファイバを用いたが、マル
チモード光ファイバを用いてもよい。また、前記実施形
態では、第2光ファイバ3として、グレーデッド・イン
デックス・光ファイバを用いたが、例えばステップ・イ
ンデックス・光ファイバを用いてよく、さらには、シン
グルモード光ファイバを用いることも可能である。但
し、エッチング加工により十分な深さを有する凹面を形
成する上では、第2光ファイバ3は、マルチモード光フ
ァイバを用いることが好適である。
ファイバ2,3として好適なものとして石英系のものを
用いたが、これ以外の材質の光ファイバを用いてひずみ
センサを得ることも可能である。
の製造のし易さ等の観点から、第2光ファイバ3の凹面
4をエッチング加工により形成したが、本発明のひずみ
センサでは、第2光ファイバの凹面は、他の加工手法に
よって形成されたものでもよい。
態の構造を示す断面図。
のフローチャート。
ムの一例のシステム構成図。
源光とその光源光を用いて生成される干渉光信号との波
長分布を示す線図。
るための線図。
るための線図。
るための線図。
るための線図。
実測データを示すグラフ。
す断面図。
3…第2光ファイバ、4…凹面、5…共振器、4a,6
…部分反射面。
Claims (3)
- 【請求項1】光の一部を反射可能な一対の部分反射面を
両端に相対向させて形成してなる共振器と、前記両部分
反射面の一方側から他方側に向かう光を前記共振器にそ
の外部から導入する光ファイバとを備え、前記両部分反
射面の間隔がひずみ測定対象物のひずみに応じて変化す
るよう前記共振器を該測定対象物に取付けた状態で前記
光ファイバを介して前記共振器に光を導入したとき、各
部分反射面で反射した光の干渉により両部分反射面の間
隔に応じた干渉光信号を生成する光ファイバ式ひずみセ
ンサにおいて、 少なくとも先端面の中心部に軸心と略直交する直交面が
あらかじめ形成された第1の光ファイバと、先端面の中
心部にあらかじめ凹面が形成され、且つ該凹面の底部が
軸心と略直交する第2の光ファイバとを備えると共に、
前記第1の光ファイバの先端面の周縁部と前記第2の光
ファイバの先端面の周縁部とが略同心に接合されて固着
されており、 前記第1の光ファイバの先端面の中心部と前記第2の光
ファイバの凹面の底部とを前記両部分反射面として前記
共振器を構成したことを特徴とする光ファイバ式ひずみ
センサ。 - 【請求項2】請求項1記載の光ファイバ式ひずみセンサ
の製造方法であって、 軸心と略直交する先端面があらかじめ形成された二本の
素材光ファイバのうちの一方の素材光ファイバの先端面
にエッチング加工を施すことにより該素材光ファイバの
中心部に前記凹面を形成して前記第2の光ファイバを得
る工程と、前記二本の素材光ファイバのうちの他方の素
材光ファイバを前記第1の光ファイバとし、該第1の光
ファイバの先端面の周縁部と前記第2の光ファイバの先
端面の周縁部とを略同心に融着する工程とからなること
を特徴とする光ファイバ式ひずみセンサの製造方法。 - 【請求項3】前記凹面を形成する前記素材光ファイバ
は、石英系マルチモード光ファイバであることを特徴と
する請求項2記載の光ファイバ式ひずみセンサの製造方
法。
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