JP2003004421A - 光ファイバ歪み計測方法 - Google Patents
光ファイバ歪み計測方法Info
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Abstract
定度の悪化を招くことなく、より狭い領域で可能とす
る。 【解決手段】 光ファイバ11を構造物13に装着する
際に、被装着部として自由領域Fを設け、自由領域Fの
歪み値を0(零)に設定する。光ファイバ11に、歪み
計測器15から出力される所定長のパルス光Pを入射さ
せ、入射したパルス光Pのパルス長に対応した長さL=
1mにおける被測定長部分での反射光であるブリルアン
散乱光の周波数分布を解析することで、被測定長部分
(長さL)の歪みを計測する。このとき、L=1mをX
=10cmずつずらして1m毎の歪みを順次計測し、ε
0(L),ε1(L),ε2(L),……を得、この歪
み値相互の差ε1(L)−ε0(L)から、10cm分
の歪みΔε0’(X)を求め、以後ε2(L)−ε
1(L),ε3(L)−ε2(L)……から、Δε1’
(X),Δε2’(X)……を順次求める。
Description
所定長のパルス信号からなる測定光を入射させ、この入
射した測定光のパルス長に対応した光ファイバの被測定
長部分での反射光の周波数分布を解析することにより、
被測定長部分の歪みを計測する光ファイバ歪み計測方法
に関する。
するには、歪みゲージを構造物に取り付けて行う方法が
あるが、この方法は、歪みゲージとしてその長さが2c
m〜10cmと比較的短く、これに対応して狭い領域の
歪みを計測できる利点があるものの、構造物のほぼ全域
をモニタして歪み発生場所を検知するには、構造物に歪
みゲージを多数取り付けなければならず、事前の作業が
極めて煩雑なものとなる。
本の光ファイバを装着し、この光ファイバ内に、所定長
のパルス信号からなる測定光を入射させ、この入射した
測定光のパルス長に対応した光ファイバの被測定長部分
での反射光の周波数分布を解析することにより、被測定
長部分の歪みを計測し、これに基づき構造物の歪みを検
知するという、光ファイバを利用した歪み計測方法があ
る。
する散乱光(反射光)の代表的なスペクトラムを示して
いる。このうちブリルアン散乱光は、単色性(コヒーレ
ンシー)が高い入射光が媒体中に生じる音波と相互作用
し、媒質固有の周波数だけずれるもので、この現象は、
ブリルアン周波数シフトと呼ばれている。
による変化量が、歪みによる変化量に対して極めて少な
い(0.002%/℃)ため、歪みによるブリルアン周
波数シフトの変化量を計測するうえで、温度変化が小さ
い場合(5℃)には、温度の影響を無視することができ
る。このため、ブリルアン周波数シフトの変化量を求め
ることにより、光ファイバに加わった歪みを計測するこ
とが可能となる。
ー散乱と比べて約2桁程度微弱なため、コヒーレント検
波技術、光周波数変換技術を採用した歪み計測器が採用
されている。
ブロック図である。光源1から発光した光周波数νの連
続光(信号光)は、光周波数変換器3によりΔνの周波
数シフトを受け、光パルス変調器5でパルス変調され、
光周波数ν+Δνのパルス光Pとして光ファイバ7の片
端から入射される。パルス光Pの入射により、光ファイ
バ7の中で生じる後方散乱光の一つであるブリルアン散
乱光Bが発生し、このブリルアン散乱光Bと参照光と
が、高感度測定が可能なコヒーレント光受信器9に入力
される。コヒーレント光受信器9では、受信信号である
ブリルアン散乱光と参照光との周波数差を小さく制御す
る必要がある。ブリルアン散乱光Bは、発生過程で周波
数がシフトするため、あらかじめ光周波数変換器3を用
いて信号光の周波数をシフトしている。
ファイバ7中の音波との相互作用により誘起されて光周
波数が下方にシフトされ、このときのブリルアン散乱光
Bの周波数シフト分布から光ファイバの歪み分布を測定
する。
を示している。実線aが歪みなしの波形で破線bが歪み
ありの波形である。歪み量は、その周波数シフト量(f
2−f1)に比例することから、このシフト量を計測する
ことによって得ることができる。光ファイバ7内での計
測位置は、光パルスを光ファイバ7に入射してからその
散乱光が観測されるまでの時間を計ることによって求め
ることができる。
図である。光ファイバ7における位置Z1からZ2にわた
