JP2004003889A

JP2004003889A - Freezing sensor for optical fiber

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Publication number: JP2004003889A
Application number: JP2002160628A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Ono; 大野　博重
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: JP4137524B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a freezing sensor optical fiber for accurately determining existence of a freezing without requiring a complicated algorithm. <P>SOLUTION: The freezing sensor for optical fiber has a container 12 for containing water 11, an optical fiber 13 fixed to the container, a light source 14 for transmitting light to the optical fiber and a distortion measuring instrument 15. Expansion stress is transmitted to the optical fiber through the container, when the water attains the phase transition point from liquid to solid (the freezing point) due to temperature decrease. The distortion measuring instrument senses distortion generated in the optical fiber, based on the distortion dependence of Brillouin scattering light frequency and determines the presence of freezing, based on the presence of the distortion. When a pulse light source is used for the light source and the container is continuously disposed along the optical fiber, distribution of frozen state can be obtained continuously along the optical fiber. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、路面や農地などの凍結および凍結の融解を光ファイバを利用して検知する光ファイバ凍結センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速道路及び一般道路において、降雪や降雨によって路面が凍結すると、通常スリップ事故の発生確率が増加するため、路面状況をリアルタイムに検知して自動車運転者に注意を喚起する必要がある。
【０００３】
また、農地では霜や凍結により農作物に被害が出るため、気温を測定して適切な凍結防止策を講じる必要がある。
【０００４】
そのため、このような路面あるいは農地の凍結状況を検知する手段として、通常の気象情報の他に、現場に設置した温度計や湿度計からの情報を用いて、路面の凍結を予測している。そのような温度計には、金属の抵抗や熱電対を利用した電子温度計、赤外線放射を検知するサーモグラフィが従来から一般的に使用されていたが、近年では、光ファイバに生じるラマン散乱のストークス光、あるいはアンチストークス光の強度比から温度を求める光ファイバ温度センサ、光ファイバに生じるブリルアン散乱光の周波数やファイバグレーティングの反射波長から温度を求める光ファイバ温度センサなどが開発され、利用され初めている。そして、これら従来の光ファイバ温度センサでは、例えば降雨後に温度計の指示が０℃以下となった場合に凍結と判断している（特開平５−７１１１１号公報，特開平９−１６６６６６号公報，特開平１０−９６６６８号公報，特開平１０−１０４３６３号公報など参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の温度計を用いた凍結判断方法では、従来の温度計の精度が１℃程度と低いため、０℃付近において凍結しているのか否かの判断が、不正確なものとならざるを得なかった。さらに、路面に水分がある場合には、気化熱で気温が氷点以上であっても凍結することがあるし、逆に、地熱等の影響で気温が０℃以下であっても必ずしも凍結しない場合がある。
【０００６】
このようなことから、気温だけでは凍結したかどうかは判断できないため、地中の温度や風速などの情報を組み合わせて精度を高めようとする試みもなされているが、凍結の有無の判断精度を高めようとすると、気象情報や湿度情報など多くのデータが必要となるため、凍結判断のアルゴリズムが複雑化するばかりでなく、部分的に観測者の主観を含んでしまい、予期せぬ判断ミスを招く危険性もある。
【０００７】
また、金属の抵抗や熱電対を利用した電子温度計では、測定位置が設置点のみに限られ、赤外線放射を検知するサーモグラフィでは２次元的に表面温度を測定できるが、範囲が狭く、そのため道路全体について測定するには非常に多数の測定装置の設置を必要とするという実用面での難点があった。
【０００８】
