JP2004012280A

JP2004012280A - Optical fiber vibration sensor and vibration measuring method

Info

Publication number: JP2004012280A
Application number: JP2002165627A
Authority: JP
Inventors: Yukinobu Miyamoto; 宮本　幸展; Akira Mita; 三田　彰
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable obtaining high sensitivity at a special frequency region, miniaturization of system and sensing at a plurality of measuring positions by using a simple system constitution. <P>SOLUTION: Fixing parts 12A, 12B for applying tension to an optical fiber cable 11 are arranged on both sides between which a Bragg lattice optical fiber G is sandwiched, and a spindle 13 is fixed to the optical fiber cable 11 itself between the fixing parts. As a result, the Bragg lattice optical fiber G turning to a detection part is formed on the optical fiber cable 11, and vibration is detected by shift of wavelength of a reflected light which is caused by the Bragg lattice optical fiber G. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラッグ格子光ファイバ（ＦＢＧ）を用いた光ファイバ振動センサ及びこの光ファイバ振動センサを用いた振動測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、構造物等に作用する振動（加速度）を測定する手段としては、構造物自体又はその周辺に各種方式の振動センサを設置する方法が採用されている。ここで用いられる振動センサは、電磁式或いは歪みゲージ式等、振動の大きさを電気信号として取り出す方式のものが一般に用いられている。電磁式は、磁界中に置かれた振り子のコイルが振動に応じた相対変位によって磁束を切るとコイルに振動速度に比例する誘導起電力が生じることを利用して振動を電気的に測定するものであり、歪みゲージ式は、片持ち梁の板バネの先端に錘を取り付け、振動に応じて板バネに生じる歪みを歪みゲージで電気抵抗変化として検出するものである。
【０００３】
このような電気式の振動センサは、強力な電界や磁界の近傍に置くと振動に対応した電気信号が得られなくなるので、正常な測定ができなくなるという欠点を有しており、モニタリング対象物の付設状況に応じては採用することができないという問題がある。このような問題に対処するために、電界や磁界の影響を受けない光ファイバ方式の振動センサが多数提案されている。その中でも、ブラッグ格子光ファイバを用いたものは、精度が高く、一本の光ファイバケーブルに複数のセンサを多重化して設置できる等の優れた特性を有するため、簡単なシステム構成で、広範囲に付設されたモニタリング対象物に対して複数の測定位置で同時に振動測定ができるものとして注目されている。
【０００４】
図１０は、特開２０００−３３７９５５号公報に示される従来の光ファイバ振動センサを示す説明図である（同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図を示している。）。この光ファイバ振動センサは、ブラッグ格子Ｇを有する光ファイバ１Ａからなる光ファイバケーブル１の一端を支持体２で支持し、ブラッグ格子Ｇを挟んだ光ファイバケーブル１の他端（作用点５）に自由端に錘６を固定した振動体３を取り付け、この振動体３を支点４で支持体２に支持させたものである。このような光ファイバ振動センサでは、支持体２に対して図中の矢印ａ方向に振動が加わると、錘６に慣性力が作用して振動体３の作用点５が矢印ｂ方向に揺動する。この作用点５の揺動によって光ファイバ１Ａには応力が作用して、ブラッグ格子Ｇの間隔に歪みが生じ、その歪みに応じてブラッグ反射光の波長にシフトが生じる。このブラッグ反射光の波長シフトを検知してその時間的な変化を解析することにより、支持体２に加わる振動が測定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような光ファイバ振動センサでは、錘６が振動（加速度）の作用によって生じる慣性力で変位するマス部となり、このマス部が振動体３と光ファイバケーブル１とからなるバネ要素によって支持された構成になっており、振動によってバネ要素内に生じる応力を応力検出手段であるブラッグ格子光ファイバで検出して振動を測定している。
【０００６】
これによると、光ファイバ振動センサの感度はマス部である錘６の変位に対するブラッグ格子光ファイバの歪み量で決まり、システムの固有振動数は振動体３の機械的な構造によって決まることになる。したがって、高感度化を図るために作用点５の揺動を大きくしようとすると、振動体３の機構が複雑になってコストアップを招くか、或いは装置全体の大型化を招き、逆に装置を小型化すると、固有振動数が低下し、感度が下がってしまうという問題がある。
【０００７】
また一方で、地中埋設構造物に関するヘルスモニタリングへの適用等を考慮した場合には、検知したい振動の周波数は既知であって、特に２０〜１００Ｈｚ程度の低周波数に対して高感度が得られる振動センサが求められている。そして、地下埋設構造物に沿って振動センサを設置する際には、設置の容易性、設置スペースの確保等の観点から装置の小型化に対して高い要求がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に対処するために提案されたものであって、特定の周波数領域で高感度が得られると共に装置の小型化が可能であり、しかも複数の測定位置でのセンシングを簡単なシステム構成で行うことが可能であって、特に、地下埋設構造物のモニタリングに適した光ファイバ振動センサ及び振動測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を具備するものである。まず、光ファイバ振動センサの特徴としては、第１に、光ファイバケーブルに検出部となるブラッグ格子光ファイバを形成し、該ブラッグ格子光ファイバによる反射光の波長シフトによって振動を検知する光ファイバ振動センサにおいて、前記ブラッグ格子光ファイバを挟んだ両側に前記光ファイバケーブルに対して張力を付加するための固定部を設け、該固定部間の前記光ファイバケーブル自体に錘を固定したことを特徴とする。
