JP2005337845A - Optical fiber for strain sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、構造物に貼り付けたり、構造物や地中に埋め込んだりするなどして被測定対象物に設置され、構造物や地中等の被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバに関するものである。 The present invention is installed on a measurement target object by being attached to a structure or embedded in a structure or underground, and is used for measuring distortion of the measurement target object such as a structure or the ground. The present invention relates to an optical fiber for a strain sensor.
従来の歪みセンサ用光ファイバとしては、図4(a)に示すような歪みセンサ用光ファイバ41がある(例えば、特許文献1参照)。歪みセンサ用光ファイバ41は、光ファイバ42の外周に紫外線硬化樹脂43を被覆し、紫外線硬化樹脂43の外周に、光ファイバ42の断線を防止するための繊維強化プラスチック44を被覆したものである。繊維強化プラスチック44には、構造物や土との固着をより確実にするために、図4(b)に示すようなスパイラル状の突起45bや、図4(c)に示すような鍔状の突起45cや、図4(d)に示すようなメッシュ状の凹凸45dが設けられる。
As a conventional strain sensor optical fiber, there is a strain sensor optical fiber 41 as shown in FIG. 4A (see, for example, Patent Document 1). The strain sensor optical fiber 41 is obtained by coating the outer periphery of the optical fiber 42 with an ultraviolet curable resin 43 and coating the outer periphery of the ultraviolet curable resin 43 with a fiber reinforced
また、従来の歪みセンサ用光ファイバとしては、図4(a)の繊維強化プラスチック44の外周にさらにポリエチレンを被覆し、そのポリエチレンに構造物や地中に埋め込んだ際のグリップ性(密着性)を向上させるための凹凸状のエンボス加工を施したものもある(例えば、特許文献2参照)。
Further, as a conventional optical fiber for a strain sensor, the outer periphery of the fiber reinforced
しかしながら、従来の歪みセンサ用光ファイバ41は、光ファイバ42として、一般に光通信用のシングルモード光ファイバ(ITU−T.Rec.G.652.B準拠)を使用している。通常シングルモード光ファイバは、波長が1.55μmの光において、曲げ径φ20mmで曲げたときの曲げ損失が5dB/m以上と非常に大きい。 However, the conventional strain sensor optical fiber 41 generally uses a single mode optical fiber (compliant with ITU-T. Rec. G. 652.B) for optical communication as the optical fiber 42. Normally, a single mode optical fiber has a very large bending loss of 5 dB / m or more when bent with a bending diameter of 20 mm in light having a wavelength of 1.55 μm.
したがって、この光ファイバ42の外側に繊維強化プラスチック44を被覆すると、繊維強化プラスチック44が硬化収縮する製造時において、光ファイバ42は側圧を受けて小曲がりするので、製造後の歪みセンサ用光ファイバ41の伝送損失が増加してしまうという問題がある。
Accordingly, when the fiber reinforced
また、従来の歪みセンサ用光ファイバ41は、光ファイバ42の外周に紫外線硬化樹脂43を被覆している。紫外線硬化樹脂43は、光ファイバ42のガラス部分(クラッド層)との密着度が小さい(密着性が低い)ので、歪みセンサ用光ファイバ41に大きな歪みが加わったとき、紫外線硬化樹脂43が光ファイバ42から剥離する可能性がある。 Further, in the conventional strain sensor optical fiber 41, an ultraviolet curable resin 43 is coated on the outer periphery of the optical fiber 42. Since the ultraviolet curable resin 43 has a low degree of adhesion (low adhesion) with the glass portion (cladding layer) of the optical fiber 42, when the strain sensor optical fiber 41 is subjected to a large strain, the ultraviolet curable resin 43 is light. There is a possibility of peeling from the fiber 42.
この剥離が発生した場合、光ファイバ42の中心部に歪みが伝わらずに、歪みセンサ用光ファイバ41の歪み測定感度が劣化することになる。そのため、従来の歪みセンサ用光ファイバ41は、歪み測定ダイナミックレンジをあまり大きくとることができないという問題がある。 When this peeling occurs, strain is not transmitted to the central portion of the optical fiber 42, but the strain measurement sensitivity of the strain sensor optical fiber 41 is deteriorated. For this reason, the conventional strain sensor optical fiber 41 has a problem that the strain measurement dynamic range cannot be made too large.
そこで、本発明の目的は、伝送損失の増加を防ぎ、歪み測定ダイナミックレンジを拡大できる歪みセンサ用光ファイバを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical fiber for a strain sensor that can prevent an increase in transmission loss and expand a strain measurement dynamic range.