る歪み発生部分Zにおいて、f1からf2に周波数シフト
しているのがわかる。このときの歪みεは周波数シフト
量に比例している。
み計測器は、歪み計測可能領域、すなわち最小距離分解
能が1mであり、これより短い距離の計測は精度および
安定性が期待できず、実用的ではない。このため、上記
した光ファイバを利用した歪み計測方法では、歪みゲー
ジを利用した方法に比べ、1本の光ファイバを構造物に
取り付ければよいので、事前のセンサ(光ファイバ)取
付作業の煩雑さを回避できるものの、より狭い領域の歪
みを計測できず、改善が望まれている。
み計測方法において、精度および安定性の悪化を伴うこ
となく、より狭い領域の歪み計測を可能とすることを目
的としている。
に、請求項1の発明は、光ファイバ内に所定長のパルス
信号からなる測定光を入射させ、この入射した測定光の
パルス長に対応した前記光ファイバの被測定長部分での
反射光の周波数分布を解析することにより、前記被測定
長部分の歪みを計測する光ファイバ歪み計測方法におい
て、前記光ファイバに、前記被測定長部分と同長でか
つ、歪み値が既知となっている自由領域を設け、この自
由領域から、光ファイバの長さ方向に沿って、前記被測
定長部分の長さLを所定数nで除して得たL/nの長さ
分だけ順次ずらして前記自由領域を含む被測定長部分の
長さLの歪みを順次計測し、この各計測値の相互に隣接
する被測定長部分の差を、前記自由領域側から順次算出
して、前記L/nの長さ分の光ファイバの歪みを連続し
て計測する歪み計測方法としてある。
計測方法において、光ファイバの一部を被測定物に装着
し、この被測定物に装着していない部分の前記光ファイ
バに自由領域が設けられている。
明の歪み計測方法において、自由領域を含むL/nずつ
ずれた長さL分の歪み計測値を、前記自由領域側から順
に、ε0,ε1,ε2,……εi,……とし、前記自由
領域における測定光進行方向前方側の端部から、この前
方側ヘ向かう長さL/nずつの歪み値を、Δε0’,Δ
ε1’,Δε2’,……Δεi’,……とし、前記自由
領域における測定光の入射側端部から、測定光進行方向
前方側へ向かう長さL/nずつの歪み値を、Δε0,Δ
ε1,Δε2,……,Δεi,……とすると、 εi+Δεi’=εi+1+Δεi であり、この両辺を整理すると、 Δεi’−Δεi=εi+1−εi となる。
知の歪み値であるΔε0,Δε1,Δε2,……,Δε
9をそれぞれ代入して未知の歪み値Δε0’,Δ
ε1’,Δε2’,……,Δε9’を求め、この求めた
歪み値Δε0’,Δε1’,Δε2’,……,Δε9’
を、次の第2の測定グループ式 Δε10’−Δε10=ε11−ε10 Δε11’−Δε11=ε12−ε11 Δε12’−Δε12=ε13−ε12 : : : Δε19’−Δε19=ε20−ε19 のΔε10,Δε11,Δε12,……,Δε19にそ
れぞれ代入してΔε10’,Δε11’,Δε12’,
……,Δε19’を求め、以後同様にして第m(整数)
の測定グループ式で求めた歪み値を、第m+1の測定グ
ループ式にそれぞれ代入して、第m+1の測定グループ
式における未知の歪み値を順次求める。
ずれかの発明の歪み計測方法において、自由領域の歪み
値は、初期値として0(零)に設定されている。
面に基づき説明する。
光ファイバ歪み計測方法を示す概略図である。1本の光
ファイバ11は、その一部を被測定物である構造物13
に装着してある。この光ファイバ11の構造物13より
図中で左側の被測定長部分に相当する1mの長さL分を
含む部分については、構造物13に装着しておらず、そ
の長さL分を自由領域Fとしてある。
記図3に示したものと同様な歪み計測器15から出力さ
れる測定光としてのパルス光Pを入射させ、後方散乱光
であるブリルアン散乱光Bを歪み計測器15が受光して
光ファイバ11の歪みを計測し、これに基づき構造物1
3の歪みを検知する。
イバ11における歪み計測領域をL=1mとしてあり、
精度および安定性が維持されている。そして、この実施
の形態では、上記1mの領域の歪みを計測するにあた
り、この1mの計測領域をX=10cmずつ順次ずらし
て計測する。この計測作業は、長さ1mの自由領域Fか
ら始め、この自由領域Fから順次10cmずつずらして
光ファイバ11の反端側の端部Eまで行う。自由領域F
の1mの領域を第0測定部とし、以後10cmずつずれ
た1mの領域を第1測定部,第2測定部,……,第i測
