JP2007218720A

JP2007218720A - 光ファイバ変形検知センサ

Info

Publication number: JP2007218720A
Application number: JP2006039113A
Authority: JP
Inventors: Hiroko Higuma; 弘子樋熊; Takeshi Ozaki; 毅志尾崎; Hajime Takeya; 元竹谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-02-16
Also published as: JP4730124B2

Abstract

【課題】測定対象物の変形量の範囲が広く、それぞれのブラッググレーティングが配置される位置の変形量が異なっても、同一の構成の光ファイバ変形検知センサで精度よく変形量が測定できるので、測定位置に対応して光ファイバ変形検知センサの構成を変える必要もなく、また、測定対象物の経時変化などによって測定対象物の変形量の範囲が変化しても、光ファイバ変形検知センサの構成を変える必要もない。
【解決手段】一様断面形状を有する長尺構造体の両端を除く一部に切り欠き部を設け、この切り欠き部にブラッググレーティングの形成部が密着するように配置した光ファイバの端部に光計測器を接続し、この光計測器でブラッグクレーティングからの反射光の波長分布を計測して切り欠き部の変形量を計測する光ファイバ変形検知センサであって、長尺構造体を任意に回転して変形検知の対象物に取り付けたものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、侵入検知に応用されるブラッググレーティングが形成された光ファイバを用いた光ファイバ変形検知センサに関するものである。

一般に、外力による材料や構造物の変形を検知する方法として、ブラッググレーティングが形成された光ファイバを用いる方法が知られている。ブラッググレーティングとは、屈折率が周期的に変化した回折格子縞をもつグレーティング（回折格子）であり、この回折格子縞の間隔に対応した特定の波長（ブラッグ波長）の光だけを反射する性質をもっている。光ファイバのブラッググレーティングが形成された部分が変形すると、この変形に応じて回折格子縞の間隔が変化するため、反射される光の波長が変化する。この反射される光の波長変化を検出することでブラッググレーティングの変形量を検知することができる。したがって、ブラッググレーティングが形成された光ファイバを構造物に密着させて設置することで、外力による構造物の変形量を検知することができる。

このようなブラッググレーティングを用いた光ファイバ変形検知センサを応用した侵入検知システムとしては、敷地内のフェンスの上端部にブラッググレーティングを備えた光ファイバを設置し、侵入者がフェンスを乗り越えようとするときのフェンスの変形を光ファイバで検知する方法が知られている。一本の光ファイバには約４０個のブラッググレーティングが間隔を設けて形成されており、それぞれのブラッググレーティングの形成部が測定対象物、フェンスの変形する位置に配置されている。それぞれのブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔を変えることで反射される光の波長が異なるので、反射光の波長によって、ブラッググレーティングの位置、すなわち侵入位置を検知することができる（例えば、特許文献１参照）。

また、このような侵入検知システムに用いられるブラッググレーティングを備えた光ファイバ変形検知センサとしては、外力による測定対象物の変形量に応じて変形する板バネと、この板バネの長手方向に沿ってブラッググレーティングを備えた光ファイバを一体化して固定したものが知られている。（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−３２２２４号公報（３−４頁、図１）特開２００３−２２２５０７号公報（２−３頁、図１）

従来の光ファイバを用いた侵入検知システムにおいては、測定対象物はさまざまであり、測定対象物がフェンスの場合でも測定位置がフェンスの網状の部分や支柱の部分、あるいは測定対象物がフェンス以外の扉や塀であるなど、変形量を測定する対象物は、材質、形状、剛性などが異なっている場合が多い。すなわち、ブラッググレーティングが配置される位置の変形量は、測定する位置によって大きく異なる。しかしながら、ブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化量の許容範囲は、数ｎｍ以内と極めて小さく、それ以上の変形量が光ファイバに加わると、光ファイバの損傷や切断などが起こる。そのため、ブラッググレーティングが配置される位置のさまざまな変形量に対応して、光ファイバの変形量をブラッググレーティグのもつ回折格子縞の間隔の変化量の許容範囲内に納める必要がある。

