JP2006010449A - Optical fiber sensing system - Google Patents

Optical fiber sensing system Download PDF

Info

Publication number
JP2006010449A
JP2006010449A JP2004186473A JP2004186473A JP2006010449A JP 2006010449 A JP2006010449 A JP 2006010449A JP 2004186473 A JP2004186473 A JP 2004186473A JP 2004186473 A JP2004186473 A JP 2004186473A JP 2006010449 A JP2006010449 A JP 2006010449A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical fiber
light
optical
sensing system
light source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2004186473A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yusuke Takei
裕介 武井
Hiromi Yasujima
弘美 安島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2004186473A priority Critical patent/JP2006010449A/en
Publication of JP2006010449A publication Critical patent/JP2006010449A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fiber sensing system capable of performing measurement of a larger number of points than a conventional system in real time. <P>SOLUTION: This optical fiber sensing system is provided with a light source, a light receiving portion, and an optical fiber sensor whose transmitted light is attenuated when it is strained and bent. Optical filters for transmitting or reflecting light in different wavelength bands respectively are attached to both ends of the optical fiber. The difference between the quantities of transmitted light or reflected light of these optical fibers is measured as a strain quantity applied to the optical fiber. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光ファイバを用いて歪計測を行う光ファイバセンシングシステムに関するものである。   The present invention relates to an optical fiber sensing system that performs strain measurement using an optical fiber.

近年、高度成長期に急激に建設された構造物の劣化が進み、構造物の健全度を評価する方法について、政府を中心に研究が活発に行われている。従来、構造物の歪を計測する方法として、抵抗線ひずみゲージを用いた電気的な方法が主流であったが、信頼性、落雷、電磁ノイズ等の問題があり、これら問題のない光ファイバによる計測(センシング)が注目されている。   In recent years, the structure that has been built rapidly during the high growth period has rapidly deteriorated, and research on the method for evaluating the soundness of the structure has been actively conducted mainly by the government. Conventionally, electrical methods using resistance strain gauges have been the mainstream method for measuring strain in structures, but there are problems such as reliability, lightning strikes, and electromagnetic noise. Measurement (sensing) is drawing attention.

光ファイバセンシングシステムには光ファイバの屈曲により透過光量が減衰することを利用したマイクロベンディング法や、光ファイバの伸びによりブリルアン散乱光周波数が変位することを利用したBrillouin Optical Time Domain Reflectmeter(以下BOTDR)法や、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(以下FBG)の伸びにより反射波長、または透過波長が変位することを利用したFBG法などがある。   In the optical fiber sensing system, the microbending method using the attenuation of the transmitted light amount due to the bending of the optical fiber and the Brillouin Optical Time Domain Reflectmeter (hereinafter referred to as BOTDR) using the displacement of the Brillouin scattered light frequency by the extension of the optical fiber. And the FBG method utilizing the fact that the reflection wavelength or the transmission wavelength is displaced by the extension of the fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG).

非特許文献1ではマイクロベンディング法を用いた歪みセンシングシステムが提案されている。図6はマイクロベンディング法のセンサ部を示す図である。   Non-Patent Document 1 proposes a strain sensing system using a microbending method. FIG. 6 is a diagram showing a sensor unit of the microbending method.

図の一方端から入射された光は光ファイバセンサ106を透過し、他方端の受光部にて透過損失を測定する。光ファイバセンサ106は光ファイバの半径が縮小する方向で歪みを受けた場合、透過損失は増大する。逆に半径が増大する方向の歪みを受けた場合、透過損失は減少する。一般的に歪み量に対し、透過損失は指数関数の関係にあるが、10×log(入射光量/10)−10×log(出射光量)で表せば、線形の関係を導き出せ、透過損失から歪み量を容易に導き出せる。   The light incident from one end of the figure passes through the optical fiber sensor 106, and the transmission loss is measured at the light receiving portion at the other end. When the optical fiber sensor 106 is distorted in the direction in which the radius of the optical fiber is reduced, the transmission loss increases. Conversely, transmission loss decreases when subjected to distortion in the direction of increasing radius. In general, transmission loss has an exponential relationship with respect to the amount of distortion, but if expressed as 10 × log (incident light quantity / 10) −10 × log (output light amount), a linear relationship can be derived, and distortion is determined from transmission loss. The amount can be easily derived.

この測定法によれば1本の光ファイバで1点の計測しかできないが、光源から発生する光をパルス光にすることで歪みを受けた位置を特定することが可能となる。パルス光を利用した測定器はOptical Time Domain Reflectmeter(以下OTDR)と呼ばれ、任意の点の反射光量、透過光量が計測できる。   According to this measuring method, only one point can be measured with one optical fiber, but the position where the distortion is received can be specified by using the light generated from the light source as pulsed light. A measuring instrument using pulsed light is called an optical time domain reflectometer (hereinafter referred to as OTDR), and can measure the amount of reflected light and the amount of transmitted light at an arbitrary point.

しかしながら、OTDRは発生パルス毎に位置を特定するため、リアルタイム計測ができず振動計測などには適さない。また測定箇所が局所的で多点な場合や、広範囲な場合、計測により時間を要し、災害などの緊急を要する計測に適さない。   However, since OTDR specifies a position for each generated pulse, real-time measurement cannot be performed and it is not suitable for vibration measurement. Also, when the measurement location is local and multipoint, or in a wide range, it takes time for measurement and is not suitable for measurement that requires an emergency such as a disaster.

BOTDR法もOTDRと同様にパルス光を利用して位置を特定しているためリアルタイム計測ができない。   Similarly to OTDR, the BOTDR method uses pulsed light to specify the position, so real-time measurement cannot be performed.

