JP2002535636A - 地震損害評価のためのアクティブ歪みゲージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光導波路センサ（１０）は外面（１６）および内面（１４）を有するハウジング（１２）から構成される。外面（１６）は少なくとも２つの層でコーティングされ、第１の層は低屈折率材料（２４）から構成され、第２の層は高反射率材料（２６）から構成される。ハウジングは第１の光ファイバ（２８）および第２の光ファイバ（３０）と連絡する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （１．発明の分野） 本発明は、一般に光導波路センサに関し、より詳細には、２０００μεを超え
る歪みを監視することができる温度に感じない光導波路センサに関する。

【０００２】 （２．関連技術の説明） 各国のいくつかの領域では、重要なインフラストラクチャ要素（すなわち、通
常の荷重条件下で、地震や洪水などの大災害事象の後の道路および建築物）を評
価する必要がある。例えば、州道路省および建築会社は、そのような情報を使用
して、修理コストを最小限に抑え、サービス中断を減らし、大災害障害を回避ま
たは検出する。そのようなデータはまた、構造内の危険な状態に対して緊急時応
答チームに警報を出したり、切迫した構造障害の警告を提供したり、あるいは構
造修理に使用する詳細な損害情報を与えるためにも使用できる。自動診断監視シ
ステムが構造の完全性を監視し、情報の実時間処理によって最小の人間の介在で
損害を評価することができる。

【０００３】 圧電ゲージ、半導体ゲージ、およびキャパシタンス・ゲージなどの抵抗タイプ
歪みゲージおよびその等価物を含む電気歪みゲージは、かなりコンパクトであり
、高度に正確な歪み測定デバイスである。しかしながら、それらはダイナミック
・レンジがかなり小さく、若干のヒステリシスがあるという欠点をもつ。従来の
電気抵抗歪みセンサはゲージ・ファクタが４未満である。湿気や温度などの環境
条件が抵抗歪みゲージの性能に著しく影響を及ぼし、したがってそれらのゲージ
は頻繁な較正を必要とする。ベースライン電気抵抗が環境の影響により十分に変
化した場合、ゲージはその定められた較正ファクタを発現しなくなり、測定誤差
が導入されることになる。従来の歪み測定方法の場合、観測の期間が短く保たれ
ている場合には、温度変化によるゲージ安定度の問題を低減することができるが
、そうでない場合には、応答が、歪みに加えて温度（したがって時間）の関数で
あると考えなければならない。従来の電気抵抗歪みゲージとの比較から、光学的
方法はゲージ・ファクタが高いのでコスト効果が高いことが分かる。また、光フ
ァイバ通信システムとの適合性があり、離れた場所から信頼できる形でアクセス
が可能である。

【０００４】 光ファイバベースのセンサは、変位（位置）、温度、圧力、音声、および歪み
含む多数の用途に適用されている。適用に際しては、光センサ・データ収集は一
般に位相変調型と強度変調型の２つの基本的範疇に分割できる。強度変調型セン
サは、センサと相互作用する変位または何らかの他の物理的摂動に関連する。摂
動は受光光強度の変化を生じさせ、強度は監視されるパラメータに関係する。位
相変調センサは感知経路の光の位相を基準の位相と比較する。位相差は極大の感
度で測定できるが、信号処理のための高度の電子回路が頻繁に必要となる。また
、位相変調センサは温度を測定するために使用されており、したがって歪み用途
に使用するときには温度について較正する必要がある。このタイプの光センサの
用途には薄膜堆積厚さのin situ 監視がある。位相変調センサは一般に強度変調
センサよりも正確である。しかしながら、位相変調センサは通常、より多くの費
用がかかり、温度などの環境の影響に極めて敏感である。

【０００５】 本発明の光導波路センサは、上述の従来技術の歪みゲージの欠点を克服するも
のである。

【０００６】 （発明の簡単な概要） 概して、本発明は、内面および外面を有するハウジングを含む光導波路センサ
を含む。少なくとも２つの層がハウジングの外面に加えられる。第１の層は低屈
折率材料からなり、第２の層は高反射率材料からなる。第１および第２の光ファ
イバはハウジングと連絡する。既知の強度をもつ光ビームがハウジングを介して
第１および第２の光ファイバを通過し、第２の光ファイバによって受光される。
ビームは、ハウジングを通過する際にどのくらい多くの「バウンス」または反射
を受けるかに応じて減衰するが、これはハウジングの形態によって決定される。
ハウジングの形態はハウジングが受ける曲げ歪みに直接関係する。光ビームの強
度の変化を検出するための手段が第２の光ファイバと連絡し、それにより少なく
とも２０００μεまでの監視が可能となる。

