JP2005091151A - Ｆｂｇひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成でひずみを高精度に測定できるＦＢＧひずみゲージを提供する。
【解決手段】 ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）７２が形成された光ファイバ７３を備え、測定対象物のひずみを測定するＦＢＧひずみゲージ１において、屈曲自在な弾性体２を備え、その弾性体２に光ファイバ７３をプレテンションが加わった状態で固定したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が形成された光ファイバを用いて、測定対象物のひずみを測定するＦＢＧひずみゲージに関するものである。

ＦＢＧひずみゲージ（ＦＢＧひずみセンサ）は、ＦＢＧが形成された光ファイバを備え、測定対象物に固定されて使用される。このＦＢＧひずみゲージは、光ファイバに光を入射した際、測定対象物のひずみに応じた入射光の反射波長の変化量（波長シフト）を測定することで、波長シフトを測定対象物のひずみとして検出するセンサである。

ＦＢＧは、光ファイバのコアの一部に、屈折率の高い部分と低い部分とが長手方向に一定間隔で交互に繰り返されるグレーティング（回折格子）を形成して（書き込んで）構成される。ＦＢＧの反射波長はＦＢＧのグレーティング間隔とコア屈折率によって決定される。したがって、ＦＢＧの波長シフトは、グレーティング間隔やコアの屈折率を変化させる物理量によって変化することになる。

ひずみとは、測定対象物の伸縮や曲げによって測定対象物内部に発生した力により、測定対象物自身に生じる変形の割合のことをいう。この測定対象物の変形という物理量の変化をグレーティング間隔やコアの屈折率の変化に反映させるようなシステムにおいて、最も簡単な例が、図７に示すＦＢＧひずみゲージ７１のように、測定対象物ｍにＦＢＧ７２が形成された光ファイバ７３を、ＦＢＧ７２部分が接着剤ｘで覆われるように接着して直接固定したものである。

ＦＢＧひずみゲージ７１では、測定対象物ｍに引張力が加わって測定対象物ｍにひずみが生じた場合、ＦＢＧ７２も同時に引っ張られてグレーティング間隔が広くなる。逆に、測定対象物ｍに圧縮力が加わって測定対象物ｍにひずみが生じた場合、ＦＢＧ７２も同時に圧縮されてグレーティング間隔が狭くなる。

つまり、測定対象物ｍに生じたひずみという物理量の変化をグレーティング間隔の変化に反映することにより、光ファイバ７３に光を入射した際のＦＢＧ７２の出力（反射波長およびその波長シフト）として、測定対象物ｍのひずみの測定を可能としている。

ＦＢＧ７２に対する単純な引っ張りおよび圧縮によるひずみと波長シフトとの関係は、一般的に光ファイバ７３が破断するまで線形な関係を保っているため、この線形関係を利用することにより、波長シフトからひずみを算出できる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。

特開２００２−２８６５６３号公報 特開２００３−２１４９０７号公報

しかし、ＦＢＧひずみゲージ７１のように、測定対象物ｍにＦＢＧ７２を直接固定するセンシングシステムは、接着剤ｘによって複雑な圧力がＦＢＧ７２に加わるので、反射波長およびその波長シフトに不均一化が起こってしまい、そのまま単純に波長シフトから線形関係にあるひずみを算出できないという問題がある。

そこで、図８に示すＦＢＧひずみゲージ８１のように、測定対象物ｍへのＦＢＧ７２の直接固定を避け、測定対象物ｍに光ファイバ７３をプレテンションが加わった状態で接着剤ｘによって２点固定する。

プレテンションとは、測定対象物ｍの圧縮方向のひずみを正確に測定するために、光ファイバ７３に予め加える引張力のことをいう。光ファイバ７３にプレテンションがない場合、測定対象物ｍに圧縮方向のひずみが生じると、光ファイバ７３がたるんでしまい、グレーティング間隔の変化に測定対象物ｍのひずみが正確に反映されなくなってしまう。

ＦＢＧひずみゲージ８１では、ＦＢＧ７２は測定対象物ｍや接着剤ｘから直接影響を受けることがなくなり、反射波長の均一化を実現できる。

しかしながら、ＦＢＧひずみゲージ８１は、測定対象物ｍに光ファイバ７３をプレテンションが加わった状態で直接固定しているので、接着部でプレテンションに対する反力が発生してしまう。この反力の影響により、測定対象物ｍに実際に発生したひずみとは全く関係のないひずみが発生してしまう。したがって、ＦＢＧひずみゲージ８１は、測定精度が低いという問題がある。