本発明は、上述のような従来技術の課題に鑑みてなされたもので、その目的は、複雑なアルゴリズムを要することなく、高精度に凍結の有無を判断できる光ファイバ凍結センサを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の付随する目的は、光ファイバの任意の位置の凍結状況を検知することができる光ファイバ凍結センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の光ファイバ凍結センサは、路面等が凍結しているか否かの判断を正確にかつ客観的に行うために、凍結の原因となる水そのものをセンサの材料として利用し、水の凍結による膨張を光ファイバの歪に変換し、この歪の大きさから凍結を検知することを特徴とする。この特徴構成により、本発明は、凍結判断のために複雑なアルゴリズムを必要とせずに、センサ材料である水の凍結の有無から、センサが設置された場所の凍結の有無を正確に、かつ、簡易に、低コストで判断できる。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の形態の光ファイバ凍結センサは、水が閉じ込められている１または複数個の容器と、前記容器に固定された光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光源から入射された光によって前記光ファイバによって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定する測定装置とを有し、前記測定装置は、前記水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が前記容器を通して前記光ファイバに伝わった結果、該光ファイバに生じた歪をブリルアン散乱光周波数の歪依存性から検知し、前記歪の有無を以って凍結の有無を判断することを特徴とする。
【００１２】
ここで、好ましくは、前記容器を前記光ファイバに沿って連続して配置し、前記光源としてパルス光源を用い、前記測定装置は、前記ブリルアン散乱光のパワースペクトルを時間分解して測定することにより、前記光ファイバに生じた前記歪を該光ファイバに沿って連続的に測定し、該測定結果に基づき凍結の有無を連続的に判断する。
【００１３】
また、本発明の第２の形態の光ファイバ凍結センサは、水が閉じ込められている１または複数個の容器と、前記容器に固定され、該固定位置にファイバグレーティングが形成されている光ファイバと、前記光ファイバに光を入射する光源と、前記光源から入射された光が前記ファイバグレーティングによって反射された波長を測定する測定装置とを有し、前記測定装置は、前記水が温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力が前記容器を通して前記光ファイバに伝わった結果、該光ファイバに生じた歪を前記ファイバグレーティングの反射波長の歪依存性から検知し、前記歪の有無を以って凍結の有無を判断することを特徴とする。
【００１４】
ここで、好ましくは、前記水の相転移点における膨張の際に前記容器も膨張するが、該容器の膨張が該容器の材料がもつ弾性範囲内であるように、該容器の材料および構造が設定されている。
【００１５】
また、好ましくは、前記光ファイバは光ファイバの心線であり、前記容器は該光ファイバの被覆であり、前記水が該光ファイバの被覆に多数個、水胞状態で閉じ込められている。
【００１６】
本発明は、上記構成のように、凍結の原因となる水そのものをセンサ材料として利用し、凍結による膨張を光ファイバの歪に換算するようにしているので、凍結判断のために複雑なアルゴリズムを必要とせずに、センサである水の凍結の有無からセンサが設置された場所の凍結の有無を判断できる。凍結に関しては現場環境に非常に近いセンシング機構であることと、凍結の際急激な膨張を伴うため、それによって生じる歪を検知するのは容易であり、温度測定などに比べ、Ｓ／Ｎが非常に高く、従って、検出精度も高い。もちろん、気象情報や湿度センサ等の情報も併用して複合的な判断を行うことを妨げるものではなく、むしろ既存の路面等の状況検知システムに、凍結情報を追加できるという使用方法もあり得る。
【００１７】
凍結の際、水の凝固熱があるため、急激な温度変化があった場合には、センサとして使用している水の凍結が、センサ設置場所の凍結に比べて遅延するが、水の量を調節することにより、相転移の際の凝固熱量を小さくして、この遅延を実用上問題ない程度まで微小にすることが可能である。また、光ファイバを通過する光信号の減衰は、導線を流れる電気信号のそれに比べて非常に小さいため、光ファイバをセンサおよび伝送路として利用することで、１０ｋｍ以上遠く離れた点の凍結をその地点には無給電で判断することが可能になる。
【００１８】
さらに、光源としてパルス光源を用いる場合には、光ファイバに沿って連続的に凍結状況の分布を得ることが可能となる。あるいは、ある領域に光ファイバを縦横に張り巡らすことにより、２次元的、３次元的な凍結分布を得ることも可能となる。
【００１９】
また、光ファイバ凍結センサの容器の構造あるいは材料を適切に選ぶことにより、膨張による容器の変形が弾性範囲内となるようにすることで、センサとなる水を囲む容器が凍結で膨張したときでも、その材料の持つ弾性範囲内での変形しか生じなければ、温度が上昇し氷が融解した場合でも残留歪が無く、繰り返し使用できる。水と一緒に空気などの気体を容器に閉じ込めることで、凍結の膨張によって容器に生じる応力を緩和することもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による光ファイバ凍結センサの概略構成を図１に示す。図１に示すように、この光ファイバ凍結センサ１０は、凍結の原因となる水１１がセンサの材料としてあらかじめ閉じ込められている、筒状または箱状の容器１２と、その容器１２の壁内に固定用治具（図示しない）、接着、埋め込み固着等の適切な固定手段により固定された光ファイバ１３と、その光ファイバ１３に光を入射する光源１４と、その光源１４から入射された光によってその光ファイバ１３によって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定する歪測定器１５とを備えている。容器１２は路面や農地に配設されるため、容器１２を外部からの衝撃から保護するためのパイプ状の剛体１６が被覆されている。
【００２２】