定部,……と呼ぶ。
ε0(L)とし、第1測定部以下の歪みを、それぞれε
1(L),ε2(L),……,εi(L),……とす
る。上記自由領域Fは、構造物13に装着されていない
部分であるので、この自由領域Fの歪みの発生はないも
のとし、したがって歪みε0(L)=0(零)であり、
これを初期値として設定する。
mの領域の歪みをΔε0’(X)とし、第1測定部以下
の各測定部の右側の10cmの領域の歪みを、それぞれ
Δε 1’(X),Δε2’(X),……Δεi’
(X),……とする。すなわち、この歪みΔε0’
(X),Δε1’(X),Δε2’(X),……Δ
εi’(X),……は、自由領域Fにおけるパルス光P
の進行方向前方側の端部から、この前方側ヘ向かう長さ
X=10cmずつの歪み値に相当する。
で左側の10cmの範囲の歪みを、それぞれΔε
0(X),Δε1(X),……Δεi(X),……とす
る。すなわち、この歪みΔε0(X),Δε1(X),
……Δεi(X),……は、自由領域Fにおけるパルス
光Pの入射側端部から、パルス光Pの進行方向前方側へ
向かう長さX=10cmずつの歪み値に相当する。
域の歪みΔε0’(X)は、ε1(L)−ε0(L)に
よって求めることができる。つまり、Δε0’(X)=
ε1(L)−ε0(L)である。これは、前述したよう
に自由領域Fのε0(L)=0であり、またε1(L)
の歪みが発生している1mの領域(第1測定部)は、構
造物13に装着されている右側10cmを除く左側90
cmの領域が、自由領域Fであって歪みがない領域であ
るので、ε1(L)−ε0(L)によってΔε 0’
(X)が求められるのである。
1(L)によって求められる。すなわち、Δε1’
(X)=ε2(L)−ε1(L)である。この場合、求
める歪み値Δε1’(X)は、この歪み値を有する10
cmの領域の左側の10cmの領域の歪み値Δε0’
(X)が、前述したように、Δε0’(X)=ε
1(L)−ε0(L)により既知となっており、またΔ
ε0’(X)の歪み値を有する10cmの領域より左側
は自由領域Fであるので歪み値は0であり、したがって
ε2(L)−ε1(L)によって、ε1(L)の歪みが
発生している第1測定部より右側10cmの領域の歪み
Δε1’(X)が求められることになる。
ε10(L)の歪み値を有する第10測定部の全域が、
自由領域Fから外れた位置にあるので、 Δε10’(X)=ε11(L)−ε10(L)−Δε
10(X) となる。ここでΔε10(X)は、既知となっているΔ
ε0’(X)に等しいので、 Δε10’(X)=ε11(L)−ε10(L)−Δε
0’(X) によってΔε10’(X)を求めることができる。
11’,第12測定部の右側の10cmの歪み値Δε
12’,第13測定部の右側の10cmの歪み値Δε
13’……をそれぞれ求めることができる。
3に装着しない自由領域Fを設け、この自由領域Fの歪
み値を初期値0に設定したうえで、自由領域Fを始めと
して1mの領域の歪みを10cmずつ順次計測し、図中
で右側の1mの歪み値と隣接する左側1mの領域の歪み
値との差により、10cmの領域の歪みを、連続して求
めることができる。これにより、従来の歪みゲージによ
る歪み計測方法のように、より狭い領域の歪み測定が可
能となり、歪み発生部位の特定をより正確に行うことが
できる。しかも、この場合、1本の光ファイバ11を構
造物13に取り付ければよく、歪みゲージのように、多
数のゲージを構造物に取り付けるという煩雑な事前作業
が不要である。
を、連立方程式を用いて順次求める方法を説明する。例
えば、第2測定部の歪みε2(L)とその右側10cm
の歪みΔε2’(X)との和は、第3測定部の歪みε3
(L)とその左側10cmの歪みΔε2(X)との和に
等しい。つまり、 ε2(L)+Δε2’(X)=ε3(L)+Δε
2(X) である。
の間で考えると、 εi(L)+Δεi’(X)=εi+1(L)+Δεi
(X) となり、両辺を入れ替え整理すると、 Δεi’(X)−Δεi(X)=εi+1(L)−εi
(L) となる。この式において、(L)および(X)を省略し
たものが次式である。
換え、10個の式を一つのグループとして、第1の測定
グループ式,第2の測定グループ式,第3の測定グルー
プ式,………とすると、次のようになる。
いて、Δε0,Δε1,Δε2,……Δε9は、自由領
域Fでのものであることから、歪み値は0(零)であっ
