JP2006138757A - 光ファイバ式多元センサシステム - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本発明の光ファイバ式多元センサシステムは、少なくとも一つの光信号強度の変化に変換するセンサと少なくとも一つの信号波長の変化に変換するセンサとを組み合わせた複合センサにより構成している。光信号強度の変化に変換するセンサには光ファイバの曲げや破断を利用して光を減衰させたり遮断できるセンサを用い、信号波長の変化に変換するセンサにはＦＢＧセンサを用いる。光信号強度の変化に変換するセンサはＦＢＧセンサに対して常に光源側に配置する。
【効果】 本発明によれば、光信号強度の変化に変換するセンサと信号波長の変化に変換するセンサとを組み合わせて構成したので、簡易な構成でかつ安価にシステムを構築でき、しかも高精度で異常発生の箇所や発生量を計測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、歪み、変位、圧力、加速度、温度、湿度等の各種物理量の変化を測定する光ファイバ式多元センサシステムに係り、簡易な構成で安価なセンサシステムに関する。

近年、光ファイバを用いたセンシング技術が多数用いられるようになってきている。この中で代表的なものとしてファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）方式がある。ＦＢＧはシングルモードファイバ（ＳＭＦ）のコアの屈折率を軸方向に周期的に変化させた屈折率格子であり、格子間隔をΛ、基本モードの実効屈折率をｎ_effとすると、以下の式の条件に合致する波長成分λ_B（Ｂｒａｇｇ波長）のみを選択的に反射する性質を有している。

λ_B＝２ｎ_eff・Λ
ここで、例えばＦＢＧの軸方向に伸び（圧縮）歪みが与えられた場合、主に格子間隔Λが変化するために、上記の式よりＢｒａｇｇ波長も変化することになる。Ｂｒａｇｇ波長は概ね歪み量に比例して変化するので、Ｂｒａｇｇ波長の変化からＦＢＧの歪み量を算出することができる。通常ＦＢＧを用いたセンシングには、ＦＢＧセンサに測定光を送る広帯域光源とＦＢＧからの反射信号を受光しＦＢＧセンサの特性パラメータ（反射中心波長、反射強度）に変換する波形測定器からなるモニタ装置が用いられる。

このようなＦＢＧを用いたセンシング技術は、局所点の歪み量を高精度・高分解能でかつ定量的に計測でき、また波長多重（ＷＤＭ）により複数のセンサの信号光を１本の光ファイバに重畳して伝送できるという利便性により変位計や歪み計などの様々な計測に応用されている。特にＦＢＧセンサを直列接続して多点計測を行うことも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

従来ＦＢＧ方式を用いたセンサシステムとしては図４のようにして用いられていた。即ち、図４（ａ）において、ＦＢＧセンサ４１（ＦＢＧ４１ａ、ＦＢＧ４１ｂ、ＦＢＧ４１ｃ、ＦＢＧ４１ｄ、・・・）を光ファイバ４２により直列に接続し、このＦＢＧセンサ４１にＡＳＥ光源４３からの光を光サーキュレータ４４により入力する。多点計測の場合は光スイッチ等の切り替え装置４５により適宜光信号の入出力を切り替える。そして、歪みが発生した箇所に対応するＦＢＧセンサ４１の何れかのＦＢＧセンサの光の反射波長が図３（ｂ）において波線で示したようにシフトするので（例えばＦＢＧ４１ｂの箇所に歪みが加わった場合）、その反射信号を再び切り替え装置４５、光サーキュレータ４４を通して波形測定器４６に入力して波長シフト量を歪み量の情報に変換する。このようにして波長シフトが発生した反射信号の波長から歪みが発生しているＦＢＧセンサの位置を、また初期中心波長からのシフト量から歪み量を定量的に算出するようになっている。なお、ＡＳＥ光源４３、光サーキュレータ４４、波形測定器４６を一括してモニタ装置４７と称する。

