JP2004219190A

JP2004219190A - 光ファイバを用いたひずみ分布計測装置

Info

Publication number: JP2004219190A
Application number: JP2003005474A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Haruna; 一志春名
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】ひずみ分布測定の分解能を大幅に向上できる光ファイバを用いたひずみ分布計測装置を提供する。
【解決手段】ひずみ分布計測装置は、被計測物体に装着され、ｚ軸周りにらせん形状に巻回された光ファイバ２と、光ファイバ２に光を入射し光ファイバ２からの散乱光を検出することによって、光ファイバ２の長手方向に沿ったひずみ分布を検知するひずみ検知装置４などで構成され、被計測物体のｚ軸方向に沿ったひずみ分布を計測する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いたひずみ分布計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光ファイバを用いたひずみ分布計測装置は、例えば特開２０００−４６５２７号公報に記載されているように、センサとして機能する光ファイバを被測定物、例えばコンクリート中に敷設して、コンクリート外に設けたひずみ検知装置により、ファイバ内に生じたひずみを検知している。
【０００３】
ひずみ検知装置は、光ファイバに周波数（ν０＋νｓ）の入射パルスを入射し、光ファイバ内のブリルアン散乱により生じた周波数（ν０＋νｓ±νｂ）の反射パルスを受信している。νｂはブリルアン散乱光の周波数（一般には、ブリルアン周波数シフト）であり、ひずみの変化量と周波数シフトΔνｂとが線形関係にある場合、周波数シフトΔνｂを測定することによって、ひずみが求まる。また、入射パルスの送出から反射パルスの受信までの遅延時間を測定することによって、光ファイバのひずみ位置が求まる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−４６５２７号公報（図４）
【非特許文献１】
野口常雄、倉島利雄、立田光廣、「ブリルアン分光による光ファイバのひずみ分布測定」、電子情報通信学会論文誌、Ｂ−Ｉ，Ｖｏｌ．Ｊ７３−Ｂ−Ｉ，Ｎｏ．２，ｐｐ．１４４−１５２，１９９０年２月
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
非特許文献１に記載されているように、１５５０ｎｍの光波長において通信用光ファイバのブリルアン散乱光の周波数は５０ＭＨｚ程度であり、時間分解能２０ｎｓ以下である。また、ある点において生じたブリルアン散乱光は、光ファイバの２ｍ内に分布するため、ひずみ計測の距離分解能は２ｍ以上になる。
【０００６】
距離分解能が２ｍ以上である場合、数ｋｍという計測範囲におけるひずみ分布を計測する土木・建築分野ではあまり問題とならない。しかしながら、計測範囲がせいぜい全長数十ｃｍ〜数ｍといった電気機器・電子機器内のひずみ分布を測定する場合、距離分解能が不足しているため、ひずみ分布は測定できない。
【０００７】
本発明の目的は、ひずみ分布測定の分解能を大幅に向上できる光ファイバを用いたひずみ分布計測装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバを用いたひずみ分布計測装置は、被計測物体に装着され、ｚ軸周りにらせん形状に巻回された光ファイバと、
光ファイバに光を入射し光ファイバからの散乱光を検出することによって、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ分布を検知するひずみ検知器とを備え、
被計測物体のｚ軸方向に沿ったひずみ分布を計測することを特徴とする。
【０００９】
また本発明に係る光ファイバを用いたひずみ分布計測装置は、被計測物体に装着され、球の経線に沿って所定の経度ピッチで巻回された光ファイバと、
光ファイバに光を入射し光ファイバからの散乱光を検出することによって、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ分布を検知するひずみ検知器とを備え、