【０００７】 本発明の好ましい実施態様では、光導波路センサは、外側にポリイミドの吸収
層を堆積し、その後アルミニウムなどの高光反射の層を堆積したフレキシブルな
中空のガラス管を含む。監視されるパラメータは、ビームがセンサ管を通過した
後の励起光の強度である。ビームは、どのくらい多くの「バウンス」または反射
を受けるかに応じて減衰するが、これは中空管センサの曲率半径の関数である。
管の曲率半径は管が受ける曲げ歪みに直接関係し、したがって加えられる歪みは
、出射光ビーム強度を監視することによって推測できる。本発明は、その安定度
、丈夫さおよび簡潔さのため遠隔感知用途における使用が容易である。そのよう
な光ファイバ技術は光信号の送信と受信の両方に使用できるので、瞬時歪みを監
視し、伝送リンクを介して直ちに中継するか、あるいは後で検索するために記憶
することができる。

【０００８】 本発明の別の好ましい実施態様では、本発明の光導波路は、２０００μεを超
える歪みに対してゲージ・ファクタが約５００である。ハウジングは、約０．５
ｍｍＩＤ×１ｍｍＯＤ×１００ｍｍ長さの寸法をもつ中空のガラス導波路から構
成される。

【０００９】 光導波路センサのハウジングの幾何学的形状は標準の遠隔通信に適合するもの
であり、したがって建築物、道路、および橋などの構造における損害評価のため
のスマート・システム・アレイにハウジングを組み込むことが容易である。光フ
ァイバは励起光信号をハウジングに送り、ハウジングからの応答信号を戻す。好
ましい実施形態では、ハウジングは直径の小さいガラス管である。小直径ガラス
管は、所定の歪み行程に対するダイナミック・レンジが最大となるように最適化
できる多数の薄膜層のための基板として働く。薄膜層でコーティングされたガラ
ス管を含む本発明の光導波路センサは、励起信号の光強度を減衰させることによ
って曲げ歪みに応答し、ヒステリシスはほとんどまたは全く生じない。

【００１０】 本発明の光導波路センサはゲージ・ファクタが約５００と大きく、温度に鈍感
である、すなわちセンサは、通常の範囲の外部温度（−２０℃から５０℃）にわ
たる温度変化に応答せず、製造費用が安く、電磁界の影響を受けず、湿気や酸性
雨などの環境条件に対して化学的に不活性であり、したがってコンクリートとの
化学反応の危険なしにコンクリート構造中にセンサを埋め込むことが可能であり
、光ファイバ通信装置とのインタフェースが容易である、すなわち光ファイバと
感知領域の間の接続をファイバと毛管の間で密封することが可能である。

【００１１】 （好ましい実施形態の説明） 図１に、本発明の光導波路センサ１０を全体的に示す。ハウジング１２は、内
面１４および外面１６を有する。外面１６は、少なくとも１つの層の低屈折率材
料２４と、少なくとも１つの層の高屈折率材料２６とを含む。ハウジング１２と
、層２８および３０は、例えば９×１０^-6ｉｎ／ｉｎ℃の非常に低い膨張率を有
する。センサ１０の基本寸法は、一般的な環境における温度範囲では、歪みの方
向には変化しない。ハウジング１２は、第１の光ファイバ２８および第２の光フ
ァイバ３０と通じている。光がハウジング１２を通過し、反射され、またハウジ
ング１２内で屈折し、第２の光ファイバ３０によって受信される時、光の強度に
おける変化を検出するための手段（図示せず）は、第２の光ファイバ３０と通じ
ている。

【００１２】 本発明の好ましい実施形態では、第１の層２４の低屈折率材料はポリイミドで
あり、第２の層２６の高屈折率材料はアルミニウムである。

【００１３】 （実験） 本発明は、少なくとも約２００μεまでの歪みを監視することができる堅固な
導波路歪みセンサを含む。センサ用のアクティブな歪みエレメントは、薄膜、光
学的にアクティブな材料が堆積された中空のガラスの管を含む。

