JP2007024527A - Optical fiber sensor and sensor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバを用いて変位又は温度を測定する光ファイバセンサ及びセンサシステムに関し、より具体的には、光ファイバの曲げ損失を検出して変位又は温度等を測定する光ファイバセンサ及びセンサシステムに関する。 The present invention relates to an optical fiber sensor and sensor system for measuring displacement or temperature using an optical fiber, and more specifically, an optical fiber sensor and sensor for detecting a bending loss of an optical fiber to measure displacement or temperature. About the system.
近年、高架道路、トンネル、橋梁及びプラント等の構造物や、地滑りなどの効果的なモニタリングの要求から、各種の歪測定用ファイバセンサが開発されている。これらのファイバセンサには、ブリルアン散乱の変化を検出する分布型センサ、歪量を波長変化で検出するFBG(Fiber Bragg Grating)型センサ、及び、光ファイバの曲げ損失を検出するセンサがある。 In recent years, various strain measurement fiber sensors have been developed in response to demands for effective monitoring of structures such as elevated roads, tunnels, bridges, plants, and landslides. These fiber sensors include a distributed sensor that detects a change in Brillouin scattering, an FBG (Fiber Bragg Grating) sensor that detects a strain amount by a change in wavelength, and a sensor that detects a bending loss of an optical fiber.
ブリルアン散乱を利用したセンサは、光ファイバ自体の物性を測定に使うため特殊なセンサヘッドを必要とせず、光ファイバを敷設した範囲の全てをモニタできる利点がある。しかし、局所的な変位を高精度に計測することはできない。 A sensor using Brillouin scattering has the advantage that it can monitor the entire range where the optical fiber is laid without using a special sensor head because the physical properties of the optical fiber itself are used for measurement. However, local displacement cannot be measured with high accuracy.
FBG型センサは、非常に高感度で、10pmの校正精度が可能といわれている。しかし、歪量を波長変化として測定するので、非常に高価であり、これが普及の妨げになっている。 The FBG type sensor is said to be very sensitive and capable of calibration accuracy of 10 pm. However, since the amount of distortion is measured as a change in wavelength, it is very expensive, which hinders widespread use.
曲げ損失型ファイバセンサは原理と構成が簡単であり、安価に製造できる。しかし、一般に感度が低く、局所的な微小変位の測定が難しく、用途が限られる。この方式によるセンサの感度は、変位に対して曲げ損失がどの程度起こるかによる。当然、小さな変位で大きな曲げ損失の起こるほうが、感度の良いセンサとなる。例えば、光ファイバのマイクロベンディングを利用した歪センサを、フランスのOSMOS社(http://www.osmos-group.com/eng/index.jsp)が製品化している。同社のセンサは、光ファイバを三つ編みにした構造になっており、伸縮に伴いマイクロベンディング損失が変化するようになっている。三つ編みにしてあるセンサ部分の長さは0.1〜10mが必要で、この長さ範囲の構造物の歪を測るのに適している。感度としては、3dBの損失を生じさせるのに3.7mmの変位を必要とする。 The bending loss type fiber sensor has a simple principle and configuration and can be manufactured at low cost. However, in general, the sensitivity is low, and it is difficult to measure a local minute displacement, and the application is limited. The sensitivity of the sensor by this method depends on how much bending loss occurs with respect to the displacement. Of course, a sensor with a higher sensitivity is the one that causes a large bending loss with a small displacement. For example, a strain sensor using microbending of an optical fiber is commercialized by French company OSMOS (http://www.osmos-group.com/eng/index.jsp). The company's sensor has a structure in which optical fibers are braided, and the microbending loss changes with expansion and contraction. The length of the braided sensor portion needs to be 0.1 to 10 m, which is suitable for measuring the distortion of a structure within this length range. Sensitivity requires a 3.7 mm displacement to produce a 3 dB loss.
また、特許文献1及び特許文献2には、マクロベンディング(緩やかな曲げ)による損失を利用したセンサが開示されている。この方式では、コア径の異なる長さ2〜10mmのファイバをシングルモードファイバの途中に融着接続して、曲げ損失が大きくなるようにしてある。このセンサの感度として、曲げ半径20mmで1.5dBの損失が起こることが特許文献1に記載されている。
曲げ損失型ファイバセンサの感度を向上すれば、安価に高性能なセンサを実現できる。 If the sensitivity of the bending loss type fiber sensor is improved, a high-performance sensor can be realized at low cost.
本発明は、検出感度の高い曲げ損失型の光ファイバセンサ及びセンサシステムを提示することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a bending loss type optical fiber sensor and a sensor system with high detection sensitivity.
本発明に係る光ファイバセンサは、部分的に細くなった括れ部を具備する光ファイバと、計測物理量に応じた曲げを当該括れ部に与える曲げ付勢手段とを備えることを特徴とする。 An optical fiber sensor according to the present invention includes an optical fiber including a narrowed portion that is partially narrowed, and a bending urging unit that imparts bending to the constricted portion according to a measured physical quantity.
本発明に係るセンサシステムは、計測物理量に応じて損失が変化する光ファイバセンサと、当該光ファイバセンサに供給すべき測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバセンサで当該計測物理量による損失を受けた測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力に従い当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段を備えることを特徴とするセンサシステム。 The sensor system according to the present invention includes an optical fiber sensor whose loss changes according to a measured physical quantity, a light emitting means for generating measurement light to be supplied to the optical fiber sensor, and a loss due to the measured physical quantity at the optical fiber sensor. A sensor system comprising: a light receiving unit that receives received measurement light; and a calculation unit that calculates information indicating the measured physical quantity according to an output of the light receiving unit.