また、他の定量的な計測の方法としては、一定量以上の変位が発生したときに光ファイバに曲げが加わるようにして伝送損失を発生させることで光信号を減衰させ、その光信号の変化量から歪み量を測定するという技術も知られている（例えば、非特許文献２参照）。

一方、センシング技術には必ずしも常に定量的な計測を必要とする場合だけではなく、例えば一定量以上の変位の有無だけを検知する、いわゆるリミット検知（定性測定）だけで足りる場合もある。このようなリミット検知の方法としては光ファイバを破断させて光信号を遮断して変位の発生の有無を検知するリミットセンサを用いた技術がある。

従来リミットセンサ方式を用いたセンサシステムとしては、例えば図５のような方式が挙げられる。即ち、図５（ａ）において、リミットセンサ５１（リミットセンサ５１ａ、リミットセンサ５１ｂ、リミットセンサ５１ｃ、リミットセンサ５１ｄ、・・・）を光ファイバ５２により直列に接続し、ＯＴＤＲ５３により光信号を入力する。リミットセンサ５１は、例えば既定量以上の歪みが発生した箇所（リミットセンサ５１ｂの箇所）で光ファイバを破断させる機能を有しており、光ファイバが破断して光信号の伝送ができなくなると図５（ｂ）のようにＯＴＤＲに表示される光信号の反射散乱光強度が低下し、その低下した箇所で歪みの発生が生じたことがわかるようになっている。

なお、上記した従来例に示したような定量測定型のセンサ（ＦＢＧセンサあるいは光信号減衰センサ等）と定性測定型のリミットセンサの作用について横軸を物理量の変化、縦軸を光信号強度として模式的に図６のように表すことができる。即ち、ＦＢＧセンサあるいは光信号減衰センサのような定量測定型センサは物理量の変化に対して連続的に光信号強度が変化するが、リミットセンサのような定性測定型センサの場合は物理量の変化におけるある境界値を境にステップ状（階段状）に変化するものである。

「非破壊検査」第５０巻、９号、２００１年、Ｐ５９１〜５９４ 「非破壊検査」第５０巻、９号、２００１年、Ｐ５８７〜５９０

ところで、上記のような従来の技術には、次のような解決すべき課題があった。

即ち、ＦＢＧ方式により波長多重化して多点計測を行う場合には、広帯域光源の帯域や設定される分解能、あるいはダイナミックレンジ設定により波長多重度が制限を受けることになる。従って、１台の計測装置に接続して同時にモニタできる計測点数には限界があり、例えばＣ−Ｂａｎｄで有効帯域が約３０ｎｍのＡＳＥ光源を用い、１計測点あたりにＦＢＧの中心波長シフト量にして５ｎｍのダイナミックレンジを割り振ると、光信号の多重度は６〜７が限界となる。

このように計測点の多い大規模計測を行う場合には、計測装置を多数用意するか光スイッチを用いて多数の光ファイバ系統を切り替えながら計測を行う必要があった。従って、計測装置の増大は当然に膨大なコスト増を招き、また光スイッチは切り替え速度の制約により計測間隔が長くなりリアルタイムのモニタリングが困難になるという問題がある上に長期間の頻繁なスイッチング操作に対する耐久性にも問題があった。

また、通常１観測点あたりの計測は１軸だけではなく、２軸ないしは３軸のモニタリングを必要とすることが多いため、それだけ多くのセンサが必要となる。そのため、大規模な計測システムを構築する場合には電気式に対して給電が不要、遠隔モニタが可能、電場・磁場に対する無誘導特性、絶対値校正の容易さなどの多くの技術的な優位性があるにもかかわらず、ＦＢＧセンサ方式は高コスト性から採用されにくい状況にあった。

また、光ファイバに曲げを付与して光信号を減衰させて歪み等を定量的に計測する方法においても、多点計測を行う場合にはセンサを直列に接続してＯＴＤＲを用いて行う必要があるが、ＯＴＤＲは微弱なレイリー散乱光を検出するために膨大な積算計測を行う必要があり計測時間が長くなるという問題があった。