非特許文献2は広帯域光源を用い、複数の異なる反射波長を有するFBGを一本の光ファイバで行うFBG法について述べられている。   Non-Patent Document 2 describes an FBG method in which a broadband light source is used and FBGs having a plurality of different reflection wavelengths are performed using a single optical fiber.

図7は非特許文献2に述べるFBG法の構成を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the FBG method described in Non-Patent Document 2.

広帯域光源201から導出され光は光分岐器202を透過し、光ファイバ205を透過し、FBG203に達する。FBG203にて複数の異なる波長の光が反射され、光ファイバ205を透過し、光分岐器202を透過し、光スペクトラムアナライザ204に到達し、反射波長を検出する。FBG203は伸縮することで反射波長が変位するため、FBG203に伸縮方向の歪みを与えれば歪み量を反射波長のシフト量として計測できる。このように広帯域光源201を用いることで一本の光ファイバに、複数の異なる反射波長をもつFBGを備えられ、複数の歪み量をリアルタイムに計測することが可能である。   The light derived from the broadband light source 201 passes through the optical splitter 202, passes through the optical fiber 205, and reaches the FBG 203. A plurality of lights having different wavelengths are reflected by the FBG 203, pass through the optical fiber 205, pass through the optical splitter 202, reach the optical spectrum analyzer 204, and detect the reflected wavelength. Since the reflection wavelength of the FBG 203 is expanded and contracted, the distortion amount can be measured as the shift amount of the reflection wavelength if the FBG 203 is strained in the expansion / contraction direction. By using the broadband light source 201 in this way, a single optical fiber can be provided with FBGs having a plurality of different reflection wavelengths, and a plurality of distortion amounts can be measured in real time.

しかしながらFBG203の反射波長帯域はシフト量を考慮して、1本当り4nm程度と広い波長帯が割り与えられる。これに対し広帯域光源の波長帯域は広くても80nm程度であり、FBG203は1本の光ファイバに対し最大でも20個程度しか具備できない。   However, the reflection wavelength band of the FBG 203 is assigned a wide wavelength band of about 4 nm per line in consideration of the shift amount. On the other hand, the wavelength band of the broadband light source is about 80 nm at the maximum, and the FBG 203 can have only about 20 at the maximum for one optical fiber.

光ファイバセンシングシステムは構造物の計測を目的としており、大規模な計測のため、また道路構造物などを対象とするため、1本当りの光ファイバに対し、より多くのセンサ数を備えることが求められている。
轟章 他、日本機械学会論文集63巻615号、No.96−19911、1997年11月 山下真司 他、オプトロニクス社光通信技術の最新資料集、光測定/センサへの応用、1995年12月発行
The optical fiber sensing system is intended for measurement of structures, and for large-scale measurements and for road structures, it is necessary to provide more sensors for each optical fiber. It has been demanded.
Akira Tsuji et al., JSME Proceedings Vol. 63, No. 615, No. 96-19911, November 1997 Shinji Yamashita et al., Latest Materials on Optical Communication Technology of Optronics, Application to Optical Measurement / Sensor, December 1995

以上の従来技術では、リアルタイム計測に適さず、また大規模な計測に必要な測定点数に不十分であるという問題があった。   The conventional techniques described above are not suitable for real-time measurement and have a problem that the number of measurement points necessary for large-scale measurement is insufficient.

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンサの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を光ファイバセンサに掛かる歪み量として前記受光部で計測することを特徴とする。   The present invention has been made to solve these problems. In an optical fiber sensing system comprising a light source, a light receiving unit, and an optical fiber in which transmitted light attenuates when bent by bending, both ends of the optical fiber sensor are provided. Are provided with optical filters that transmit or reflect light of different wavelength bands, and a difference in the amount of light transmitted or reflected by these optical filters is measured by the light receiving unit as an amount of distortion applied to the optical fiber sensor. .

さらに、一本の光ファイバ上に、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する部分を複数備え、それぞれの両端に備える前記光学フィルタが全て異なる波長帯域の光を透過または反射するものであることを特徴とする。   Furthermore, it is provided that there are a plurality of portions on a single optical fiber where the transmitted light attenuates when subjected to strain, and the optical filters provided at both ends transmit or reflect light of different wavelength bands. Features.

さらに、前記光源が広帯域光源であり、前記受光器が複数の波長帯の光量を検出できることを特徴とする。あるいは、前記光源が波長可変光源であり、前記受光器が前記波長可変光源の捜引速度に同期することで波長帯を決定することを特徴とする。   Furthermore, the light source is a broadband light source, and the light receiver can detect light quantities in a plurality of wavelength bands. Alternatively, the light source is a wavelength tunable light source, and the light receiver determines a wavelength band in synchronization with a search speed of the wavelength tunable light source.

さらに、前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源を、他方端に前記受光器をそれぞれ配置し、前記光学フィルタの透過光を計測することを特徴とする。あるいは、前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源と前記受光器を配置し、他方端が終端され、前記光源からの出力光と前記受光器への戻り光を分岐する分岐器を備え、前記光学フィルタの反射光を計測することを特徴とする。   Further, the light source is disposed at one end of the optical fiber sensor in which transmitted light is attenuated when bent by receiving the strain, and the light receiver is disposed at the other end, and the transmitted light of the optical filter is measured. Alternatively, the light source and the light receiver are disposed at one end of an optical fiber sensor that attenuates transmitted light when bent under the strain, and the other end is terminated, and output light from the light source and return light to the light receiver. A branching device for branching is provided, and the reflected light of the optical filter is measured.

