JP2003254798A - Sensor sensitivity of dynamic range setting method using fbg - Google Patents

Sensor sensitivity of dynamic range setting method using fbg

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JP2003254798A
JP2003254798A JP2002056687A JP2002056687A JP2003254798A JP 2003254798 A JP2003254798 A JP 2003254798A JP 2002056687 A JP2002056687 A JP 2002056687A JP 2002056687 A JP2002056687 A JP 2002056687A JP 2003254798 A JP2003254798 A JP 2003254798A
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JP
Japan
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fbg
dynamic range
sensor
sensor sensitivity
optical fiber
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Application number
JP2002056687A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazunari Furukawa
一成 古川
Masaki Izumo
正樹 出雲
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the sensor sensitivity or the dynamic range easily settable according to a performance requirement in a sensor comprising an FBG (optical fiber Bragg diffraction grating) 14 provided on a tensile face of a bending member 10, wherein the amount of deflection thereof changes by the amount of a physical quantity. <P>SOLUTION: Optical fibers 16 located at the both sides of the FBG 14 are fixed to the bending member 10 by fixing blocks 20. The sensor sensitivity or a dynamic range is controlled by a height of the fixing block 20. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】 本発明は、FBG(光ファ
イバブラッグ回折格子)を用いた物理量センサの感度又
はダイナミックレンジ設定方法に関するものである。 【0002】 【従来の技術】 長手方向の一部にFBGを設けた光フ
ァイバに、一端側から光を入射すると、FBGは特定の
波長の光のみを反射する。FBGに伸び歪みが加わる
と、反射光の波長は長くなる側にシフトする。したがっ
てFBGを、圧力変化によりたわみ量が変化する部材
(例えばダイヤフラム)に取り付けて、反射光の波長シ
フト量を測定すれば、圧力を検出することができる(特
開2001-83031号公報)。またFBGを、温度変化により
たわみ量が変化する部材(例えばバイメタル)に取り付
けて、反射光の波長シフト量を測定すれば、温度を検出
することができる。 【0003】 従来のFBGを用いたセンサは、物理量
の変化でたわみ量が変化するたわみ部材の、たわみの引
張り面側に、FBGの全長を接着剤により固定すること
により構成されていた。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】 従来のFBGを用い
たセンサは、たわみ部材とFBGが一体となって伸縮す
るようになっているため、センサとしての感度又はダイ
ナミックレンジはたわみ部材の特性によって決まってし
まう。したがってセンサを製造する場合に、センサとし
ての感度又はダイナミックレンジを、要求される感度又
はダイナミックレンジに設定するためには、それに合っ
たたわみ部材又はFBGを選択しなければならなかっ
た。 【0005】 本発明の目的は、以上のような問題点に
鑑み、同じたわみ部材及びFBGを使用しても、センサ
としての感度又はダイナミックレンジを変えることが可
能な、FBGを用いたセンサの感度又はダイナミックレ
ンジの設定方法を提供することにある。 【0006】 【課題を解決するための手段】 この目的を達成するた
め、本発明は、物理量の変化でたわみ量が変化するたわ
み部材の、たわみの引張り面側にFBGを取り付けてな
るセンサにおいて、前記FBGの両側の光ファイバ部分
を前記たわみ部材に固定ブロックを介して固定し、この
固定ブロックの高さによってセンサの感度又はダイナミ
ックレンジを設定することを特徴とするものである。 【0007】 本発明において、FBGの両側の光ファ
イバ部分を固定する間隔(固定ブロックの内端面間の間
隔)は、FBGの長さ+片側1〜10mm程度に設定するこ
とが好ましい。 【0008】 また固定ブロックの高さは、たわみ部材
がたわんだときにFBGに接触しない高さに設定するこ
とが好ましい。 【0009】 【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態を、
図面を参照して詳細に説明する。 【0010】 図1において、10は周辺を加圧容器12の
内壁に固定支持されたたわみ部材(例えば金属板)であ
る。たわみ部材10は、一方の面に圧力がかかると、それ
に応じたたわみが生じる。たわみ部材10には、加圧され
る面と反対側の面(たわみの引張り側の面)の中央部に
FBG14が取り付けられている。FBG14とその付近の
両側の光ファイバ16は保護被覆18が除去されて裸になっ
ており、FBG14の両側の光ファイバ16が固定ブロック
20を介してたわみ部材10に固定されている。つまりFB
G14は、たわみ部材10の表面から離して、両側の2点で
たわみ部材10に固定支持された状態となっている。 【0011】 固定ブロック20はたわみ部材10に半田付
け、溶接又は接着などの手段で固定できるが、半田付け
又は溶接により固定することが信頼性を高める上で好ま
しい。また光ファイバ16は固定ブロック20に半田付け又
は接着などの手段で固定できるが、半田付けにより固定
することが信頼性を高める上で好ましい。光ファイバ16
を固定ブロック20に半田付けにより固定するときは、光
ファイバ16の表面に無電解メッキ等によりメッキを施し
た上で半田付けをする。光ファイバ16を固定ブロック20
に固定するときは、FBG14にたるみが生じないように
若干張力をかけた状態で固定する。 【0012】 上記のようにFBG14が取り付けられた
たわみ部材10に圧力がかかると、たわみ部材10がたわ
み、FBG14に張力がかかって、FBG14が伸びる。F
BG14の伸び歪みは、たわみ部材10のたわみ量が同じで
あっても、固定ブロック20の高さが高くなるほど大きく
なる。例えば図2(A)と(C)は、たわみ部材10及び
FBG14の特性が同じで、固定ブロック20の高さだけが
異なるセンサである。この二つのセンサのたわみ部材10
にそれぞれ同じ圧力をかけて、(B)、(D)のように
同じ大きさのたわみを発生させた場合、FBG14の伸び
歪みは、固定ブロック20の高さが低い(B)よりも、固
定ブロック20の高さが高い(D)の方が大きくなる。F
BG14の伸び歪みが大きくなる(波長シフト量が大きく
なる)ということは、それだけセンサの感度が高くなる
こと又はダイナミックレンジが広くなることを意味す
る。換言すれば、センサの感度又はダイナミックレンジ