【００１４】 長さ１０ｃｍ、中空のガラスの導波路は市販で得られる。評価された管タイプ
のサイズは、肉厚０．０２ｍｍの、５ｍｍ ＩＤ（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔ
ｉｆｉｃ、Ｐｉｔｓｂｕｒｇｈ ＰＡ）のプレイン・ガラス管と、肉厚０．０９
ｍｍ、０．１７５ｍｍ、０．０１７５ｍｍの〜１６−３５μｍだけポリイミドで
コーティングしたガラス管であり、管の内径は、それぞれ０．３２ｍｍ、０．４
５ｍｍ、および０．５３ｍｍである（Ａｌｌｔｅｃｈ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｄｅｅ
ｒｆｉｅｌｄ，ＮＹ）。管は、市販のアンモニアをベースとしたガラス・クリー
ナ、次いでアセトン、メタノールで掃除し、純水で洗浄し、次に濾過した窒素ガ
スの中でブロー・ドライした。掃除に続いて、残りの有機的な表面の汚染物質を
除去するために、それらをオゾン・プラズマ・チャンバに２時間置いた。光学的
に感受性のある層として３つの異なるフィルム・コーティング、すなわち厚さ０
．１から４０μｍのポリイミド、インジウム酸化スズ、および酸化亜鉛が評価さ
れた。本発明の目的に適切と思われる他のコーティングには、シリコンと、ゲル
マニウムが含まれる。

【００１５】 ポリイミド・コーティングは、カラム毛管のガス・クロマトグラフィ生産財卸
売り業者によって提供される「標準」フィルムであった。後者２つの材料は、Ｒ
Ｆ反応性スパッタリングによって蒸着した。アクティブなコーティングを塗着後
、アルミニウムの反射する外層（〜０．５μｍ）は、反応性スパッタリングによ
っても蒸着された。適切と思われる他の反射する層には、銀、プラチナ、および
パラジウムが含まれる。光ファイバの起点および検出器は、この場合、管両端部
に接着されたエポキシである。起点および検出器ファイバ２８および３０の端部
は、ファイバおよびセンサの軸に対して平面の法線を実現するように、それぞれ
標準的な産業技術を使用して調整した。

【００１６】 図２を参照すると、実験用機器の主要構成要素は１）６３２から６３３ｎｍの
範囲で光エネルギーを放射するＨｅＮｅレーザ光源４０、２）起点の光ファイバ
２８へのレーザ光の焦点を合わせるために取り付けられたマイクロ・マニピュレ
ータ４２の中のマイクロスコープ対物レンズ、３）基準フォトダイオード・ビー
ム検出器４４、４）感知ビーム・フォトダイオード検出器４６、５）組み込まれ
た位置感知５０とコンパレータ５２を有する４点曲げ機器４８である。ビーム・
チョッピングおよび周波数敏感増幅がライン・パワーおよびレーザ変動に対して
このシステムを安定させるために使用される。レーザ光の約４％が、光経路のビ
ーム・スプリッタを介して基準ダイオード検出器４４に向けられる。基準信号は
、不規則雑音をさらに低減するために、センサ出力信号に電子的に分割された。
市販のマルチモード光ファイバは、光源をセンサ入力部に運び、光をそのセンサ
から出て出力検出器に運ぶために使用される。歪みは、プログラマブルなステッ
ピング・モータを有する４点曲げ機器ＡＳＴＭ Ｃ−１３４１を使用して引き起
こされる。一般的なステップ・サイズは、０．２５ｍｍである。

【００１７】 ４点曲げにおけるロッドまたは管に関する歪みと偏向との間の関係は次式の通
りである。

【数１】 上式で、δを管中央の平衡点からの偏向とし、ｄを管の外径とし、ａを４点曲げ
リグの２つの可動（内部）ピン間の距離の半分（この場合、２ａ＝２．９２ｃｍ
）とする。

【００１８】 方程式（１）は、４点曲げデバイスの幾何学的形状に基づいて、歪みの測定値
を与える。数量δは、直接的に測定することも、または内部ピン変位に対する較
正曲線を構成することによって正確に判定することもできる。２０００μεを得
るために必須の曲げ範囲を超えると、δは変位と線形になり、したがって、内部
ピンの線形変位から直接的に推測することができる。

【００１９】 （結果） 洗練された光歪みセンサは、ガラスの外壁とコーティングを覆う反射（アルミ
ニウム）との間に置かれるアクティブな感知材料を有する中空ガラス導波路の支
柱を使用する。歪みに対するゲージ係数または応答は次式によって計算される。

【数２】 上式で、ΔＩは、２つの歪みレベルで光検出器ダイオードによって測定された時
の強度の変化であり、Δεは歪みの変化であり、Ｉ_O は歪みのない状態における
強度である。歪み応答に対する強度は、基本的にテストの対象である歪み範囲を
覆って線形であるので、ゲージ係数は、ε曲線に対するＩの傾斜を、データに最
良適合の直線のＩ−軸遮断で割ることによって計算される。実際には、測定され
るパラメータは、センサ出力検出器ダイオードの、強度の変化に対する、応答を
測定するために使用される増幅器の出力電圧である。その電圧は、歪みに応じて
、基準ダイオード増幅器の出力とプロットされた２つの電圧の比率によって割ら
れる。

