【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＢＧを用いて歪計測や温度計測を行うＦＢＧセンシングシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバセンシング分野において、ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）は広帯域光源であるＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源などと組み合わせて、構造物の歪計測に用いられている。ＦＢＧはグレーティング間隔で決まる特定の光を反射する。ＦＢＧの反射波長幅（−３ｄＢ幅）は約０．１ｎｍで、ＦＢＧに応力が加わり延び縮みする（ＦＢＧが歪む）ことでＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の測定ヶ所に取り付けＡＳＥ光を入射し、反射波長を波長計等で測定すればＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。この使い方は反射型ＦＢＧセンサーと呼ばれている。
【０００３】
またＦＢＧは透過型センサーとしても使用できる。特定波長を反射するＦＢＧは、言いかえれば特定波長の透過光を遮断する遮断体である。この遮断する波長と反射する波長はセンサーとしてみれば等価であるため、遮断光の波長を測定することで透過型センサーとして使用できる。
【０００４】
さらにＦＢＧは温度変化に対してはファイバの屈折率が変化するため、ＦＢＧは温度検出にも使用できる。言い換えればＦＢＧを用いた歪計測は温度の影響を受けやすいので、歪計測には温度の影響を無くすような手段が必要である。
【０００５】
上記の光ファイバセンシングでは３０Ｋｍ程遠方まで光ファイバを張り巡らせ、その地点の歪み量測定が可能である。光ファイバの伝送損失、ＦＢＧ損失があるので、測定距離を伸ばしさらに測定点数を増やすために、広帯域光源としては高出力で広帯域なＡＳＥ光源が用いることが多い。また精度良く反射波長を計測することが必要である。
【０００６】
広帯域光源であるＡＳＥ光源としては、特許文献２において波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の物が既に公開されている。
【０００７】
また波長１５５０ｎｍで用いられるＦＢＧの場合、反射波長の変化は１．２ｐｍ／μストレイン程度である。即ちＦＢＧからの反射波長の変化を１ｐｍの分解能で計測すれば１μストレインの分解能で歪み計測が可能となる。
【０００８】
図５は特許文献１に従来技術として示されているＦＢＧセンシングシステムである。センサーとしてＦＢＧが一つのファイバ上を直列に接続されている。
【０００９】
広帯域光源９０からの出力光はカプラ１３０を介して光ファイバ１４０を経由しＦＢＧセンサー１０５に導かれる。ＦＢＧセンサー１０５は複数個あり、各々反射波長の異なるもので直列に接続されている。ＦＢＧセンサー１０５で反射されたそれぞれ異なる反射波長は、カプラ１３０に戻り、波長計１５０に導かれそれぞれの波長が検出される。
【００１０】
また図６は特許文献３に記載されている内容を簡略化して示したものである。広帯域光源２０１、波長計２０２、３ｄＢカプラ２０３（特許文献３では方向性結合器と表現されている）、光ファイバ２０４、ＦＢＧセンサ２０５で構成されている。多くのＦＢＧセンサの測定が可能なように３ｄＢカプラ２０３で分岐して使用している。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許 第５，３６１，１３０号
【特許文献２】
特開２００１−１１１１４５号
【特許文献３】
特表２００１−５１１８９５号
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１を用いた場合、ＦＢＧセンサー１０５は直列に接続されているため、例えばカプラ１３０側の一つのＦＢＧセンサー１０５が断線すれば、全部のＦＢＧセンサーが使用できなくという問題があった。すなわちこの直列接続方式は安全性、信頼性に乏しいシステムであった。特にＦＢＧセンサーは歪計測に用いられるもので、センサー部に応力がかかるため断線する可能性もありえるからである。
【００１３】
また特許文献３を用いた場合にもＦＢＧセンサー２０５は直列に接続されているため上記のように信頼性に欠けるものであった。また３ｄＢカプラ２０３では透過光の挿入損失は３ｄＢ以上有るためその損失を補うには広帯域光源２０１の出力を高めなければならないという問題もあった。
【００１４】
ここでは一つのＦＢＧセンサーが断線等の破損に至っても他のＦＢＧセンサーの信号には影響を与えない信頼性の高い頑強なシステムを構築することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、広帯域光源と該広帯域光源の出力光を導出する光ファイバと、該光ファイバには複数個の波長分割型光合分岐器が各々の透過ポートを介して直列に接続し、該波長分割型合分岐器のそれぞれの分岐ポートにはＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を用いた一つのＦＢＧセンサーを接続し、該ＦＢＧセンサーからの反射光を測定する手段を有することを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記波長分割型光合分波器がＷＤＭカプラあるいはバンドパスフィルタであることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記ＷＤＭカプラあるいはバンドパスフィルタは透過ポートの透過光に対する挿入損失あるいは分岐ポートの分岐光に対する挿入損失が１ｄＢ以下であことを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明は、前記一つのＦＢＧセンサーとは、温度補正用のＦＢＧと歪測定用のＦＢＧからなることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に実施例として、本発明によるＦＢＧセンシングシステムについて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。