容器１２内に閉じ込められている水１１が、温度の低下により液体から固体への相転移点（氷点）に達したときに膨張する応力は、容器１２を通して光ファイバ１３に伝わる。歪測定器１５は、光ファイバ１３に生じた歪をブリルアン散乱光周波数の歪依存性から検知し、その歪の有無を以って凍結の有無を判断し、判断結果を表示装置等（図示しない）に出力する。
【００２３】
本実施形態の光ファイバ凍結センサ１０は、光ファイバ１３に生じた歪を光学的に検出するためにブリルアン散乱光周波数の歪依存性を利用することを特徴としている（文献［１］Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ　ｅｔ　ａｌ．，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｕｓｉｎｇＢｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　ｖｏｌ．１３，ｎｏ．７，ｐｐ．１２９６−１３２，　Ｊｕｌｙ　１９９５参照）。
【００２４】
ブリルアン散乱光の周波数や、後述のファイバグレーティングの反射波長は、歪依存性を持つばかりでなく、温度依存性も持つ（文献［２］Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ，　Ｔ．Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ，　ａｎｄ　Ｍ．　Ｔａｔｅｄａ，“Ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｈｉｆｔ　ｉｎ　ｊａｃｋｅｔｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．　Ｏｐｔ．，　Ｖｏｌ．　２９，　２２１９−２２２２，　１９９０）ため、図２に示すように温度変化に伴って変動する。図２から分かるように、ブリルアン散乱光の周波数シフトあるいはファイバグレーティングの反射波長の逆数は、０℃において凍結による歪の影響による顕著な変化が現れる。従って、この特性を利用すれば、高精度で、かつ凍結を判断する機能を失うことなく温度も同時に計測することができる。
【００２５】
本発明によるセンサメカニズムの理解をさらに容易にするため、次の例で凍結による歪の発生について説明する。
【００２６】
図１のように充満して閉じ込められている水１１と容器１２が両方とも長さＬの円筒形であって、容器側面が摩擦の無い剛体１６で覆われているとした場合のセンサ構造についての歪について考える。また、説明を簡単にするため、容器１２、水１１、氷１１１の熱膨張は無視することとする。容器１２の内径、外形をそれぞれ、ｄ_１，ｄ_２と置くと、それらの断面積はそれぞれ、Ａ_１＝πｄ_１ ^２／４，Ａ_２＝πｄ_２ ^２／４となる。
【００２７】
凍結による膨張は容器１２の軸方向（長手方向）のみに生じ、その凍結による膨張率をβとすると、図３に示すように、凍結後の氷１１１がもし容器１２に閉じ込められていなければ、その長さは（１＋β）Ｌとなる。しかし、容器１２に閉じ込められている凍結後の氷１１１は、容器１２と一体となって変形するので、図４に示すように実際は容器１２も氷１１１も等しく長さＬ＋ΔＬとなる。このことに注意すると、この変形による内部応力によって氷１１１、容器１２それぞれに発生する応力σ_ｉｃｅ，σ_ｐは、
【００２８】
【数１】

【００２９】
と書くことができる。ここで、Ｅ_ｉｃｅ，Ｅ_ｐはそれぞれ氷１１１，容器１２のヤング率である。
外力が働かないため、力はつりあっており、
【００３０】
【数２】

【００３１】
である。この式（１）、（２）から、光ファイバ１３が感知する歪ε＝ΔＬ／Ｌを求めると、
【００３２】
【数３】

【００３３】
となる。
【００３４】
凍結による膨張率であるβは、９％程度の値であることが知られており、膨張による容器１２の変形が弾性範囲内、つまり降伏しない条件にしたい場合には、この凍結による歪が、降伏歪ε_ｃより小さくなるように、容器１２の断面積や材料を選ぶ必要がある。すなわち、光ファイバ凍結センサは、凍結により膨張した容器が材料的に降伏してしまうと、その後もとの長さに戻らず、繰り返し使用できないが、容器１２の断面積や材料を上記のように適切に選ぶことにより、その課題を解決することができる。
【００３５】
また、水１１と一緒に空気などの気体を容器１２に閉じ込めることで、凍結の膨張によって容器１２に生じる応力を緩和することもできる。
【００３６】
図１の歪測定器１５と光源１４を含む測定装置としては、例えば、本出願人による特開平１０−０４８０６７号公報（特許第３２３７７４５号）で開示されている、図５に示すような構成の歪・温度分布測定装置が利用できる。
【００３７】
この装置を簡潔に説明すると、図５中、５０１は周波数が安定で発振線幅の狭い、第１の周波数安定化狭線幅光源である。５０２は光パルス変調器、５０３は光増幅器、５０４は光方向性結合器、１３は光ファイバ、５０７は光フィルタ、５０８は光検出器、５０９は増幅器、５１０はＡＤ変換器、５１１はディジタル信号処理装置、５１２はタイミング信号発生器である。
【００３８】
また、５１３は第２の周波数安定化狭線幅光源である。５１４は第１の周波数安定化狭線幅光源５０１と第２の周波数安定化狭線幅光源５１３の発振周波数、あるいは両光源の周波数差を制御する第１の光周波数制御装置である。５１５は光ファイバ１３に入射する光パルスの入射端を切り替えると同時に、第２の周波数安定化狭線幅光源５１３からの出力光が光パルスと対向して光ファイバ１３を伝搬するように、第２の周波数安定化狭線幅光源５１３からの出力光を光ファイバ１３に入射させるための２×２光切替スイッチである。また、５１６は第２の周波数安定化狭線幅光源５１３と２×２光切替スイッチ５１５間に接続した光ＯＮ／ＯＦＦスイッチである。
【００３９】
光ファイバ１３における後方ブリルアン散乱係数の歪み依存性係数Ｃ_１、その温度依存係数Ｃ_２、ブリルアン周波数シフトの歪み依存性係数Ｃ_３、その温度依存係数Ｃ_４を予め求めておき、光フアイバ１３に光を入射し、光フアイバ１３の各点の後方ブリルアン散乱光の散乱係数ηの相対変化δη／ηと、ブリルアン周波数シフトの変化δν_Ｂの両方を光検出器５０８を介して検出し、光ファイバに発生した歪みの変化δεと光フアイバの温度の変化δＴに関する２元連立方程式
δη／η＝Ｃ_１・δε＋Ｃ_２・δＴ