【００２０】 センサ構造にＩＴＯ層が追加される時、ゲージ係数は低減されるが、範囲は大
幅に増大する。図４の応答曲線に使用される特定の構造は、０．９μｍのＩＴＯ
と０．５μｍのアルミニウムをポリイミドをコーティングした０．５３ｍｍｍＩ
Ｄ管の上にスパッタリングすることによって形成される。そのセンサ構成に関す
るゲージ係数は４１０である。歪みなしから２０００μｍまで行く時の信号の変
化は、９０％と推定される（減少）。これは、ＩＴＯのアクティブな層のない様
々な標本に対する同じ歪み範囲に亘って観察される、一般的な５０％の信号減少
と対照的である。図３および４に提示される構成に対する関連するゲージ係数が
、図５の表に要約されている。

【００２１】 センサの周期的な歪みは、光センサの再現性をテストするために行われる。ゼ
ロから最大の歪みまでの４周期において、同一ＩＤの管に組み立てられた同一の
薄膜構造に関して、この歪みゲージは、１％よりも優れた再現性を有した。

【００２２】 （議論） 光歪み導波路センサは、レーザ・ビームが導波路の内壁に衝突し、その壁（お
よびその上のあらゆるコーティング）を横断し、ミラーリングされた外層（アル
ミニウム）から反射し、再度、導波路のコーティングおよび壁を横断する時に発
生する光の減衰に基づいている。光が毛管の内面に衝突する時、一部は反射され
、一部は分散され（非鏡面反射）、また一部は管の壁に伝送される（屈折される
）。これらのプロセスは、フレネルおよびスネルの法則に従って、堆積の各材料
の屈折率に基づく反射／伝送比率によって、後続の境界面ごとにも発生する。さ
らに、各材料は、それぞれの吸収率に応じて一部の光を吸収する。したがって、
１つの相互作用イベントの後、最初の強度Ｉ₀は、Ｉ₁＝（１−ｆ）Ｉ₀ に低減さ
れる。ここで、「ｆ」は、１回の相互作用に対する部分損失である。「Ｎ」回の
相互作用がある場合、最終的な強度は、Ｉ_N＝（１−ｆ）^NＩ₀ である。外側の定
位置に高光反射コーティングがある場合、光ビームが空間のある点に到達した時
に光ビームの強度を実際に低減することができるのは吸収と分散だけなので、反
射および屈折だけが光波の位相に影響を与えることができる。

【００２３】 センサに曲げ圧力が加えられると、それによって湾曲が増大し、各「バウンス
」に対する関連する損失によって、バウンスまたは光ビームと導波路との間の相
互作用の数が増加する。バウンスの数Ｎに関する方程式は、湾曲の半径Ｒに応じ
て、（１１）によって与えらる。

【数３】 上式で、ｄを管の外径、εを歪み、Ｌをゲージ長さとする。

【００２４】 外側コーティングとしてアルミニウム反射層が使用されるとほとんどの光が逃
げないので、その構造のゲージ・ファクタは減少する。これは最小のゲージ・フ
ァクタがアルミニウム反射器でコーティングされたプレイン・ガラス毛細管に対
する生じるという事実によって支持される。管に入射したほとんどの光が出口の
検出ファイバに達する。一方、何もコーティングしていないプレイン・ガラスは
、光が管から完全に逃げるので、それぞれのバウンスでほとんどの強さがなくな
る。そのため、全体的にコーティングされていない構造は最大のゲージ・ファク
タを持つ。同じことが反射コーティングを持ったものと持たないポリイミドがコ
ーティングされた毛細管にも適用できる。したがって、一つの結論としては、「
ベスト」センサはプレインなコーティングされないガラスであり、最大ひずみが
１０００με以下に適用するときに適している。（例えば、高速道路の通行を道
路に埋め込んだ光学センサでカウントするときには４００μεで最適な応答のセ
ンサが要求される。）しかしながら他の考えもある。まず最初に、プレイン・ガ
ラス管は欠陥なしで信頼性を持って２０００μεを記録するには十分な強度がな
いということである。もし壁が薄いと、より大きい曲げに対抗できるが、処理時
に壊れ易くなる。ポリイミド層を加えることはガスクロマトグラフィ工業用に開
発された強化法である。ポリイミド層は毛細管の柔軟性を増加し、欠陥なしで壁
厚を減少させ、より小さな曲げ半径を可能とする。評価の一部としてポリイミド
がコーティングされた管の三つのサイズがテストされた。