【００１０】
第２に、光ファイバケーブルに検出部となるブラッグ格子光ファイバを形成し、該ブラッグ格子光ファイバによる反射光の波長シフトによって振動を検知する光ファイバ振動センサにおいて、前記光ファイバケーブルは測定対象に沿って付設され、反射光の波長が異なる複数の前記ブラッグ格子光ファイバが複数の測定位置に対応して配置され、前記各ブラッグ格子光ファイバを挟んだ両側に前記光ファイバケーブルに対して張力を付加するための固定部を設け、該固定部間の前記光ファイバケーブル自体に錘を固定したことを特徴とする。
【００１１】
第３に、第１又は第２の特徴を前提として、前記張力は前記錘に作用する重力と同方向の垂直成分を有することを特徴とする。第４に、第１〜３の特徴を前提として、前記固定部間の光ファイバケーブル長さと錘の質量によって、測定対象の振動周波数領域と目標感度が設定されることを特徴とする。
【００１２】
そして、このような光ファイバ振動センサを用いる振動測定方法の特徴としては、第１に、光ファイバケーブルに広帯域の検出光を入射させ、該光ファイバケーブルに検出部として形成されたブラッグ格子光ファイバからの反射光を検知して該反射光の波長シフトの変化から振動を測定する振動測定方法において、前記ブラッグ格子光ファイバを挟んだ両側に前記光ファイバケーブルに対して張力を付加するための固定部を設け、該固定部間の光ファイバケーブルに固定された錘の変位による前記波長シフトから振動を測定することを特徴とする。
【００１３】
第２に、光ファイバケーブルに広帯域の検出光を入射させ、該光ファイバケーブルに検出部として形成されたブラッグ格子光ファイバからの反射光を検知して該反射光の波長シフトの変化から振動を測定する振動測定方法において、測定対象に沿って光ファイバケーブルを付設し、反射光の波長が異なる複数の前記ブラッグ格子光ファイバを複数の測定位置に対応して配置させ、前記各ブラッグ格子光ファイバを挟んだ両側に前記光ファイバケーブルに対して張力を付加するための固定部を設け、該固定部間の光ファイバケーブルに固定された錘の変位による前記波長シフトから、前記各測定位置の振動を測定することを特徴とする。
【００１４】
第３に、第１又は第２の特徴を前提として、前記固定部間の光ファイバケーブル長さと錘の質量によって、測定対象の振動周波数領域と目標感度が設定されることを特徴とする。
【００１５】
このような特徴を有する光ファイバ振動センサ及び振動測定方法は、以下の作用をなすものである。
【００１６】
この光ファイバ振動センサは、検出部となるブラッグ格子光ファイバが形成された光ファイバケーブルのみが弾性要素となり、この光ファイバケーブルに固定された錘からなるマス部によって光ファイバケーブルに張力を付加するテンション構造となっている。このような光ファイバ振動センサによると、間接的な弾性要素を省いて簡単化した構造により、センサ自体の超小型化が可能になり、しかも、マス部の変位が直接的にブラッグ格子光ファイバの歪みに変換されるので、高感度の振動検知が可能になると同時に、ブラッグ格子光ファイバに常時大きな歪みレベルを印加する必要がないため、センサの耐久性を高めることができる。
【００１７】
そして、システムの減衰を小さくして共振を抑えない構造にすることで、この共振を利用して、設定した固有周波数付近で高感度化を得ることが可能になり、対象とする振動の周波数領域に応じて、目標感度を設定することが可能になる。
【００１８】
また、固定部間の光ファイバケーブルに付加される張力を水平成分のみとした場合には、検出される錘の変位からは加速度の向きに対する識別ができないが、固定部間の光ファイバケーブルに付加される張力が錘に作用する重力と同方向の垂直成分を有するテンション構造とすることにより、垂直方向の振動に対して検出されるブラッグ格子光ファイバの歪みと加振加速度が線形関係になり、振動センサとして有効に機能することが可能になる。そして、光ファイバケーブルに付加される張力を調整することによって、特別な補助治具を使用せずに、垂直方向にのみ感度が高く、ノイズとなる奥行き方向及び左右方向の振動に対して感度を低く設定することが可能である。ここでは、錘に重力が作用している場合について説明したが、他の静的な加速度が常時印加されている状況においては、この静的な加速度がバイアスとして作用する方向の振動を有効に検出することができる。
【００１９】
このような光ファイバ振動センサを用いて、広範囲に付設された構造物を対象とする振動測定を行うには、反射光の波長が異なる複数のブラッグ格子光ファイバが複数形成された光ファイバケーブルを測定対象に沿って付設し、各ブラッグ格子光ファイバを測定位置に対応させて配置する。そして、この光ファイバケーブルに広帯域の検出光を入射して、各測定位置から反射されて戻ってくる異なる波長の反射光をモニタし、各反射光の波長シフトの時間的な変化によって各測定位置での振動を測定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光ファイバ振動センサの基本構成を示す説明図である。この光ファイバ振動センサ１０は、光ファイバケーブル１１に検出部となるブラッグ格子光ファイバＧを形成し、光ファイバケーブル１１の一方から入射した広帯域の検出光に対してブラッグ格子光ファイバＧによって反射された光を検知し、この反射光の波長シフトによって振動を測定するものである。そして、ブラッグ格子光ファイバＧを挟んだ両側に、光ファイバケーブル１１に対して張力を付加するための固定部１２Ａ，１２Ｂが設けられ、この固定部１２Ａ，１２Ｂ間の光ファイバケーブル１１自体に錘１３が固定されている。
【００２１】
この光ファイバ振動センサ１０では、光ファイバケーブル１１に付加される張力Ｔは、錘１３に作用する重力と同方向の垂直成分を有するものであり、これによって、ブラッグ格子光ファイバＧに生じる歪みが錘３に作用する垂直方向の加速度の大きさと方向の両方に対応して変化する。つまり、垂直方向の振動成分をブラッグ格子光ファイバＧの歪みに変換して検出することができる。
【００２２】
図２は、本発明の光ファイバ振動センサの特性を説明するための説明図である。同図を参照して、前述の構成から成る光ファイバ振動センサの特性を説明するために、ｙ方向（垂直方向）の運動について運動方程式を立てて検討すると、加速度が１ｇａｌかかる時のブラッグ格子光ファイバの歪み量，すなわち感度κは、以下のようになる。
【００２３】
【数１】