本発明に係るセンサシステムは、計測物理量に応じて損失が変化する複数の光ファイバセンサと、当該複数の光ファイバセンサのそれぞれを透過した光を反射して当該光ファイバセンサに戻す複数の反射器と、測定光を発生する発光手段と、当該測定光を分割し、分割された各測定光を当該複数の光ファイバセンサのそれぞれに供給する光分波器と、当該反射器により当該各光ファイバセンサを往復した当該測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力に従い、複数の光ファイバセンサにおける当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。 The sensor system according to the present invention includes a plurality of optical fiber sensors whose loss varies depending on a measured physical quantity, and a plurality of reflectors that reflect light transmitted through each of the plurality of optical fiber sensors and return the light to the optical fiber sensor. A light emitting means for generating measurement light, an optical demultiplexer that divides the measurement light and supplies each of the divided measurement lights to each of the plurality of optical fiber sensors, and each optical fiber by the reflector A light receiving unit that receives the measurement light that reciprocates the sensor, and a calculation unit that calculates information indicating the measured physical quantity in a plurality of optical fiber sensors according to the output of the light receiving unit.
本発明により、検出感度が高くて安価な、変位、応力又は温度を計測する光ファイバセンサを実現できる。また、複数地点の物理量を一括して計測できるセンサシステムを簡易な構成で実現できる。 According to the present invention, an optical fiber sensor that measures displacement, stress, or temperature with high detection sensitivity and low cost can be realized. In addition, a sensor system that can measure physical quantities at a plurality of locations in a batch can be realized with a simple configuration.
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、変位センサに適用した本発明の一実施例の概略構成を示す側面図、図2は、その平面図である。 FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention applied to a displacement sensor, and FIG. 2 is a plan view thereof.
本発明の一実施例である変位センサ10は、光ファイバ12の伝送損失の変化により変位を計測する。応力を変位に変換することで、応力も感知可能である。光ファイバ12は、部分的に細くした括れ12aを具備する。括れ12aを挟むように、光ファイバ12は、括れ12aの片側でベース14の起立部14aに固定され、括れ12aの反対側で、ベース14上に光ファイバ12の軸方向に可動に設置されるスライダ16に固定されている。スライダ16は、ベース14に固定されたストッパ18,20により、光ファイバ12を切断しない程度に可動範囲を制限されている。
The
光ファイバ12自体は、例えば、光ファイバ伝送用に使用される単一モード光ファイバからなる。括れ12aは、光ファイバ12を局所加熱しながら、光ファイバ12を引き伸ばすことで、簡単に製造できる。例えば、一般に市販されている融着装置を使用すればよい。括れ12aでは、光ファイバ12の外径が徐々に細くなり、再び元の外径に戻れば良い。コア径も同様に変化しても良いが、同一径のままでもよい。後者の場合、無負荷時の損失を少なく維持できる。
The
スライダ16には、光ファイバ12の軸と平行なバネ心棒22が、起立部14aに向かって固定されている。バネ心棒22の他端は、起立部14aに穿った孔を遊嵌している。バネ心棒22の長さは、スライダ16の可動範囲で、バネ心棒22が起立部14aの孔から外れない程度に設定されている。換言すると、バネ心棒22は、スライダ16を光ファイバ12の軸方向に案内する案内手段とも言える。バネ心棒22にはコイルバネ24を巻き付けてある。コイルバネ24は、常時、スライダ16を起立部14aから離れる方向に付勢するが、その付勢力は、スライダ16に変位が加わっていない状態(初期状態又は無負荷状態)で光ファイバ12を直線状態に維持する程度のごく弱いものである。この初期状態では、スライダ16は、ストッパ18とストッパ20の間で静止している。ストッパ20は、センサ10を持ち運ぶときなどにスライダ16の移動を制限する、いわば移動時の安全用である。
A
本実施例では、熱膨張率の低い材料と、熱膨張率の高い材料を組み合わせることで、周囲温度の影響を低減又は補償する。具体的には、高熱膨張率の長い材料と、低熱膨張率の短い材料とを並置して、一端を相互に結合する。そして、高熱膨張率の材料の他端を感知対象物に接触又は固定し、低熱膨張率の材料の他端をセンサ10のスライダ16に接触又は固定するか、又は,逆に,低熱膨張率の材料の他端を感知対象物に接触又は固定し、高熱膨張率の材料の他端をセンサ10のスライダ16に接触又は固定する。高熱膨張率の材料と低熱膨張率の材料の長さを、それぞれの熱膨張率に応じて設定することで、感知対象物からセンサ10のスライダ16までの変位伝達部の温度依存性を無くすことができる。換言すると、低熱膨張率の長い材料の熱膨張を、高熱膨張率の短い材料の熱膨張で相殺する。
In this embodiment, the influence of the ambient temperature is reduced or compensated by combining a material having a low coefficient of thermal expansion and a material having a high coefficient of thermal expansion. Specifically, a material having a long high thermal expansion coefficient and a material having a low low thermal expansion coefficient are juxtaposed, and one ends thereof are coupled to each other. Then, the other end of the high thermal expansion coefficient material is in contact with or fixed to the sensing object, and the other end of the low thermal expansion coefficient material is in contact with or fixed to the
この温度補償のために、本実施例では、スライダ16の上部に、光ファイバ12の軸方向に長い溝26aを切った、高熱膨張率材料からなる受け台26を、起立部14aに向かって突出するように固定する。伝達棒28は低熱膨張率の材料からなり、図示しない感知対象物の応力又は変位に応じて、光ファイバ12の軸方向に移動する。伝達棒28の一端は受け台26の溝26a内に入れられ、伝達棒28の端面が受け台26に固定される。伝達棒28の他端は、図示しない感知対象物に接触又は固定される。感知対象物の変位は、伝達棒28及び受け台26を介してスライダ16に伝達される。先に説明したように、受け台26は高熱膨張率の材料、例えばステンレスからなり、伝達棒28は、低熱膨張率の材料、例えばABS樹脂からなる。ステンレスの熱膨張係数は1.8×10−5/°Cであり、ABS樹脂の熱膨張係数は10×10−5/°Cであるので、伝達棒28の長さと、受け台26の伝達棒28と接する端面とスライダ16との間の距離の比を100:18とすることで、伝達棒28と受け台26からなる変位伝達部の、温度による位置変動を防止できる。