被計測物体の経度方向に沿ったひずみ分布を計測することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）はその部分拡大図である。ここでは被計測物体として、銅などの導体３１が電気絶縁を目的としたエポキシ樹脂などのモールド樹脂３２で被覆された高電圧機器用樹脂モールドブッシングを用いた例を示す。
【００１１】
導体３１はｚ軸方向に沿って細長い形状を有し、光ファイバ２は、導体３１の周面から所定間隔を隔ててらせん形状に巻回されており、センサプローブとして機能する。導体３１および光ファイバ２はモールド樹脂３２の内部に埋め込むように装着され、全体として一体化されている。
【００１２】
光ファイバ２の両端はモールド樹脂３２から外部に引き出され、その先端には光コネクタ５がそれぞれ設けられる。光コネクタ５には、光伝送用の光ファイバ３が着脱自在に接続され、光ファイバ３はひずみ検知装置４に接続されている。
【００１３】
光ファイバ２，３は、例えば光通信用（波長１５５０ｎｍや１３００ｎｍ）として一般的な石英製光ファイバを使用できる。
【００１４】
ひずみ検知装置４として、例えば誘導ブリルアン散乱利用光ファイバ式ひずみ計測装置（ＢＯＴＤＡ：ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＡｎａｌｙｚｅｒ）を使用でき、これは光ファイバ内に生じる誘導ブリルアン散乱光の計測により、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ位置およびその位置でのひずみ量を計測できる。
【００１５】
図２は、誘導ブリルアン散乱利用光ファイバ式ひずみ計測装置（ＢＯＴＤＡ）の基本構成を示すブロック図である。光ファイバ２の一端にポンプ用パルス光源を配置し、光ファイバ２の他端にプローブ用連続（ＣＷ）光源を配置し、両光源からの出射光を光ファイバ２の中に対向して入射させる。また、パルス光源の光周波数νｐとＣＷ光源の光周波数νｃｗの差Δν＝νｐ−νｃｗを光ファイバの誘導ブリルアン周波数に一致させる。このとき、光ファイバ中に生じた誘導ブリルアン散乱によってパルス光からＣＷ光への光電力変換過程が生じて、ＣＷ光は光ファイバ中でブリルアン増幅される。
【００１６】
増幅されたＣＷ光は、光周波数フィルタ６を通過後、光検出器７により電気信号に変換されて記録される。光検出器７として、光学時間領域反射計（ＯＴＤＲ：ＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を使用できる。光周波数フィルタ６は、中心光周波数がＣＷ光の光周波数に一致したバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、光周波数νｐのパルス光によるレーリ散乱光等のノイズ信号を減衰させる。
【００１７】
図３は、光ファイバ内に発生する散乱光の代表的なスペクトルを示すグラフである。縦軸は散乱光の強度、横軸は波長をそれぞれ示す。ブリルアン散乱は、単色性が強い入射光が媒質中に生じる音波と相互作用して、媒体固有の周波数分のズレをもった光周波数で散乱する現象である。波長１５５０ｎｍ，１３００ｎｍの石英製光ファイバを用いた場合、ブリルアン散乱光の周波数シフトΔνｂはそれぞれ±１３ＧＨｚ，±１１ＧＨｚ程度になる。
【００１８】
図４は、ブリルアン散乱光の周波数シフトΔνｂとひずみとの関係を示すグラフである。例えば、波長１５５０ｎｍの石英製光ファイバを用いた場合、ひずみが１％のとき、周波数シフトΔνｂは４９３（ＭＨｚ）となる。周波数シフトΔνｂとひずみとの関係はほぼリニアに近似することができ、光ファイバ中のブリルアン周波数シフトの変化量を求めることにより、光ファイバ中のひずみを計測することができる。
【００１９】
また、入射パルスの送出から反射パルスの受信までの遅延時間を測定することによって、光ファイバのひずみ位置を計測可能である。従って、遅延時間と周波数シフトとの関係を解析することによって、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ分布を測定することができる。
【００２０】
こうした原理を用いたひずみ検知装置４は、上述したように、せいぜい２ｍ程度の距離分解能ΔＬを有する。そのため本実施形態では、光ファイバ２をｚ軸周りにらせん形状に巻回させることによって、ｚ軸方向の距離分解能を向上させている。
【００２１】