【００２０】
広帯域光源であるＡＳＥ光源１、光ファイバ２、光分岐手段として光サーキュレータ３、光ファイバ４、光ファイバ５、波長計６、波長分割型合分波器として各々透過光波長帯域の異なるバンドパスフィルタ７〜９、バンドパスフィルタ７〜９の分岐ポートである反射ポートに接続された反射波長の異なるＦＢＧセンサー１０〜１５で構成されている。
【００２１】
広帯域ＡＳＥ光源１からの出力光は光ファイバ２、光サーキュレータ３、光ファイバ４を介してバンドパスフィルタ７に導かれる。バンドパスフィルタ７〜９はそれぞれの透過ポートを介して直列に接続され、また各々の透過光波長帯域、反射光波長帯域は異なるように設定されている。さらにそれぞれの反射光波長帯域内にそれぞれＦＢＧ１０〜１５の反射波長がくるように設定されている。
【００２２】
例えばバンドパスフィルタ７の分岐ポートである反射ポートにはＦＢＧ１０およびＦＢＧ１１が接続され、ＦＢＧ１０およびＦＢＧ１１で反射された帯域のＡＳＥ光はバンドパスフィルタ７に戻り、さらに光サーキュレータ３に戻ってきて光ファイバ５を介して波長計６で波長が測定される。
【００２３】
さらにバンドパスフィルタ７を透過した帯域のＡＳＥ光はバンドパスフィルタ８に導かれる。以下同様にしてＦＢＧ１２、１３の反射波長も波長計６で計測されることになる。
【００２４】
またバンドパスフィルタ８を透過した帯域のＡＳＥ光も同様にＦＢＧ１４、１５で反射され波長計６で計測されることになる。ここでバンドパスフィルタ７〜９のそれぞれの反射ポートに接続されている一対のＦＢＧ（たとえばＦＢＧ１０とＦＢＧ１１）は、一つは歪計測用のＦＢＧセンサーで他の一つは温度補正用のＦＢＧセンサーであり、この一対のＦＢＧを一つのセンサーとみなせる。
【００２５】
このような構成でＦＢＧからの反射波長を測定しその波長変化からＦＢＧの歪み量が変換出来る。
【００２６】
なお、バンドパスフィルタ７〜９は図２に示すように、入射ポート２０からの入射光をバンドパスフィルタ素子２２によって、分岐ポート２１と透過ポート２３に分波するようにしたものである。
【００２７】
またここでは波長分割型合分波器としてバンドパスフィルタを用いているが、ＷＤＭカプラで合分波してもよい。但し単なる３ｄＢカプラ等の分岐器では信号光の損失が大きくなるため用いないほうが良い。例えば３ｄＢカプラを信号光が往復すれば６ｄＢの損失となる。このような損失の大きい部品を直列に接続することは実用的でない。一方バンドパスフィルタやＷＤＭカプラの信号光損失の実力は０．５ｄＢ程度と小さいのでＦＢＧセンシングシステムには適する。
【００２８】
このように、前記ＷＤＭカプラあるいはバンドパスフィルタは、透過ポートの透過光に対する挿入損失あるいは分岐ポートの分岐光に対する挿入損失が１ｄＢ以下であることが好ましい。
【００２９】
【実施例】
図１に示す本発明のＦＢＧセンシング装置を作成した。
【００３０】
図５にＡＳＥ光源のスペクトラム波形を示す。ＡＳＥ光源１は特許文献２のものであり、波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の広帯域光源である。センサー用のＦＢＧ１０〜ＦＢＧ１５の中心反射波長はそれぞれ３．２ｎｍ毎で、１５４１．３ｎｍ、１５４４．５ｎｍ、１５４７．７ｍ、１５５０．９ｎｍ、１５５４．１ｎｍ、１５５７．３ｎｍ、１５６０．６ｎｍ、１５６３．８ｎｍに設定している。
【００３１】
図２はバンドパスフィルタ（又はＷＤＭカプラ）の構造を示す図である。バンドパスフィルタとＷＤＭカプラの構造の違いはフィルタ素子の違いである。バンドパスフィルタ素子を使えばバンドパスフィルタになり、ＷＤＭフィルタ素子を使えばＷＤＭカプラとなりなる。
【００３２】
図３はバンドパスフィルタの反射、透過特性を示す図である。入射ポート２０から入力された光は図３の特性に従って分岐ポート（反射ポート）及び透過ポート２３にわかれる。また透過帯域の光が透過ポート２３から入力すれば、入射ポート２０から出力される。同様に反射帯域の光が分岐ポート２１から入力されれば、入射ポート２０から出力される。
【００３３】
図４はＷＤＭカプラの反射、透過特性を示す図である。ＷＤＭカプラ７，８，９は図１におけるバンドパスフィルタ７、８、９をそれぞれ置き換えたものである。動作はバンドパスフィルタの場合と同じになる。
【００３４】
この結果、例えばＦＢＧセンサー１０、が故障して断線した場合でも、ＦＢＧセンサー１２〜１５には何ら影響を与えることなく計測を続けることが出来で、頑強なセンシングシステム構築が可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ＦＢＧセンシングシステムにおいて波長分割型光合分波器の透過ポートを直列に接続し、それぞれの波長分割型光合分波器の分岐ポートにＦＢＧセンサーを接続して使用することで、一つのＦＢＧセンサーが断線等の破損に至っても他のＦＢＧセンサーの信号には影響を与えない信頼性の高い頑強なシステムを構築することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明のＦＢＧセンシングシステムに用いるバンドパスフィルタの構成を示す図である。
【図３】本発明に用いるバンドパスフィルタの反射特性と透過特性を示す図である。
【図４】本発明に用いるＷＤＭカプラの反射特性と透過特性を示す図である。
【図５】本発明に用いたＡＳＥ光源のスペクトラム波形である。
【図６】従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。
【図７】従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。
【符号の説明】
１：ＡＳＥ光源
２：光ファイバ