In order to compensate for this temperature, in this embodiment, a
光ファイバ12の一端には、レーザダイオード又は発光ダイオード等の発光素子30が配置され、光ファイバ12の他端には、フォトダイオード等の受光素子32が配置される。発光素子30は、連続又はパルス発光して測定光を出力する。発光素子30は、出力パワー一定に制御されている。受光素子32は、光ファイバ12から出力される測定光を電気に変換する。演算装置34は、受光素子32の出力電流から変位又は応力に対する光ファイバ12の損失を計測する。損失と伝達棒26によりスライダ16に印加される変位又は応力との関係を予め計測して、演算装置34のメモリに格納してある。演算装置34は、予め計測したこの関係と、光ファイバ12の損失とから、伝達棒28からの変位又は応力の値を決定する。
A
本実施例の動作を説明する。感知対象物からの変位(又は応力)が無い初期状態では、スライダ16は、コイルバネ24により、ストッパ18とストッパ20の間の位置で静止している。演算装置34は、この時点での受光素子32の出力電流値を無変位と解釈する。
The operation of this embodiment will be described. In an initial state where there is no displacement (or stress) from the sensing object, the
感知対象物が変位すると、その変位が伝達棒28及び受け台26を介してスライダ16に伝わり、スライダ16をバネ24に抗して起立部14aに向かって移動させる。スライダ16の移動により、スライダ16と起立部14a間の光ファイバ12が撓み、曲げ損失が発生し、全体の伝送損失が増加する。本実施例では、括れ12aがあることにより、ストレートの光ファイバの場合よりも、曲げ損失が顕著に増加する。スライダ16の微小な移動であっても、受光素子32に入射する光量が大幅に減少する。この結果、受光素子32の出力電流も減少する。演算装置34は、受光素子32の出力電流値の変化から光ファイバ12の損失を算出し、その損失を予め測定した関係に照合して、計測結果としての変位量を出力する。
When the sensing object is displaced, the displacement is transmitted to the
本実施例で、曲げ損失の感度を高めている要因は2つある。括れ12aにおけるモードフィールド径(以下、MFDと称す)の拡大と、微小な曲率の曲げの発生である。
In this embodiment, there are two factors that increase the sensitivity of bending loss. This is an expansion of a mode field diameter (hereinafter referred to as MFD) in the
図3は、括れ12aの前後の電界強度分布の変化を示す。括れ12aでMFDが最大になる。図3では、光ファイバ12のコア3のみを図示してある。括れ12aでは、光の電界強度分布がクラッドに大きく入りこみ、曲げ損失が生じやすい状態となる。
FIG. 3 shows changes in the electric field strength distribution before and after the
図4は、一般的な単一モード光ファイバ(SMF)について、ファイバ外径とMFDの関係を計算した結果である。コア径を8μm、NA(開口数)を0.12、波長を1.55μmとした。横軸は、ファイバ外径を示し、縦軸は、MFD(μm)とMFD/コア径を示す。曲げ損失は、MFDよりも、MFD/コア径に強く依存する。図4からわかるように、MFD/コア径は、ファイバ外径80μm以下で急激に大きくなる。ファイバ外径60μmにおけるMFDは、コア径の約6倍にもなる。従って、ファイバ外径80μm以下で、効果的な曲げ損失が生じると予想できる。 FIG. 4 shows the calculation result of the relationship between the fiber outer diameter and the MFD for a general single mode optical fiber (SMF). The core diameter was 8 μm, NA (numerical aperture) was 0.12, and the wavelength was 1.55 μm. The horizontal axis represents the fiber outer diameter, and the vertical axis represents MFD (μm) and MFD / core diameter. Bending loss is more dependent on MFD / core diameter than MFD. As can be seen from FIG. 4, the MFD / core diameter increases rapidly when the fiber outer diameter is 80 μm or less. The MFD at the fiber outer diameter of 60 μm is about 6 times the core diameter. Therefore, it can be expected that an effective bending loss occurs when the fiber outer diameter is 80 μm or less.
コア径8μm、NA0.12の同一の光ファイバに加熱引っ張りにより4種類の外径の括れを作って、効果を実験により確認した。図5は、その実験結果を示す。波長は、1.55μmで測定した。横軸は曲げ半径(mm)を示し、縦軸は曲げ損失(dB)を示す。括れ12aの外径は、101μm、75μm、65μm及び56μmの4つである。括れ12aの外径101μmでは曲げ損失は殆ど生じないが、80μm以下では効果的な曲げ損失が得られた。56μmでは、20mmの曲率半径で12dBもの大きな曲げ損失が得られた。括れ12aの生成により、コア径も小さくなっている可能性もある。
Four types of outer diameter constrictions were made by heating and pulling on the same optical fiber having a core diameter of 8 μm and NA of 0.12, and the effect was confirmed by experiments. FIG. 5 shows the experimental results. The wavelength was measured at 1.55 μm. The horizontal axis represents the bending radius (mm), and the vertical axis represents the bending loss (dB). There are four outer diameters of the
図5から、括れ12aの外径が小さくなるほど、曲げ半径に対して顕著に曲げ損失が増加することが分かる。括れ12aの外径を調節することにより、さまざまな感度をもつセンサを作ることが可能である。
From FIG. 5, it can be seen that the bending loss increases remarkably with respect to the bending radius as the outer diameter of the
曲げ損失型センサでは、効果的な曲げ損失を起こさせる必要がある一方、直線状態での損失が低いことが要求される。一般に、光ファイバを伝播する光のMFDが変化すれば損失が変化し、MFDの変化が急激である程、損失の変化も大きくなる。この点、本実施例では、括れ12aの前後では、コア径が変化するにしても徐々に変化するので、MFDの変化も緩やかである。従って、直線状態又は無負荷状態では、損失を生じにくい。例えば、MFDがd1のファイバとd2のファイバの結合損失は、
Loss=10log(2d1d2/(d1 2+d2 2))
で算出される。