δν_Ｂ　　＝Ｃ_３・δε＋Ｃ_４・δＴ
を演算により解くことにより、光ファイバ１３に発生した歪みの変化δεと光ファイバ１３の温度の変化δＴをそれぞれ区別して同時に測定することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
上述の本発明の第１の実施形態においては、光ファイバによって生じたブリルアン後方散乱光のパワースペクトルを測定することで、凍結を検出している。
【００４１】
これに対し、本発明の第２の実施形態の光ファイバ凍結センサは、構成は図１とほぼ同様であるが、歪を検出するために、光ファイバに刻み込まれた周期的な屈折率変化である、ファイバグレーティング（図示しない）を用いる。
【００４２】
ファイバグレーティングで反射する光の波長が歪依存性を持つことを利用することで、凍結を検出できる（文献［３］Ａ．　Ｄ．Ｋｅｒｓｅｙ，“Ｆｉｂｅｒ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｓｅｎｓｏｒｓ，”Ｊ．　Ｌｉｇｈｔ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　Ｖｏｌ．　１５，　１４４２−１４６３（１９９７）。
【００４３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の分布型光ファイバ凍結センサは、歪を１点だけでなく、光ファイバに沿って連続的に分布として得るために、構成は図１とほぼ同様であるが、光源１４としてパルス光源を用い、水１１が密閉された円筒状の容器１２を光ファイバ１３に沿って連続的に設け、歪測定器１５により、ブリルアン散乱光のパワースペクトルを時間分解して測定することにより、光ファイバ１３に生じた歪を光ファイバに沿って連続的に測定し、その結果に基づき凍結の有無を連続的に判断する。
【００４４】
このように、光源としてパルス光源を用いる場合には、光ファイバに沿って連続的に凍結状況の分布を得ることが可能となるので、例えば、ある領域に光ファイバを縦横にマトリックス状に張り巡らすことにより、２次元的、３次元的な凍結分布を得ることも可能である。
【００４５】
（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態における分布型光ファイバ凍結センサの概略構成を示す。この光ファイバ凍結センサでは、図１に示したと同様な構造の水が密閉された円筒状の容器（センサ１，２，３…）を複数個、光ファイバケーブル１３１に沿って、必要箇所に固定治具６１を用いて取り付け、歪測定器１５により遠隔より光ファイバ１３１を通じて凍結による歪の有無を判断する。
【００４６】
例えば、センサ１，２，３のうち１のみが凍結している場合には、図７に示すのような歪が歪測定器１５のディスプレイ（図示しない）等で観測されるので、遠隔より複数のセンサの凍結を個別に正確に判断することができる。
【００４７】
（第５の実施形態）
図８は本発明の第５の実施形態における光ファイバ凍結センサの概略構成を示す。この光ファイバ凍結センサは、光ファイバケーブル８０の被覆８１内に密封された多数の小さな水胞部８２を設けることにより、光ファイバの被覆８１が図１等で説明した容器１２となる構造のものである。８３は光ファイバケーブル８０の心線であり、図１の光ファイバ１３に相当するもので、光源１４と歪測定器１５に接続している。
【００４８】
このような構造にすることにより、本実施形態の光ファイバ凍結センサは、自由に曲げることができるため、設置環境の範囲を広げることができる。また水胞８２の大きさが歪計測の空間分解能と同程度以下であれば、連続的な歪計測を行うことができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複雑なアルゴリズムを要することなく、路面や農地の温度管理だけでなく、高精度でかつ、客観的な凍結管理を行うことができる。
【００５０】
また、本発明によれば、凍結検知をヒータのスイッチとすることで、凍結の被害を防止するためのヒータの使用電力を必要最低限にすることが可能となる。
【００５１】
また、本発明によれば、通信用の光ファイバケーブルの一部を第４の実施形態で述べたような凍結センサとすることにより、敷設光ファイバの凍結による通信障害地点の早期発見に効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１、第２および第３の実施形態における光ファイバ凍結センサの円筒容器の構造例を示す概略模式図である。
【図２】ブリルアン散乱光周波数、あるいは、ファイバグレーティング反射波長の温度依存性を凍結による急激な歪と併せて示すグラフである。
【図３】凍結後の氷と容器のそれぞれについて、互いに拘束されない場合の状態を示す仮想的な模式図である。
【図４】図１で示す光ファイバ凍結センサについて、凍結後の状態を示す模式図である。
【図５】本発明で用いる光源・歪測定器として利用可能な公知の歪・温度分布測定装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第４の実施形態として、光ファイバケーブルに後で複数のセンサを設置した構成例を示す模式図である。
【図７】本発明の第４の実施形態における凍結監視結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第５の実施形態として、光ファイバ被覆に水胞を設けてセンサとした構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０　光ファイバ凍結センサ
１１　水
１１１　氷
１２　容器
１３　光ファイバ
１３１　光ファイバケーブル
１４　光源
１５　歪測定器
１６　剛体
６１　固定治具
８０　光ファイバ
８１　光ファイバの被覆
８２　水胞（水胞部）
８３　光ファイバの心線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber freezing sensor that detects freezing and melting of freezing on a road surface or farmland using an optical fiber.