は固定ブロック20の高さによって設定できるということ
である。 【0013】 さらに具体的に説明すると、図1におい
て、たわみ部材10の寸法が100mm×100mm×1mm(厚
さ)、材質がSS400、FBG14の長さが10mm、固定ブロ
ック20の間隔が15mm、高さが1mmの場合、たわみ部材10
に50kPaの等分布荷重が加わると、FBG14の伸び歪み
は約0.05%となる。これに対し固定ブロック20の高さが
3mmになると(他の条件は同じ)、FBG14の伸び歪み
は約0.15%となる。つまり固定ブロック20の高さを高く
すると、たわみ部材10のたわみ量は同じでも、FBG14
の波長シフト量が大きくなるので、その分センサとして
の感度を高めることができ、ダイナミックレンジを大き
くとることができる。 【0014】 上記のようなセンサでは、固定ブロック
の間隔を大きくすると、それだけFBGを含む光ファイ
バの断線の危険性が増え、また振動等の影響を受けやす
くなる。したがって固定ブロックの間隔は小さい方が有
利であるが、小さすぎると次のような問題が生じる。す
なわち、FBGに固定材料(半田や接着剤)が付着しや
すくなり、FBGに固定材料が付着すると、固定材料の
硬化に伴いFBGに不規則な応力が加わり、測定精度に
悪影響を及ぼす。また固定材料に半田を用いる場合に
は、半田溶融時の熱がFBGを劣化させるおそれがあ
る。したがって固定ブロックの間隔は、FBGの長さが
10mmの場合、少なくとも12mm以上必要であり、30mm程度
に設定すれば十分である。 【0015】 また固定ブロックの高さは、たわみ部材
のたわみ量に応じて設定される。また固定ブロックの高
さは、たわみ部材がたわんだときにFBGがたわみ部材
に接触しないように設定する必要がある。 【0016】 【発明の効果】 以上説明したように本発明によれば、
FBGを固定ブロックを介してたわみ部材に固定するこ
とにより、固定ブロックの高さによって、センサの感度
又はダイナミックレンジを、要求性能に合うように設定
することができる。したがって各種の感度又はダイナミ
ックレンジをもつセンサを容易に製作することができ
る。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for setting a sensitivity or a dynamic range of a physical quantity sensor using an FBG (optical fiber Bragg diffraction grating). 2. Description of the Related Art When light is incident on one end of an optical fiber provided with an FBG in a longitudinal direction, the FBG reflects only light of a specific wavelength. When stretching strain is applied to the FBG, the wavelength of the reflected light shifts to the longer side. Therefore, the pressure can be detected by attaching the FBG to a member (for example, a diaphragm) whose deflection amount changes due to a pressure change and measuring the wavelength shift amount of the reflected light (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-83031). The temperature can be detected by attaching the FBG to a member (for example, a bimetal) whose amount of deflection changes due to a temperature change and measuring the amount of wavelength shift of the reflected light. A conventional sensor using an FBG has been configured by fixing the entire length of the FBG to the bending surface side of a bending member, the bending amount of which changes with a change in a physical amount, with an adhesive. [0004] In a sensor using a conventional FBG, since the flexible member and the FBG expand and contract integrally, the sensitivity or dynamic range of the sensor is limited to that of the flexible member. It depends on the characteristics. Therefore, when manufacturing the sensor, in order to set the sensitivity or the dynamic range as the sensor to the required sensitivity or the dynamic range, it is necessary to select a flexure member or an FBG that matches the sensitivity or the dynamic range. In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a sensitivity of a sensor using an FBG that can change a sensitivity or a dynamic range as a sensor even when the same flexible member and FBG are used. Another object is to provide a method for setting a dynamic range. Means for Solving the Problems In order to achieve this object, the present invention relates to a sensor in which an FBG is attached to a bending surface of a bending member whose bending amount changes due to a change in a physical amount. The optical fiber portions on both sides of the FBG are fixed to the bending member via a fixing block, and the sensitivity or dynamic range of the sensor is set according to the height of the fixing block. In the present invention, it is preferable that the interval for fixing the optical fiber portions on both sides of the FBG (the interval between the inner end faces of the fixed block) is set to the length of the FBG + about 1 to 10 mm on one side. Further, it is preferable that the height of the fixed block is set to a height that does not make contact with the FBG when the bending member is bent. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