また、一般にプレテンションを加えて光ファイバを測定対象物に接着等により固定する場合、光ファイバの一端を固定し、光ファイバの他端に錘等を取り付け、光ファイバに張力を加えながら接着あるいは融着によって固定する。しかし、この方法は張力の管理が容易なものの、ゲージ作製に要する構成が大掛かりになる。また、光ファイバ固定時に光ファイバを誤って切断することもある。

さらに、ＦＢＧひずみゲージは、他の多くの光ファイバセンサと同様に、ひずみと温度変化の影響を同時に受ける。つまり、ひずみの発生および温度変化の双方を要因としてＦＢＧには波長シフトが引き起こされる。これら２つの変動を波長シフトから区別することはできない。このことは、ＦＢＧをセンサとして利用する上での制限となり、静的なひずみを測定するように設計されたＦＢＧひずみゲージに対して重大な影響を及ぼすことになる。

したがって、ＦＢＧセンサを利用したひずみ計測を行う場合、ひずみと温度の同時計測によって温度補償が行える計測システムを構築しなければならない。その温度補償機能を有するひずみ計測を行う際に重要な点の１つとして、センサデバイスの扱いやすさとシステムのシンプルさが必要である。

ここで、背景技術のＦＢＧひずみゲージの課題を以下にまとめた。
・ゲージ（センサ）製作の複雑さ
・プレテンション印加の困難さ
・ゲージの大きさ
・測定対象物に与える影響
・直接接着によるＦＢＧ出力の複雑化
・ひずみによる波長変化と温度による波長変化の分離が困難

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成でひずみを高精度に測定できるＦＢＧひずみゲージを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が形成された光ファイバを備え、測定対象物のひずみを測定するＦＢＧひずみゲージにおいて、屈曲自在な弾性体を備え、その弾性体に上記光ファイバをプレテンションが加わった状態で固定したＦＢＧひずみゲージである。

請求項２の発明は、上記弾性体は、上記ＦＢＧが配置される空隙部と、上記光ファイバが固定される幅広部と、上記弾性体を屈曲するための幅狭部とからなる請求項１記載のＦＢＧひずみゲージである。

請求項３の発明は、上記弾性体の幅狭部が谷となるように曲げ、曲げた弾性体の谷側の上記幅広部に上記光ファイバを固定した後、上記弾性体の曲げを開放し、上記光ファイバの長手方向にプレテンションを加えた請求項２記載のＦＢＧひずみゲージである。

請求項４の発明は、上記弾性体はアクリル樹脂からなる請求項１〜３いずれかに記載のＦＢＧひずみゲージである。

請求項５の発明は、上記弾性体は、上記測定対象物と同等の熱伝導率及び熱膨張率を有する請求項１〜３いずれかに記載のＦＢＧひずみゲージである。

請求項６の発明は、上記光ファイバに、上記ＦＢＧの温度依存性が測定するひずみに与える影響を補償する温度補償部材を設けた請求項１〜５いずれかに記載のＦＢＧひずみゲージである。

請求項７の発明は、上記温度補償部材は、上記弾性体とは異なる熱膨張率を有する請求項６記載のＦＢＧひずみゲージである。

請求項８の発明は、上記温度補償部材は硬質塩化ビニルからなる請求項６または７記載のＦＢＧひずみゲージである。

本発明によれば、簡単な構成でひずみを高精度に測定できるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適実施の形態を示すＦＢＧひずみゲージの概略図である。

図１に示すように、本実施の形態に係るＦＢＧひずみゲージ（ＦＢＧひずみセンサ）１は、一部にＦＢＧ７２が形成された光ファイバ７３と、屈曲自在な弾性体としてのセンサベース２とで主に構成され、センサベース２に光ファイバ７３をプレテンションが加わった状態で固定したものである。図１では、プレテンションの方向は、矢印Ｐ１，Ｐ２方向である。

センサベース２は、ＦＢＧ７２が配置される空隙部３と、ＦＢＧ７２が形成されていない部分の光ファイバ７３が２点で固定される幅広部４と、センサベース２を屈曲するための幅狭部５とからなる。

本実施の形態では、一辺が他辺よりも長く、薄い矩形枠状のセンサベース２を使用した。幅広部４は、センサベース２の長手方向に垂直で、かつ短手方向に平行な幅広で太く短い部分であり、センサベース２の短辺を構成する。幅狭部４は、センサベース２の長手方向に平行で、かつ短手方向に垂直な幅狭で細く長い部分であり、センサベース２の長辺を構成する。幅広部４の幅ｂは、幅狭部５の幅ａよりも広い（ｂ＞ａ）。空隙部３は、これら幅広部４および幅狭部５で囲まれて区画形成された部分である。