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、被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバにおいて、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの外周に、ポリイミドからなる被覆層が形成されている歪みセンサ用光ファイバである。
The present invention was devised to achieve the above object, and the invention of
請求項2の発明は、被測定対象物に設置され、該被測定対象物の歪みを測定するために使用される歪みセンサ用光ファイバにおいて、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバの外周に、ポリイミドからなる第一の被覆層が形成され、第一の被覆層の外周に繊維強化プラスチックからなる第二の被覆層が形成され、第二の被覆層の外周にポリエチレンからなる第三の被覆層が形成され、第三の被覆層の外周にエンボス加工が施されている歪みセンサ用光ファイバである。
The invention of
請求項3の発明は、上記光ファイバは、コアの周囲に設けられたクラッド内に、コアの中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように、3〜10μmの内径を有する空孔が4本以上で偶数本コアを取り囲むように形成されて構成され、波長が1.55μmの光において、曲げ径φ20mmでの曲げ損失が1dB/m以下のホーリーファイバである請求項1または2記載の歪みセンサ用光ファイバである。 According to a third aspect of the present invention, the optical fiber has an inner diameter of 3 to 10 μm in a clad provided around the core so as to be line symmetric with respect to the central axis of the core and at equal intervals. 3. A holey fiber having four or more holes and surrounding an even number of cores, and having a bending loss of 1 dB / m or less at a bending diameter of 20 mm in light having a wavelength of 1.55 μm. It is an optical fiber for distortion sensors given in the description.
本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。 According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1)伝送損失の増加を防止できる。 (1) An increase in transmission loss can be prevented.
(2)歪み測定ダイナミックレンジを拡大できる。 (2) The strain measurement dynamic range can be expanded.
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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の好適実施の形態を示す歪みセンサ用光ファイバの構造図である。 FIG. 1 is a structural diagram of an optical fiber for a strain sensor showing a preferred embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施の形態に係る歪みセンサ用光ファイバ1は、コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバ2の外周に、ポリイミドからなる第一の被覆層3を形成し、第一の被覆層3の外周に、光ファイバ2の断線を防止するための繊維強化プラスチック(例えば、ガラスFRP)からなる第二の被覆層4を形成し、第二の被覆層4の外周にポリエチレンからなる第三の被覆層5を形成し、第三の被覆層5の外周に、構造物や地中に埋め込んだ際のグリップ性(密着性)を向上させるための凹凸状(図1では凹状)のエンボス加工を施し、横断面が略U字状の凹部6を形成したものである。
As shown in FIG. 1, the strain sensor
ここで、「コアの周囲に設けられたクラッド内に複数の空孔を有する光ファイバ」について説明する。 Here, “an optical fiber having a plurality of holes in a clad provided around the core” will be described.
近年、従来のコアとクラッドからなる光ファイバでは実現し得ない特長をもった光ファイバとして、フォトニッククリスタル光ファイバ(PCF:Photonic Crystal Fiber)が注目を集めている。PCFとは、フォトニック結晶構造がクラッド内に設けてある光ファイバである。フォトニック結晶構造とは屈折率の周期構造のことである。具体的には、クラッド部に蜂の巣のようなハニカム構造の空間を設けることで、光の禁制帯であるフォトニックバンドギャップ(PBG:Photonic Band Gap)を発生させている。 In recent years, a photonic crystal fiber (PCF) has attracted attention as an optical fiber having features that cannot be realized with an optical fiber composed of a conventional core and cladding. PCF is an optical fiber in which a photonic crystal structure is provided in a clad. The photonic crystal structure is a periodic structure having a refractive index. Specifically, by providing a honeycomb-structured space such as a honeycomb in the cladding, a photonic band gap (PBG) that is a forbidden band of light is generated.
例えば、KnightらはScience282,1476,(1998)において、PBGを導波原理とするPCFを報告しており、また、CreganらはScience,285,1537,(1999)において、PBG構造を導波原理とする中空コアのPCFの報告を行っている。 For example, Knight et al., In Science 282, 1476, (1998) report PCF using PBG as a guiding principle, and Cregan et al., In Science, 285, 1537, (1999), describes a PBG structure as a guiding principle. The hollow core PCF is reported.
また最近、完全なPBG構造を有している光ファイバではないが、コアとクラッドのガラス組成の違いにより、比屈折率差を持たせた従来の光ファイバのコア近傍のクラッド内に複数の空孔を形成し、クラッドの実効的な屈折率を下げて、コア/クラッド間の比屈折率差を拡大することで、従来得られなかった特長を有するホーリーファイバが報告されている。 Recently, although not an optical fiber having a perfect PBG structure, due to the difference in the glass composition of the core and the cladding, a plurality of voids are present in the cladding in the vicinity of the core of the conventional optical fiber having a relative refractive index difference. A holey fiber having a feature that has not been obtained in the past has been reported by forming holes, lowering the effective refractive index of the clad, and expanding the relative refractive index difference between the core and the clad.