【００２４】
また、固有振動数ωは、ω＝（Ｋ／ｍ）^１／２で与えられるから、光ファイバの自然長Ｌ_０を小さくすることで固有振動数を高くすることができ、感度κは初期変位ｙ_０に比例し、マス部となる錘１３を装着する前の光ファイバの歪みΔＬが小さいほど高くできることが分かる。図３は、マス部を付加しない状態の光ファイバの歪みΔＬに対する感度κをシュミレーションしたグラフである。ΔＬを大きくするほど感度κが低下しており、前述の導出結果と一致する。以上から明らかなように、この光ファイバ振動センサを設計する際には、錘１３を付加しない状態では光ファイバに歪みを与えないことで感度を最大にすることができる。
【００２５】
図４は、錘１３の質量と固定部１２Ａ，１２Ｂ間の光ファイバ長さＬとセンサの各特性との関係を示したグラフである（同図（ａ）は質量又はＬと共振周波数の関係、同図（ｂ）は質量又はＬと感度との関係を示している。）。各グラフから明らかなように、錘１３の質量を大きくするとＬに無関係に感度が上がり、Ｌを大きくすると、感度が変わらないにもかかわらず共振周波数が非常に小さくなる。本発明の光ファイバ振動センサ１０は、従来の加速度センサが固有振動数より低い振動数領域でのフラットな特性を利用して安定した測定を行うものであるのに対して、共振特性を生かして高感度化を図ることができるものであるから、Ｌと錘１３の質量を調整することにより、対象とする振動の周波数領域と目標感度を設定することができ、特に、低周波数領域で高感度のセンサ特性を得ることができる。
【００２６】
このように、共振特性を生かして高感度化を図る本発明の光ファイバ振動センサにおいては、装置の寿命を考慮した場合、必要に応じて振動系に適当な減衰要素を付加することも有効である。図５は、減衰要素の減衰特性（減衰比）変化に対する感度の変化を示す特性図である。この図から明らかなように、減衰要素を付加することで感度が大きく変化する。固有周波数付近での感度を有効に利用するためには、装置の寿命との関係を考慮して、臨界減衰比より小さい減衰比の範囲で適当な減衰比を設定する必要がある。
【００２７】
［実施例］図６は、本発明に係る光ファイバ振動センサの具体的な装置構成の一例を示す説明図である。同図（ａ）が平面図、同図（ｂ）が側面図を示している。この実施例では、支持台１４上の一端側に光ファイバ固定台１５を固定し、他端側に光ファイバ固定台１６を位置調整可能に装着しており、調整ネジ１７によって光ファイバ固定台１５，１６間の距離を調整できるようにしている。そして、光ファイバ固定台１５，１６には、溝部１５ａ，１６ａが形成されており、その中に光ファイバケーブル１１を接着或いは固定具等により固定して固定部１２Ａ，１２Ｂを形成している。溝部１５ａ，１６ａに光ファイバケーブル１１を固定した後、調整ネジ１７により光ファイバ固定台１５，１６間の距離を調整して、錘１３を装着する前の光ファイバケーブル１１の歪みを調整する。錘１３は、後付ができるように二つ割れ等の構造とし、内部に光ファイバケーブル１１を嵌着する溝が形成されている。更に、この実施例では錘１３と支持台１４との間に減衰機構（ダンパ）１８を設けている。
【００２８】
図７は光ファイバケーブル１１に対して錘１３を固定するための構造の一例を示す説明図である。この例では、光ファイバケーブル１１の表面（被覆層）に錘１３の直径に応じた間隔を離した突部１１ａ，１１ａを設け、その間で二つ割れの錘１３を結合して固定している。この例に限らず、接着剤等によって錘１３を光ファイバケーブル１１に固定することもできる。
【００２９】
本実施例における各部のパラメータ及びこのパラメータから設計される垂直方向動作の固有振動数及び感度は、以下のとおりである。
【００３０】
【表１】