センサベース２としては、屈曲自在な弾性体としての性質に加え、軽くて強靱、かつ多くの薬品に対して耐薬品性を有し、さらに耐候性では機械的性質、光学性質ともに長期間にわたって大きな変化がない性質を有する材質からなるものを使用する。本実施の形態では、アクリル樹脂からなるセンサベース２を使用した。

光ファイバ７３は、ＦＢＧ７２が空隙部３に位置し、かつセンサベース２の長手方向に沿って空隙部３および幅広部４を横断するようにセンサベース２の表面に載置された後、幅広部４の表面４ｆの２点において、接着剤ｘによって接着されて固定される。

本実施の形態では、センサベース２に光ファイバ７３を接着剤ｘで接着して固定した例で説明するが、センサベース２に光ファイバ７３を融着して固定してもよい。

光ファイバ７３（ＦＢＧ７２）にプレテンションを加えるには、図２に示すように、まず、センサベース２の幅狭部５が谷となるように、センサベース２の長手方向に対して垂直上方（図２では矢印Ｃ方向）に所定量の力を加えて曲げる。この状態で曲げたセンサベース２の谷側の幅広部４の表面４ｆに光ファイバ７３を接着剤ｘで接着して２点固定する。ただし、光ファイバ７３を固定する際、光ファイバ７３は、センサベース２の中央付近において、センサベース２から若干離れるように、センサベース２の表面に載置される。

その後、センサベース２に加えた所定量の力を除いてセンサベース２の曲げを開放すれば、図３に示すように、光ファイバ７３に光ファイバ７３の長手方向（矢印Ｐ１，Ｐ２方向）に伸長するように引張力が予め加えられる。すなわち、光ファイバ７３にプレテンションが加えられる。

以上の構成であるＦＢＧひずみゲージ１は、図示しない測定対象物（図６参照）の表面に、光ファイバ７３が表側となるようにセンサベース２を接着剤などで貼り付けることで、測定対象物に固定されて使用される。

また、詳細は図示していないが、光ファイバ７３の一端には、波長帯域の広い光を光ファイバ７３に入射し、ＦＢＧ７２からの反射光の波長を計測する図示しない計測手段が接続される。

本実施の形態の作用を説明する。

ＦＢＧひずみゲージ１は、測定対象物にＦＢＧ７２や光ファイバ７３を直接固定したり、埋め込んだりするのではなく、測定対象物に屈曲自在なセンサベース２を介して、光ファイバ７３をプリテンションが加わった状態で固定した点に特徴がある。

ＦＢＧひずみゲージ１は、センサベース２に光ファイバ７３を固定する際に、曲げやすいセンサベース２の幅狭部５を谷にして曲げた状態で光ファイバ７３を固定すれば、センサベース２がその復元力で元の状態に戻った際に、光ファイバ７３（ＦＢＧ７２）にプレテンションが加えられるので、簡単かつ小型な構成で、再現性よく、光ファイバ７３（ＦＢＧ７２）にプレテンションを容易に加えることができる。

ＦＢＧひずみゲージ１は、このプレテンションにより、測定対象物の引っ張り方向にひずみが生じた場合においても、光ファイバ７３（ＦＢＧ７２）がセンサベース２を介して測定対象物のひずみに追従して伸長し、他方、測定対象物の圧縮方向にひずみが生じた場合においても、光ファイバ７３（ＦＢＧ７２）のたるみを防ぐので、測定対象物の引っ張りおよび圧縮によるひずみを正確に測定できる。

また、図８のＦＢＧひずみゲージ８１では、測定対象物に光ファイバ７３を接着剤ｘで直接固定したので、接着部でプレテンションに対する反力が発生した。これに対し、ＦＢＧひずみゲージ１は、プレテンションとそのプレテンションに対する反力が光ファイバ７３−センサベース２系の中で釣り合うように、例えば、プレテンションに対する反力よりセンサベース２の復元力が若干大きくなるようにセンサベース２を設計すれば、プレテンションに対する反力の影響による測定対象物への影響をなくすことができる。

すなわち、ＦＢＧひずみゲージ１は、測定対象物に実際に発生したひずみとは全く関係のないひずみを除去でき、測定対象物に発生したひずみを高精度に測定できる。

さらに、ＦＢＧひずみゲージ１は、空隙部３を有するセンサベース２を使用しているので、小型かつ軽量であり、様々な場所の測定対象物のひずみを容易に測定できる。しかも、ＦＢＧ７２が空隙部３に配置されることで、ＦＢＧ７２が測定対象物のひずみ以外に対してはフリーになるので、ＦＢＧ７２の出力（反射波長およびその波長シフト）に不均一な圧力が加わることを防止でき、より正確にＦＢＧ７２の出力を読み取ることができる。

