JP2006266799A

JP2006266799A - 光ファイバセンサ装置

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Publication number: JP2006266799A
Application number: JP2005083724A
Authority: JP
Inventors: Takao Kobayashi; 喬郎小林; Yasufumi Enami; 康文榎波; Hiroshi Iwashima; 寛岩島
Original assignee: University of Fukui NUC
Current assignee: University of Fukui NUC
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP4032124B2

Abstract

【課題】光ファイバに多数個のセンサを設けることが可能で、短距離から長距離まで広範囲に測定することができ、かつ、低価格で汎用性のある光ファイバセンサ装置を提供する。
【解決手段】監視対象２の歪を、光ファイバ１１によって検出する光ファイバセンサ装置１において、光ファイバ１１のコア１１ａ内に設けられた一枚ないし複数枚の屈折率変化によるフレネル反射板１２ａ，１２ａを前記軸線に対して直交するように対向配置した一つ又は複数の歪センサ部１２と、この歪センサ部１２を監視対象２の歪測定部位に取り付ける取付部材２１と、この歪センサ部１２に向けて単一波長の光を照射する光源ＬＤと、反射板１２ａによって反射された光を受光する受光部ＰＤと、この受光部ＰＤによって受光された反射光の強度変化の有無から、監視対象２の歪の有無を判断する信号処理部１５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、監視対象の歪や温度変化を、光ファイバによって検出する光ファイバセンサ装置に関する。

監視対象に光ファイバを固定し、この光ファイバに生じる歪をＢＯＴＤＲ（ブリルアン散乱光利用光ファイバ歪計測装置）で測定して監視対象の歪、変位を検出するシステムが、特許文献１や特許文献２等で知られている。
特開平１０−１９７２９７号公報特願平１１−６７１５号公報

また、光ファイバコアの紫外光誘起屈折率変化を用いて、光ファイバのコアにブラッグ回折格子を形成した光ファイバグレーティング（以下、ＦＢＧと言う）が、特許文献３，４，５等で知られている。このＦＢＧでは、その性質を利用して、種々の物理量を計測することができるという利点がある。
特開２００２−２１３９２７号公報特開２００３−６５７３０号公報特開２００３−１４５６１号公報

しかし、前者は、振動などのリアルタイムなモニタリングには不向きで、装置も複雑になり、コストも高いという問題がある。また、後者は、測定時間が短く、リアルタイムなモニタリングには向いているものの、屈折率を周期的に変化させるためのグレーティングを、紫外線照射法等を用いて光ファイバのコア部に数千枚形成しなければならないという問題がある。さらに、ＦＢＧでは、高価な広帯域波長帯の光源を必要とするうえ、光源のスペクトル幅により設けることのできるＦＢＧセンサの個数が約３０個と制限されるため、システムのコストが高くなり、用途も限られるという問題がある。

本発明は上記の問題点にかんがみてなされたもので、ＦＢＧと同程度に短い測定時間で監視対象の歪を測定することが可能で、振動等をリアルタイムにモニタリングすることができ、光ファイバに多数個のセンサを設けることが可能で、短距離から長距離まで広範囲に測定することができ、かつ、低価格で汎用性のある光ファイバセンサ装置の提供を目的とする。

本発明の発明者が鋭意研究を行った結果、ファブリペロ干渉による共振器で、本発明の目的を達成できることに想到した。
すなわち、請求項１に記載の発明は、監視対象の歪を、光ファイバによって検出する光ファイバセンサ装置において、光ファイバのコア内に設けられたフレネル反射板を前記光ファイバの軸線に対して直交するように対向配置してなる一つ又は複数の共振器型の歪センサ部と、この歪センサ部を前記監視対象の歪測定部位に取り付ける取付部材と、この歪センサ部に向けて単一波長の光を照射する光源と、前記歪センサ部によって反射された光を受光する受光部と、この受光部によって受光された反射光の強度変化の有無から、前記監視対象の歪の有無を判断する信号処理部とを有する構成としてある。

ここで、ファブリペロ共振器型の歪センサ部は、光ファイバのコア内で、屈折率変化させた反射板をファイバの軸線に対して直交するように対向配置された一対の反射板からなり、前記歪センサ部での反射率は約１０^-２％〜６％である。
本発明では、光源からは単一波長の光が歪センサ部に照射される。この歪センサ部で反射された反射された光は、受光部で受光される。ファブリペロ干渉を利用した前記歪センサ部の反射率は、光源から照射された光の波長に対する周期的な振動関数の波形として表すことができる。