[0002]
[Prior art]
On a highway and a general road, when the road surface freezes due to snowfall or rainfall, the probability of occurrence of a slip accident usually increases. Therefore, it is necessary to detect the road surface condition in real time to alert a car driver.
[0003]
In addition, since crops are damaged by frost and freezing on farmland, it is necessary to measure the temperature and take appropriate measures to prevent freezing.
[0004]
Therefore, as means for detecting the frozen state of the road surface or the farmland, freezing of the road surface is predicted using information from a thermometer or a hygrometer installed at the site in addition to ordinary weather information. For such thermometers, electronic thermometers using metal resistance and thermocouples, and thermography that detects infrared radiation have been generally used, but in recent years Stokes due to Raman scattering occurring in optical fibers have been recently used. An optical fiber temperature sensor that obtains temperature from the intensity ratio of light or anti-Stokes light, an optical fiber temperature sensor that obtains temperature from the frequency of Brillouin scattered light generated in an optical fiber and the reflection wavelength of a fiber grating, have been developed and are beginning to be used. . In these conventional optical fiber temperature sensors, for example, when the indication of the thermometer becomes 0 ° C. or less after rainfall, it is determined that the temperature is frozen (JP-A-5-71111, JP-A-9-166666, See JP-A-10-96668 and JP-A-10-104363.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the freezing determination method using the conventional thermometer, since the accuracy of the conventional thermometer is as low as about 1 ° C., the determination as to whether or not the temperature is frozen at around 0 ° C. is not always accurate. Did not get. Furthermore, when there is moisture on the road surface, it may freeze even if the temperature is above the freezing point due to heat of vaporization. Conversely, if it does not freeze even if the temperature is below 0 ° C due to the influence of geothermal heat or the like. There is.
[0006]
Because of this, it is not possible to judge whether or not the temperature has been frozen based on temperature alone.Therefore, attempts have been made to improve the accuracy by combining information such as the underground temperature and wind speed. Attempting to increase it requires a lot of data, such as weather information and humidity information, which not only complicates the algorithm for determining freezing, but also partially includes the subjectivity of the observer, resulting in unexpected judgment mistakes. There is a risk of inviting.
[0007]
In addition, in the case of an electronic thermometer using metal resistance or a thermocouple, the measurement position is limited to only the installation point, and thermography that detects infrared radiation can measure the surface temperature two-dimensionally. There is a practical difficulty in that a large number of measuring devices need to be installed in order to measure the whole.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems of the related art, and an object of the present invention is to provide an optical fiber freezing sensor that can determine the presence or absence of freezing with high accuracy without requiring a complicated algorithm. is there.
[0009]
Another object of the present invention is to provide an optical fiber freezing sensor capable of detecting a freezing state of an optical fiber at an arbitrary position.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the optical fiber freezing sensor of the present invention uses water itself that causes freezing as a sensor material in order to accurately and objectively determine whether or not the road surface is frozen. Utilization is used to convert expansion due to freezing of water into distortion of an optical fiber, and to detect freezing from the magnitude of the distortion. With this characteristic configuration, the present invention does not require a complicated algorithm for freezing determination, and from the presence or absence of freezing of water as a sensor material, accurately determines whether or not the location where the sensor is installed is free, and It can be easily determined at low cost.
[0011]
That is, the optical fiber freezing sensor according to the first embodiment of the present invention includes one or more containers in which water is confined, an optical fiber fixed to the container, and a light source for incident light on the optical fiber. A measuring device for measuring a power spectrum of Brillouin backscattered light generated by the optical fiber by light incident from the light source, wherein the measuring device is configured to convert the water phase from a liquid to a solid due to a decrease in temperature. As a result of the stress that expands when the transition point (freezing point) is reached being transmitted to the optical fiber through the container, the strain generated in the optical fiber is detected from the strain dependency of the Brillouin scattered light frequency, and the presence or absence of the strain is determined. Thus, it is characterized in that the presence or absence of freezing is determined.
[0012]
Here, preferably, the container is continuously arranged along the optical fiber, a pulse light source is used as the light source, and the measurement device measures the power spectrum of the Brillouin scattered light by time-resolved. The strain generated in the optical fiber is continuously measured along the optical fiber, and the presence or absence of freezing is continuously determined based on the measurement result.
[0013]
Further, the optical fiber freezing sensor according to the second embodiment of the present invention includes one or more containers in which water is confined, an optical fiber fixed to the container, and a fiber grating formed at the fixing position. A light source for entering light into the optical fiber, and a measuring device for measuring the wavelength of light incident from the light source reflected by the fiber grating, wherein the measuring device is configured such that the temperature of the water decreases due to a decrease in temperature. The stress that expands when reaching the phase transition point (freezing point) from liquid to solid is transmitted to the optical fiber through the container, and the strain generated in the optical fiber is calculated based on the strain dependence of the reflection wavelength of the fiber grating. It is characterized in that the presence or absence of the distortion is detected and the presence or absence of freezing is determined based on the presence or absence of the distortion.
[0014]
Here, preferably, the container also expands at the time of expansion at the phase transition point of the water, but the material and structure of the container are set so that the expansion of the container is within the elastic range of the material of the container. Is set.