図１において、光ファイバ２のらせん半径Ｒ、ひずみ検知装置４の距離分解能ΔＬとして、ΔＬ≦２πＲを満たすことが好ましい。これによってｚ軸方向の距離分解能をらせん一周分のピッチｐ以下に設定できる。例えば、ひずみ検知装置４の距離分解能ΔＬが２ｍである場合、Ｒ＝２ｍ／２π＝約３２ｃｍと計算でき、光ファイバ２のらせん半径Ｒを約３２ｃｍ以上に設定することにより、らせん一周期分の長さが距離分解能ΔＬより長くなる。そこで、光ファイバ同士が接触しない程度に光ファイバ２のらせんピッチｐをできる限り小さく設定し、例えばｐ＝３ｍｍ程度に設定することによって、ｚ軸方向の距離分解能を３ｍｍ程度に向上できる。
【００２２】
図１に示した樹脂モールドブッシングは軸対称形状であるため、荷重や拘束条件が軸対称である場合（軸方向荷重や半径方向定圧など）に生じる内部ひずみは軸対称に分布する。そのため、軸対称軸に直交する面内の周方向ひずみは一定であり、距離分解能ΔＬの限界が２ｍであっても殆ど問題にはならない。一方、内部ひずみ分布、特にモールド樹脂３２の内部ひずみを評価する上でｚ軸方向に沿ったひずみ分布については、らせんの一周期間隔単位で計測可能になる。
【００２３】
なお、図１では光ファイバ２をモールド樹脂３２の内部に埋め込んだ例を示したが、光ファイバ２をモールド樹脂３２の表面に装着することによって、モールド樹脂３２の表面におけるｚ軸方向に沿ったひずみ分布を測定することができる。また、光ファイバ２を導体３１の表面に装着することによって、導体３１の表面におけるｚ軸方向に沿ったひずみ分布を測定することができる。
【００２４】
実施の形態２．
図５（ａ）は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、図５（ｂ）はその部分拡大図である。ここでは、ブッシングの樹脂モールド工程における内部ひずみを測定する例を説明する。樹脂モールド工程において、導体３１をモールド用の金型３３にセットし、センサプローブとして機能する光ファイバ２を導体３１の周面から所定間隔でらせん形状に巻回して位置決めする。この状態でモールド樹脂３２を金型３３の内部に注入し硬化させる。
【００２５】
モールド樹脂３２として、エポキシ樹脂などの加熱硬化型樹脂を用いた場合、高温（例えば１２０℃）下で樹脂の注入、硬化が行なわれる。樹脂硬化後、ブッシングは金型３３から取り出して室温まで冷却される。そのため、硬化反応に伴う樹脂の収縮や冷却時の熱収縮が埋め込み部品である導体３１により拘束されて、内部ひずみを発生させる。そこで光ファイバ２を金型３３の内部に予めセットすることにより、樹脂モールド工程での内部ひずみ分布を監視することができる。
【００２６】
光ファイバ２は、図１と同様に、導体３１のｚ軸周りにらせん形状に巻回されており、光コネクタ５および光伝送用の光ファイバ３を経由して、ひずみ検知装置４に接続されている。ひずみ検知装置４は、例えば誘導ブリルアン散乱利用光ファイバ式ひずみ計測装置（ＢＯＴＤＡ）を使用し、光ファイバ内に生じる誘導ブリルアン散乱光の計測により，光ファイバの長手方向に沿ったひずみ位置およびその位置でのひずみ量を計測できる。
【００２７】
こうした原理を用いたひずみ検知装置４は、上述したように、せいぜい２ｍ程度の距離分解能ΔＬを有する。そのため本実施形態では、光ファイバ２をｚ軸周りにらせん形状に巻回させることによって、ｚ軸方向の距離分解能を向上させている。
【００２８】
なお、図５では光ファイバ２をモールド樹脂３２の内部に埋め込んだ例を示したが、光ファイバ２を金型３３の内面に装着することによって、金型３３の内面におけるｚ軸方向に沿ったひずみ分布を測定することができる。また、光ファイバ２を導体３１の表面に装着することによって、導体３１の表面におけるｚ軸方向に沿ったひずみ分布を測定することができる。
【００２９】
実施の形態３．
図６（ａ）は本発明の第３実施形態を示す平面図であり、図６（ｂ）はその正面図である。ここでは被計測物体として、金属、樹脂、コンクリート等からなる球状構造物３５を用いた例を示す。
【００３０】
光ファイバ２は、球の極Ｎおよび極Ｓを通る経線に沿って一周毎に所定の経度ピッチでずれるように巻回されており、球状構造物３５の内部に埋め込まれてセンサプローブとして機能する。
【００３１】
光ファイバ２の両端は球状構造物３５から外部に引き出され、その先端は光コネクタ（不図示）を介して光伝送用の光ファイバ３と着脱自在に接続され、光ファイバ３はひずみ検知装置４に接続されている。
【００３２】
光ファイバ２，３は、例えば光通信用（波長１５５０ｎｍや１３００ｎｍ）として一般的な石英製光ファイバを使用できる。
【００３３】