【００３１】
このような実施形態における光ファイバ振動センサ１０を用いた振動測定方法について図８を参照しながら説明する。先ず、光ファイバケーブル１１の一端から同図（ａ）に示されるように広帯域の波長特性を有する検出光Ｉを入射する。この検出光Ｉは、前述の光ファイバ振動センサ１０のブラッグ格子光ファイバＧを通過すると、同図（ｃ）に示されるようにブラッグ反射光Ｒの波長成分（λ_Ｇ）のみが反射され、同図（ｂ）に示されるようにその他の波長成分が透過光Ｉ’となって通過することになる。そして、この反射光Ｒを検知してその時間的な変化をモニタリングすることで振動を測定する。つまり、光ファイバ振動センサ１０を測定位置に設置してセンサが振動を検出すると、この振動がブラッグ格子光ファイバＧの歪みに変換されるので、同図（ｃ）に示されるような波長のシフトした反射光Ｒ’が検出されることになる。この反射光の波長シフトの時間的変化を解析して測定位置での振動を測定することができる。
【００３２】
図９は、本発明の光ファイバ振動センサ１０を用いて広範囲に付設された構造物（導管）に対して振動を測定するシステムを示す説明図である。このシステムにおいては、地中に埋設されている導管２０に沿ってセンサ内蔵管２１を付設し、そのセンサ内蔵管２１の中に複数の光ファイバ振動センサ１０を構成する光ファイバケーブル１１を配備している。ここで光ファイバ振動センサ１０におけるブラッグ格子光ファイバＧｎ等は複数の測定位置Ｐｎ等に対応した位置にそれぞれ配置されており、各々のブラッグ格子光ファイバＧｎ等が異なる反射波長を有するように設定されている。
【００３３】
そして、この光ファイバケーブル１１の入射端に図８（ａ）に示すような波長特性を示す光源２２を接続すると共に、各ブラッグ格子光ファイバＧｎ等で反射された反射光を取り出すためのカプラ２３を設け、このカプラ２３の出力端に波長検出器２４を接続している。この波長検出器２４で検出された反射光の検出信号は演算制御部２５に送られ、そこで各ブラッグ格子光ファイバＧｎ等で反射された反射光毎に解析がなされる。
【００３４】
このようなシステムを用いた振動の測定方法について説明すると、光源２２からの検出光Ｉを光ファイバケーブル１１に入射して、各測定位置Ｐｎ等に配置されたブラッグ格子光ファイバＧｎ等から反射されて戻ってくる異なる波長の反射光Ｒｎ等を波長検出器２４で各波長毎に検出する。そして、各々の光ファイバ振動センサ１０が振動を検知すると、それに対応した反射光Ｒｎ等が波長シフトを生じるので、この波長シフトの時間的な変化を解析して各測定位置での振動を測定する。
【００３５】
このようなシステムによると、一本の光ファイバケーブル１１を複数の測定位置に亘って引き回すだけで、個々の測定位置に対応した異なる波長の反射光を用いた多重化センサを構成することができる。したがって、広域付設構造物の複数箇所を同時に測定する場合にも、配線の手間やケーブルの径大化の問題が生じない。また、光ファイバ振動センサ１０の単体は、前述したように、光ファイバケーブル１１に直接錘１３を固定した簡単な構造であるため超小型の光ファイバ振動センサを構成することが可能になる。そして、これによるとセンサ内蔵管２１を極細くすることができるので、付設スペースを確保するための問題も生じない。
【００３６】
更には、前述したように光ファイバ振動センサ１０は低周波領域で高感度が得られる設計が可能であるから、特に２０〜１００Ｈｚの低周波振動を測定対象とする地下埋設構造物等のモニタリングに適している。
【００３７】
なお、前述の実施形態或いは実施例においては、錘を固定部間の中心に配置した左右対称の構造を例に挙げて説明しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、左右非対称位置に錘を固定したものや、複数の錘を装着したものであってもよく、これらも前述の例と同様の特徴を示す光ファイバ振動センサとなり得る。
【００３８】
【発明の効果】
本発明はこのように構成されるので、以下に示すような効果を奏する。
（１）バネ要素を使用せず、ブラッグ格子光ファイバ（ＦＢＧ）を形成した光ファイバケーブル自身をバネ要素として用いているので、従来提案されたＦＢＧを利用した光ファイバ方式の振動センサと比較して、小型で且つ高感度な振動センサを実現することができる。
（２）共振特性を利用しており（減衰機構を有するものでは減衰比を意図的に低くすることによって）、固有振動数近辺の感度を大幅に高めることができる。したがって、予め振動数の帯域が判明している測定対象を極めて高精度に計測することができる。
（３）光ファイバケーブルのＦＢＧを挟んだ両端部に固定部を設け、その間に錘を固定するのみの簡単な構成で振動センサとして機能するので、省スペース且つ極めて低コストなセンサシステムを実現できる。
（４）本発明の光ファイバ振動センサは高感度であり、従来のＦＢＧを利用した光ファイバ振動センサに比較してＦＢＧ部に常時大きな歪みレベルを印加する必要がないので、センサの耐久性を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る光ファイバ振動センサの基本構成を示す説明図である。
【図２】本発明の光ファイバ振動センサの特性を説明するための説明図である。
【図３】本発明において、マス部を付加しない状態の光ファイバの歪みΔＬに対する感度κをシュミレーションしたグラフである。
【図４】本発明において、錘の質量と固定部間の光ファイバ長さＬとセンサの各特性との関係を示したグラフである。
【図５】本発明において、減衰要素の減衰特性（減衰比）変化に対する感度の変化を示す特性図である。
【図６】本発明に係る光ファイバ振動センサの具体的な装置構成の一例を示す説明図である。同図（ａ）が平面図、同図（ｂ）が側面図を示している。
【図７】本発明において、光ファイバケーブルに対して錘を固定するための構造の一例を示す説明図である。
【図８】光ファイバ振動センサを用いた振動測定方法を説明するための説明図である。
【図９】本発明の光ファイバ振動センサを用いたシステムを示す説明図である。
【図１０】従来の光ファイバ振動センサを示す説明図である（同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ部拡大図を示している。）。
【符号の説明】
１０　光ファイバ振動センサ
１１　光ファイバケーブル
１２Ａ，１２Ｂ　固定部
１３　錘
１４　支持台
１５，１６　光ファイバ固定台
１７　調整ネジ
１８　減衰機構
２０　導管
２１　センサ内蔵管
２２　光源
２３　カプラ
２４　波長検出器
２５　演算制御部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical fiber vibration sensor using a Bragg grating optical fiber (FBG) and a vibration measuring method using the optical fiber vibration sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a means for measuring vibration (acceleration) acting on a structure or the like, a method of installing various types of vibration sensors on or around the structure itself has been adopted. As the vibration sensor used here, an electromagnetic sensor or a strain gauge type, for example, of a type that extracts the magnitude of vibration as an electric signal is generally used. The electromagnetic method measures vibrations electrically by using the fact that when a coil of a pendulum placed in a magnetic field cuts off magnetic flux due to relative displacement according to vibration, an induced electromotive force is generated in the coil in proportion to the vibration speed. In the strain gauge type, a weight is attached to the tip of a leaf spring of a cantilever, and strain generated in the leaf spring in response to vibration is detected as a change in electric resistance by the strain gauge.
[0003]
Such an electric vibration sensor has a drawback that if it is placed near a strong electric or magnetic field, an electric signal corresponding to the vibration cannot be obtained, so that a normal measurement cannot be performed. There is a problem that it cannot be adopted depending on the attached situation. In order to cope with such a problem, many optical fiber type vibration sensors which are not affected by an electric field or a magnetic field have been proposed. Among them, those using a Bragg grating optical fiber are highly accurate and have excellent characteristics such as the ability to multiplex and install multiple sensors on a single optical fiber cable. Attention has been paid to the ability to simultaneously measure vibrations at a plurality of measurement positions for the attached monitoring target.
[0004]
FIG. 10 is an explanatory view showing a conventional optical fiber vibration sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-337955 (FIG. 10B is an enlarged view of a portion A in FIG. 10A). In this optical fiber vibration sensor, one end of an optical fiber cable 1 composed of an optical fiber 1A having a Bragg grating G is supported by a support 2, and the other end (working point 5) of the optical fiber cable 1 sandwiching the Bragg grating G is provided. A vibrating body 3 to which a weight 6 is fixed is attached to a free end, and the vibrating body 3 is supported by a support 2 at a fulcrum 4. In such an optical fiber vibration sensor, when vibration is applied to the support 2 in the direction of arrow a in the figure, an inertial force acts on the weight 6 and the action point 5 of the vibrator 3 swings in the direction of arrow b. I do. The swing of the action point 5 causes a stress to act on the optical fiber 1A, causing a distortion in the interval between the Bragg gratings G, and a shift in the wavelength of the Bragg reflected light according to the distortion. By detecting the wavelength shift of the Bragg reflected light and analyzing its temporal change, the vibration applied to the support 2 is measured.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In such an optical fiber vibration sensor, the weight 6 becomes a mass portion displaced by an inertial force generated by the action of vibration (acceleration), and this mass portion is supported by a spring element composed of the vibrating body 3 and the optical fiber cable 1. The vibration is measured by detecting the stress generated in the spring element by the vibration with the Bragg grating optical fiber which is the stress detecting means.
[0006]
According to this, the sensitivity of the optical fiber vibration sensor is determined by the amount of strain of the Bragg grating optical fiber with respect to the displacement of the weight 6, which is the mass portion, and the natural frequency of the system is determined by the mechanical structure of the vibrating body 3. Therefore, if the swing of the action point 5 is increased to increase the sensitivity, the mechanism of the vibrating body 3 becomes complicated, resulting in an increase in cost or an increase in the size of the entire apparatus. When the size is reduced, there is a problem that the natural frequency is reduced and the sensitivity is reduced.
[0007]
On the other hand, when application to health monitoring of an underground structure is considered, the frequency of the vibration to be detected is known, and high sensitivity can be obtained especially for low frequencies of about 20 to 100 Hz. There is a need for a vibration sensor. When installing a vibration sensor along an underground buried structure, there is a high demand for miniaturization of the device from the viewpoint of ease of installation, securing of installation space, and the like.
[0008]