３：光サーキュレータ
４：光ファイバ
５：光ファイバ
６：波長計
７〜９：バンドパスフィルタ
１０〜１５：ＦＢＧセンサー
２０：入射ポート
２１：分岐ポート
２２：バンドパスフィルタ素子
２３：透過ポート
９０：広帯域光源
１０５：ＦＢＧセンサー
１３０：カプラ
１４０：光ファイバ
１５０：波長計
２０１：広帯域光源
２０２：波長計
２０３：３ｄＢカプラ
２０４：光ファイバ
２０５：ＦＢＧセンサー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an FBG sensing system that performs strain measurement and temperature measurement using an FBG.
[0002]
[Prior art]
In the field of optical fiber sensing, an FBG (Fiber Bragg Grating) is used for strain measurement of a structure in combination with an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source that is a broadband light source. The FBG reflects specific light determined by the grating interval. The reflection wavelength width (-3 dB width) of the FBG is about 0.1 nm, and the reflection wavelength of the FBG changes when stress is applied to the FBG and the FBG expands and contracts (distortion of the FBG). If this FBG is attached to a measurement point of a structure, ASE light is incident, and the reflection wavelength is measured with a wavelength meter or the like, the distortion of the FBG, that is, the distortion of the structure can be measured. This usage is called a reflection type FBG sensor.
[0003]
FBG can also be used as a transmission sensor. The FBG that reflects a specific wavelength is, in other words, a blocking body that blocks transmitted light having a specific wavelength. Since the cutoff wavelength and the reflected wavelength are equivalent when viewed as a sensor, it can be used as a transmission sensor by measuring the wavelength of the cutoff light.
[0004]
Further, the FBG can be used for temperature detection because the refractive index of the fiber changes when the temperature changes. In other words, the strain measurement using the FBG is easily affected by the temperature, and therefore, the strain measurement requires a means for eliminating the influence of the temperature.
[0005]
In the above-described optical fiber sensing, an optical fiber is stretched around a distance of about 30 km, and the amount of distortion at that point can be measured. Since there is a transmission loss and an FBG loss of the optical fiber, an ASE light source having a high output and a wide band is often used as the broadband light source in order to extend the measurement distance and further increase the number of measurement points. In addition, it is necessary to accurately measure the reflection wavelength.
[0006]
As an ASE light source that is a broadband light source, a light source having an optical power spectrum density of −20 dB / nm or more in a wavelength range of about 100 nm has already been disclosed in Patent Document 2.