従来の板バネの長手方向に沿ってブラッググレーティングを備えた光ファイバを一体化した光ファイバ変形検知センサにおいては、測定対象物の変形量をブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化量の許容範囲内に納めるためには、それぞれのブラッググレーティングが配置される位置の変形量に対して、板バネの変形量を数ｎｍ以内の変形量に変換する必要があり、そのために、板バネの形状や材料の弾性率などが決められている。しかしながら、侵入検知システムにおいては、測定対象物の材質、形状、剛性などさまざまであるため、測定対象物の変形量の範囲が広く、この変形量をブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化量の許容範囲内に納めるためには、板バネの形状や材料の弾性率などを、それぞれの測定位置の変形量に応じて変える必要がある。このように測定位置に対応して板バネの形状などを変えることは、コストの点で不利であるだけでなく、測定対象物の経時変化または変更あるいは測定位置の変更、例えばフェンスの劣化による変形量の変化またはフェンスの更新あるいはフェンスから扉への測定位置の変更、に伴う測定対象物の変形量の範囲の変化に対応するために、板バネを交換する必要が生じるなど、コスト的、保守点検的な問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、測定対象物の変形量の範囲が広く、それぞれのブラッググレーティングが配置される位置の変形量が大きく異なっても、同一の構成の光ファイバ変形検知センサで精度よく変形量が測定できるので、測定位置に対応して光ファイバ変形検知センサの構成を変える必要もなく、また、測定対象物の経時変化などによって測定対象物の変形量の範囲が変化しても、光ファイバ変形検知センサの構成を変える必要もない。その結果、低コストで保守点検の容易な侵入検知システムを提供することができる。

この発明に係る光ファイバ変形検知センサは、長手方向に回転軸をもち一様断面形状を有する長尺構造体と、この長尺構造体の両端を除く一部に形成された切り欠き部にブラッググレーティングの形成部が密着するように配置された光ファイバと、この光ファイバの端部に接続され、前記ブラッググレーティングからの反射光の波長分布を計測する機能を有する光計測器とを備えたものである。

この発明は、一様断面形状を有する長尺構造体の両端を除く一部に他の部分より低剛性となる切り欠き部を設け、この切り欠き部にブラッググレーティングの形成部が密着するように配置した光ファイバを取り付け、この長尺構造体を長手方向の回転軸を中心として任意に回転して変形検知の測定対象物に取り付けることができるので、ブラッググレーティングが配置される位置の変形量に応じて、切り欠き部が変形してブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化に変換して測定対象物の変形量を検知することができる。さらに、それぞれのブラッググレーティングが配置される位置の変形量が大きく異なっても、長尺構造体を任意の角度で測定対象物に取り付けることにより、測定対象物の変形量に対して切り欠き部の変形量を調整することができるので、ブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化量の許容範囲内に納まるように、切り欠き部の変形量を調整することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における、光ファイバ変形検知センサ１の模式図である。図１において、断面がＬ字型の長尺構造体２のほぼ中央部に切り欠き部３が設けられており、長尺構造体の長手方向に光ファイバ４を密着して配置されている。光ファイバ４の切り欠き部３対応した位置には、ブラッググレーティング５が形成されている。図２は、本実施の形態における、光ファイバ変形検知センサ１を用いた侵入検知システムの模式図である。図２において、フェンス６の上部にある複数のフレーム７の上部にそれぞれ光ファイバ変形検知センサ１が、長尺構造体の中央部が下方に変形可能なように一対のスペーサ８を介して取り付けられている。それぞれの光ファイバ変形検知センサ１は、１本の光ファイバでつながれており、それぞれの光ファイバ検知センサの切り欠き部に対応した位置にブラッググレーティングが形成されている。それぞれのブラッググレーティングのブラッグ波長が異なるように、各ブラッググレーティングの回折格子縞の間隔は異なるように構成されている。複数の光ファイバ変形検知センサに共通した光ファイバ４の端部には、光計測器９が接続されている。

図３は、本実施の形態における、光ファイバ変形検知センサの斜視図である。長尺構造体２の断面はＬ字型であり、長尺構造体２の縦方向の一部が切り欠かれて、切り欠き部３が設けられている。光ファイバ４は、長尺構造体２の底面に密着して配置されている。図２に示す侵入検知システムにおいては、図３に示す長尺構造体２の底面の下面がスペーサ８を介してフレーム７に配置されている。