The present invention has been proposed in order to cope with such a situation, and it is possible to obtain high sensitivity in a specific frequency range, to reduce the size of the device, and to perform sensing at a plurality of measurement positions. An object of the present invention is to provide an optical fiber vibration sensor and a vibration measurement method which can be performed with a simple system configuration and are particularly suitable for monitoring an underground buried structure.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention has the following features. First, as a feature of the optical fiber vibration sensor, first, a Bragg grating optical fiber serving as a detection unit is formed in an optical fiber cable, and the optical fiber vibration sensor detects vibration by a wavelength shift of light reflected by the Bragg grating optical fiber. In the sensor, a fixing portion for applying tension to the optical fiber cable is provided on both sides of the Bragg grating optical fiber, and a weight is fixed to the optical fiber cable itself between the fixing portions. I do.
[0010]
Secondly, in an optical fiber vibration sensor in which a Bragg grating optical fiber serving as a detection unit is formed in an optical fiber cable and vibration is detected by a wavelength shift of light reflected by the Bragg grating optical fiber, the optical fiber cable is a measurement target. A plurality of the Bragg grating optical fibers having different wavelengths of reflected light are arranged corresponding to a plurality of measurement positions, and tension is applied to the optical fiber cable on both sides of each of the Bragg grating optical fibers. A fixing portion for addition is provided, and a weight is fixed to the optical fiber cable itself between the fixing portions.
[0011]
Third, on the premise of the first or second feature, the tension has a vertical component in the same direction as gravity acting on the weight. Fourthly, on the premise of the first to third features, the vibration frequency range and the target sensitivity of the measurement target are set by the length of the optical fiber cable between the fixing portions and the mass of the weight.
[0012]
As a feature of the vibration measuring method using such an optical fiber vibration sensor, first, a broadband detection light is made incident on an optical fiber cable, and a Bragg grating optical fiber formed as a detecting portion on the optical fiber cable is formed. In the vibration measuring method for detecting the reflected light from the optical fiber and measuring the vibration from the change in the wavelength shift of the reflected light, fixing for applying tension to the optical fiber cable on both sides of the Bragg grating optical fiber is performed. Wherein a vibration is measured from the wavelength shift caused by a displacement of a weight fixed to the optical fiber cable between the fixed portions.
[0013]
Second, a broadband detection light is made incident on the optical fiber cable, reflected light from a Bragg grating optical fiber formed as a detection unit is detected on the optical fiber cable, and vibration is generated from a change in the wavelength shift of the reflected light. In the vibration measurement method to be measured, an optical fiber cable is attached along the object to be measured, and the plurality of Bragg grating optical fibers having different wavelengths of reflected light are arranged corresponding to a plurality of measurement positions, and each of the Bragg grating optical fibers A fixing part for applying tension to the optical fiber cable is provided on both sides of the optical fiber cable, and the vibration of each of the measurement positions is obtained from the wavelength shift due to the displacement of the weight fixed to the optical fiber cable between the fixing parts. Is measured.
[0014]
Third, on the premise of the first or second feature, the vibration frequency region to be measured and the target sensitivity are set by the length of the optical fiber cable between the fixing portions and the mass of the weight.
[0015]
The optical fiber vibration sensor and the vibration measuring method having the above features have the following functions.
[0016]
In this optical fiber vibration sensor, only an optical fiber cable on which a Bragg grating optical fiber serving as a detecting portion is formed becomes an elastic element, and a tension is applied to the optical fiber cable by a mass portion composed of a weight fixed to the optical fiber cable. It has a tension structure. According to such an optical fiber vibration sensor, the simplified structure omitting the indirect elastic element allows the sensor itself to be miniaturized, and furthermore, the displacement of the mass portion is directly controlled by the Bragg grating optical fiber. The conversion into strain enables high-sensitivity vibration detection, and at the same time, eliminates the need to constantly apply a large strain level to the Bragg grating optical fiber, thereby improving the durability of the sensor.
[0017]
By using a structure that does not suppress resonance by reducing the damping of the system, it is possible to obtain high sensitivity near the set natural frequency by using this resonance, and it is possible to obtain high sensitivity in the frequency range of the target vibration. , It is possible to set the target sensitivity.
[0018]
Also, if the tension applied to the optical fiber cable between the fixed parts is only the horizontal component, the direction of the acceleration cannot be identified from the detected displacement of the weight, but the tension applied to the optical fiber cable between the fixed parts With the tension structure having a vertical component in the same direction as the gravity acting on the weight, the strain of the Bragg grating optical fiber detected for vertical vibration and the excitation acceleration have a linear relationship, It becomes possible to function effectively as a vibration sensor. By adjusting the tension applied to the optical fiber cable, the sensitivity is high only in the vertical direction without using a special auxiliary jig, and the sensitivity to the depth and left and right vibrations that cause noise is increased. It can be set lower. Here, the case where gravity is acting on the weight has been described. However, in the situation where other static acceleration is constantly applied, vibration in the direction in which this static acceleration acts as a bias is effectively detected. can do.
[0019]
Using such an optical fiber vibration sensor, in order to perform vibration measurement on a structure attached to a wide area, an optical fiber cable in which a plurality of Bragg grating optical fibers having different reflected light wavelengths are formed. Along the measurement object, each Bragg grating optical fiber is arranged corresponding to the measurement position. Then, broadband detection light is incident on the optical fiber cable, reflected light of different wavelengths reflected and returned from each measurement position is monitored, and each measurement position is changed by a temporal change of the wavelength shift of each reflected light. Measure the vibration at.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a basic configuration of an optical fiber vibration sensor according to one embodiment of the present invention. This optical fiber vibration sensor 10 forms a Bragg grating optical fiber G serving as a detection unit in an optical fiber cable 11, and is reflected by the Bragg grating optical fiber G with respect to broadband detection light incident from one side of the optical fiber cable 11. The reflected light is detected, and the vibration is measured by the wavelength shift of the reflected light. Fixing