[0015]
Preferably, the optical fiber is a core of an optical fiber, the container is a coating of the optical fiber, and a large number of the water are confined in the coating of the optical fiber in a vacuole state.
[0016]
As described above, the present invention uses water itself that causes freezing as a sensor material, and converts expansion due to freezing into distortion of an optical fiber. Without necessity, it is possible to determine whether or not the location where the sensor is installed is frozen based on whether or not the water serving as the sensor is frozen. Regarding freezing, the sensing mechanism is very close to the on-site environment, and because of the rapid expansion during freezing, it is easy to detect the distortion caused by it. Therefore, the detection accuracy is also high. Of course, it does not preclude making a composite judgment by using information such as weather information and a humidity sensor together, but rather there is also a usage method in which freezing information can be added to an existing state detection system such as a road surface.
[0017]
When freezing, water has solidification heat, so if there is a sudden change in temperature, freezing of water used as a sensor is delayed compared to freezing at the sensor installation location. By adjusting the amount, the amount of heat of solidification at the time of phase transition can be reduced, and this delay can be reduced to a practically acceptable level. Since the attenuation of an optical signal passing through an optical fiber is very small compared to that of an electric signal flowing through a conducting wire, using an optical fiber as a sensor and a transmission line can freeze a point at a distance of more than 10 km away. The point can be determined without power supply.
[0018]
Further, when a pulsed light source is used as the light source, it is possible to continuously obtain the distribution of the freezing state along the optical fiber. Alternatively, it is also possible to obtain a two-dimensional and three-dimensional freezing distribution by stretching an optical fiber vertically and horizontally in a certain area.
[0019]
In addition, by appropriately selecting the structure or material of the container of the optical fiber freezing sensor so that the deformation of the container due to expansion falls within the elastic range, even when the container surrounding the water serving as the sensor expands due to freezing. If only deformation within the elastic range of the material occurs, even when the temperature rises and the ice melts, there is no residual strain and the material can be used repeatedly. By confining a gas such as air together with water in the container, it is also possible to relieve the stress generated in the container by the expansion of freezing.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0021]
(1st Embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an optical fiber freezing sensor according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this optical fiber freezing sensor 10 has a cylindrical or box-shaped container 12 in which water 11 causing freezing is previously confined as a material of the sensor, and the inside of a wall of the container 12. An optical fiber 13 fixed by an appropriate fixing means such as a fixing jig (not shown), adhesive, embedded fixation, etc., a light source 14 for entering light into the optical fiber 13, and a light incident from the light source 14 And a strain measuring device 15 for measuring a power spectrum of the Brillouin backscattered light generated by the optical fiber 13. Since the container 12 is disposed on a road surface or farmland, a pipe-shaped rigid body 16 for protecting the container 12 from external impact is covered.
[0022]
The stress that expands when the water 11 confined in the container 12 reaches a phase transition point (freezing point) from liquid to solid due to a decrease in temperature is transmitted to the optical fiber 13 through the container 12. The strain measuring device 15 detects the strain generated in the optical fiber 13 from the strain dependency of the Brillouin scattered light frequency, determines the presence or absence of freezing based on the presence or absence of the strain, and displays the determination result on a display device or the like (not shown). ).
[0023]
The optical fiber freezing sensor 10 of the present embodiment is characterized by utilizing the strain dependence of the Brillouin scattered light frequency in order to optically detect the strain generated in the optical fiber 13 (reference [1]: T. Horichichi). et al., "Development of a distributing sensing technique brillouin scattering", J. Lightwave Technology, vol. 13, no. 7, pp. 1296-132, pp. 1296-132.
[0024]
The frequency of the Brillouin scattered light and the reflection wavelength of a fiber grating described later have not only a strain dependency but also a temperature dependency (references [2] T. Kurashima, T. Horiguchi, and M. Tateda, "Thermal"). effects on the Brillouin frequency shift in jacketed optical fibers, "Appl. Opt., Vol. 29, 2219-2222, 1990), and as shown in FIG. As can be seen from FIG. 2, the frequency shift of the Brillouin scattered light or the reciprocal of the reflection wavelength of the fiber grating shows a remarkable change at 0 ° C. due to the strain due to freezing. Therefore, if this characteristic is used, the temperature can be simultaneously measured with high accuracy and without losing the function of determining freezing.
[0025]
To further facilitate the understanding of the sensor mechanism according to the invention, the following example describes the occurrence of strain due to freezing.
[0026]
As shown in FIG. 1, the sensor structure in the case where the filled water 11 and the container 12 are both cylindrical with a length L and the sides of the container are covered with a rigid body 16 having no friction. Consider the distortion of For the sake of simplicity, the thermal expansion of the container 12, the water 11, and the ice 111 will be ignored. Each inner diameter of the container 12, the outer shape _of, placing a d 1, _{d 2,} respectively they sectional area, and _{_{^{A 1 = πd 1 2/4}}} , A 2 = πd 2 2/4.