一方、リミットセンサ方式の場合には、歪みの発生の有無だけを検知するので定量的な計測はできないもののＦＢＧセンサ方式に比べて簡易な構造であるという利点はある。しかし、リミットセンサを用いて多点計測を行う場合には、異常発生箇所（歪み発生箇所）を特定するために１センサ毎に配線系統を分ける並列配線方式か、あるいは背景技術で説明したようにセンサを直列に多段接続してＯＴＤＲを用いて損失発生点までの距離情報を計測する必要があった。

このような従来のリミットセンサ方式を用いた場合、並列配線は多条の光ファイバを使用するために極めて煩雑な敷設、配線作業を強いられ、かつ多数の計測器や光スイッチを必要とするため機能に比較して施工、維持コストが高くなる。一方、直列接続を行う場合、やはりＯＴＤＲは微弱なレイリー散乱光を検出するために膨大な積算計測を行う必要があり計測時間が長くなるという問題があった。また、位置情報の分解能や精度が低いためにセンサを近接して配置すると異常検出箇所が特定できないなどの問題もあった。

本発明は上記のような課題を解決して簡易な構成で異常箇所（歪み発生箇所）の検出が高精度でかつ安価に実現できる光ファイバ式多元センサシステムを提供するものである。

本発明は以上の点を解決するため次のような構成からなるものである。

即ち、本発明はまず第１の態様として、複数の光ファイバ式センサを組み合わせて各種物理量の変化を測定する光ファイバ式多元センサシステムにおいて、少なくとも一つの光信号強度の変化に変換するセンサと少なくとも一つの信号波長の変化に変換するセンサとを組み合わせた複合センサを構成して前記物理量の変化を測定する手段を設けたことを特徴とする。

また、第２の態様として、前記第１の態様において、前記複合センサを直列に接続して組み合わせたことを特徴とする。

さらに、さらに第３の態様として、前記第１の態様において、前記複合センサを並列に接続して組み合わせたことを特徴とする
また、第４の態様として、前記第１の態様から第３の態様のいずれかの態様において、前記光信号強度の変化に変換するセンサは光信号減衰センサであることを特徴とする。

さらに、第５の態様として、前記第４の態様において、前記光信号減衰センサは光ファイバに曲げを付与することにより光信号を減衰させるセンサであることを特徴とする。

また、第６の態様として、前記第１の態様から第３の態様のいずれかの態様において、前記光信号強度の変化に変換するセンサは光信号遮断センサであることを特徴とする。

さらに、第７の態様として、前記第６の態様において、前記光信号遮断センサは光ファイバに曲げを付与することにより光信号を遮断させるセンサであることを特徴とする
また、第８の態様として、前記第１の態様から前記第６の態様におけるいずれかの態様において、前記光信号遮断センサは光ファイバを破断させることにより光信号を遮断させるセンサであることを特徴とする。

さらに、第９の態様として、前記第１の態様から前記第３の態様におけるいずれかの態様において、前記信号波長の変化に変換するセンサはファイバ・ブラッグ・グレーティングセンサであることを特徴とする。

また、第１０の態様として、前記第１の態様から前記第９の態様におけるいずれかの態様において、前記複合センサにおいて、光信号強度の変化に変換するセンサは前記信号波長の変化に変換するセンサに対して光の入力側に配置することを特徴とする。

本発明の光ファイバ式多元センサシステムによれば、歪みの発生などの異常の検出を光信号強度の変化に変換するセンサと信号波長の変化に変換するセンサとを組み合わせた複合センサを用いて行うようにしたので、簡易な構成でかつ安価にシステムを構築でき、しかも高精度で異常発生の箇所や発生量を計測することができる。