portions

12A and 12B for applying tension to the optical fiber cable 11 are provided on both sides of the Bragg grating optical fiber G, and a weight is attached to the optical fiber cable 11 between the fixing portions 12A and 12B. 13 is fixed.
[0021]
In the optical fiber vibration sensor 10, the tension T applied to the optical fiber cable 11 has a vertical component in the same direction as the gravity acting on the weight 13. It changes corresponding to both the magnitude and direction of the vertical acceleration acting on the weight 3. That is, the vertical vibration component can be converted into the strain of the Bragg grating optical fiber G and detected.
[0022]
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining characteristics of the optical fiber vibration sensor of the present invention. Referring to the figure, in order to explain the characteristics of the optical fiber vibration sensor having the above-described configuration, the motion in the y-direction (vertical direction) is examined based on the equation of motion. The strain amount of the fiber, that is, the sensitivity κ is as follows.
[0023]
(Equation 1)

[0024]
Further, since the natural frequency ω is given by ω = (K / m) ^1/2 , the natural frequency can be increased by reducing the natural length L ₀ of the optical fiber, and the sensitivity κ is the initial displacement It can be seen that, in proportion to y ₀ , the distortion can be increased as the distortion ΔL of the optical fiber before mounting the weight 13 serving as the mass portion is smaller. FIG. 3 is a graph simulating the sensitivity κ to the strain ΔL of the optical fiber in a state where no mass is added. The sensitivity κ decreases as ΔL increases, which is consistent with the above derived result. As is clear from the above, when designing this optical fiber vibration sensor, the sensitivity can be maximized by not distorting the optical fiber without adding the weight 13.
[0025]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the mass of the weight 13, the length L of the optical fiber between the