[0027]
The expansion due to freezing occurs only in the axial direction (longitudinal direction) of the container 12, and if the expansion rate due to freezing is β, as shown in FIG. 3, if the ice 111 after freezing is not confined in the container 12, Its length is (1 + β) L. However, since the frozen ice 111 confined in the container 12 is deformed integrally with the container 12, the container 12 and the ice 111 actually have the same length L + ΔL as shown in FIG. With this in mind, the stresses σ _ice , σ _p generated in the ice 111 and the container 12 by the internal stress due to this deformation are:
[0028]
(Equation 1)

[0029]
Can be written. Here, E _ice and _Ep are the Young's modulus of the ice 111 and the container 12, respectively.
Because external force does not work, the power is balanced,
[0030]
(Equation 2)

[0031]
It is. From the equations (1) and (2), when the strain ε = ΔL / L detected by the optical fiber 13 is obtained,
[0032]
[Equation 3]

[0033]
It becomes.
[0034]
It is known that the expansion rate due to freezing, β, is a value of about 9%. If the deformation of the container 12 due to the expansion is within the elastic range, that is, under conditions that do not yield, the strain due to freezing is It is necessary to select the cross-sectional area and material of the container 12 so as to be smaller than the yield strain ε _c . That is, the optical fiber freezing sensor does not return to its original length and cannot be used repeatedly when the container expanded due to freezing yields as a material, but the cross-sectional area and material of the container 12 are changed as described above. With proper choices, the problem can be solved.
[0035]
In addition, by confining a gas such as air in the container 12 together with the water 11, the stress generated in the container 12 due to expansion of freezing can be reduced.
[0036]
The measuring device including the distortion measuring device 15 and the light source 14 shown in FIG. 1 has, for example, a configuration as shown in FIG. 5, which is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-048067 (Japanese Patent No. 3237745). A strain / temperature distribution measuring device can be used.
[0037]
Briefly describing this device, reference numeral 501 in FIG. 5 denotes a first frequency-stabilized narrow line light source having a stable frequency and a narrow oscillation line width. 502 is an optical pulse modulator, 503 is an optical amplifier, 504 is an optical directional coupler, 13 is an optical fiber, 507 is an optical filter, 508 is a photodetector, 509 is an amplifier, 510 is an AD converter, and 511 is a digital signal. The processing unit 512 is a timing signal generator.
[0038]
Reference numeral 513 denotes a second frequency-stabilized narrow line light source. Reference numeral 514 denotes a first optical frequency control device for controlling the oscillation frequency of the first frequency stabilized narrow linewidth light source 501 and the second frequency stabilized narrow linewidth light source 513, or the frequency difference between the two light sources. 515 switches the input end of the optical pulse incident on the optical fiber 13 and simultaneously outputs the light from the second frequency-stabilized narrow linewidth light source 513 so that the output light from the second frequency-stabilized narrow linewidth light source 513 faces the optical pulse and propagates through the optical fiber 13. This is a 2 × 2 optical changeover switch for making output light from the frequency stabilized narrow linewidth light source 513 incident on the optical fiber 13. An optical ON / OFF switch 516 is connected between the second frequency stabilized narrow line light source 513 and the 2 × 2 optical switch 515.
[0039]
The distortion dependence coefficient C ₁ of the backward Brillouin scattering coefficient, its temperature dependence coefficient C ₂ , the distortion dependence coefficient C _{3 of} the Brillouin frequency shift, and its temperature dependence coefficient C ₄ in the optical fiber 13 are obtained in advance, and are given to the optical fiber 13. Light is incident, and both the relative change δη / η of the scattering coefficient η of the backward Brillouin scattered light at each point of the optical fiber 13 and the change δν _B of the Brillouin frequency shift are detected via the photodetector 508, and the optical fiber is detected. Simultaneous equation δη / η = C ₁ δε + C ₂ δT concerning the change δε of the strain generated in the optical fiber and the change δT of the temperature of the optical fiber.
_{_{δν B = C 3 · δε +}} C 4 · δT
Can be measured simultaneously by differentiating the change δε in the strain generated in the optical fiber 13 and the change δT in the temperature of the optical fiber 13.
[0040]
(Second embodiment)
In the first embodiment of the present invention described above, freezing is detected by measuring the power spectrum of Brillouin backscattered light generated by the optical fiber.
[0041]
On the other hand, the optical fiber freezing sensor according to the second embodiment of the present invention has substantially the same configuration as that of FIG. 1, but uses a periodic refractive index change engraved on the optical fiber to detect distortion. A certain fiber grating (not shown) is used.
[0042]
Freezing can be detected by utilizing the fact that the wavelength of the light reflected by the fiber grating has a strain dependency (reference [3] AD Kersey, "Fiber Grating Sensors," J. Light. Technol., Vol. 15, 1442-1463 (1997).
[0043]
(Third embodiment)
The configuration of the distributed optical fiber freezing sensor according to the third embodiment of the present invention is substantially the same as that of FIG. 1 in order to obtain strain not only at one point but also as a continuous distribution along the optical fiber. A pulsed light source is used as the light source 14, a cylindrical container 12 in which water 11 is sealed is continuously provided along the optical fiber 13, and the power spectrum of the Brillouin scattered light is time-resolved and measured by the strain measuring device 15. Thereby, the strain generated in the optical fiber 13 is continuously measured along the optical fiber, and the presence or absence of freezing is continuously determined based on the result.