This will be described in detail with reference to the drawings. In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a flexible member (for example, a metal plate) whose periphery is fixed and supported on the inner wall of the pressure vessel 12. When pressure is applied to one surface of the flexure member 10, flexure corresponding thereto occurs. The FBG 14 is attached to the flexible member 10 at the center of the surface opposite to the surface to be pressurized (the surface on the tensile side of the deflection). The protective coating 18 is removed from the FBG 14 and the optical fibers 16 on both sides near the FBG 14 so that the optical fibers 16 on both sides of the FBG 14 are fixed blocks.
It is fixed to the flexible member 10 via 20. That is, FB
G14 is separated from the surface of the flexible member 10 and is fixedly supported by the flexible member 10 at two points on both sides. The fixing block 20 can be fixed to the flexible member 10 by means such as soldering, welding or bonding. However, it is preferable to fix the fixing block 20 by soldering or welding in order to enhance reliability. Further, the optical fiber 16 can be fixed to the fixing block 20 by means such as soldering or bonding, but it is preferable to fix the optical fiber 16 by soldering in order to enhance reliability. Optical fiber 16
Is fixed to the fixing block 20 by soldering, the surface of the optical fiber 16 is plated by electroless plating or the like and then soldered. Optical fiber 16 fixed block 20
When fixing the FBG 14, the FBG 14 is fixed with a slight tension applied so as not to cause slack. When pressure is applied to the flexure member 10 to which the FBG 14 is attached as described above, the flexure member 10 flexes, and tension is applied to the FBG 14 to extend the FBG 14. F
The extension strain of the BG 14 increases as the height of the fixed block 20 increases, even if the flexure of the flexure member 10 is the same. For example, FIGS. 2A and 2C show a sensor in which the characteristics of the flexible member 10 and the FBG 14 are the same and only the height of the fixed block 20 is different. Flexure member 10 for these two sensors
When the same pressure is applied to each of the members to generate the same amount of flexure as in (B) and (D), the stretching strain of the FBG 14 is larger than that in the case where the height of the fixing block 20 is low (B). (D) where the height of the block 20 is high is larger. F
An increase in the elongation strain (increase in the wavelength shift amount) of the BG14 means that the sensitivity of the sensor increases or the dynamic range increases. In other words, the sensitivity or dynamic range of the sensor can be set by the height of the fixed block 20. More specifically, in FIG. 1, the dimensions of the flexible member 10 are 100 mm × 100 mm × 1 mm (thickness), the material is SS400, the length of the FBG 14 is 10 mm, the interval between the fixed blocks 20 is 15 mm, When the length is 1 mm, the flexure 10
When a uniformly distributed load of 50 kPa is applied to the FBG 14, the elongation strain of the FBG 14 becomes about 0.05%. On the other hand, the height of the fixed block 20 is
At 3 mm (other conditions being the same), the elongation strain of FBG14 is about 0.15%. That is, if the height of the fixed block 20 is increased, the FBG 14