【００２５】 ０．５３±０．０１２ｍｍのＩＤ、０．０８５±０．０１２ｍｍの壁の厚さ、
および２４±４μｍ厚さのポリイミドを有するセンサは、現在使用されているマ
ルチモード・ファイバに好都合に適合するものと考えられている。この特定の毛
管により、５０００μεを超えた歪みが容易に得られる。より大きな歪みでの測
定が要求される場合に、より小さい、薄い壁のポリイミドでコーティングされた
毛管チューブが使用可能である。

【００２６】 特定の動的範囲に対して調整される、光センサの設計および末端使用の動的範
囲を拡張するために、吸収層とそれらの厚さの調整の付加を使用することができ
る。最大の歪みが、初期値の数パーセントの強度の低減を生じることが理想的で
ある。

【００２７】 本発明者の導波路センサは堅固で、化学的、熱的に安定した導波路である。セ
ンサは、２０００μεを超えた歪みに耐え、光ファイバ・データ収集システムに
容易に組み込まれる。センサ上のアクティブなコーティングの光特性は、特定の
最大歪み基準に対して最大の動的範囲を与えるために最適化することができる。
ポリイミドでコーティングされた毛管は、少なくとも５０００μεの歪みを与え
ることができ、より優れた耐性コントロールが供給される。

【００２８】 上述の説明は、本発明の特定の実施形態に限定した。しかし、本発明の利点の
すべてまたは一部を達成しながら、本発明には変形形態および修正形態が行われ
ることができることは明らかとなろう。したがって、頭書の特許請求の範囲の目
的は、本発明の趣旨および範囲内で行われるすべての変形形態および修正形態な
どをカバーすることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光導波路センサの一実施形態の概略図である。

【図２】 本発明の光導波路センサの一実施形態をテストするために使用されるレイアウ
トの概略図である。

【図３】 コーティングなし毛管、アルミニウム・コーティング毛管、ポリイミド・コー
ティング毛管、およびポリイミド＋アルミニウム・コーティング毛管から構成さ
れる光導波路センサの歪み応答を示す図である。

【図４】 ＩＴＯおよびアルミニウム・コーティング毛管から構成される光導波路センサ
の歪み応答を示す図である。

【図５】 図３および図４に示される様々なタイプのセンサについてのゲージ・ファクタ
のテーブルである。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内面および外面を有し、外面が少なくとも２つの層を有し、
   第１の層が低屈折率材料から構成され、第２の層が高反射率材料から構成される
   ハウジングと、 ハウジングと連絡する第１の光ファイバと、 ハウジングと連絡する第２の光ファイバと、 光がハウジングを通過し、ハウジング内で反射され屈折され、第２の光ファイ
   バによって受光されたときの光の強度の変化を検出するための手段とを含み、 ハウジングに応力が加えられたときに少なくとも２０００μεまでの測定が可
   能な光導波路センサ。
2. 【請求項２】 ハウジングが第１および第２の対向する端部を有し、第１の
   光ファイバが第１の端部と連絡し、第２の光ファイバが第２の端部と連絡する請
   求項１に記載の光導波路センサ。
3. 【請求項３】 第１の層がポリイミドから構成される請求項１に記載の光導
   波路センサ。
4. 【請求項４】 第２の層がアルミニウムから構成される請求項１または３に
   記載の光導波路センサ。
5. 【請求項５】 第１の層が、ポリイミド、シリコンおよびアルミニウムから
   なるグループから選択される請求項１に記載の光導波路センサ。
6. 【請求項６】 第２の層が、アルミニウム、銀、白金およびパラジウムから
   なるグループから選択される請求項１または５に記載の光導波路センサ。
7. 【請求項７】 センサが、約−２０℃から５０℃の範囲内の温度に鈍感であ
   る請求項１に記載の光導波路センサ。
8. 【請求項８】 光ファイバがマルチモードである請求項１に記載の光導波路
   センサ。
9. 【請求項９】 ハウジングがガラスから構成される。請求項１に記載の光導
   波路センサ。
10. 【請求項１０】 ハウジングが円筒形である請求項９に記載の光導波路セン
    サ。
11. 【請求項１１】 ハウジングが、内径０．５ｍｍ×外径１ｍｍ×長さ１００
    ｍｍの寸法を有する請求項１０に記載の光導波路センサ。
12. 【請求項１２】 ゲージ・ファクタが４９０である請求項１１に記載の光導
    波路センサ。