さらに前記光学フィルタがファイバブラッググレーティングであることを特徴とする。   Further, the optical filter is a fiber Bragg grating.

さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの被覆がカーボンコートされていることを特徴とする。   Further, the coating of the optical fiber sensor in which transmitted light attenuates when bent by receiving the strain is carbon coated.

さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの曲げ損失特性が曲げ直径20mm以上でも発生することを特徴とする。   Further, the bending loss characteristic of the optical fiber sensor in which the transmitted light attenuates when bent under the strain is generated even when the bending diameter is 20 mm or more.

さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサのコアとクラッドの屈折率差が0.5%以内であることを特徴とする。   Further, the refractive index difference between the core and the clad of the optical fiber sensor in which the transmitted light attenuates when bent by receiving the strain is within 0.5%.

さらに前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサがフォトニック結晶ファイバあるいはホーリーファイバであることを特徴とする。   Further, the optical fiber sensor in which transmitted light attenuates when bent under the strain is a photonic crystal fiber or holey fiber.

以上、本発明によれば、光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンサの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を光ファイバセンサに掛かる歪み量として前記受光部で計測することでリアルタイム計測が可能で、かつ従来の測定方法に比べ、より多点計測ができる光ファイバセンシングシステムを提供することができる。さらにカーボンコートファイバや曲げ損失特性の大きいファイバを用いることでより信頼性の高く、リアルタイム計測、多点計測ができる光ファイバセンシングシステムを提供することができる。   As described above, according to the present invention, in an optical fiber sensing system including a light source, a light receiving unit, and an optical fiber sensor in which transmitted light is attenuated when bent and bent, both ends of the optical fiber sensor have different wavelength bands. An optical filter that transmits or reflects light is provided. Real-time measurement is possible by measuring the difference in the amount of transmitted light or reflected light of these optical filters as the amount of distortion applied to the optical fiber sensor by the light receiving unit. It is possible to provide an optical fiber sensing system capable of more multipoint measurement than the measurement method. Further, by using a carbon coated fiber or a fiber having a large bending loss characteristic, it is possible to provide an optical fiber sensing system that can perform real-time measurement and multipoint measurement with higher reliability.

以下、本発明による光ファイバセンシングシステムについて説明する。図1は本発明の光ファイバセンシングシステムの構成を示す図である。   Hereinafter, an optical fiber sensing system according to the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical fiber sensing system of the present invention.

広帯域光源1、受光部である光スペクトラムアナライザ4、光分岐器2、光学フィルタ3a、光学フィルタ3b、光ファイバ5、光ファイバセンサ6で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。光ファイバセンサ6は歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバであり、その両端に配置した光学フィルタ3a、3bは異なる波長帯域の透過帯域、反射帯域を有する。   It is composed of a broadband light source 1, an optical spectrum analyzer 4 as a light receiving unit, an optical branching device 2, an optical filter 3a, an optical filter 3b, an optical fiber 5, and an optical fiber sensor 6. Each component is coupled with an optical fiber. . The optical fiber sensor 6 is an optical fiber in which transmitted light is attenuated when bent and bent, and the optical filters 3a and 3b arranged at both ends thereof have transmission bands and reflection bands of different wavelength bands.

なお、光学フィルタ3a、3bは誘電体多層膜のものでも良いが、FBGの方が波長帯域の狭いものが容易にでき、波長利用効率が高いので望ましい。FBGは光ファイバに紫外光を照射させ、屈折率を周期的に変化させ、回折格子とするものであるが、さらに屈折率に分布を持たせアポダイズすることで、波長帯域を狭められ望ましい。またFBGは光ファイバからなり小型なためセンサを小型化できる。   The optical filters 3a and 3b may be of a dielectric multilayer film, but the FBG is desirable because it can be easily formed in a narrow wavelength band and has high wavelength utilization efficiency. FBGs are intended to irradiate an optical fiber with ultraviolet light and periodically change the refractive index to form a diffraction grating. However, it is desirable that the refractive index be distributed and apodized to narrow the wavelength band. Further, since the FBG is made of an optical fiber and is small, the sensor can be miniaturized.

光ファイバセンサ6と光学フィルタ3a、3bは近接され接合されている方が望ましい。それぞれの距離が開くほど、接合に使う光ファイバの伝送ロスが温度や歪みなどの影響を受け変化しやすくなる。このため光ファイバセンサ6と光学フィルタ3a、3bは一体化されたモジュールが望ましい。例えば、1本の光ファイバに光ファイバセンサ6となる部分を複数形成し、それぞれの両端に光学フィルタ3a、3bとなるFBGを形成することもできる。   It is desirable that the optical fiber sensor 6 and the optical filters 3a and 3b are close to each other and bonded. As each distance increases, the transmission loss of the optical fiber used for bonding becomes more likely to change due to the influence of temperature and strain. For this reason, the optical fiber sensor 6 and the optical filters 3a and 3b are preferably integrated modules. For example, a plurality of portions to be the optical fiber sensor 6 can be formed on one optical fiber, and FBGs to be the optical filters 3a and 3b can be formed on both ends of each.

ただし、複数の光ファイバセンサ6を用いる場合、各光ファイバセンサの距離が短ければ、光学フィルタ3a、3bを隣り合う光ファイバセンサ6と共用が可能で光学フィルタ3a、3bの総数を減じることができる。   However, when a plurality of optical fiber sensors 6 are used, if the distance between the optical fiber sensors is short, the optical filters 3a and 3b can be shared with the adjacent optical fiber sensors 6, and the total number of the optical filters 3a and 3b may be reduced. it can.