Since the wavelength shift amount becomes large, the sensitivity as a sensor can be increased accordingly, and the dynamic range can be widened. In the above-described sensor, when the distance between the fixed blocks is increased, the risk of disconnection of the optical fiber including the FBG increases, and the sensor is easily affected by vibration and the like. Therefore, it is advantageous that the interval between the fixed blocks is small, but if it is too small, the following problem occurs. That is, the fixing material (solder or adhesive) easily adheres to the FBG, and if the fixing material adheres to the FBG, irregular stress is applied to the FBG with the curing of the fixing material, which adversely affects the measurement accuracy. When solder is used as the fixing material, heat at the time of melting the solder may deteriorate the FBG. Therefore, the interval between the fixed blocks is
In the case of 10 mm, at least 12 mm or more is required, and setting to about 30 mm is sufficient. [0015] The height of the fixed block is set according to the amount of deflection of the bending member. Further, the height of the fixed block needs to be set so that the FBG does not contact the flexible member when the flexible member is bent. As described above, according to the present invention,
By fixing the FBG to the flexible member via the fixed block, the sensitivity or the dynamic range of the sensor can be set according to the required performance depending on the height of the fixed block. Therefore, sensors having various sensitivities or dynamic ranges can be easily manufactured.

【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明に係るFBGを用いたセンサの感度又
はダイナミックレンジ設定方法の一例を示す、(A)は
縦断面図、(B)は底面図。 【図2】 (A)はたわみ部材に高さの低い固定ブロッ
クを介してFBGを取り付けたセンサを示す説明図、
(B)は(A)のセンサのたわみ部材がたわんだ状態を
示す説明図、(C)はたわみ部材に(A)より高さの高
い固定ブロックを介してFBGを取り付けたセンサを示
す説明図、(D)は(C)のセンサのたわみ部材がたわ
んだ状態を示す説明図。 【符号の説明】 10:たわみ部材 14:FBG 16:光ファイバ 20:固定ブロック
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows an example of a method for setting the sensitivity or dynamic range of a sensor using an FBG according to the present invention, (A) is a longitudinal sectional view, and (B) is a bottom view. FIG. 2A is an explanatory view showing a sensor in which an FBG is attached to a flexible member via a fixed block having a low height,
(B) is an explanatory view showing a state in which the bending member of the sensor of (A) is bent, and (C) is an explanatory view showing a sensor in which an FBG is attached to the bending member via a fixing block higher than (A). (D) is an explanatory view showing a state in which the bending member of the sensor of (C) is bent. [Description of References] 10: Flexure member 14: FBG 16: Optical fiber 20: Fixed block

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 物理量の変化でたわみ量が変化するたわ
み部材の、たわみの引張り面側にFBG(光ファイバブ
ラッグ回折格子)を取り付けてなるセンサにおいて、前
記FBGの両側の光ファイバ部分を前記たわみ部材に固
定ブロックを介して固定し、この固定ブロックの高さに
よってセンサの感度又はダイナミックレンジを設定する
ことを特徴とするFBGを用いたセンサの感度又はダイ
ナミックレンジ設定方法。
Claims: 1. A sensor in which an FBG (optical fiber Bragg diffraction grating) is attached to a bending surface of a bending member of which a bending amount changes due to a change in a physical amount. A sensor sensitivity or dynamic range setting method using an FBG, wherein an optical fiber portion is fixed to the bending member via a fixing block, and the sensor sensitivity or dynamic range is set according to the height of the fixing block.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100666379B1 (en) 2004-04-08 2007-01-10 박현수 Optical fiber Bragg grating structure and apparatus of measuring deformation of structure and method thereof
JP2009204494A (en) * 2008-02-28 2009-09-10 Anritsu Corp Vibration detector
JP2010078489A (en) * 2008-09-26 2010-04-08 Nagano Keiki Co Ltd Fiber optic sensor

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