次に、本実施の形態における動作について説明する。図２において、光計測器９の内部に備えられた光源の光を光ファイバ４に入射させる。光ファイバ４の内部を伝播した光は、複数の光ファイバ変形検知センサ１に到達する。それぞれの光ファイバ変形検知センサ１に形成されたブラッググレーティングでは、ある特定の波長の光のみが反射され、この反射された光が光計測器９に戻っていく。各ブラッググレーティグのブラッグ波長は異なっているので、光計測器９で反射光の波長分布を計測すると、それぞれのブラッググレーティングに対応した反射光のピークが観測される。

図３において、矢印のように長尺構造体２に荷重１０が加わると、長尺構造体２の切り欠き部３が形成された部分が他の部分よりも剛性が低いために、この切り欠き部３の部分に応力が集中して他の部分より変形量が大きくなる。この切り欠き部３に密着して配置された光ファイバ４には、ブラッググレーティング５が形成されているので、切り欠き部３の変形量に応じて光ファイバ４が変形することによりブラッググレーティング５の回折格子縞の間隔が変化する。その結果、ブラッグ波長が変化することにより、ブラッググレーティング５で反射される光の波長が変化するので、図２に示す光計測器９で観測される反射光の波長ピークの変化を検知することにより、光ファイバ変形検知センサの変形量を測定することができる。

このように構成された光ファイバ変形検知センサを用いた侵入検知システムでは、図２において、侵入者がフェンス６を乗り越えようとするときに、フレーム７の上に設置された光ファイバ変形検知センサ１に荷重を掛けると、一対のスペーサ８によって長尺構造体が下方に変形し、この変形量を光計測器９で検知することにより侵入者の存在を検知することができる。また、複数の光ファイバ変形検知センサのブラッグ波長が異なることから、変化する反射光の波長で、変形した光ファイバ変形検知センサも特定することができるので、侵入位置も検知することができる。

また、図３において、光ファイバ変形検知センサに加わる荷重１０を矢印の方向で説明したが、光ファイバ変形検知センサを傾けて設置することにより、荷重１０の方向を変えることができる。そのため、それぞれの光ファイバ変形検知センサが配置される位置の変形量が異なっても、長尺構造体を任意の角度で測定対象物に取り付けることによって、測定対象物の変形量に対して切り欠き部の変形量を調整することができる。その結果、測定対象物の変形量の範囲が広く、それぞれのブラッググレーティングが配置される位置の変形量が大きく異なっても、同一の構成の光ファイバ変形検知センサで精度よく変形量を測定することができる。

図４は、本実施の形態における別の形状をもつ長尺構造体の断面図を示したものである。切り欠き部は、図３と同様に、長尺構造体のほぼ中央部の位置に形成されている。図４（ａ）に示す長尺構造体２は、断面形状がコ字型であり、切り欠き部は、コ字型の対向する面の一部を切り欠いて形成されたものである。このような構造であれば、切り欠き部とそれ以外の部分との剛性の差を、図３に示す断面Ｌ字型より大きくすることができる。図４（ｂ）に示す長尺構造体２は、断面形状が開口部をもつ円型であり、切り欠き部は、開口部の領域を広げることにより形成されたものである。断面形状がＬ字型やコ字型では角部があることで安定の悪い回転角度が存在するが、このような構造であれば、切り欠き部の変形量を調整するために長尺構造体を回転させるときに、どのような回転角度でも安定した状態で配置することができる。図４（ｃ）に示す長尺構造体２は、断面形状がコ字型の一方の面が反対側に形成されたものであり、図４（ａ）に示した長尺構造体と同様な効果がある。

このような光ファイバ変形検知センサをフェンスなどに取り付けて侵入者の検知に用いる場合、１００ｋｇの荷重に対しても破損しないことが必要であり、１５ｋｇ程度の荷重が掛かった時点から変形が開始されるような長尺構造体であることが必要である。さらには、長期の設置で材料剛性が低下して切り欠き部のような低剛性部分が自重で撓まないことも必要である。このような要求特性を満足し、軽量かつ信頼性の高い材料として、繊維強化プラスチック（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：ファイバーレインフォースドプラスチック：ＦＲＰ）が長尺構造体の材料として適している。例えば、図３に示すような長尺構造体として、幅が７５ｍｍ、高さが３５ｍｍ、肉厚が５ｍｍ、長さが１８０ｍｍの断面Ｌ字型のガラスファイバが分散された複合材料（ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：ガラスファイバレインフォースドプラスチック：ＧＦＲＰ）を用いて、中央部に幅２０ｍｍの切り欠き部を設けたものを使用することができる。