[0007]
In the case of FBG used at a wavelength of 1550 nm, the change in the reflection wavelength is about 1.2 pm / μ strain. That is, if the change in the reflection wavelength from the FBG is measured with a resolution of 1 pm, the strain can be measured with a resolution of 1 μ strain.
[0008]
FIG. 5 shows an FBG sensing system disclosed in Patent Document 1 as a conventional technique. An FBG is connected in series on one fiber as a sensor.
[0009]
Output light from the broadband light source 90 is guided to the FBG sensor 105 via the optical fiber 140 via the coupler 130. There are a plurality of FBG sensors 105, each having a different reflection wavelength and connected in series. The different reflected wavelengths reflected by the FBG sensor 105 return to the coupler 130 and are guided to the wavelength meter 150, where the respective wavelengths are detected.
[0010]
FIG. 6 is a simplified illustration of the contents described in Patent Document 3. It comprises a broadband light source 201, a wavelength meter 202, a 3 dB coupler 203 (expressed as a directional coupler in Patent Document 3), an optical fiber 204, and an FBG sensor 205. It is branched and used by the 3 dB coupler 203 so that measurement by many FBG sensors is possible.
[0011]
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,361,130 [Patent Document 2]
JP 2001-11145 A [Patent Document 3]
JP 2001-511895 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of using Patent Document 1, since the FBG sensors 105 are connected in series, there is a problem that, for example, if one FBG sensor 105 on the coupler 130 side is disconnected, all the FBG sensors cannot be used. That is, this series connection system was a system with poor safety and reliability. In particular, the FBG sensor is used for strain measurement, and stress may be applied to the sensor unit, which may cause disconnection.
[0013]
Also in the case of using Patent Document 3, the FBG sensors 205 are connected in series, and thus lack reliability as described above. Further, since the insertion loss of the transmitted light is 3 dB or more in the 3 dB coupler 203, there is a problem that the output of the broadband light source 201 must be increased to compensate for the loss.
[0014]
It is an object of the present invention to construct a highly reliable and robust system which does not affect the signal of another FBG sensor even if one FBG sensor is damaged such as a disconnection.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve these problems, and a broadband light source, an optical fiber that derives output light from the broadband light source, and a plurality of wavelength division type optical multiplexers / demultiplexers provided in each of the transmission ports. And one FBG sensor using an FBG (fiber Bragg grating) is connected to each branch port of the wavelength division multiplexer / demultiplexer, and the reflected light from the FBG sensor is measured. It is characterized by having means for performing.
[0016]
Further, the invention is characterized in that the wavelength division type optical multiplexer / demultiplexer is a WDM coupler or a bandpass filter.
[0017]
Further, in the invention, it is preferable that the WDM coupler or the band-pass filter has an insertion loss of 1 dB or less for the transmitted light of the transmission port or the branched light of the branch port.
[0018]
Further, in the present invention, the one FBG sensor includes an FBG for temperature correction and an FBG for strain measurement.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an FBG sensing system according to the present invention will be described as an example. FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
[0020]
An ASE light source 1 as a broadband light source, an optical fiber 2, an optical circulator 3, an optical fiber 4, an optical fiber 5, a wavelength meter 6 as an optical branching means, and a bandpass filter having a different transmitted light wavelength band as a wavelength division type multiplexer / demultiplexer. 7 to 9 and FBG sensors 10 to 15 having different reflection wavelengths connected to reflection ports which are branch ports of the band pass filters 7 to 9.
[0021]
Output light from the broadband ASE light source 1 is guided to a bandpass filter 7 via an optical fiber 2, an optical circulator 3, and an optical fiber 4. The bandpass filters 7 to 9 are connected in series via respective transmission ports, and each transmission light wavelength band and reflection light wavelength band are set to be different. Further, the reflection wavelengths of the FBGs 10 to 15 are set within the respective reflection light wavelength bands.
[0022]
For example, FBG10 and FBG11 are connected to the reflection port which is a branch port of the bandpass filter 7, and the ASE light of the band reflected by the FBG10 and FBG11 returns to the bandpass filter 7, returns to the optical circulator 3, and returns to the optical fiber. The wavelength is measured by a wavelength meter 6 via 5.
[0023]
Further, the ASE light in the band transmitted through the bandpass filter 7 is guided to the bandpass filter 8. Hereinafter, the reflection wavelengths of the FBGs 12 and 13 are measured by the wavelength meter 6 in the same manner.