そして、監視対象の歪にともない、前記歪センサ部が伸縮すると、この波形が波長の長い方又は短い方へと移動する。そこで、レーザ光のように一定の波長の光を歪センサ部に照射して、その反射光の強度を調べると、前記波形の変化にともなって歪センサ部からの反射光の強度が変化する。この変化を検出することで、信号処理部では監視対象の測定部位に歪が生じたと判断することができる。
なお、反射光の強度変化量と監視対象の歪量との関係を予め求めておくことで、前記反射光の強度量から監視対象の具体的な歪量を求めることができる。このようにすることで、例えば、監視対象の歪が予め設定された許容範囲を越えたときに、アラームで報知するように構成することも可能である。

請求項２に記載の発明は、前記光ファイバの軸線に対して交差する方向の前記監視対象の歪を、前記光ファイバの軸線方向の歪に変換する歪方向変換部を前記歪センサ部に設けた構成としてある。
この構成によれば、光ファイバの軸線方向の歪だけでなく、多方向の歪を一つの歪センサ部で検出することが可能になる。

本発明の光ファイバセンサ装置は、監視対象の温度変化を計測することも可能である。
この場合は、請求項３に記載するように、監視対象の温度変化を、光ファイバの歪として検出する光ファイバセンサ装置において、前記光ファイバの軸線に対して直交するように対向配置された一対の前記反射板からなる歪権出手段及び前記監視対象の温度変化によって伸縮する温度変化検出部材を有する一つ又は複数の温度センサ部と、この温度センサ部に向けて単一波長の光を照射する光源と、前記歪検出手段によって反射された光を受光する受光部と、この受光部によって受光された反射光の強度変化量と前記温度検出部材の線膨張係数とから、前記監視対象の温度変化量を求める信号処理部とを有する構成とすればよい。
この構成によれば、監視対象の温度変化の有無はもちろん、前記温度変化検出部材の線膨張係数と温度センサ部によって検出された歪量とから、監視対象の具体的な温度変化量も求めることができ、例えば、監視対象の温度が予め設定された許容範囲を越えたときに、アラームで報知するように構成することも可能である。

請求項４に記載の発明は、前記信号処理部は、前記受光部が受光した前記反射光の受光間隔に基づき、複数の前記歪センサ部又は複数の前記温度センサ部の中から、歪の発生や温度変化を検出した所定の前記歪センサ部又は温度センサ部を特定する構成としてある。
複数の歪センサ部や温度センサ部が離間して直列に光ファイバに設けられている場合、光ファイバの一端からレーザ光等の光を照射すると、受光部には、歪センサ部（温度センサ部が存在する場合は歪センサ部及び温度センサ部）の位置に応じた時間間隔で反射光が受光されることになる。従って、受光の順序を求めることで、歪の発生や温度変化を検出した歪センサ部や温度センサ部を特定することができる。また、受光時間から、これらセンサ部の位置、つまり、光源からこれらセンサ部までの距離を求めることができる。

なお、本発明では、前記光源として単一波長のレーザ光を照射するレーザ光源を用いることができ、また、前記歪センサ部又は前記温度センサ部が複数設けられている場合には、各歪センサ部又は各温度センサ部の反射板は、同一波長のスペクトラムを反射させるものとするとよい。

本発明は、ＦＢＧと同様に高速で歪や温度変化の計測を行うことができる。また、単一波長の光源を用いることができるので、光源の価格も安価で、かつ、センサの個数をＦＢＧよりも増やすことができ、短距離から長距離まで広範囲に測定することができる汎用性のある光ファイバセンサ装置を得ることができる。

以下、本発明の好適な一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、光ファイバセンサ装置の一実施形態にかかり、その構成を説明する概略図である。
この実施形態の光ファイバセンサ装置１は、図１に示すように、監視対象２に設けられ、光ファイバ１１に離間して直列に配置された複数の歪センサ部１２と、光ファイバ１１の一端に方向性結合器１３を介して接続され、光ファイバ１１のコアを通して歪センサ部１２に一定波長のレーザ光を照射する光源としてのレーザダイオードＬＤと、光ファイバ１１の一端に方向性結合器１３を介して接続され、歪センサ部１２からの反射光を受光する受光部としての光検出器ＰＤと、この光検出器ＰＤによって検出された反射光をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、このＡ／Ｄ変換器１４によってデジタル変換された反射光に関するデータを処理する信号処理部としてのＣＰＵ１５と、このＣＰＵ１５による処理結果を表示するディスプレイやプリンタ等の表示器１６とを有している。