The bending loss type sensor needs to cause an effective bending loss, but is required to have a low loss in a straight line state. In general, if the MFD of light propagating through an optical fiber changes, the loss changes, and the change in loss increases as the MFD changes more rapidly. In this regard, in the present embodiment, before and after the
Loss = 10 log (2d 1 d 2 / (d 1 2 + d 2 2 ))
Is calculated by
図5で示した括れ12aの外径75μm、65μm及び56μmにおけるMFDと、元の光ファイバ12におけるMFDを上式に当てはめると、損失は各々、-0.33dB、−1.08dB及び−2.64dBとなる。実測値はそれぞれ、−0.21dB、−0.57dBb及び−1.10dBであり、MFDが徐々に変化する効果が認められる。このように、括れ12aを利用したセンサ10は、曲げに対する曲げ損失の変化が大きいが、直線状態での損失が小さい。
When the MFDs at the outer diameters of 75 μm, 65 μm, and 56 μm of the
上述したように、効果的な曲げ損失を生じさせるためのもう一つの要因は、微小な曲率の曲げである。図6(a)は、括れを設けていない光ファイバの直線状態を示し、図6(b)は、縮み方向に外力をかけたときの変形の様子を示す。図7(a)は、括れ12aを設けた光ファイバ12の直線状態を示し、同(b)は、縮み方向に外力をかけたときの変形の様子を示す。
As described above, another factor for producing an effective bending loss is bending with a small curvature. FIG. 6A shows a straight state of an optical fiber without a constriction, and FIG. 6B shows a state of deformation when an external force is applied in the contraction direction. FIG. 7A shows a linear state of the
図6(b)から分かるように、括れを設けていない場合、光ファイバがほぼ一様に曲がるので、曲率半径が大きい。これに対し、括れを設けた場合、括れの部分で曲率の大きい屈曲が生じるので、僅かな変位に対して大きな曲率半径、即ち大きな曲げ損失を得ることができる。 As can be seen from FIG. 6B, when the constriction is not provided, the optical fiber bends substantially uniformly, so that the radius of curvature is large. On the other hand, when a constriction is provided, a bend with a large curvature occurs at the constricted portion, so that a large curvature radius, that is, a large bending loss can be obtained for a slight displacement.
括れ12aにおける局所的な屈曲がどの程度起きるかは、起立部14aとスライダ16との間の光ファイバ12の長さに強く依存すると考えられる。この意味で、起立部14aとスライダ16の光ファイバ12が、センサ部となる。図8は、括れ12aの外径が78μmのファイバを使い、センサ部の長さに対する変位と曲げ損失の関係を調べた実験結果を示す。図8の横軸は変位(mm)を示し、縦軸は、曲げ損失(dB)を示す。図8から、センサ部の長さを変えることにより、様々な感度のセンサが得られることが分かる。
It is considered that how much the local bending in the
図8から、センサ部の長さ10mmで極度に感度が上がっているようにみえる。これを確かめるために、0.1mmの変位で発生する曲げ損失をセンサ部の長さに対して計測した。図9は、その計測結果を示す。図9で、横軸はセンサ部の長さ(mm)を示し、縦軸は、曲げ損失(dB)を示す。図9から明らかなように、センサ部の長さが10mmで極端に感度が上がり、100μmの変位で4.7dBもの大きな曲げ損失が発生している。通常のパワーメータの測定分解能0.01dBに相当する変位は0.21μmであり、図9は、本実施例によりこの程度の微細な測定分解能を得られることを示している。極端に曲げ損失が大きくなった理由は、括れ12aで起こる曲率の小さい屈曲がセンサ部の長さ10mm以下で起こるためと考えられる。
From FIG. 8, it can be seen that the sensitivity is extremely increased when the length of the sensor portion is 10 mm. In order to confirm this, the bending loss generated at a displacement of 0.1 mm was measured with respect to the length of the sensor portion. FIG. 9 shows the measurement results. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the length (mm) of the sensor unit, and the vertical axis indicates the bending loss (dB). As is clear from FIG. 9, the sensitivity is extremely improved when the length of the sensor portion is 10 mm, and a large bending loss of 4.7 dB occurs at a displacement of 100 μm. A displacement corresponding to a measurement resolution of 0.01 dB of a normal power meter is 0.21 μm, and FIG. 9 shows that this embodiment can obtain such a fine measurement resolution. The reason why the bending loss becomes extremely large is considered to be because the bending with a small curvature occurring at the
以上、説明したように、本実施例により、極めて高感度な変位センサを実現できる。また、目的に応じてダイナミックレンジと測定感度を広範囲に調節できる。また、バネ24の弾性定数を校正しておけば、そのまま圧力センサとして使用できる。また、応力を変位に変換して感知することで、応力センサを実現できる。
As described above, according to this embodiment, an extremely high sensitivity displacement sensor can be realized. In addition, the dynamic range and measurement sensitivity can be adjusted over a wide range according to the purpose. If the elastic constant of the
伝達棒26でスライダ16を押す代わりに、バネ心棒22の、起立部14a側の端部を、例えばテンションワイヤ等で、引っ張るようにしても良い。このような構成も、請求項にいう伝達部材となりうる。この観点では、本実施例は、張力センサとなりうる。
Instead of pushing the
発光素子30の出力光を光カップラで複数に分割することにより、複数のセンサ10に同時に測定光を供給できる。即ち、複数地点の変位を同時に一括して測定できる。
By dividing the output light of the
図10は、温度センサとして使用される本発明の第2実施例の概略構成を示す側面図である。温度センサ110は、第1実施例と同様に、光ファイバ112の伝送損失の変化により温度を計測する。光ファイバ112は、部分的に細くした括れ112aを具備する。括れ112aを挟むように、光ファイバ112は、括れ112aの片側でベース114の起立部114aに軸方向に移動可能に保持され又は固定され、括れ112aの反対側で、ベース114の別の起立部114bに軸方向に移動可能に保持され又は固定される。