第二の実施の形態を説明する。

図４に示すように、ＦＢＧひずみゲージ４１は、図１のＦＢＧひずみゲージ１の構成に加え、センサベース２の空隙部３に、ＦＢＧ７２の温度依存性が測定するひずみに与える影響を補償する温度補償部材４２を設けたものである。すなわち、図１のＦＢＧひずみゲージ１に温度補償機能を付加したものである。この温度補償部材４２は、言い換えれば、測定するひずみによるＦＢＧ７２の出力（反射波長およびその波長シフト）に対する温度変動の影響を抑えるための部材である。

ＦＢＧ７２は、コア部分の屈折率が温度によって変化するため、入射光の反射波長λには温度依存性が生じる。一方で、反射波長λはＦＢＧ７２のグレーティング間隔ｄにも依存する。そこで、反射波長λを温度変化に対応させて変化させることで、屈折率変化に起因する反射波長λの変化を相殺できる。

温度補償部材４２は、センサベース２と同程度の厚さで直方体状に形成され、温度補償部材４２の長手方向がセンサベース２の長手方向に沿うように、空隙部３内に組み込まれて固定される。

より具体的には、温度補償部材４２の一端が空隙部３の内壁３ｉに当たるように、温度補償部材４２の上面４２ｕに、ＦＢＧ７２が形成されていない空隙部３に位置する光ファイバ７３が接着剤ｘで接着されて固定される。温度補償部材４２は、光ファイバ７３のみに固定され、センサベース２には固定されない。

温度補償部材４２は、センサベース２とは異なる熱膨張率を有する。温度補償部材４２としては、例えば、センサベース２より熱膨張率（線膨張係数）が大きい材質からなるものを使用する。

また、温度補償部材４２としては、耐薬品性、防湿性、施工性、耐久性、難燃性に優れる材質からなるものを使用する。本実施の形態では、硬質塩化ビニルからなる温度補償部材４２を使用した。

以上の構成であるＦＢＧひずみゲージ４１は、図６に示すように、測定対象物ｍの表面に、光ファイバ７３が表側となるようにセンサベース２を接着剤などで貼り付けることで、測定対象物ｍに固定されて使用される。

ＦＢＧひずみゲージ４１では、周囲温度が上がった場合、温度補償部材４２は材料に固有の熱膨張率にしたがって膨張し、ＦＢＧ７２を圧縮する。逆に、周囲温度が下がった場合、温度補償部材４２は熱膨張率にしたがって収縮し、ＦＢＧ７２を引っ張る。その結果、光ファイバ７３（ＦＢＧ７２）に温度補償部材４２の膨張・収縮によるひずみが生じる。

このひずみ量をＦＢＧ７２の温度依存性による反射波長の変化量（波長シフト）と釣り合うように、後述する設計方法によって温度補償部材４２を設計することで、温度補償機能が簡単な構成で容易に実現できる。すなわち、温度補償部材４２は、周囲温度の変化に応じて膨張・収縮することで、周囲温度の変化による反射波長の変化をキャンセルするようにＦＢＧ７２にひずみを加える。

これにより、ＦＢＧひずみゲージ４１は、周囲温度の変化に影響されず、測定対象物ｍのひずみのみを正確に測定できる。また、ＦＢＧひずみゲージ４１は、センサベース２の空隙部３に温度補償部材４２を組み込んだ簡単な構成なので、温度補償機能を有するにもかかわらず、容易に製作でき、しかも小型である。

ここで、温度補償部材４２の設計方法を図５を用いて説明する。

図５に示すように、まず、空隙部３の長手方向の長さをＬ０、温度補償部材４２の長手方向の長さをＬ１、温度補償部材４２の他端から対向する空隙部３の内壁までの長さをＬ２とし、周囲温度がＴ１からＴ２に上昇したときの温度補償部材４２による光ファイバ７３への影響を求める。このとき、温度補償部材４２の線膨張率をαとすると、温度補償部材４２に生じるひずみεｃは数１で求めることができる。

しかし、温度補償部材４２は光ファイバ７３に接着固定されているため、温度補償部材４２には引っ張り応力σ２が発生し、ひずみε２が生じる。一方、光ファイバ７３には温度補償部材４２の影響により圧縮応力σ１が発生し、ひずみε１が生じる。ただし、σの中に符号を含める。このとき、温度補償部材４２の膨張・収縮による張力変化がロスなくＦＢＧ７２に伝えられると仮定する。ここで、光ファイバ７３のヤング率をＥ１、温度補償部材４２のヤング率をＥ２とすれば、数２、数３が成り立つ。