以下、本発明の実施の形態について具体例を用いて説明する。
図１は本発明の光ファイバ式多元センサシステムの一実施の形態を表した図である。図１（ａ）はその基本構成、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は信号光（反射光）の波長スペクトルを模式的に表した図である。図１（ａ）において、光信号強度の変化に変換するセンサ（以下、光強度変換センサ）１ａ、２ａ、３ａ、・・・と信号波長の変化に変換するセンサ（以下、波長変換センサ）であるＦＢＧセンサ１ｂ、２ｂ、３ｂ、・・・とは、第１のセンサ１（光強度変換センサ１ａとＦＢＧセンサ１ｂの組み合わせ）、第２のセンサ２（光強度変換センサ２ａとＦＢＧセンサ２ｂの組み合わせ）、第３のセンサ３（光強度変換センサ３ａとＦＢＧセンサ３ｂの組み合わせ）、・・・というように常に光強度変換センサとＦＢＧセンサが組み合わされた複合センサとして構成されている。

このような組み合わせにおいて、例えば光強度変換センサをＸ軸方向の変位、ＦＢＧセンサをＹ軸方向の変位を測定するように設定しておけば、歪みが発生した箇所の変位がどの方向に生じたかがわかる。そして、それぞれの複合センサである第１のセンサ１、第２のセンサ２、第３のセンサ３、・・・は光ファイバ４により直列に接続されており、また光強度変換センサとＦＢＧセンサの組み合わせにおいて光強度変換センサは常にＦＢＧセンサに対してＡＳＥ光源５側、即ち光の入力側に配置されている。

ＡＳＥ光源５からの波長の異なる複数の多重化された光が光サーキュレータ６により各センサに入力される。そして、各センサのうちのＦＢＧセンサから反射された複数の反射光が再び光サーキュレータ６を介して波形測定器７に送られ、この波形測定器７上にそれぞれの反射光の波形が表示されるようになっている。なお、ＡＳＥ光源５、光サーキュレータ６、波形測定器７を一括してモニタ装置８と称する。

ここで、各複合センサ（第１のセンサ１、第２のセンサ２、第３のセンサ３、・・・）が設置された箇所で特に何の歪みも発生していない場合には、図１（ｂ）の実線で示したように各ＦＢＧセンサからの反射光の強度、反射光の波形の位置には変化がない。しかし、例えば第２のセンサ２が設置された箇所に歪みが発生した場合には、この第２のセンサ２のうちの光強度変換センサ２ａにおいて光ファイバに曲げが加わるようにしてあるので反射光が減衰するため図１（ｂ）の波線で示したように反射光強度が低下し、かつ波形の位置が変位する。従って、波形測定器７に表示されている波形をモニタすることで波形の反射光強度の低下量及び波形の位置の変位量から歪みの発生方向と発生量を知ることができる。なおこの場合には、第３のセンサからの反射光強度も図１（ｂ）に示したように第２のセンサからの反射光強度と同程度に低下する。

このような構成を採用することによって、従来用いられてきた方式に比べてＦＢＧセンサの数、即ち必要なモニタ装置の数を大幅に削減することができ、またＦＢＧセンサの波形情報との組み合わせで異常検出したリミットセンサの箇所をＯＴＤＲを用いることなく正確に特定することができる。

なお、上記実施の形態では歪みが発生した箇所で光強度変換センサとして光ファイバに曲げを加えて反射光を減衰させるようにしたが、光ファイバの光信号（反射光）を遮断させるようにしてもよい。光信号を遮断させる方法としては、歪みが発生した箇所で光ファイバに極小の曲げを付与し、実質的に光信号が透過できなくなるようにしたり、あるいは光ファイバを破断させるようにするとよい。

この場合には光強度変換センサがリミットセンサとして用いられることになり、このリミットセンサがＦＢＧセンサに対して光源側に配置されているのでＦＢＧセンサからの反射光による波形情報が遮断され、図１（ｃ）に示すように、例えば歪みが発生した第２のセンサの反射光の波形が波形測定器６上に表示されなくなる。そして歪みが発生した箇所以降の反射光の波形も表示されなくなる。従って、最初に波形が表示されなくなったセンサの位置が歪み発生箇所であることがわかるので、ＯＴＤＲを用いることなく正確に歪みの発生箇所を特定できる利点がある。