FIG. 10 is a side view showing a schematic configuration of a second embodiment of the present invention used as a temperature sensor. The
ベース114上で括れ112aと起立部114aとの間にファイバ固定台116が置かれ、ファイバ固定台116はその一端面で起立部114aに接着されている。同様に、ベース114上で括れ112aと起立部114bとの間にファイバ固定台118が置かれ、ファイバ固定台118はその一端面で起立部114bに接着されている。光ファイバ112は、ファイバ固定台116,118に接する全面でファイバ固定台116,118に接着固定されている。
On the
周囲温度により、ベース114に対して相対的にファイバ固定台116,118が伸長すると、光ファイバ112は、括れ112aにおいて軸方向の収縮力をファイバ固定台116,118から受ける。逆に、周囲温度によりベース114に対して相対的にファイバ固定台116,118が収縮すると、光ファイバ112は、括れ112aにおいて軸方向の引張り力をファイバ固定台116,118から受ける。ベース114とファイバ固定台116,118の熱膨張係数の差は大きいのが望ましい。例えば、熱膨張係数が1.1×10−6/°Cのアンバー合金と、23.6×10−6/°Cのアルミニウムの組み合わせなどを選択できる。
When the
光ファイバ112のセンサ部を保護するために、起立部114a,114bにわたる蓋120を被せる。蓋120は、ベース114と同じ素材からなる。
In order to protect the sensor portion of the
光ファイバ112の一端には、発光ダイオード等の発光素子130が配置され、光ファイバ112の他端には、フォトダイオード等の受光素子132が配置される。発光素子130は、連続又はパルス発光して、測定光を出力する。発光素子130は、出力パワー一定に制御されている。受光素子132は、光ファイバ112から出力される測定光を電気に変換する。演算装置134は、受光素子132の出力電流から光ファイバ112の損失を計測する。周囲温度と光ファイバ112の損失との関係を予め測定して、演算装置134のメモリに格納してある。演算装置134は、予め測定したこの関係と、受光素子132の出力電流から得られる損失とから、周囲温度を決定する。
A
ベース114をアンバー合金とし、ファイバ固定台116,118をアルミニウムとした場合の動作を説明する。起立部114a,114b間の内寸を3cm,ファイバ固定台116,118の長さを1cm、ファイバ固定台116,118の間の間隔を1cmとする。
The operation when the
この寸法条件でセンサ110の周囲温度を上昇させると、ファイバ固定台116,118と光ファイバ112の伸びが、括れ112aに曲げを与えるように作用する。しかし、ベース114は、固定台116,118に比べて伸びが小さいので、固定台116,118に対して相対的に縮むように作用する。石英ファイバの熱膨張係数は5.5×10−7/°Cである。従って、温度上昇により差し引き約0.44μm/°Cの変位が発生する。この変位が光ファイバ112を括れ112aの部分で屈曲させて、曲げ損失を増加させる。
When the ambient temperature of the
曲げ損失の増加により、受光素子132の入射光量が減少する。演算装置134は、受光素子132の出力電流の減少に対応する温度を出力する。
Due to an increase in bending loss, the amount of incident light on the
図10に示す構成の温度センサ110で実際に温度を計測した結果を図11に示す。横軸は周囲温度(°C)を示し、縦軸は曲げ損失(dB)と曲げ損失(%)を示す。この実験では、ベース114を鉄、ファイバ固定台116,118を樹脂とした。これらの熱膨張係数の差による変位量は、約1.3μm/°Cである。センサ部の長さ、即ち、ファイバ固定台116,118間の距離は8mmとした。
FIG. 11 shows the result of actually measuring the temperature with the
図11に示すように、20°Cの温度上昇(26μmの変位)に対して2.55dB(44.4%)の大きな曲げ損失を生じた。受光系の測定分解能0.01dBを考慮すると、これは、温度で0.08°Cの分解能、変位では0.1μmの分解能に相当し、極めて高感度である。 As shown in FIG. 11, a large bending loss of 2.55 dB (44.4%) was generated for a temperature increase of 20 ° C. (displacement of 26 μm). Considering the measurement resolution of 0.01 dB of the light receiving system, this corresponds to a resolution of 0.08 ° C. for temperature and a resolution of 0.1 μm for displacement, which is extremely high sensitivity.
本実施例では、本質的に光ファイバ112に軸方向に圧縮力を作用させることによる曲げ損失の増加で、温度を計測する。上記実施例では、低熱膨張率の材料と高熱膨張率の材料を組み合わせることで、温度上昇で光ファイバ112に圧縮力を作用させることができ、かつまた、初期温度で光ファイバ112を無負荷状態にできる。
In this embodiment, the temperature is measured by an increase in bending loss caused by essentially applying a compressive force to the
例えば、温度低下を測定する場合には、ファイバ固定台116,118を省略し、光ファイバ112をベース114の起立部114a,114bに固定しても良い。起立部114a,114bで光ファイバ112をベース114に固定せずに,括れ112aとその周囲を除いて、ベース114を光ファイバ112に固着しても良い。この場合、ベース114の熱収縮により括れ112aの部分で曲げが発生する。この曲げによる損失増加で温度低下を計測でき、初期温度で光ファイバ112を無負荷状態にできる。熱収縮による長さの変化が大きいほど、曲げ損失が大きくなり、温度検出感度が向上する。
For example, when measuring a temperature drop, the
発光素子130の出力光を光カップラで複数に分割することにより、複数のセンサ110に同時に測定光を供給できる。即ち、複数地点の温度を同時に一括して測定できる。
By dividing the output light of the
上記実施例では、光ファイバ12,112を透過する光量で光ファイバ12,112の損失を測定したが、後方散乱光の光強度を測定することでも、光ファイバ12,112の損失、特に、光ファイバ12,112の括れ12a,112aの部分の損失を測定できる。これを利用すると、センサ10,110をシリアルに配置して、複数箇所の変位又は温度を一括して測定できる。
In the above embodiment, the loss of the
図12は、図1に示すセンサ10を使って、複数箇所の変位等を一括して測定するシステムの実施例の概略構成図を示す。図1と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
FIG. 12 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of a system for collectively measuring a plurality of displacements and the like using the
発光ダイオード等の発光素子40は、パルス発光して測定光を出力する。その測定光は、光カップラ42を介して光ファイバ12に入力する。光ファイバ12の光軸上には複数のセンサ10a,10b,10c,・・・が配置されている。各センサ10a,10b,10cは、図1に示すセンサ10と同じ構成からなる。各センサ10a,10b,10cの伝達棒28の先端は、感知対象物に固定されている。
The
光ファイバ12の後方散乱光は、その一部が光カップラ42により分岐されて、受光素子44に入射する。受光素子44は、光カップラ42からの後方散乱光を電気に変換する。公知のOTDR(Optical Time DomainReflectmetry)技術に従い、受光素子32の出力電流値の時間変化は、光ファイバ12の軸方向での損失の変化を示す。演算装置46は、受光素子32の出力電流値の時間変化から各センサ10a,10b,10cの括れ12aにおける損失を決定する。そして、演算装置46は、演算装置34と同様に、決定された損失から、各センサ10a,10b,10cが感知した変位等を決定する。