光ファイバ７３と温度補償部材４２が完全に接着されていると考えるならば、それぞれの長さの変化量は等しくなる。すなわち、数４が成り立つ。

また、光ファイバ７３の断面積をＳ１、温度補償部材４２の断面積をＳ２とすれば、光ファイバ７３に生じる引張加重σ１Ｓ１と温度補償部材４２に生じる圧縮加重σ２Ｓ２は等しいと考えることができるので、数５が成り立つ。

式（４）および式（５）の２式により光ファイバ７３に生じるひずみε１は、数６となる。

したがって、ＦＢＧ７２に生じるひずみε０は数７のように求まる。

このとき、ＦＢＧ７２の波長シフトλｓｔｒａｉｎは数８となる。

一方、ＦＢＧ７２の温度に対する波長シフトは９．８ｐｍ／℃であることから、温度変化によって生じるＦＢＧ７２の波長シフトλＴは数９となる。

以上により、温度補償部材４２のひずみに起因するＦＢＧ７２の反射波長のシフト量を式（８）で、ＦＢＧ７２の温度依存性に起因する波長シフト量を式（９）で求めることができる。

温度上昇の場合、温度補償部材４２は膨張し、ＦＢＧ７２には圧縮ひずみが生じ、反射波長は低波長側にシフトする。一方、温度下降の場合は、これと逆の波長シフトとなる。すなわち、式（８）および式（９）の値が等しくなるように温度補償部材４２の各パラメータを設定する。つまり、温度補償部材４２の材料を選定およびサイズを決定することにより、温度変化の影響はひずみ測定に反映されなくなり、測定対象物ｍのひずみのみを高精度に測定できる温度補償機能付きＦＢＧひずみゲージ４１が実現できる。

上記実施の形態では、アクリル樹脂からなるセンサベース２を使用した例で説明したが、センサベース２としては、図６の測定対象物ｍと同等の熱伝導率及び熱膨張率を有する材質からなるものを使用してもよい。この場合、測定対象物ｍの温度変化にセンサベース２が追従しやすくなるので、ひずみの測定がより高精度になるという利点がある。

本発明の好適実施の形態を示すＦＢＧひずみゲージの概略図である。 光ファイバにプレテンションを加える前の状態を示すＦＢＧひずみゲージの側面図である。 光ファイバにプレテンションを加えた後の状態を示すＦＢＧひずみゲージの側面図である。 第二の実施の形態を示す概略図である。 図４に示したＦＢＧひずみゲージの平面図である。 図４に示したＦＢＧひずみゲージの使用例を示す平面図である。 背景技術のＦＢＧひずみゲージの一例を示す側面図である。 背景技術のＦＢＧひずみゲージの一例を示す側面図である。

符号の説明

１ ＦＢＧひずみゲージ
２ センサベース（弾性体）
７２ ＦＢＧ
７３ 光ファイバ

Claims (8)

1. ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）が形成された光ファイバを備え、測定対象物のひずみを測定するＦＢＧひずみゲージにおいて、屈曲自在な弾性体を備え、その弾性体に上記光ファイバをプレテンションが加わった状態で固定したことを特徴とするＦＢＧひずみゲージ。
2. 上記弾性体は、上記ＦＢＧが配置される空隙部と、上記光ファイバが固定される幅広部と、上記弾性体を屈曲するための幅狭部とからなる請求項１記載のＦＢＧひずみゲージ。
3. 上記弾性体の幅狭部が谷となるように曲げ、曲げた弾性体の谷側の上記幅広部に上記光ファイバを固定した後、上記弾性体の曲げを開放し、上記光ファイバの長手方向にプレテンションを加えた請求項２記載のＦＢＧひずみゲージ。
4. 上記弾性体はアクリル樹脂からなる請求項１〜３いずれかに記載のＦＢＧひずみゲージ。
5. 上記弾性体は、上記測定対象物と同等の熱伝導率及び熱膨張率を有する請求項１〜３いずれかに記載のＦＢＧひずみゲージ。
6. 上記光ファイバに、上記ＦＢＧの温度依存性が測定するひずみに与える影響を補償する温度補償部材を設けた請求項１〜５いずれかに記載のＦＢＧひずみゲージ。
7. 上記温度補償部材は、上記弾性体とは異なる熱膨張率を有する請求項６記載のＦＢＧひずみゲージ。
8. 上記温度補償部材は硬質塩化ビニルからなる請求項６または７記載のＦＢＧひずみゲージ。
   

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