ひずみ検知装置４として、図２〜図４に示したように、例えば誘導ブリルアン散乱利用光ファイバ式ひずみ計測装置（ＢＯＴＤＡ：ＢｒｉｌｌｏｕｉｎＯｐｔｉｃａｌＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＡｎａｌｙｚｅｒ）を使用でき、これは光ファイバ内に生じる誘導ブリルアン散乱光の計測により、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ位置およびその位置でのひずみ量を計測できる。
【００３４】
ＢＯＴＤＡ形式のひずみ検知装置４は、上述したように、せいぜい２ｍ程度の距離分解能ΔＬを有する。そのため本実施形態では、光ファイバ２を経線に沿って巻回させ、一周毎に所定の経度ピッチでずらすことによって、経度θ方向の角度分解能を向上させている。
【００３５】
図６において、光ファイバ２の経線半径ｒ、ひずみ検知装置４の距離分解能ΔＬとして、ΔＬ≦２πｒを満たすことが好ましい。これによって経度θ方向の距離分解能を一周分の経度ピッチ以下に設定できる。例えば、ひずみ検知装置４の距離分解能ΔＬが２ｍである場合、ｒ＝２ｍ／２π＝約３２ｃｍと計算でき、光ファイバ２の経線半径ｒを約３２ｃｍ以上に設定することにより、一周分の長さが距離分解能ΔＬより長くなる。そこで、光ファイバ同士が接触しない程度に光ファイバ２の経度ピッチをできる限り小さく設定し、例えば３ｍｍ／３２ｃｍ＝９．４ｍｒａｄ程度に設定することによって、経度θ方向の角度分解能を９．４ｍｒａｄ程度に向上できる。
【００３６】
なお、図６では光ファイバ２を球状構造物３５の内部に埋め込んだ例を示したが、光ファイバ２を球状構造物３５の表面に装着することによって、球状構造物３５の表面における経度θ方向に沿ったひずみ分布を測定することができる。
【００３７】
また、光ファイバ２の巻回形状は、球形が極方向に扁平または伸張した回転楕円体であっても本発明は同様に適用できる。
【００３８】
以上の説明では、ひずみ検知器として誘導ブリルアン散乱を利用したＢＯＴＤＡを採用した例を示したが、その他の光ファイバ散乱光を利用したひずみ検知器も同様に採用可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上詳説したように、センサプローブとして機能する光ファイバをｚ軸周りにらせん形状に巻回させることによって、被計測物体のｚ軸方向に沿ったひずみ分布を高い分解能で計測することができる。
【００４０】
また、センサプローブとして機能する光ファイバを球の経線に沿って所定の経度ピッチで巻回させることによって、被計測物体の経度θ方向に沿ったひずみ分布を高い分解能で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１実施形態を示す構成図であり、図１（ｂ）はその部分拡大図である。
【図２】誘導ブリルアン散乱利用光ファイバ式ひずみ計測装置（ＢＯＴＤＡ）の基本構成を示すブロック図である。
【図３】光ファイバ内に発生する散乱光の代表的なスペクトルを示すグラフである。
【図４】ブリルアン散乱光の周波数シフトΔνｂとひずみとの関係を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は本発明の第２実施形態を示す構成図であり、図５（ｂ）はその部分拡大図である。
【図６】図６（ａ）は本発明の第３実施形態を示す平面図であり、図６（ｂ）はその正面図である。
【符号の説明】
２，３光ファイバ、４ひずみ検知装置、５光コネクタ、６光周波数フィルタ、７光検出器、３１導体、３２モールド樹脂、３３金型、３５球状構造物。

Claims

被計測物体に装着され、ｚ軸周りにらせん形状に巻回された光ファイバと、
光ファイバに光を入射し光ファイバからの散乱光を検出することによって、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ分布を検知するひずみ検知器とを備え、
被計測物体のｚ軸方向に沿ったひずみ分布を計測することを特徴とする光ファイバを用いたひずみ分布計測装置。
光ファイバのらせん半径Ｒ、ひずみ検知の距離分解能ΔＬとして、ΔＬ≦２πＲを満たすことを特徴とする請求項１記載の光ファイバを用いたひずみ分布計測装置。
被計測物体に装着され、球の経線に沿って所定の経度ピッチで巻回された光ファイバと、
光ファイバに光を入射し光ファイバからの散乱光を検出することによって、光ファイバの長手方向に沿ったひずみ分布を検知するひずみ検知器とを備え、
被計測物体の経度方向に沿ったひずみ分布を計測することを特徴とする光ファイバを用いたひずみ分布計測装置。
光ファイバの経線半径ｒ、ひずみ検知の距離分解能ΔＬとして、ΔＬ≦２πｒを満たすことを特徴とする請求項３記載の光ファイバを用いたひずみ分布計測装置。