このホーリーファイバの特長は、空孔の屈折率が約1であり、実効的な比屈折率差がコアとクラッドからなる通常のシングルモード光ファイバよりはるかに大きいことから、コアへの光の閉じ込め効果が高い点である。このため、ホーリーファイバは、ホーリーファイバを曲げた時に発生する曲げ損失が極めて小さいという特長を有する。 The feature of this holey fiber is that the refractive index of the hole is about 1, and the effective relative refractive index difference is much larger than that of a normal single mode optical fiber consisting of a core and a clad. This is a highly effective point. For this reason, the holey fiber has a feature that bending loss generated when the holey fiber is bent is extremely small.
例えば、姚らは(姚兵等「ホーリーファイバの実用化に関する一検討」、信学技報、社団法人電子情報通信学会、2003年1月16日、第102巻、第581号、p.47−50)において、通常のシングルモード光ファイバの構造を有する光ファイバのコア近傍のクラッド内に4〜6本の空孔を形成したホーリーファイバにより、コア/クラッド間の実効的な比屈折率差を拡大することで、曲げ損失が通常のシングルモード光ファイバに比べて1/100になるホーリーファイバを実現したことを報告している。 For example, Tatsumi et al. (Merber et al. “A Study on Practical Use of Holy Fiber”, IEICE Technical Report, The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, January 16, 2003, Vol. -50), an effective relative refractive index difference between the core and the clad is obtained by the holey fiber in which 4 to 6 holes are formed in the clad near the core of the optical fiber having the structure of a normal single mode optical fiber. It has been reported that a holey fiber whose bending loss is 1/100 that of a normal single mode optical fiber has been realized.
図2は、本実施の形態で使用するホーリーファイバを示す横断面図である。図2に示すように、図1の光ファイバ2として使用するホーリーファイバ20は、純粋石英にゲルマニウムが添加されたコア21の周囲に設けられた純粋石英からなるクラッド22内に、コア21の中心軸を対称軸として線対称、かつ等間隔となるように、コア21を取り囲んで軸方向に延びる内径dが3〜10μm、好ましくは5〜8μm、さらに好ましくは6〜7μmの空孔23が4本以上、好ましくは4〜8本で偶数本(図2では6本)形成されて構成される。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a holey fiber used in the present embodiment. As shown in FIG. 2, the
また、ホーリーファイバ20は、波長が1.55μmの光において、曲げ径φ20mmでの曲げ損失が1dB/m以下、好ましくは0.1dB/m以下、さらに好ましくは0.05dB/m以下としたものである。
The
空孔23の内径dを3〜10μmとしたのは、空孔23の内径dが3μm未満だとホーリーファイバ20の曲げ損失があまり小さくならないからであり、空孔23の内径dが10μmを超えると、ホーリーファイバ20の曲げ損失をさらに小さくする効果が得られないからである。
The reason why the inner diameter d of the
空孔23の本数を4本以上で偶数本としたのは、空孔23が2本だとホーリーファイバ20の曲げ損失があまり小さくならないからであり、空孔23が奇数本だとホーリーファイバ20に応力が加わったときに、局所的に応力集中する部分が発生する場合があるからである。
The reason why the number of the
波長が1.55μmの光において、曲げ径φ20mmでの曲げ損失を1dB/m以下としたのは、一般にホーリーファイバ20に伝送させる光の波長が1.55μmであり、曲げ径φ20mmでの曲げ損失が1dB/mを超えると、製造後の歪みセンサ用光ファイバ1の伝送損失が増加するからである。
In light having a wavelength of 1.55 μm, the bending loss at a bending diameter of φ20 mm is set to 1 dB / m or less. Generally, the wavelength of light transmitted to the
図3は、ホーリーファイバの曲げ特性の一例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of bending characteristics of a holey fiber.
図3では、4本の空孔を有するホーリーファイバにおいて、波長が1.55μmの光を伝送したときの曲げ特性を、各空孔の空孔径d(μm)を横軸にとり、縦軸を曲げ径φ20mmのときの曲げ損失(dB/m)にとって示した。 In FIG. 3, in a holey fiber having four holes, the bending characteristics when light having a wavelength of 1.55 μm is transmitted are plotted with the hole diameter d (μm) of each hole on the horizontal axis and the vertical axis bent. It was shown for the bending loss (dB / m) when the diameter was 20 mm.