このようなＧＦＲＰ製の長尺構造体を用いた場合の変形量について、具体的に説明する。本実施の形態において、光ファイバ変形検知センサに１５ｋｇの荷重を加えると、ブラッググレーティングからの反射光のピーク波長は、無負荷の場合に対して、長波長側に０．１５ｎｍシフトする。これは、ブラッググレーティングが形成された位置の光ファイバが引っ張り方向に変形していることを表している。また、荷重が６０ｋｇまでは、荷重に対して反射光のピーク波長は正比例して変化し、荷重６０ｋｇでは長波長側に０．６ｎｍシフトする。さらに、荷重６０ｋｇ〜１００ｋｇの範囲では、変化率は少し小さくなるが、荷重に対して反射光のピーク波長は比例して変化し、荷重１００ｋｇでのシフト量は１ｎｍ以下となった。

実施の形態２．
実施の形態２においては、パイプ状の構造をもつ長尺構造体を用いた光ファイバ変形検知センサの例について述べる。図５（ａ）は、本実施の形態における光ファイバ変形検知センサの形状を示した模式図である。図５（ａ）において、長尺構造体２は、断面が円形のパイプ状であり、長手方向に円形の空洞部を有するものである。切り欠き部３は、長尺構造体２のほぼ中央部に底面を残して上部を取り除いて構成されている。この長尺構造体２の切り欠き部３の位置にブラッググレーティング５が形成された部分が配置されるように、光ファイバ４が底面に固定されて、光ファイバ変形検知センサ１が構成されている。

このように構成された光ファイバ変形検知センサは、断面が円形であるので、切り欠き部の変形量を調整するために長尺構造体を回転させるときに、どのような回転角度でも安定した状態で配置することができる。また、光ファイバが切り欠き部を除いてパイプ状の長尺構造体で保護されているので、外力による切断や不要な変形を受けることがなく、信頼性の高いものとなる。

なお、本実施の形態においては、パイプ状の長尺構造体として、断面が円形のものを用いたが、図５（ｂ）に示すように、断面が矩形のパイプ状のものを用いることもできる。

また、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、切り欠き部３がパイプ状の長尺構造体２の対向する２つの箇所を取り除いて構成されていてもよい。このような構成であれば、光ファイバがパイプ状の長尺構造体で保護される効果が上がり、信頼性がさらに向上する。

さらに、本実施の形態においては、断面が円形あるいは矩形の長尺構造体を用いて説明したが、断面が三角形や五角形、あるいはそれ以上の多面形（六角形、八角形、１２角形など）であってもよい。

実施の形態３．
本実施の形態においては、実施の形態２に示した光ファイバ変形検知センサを侵入検知システムに用いる場合について述べる。図７は、本実施の形態における、侵入検知システムの模式図である。フェンス６のほぼ中央の高さの位置に、光ファイバ変形検知センサ１が設置されており、それぞれの光ファイバ検知センサ１は、一本の光ファイバ４で接続されている。各光ファイバ検知センサ１の切り欠き部の位置に固定された光ファイバ４にブラッググレーティングが形成されている。光ファイバ４の端部には、光計測器９が接続されている。

図８は、本実施の形態にいて、フェンスに設置された光ファイバ変形検知センサの断面を示す模式図である。図８において、侵入者がフェンス６を乗り越えようとするときにフェンス６に横方向から外力１１が働く。図８（ａ）では、光ファイバ変形検知センサ１の切り欠き部３がフェンス６に密着されて配置された場合、図８（ｂ）では、光ファイバ変形検知センサ１を（ａ）に対して時計回りに９０°回転させて配置された場合、図８（ｃ）では、光ファイバ変形検知センサ１を（ａ）に対して時計回りに１８０°回転させて配置された場合を示している。このように配置された場合、フェンス６に同じ力の外力１１が加わっても、光ファイバ変形検知センサ１切り欠き部３とフェンス６との位置関係によって、切り欠き部３の変形量が異なることになる。その結果、切り欠き部３に密着して配置された光ファイバ４の変形量も、図８（ａ）、（ｂ）および（ｃ）で異なることになる。