また、上記実施の形態では複合センサとして光強度変換センサ及びＦＢＧセンサをそれぞれ一つずつ組み合わせた例を示したが、複数の光強度変換センサやＦＢＧセンサを用いても差し支えない。即ち、計測すべき歪みの数により最適なセンサの数、種類を適宜選択すればよい。

高速道路や鉄道などの高架橋では、橋脚部で橋桁を接合させる構造が一般的に見られる。この接合部で桁ズレを起こすと走行車両が脱線、落下、衝突などの大きな事故を起こす原因となるため、接合部における橋桁の相対的変位（歪み）を監視することは道路や線路の安全管理上極めて重要である。

橋桁接合部の構造は３方向、即ち路面の延長方向、路面に垂直な方向、前２者に垂直な方向で相互に異なるため、各方向で許容される桁ズレ量も異なった値となる。また、実際に発生する桁ズレ量も３方向で異なる大きさになる。従って、３方向でそれぞれ独立に桁ズレに伴う変位量（歪み量）の監視を行う必要がある。

しかし、必ずしも全方向についてリアルタイムに定量的に数値計測を行う必要はなく、地震や大雨など橋梁崩壊が発生しやすい状況の時に許容値以上の桁ズレが発生していないかを知るだけでよい場合もある。けれども、１方向だけでも変位量を計測できる定量測定用センサを設置すれば、通常の交通量に関する情報取得（車両が通過する度に小さな変位が発生する等）や橋梁の健全性に関する定期診断が可能となり、システムの付加価値が格段に向上する。

そこで、変位に対して１方向がＦＢＧセンサを用いた波長の変化に変換するセンサ、他の２方向が光信号強度の変化に変換するセンサからなる複合センサを用いた光ファイバ式３次元センサシステムを橋梁に適用した。ここで、路面に垂直な方向の桁ズレは、少ない変位量でも通行車両に非常に危険を及ぼす虞もあることや通常の車両走行により最も影響を受けやすく、交通量監視には極めて重要な方向と言えるので、路面に垂直な方向の変位量を計測するためにはＦＢＧセンサを、他の２方向については光信号強度の変化に変換するセンサのうち変位が生じた場合に光信号を遮断するリミットセンサを配置した。

図２はその構成を示したものである。なお、図１と同一の箇所には同一の番号を付すこととし、以後も同様とする。図２において、ＡＳＥ光源５からの光は光サーキュレータ６により第１の橋脚２１に設置された２つのリミットセンサＬ１ａ、Ｌ１ｂと一つのＦＢＧセンサＦ１からなる複合センサに入力される。同様にして複数の橋脚に複合センサを設置する場合は、第２の橋脚２２に２つのリミットセンサＬ２ａ、Ｌ２ｂと一つのＦＢＧセンサＦ２からなる複合センサが第１の橋脚２１に設置された複合センサと直列に接続されて設置され、光が入力される。さらに他の橋脚の変位量を測定する場合には順次同様に各複合センサが設置され、光が入力される。そして、複数の橋脚のうちのどれかに桁ズレが生じた場合には、その桁ズレがどの橋脚で生じたかを２つのリミットセンサと１つのＦＢＧセンサの変化から計測するようになっている。即ち、波長が消失した（反射光強度が消失した）Ｂｒａｇｇ波長または波長が変化したＢｒａｇｇ波長から桁ズレ箇所を特定することができる。

ここで、本実施例では複数の橋脚に設置されたＦＢＧセンサＦ１、ＦＢＧセンサＦ２、・・・をそれぞれ異なるＢｒａｇｇ波長を有するセンサとし、１本の光ファイバにより波長多重伝送を行った。従って、極めて簡易な構成で桁ズレの変位の箇所や程度をリアルタイムに正確に監視することができた。