て、0の初期値が与えられ、この初期値0を第1の測定
グループ式に代入すると、 Δε0’=ε1−ε0 Δε1’=ε2−ε1 Δε2’=ε3−ε2 : : : Δε9’=ε10−ε9 となる。これにより、Δε0’からΔε9’までの10
個の各10cmの領域の歪みが求められる。
となった10個の歪み値は、図1から明らかなように、
第2の測定グループ式におけるΔε10からΔε19ま
での10個の各10cmの領域の歪み値にそれぞれ等し
い。つまり、Δε0’=Δε 10,Δε1’=Δ
ε11,Δε2’=Δε12,……,Δε9’=Δε
19である。
められた既知のΔε0’〜Δε9’を、この値に等しい
第2の測定グループ式中のΔε10〜Δε19にそれぞ
れ代入することで、Δε10’からΔε19’までの1
0個の各10cmの領域の歪みが求められる。つまり、 Δε10’=ε11−ε10+Δε0’ Δε11’=ε12−ε11+Δε1’ Δε12’=ε13−ε12+Δε2’ : : : Δε19’=ε20−ε19+Δε9’ となる。
のΔε10’〜Δε19’は、第3の測定グループ式に
おけるΔε20からΔε29までの10個の各10cm
の領域の歪み値にそれぞれ等しいので、既知のΔ
ε10’〜Δε19’を、この値に等しい第3の測定グ
ループ式中のΔε20〜Δε29にそれぞれ代入するこ
とで、Δε20’からΔε29’までの10個の各10
cmの領域の歪みが求められる。
cmの領域の10個のそれぞれの歪み値が、次のグルー
プ式中にそれぞれ存在するので、前のグループ式中の既
知の歪み値を、次のグループ式中に順次代入すること
で、次のグループ式中の10cmの領域の10個の未知
の歪み値を順次求めることができる。このようにして各
グループ式相互で連立方程式を立てて、それを解くこと
で、光ファイバ11における10cm毎の歪み値が連続
して求められることとなる。
5の最小距離分解能が1mであることから、歪み計測領
域をL=1mとしてあるが、精度および安定性が期待で
きるものがあれば、上記Lを1mより短い距離としても
よく、逆に長い距離としてもよい。また、歪み計測領域
Lを、X=10cmずつ順次ずらして計測しているが、
このずらす長さは、10cmに限るものではなく、Lを
均等に分割できる長さであれば構わない。さらに、初期
値となる既知の歪み値についても、0(零)に限るもの
ではない。また、光ファイバ11における長さL分の自
由領域Fは、構造物13より、図1中で左側であればよ
く、図1の位置に限定されるものではない。
明によれば、光ファイバに、被測定長部分と同長でか
つ、歪み値が既知となっている自由領域を設け、この自
由領域から、光ファイバの長さ方向に沿って、被測定長
部分の長さLを所定数nで除して得たL/nの長さ分だ
け順次ずらして自由領域を含む被測定長部分の長さLの
歪みを順次計測し、この各計測値の相互に隣接する被測
定長部分の差を、自由領域側から順次算出して、L/n
の長さ分の光ファイバの歪みを連続して計測するように
したので、被測定長部分に対し、より短い領域の歪み計
測を、精度および安定度の悪化を伴うことなく、行うこ
とができる。
に装着されている光ファイバの、被測定物に装着されて
いない部分に自由領域が設けられているので、光ファイ
バの歪みを計測することで、被測定物の歪みを短い領域
について、歪みゲージを用いることなく検知することが
できる。
で求めたL/nの領域の10個のそれぞれの歪み値が、
次のグループ式中にそれぞれ存在するので、前のグルー
プ式中の既知の歪み値を、次のグループ式中に順次代入
することで、次のグループ式中のL/nの領域の10個
の未知の歪み値を順次求めることができ、各グループ式
相互で連立方程式を立てて、それを解くことで、光ファ
イバにおけるL/nの領域毎の歪み値を容易に連続して
求めることができる。
の歪み値は、初期値として0(零)に設定されているの
で、未知のL/nの領域の歪み値を容易に求めることが
できる。
み計測方法を示す概略図である。
代表的なスペクトラム特性図である。
る。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 光ファイバ内に所定長のパルス信号から
なる測定光を入射させ、この入射した測定光のパルス長
に対応した前記光ファイバの被測定長部分での反射光の
周波数分布を解析することにより、前記被測定長部分の