図２は、歪センサ部１２の構成を説明する拡大図である。
歪センサ部１２は、光ファイバ１１の軸線Ｃに対して直交するように対向配置された各一つ一対の反射板１２ａ，１２ａを有していて、ファブリペロ干渉を利用した構成となっている。そして、レーザダイオードＬＤからのレーザ光の一部が、この反射板１２ａによって反射され、反射光となって光検出器ＰＤに入力される。

反射板１２ａ，１２ａの形成に当たっては、ＦＢＧのグレーディングを形成する既存の技術を利用することができる。ここで、ＦＢＧのグレーディング形成においては、光ファイバ１１のコア１１ａに一定幅にわたって紫外線を繰り返し照射することで、屈折率が周期的に変化する部分を数千枚形成して前記グレーディングを形成しているが、本発明においては、紫外線を照射して屈折率が周期的に変化する部分を少なくとも一つ若しくは数個程度形成するだけで、所望の反射板１２ａ，１２ａをコア１１ａに形成することができる。そのため、反射板１２ａ，１２ａの形成コストがグレーディングの形成コストに比して安価である、という利点がある。

また、歪センサ部１２の両端は、歪センサ１２を監視対象２に取り付けるための取付部材２１，２１を介して連結されていて、監視対象２に歪が生じたときに、この取付部材間２１，２１の間隔の変化とともに歪センサ部１２が伸縮するようになっている。この歪センサ部１２の伸縮により、反射板１２ａの反射率が変化するので、これにより歪が生じたと判断することができるわけである。

図３は、歪センサ部１２の反射率と光源から照射された光の波長との関係を示す波長対反射率関係グラフある。
ファブリペロ共振器型の歪センサ部における波長対反射率関係グラフは、ＦＢＧと異なり、図示するような一定周期の波形となる。通常状態がグラフＩである場合に、監視対象２に歪が生じると、これにともない歪センサ部１２が伸張又は収縮し、グラフＩは図３の左方又は右方に移動する。例えば、監視対象２が、光ファイバ１の軸線Ｃと同方向に膨張すると、これにともない歪センサ部１２が伸長して、波長の長い方、つまり右方に移動する（この場合を図３中グラフＩＩとして示す）わけである。また、監視対象２が、光ファイバ１の軸線Ｃと同方向に圧縮されると、歪センサ部１２が縮小して、グラフＩは波長の短い方向、つまり左に移動することになる。

ここで、レーザダイオードＬＤから波長λのレーザ光をコア１１ａに照射すると、監視対象２の歪にともない、反射板１２ａからの反射率は、図３に示すように(i)から(ii)に変化することになる。このように、所定波長のレーザ光の反射率を、予めメモリ等に記憶された基準となる反射率（例えば（ｉ）の反射率）と比較することで、信号処理部であるＣＰＵ１５は当該監視対象２に歪が生じたと判断することができる。また、波長λと反射率の変化の方向とから、監視対象２に圧縮歪が生じたのか膨張歪が生じたのかを区別することができる。

さらに、反射率の変化量から、当該歪の量がどれほどであるのかを求めることができる。
例えば、取付部材２１，２１間のもともとの距離をＬとしたときに、監視対象に生じた歪により前記距離ＬがΔＬだけ伸縮した場合（図示の例では伸張した場合）、前記距離Ｌの変化から求められる歪率（ΔＬ／Ｌ）と、反射率の変化量から求められる反射光強度の変化量（ｄＢ）との間には、一定の関係が成立する。
図４は、歪センサ部１２の歪率と反射光強度の変化量との関係を示すグラフである。このグラフに示されるように、反射光強度の変化量（図３における反射率の変化量(ii)−(i)に基づく）を求めることで、歪センサ部１２が検出した監視対象２の具体的な歪量を求めることができる。