図3に示すように、空孔が存在しないホーリーファイバ、すなわちシングルモード光ファイバは、曲げ損失が5dB/mを超えており非常に大きい。空孔を有するホーリーファイバは、空孔径dが大きくなるにつれて曲げ損失が低下することがわかる。特に、空孔径dが3μmの空孔を有するホーリーファイバは曲げ損失が1dB/mであり、空孔径dが7μmの空孔を有するホーリーファイバは曲げ損失が0.3dB/mであり、空孔径dが10μmの空孔を有するホーリーファイバは曲げ損失が0.04dB/mである。 As shown in FIG. 3, a holey fiber having no holes, that is, a single mode optical fiber, has a very large bending loss exceeding 5 dB / m. It can be seen that hole loss of holey fibers having holes decreases as the hole diameter d increases. In particular, a holey fiber having holes with a hole diameter d of 3 μm has a bending loss of 1 dB / m, and a holey fiber having holes with a hole diameter d of 7 μm has a bending loss of 0.3 dB / m. A holey fiber having holes with d of 10 μm has a bending loss of 0.04 dB / m.
次に、歪みセンサ用光ファイバ1の使用方法を説明する。
Next, a method for using the strain sensor
歪みセンサ用光ファイバ1は、ビルディング、橋梁、トンネル等のコンクリート構造物に貼り付けたり、その構造物や地中に埋め込んだりして設置され、これら構造物や地中等の被測定対象物の歪みを測定するために使用される。
The strain sensor
具体的には、設置された歪みセンサ用光ファイバ1の一端あるいは両端に光を入射し、その反射光、散乱光(例えば、後方散乱光)、光損失を測定することにより、歪みセンサ用光ファイバ1が設置された範囲の長さ方向に亘って、構造物や地中の歪みだけでなく、温度分布などの種々の物理量を測定できる。
Specifically, light is incident on one or both ends of the installed strain sensor
本実施の形態の作用を説明する。 The operation of the present embodiment will be described.
歪みセンサ用光ファイバ1は、光通信用の光ファイバとして一般に使用される通常のシングルモード光ファイバに比べて、曲げ損失が極めて小さく、曲げに強いホーリーファイバ20を図1の光ファイバ2として使用している。ホーリーファイバ20の外側に繊維強化プラスチックからなる第二の被覆層4を形成すると、第二の被覆層4が硬化収縮する製造時において、ホーリーファイバ20は側圧を受けて小曲がりするが、ホーリーファイバ20は曲げに強いので、製造後の歪みセンサ用光ファイバ1を伝送する光の伝送損失の増加を防止できる。
The strain sensor
また、歪みセンサ用光ファイバ1は、ホーリーファイバ20の外周にポリイミドからなる第一の被覆層3を形成している。ポリイミドは、光通信用の光ファイバで一般に使用される紫外線硬化型樹脂に比べて、ホーリーファイバ20のクラッド(ガラス部分)22との密着度が大きい(密着性が高い)ので、歪みセンサ用光ファイバ1に外力によって大きな歪みが加わっても、第一の被覆層3がホーリーファイバ20から剥離することはなく、ずれを生じることもない。
In the strain sensor
したがって、ホーリーファイバ20の中心部であるコア21に歪みが常に確実に伝わり、歪みセンサ用光ファイバ1の歪み測定感度が劣化することはない。すなわち、歪みセンサ用光ファイバ1は、図4(a)で説明した従来の歪みセンサ用光ファイバ41などに比べて、歪み測定ダイナミックレンジを拡大できることとなる。
Therefore, the distortion is always reliably transmitted to the core 21 which is the central portion of the
上記実施の形態では、光ファイバ2として、クラッド22よりコア21の屈折率が高いホーリーファイバ20を使用した例で説明したが、ホーリーファイバ20の代わりに、コアとクラッドの屈折率が互いに等しいホーリーファイバを用いてもよい。また、光ファイバ2としてPCFを用いてもよい。これらの場合にも、上述と同様の作用効果が得られる。
In the embodiment described above, the
1 歪みセンサ用光ファイバ
2 複数の空孔を有する光ファイバ
3 第一の被覆層(被覆層)
4 第二の被覆層
5 第三の被覆層
6 凹部
DESCRIPTION OF
4
Claims (3)
The above optical fiber has an even number of four or more holes having an inner diameter of 3 to 10 μm so that the core provided in the clad provided around the core is line-symmetrical and equidistant with respect to the central axis of the core. 3. An optical fiber for a strain sensor according to claim 1, wherein the optical fiber is a holey fiber having a bending loss of 1 dB / m or less at a bending diameter of 20 mm in light having a wavelength of 1.55 μm and surrounding the core. .
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