歪みを計測する光ファイバ歪み計測方法において、前記
光ファイバに、前記被測定長部分と同長でかつ、歪み値
が既知となっている自由領域を設け、この自由領域か
ら、光ファイバの長さ方向に沿って、前記被測定長部分
の長さLを所定数nで除して得たL/nの長さ分だけ順
次ずらして前記自由領域を含む被測定長部分の長さLの
歪みを順次計測し、この各計測値の相互に隣接する被測
定長部分の差を、前記自由領域側から順次算出して、前
記L/nの長さ分の光ファイバの歪みを連続して計測す
ることを特徴とする光ファイバ歪み計測方法。 - 【請求項2】 光ファイバの一部を被測定物に装着し、
この被測定物に装着していない部分の前記光ファイバに
自由領域が設けられていることを特徴とする請求項1記
載の光ファイバ歪み計測方法。 - 【請求項3】 自由領域を含むL/nずつずれた長さL
分の歪み計測値を、前記自由領域側から順に、ε0,ε
1,ε2,……εi,……とし、前記自由領域における
測定光進行方向前方側の端部から、この前方側ヘ向かう
長さL/nずつの歪み値を、Δε0’,Δε1’,Δε
2’,……Δεi’,……とし、前記自由領域における
測定光の入射側端部から、測定光進行方向前方側へ向か
う長さL/nずつの歪み値を、Δε0,Δε1,Δ
ε2,……,Δεi,……とすると、 εi+Δεi’=εi+1+Δεi であり、この両辺を整理すると、 Δεi’−Δεi=εi+1−εi となる。ここで、n=10としたうえで、 Δε0’−Δε0=ε1−ε0 Δε1’−Δε1=ε2−ε1 Δε2’−Δε2=ε3−ε2 : : : Δε9’−Δε9=ε10−ε9 を第1の測定グループ式として、この式に自由領域の既
知の歪み値であるΔε0,Δε1,Δε2,……,Δε
9をそれぞれ代入して未知の歪み値Δε0’,Δ
ε1’,Δε2’,……,Δε9’を求め、この求めた
歪み値Δε0’,Δε1’,Δε2’,……,Δε9’
を、次の第2の測定グループ式 Δε10’−Δε10=ε11−ε10 Δε11’−Δε11=ε12−ε11 Δε12’−Δε12=ε13−ε12 : : : Δε19’−Δε19=ε20−ε19 のΔε10,Δε11,Δε12,……,Δε19にそ
れぞれ代入してΔε10’,Δε11’,Δε12’,
……,Δε19’を求め、以後同様にして第m(整数)
の測定グループ式で求めた歪み値を、第m+1の測定グ
ループ式にそれぞれ代入して、第m+1の測定グループ
式における未知の歪み値を順次求めることを特徴とする
請求項1または2記載の光ファイバ歪み計測方法。 - 【請求項4】 自由領域の歪み値は、初期値として0
(零)に設定されていることを特徴とする請求項1ない
し3のいずれかに記載の光ファイバ歪み計測方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001189795A JP2003004421A (ja) | 2001-06-22 | 2001-06-22 | 光ファイバ歪み計測方法 |
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JP (1) | JP2003004421A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009020003A (ja) * | 2007-07-12 | 2009-01-29 | Nippon Steel & Sumikin Welding Co Ltd | 光ファイバセンサ及び歪観測システム |
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JP2000074697A (ja) * | 1998-06-19 | 2000-03-14 | Mitsubishi Electric Corp | 測定装置 |
JP2000121327A (ja) * | 1998-10-09 | 2000-04-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 歪計測装置及び方法 |
-
2001
- 2001-06-22 JP JP2001189795A patent/JP2003004421A/ja active Pending
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