また、上記光ファイバセンサ6の一方端側に光分岐器2を介して広帯域光源1と光スペクトラムアナライザ4を配置してある。光分岐器2は2分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。光スペクトラムアナライザ4は波長の特定と光量を検出するものであればよい。   In addition, a broadband light source 1 and an optical spectrum analyzer 4 are arranged on one end side of the optical fiber sensor 6 via an optical splitter 2. The optical branching device 2 may be a two-branch coupler or an optical circulator. The optical spectrum analyzer 4 only needs to detect the wavelength and the amount of light.

光源と受光器の組み合わせとして、広帯域光源1と光スペクトラムアナライザ4との組み合わせの他、波長可変光源と光パワーメータとの組み合わせでも良い。波長可変光源の波長捜引速度と光パワーメータの受光を同期させれば、同等な測定が可能となる。厳密な意味でのリアルタイム性は失われるが、波長可変光源の捜引速度は数百Hzの高速なものもあり、十分に高速な計測が可能となる。   As a combination of the light source and the light receiver, in addition to the combination of the broadband light source 1 and the optical spectrum analyzer 4, a combination of a wavelength variable light source and an optical power meter may be used. If the wavelength search speed of the wavelength tunable light source and the light reception of the optical power meter are synchronized, equivalent measurement is possible. Although the real-time property in a strict sense is lost, the search speed of the wavelength tunable light source is as fast as several hundred Hz, and sufficiently high-speed measurement is possible.

図2は光ファイバセンサ6の構成を示す図である。図に示すように直径20mm前後の光ファイバを半円状に設置し、半径が変化する方向に歪みが加わることで、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰するようにした。   FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the optical fiber sensor 6. As shown in the figure, an optical fiber having a diameter of about 20 mm is installed in a semicircular shape, and distortion is applied in a direction in which the radius changes, so that transmitted light is attenuated when bending due to distortion.

図3は歪み量と透過損失の関係を示す図である。光ファイバセンサ6の半径が縮小する方向の歪みが加わると透過損失は大きくなる。逆に半径が大きくなる方向に歪みが加わると透過損失は減少する。ここでの透過損失は1回の透過損失であり、本実施形態においては光ファイバセンサ6を往復で透過するため、損失は図3の2倍になることが想定できる。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the distortion amount and the transmission loss. When distortion in the direction in which the radius of the optical fiber sensor 6 is reduced is added, the transmission loss increases. On the contrary, if distortion is applied in the direction in which the radius increases, the transmission loss decreases. The transmission loss here is one transmission loss. In this embodiment, the transmission loss is transmitted through the optical fiber sensor 6 in a reciprocating manner. Therefore, the loss can be assumed to be twice that of FIG.

また、光ファイバセンサ6は半円状としたが、円形のものでもコイル状のものでも、あるいは1/4円上、1/8円上でも構わず、巻き長さに比例した損失になる。実装方法にもよるが巻き長さが長くなるほど測定精度が上がることが予想される。また光ファイバを数本のダミーファイバと撚り線状にし、撚り線部を伸縮させることで光ファイバに捻りを加え、透過損失を変化させることも可能である。   Further, although the optical fiber sensor 6 is semicircular, it may be circular, coiled, ¼ circle or 上 circle, and the loss is proportional to the winding length. Although it depends on the mounting method, the measurement accuracy is expected to increase as the winding length increases. It is also possible to change the transmission loss by twisting the optical fiber by making the optical fiber stranded with several dummy fibers and expanding and contracting the stranded portion.

次に、本発明の光ファイバセンシングシステムを用いた検出方法を説明する。   Next, a detection method using the optical fiber sensing system of the present invention will be described.

広帯域光源1から出力された光は光分岐器2を透過し、光ファイバ5を透過し、光学フィルタ3aに達する。光学フィルタ3aで特定波長の光が反射される。光学フィルタ3aの特定波長以外の波長は透過し、光ファイバセンサ6を透過し、歪み量に応じ透過量が減衰し、光学フィルタ3bに達し、光学フィルタ3aとは異なる特定波長の光が反射される。光学フィルタ3bで反射された光は光ファイバセンサ6を再び透過減衰し、光学フィルタ3aを透過し、光学フィルタ3aで反射された光と合波され光ファイバ5を透過し、光分岐器2を透過し、光スペクトラムアナライザ4に達し、光学フィルタ3aと光学フィルタ3bのそれぞれの波長に対する光量を検出する。   The light output from the broadband light source 1 passes through the optical splitter 2, passes through the optical fiber 5, and reaches the optical filter 3a. Light of a specific wavelength is reflected by the optical filter 3a. Wavelengths other than the specific wavelength of the optical filter 3a are transmitted, transmitted through the optical fiber sensor 6, the transmission amount is attenuated according to the distortion amount, reaches the optical filter 3b, and light having a specific wavelength different from that of the optical filter 3a is reflected. The The light reflected by the optical filter 3b is transmitted and attenuated again through the optical fiber sensor 6, passes through the optical filter 3a, is combined with the light reflected by the optical filter 3a, passes through the optical fiber 5, and passes through the optical splitter 2. The light passes through and reaches the optical spectrum analyzer 4, and detects the amount of light for each wavelength of the optical filter 3 a and the optical filter 3 b.

ここで光学フィルタ3bの光量は光ファイバセンサ6を2回透過しているため、光学フィルタ3aと光学フィルタ3bのそれぞれのピーク波長の光量差が光ファイバセンサ6による透過減衰量の2倍であること分かる。   Here, since the light quantity of the optical filter 3b passes through the optical fiber sensor 6 twice, the light quantity difference between the peak wavelengths of the optical filter 3a and the optical filter 3b is twice the transmission attenuation amount by the optical fiber sensor 6. I understand.