図９は、光ファイバ変形検知センサをフェンスに取り付けたときの、光ファイバ変形検知センサの回転角度と光計測器で観測される反射光の波長ピークのシフト量との関係を示した特性図である。図９において、角度０°は、図８（ａ）に示したように切り欠き部３がフェンス６に密着して配置された場合である。光ファイバ変形検知センサの長尺構造体は、外径がφ６ｍｍ、内径がφ３．５ｍｍ、長さが１８００ｍｍのパイプ状であり、中央部に幅１５ｍｍの切り欠き部ガ形成されたものである。切り欠き部には、ブラッググレーティングが位置するように光ファイバが固定してある。このように構成された光ファイバ変形検知センサを、縦が１９００ｍｍ、横が１９００ｍｍのメタルフェンス中央部に固定して、横方向から１５ｋｇの荷重をかけた場合の光計測器で観測される反射光の波長ピークのシフト量と光ファイバ変形検知センサの回転角度との関係を示したものである。光ファイバ変形検知センサにおいて、長尺構造体の切り欠き部は他の部分に比べて剛性が低くなるため、図８（ａ）に示すように切り欠き部がフェンスに最も接しているとき（図９における回転角が０°）に、フェンスの変形量とほぼ同じになり、光ファイバに形成されたブラッググレーティングは伸びる方向に変形するため、回折格子縞の間隔は広がる方向に変形し、波長シフト量が最も大きくなる。光ファイバ変形検知センサを回転させて、図８（ｂ）に示すように切り欠き部がフェンスとよこで接するとき（図９における回転角が９０°）には、フェンスの変形に対して切り欠き部は横方向に変形するため、切り欠き部に固定された光ファイバは横方向に変形するが、ブラッググレーティングの回折格子縞の間隔はほとんど変化しために、波長シフト量はほぼゼロとなる。さらに、図８（ｃ）に示すように切り欠き部がフェンスから最もはなれたとき（図９における回転角が１８０°）には、切り欠き部は図８（ａ）のときと反対方向に変形するので、光ファイバに形成されたブラッググレーティングは縮む方向に変形するため、回折格子縞の間隔は狭くなる方向に変形し、波長シフト量が負の値をとって最も大きくなる。

上述のように、一様断面形状を有する長尺構造体の両端を除く長手方向の一部に他の部分より低剛性となる切り欠き部を設け、この切り欠き部にブラッググレーティングの形成部が密着するように配置した光ファイバを、長尺構造体が長手方向を回転中心として任意に回転して変形検知の測定対象物に取り付けたので、ブラッググレーティングが配置される位置の変形量に応じて、切り欠き部が変形してブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化に変換して測定対象物の変形量を検知することができる。

また、それぞれのブラッググレーティングが配置される位置の変形量が大きく異なっても、長尺構造体を任意の角度で測定対象物に取り付けることにより、測定対象物の変形量に対して切り欠き部の変形量を調整することができるので、ブラッググレーティングのもつ回折格子縞の間隔の変化量の許容範囲内に納まるように、切り欠き部の変形量を調整することができる。

この発明の実施の形態１による光ファイバ変形検知センサの模式図である。この発明の実施の形態１による侵入検知システムの模式図である。この発明の実施の形態１による光ファイバ変形検知センサの斜視図である。この発明の実施の形態１による長尺構造体の斜視図である。この発明の実施の形態２による光ファイバ変形検知センサの斜視図である。この発明の実施の形態２による光ファイバ変形検知センサの斜視図である。この発明の実施の形態３による侵入検知システムの模式図である。この発明の実施の形態３によるフェンスに設置された光ファイバ変形検知センサの断面を示す模式図である。この発明の実施の形態３による光ファイバ変形検知センサの特性図である。

符号の説明

１光ファイバ変形検知センサ
２長尺構造体
３切り欠き部
４光ファイバ
５ブラッググレーティング
６フェンス
７フレーム
８スペーサ
９光計測器
１０荷重
１１外力

Claims

長手方向に回転軸をもち一様断面形状を有する長尺構造体と、
この長尺構造体の両端を除く一部に形成された切り欠き部にブラッググレーティングの形成部が密着するように配置された光ファイバと、
この光ファイバの端部に接続され、前記ブラッググレーティングからの反射光の波長分布を計測する機能を有する光計測器とを備えたことを特徴とする光ファイバ変形検知センサ。
長尺構造体は、繊維強化プラスチックで構成されたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ変形検知センサ。
長尺構造体は、円筒形状であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ変形検知センサ。
一様断面形状は、回転中心に対して回転対称の形状であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ変形検知センサ。