また、光検出器ＰＤに受光される反射光のタイムラグを利用することで、歪を検出した歪センサ部１２の特定と位置を求めることができる。
図５は、反射光強度と、レーザダイオードＬＤが波長λのレーザ光を照射してから光検出器ＰＤが反射光を受光するまでの時間との関係を示すグラフである。
図示するように、光検出器ＰＤの反射光の受光時間は、レーザダイオードＬＤから歪センサ部１２までの距離に比例し、歪センサ部１２の配置順にしたがってグラフ上に反射光強度の強い部分（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３・・・）が山となって現れることになる。図３に示すような場合では、歪が生じた歪センサ部１２の部分は反射光強度が高くなるため、この歪センサ部１２の位置を特定することができるわけである。

［第二の実施形態］
上記の第一の実施形態では、光ファイバ１の軸線Ｃと同方向に監視対象２に歪が生じることを前提としている。この第二の実施形態では、単一の歪検出器１２で、光ファイバ１の軸線Ｃと同方向の歪だけでなく、軸線Ｃと交差する方向の歪も検出することができるようにしている。
図６は、本発明の第二の実施形態にかかり、歪センサ部１２に、光ファイバ１１の軸線Ｃに対して交差する方向の歪を検出するための歪方向変換部材を設けた状態を説明する図である。

図示するように、歪センサ部１２には、光ファイバ１１の軸線Ｃに対して交差する方向の歪を軸線Ｃと同方向の歪に変換する歪方向変換部材３１が設けられている。
図６（ａ）に示す例では、中央部が凸状に張り出す歪方向変換部材３１の前記両端を、取付部材２１，２１に連結して設けている。
また、図６（ｂ）に示す歪方向変換部材３２は、線膨張係数の大きい材料で形成された筒状の歪方向変換部材３２の両端を、取付部材２１，２１に連結して設けている。

これら歪方向変換部材３１は、少なくとも一部を監視対象２に連結又は接触させることで、軸線Ｃに対して交差方向から作用する監視対象２の歪εを、歪方向変換部材３１，３２により、取付部材２１，２１を介して、歪センサ部１２の軸線Ｃ方向の歪ε_０に変換することができる。
なお、この交差方向の歪εの具体的な歪量は、軸線Ｃ方向の歪ε_０に基づいて得られた歪量に、歪方向変換部材３１，３２による歪の変換率（ε_０／ε）を乗ずることで求めることができる。

［第三の実施形態］
本発明においては、歪センサ部１２と同様の構成を有するファブリペロ干渉型の温度センサ部１２′を利用することで、監視対象２の温度変化の有無及び具体的な温度変化量を求めることができる。
図７は、温度センサ部の構成を説明する図である。
温度センサ部１２′は、第一及び第二の実施形態に示した歪センサ部１２と同様に、光ファイバ１１のコアに一対の反射板１２ａ′，１２ａ′からなる歪検出手段が設けられている。温度センサ部１２′における反射板１２ａ′，１２ａ′の反射率は、歪センサ部１２の反射板１２ａ，１２ａの反射率と同じであってもよいし異なるものであってもよい。

温度センサ部１２′には、前記した歪検出手段の外側に、監視対象２の温度変化によって膨張又は収縮する温度変化検出部材３３が取り付けられている。この温度変化検出部材３３は、監視対象２の温度変化を正確に検出することができるように、監視対象２に接触させることが好ましいが、監視対象２の歪の影響を受けたり、監視対象２によって自由な膨張又は収縮が妨げられないようにするために、例えば一端のみを監視対象２に固定するとよい。

このようにすることで、監視対象２の温度変化に伴い、温度変化検出部材３３が膨張又は収縮し、これにより、温度検出部１２が光ファイバ１１の軸線Ｃと同方向に伸縮する。したがって、監視対象２の温度変化を光ファイバ１１の軸線Ｃ方向の歪に変換することができ、かつ、温度変化検出部材３３の熱膨張率と歪量との関係から、監視対象２の具体的な温度変化量も求めることが可能になる。

このような温度センサ部１２′を複数設けた場合においても、先の実施形態と同様に、反射光強度と、レーザダイオードＬＤが波長λのレーザ光を照射してから光検出器ＰＤが反射光を受光するまでの時間との関係から、各温度センサ部１２′，１２′・・・の位置を特定することが可能である。