図5は図3から導いた光学フィルタ3aと光学フィルタ3bとそれぞれのピーク波長の光量差と光ファイバセンサ6の歪み量との関係を示す図である。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the optical filter 3a and the optical filter 3b derived from FIG.

光ファイバセンサ6にかかる歪み量を±1500μεとした場合、透過減衰量は±0.2dBとなる。   When the distortion applied to the optical fiber sensor 6 is ± 1500 με, the transmission attenuation is ± 0.2 dB.

ここで光学フィルタ3a,3bがFBGである場合、半値全幅0.25nm程度であり、光ファイバセンサ6での最大の透過減衰量は半値(3dB)より十分小さいため、両方の波長を認識するためには0.25nmもあれば十分である。広帯域光源1の帯域が80nmである場合、およそ320点の計測が可能となる。   Here, when the optical filters 3a and 3b are FBGs, the full width at half maximum is about 0.25 nm, and the maximum transmission attenuation in the optical fiber sensor 6 is sufficiently smaller than the half value (3 dB), so that both wavelengths are recognized. 0.25 nm is sufficient for. When the bandwidth of the broadband light source 1 is 80 nm, approximately 320 points can be measured.

しかし実際は、広帯域光源1の出力と光スペクトラムアナライザ4の感度とのダイナミックレンジは70dB程度であり、透過損失の和がこれを超える場合計測できない。本実施例において光ファイバセンサ6は半円状であり、初期の透過損失は0.5dBあり、測定点数は最大で140点(70/0.5)になる。光ファイバセンサを1/4円状や1/8円状とすれば、測定点数を容易に増加できる。また広帯域光源1の出力を向上させたり、光スペクトラムアナライザ4の感度を向上させることで測定点数を増加できる。また、光源に波長可変光源、受光部に光パワーメータを用いればダイナミックレンジは100dB以上が可能で測定点数を増加できる。   However, in practice, the dynamic range of the output of the broadband light source 1 and the sensitivity of the optical spectrum analyzer 4 is about 70 dB, and measurement cannot be performed when the sum of transmission losses exceeds this range. In this embodiment, the optical fiber sensor 6 is semicircular, the initial transmission loss is 0.5 dB, and the maximum number of measurement points is 140 (70 / 0.5). If the optical fiber sensor has a ¼ or 8 shape, the number of measurement points can be easily increased. Further, the number of measurement points can be increased by improving the output of the broadband light source 1 or improving the sensitivity of the optical spectrum analyzer 4. If a wavelength variable light source is used as the light source and an optical power meter is used as the light receiving unit, the dynamic range can be 100 dB or more and the number of measurement points can be increased.

このように従来、多点でリアルタイム計測が可能であったFBG式の測定点数が20点であったのに対し、本発明は大きく測定点数を大幅に増加させることができ、より大規模な多点計測が、リアルタイムで計測できる光ファイバセンシングシステムを提供することができる。   As described above, while the number of FBG type measurement points that can be measured in real time at multiple points has been 20 in the past, the present invention can greatly increase the number of measurement points and provide a larger scale. An optical fiber sensing system capable of measuring points in real time can be provided.

以上の実施形態では光学フィルタ3の反射光を用いたが、透過光を用いることもできる。この場合は、光ファイバセンサ6の一方端側に光源を、他方端側に受光部をそれぞれ配置すればよく、光ファイバセンサ6を透過する回数が1回となるため、より大きいダイナミックレンジがとれ、本発明がより有効的に利用できる。   In the above embodiment, the reflected light of the optical filter 3 is used, but transmitted light can also be used. In this case, a light source may be disposed on one end side of the optical fiber sensor 6 and a light receiving unit may be disposed on the other end side, and the number of times of transmission through the optical fiber sensor 6 is one, so that a larger dynamic range can be obtained. The present invention can be used more effectively.

今ここで光ファイバセンサ6の屈曲に対する信頼性について考えてみる。   Now consider the reliability of the optical fiber sensor 6 against bending.

光ファイバセンサ6に用いる光ファイバは一般的に光通信用の石英製のものを用いるが、屈曲半径が小さくなるほどクラッドの最外層部の歪みが大きくなり破断確率が高くなる。製造方法や初期選別方法により異なるが、直径20mmの光ファイバの場合、20年後の破断確率はおおよそ1m当たり1/1000と大きい。   The optical fiber used for the optical fiber sensor 6 is generally made of quartz for optical communication. However, the smaller the bending radius, the larger the strain of the outermost layer of the clad and the higher the probability of breakage. Although it depends on the manufacturing method and the initial sorting method, in the case of an optical fiber having a diameter of 20 mm, the fracture probability after 20 years is as large as 1/1000 per 1 m.

ここでクラッド最外層部の歪みを緩和するためには通常用いるUV樹脂の被覆の替わりにカーボンコートすると、おおよそ破断確率が1桁向上し、信頼性が向上し望ましい。   Here, in order to alleviate the distortion of the outermost layer of the clad, it is desirable to apply carbon coating instead of the coating of UV resin that is usually used, because the fracture probability is improved by an order of magnitude and the reliability is improved.

また、屈曲に対し損失特性の大きい光ファイバを用いれば、曲げ直径をより大きくすることができクラッド最外層の歪みが小さくなり信頼性が向上する。曲げ直径を20mmから30mmに変更することで、おおよそ2桁破断確率が小さくなり、信頼性が大幅に改善できる。   In addition, if an optical fiber having a large loss characteristic with respect to bending is used, the bending diameter can be increased, and the distortion of the outermost cladding layer can be reduced, thereby improving the reliability. By changing the bending diameter from 20 mm to 30 mm, the probability of fracture by about two digits is reduced, and the reliability can be greatly improved.