A part of the backscattered light of the
このように、本実施例では、1本の光ファイバ12上にシリアルにセンサ10を配置することで、複数の点の変位等を一括して測定することができる。
As described above, in this embodiment, by disposing the
図12に示す構成は、図10に示す温度センサ110にも適用可能である。即ち、1本の光ファイバ112上にシリアルに図10に示す温度センサ110を配置することで、複数の点の温度を一括して測定できる。
The configuration shown in FIG. 12 is also applicable to the
光ファイバ12,112の一端に反射器を配置し、測定光がセンサ10,110を往復するようにしてもよい。これにより、感度が2倍になる。
A reflector may be disposed at one end of the
図13は、そのように変更した実施例の概略構成ブロック図を示す。発光ダイオード等の発光素子50は、連続又はパルス発光して測定光を出力する。その測定光は、光カップラ52を介して光ファイバ12に入力する。光ファイバ12の上にはセンサ10が配置されている。センサ10の伝達棒28の先端は、感知対象物に固定されている。
FIG. 13 shows a schematic block diagram of an embodiment modified in such a manner. The
光ファイバ12の反対端は、適当な反射率の反射器58で終端されている。従って、センサ10を減衰した測定光は、反射器58で反射され、再度、センサ10に入射する。センサ10に再入射した測定光は、センサ10で再度、減衰し、光カップラ52に入射する。光カップラ52は、センサ10からの反射測定光の一部を受光素子54に供給する。受光素子54は、光カップラ52からの測定光を電気に変換する。演算装置56は、受光素子44の出力電流によりセンサ10からの反射測定光の強度変化を決定する。この強度変化が、光センサ10における損失を示す。演算装置56は、決定された損失からセンサ10が感知した変位等を決定する。
The opposite end of the
このようにして、本実施例では、光の入出力を一本の光フアイバで行なえる。更には、測定光がセンサ10を往復するので、感度が2倍になるという利点がある。
In this way, in this embodiment, light can be input and output with a single optical fiber. Furthermore, since the measurement light reciprocates the
センサ10の代わりに、図10に示す温度センサ110を配置できることは明らかである。
It is obvious that the
図14は、図13に示す実施例を発展させた実施例の概略構成ブロック図を示す。 FIG. 14 shows a schematic block diagram of an embodiment obtained by developing the embodiment shown in FIG.
発光ダイオード等の発光素子60は、パルス発光して測定光を出力する。その測定光は、光カップラ62を介して光ファイバ64に入力する。光ファイバ64上には、複数の2分岐の光分岐カップラ66−1,66−2,66−3がシリアルに配置されている。各光分岐カップラ66−1,66−2,66−3で分岐された測定光は、それぞれ、分岐光ファイバ12−1,12−2、12−3,12−4に入射する。分岐光ファイバ12−1,12−2、12−3,12−4上には、それぞれ、センサ10−1,10−2,10−3,10−4が配置されている。各センサ10−1,10−2,10−3,10−4は、図1に示すセンサ10と同じ構成からなり、分岐光ファイバ12−1,12−2、12−3,12−4は、光ファイバ12に対応する。各センサ10−1〜10−4の伝達棒28の先端は、感知対象物に固定されている。
The
各分岐光ファイバ12−1,12−1,12−3,12−4の反対端は、適当な反射率の反射器68−1,68−2,68−3,68−4で終端されている。従って、各センサ10−1〜10−4を減衰した測定光は、反射器68−1〜68−4で反射され、再度、センサ10−1〜10−4に入射する。センサ10−1〜10−4に再入射した測定光は、センサ10−1〜10−4で再度、減衰し、光カップラ66−1,66−2,66−3に入射する。光カップラ66−1,66−2,66−3は、センサ10−1〜10−4からの各反射測定光を光ファイバ64に供給する。各反射測定光は、光カップラ62を介して受光素子70に入射する。受光素子70は、光カップラ62からの反射測定光を電気に変換する。演算装置72は、演算装置56と同様に、受光素子70の出力電流により各センサ10−1〜10−4からの反射測定光の強度変化を決定し、強度変化から損失を決定し、決定した損失から各センサ10−1〜10−4が感知した変位等を決定する。
The opposite ends of the branched optical fibers 12-1, 12-1, 12-3, 12-4 are terminated with reflectors 68-1, 68-2, 68-3, 68-4 having appropriate reflectivity. Yes. Accordingly, the measurement light attenuated by each of the sensors 10-1 to 10-4 is reflected by the reflectors 68-1 to 68-4 and is incident on the sensors 10-1 to 10-4 again. The measurement light that re-enters the sensors 10-1 to 10-4 is attenuated again by the sensors 10-1 to 10-4 and enters the optical couplers 66-1, 66-2, and 66-3. The optical couplers 66-1, 66-2, 66-3 supply the reflected measurement light from the sensors 10-1 to 10-4 to the
発光素子60から各センサ10−1〜10−4までの光ファイバ64,12−1〜12−4を介した距離を互いに異なるようにしておき、予め測定しておく。演算装置72は、発光素子60からの測定光の光ファイバ64への入射から、反射測定光の受光素子70への入射までの時間から、各反射測定光がどの光センサ10−1〜10−4からのものかを識別できる。演算装置72は、各センサ10−1〜10−4からの反射測定光の強度変化から、各センサ10−1〜10−4における損失を分離して測定でき、各センサ10−1〜10−4における変位を決定できる。演算装置72には、OTDRの測定技術を利用できる。
The distances from the
このようにして、本実施例では、光の入出力を一本の光フアイバで行なえる。更には、測定光がセンサ10を往復するので、感度が2倍になるという利点がある。更には、複数の地点の変位等を一括して測定できる。
In this way, in this embodiment, light can be input and output with a single optical fiber. Furthermore, since the measurement light reciprocates the
2分岐の光分岐カップラ66−1〜66−3をシリアルに接続することで、数kmにわたる長距離の範囲の多地点を一括して測定できる。何れかの光ファイバセンサが故障しても、全部が使用不可になることはない。勿論、各光分岐カップラ66−1〜66−3の分岐比と反射器68−1〜68−4の反射率を適切に設定する。 By connecting the two-branch optical branching couplers 66-1 to 66-3 in series, multiple points in a long distance range of several kilometers can be measured at once. Even if any one of the optical fiber sensors breaks down, all of them are not disabled. Of course, the branching ratio of each of the optical branching couplers 66-1 to 66-3 and the reflectance of the reflectors 68-1 to 68-4 are appropriately set.