fixed portions

12A and 12B, and each characteristic of the sensor (FIG. 4A shows the relationship between the mass or L and the resonance frequency). (B) shows the relationship between the mass or L and the sensitivity.) As is evident from each graph, when the mass of the weight 13 is increased, the sensitivity increases regardless of L, and when L is increased, the resonance frequency becomes extremely small although the sensitivity does not change. The optical fiber vibration sensor 10 of the present invention performs stable measurement using a flat characteristic in a frequency range lower than the natural frequency of a conventional acceleration sensor, while utilizing resonance characteristics. Since the sensitivity can be increased, the frequency range and the target sensitivity of the target vibration can be set by adjusting the mass of L and the weight 13, and particularly, the high sensitivity is obtained in the low frequency range. Sensor characteristics can be obtained.
[0026]
As described above, in the optical fiber vibration sensor of the present invention, which achieves high sensitivity by making use of the resonance characteristics, it is effective to add an appropriate damping element to the vibration system as necessary in consideration of the life of the device. is there. FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in sensitivity to a change in the attenuation characteristic (attenuation ratio) of the attenuation element. As is clear from this figure, the addition of the attenuation element greatly changes the sensitivity. In order to effectively use the sensitivity near the natural frequency, it is necessary to set an appropriate attenuation ratio in a range of an attenuation ratio smaller than the critical attenuation ratio in consideration of the relationship with the life of the device.
[0027]
[Embodiment] FIG. 6 is an explanatory view showing an example of a specific device configuration of the optical fiber vibration sensor according to the present invention. FIG. 1A shows a plan view, and FIG. 1B shows a side view. In this embodiment, an optical fiber fixing base 15 is fixed on one end side of the support base 14 and an optical fiber fixing base 16 is mounted on the other end side so as to be position-adjustable. , 16 can be adjusted. The optical

fiber fixing bases

15 and 16 are formed with

grooves

15a and 16a, in which the optical fiber cables 11 are fixed by bonding or fixing tools to form fixing

portions

12A and 12B. After fixing the optical fiber cable 11 in the

grooves

15a and 16a, the distance between the optical

fiber fixing bases

15 and 16 is adjusted by the adjusting screw 17 to adjust the distortion of the optical fiber cable 11 before the weight 13 is mounted. The weight 13 has a structure such as splitting so that it can be retrofitted, and has a groove for fitting the optical fiber cable 11 therein. Further, in this embodiment, a damping mechanism (damper) 18 is provided between the weight 13 and the support 14.
[0028]
FIG. 7 is an explanatory view showing an example of a structure for fixing the weight 13 to the optical fiber cable 11. In this example,

protrusions

11a, 11a are provided on the surface (coating layer) of the optical fiber cable 11 at intervals according to the diameter of the weight 13, and the two split weights 13 are joined and fixed therebetween. . Not limited to this example, the weight 13 can be fixed to the optical fiber cable 11 with an adhesive or the like.
[0029]
The parameters of each part in the present embodiment and the natural frequencies and sensitivities of the vertical operation designed from these parameters are as follows.
[0030]
[Table 1]

[0031]
A vibration measuring method using the optical fiber vibration sensor 10 in such an embodiment will be described with reference to FIG. First, detection light I having a broadband wavelength characteristic is incident from one end of the optical fiber cable 11 as shown in FIG. When the detection light I passes through the Bragg grating optical fiber G of the optical fiber vibration sensor 10, only the wavelength component (λ _G ) of the Bragg reflected light R is reflected as shown in FIG. As shown in FIG. 3B, other wavelength components pass through as transmitted light I ′. The vibration is measured by detecting the reflected light R and monitoring its temporal change. In other words, when the optical fiber vibration sensor 10 is installed at the measurement position and the sensor detects the vibration, the vibration is converted into the strain of the Bragg grating optical fiber G, so that the wavelength shift as shown in FIG. The reflected light R ′ thus detected is detected. The vibration at the measurement position can be measured by analyzing the temporal change of the wavelength shift of the reflected light.
[0032]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a system for measuring the vibration of a structure (conduit) provided over a wide range using the optical fiber vibration sensor 10 of the present invention. In this system, a sensor built-in tube 21 is provided along a conduit 20 buried underground, and an optical fiber cable 11 constituting a plurality of optical fiber vibration sensors 10 is arranged in the sensor built-in tube 21. ing. Here, the Bragg grating optical fibers Gn and the like in the optical fiber vibration sensor 10 are respectively arranged at positions corresponding to a plurality of measurement positions Pn and the like, and are set so that each Bragg grating optical fiber Gn and the like has a different reflection wavelength. ing.
[0033]
Then, a light source 22 having a wavelength characteristic as shown in FIG. 8A is connected to the incident end of the optical fiber cable 11, and a coupler 23 for extracting the light reflected by each Bragg grating optical fiber Gn or the like. And a wavelength detector 24 is connected to the output terminal of the coupler 23. The detection signal of the reflected light detected by the wavelength detector 24 is sent to the arithmetic and control unit 25, where it is analyzed for each reflected light reflected by each Bragg grating optical fiber Gn or the like.
[0034]
The method of measuring vibration using such a system will be described. The detection light I from the light source 22 is incident on the optical fiber cable 11 and is reflected from the Bragg grating optical fiber Gn disposed at each measurement position Pn or the like. The reflected light Rn and the like having different wavelengths returned by the wavelength detector 24 are detected for each wavelength. When each of the optical fiber vibration sensors 10 detects a vibration, the reflected light Rn or the like corresponding thereto causes a wavelength shift. Therefore, a temporal change of the wavelength shift is analyzed to measure the vibration at each measurement position. .
[0035]
According to such a system, it is possible to configure a multiplexed sensor using reflected lights of different wavelengths corresponding to the individual measurement positions simply by routing one optical fiber cable 11 over a plurality of measurement positions. . Therefore, even when measuring a plurality of locations of the wide area attached structure at the same time, there is no problem of troublesome wiring and an increase in cable diameter. Further, since the optical fiber vibration sensor 10 has a simple structure in which the weight 13 is directly fixed to the optical fiber cable 11 as described above, it is possible to constitute an ultra-small optical fiber vibration sensor. And according to this, since the sensor built-in tube 21 can be made extremely thin, there is no problem in securing an attachment space.
[0036]
Further, as described above, since the optical fiber vibration sensor 10 can be designed to obtain high sensitivity in a low frequency region, it is particularly suitable for monitoring underground buried structures and the like whose low frequency vibration of 20 to 100 Hz is to be measured. Are suitable.
[0037]
In the above-described embodiments or examples, a left-right symmetric structure in which the weight is disposed at the center between the fixing portions is described as an example, but the present invention is not limited to this. That is, the weight may be fixed at the left-right asymmetric position, or a plurality of weights may be attached, and these may be optical fiber vibration sensors having the same characteristics as those of the above-described example.
[0038]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
(1) Since an optical fiber cable itself having a Bragg grating optical fiber (FBG) formed therein is used as a spring element without using a spring element, it is compared with a conventionally proposed optical fiber type vibration sensor using an FBG. Thus, a compact and high-sensitivity vibration sensor can be realized.
(2) Resonance characteristics are used (for those having a damping mechanism, by intentionally lowering the damping ratio), sensitivity near the natural frequency can be greatly increased. Therefore, a measurement target whose frequency band is known in advance can be measured with extremely high accuracy.
(3) Since the fixed portion is provided at both ends of the optical fiber cable with the FBG interposed therebetween and the weight is fixed between the fixed portions and functions as a vibration sensor, a space-saving and extremely low-cost sensor system can be realized. .
(4) The optical fiber vibration sensor of the present invention has high sensitivity and does not need to constantly apply a large strain level to the FBG portion as compared with the conventional optical fiber vibration sensor using FBG. Can be greatly increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a basic configuration of an optical fiber vibration sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining characteristics of the optical fiber vibration sensor of the present invention.
FIG. 3 is a graph simulating a sensitivity κ to a strain ΔL of an optical fiber in a state where a mass is not added in the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between a mass of a weight, an optical fiber length L between fixed portions, and each characteristic of a sensor according to the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a change in sensitivity to a change in an attenuation characteristic (attenuation ratio) of an attenuation element in the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a specific device configuration of the optical fiber vibration sensor according to the present invention. FIG. 1A shows a plan view, and FIG. 1B shows a side view.
FIG. 7 is an explanatory view showing an example of a structure for fixing a weight to an optical fiber cable in the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a vibration measuring method using an optical fiber vibration sensor.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a system using the optical fiber vibration sensor of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory view showing a conventional optical fiber vibration sensor (FIG. 10 (b) is an enlarged view of a portion A in FIG. 10 (a)).
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 10 optical fiber vibration sensor 11