一般的に光通信用の石英製ファイバは曲げ直径が20mm以上になると曲げ損失が発生せず、本発明に用いる光ファイバセンサ6には適さない。   In general, a quartz fiber for optical communication is not suitable for the optical fiber sensor 6 used in the present invention because bending loss does not occur when the bending diameter becomes 20 mm or more.

ここで光ファイバの曲げ損失のメカニズムについて説明する。   Here, the mechanism of the bending loss of the optical fiber will be described.

図4は光ファイバ10の構造を示す図である。図4に示すように光ファイバ10はコア11とクラッド12等からなる。コア11はクラッド12より屈折率が高くなるようにゲルマニウムやリンなどが添加される。このようにコア11とクラッド12に屈折率差を設けることで伝搬する光はコア11とクラッド12の界面で全反射を起こし、コア11内に閉じこめられる。全反射条件は屈折率差と界面への入射角13で決まり、光ファイバ10を曲げるとコア11とクラッド12の界面での入射角13が変位し、全反射せず一部がクラッド12に漏れ、損失が発生する。   FIG. 4 is a diagram showing the structure of the optical fiber 10. As shown in FIG. 4, the optical fiber 10 includes a core 11, a clad 12, and the like. Germanium, phosphorus, or the like is added to the core 11 so that the refractive index of the core 11 is higher than that of the cladding 12. Thus, the light propagating by providing a difference in refractive index between the core 11 and the clad 12 causes total reflection at the interface between the core 11 and the clad 12 and is confined in the core 11. The total reflection condition is determined by the difference in refractive index and the incident angle 13 to the interface. When the optical fiber 10 is bent, the incident angle 13 at the interface between the core 11 and the cladding 12 is displaced, and the total reflection does not occur and a part leaks into the cladding 12. Loss occurs.

光通信用に用いる場合、光ファイバ10は曲げ損失に強いことが望まれコア11とクラッド12の屈折率差が大きい方が望ましい。しかし光の伝搬するコア11へ異物を添加するため屈折率差は限界があり、0.5%から1%程度である。   When used for optical communication, it is desirable that the optical fiber 10 be resistant to bending loss and that the difference in refractive index between the core 11 and the cladding 12 be large. However, since a foreign substance is added to the core 11 through which light propagates, the refractive index difference has a limit, which is about 0.5% to 1%.

一方、本発明のように光ファイバセンサに用いる場合、屈折率差が小さい方が望ましく、屈折率差を0.5%以下に設計すれば、直径20mm以上の曲げに対しても損失が発生するようになる。   On the other hand, when used in an optical fiber sensor as in the present invention, it is desirable that the difference in refractive index is small. If the difference in refractive index is designed to be 0.5% or less, a loss occurs even for a bending with a diameter of 20 mm or more. It becomes like this.

また、近年光通信用の光ファイバ10としてフォトニック結晶ファイバやホーリーファイバが注目を浴びている。これはクラッド12に空隙を与え屈折率の低い空気層を設けることで、実効屈折率差を大きくし曲げ損失を低減できる。ここで用いる光ファイバ10のコア11はクラッド12と同じ材質であり、空隙を0にすれば屈折率差がなくなる。空隙率を制御すれば曲げ直径を調整でき、直径20mm以上の曲げに対しても損失が発生するようになる。   In recent years, photonic crystal fibers and holey fibers have attracted attention as optical fibers 10 for optical communication. This is because an effective refractive index difference can be increased and bending loss can be reduced by providing a gap in the cladding 12 and providing an air layer having a low refractive index. The core 11 of the optical fiber 10 used here is made of the same material as that of the clad 12, and if the gap is set to 0, there is no difference in refractive index. If the porosity is controlled, the bending diameter can be adjusted, and a loss occurs even for a bending having a diameter of 20 mm or more.

例えばコア11の円周にそってクラッド12に約φ3μmの空隙を4箇所設けたホーリーファイバを用いると、直径30mmの光ファイバセンサ6において図3に示す、歪み透過損失特性と同等の特性を得られる。   For example, when a holey fiber in which four gaps of about φ3 μm are provided in the clad 12 along the circumference of the core 11 is used, a characteristic equivalent to the strain transmission loss characteristic shown in FIG. It is done.

以上のように従来、多点でリアルタイム計測が可能であったFBG式の測定点数が20点であったのに対し、本発明は大きく測定点数を大幅に増加させることができ、より大規模な多点計測が、リアルタイムで計測できる光ファイバセンシングシステムを提供することができ、さらに光ファイバセンサの光ファイバをカーボンコートファイバやホーリーファイバなどを用いることで信頼性の高き光ファイバセンシングシステムを提供することができる。   As described above, the number of measurement points of the FBG method, which has conventionally been capable of real-time measurement with multiple points, was 20, but the present invention can greatly increase the number of measurement points, and thus the scale is larger. It is possible to provide an optical fiber sensing system that can measure multiple points in real time, and to provide a highly reliable optical fiber sensing system by using carbon coated fiber or holey fiber as the optical fiber of the optical fiber sensor. be able to.

図1に示す本発明の光ファイバセンシングシステムを作製した。   The optical fiber sensing system of the present invention shown in FIG. 1 was produced.