センサ10の代わりに、図10に示す温度センサ110を配置できることは明らかである。
It is obvious that the
配置可能なセンサの数は、例えば、以下のように計算される。受光素子70から見てn番目のセンサ10−nからの反射測定光の損失は、光カップラ62の分岐損、センサ10−nにおける曲げ損、光分岐カップラ66−1〜66−nの往復損、及び、光ファイバ12の往復損の和からなる。
For example, the number of sensors that can be arranged is calculated as follows. The loss of the reflected measurement light from the n-th sensor 10-n when viewed from the
光分岐カップラ66−1〜66−3の分岐比を99:1、最大曲げ損を10dB、ファイバ損失を0.2dB/km、光ファイバ12の距離50m、反射率調整ミラー68−1〜68−4の反射率を100%とする。この場合、最大曲げ損失が起きた場合に、反射測定光の損失(dB)は、
−50−0.107×(n−1)
となる。発光素子60のレーザ出力を0dBm、受光素子70の最低受光レベルを−60dBmとすると、最低受光レベルを下回るのは93番目のセンサである。マージンをみても、50台以上のセンサを設置できる。受光側のダイナミックレンジが広ければ、さらに台数は増加する。
The branching ratio of the optical branching couplers 66-1 to 66-3 is 99: 1, the maximum bending loss is 10 dB, the fiber loss is 0.2 dB / km, the distance of the
−50−0.107 × (n−1)
It becomes. When the laser output of the
FBG型センサで1ラインに配置可能なセンサ数は実質5〜6個であり、本システムの配置数は1桁以上多く、その分、センサあたりの単価を下げることができる。また、1ラインあたりのセンサの設置可能台数が多いので、敷設時には全ての光ファイバ12−1〜12−4にセンサを接続せず、必要に応じて随時、センサを増やすといった実用上の利便性もある。 The number of sensors that can be arranged in one line with the FBG type sensor is substantially 5 to 6, and the number of arrangements of this system is one digit or more, and the unit price per sensor can be reduced accordingly. In addition, since there are a large number of sensors that can be installed per line, practical convenience such that sensors are not connected to all the optical fibers 12-1 to 12-4 at the time of installation, and the number of sensors is increased as needed. There is also.
この試算のように、光分岐カップラ66−1〜66−3の分岐比と反射器66−1〜66−4の反射率を固定すると、遠方から戻る光ほど弱くなるが、遠方にいくに従って、光分岐カップラ66−1〜66−3の分岐比又は反射器66−1〜66−4の反射率を調整すれば、各センサから同程度の強度の反射測定光が戻るようにすることもできる。 As in this trial calculation, when the branching ratio of the optical branching couplers 66-1 to 66-3 and the reflectivity of the reflectors 66-1 to 66-4 are fixed, the light returning from the far side becomes weaker, but as it goes farther, By adjusting the branching ratio of the optical branching couplers 66-1 to 66-3 or the reflectance of the reflectors 66-1 to 66-4, it is possible to return the reflected measurement light having the same intensity from each sensor. .
特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。 Although the invention has been described with reference to specific illustrative embodiments, various modifications and alterations may be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the invention as defined in the claims. This is obvious to an engineer in the field to which the present invention belongs, and such changes and modifications are also included in the technical scope of the present invention.