optical fiber cables

12A, 12B fixing part 13 weight 14

support base

15, 16 optical fiber fixing base 17 adjusting screw 18 attenuating mechanism 20 conduit 21 sensor built-in tube 22 light source 23 coupler 24 wavelength detector 25 arithmetic control unit

Claims

In a fiber optic vibration sensor that forms a Bragg grating optical fiber serving as a detection unit in an optical fiber cable and detects vibration by a wavelength shift of light reflected by the Bragg grating optical fiber,
An optical fiber, wherein a fixing portion for applying tension to the optical fiber cable is provided on both sides of the Bragg grating optical fiber, and a weight is fixed to the optical fiber cable itself between the fixing portions. Vibration sensor.

In a fiber optic vibration sensor that forms a Bragg grating optical fiber serving as a detection unit in an optical fiber cable and detects vibration by a wavelength shift of light reflected by the Bragg grating optical fiber,
The optical fiber cable is attached along the object to be measured, the plurality of Bragg grating optical fibers having different wavelengths of reflected light are arranged corresponding to a plurality of measurement positions, and the Bragg grating optical fibers are disposed on both sides of each of the Bragg grating optical fibers. An optical fiber vibration sensor comprising: a fixing portion for applying tension to an optical fiber cable; and a weight fixed to the optical fiber cable itself between the fixing portions.

The optical fiber vibration sensor according to claim 1, wherein the tension has a vertical component in the same direction as gravity acting on the weight.

The optical fiber vibration sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein a vibration frequency region and a target sensitivity of a measurement target are set according to a length of the optical fiber cable between the fixing portions and a mass of the weight.

Vibration measurement in which broadband detection light is made incident on an optical fiber cable, reflected light from a Bragg grating optical fiber formed as a detection unit is detected on the optical fiber cable, and vibration is measured from a change in wavelength shift of the reflected light. In the method,
A fixing portion for applying tension to the optical fiber cable is provided on both sides of the Bragg grating optical fiber, and vibration is generated from the wavelength shift due to displacement of a weight fixed to the optical fiber cable between the fixing portions. A vibration measurement method characterized by measuring.

Vibration measurement in which broadband detection light is made incident on an optical fiber cable, reflected light from a Bragg grating optical fiber formed as a detection unit is detected on the optical fiber cable, and vibration is measured from a change in wavelength shift of the reflected light. In the method,
An optical fiber cable is attached along the measurement object, a plurality of the Bragg grating optical fibers having different reflected light wavelengths are arranged corresponding to a plurality of measurement positions, and the light is disposed on both sides of each of the Bragg grating optical fibers. A fixing portion for applying tension to the fiber cable is provided, and the vibration at each of the measurement positions is measured from the wavelength shift due to the displacement of the weight fixed to the optical fiber cable between the fixing portions. Vibration measurement method.

The vibration measuring method according to any one of claims 4 to 6, wherein a vibration frequency region and a target sensitivity of a measurement target are set by the length of the optical fiber cable between the fixed portions and the mass of the weight.