上記の温度センサ部１２′と第一又は第二の実施形態で説明した歪センサ部１２とを、例えば図８に示すように配置することで、監視対象２の同一部位について歪検出と温度変化検出の双方を行うことが可能になる。また、温度センサ部１２′で検出された温度変化を用いて、温度変化に伴う歪量の補正を行うことも可能になる。
図９は、この実施形態における歪と温度変化の検出結果を示す図であるが、歪センサ部１２と温度センサ部１２′との配置順（光源であるレーザダイオードＬＤからの距離）に応じて、歪率及び温度変化の変化グラフが得られる。図示するように、時間軸をＺ軸とする三次元的なグラフとすることで、各歪センサ部１２及び温度センサ部１２′における時間ごとの歪変化及び温度変化を一目で知ることができる。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記の実施形態では、複数の歪センサ部１２，１２・・・及び／又は複数の温度センサ部１２′，１２′・・・において、反射板１２ａ，１２ａ・・・，１２ａ′，１２ａ′・・・は、同一性質のもの、すなわち、同一波長スペクトラムを反射させる性質のものであるとして説明したが、これら反射板１２ａ，１２ａ・・・，１２ａ′，１２ａ′・・・の性質は異なるものとしてもよい。

本発明の光ファイバセンサ装置は、雪崩や土砂崩れの監視、橋梁その他の建造物の梁や柱の撓みの監視の他、歪検出や温度検出が必要なあらゆる構造物に適用が可能である。

光ファイバセンサ装置の一実施形態にかかり、その構成を説明する概略図である。歪センサ部の構成を説明する拡大図である。歪センサ部の反射率と光源から照射された光の波長との関係を示す波長対反射率関係グラフある。歪センサ部の歪率と反射光の変化量との関係を示すグラフである。反射光強度（歪量）と、レーザダイオードＬＤが波長λのレーザ光を照射してから光検出器ＰＤが反射光を受光するまでの時間との関係を示すグラフである。本発明の第二の実施形態にかかり、光ファイバの軸線Ｃに対して交差する方向の歪を検出するための手段を説明する図である。本発明の第三の実施形態にかかり、温度センサ部の構成を説明する図である。監視対象の同一位置で温度変化と歪を検出するための温度変化検出部とセンサ部との配置例を示す図である。第三の実施形態における歪と温度変化の検出結果を示すグラフである。

符号の説明

１光ファイバセンサ装置
１１光ファイバ
１１ａコア
１２歪センサ部
１２′ 温度センサ部
１２ａ，１２ａ′ 反射板
１３方向性結合器
２監視対象
２１取付部材
３１，３２歪方向変換部材
３３温度変化検出部材

Claims

監視対象の歪を、光ファイバによって検出する光ファイバセンサ装置において、
光ファイバのコア内に設けられたフレネル反射板を前記光ファイバの軸線に対して直交するように対向配置してなる一つ又は複数の共振器型の歪センサ部と、
この歪センサ部を前記監視対象の歪測定部位に取り付ける取付部材と、
この歪センサ部に向けて単一波長の光を照射する光源と、
前記歪センサ部によって反射された光を受光する受光部と、
この受光部によって受光された反射光の強度変化の有無から、前記監視対象の歪の有無を判断する信号処理部と、
を有することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
前記光ファイバの軸線に対して交差する方向の前記監視対象の歪を前記光ファイバの軸線方向の歪に変換する歪方向変換部を、前記歪センサ部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ装置。
監視対象の温度変化を、光ファイバの歪として検出する光ファイバセンサ装置において、
前記光ファイバの軸線に対して直交するように対向配置された一対の前記反射板からなる歪検出手段及び前記監視対象の温度変化によって伸縮する温度変化検出部材を有する一つ又は複数の温度センサ部と、
この温度センサ部に向けて単一波長の光を照射する光源と、前記歪検出手段によって反射された光を受光する受光部と、
この受光部によって受光された反射光の強度変化量と前記温度検出部材の線膨張係数とから、前記監視対象の温度変化量を求める信号処理部と、
を有することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
前記信号処理部は、前記受光部が受光した前記反射光の受光間隔に基づき、複数の前記歪センサ部又は複数の前記温度センサ部の中から、歪の発生や温度変化を検出した所定の前記歪センサ部又は温度センサ部を特定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサ装置。