[0024]
Similarly, the ASE light in the band transmitted through the bandpass filter 8 is reflected by the FBGs 14 and 15 and measured by the wavelength meter 6. Here, a pair of FBGs (for example, FBG10 and FBG11) connected to the respective reflection ports of the band-pass filters 7 to 9 are one of which is a strain measurement FBG sensor and the other is a temperature correction FBG sensor. And this pair of FBGs can be regarded as one sensor.
[0025]
With such a configuration, the reflection wavelength from the FBG can be measured, and the amount of distortion of the FBG can be converted from the change in the wavelength.
[0026]
As shown in FIG. 2, the band-pass filters 7 to 9 are such that the incident light from the incident port 20 is split by the band-pass filter element 22 into the branch port 21 and the transmission port 23.
[0027]
Although a bandpass filter is used here as a wavelength division multiplexer / demultiplexer, the wavelength division type multiplexer / demultiplexer may be multiplexed / demultiplexed by a WDM coupler. However, it is better not to use a branching device such as a simple 3 dB coupler because the loss of signal light increases. For example, if signal light reciprocates through a 3 dB coupler, a loss of 6 dB results. It is not practical to connect such high loss components in series. On the other hand, the actual power of the signal light loss of the bandpass filter and the WDM coupler is as small as about 0.5 dB, so that it is suitable for the FBG sensing system.
[0028]
As described above, it is preferable that the WDM coupler or the band-pass filter has an insertion loss of 1 dB or less for the transmission light of the transmission port or the branch loss of the branch port.
[0029]
【Example】
The FBG sensing device of the present invention shown in FIG. 1 was created.
[0030]
FIG. 5 shows a spectrum waveform of the ASE light source. The ASE light source 1 is disclosed in Patent Document 2, and is a broadband light source having a wavelength range of about 100 nm and an optical power spectrum density of −20 dB / nm or more. The central reflection wavelengths of FBG10 to FBG15 for sensors are 1541.3 nm, 1544.5 nm, 1547.7 m, 1550.9 nm, 1554.1 nm, 1557.3 nm, 1560.6 nm, and 1563.8 nm every 3.2 nm. You have set.
[0031]
FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of a bandpass filter (or a WDM coupler). The difference between the structure of the bandpass filter and the structure of the WDM coupler is the difference between the filter elements. If a bandpass filter element is used, it becomes a bandpass filter, and if a WDM filter element is used, it becomes a WDM coupler.
[0032]
FIG. 3 is a diagram showing the reflection and transmission characteristics of the bandpass filter. The light input from the entrance port 20 is split into a branch port (reflection port) and a transmission port 23 according to the characteristics shown in FIG. When light in the transmission band is input from the transmission port 23, it is output from the incident port 20. Similarly, if light in the reflection band is input from the branch port 21, it is output from the input port 20.
[0033]
FIG. 4 is a diagram illustrating the reflection and transmission characteristics of the WDM coupler. The WDM couplers 7, 8, and 9 replace the bandpass filters 7, 8, and 9 in FIG. 1, respectively. The operation is the same as for the bandpass filter.
[0034]
As a result, for example, even if the FBG sensor 10 breaks down and is disconnected, measurement can be continued without affecting the FBG sensors 12 to 15, and a robust sensing system can be constructed.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the FBG sensing system, the transmission ports of the wavelength division type optical multiplexer / demultiplexer are connected in series, and the FBG sensor is connected to the branch port of each wavelength division type optical multiplexer / demultiplexer for use. Thus, even if one FBG sensor is damaged such as a disconnection, it is possible to construct a highly reliable and robust system that does not affect the signals of the other FBG sensors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an embodiment of an FBG sensing system according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a bandpass filter used in the FBG sensing system of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing reflection characteristics and transmission characteristics of a bandpass filter used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing reflection characteristics and transmission characteristics of a WDM coupler used in the present invention.
FIG. 5 is a spectrum waveform of an ASE light source used in the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a conventional FBG sensing device.
FIG. 7 is a diagram showing a conventional FBG sensing device.
[Explanation of symbols]
1: ASE light source 2: optical fiber 3: optical circulator 4: optical fiber 5: optical fiber 6: wavelength meter 7 to 9: band pass filter 10 to 15: FBG sensor 20: incident port 21: branch port 22: band pass filter Element 23: transmission port 90: broadband light source 105: FBG sensor 130: coupler 140: optical fiber 150: wavelength meter 201: broadband light source 202: wavelength meter 203: 3dB coupler 204: optical fiber 205: FBG sensor