10:応力変位センサ
10a,10b,10c:センサ
10−1,10−2,10−3,10−4:センサ
12,12−1〜12−4:光ファイバ
12a:括れ
14:ベース
14a:起立部
16:スライダ
18,20:ストッパ
22:バネ心棒
24:コイルバネ
26:受け台
26a:溝
28:伝達棒
30:発光素子
32:受光素子
34:演算装置
40:発光素子
42:光カップラ
44:受光素子
46:演算装置
50:発光素子
52:光カップラ
54:受光素子
56:演算装置
58:反射器
60:発光素子
62:光カップラ
64:光ファイバ
66−1,66−2,66−3:光分岐カップラ
68−1〜68−4:反射器
70:受光素子
72:演算装置
110:温度センサ
112:光ファイバ
112a:括れ
114:ベース
114a,114b:起立部
116,118:ファイバ固定台
120:蓋
130:発光素子
132:受光素子
134:演算装置
10:
Claims (16)
計測物理量に応じた曲げを当該括れ部(12a,112a)に与える曲げ付勢手段(16,26,28;116,118)
とを備えることを特徴とする光ファイバセンサ。 An optical fiber (12, 112) comprising a narrowed portion (12a, 112a) that is partially narrowed;
Bending urging means (16, 26, 28; 116, 118) for applying bending according to the measured physical quantity to the constricted portion (12a, 112a)
An optical fiber sensor comprising:
当該括れ部(12a)の一側で当該光ファイバ(12)を固定的に保持する保持部材(14a)と、
当該括れ部(12a)の他側で当該光ファイバ(12)を固定的に保持し、当該光ファイバ(12)の軸方向に可動の可動部材(16)と、
当該可動部材(16)を所定の初期位置に付勢する付勢部材(24)と、
当該計測物理量である変位に応じて、当該可動部材(16)を当該保持部材(14a)に向けて移動させる伝達部材(26,28)
とを具備し、
当該光ファイバセンサが変位センサである
ことを特徴とする光ファイバセンサ。 The bending biasing means is
A holding member (14a) for holding the optical fiber (12) fixedly on one side of the constricted portion (12a);
A movable member (16) movable in the axial direction of the optical fiber (12), holding the optical fiber (12) fixedly on the other side of the constricted portion (12a);
A biasing member (24) for biasing the movable member (16) to a predetermined initial position;
Transmission members (26, 28) that move the movable member (16) toward the holding member (14a) according to the displacement that is the measured physical quantity.
And
An optical fiber sensor, wherein the optical fiber sensor is a displacement sensor.
当該括れ部(112a)の一方の側で当該光ファイバ(112)を固定的に保持する第1のファイバ固定台(116)と、
当該括れ部(112a)の他方の側で当該光ファイバ(112)を固定的に保持する第2のファイバ固定台(118)と、
当該第1及び台2のファイバ固定台(116,118)を固定的に保持するベース(114)
とを具備し、
当該光ファイバセンサが温度センサである
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。 The bending biasing means is
A first fiber fixing base (116) for holding the optical fiber (112) fixedly on one side of the constricted portion (112a);
A second fiber fixing base (118) for fixedly holding the optical fiber (112) on the other side of the constricted portion (112a);
Base (114) for holding the first and second fiber fixing bases (116, 118) fixedly
And
The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the optical fiber sensor is a temperature sensor.
当該括れ部(112a)を挟む第1及び第2保持部(114a,114b)で当該光ファイバ(112)を保持するベース(114)と、
当該括れ部(112a)と当該ベース(114)の当該第1の保持部(114a)との間に配置され、当該第1の保持部(114a)と当該光ファイバ(112)とに固着される第1のファイバ固定台(116)と、
当該括れ部(112a)と当該ベース(114)の当該第2の保持部(114b)との間に配置され、当該第2の保持部(114b)と当該光ファイバ(112)とに固着される第2のファイバ固定台(118)
とを具備し、
当該光ファイバセンサが温度センサである
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。 The bending biasing means is
A base (114) for holding the optical fiber (112) with first and second holding portions (114a, 114b) sandwiching the constricted portion (112a);
It arrange | positions between the said holding | maintenance part (112a) and the said 1st holding | maintenance part (114a) of the said base (114), and adheres to the said 1st holding | maintenance part (114a) and the said optical fiber (112). A first fiber anchor (116);
It arrange | positions between the said 2nd holding | maintenance part (114b) of the said narrow part (112a) and the said base (114), and adheres to the said 2nd holding | maintenance part (114b) and the said optical fiber (112). Second fiber fixing base (118)
And
The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the optical fiber sensor is a temperature sensor.
当該光ファイバセンサが温度センサである
ことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。 The bending urging means holds the optical fiber (112) fixedly by the first and second holding parts (114a, 114b) sandwiching the constricted part (112a), and expands and contracts due to the temperature as the measurement physical quantity. Consisting of a base (114)
The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the optical fiber sensor is a temperature sensor.
当該光ファイバセンサに供給すべき測定光を発生する発光手段(30,40,50)と、
当該光ファイバセンサで当該計測物理量による損失を受けた測定光を受光する受光手段(32,44,54)と、
当該受光手段の出力に従い当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段(34,46,56)
を備えることを特徴とするセンサシステム。 An optical fiber sensor (10) whose loss varies according to the measured physical quantity;
A light emitting means (30, 40, 50) for generating measurement light to be supplied to the optical fiber sensor;
A light receiving means (32, 44, 54) for receiving the measurement light that has received the loss due to the measured physical quantity by the optical fiber sensor;
Calculation means (34, 46, 56) for calculating information indicating the measured physical quantity according to the output of the light receiving means
A sensor system comprising:
当該複数の光ファイバセンサ(10−1〜10−4)のそれぞれを透過した光を反射して当該光ファイバセンサに戻す複数の反射器(68−1〜68−4)と、
測定光を発生する発光手段(60)と、
当該測定光を分割し、分割された各測定光を当該複数の光ファイバセンサのそれぞれに供給する光分波器(66−1〜66−3)と、
当該反射器により当該各光ファイバセンサを往復した当該測定光を受光する受光手段(70)と、
当該受光手段(70)の出力に従い、複数の光ファイバセンサ(10−1〜10−4)における当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段(72)
とを備えることを特徴とするセンサシステム。 A plurality of optical fiber sensors (10-1 to 10-4) whose loss changes according to the measured physical quantity;
A plurality of reflectors (68-1 to 68-4) that reflect the light transmitted through each of the plurality of optical fiber sensors (10-1 to 10-4) and return the light to the optical fiber sensor;
Light emitting means (60) for generating measuring light;
An optical demultiplexer (66-1 to 66-3) for dividing the measurement light and supplying each of the divided measurement lights to each of the plurality of optical fiber sensors;
A light receiving means (70) for receiving the measurement light reciprocating the optical fiber sensors by the reflector;
Calculation means (72) for calculating information indicating the measured physical quantity in the plurality of optical fiber sensors (10-1 to 10-4) according to the output of the light receiving means (70).
A sensor system comprising:
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