ところで、上記実施の形態あるいは実施例では光強度変換センサとＦＢＧセンサからなる複合センサを直列に接続した例で説明したが、特に直列接続に限るものではなく、例えば図３のように光強度変換センサとＦＢＧセンサの組み合わせからなる複合センサをそれぞれ並列に接続したシステムとすることも差し支えない。図３は図２において説明した橋梁における桁ズレを計測するシステムにおいて、リミットセンサ（光強度変換センサ）とＦＢＧセンサ（波長変換センサ）の組み合わせからなる複合センサをそれぞれ並列に接続した例である。図３において、光サーキュレータ６からの光はスプリッタ（多分岐光カプラ）９により所定数分岐され、第１の橋脚３１に設置された２つのリミットセンサＬ１ａ、Ｌ１ｂと一つのＦＢＧセンサＦ１からなる複合センサに入力される。同様にして複数の橋脚にセンサを設置する場合は、第２の橋脚３２に２つのリミットセンサＬ２ａ、Ｌ２ｂと一つのＦＢＧセンサＦ２からなる複合センサが第１の橋脚３１に設置された複合センサと並列に接続されて設置され、さらに第３の橋脚３３に２つのリミットセンサＬ３ａ、Ｌ３ｂと一つのＦＢＧセンサＦ３からなる複合センサが第１の橋脚３１及び第２の橋脚３２に設置された各複合センサと並列に接続されて設置され、以下同様に第ｎの橋脚３ｎにリミットセンサＬｎａ、Ｌｎｂと一つのＦＢＧセンサＦｎからなる複合センサが各複合センサと並列に接続されて設置され、光が入力される。このように目的とする用途に応じて最適なシステムを設計すればよい。

本発明は、土石流などによる斜面崩落の監視や構造物の健全性評価等にも適用することができる。

本発明の一実施の形態を表す図である。 本発明の実施例を説明する図である。 本発明の他の実施例を説明する図である。 本発明の従来例を説明する図である。 本発明の他の従来例を説明する図である。 定性測定型センサと定量測定型センサの作用を説明する図である。

符号の説明

１‥‥‥第１のセンサ
２‥‥‥第２のセンサ
３‥‥‥第３のセンサ
４‥‥‥光ファイバ
５‥‥‥ＡＳＥ光源
６‥‥‥光サーキュレータ
７‥‥‥波形測定器
８‥‥‥モニタ装置
９‥‥‥スプリッタ
２１‥‥第１の橋脚
２２‥‥第２の橋脚
３１‥‥第１の橋脚
３２‥‥第２の橋脚
３３‥‥第３の橋脚
３ｎ‥‥第ｎの橋脚

Claims (10)

1. 複数の光ファイバ式センサを組み合わせて各種物理量の変化を測定する光ファイバ式多元センサシステムにおいて、少なくとも一つの光信号強度の変化に変換するセンサと少なくとも一つの信号波長の変化に変換するセンサとを組み合わせた複合センサを構成して前記物理量の変化を測定する手段を設けたことを特徴とする光ファイバ式多元センサシステム。
2. 前記複合センサを直列に接続して組み合わせたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式多元センサシステム。
3. 前記複合センサを並列に接続して組み合わせたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ式多元センサシステム。
4. 前記光信号強度の変化に変換するセンサは光信号減衰センサであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の光ファイバ式多元センサシステム。
5. 前記光信号減衰センサは光ファイバに曲げを付与することにより光信号を減衰させるセンサであることを特徴とする請求項４記載の光ファイバ式多元センサシステム。
6. 前記光信号強度の変化に変換するセンサは光信号遮断センサであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の光ファイバ式多元センサシステム。
7. 前記光信号遮断センサは光ファイバに曲げを付与することにより光信号を遮断させるセンサであることを特徴とする請求項６記載の光ファイバ式多元センサシステム。
8. 前記光信号遮断センサは光ファイバを破断させることにより光信号を遮断させるセンサであることを特徴とする請求項６記載の光ファイバ式多元センサシステム。
9. 前記信号波長の変化に変換するセンサはファイバ・ブラッグ・グレーティングセンサであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の光ファイバ式多元センサシステム。
10. 前記複合センサにおいて、光信号強度の変化に変換するセンサは前記信号波長の変化に変換するセンサに対して光の入力側に配置することを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれかの請求項に記載の光ファイバ式多元センサシステム。
    

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