[0044]
As described above, when the pulse light source is used as the light source, it is possible to continuously obtain the distribution of the freezing state along the optical fiber. Therefore, for example, the optical fiber is stretched in a matrix in a certain area vertically and horizontally. This makes it possible to obtain a two-dimensional and three-dimensional freeze distribution.
[0045]
(Fourth embodiment)
FIG. 6 shows a schematic configuration of a distributed optical fiber freezing sensor according to a fourth embodiment of the present invention. In this optical fiber freezing sensor, a plurality of watertight cylindrical containers (sensors 1, 2, 3,...) Having the same structure as that shown in FIG. Attachment is performed using a jig 61, and the strain measuring device 15 remotely determines whether or not there is strain due to freezing through the optical fiber 131.
[0046]
For example, when only one of the sensors 1, 2, and 3 is frozen, a distortion as shown in FIG. 7 is observed on a display (not shown) of the distortion measuring device 15 or the like. Can be determined individually and accurately.
[0047]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 shows a schematic configuration of an optical fiber freezing sensor according to a fifth embodiment of the present invention. This optical fiber freezing sensor has a structure in which the optical fiber coating 81 becomes the container 12 described in FIG. 1 and the like by providing a large number of small vacuoles 82 sealed in the coating 81 of the optical fiber cable 80. It is. Reference numeral 83 denotes a core of the optical fiber cable 80, which corresponds to the optical fiber 13 in FIG. 1 and is connected to the light source 14 and the strain measuring device 15.
[0048]
With such a structure, the optical fiber freezing sensor according to the present embodiment can be bent freely, so that the range of the installation environment can be expanded. If the size of the vacuoles 82 is equal to or smaller than the spatial resolution of strain measurement, continuous strain measurement can be performed.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to perform not only the temperature control of the road surface and the farmland, but also the high-precision and objective freeze control without requiring a complicated algorithm.
[0050]
Further, according to the present invention, by using the switch for the heater to detect the freezing, it is possible to minimize the power consumption of the heater for preventing damage from freezing.
[0051]
Further, according to the present invention, by using a part of a communication optical fiber cable as a freezing sensor as described in the fourth embodiment, the effect of early detection of a communication failure point due to freezing of the laid optical fiber is improved. Demonstrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a structural example of a cylindrical container of an optical fiber freezing sensor according to first, second, and third embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the temperature dependence of the Brillouin scattered light frequency or the reflection wavelength of the fiber grating, together with the rapid distortion caused by freezing.
FIG. 3 is a virtual schematic diagram showing a state in which ice and a container after freezing are not restrained to each other.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a state after freezing of the optical fiber freezing sensor shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of a known strain / temperature distribution measuring device that can be used as a light source / strain measuring device used in the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration example in which a plurality of sensors are installed later on an optical fiber cable as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a freeze monitoring result according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration example of a sensor in which a vacuole is provided on an optical fiber coating as a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical fiber freezing sensor 11 Water 111 Ice 12 Container 13 Optical fiber 131 Optical fiber cable 14 Light source 15 Strain measuring device 16 Rigid body 61 Fixing jig 80 Optical fiber 81 Optical fiber coating 82 Vacuole (vesicle part)
83 Optical Fiber Core

Claims

One or more containers containing water therein;
An optical fiber fixed to the container,
A light source for entering light into the optical fiber,
A measuring device for measuring a power spectrum of Brillouin backscattered light generated by the optical fiber by light incident from the light source,
The measuring device is configured to measure a strain generated in the optical fiber as a result of transmitting a stress that expands when the water reaches a phase transition point (freezing point) from liquid to solid due to a decrease in temperature to the optical fiber through the container. Is detected from the strain dependency of the Brillouin scattered light frequency, and the presence or absence of the strain is used to determine the presence or absence of freezing.

The container is arranged continuously along the optical fiber, a pulse light source is used as the light source, and the measuring device measures the power spectrum of the Brillouin scattered light in a time-resolved manner, thereby generating the optical fiber. The optical fiber freezing sensor according to claim 1, wherein the strain is continuously measured along the optical fiber, and the presence or absence of freezing is continuously determined based on the measurement result.

One or more containers containing water therein;
An optical fiber fixed to the container, and a fiber grating is formed at the fixing position,
A light source for entering light into the optical fiber,
Having a measuring device for measuring the wavelength of light incident from the light source reflected by the fiber grating,
The measuring device is configured to measure a strain generated in the optical fiber as a result of transmitting a stress that expands when the water reaches a phase transition point (freezing point) from liquid to solid due to a decrease in temperature to the optical fiber through the container. Is detected from the strain dependency of the reflection wavelength of the fiber grating, and the presence or absence of the strain is used to determine the presence or absence of freezing.

The container also expands upon expansion at the phase transition point of the water, but the material and structure of the container are set so that the expansion of the container is within the elastic range of the material of the container. The optical fiber freezing sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein:

The optical fiber is a core of the optical fiber, the container is a coating of the optical fiber, and the water is confined in the coating of the optical fiber in a number of vacuoles. 4. The optical fiber freezing sensor according to any one of 1 to 3.