広帯域光源1は1525nmから1605nmの帯域で−10dBm/nm以上の光を出力するASE光源を用いた。光スペクトラムアナライザ4は光通信で一般的に使用されるもので受光感度は−80dBm/nmのものを用いた。光分岐器2には透過損失が0.5dB程度であり、透過損失の波長特性も0.1dB未満であるサーキュレータを用いた。光学フィルタ3a、3bはFBGを用いた。反射率95%以上、反射スペクトラムの半値全幅0.25nm以下、25℃における反射ピーク波長がそれぞれ1550nmのものと1555nmのものを使用した。光ファイバセンサ6は図2のように半円状に設置し、最大で±1500μεの歪みをかけた。   As the broadband light source 1, an ASE light source that outputs light of −10 dBm / nm or more in a band from 1525 nm to 1605 nm was used. The optical spectrum analyzer 4 is generally used in optical communication and has a light receiving sensitivity of −80 dBm / nm. As the optical branching device 2, a circulator having a transmission loss of about 0.5 dB and a wavelength characteristic of the transmission loss of less than 0.1 dB was used. FBG was used for the optical filters 3a and 3b. The reflectance was 95% or more, the full width at half maximum of the reflection spectrum was 0.25 nm or less, and the reflection peak wavelengths at 25 ° C. were 1550 nm and 1555 nm, respectively. The optical fiber sensor 6 was installed in a semicircular shape as shown in FIG. 2, and a strain of ± 1500 με was applied at the maximum.

光学フィルタ3aと3bのそれぞれのピーク波長における、光量から透過損失を計測し、両者の差分を光ファイバセンサ6の透過損失量とした。図5に示すとおり予想値と同様な結果を導き出すことができ、本発明の有効性を検証した。   The transmission loss was measured from the amount of light at the respective peak wavelengths of the optical filters 3a and 3b, and the difference between the two was used as the transmission loss amount of the optical fiber sensor 6. As shown in FIG. 5, a result similar to the expected value could be derived, and the effectiveness of the present invention was verified.

本発明の光ファイバセンシングシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical fiber sensing system of this invention. 光ファイバセンサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of an optical fiber sensor. 歪みと透過損失の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between distortion and transmission loss. 光ファイバの曲げ損失のメカニズムを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mechanism of the bending loss of an optical fiber. 光学フィルタのピーク波長の光量差と光ファイバセンサの歪み量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the light quantity difference of the peak wavelength of an optical filter, and the distortion amount of an optical fiber sensor. マイクロベンディング法のセンサ部を示す図である。It is a figure which shows the sensor part of a microbending method. FBG法の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of FBG method.

符号の説明Explanation of symbols

1:広帯域光源
2:光分岐器
3a、3b:光学フィルタ
4:光スペクトラムアナライザ
5:光ファイバ
6:光ファイバセンサ
10:光ファイバ
11:コア
12:クラッド
13:入射角
106:光ファイバセンサ
201:広帯域光源
202:光分岐器
203:FBG
204:光スペクトラムアナライザ
205:光ファイバ
1: Broadband light source 2: Optical splitter 3a, 3b: Optical filter 4: Optical spectrum analyzer 5: Optical fiber 6: Optical fiber sensor 10: Optical fiber 11: Core 12: Clad 13: Incident angle 106: Optical fiber sensor 201: Broadband light source 202: optical splitter 203: FBG
204: Optical spectrum analyzer 205: Optical fiber

Claims (11)

光源と、受光部と、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサとを備えた光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光ファイバセンサの両端にそれぞれ異なる波長帯域の光を透過または反射する光学フィルタを備え、これら光学フィルタの透過光または反射光の光量の差分を前記光ファイバセンサに掛かる歪み量として前記受光部で計測することを特徴とする光ファイバセンシングシステム。 In an optical fiber sensing system comprising a light source, a light receiving portion, and an optical fiber sensor that attenuates transmitted light when bent and bent, an optical filter that transmits or reflects light in different wavelength bands at both ends of the optical fiber sensor The optical fiber sensing system is characterized in that the light receiving unit measures the difference in the amount of transmitted light or reflected light of these optical filters as the amount of distortion applied to the optical fiber sensor. 一本の光ファイバ上に、歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する部分を複数備え、それぞれの両端に備える前記光学フィルタが全て異なる波長帯域の光を透過または反射するものであることを特徴とする請求項1記載の光ファイバセンシングシステム。 A single optical fiber is provided with a plurality of portions where transmitted light is attenuated when subjected to strain and bent, and the optical filters provided at both ends transmit or reflect light of different wavelength bands. The optical fiber sensing system according to claim 1. 前記光源が広帯域光源であり、前記受光器が複数の波長帯の光量を検出できることを特徴とする請求項1または2記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to claim 1, wherein the light source is a broadband light source, and the light receiver can detect light amounts in a plurality of wavelength bands. 前記光源が波長可変光源であり、前記受光器が前記波長可変光源の捜引速度に同期することで波長帯を決定することを特徴とする請求項1または2記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to claim 1 or 2, wherein the light source is a wavelength tunable light source, and the light receiver determines a wavelength band in synchronization with a search speed of the wavelength tunable light source. 前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源を、他方端に前記受光器をそれぞれ配置し、前記光学フィルタの透過光を計測することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 2. The optical fiber sensor in which transmitted light is attenuated when bent by receiving the strain, the light source is disposed at one end and the light receiver is disposed at the other end, and the transmitted light of the optical filter is measured. The optical fiber sensing system in any one of -4. 前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの一方端に前記光源と前記受光器を配置し、他方端が終端され、前記光源からの出力光と前記受光器への戻り光を分岐する分岐器を備え、前記光学フィルタの反射光を計測することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 The light source and the light receiver are arranged at one end of an optical fiber sensor that attenuates transmitted light when bent under the strain, the other end is terminated, and the output light from the light source and the return light to the light receiver are branched. The optical fiber sensing system according to claim 1, further comprising: a branching unit that measures reflected light of the optical filter. 前記光学フィルタがファイバブラッググレーティングであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to claim 1, wherein the optical filter is a fiber Bragg grating. 前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの被覆がカーボンコートされていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to any one of claims 1 to 7, wherein a coating of an optical fiber sensor in which transmitted light is attenuated when bent by receiving the strain is carbon coated. 前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサの曲げ損失特性が曲げ直径20mm以上でも発生することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to any one of claims 1 to 8, wherein a bending loss characteristic of an optical fiber sensor in which transmitted light is attenuated when bent by receiving the strain occurs even at a bending diameter of 20 mm or more. 前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバセンサのコアとクラッドの屈折率差が0.5%以内であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to any one of claims 1 to 8, wherein a difference in refractive index between a core and a clad of an optical fiber sensor in which transmitted light is attenuated when bent under the strain is within 0.5%. . 前記歪みを受け屈曲すると透過光が減衰する光ファイバがフォトニック結晶ファイバあるいはホーリーファイバであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光ファイバセンシングシステム。 The optical fiber sensing system according to any one of claims 1 to 8, wherein the optical fiber whose transmitted light attenuates when bent under the strain is a photonic crystal fiber or a holey fiber.
JP2004186473A 2004-06-24 2004-06-24 Optical fiber sensing system Withdrawn JP2006010449A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004186473A JP2006010449A (en) 2004-06-24 2004-06-24 Optical fiber sensing system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004186473A JP2006010449A (en) 2004-06-24 2004-06-24 Optical fiber sensing system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006010449A true JP2006010449A (en) 2006-01-12

Family

ID=35777875

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004186473A Withdrawn JP2006010449A (en) 2004-06-24 2004-06-24 Optical fiber sensing system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006010449A (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100952053B1 (en) 2008-02-22 2010-04-07 전남대학교산학협력단 Opical Fiber Bragg Grating Sensing System Using Spectral Tag
JP2010112867A (en) * 2008-11-07 2010-05-20 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Vibration or elastic wave detector
WO2012137846A1 (en) * 2011-04-05 2012-10-11 オリンパス株式会社 Bend measuring optical device
JP2017223503A (en) * 2016-06-14 2017-12-21 太平洋セメント株式会社 Corrosion estimation method and estimation method

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100952053B1 (en) 2008-02-22 2010-04-07 전남대학교산학협력단 Opical Fiber Bragg Grating Sensing System Using Spectral Tag
JP2010112867A (en) * 2008-11-07 2010-05-20 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology Vibration or elastic wave detector
WO2012137846A1 (en) * 2011-04-05 2012-10-11 オリンパス株式会社 Bend measuring optical device
US9146097B2 (en) 2011-04-05 2015-09-29 Olympus Corporation Optical bend measurement apparatus
US9383193B2 (en) 2011-04-05 2016-07-05 Olympus Corporation Optical bend measurement apparatus
JP2017223503A (en) * 2016-06-14 2017-12-21 太平洋セメント株式会社 Corrosion estimation method and estimation method
JP7079051B2 (en) 2016-06-14 2022-06-01 太平洋セメント株式会社 Corrosion estimation method and estimation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109238355B (en) Device and method for simultaneously sensing and measuring distributed dynamic and static parameters of optical fiber
Westbrook et al. Kilometer length, low loss enhanced back scattering fiber for distributed sensing
Alwis et al. Developments in optical fibre sensors for industrial applications
US5848204A (en) Fiber devices and sensors based on multimode fiber Bragg gratings
US6925230B2 (en) Long period chiral fiber grating apparatus
CA2740372C (en) Method and system for measuring a parameter in a high temperature environment using an optical sensor
CN100367016C (en) Fibre-optical temperature measuring device and measurement thereof
CN102829893A (en) Method for simultaneously measuring temperature and stress of fiber bragg gratings (obtained by corrosion) with different diameters
JP2008107141A (en) Optical wavelength detection type physical quantity measuring sensor using ring resonator and bragg grating
WO2012038784A1 (en) Strain and temperature discrimination using fiber bragg gratings in a cross-wire configuration
Gao et al. Multi-Wavelength ultra-weak fiber bragg grating arrays for long-distance quasi-distributed sensing
CN201508279U (en) Optical-fiber circuit detecting unit and system thereof
JP2006010449A (en) Optical fiber sensing system
Chen et al. Differential sensitivity characteristics of tilted fiber Bragg grating sensors
CN216385762U (en) Sensor and sensing experimental device based on resonant reflection waveguide and Mach-Zehnder
JP2005274333A (en) Fiber-optic sensing system
Luo et al. Online reflectivity measurement of an ultra-weak fiber Bragg grating array
JP2005351663A (en) Fbg humidity sensor and humidity measuring method using the fbg humidity sensor
JP2005114702A (en) Fbg sensing system
US10883890B2 (en) Linear cavity ring down device
Kim et al. High finesse interferometric hydrogen sensor based on fiber-optic Fabry-Perot cavity modulations
KR20110043834A (en) Demodulation system for fbg sensors using linearly arrayed photodetectors with optical dispersion devices
Kremp et al. Continuous optical fiber gratings for distributed sensing
Khun-In et al. Resonant wavelength observation by 3D printed mechanically induced long-period fiber grating device
JP2009052964A (en) Fiber-optic temperature sensor and temperature detection system using it

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070516

A761 Written withdrawal of application

Effective date: 20081009

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761