JP2007285794A

JP2007285794A - 外力検出装置

Info

Publication number: JP2007285794A
Application number: JP2006111697A
Authority: JP
Inventors: Koji Ueno; 光司上野
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】光ファイバの特性を活かした不法侵入検知を低コストで行う。
【解決手段】光源１と、該光源１の出射光を所定の被変調信号を用いて強度変調して強度変調光を出力する光変調手段２と、所定場所に敷設され、前記光変調手段２から入射した強度変調光を測定光として伝送し、末端が前記測定光を反射して反射光を発生させる反射端４ａとされた光伝送路４と、該光伝送路４の途中部位に設けられ、外力の作用の有無によって光を透過する状態と光を吸収する状態との何れかに切り替わる光センサ５と、前記反射光の包絡線と、前記被変調信号或いは前記測定光の包絡線との位相差を検出する位相検出器７と、該位相検出器７の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを利用した外力検出装置に関する。

従来、敷地内への不法侵入を検知する装置として、敷地境界において敷地内外を区切ると共に侵入を阻むフェンスに取り付けられる機械的なテンションセンサや振動センサ、或いは、赤外線遮断センサ、電界センサが用いられているが、近年は、これらの機械式や電気式の各種センサよりも検知結果の信頼性や装置の耐久性の点で優れる光ファイバを利用したものが開発されてきており、そのようなものとしては、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の技術は、不法侵入検知に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）方式による検知センサ（以下ＦＢＧセンサとする）と、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）方式による検知装置（以下ＯＴＤＲ装置とする）とを利用しており、ＦＢＧセンサはフェンスに取り付けられて外力の作用の有無を検知し、ＯＴＤＲ装置はフェンスに取り付けられて破壊の有無を検知する。

ＦＢＧ方式は、光ファイバのコアの一部分、約１０ｍｍ程度に渡る長手方向の屈折率を一定周期で変化させる方式であり、ＦＢＧセンサは、光ファイバのコアの一部分に、グレーティングと呼ばれる屈折率が異なる部分を所定間隔で並べ、この部分を歪みセンサとして利用するものである。光がＦＢＧセンサを通過する際、特定の波長の光のみが反射される現象が起こる。反射光の波長スペクトル中心をブラッグ波長と言う。ＦＢＧセンサに作用する歪みや張力が変化すると、反射される光の波長が変化する。その波長の変化分を測定することで、歪みや張力が分かる。
したがって、ＦＢＧセンサの出力によって外力の作用の有無を監視するには、反射光の波長を測定しなければならない。

ＯＴＤＲ方式は、光ファイバ片端から光パルスを入射したときに発生するレーリー散乱光を受光して分析することによって、光ファイバの曲げ損失や接続損失を連続的に計測する方式である。レーリー散乱光の受光レベルは、通常、光ファイバの長手方向で一定であるが、光ファイバに屈曲等の変形が生じると減少する。損失発生位置は、光パルス注入時間とレーリー散乱光受光時間から算出する。よって、光ファイバケーブルをセンサとして計測対象に設置する事により、連続区間において異常個所を検出することができる。
したがって、ＯＴＤＲ装置の出力によって破壊の有無を検知するには、微弱な後方散乱光を測定しなければならない。
特開２００５−３２２２４号公報

ＦＢＧセンサの出力によって外力の作用の有無を監視するには、反射光の波長を測定しなければならず、また、ＯＴＤＲ装置の出力によって破壊の有無を検知するには、微弱な後方散乱光を測定しなければならない。これらの波長測定や後方散乱光測定に用いる装置は高価であるので、特許文献１に記載の技術による不法侵入検知には、装置に要するコストが高くなるという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、光ファイバの特性を活かした不法侵入検知を低コストで行うことを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、第１の手段として、光源と、該光源の出射光を所定の被変調信号を用いて強度変調して強度変調光を出力する光変調手段と、所定場所に敷設され、前記光変調手段から入射した強度変調光を測定光として伝送し、末端が前記測定光を反射して反射光を発生させる反射端とされた光伝送路と、該光伝送路の途中部位に設けられ、外力の作用の有無によって光を透過する状態と光を吸収する状態との何れかに切り替わる光センサと、前記反射光の包絡線と、前記被変調信号或いは前記測定光の包絡線との位相差を検出する位相検出器と、該位相検出器の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部と、を備えるものを採用した。

また、第２の手段として、光源と、該光源の出射光を所定の被変調信号を用いて強度変調して強度変調光を出力する光変調手段と、所定場所に敷設され、前記光変調手段から入射した強度変調光を測定光として伝送する光伝送路と、該光伝送路の途中部位に設けられ、外力が作用しない状態では前記測定光を透過させる一方、外力が作用すると前記測定光を反射して反射光を発生させる光センサと、前記反射光の包絡線と、前記被変調信号或いは前記測定光の包絡線との位相差を検出する位相検出器と、該位相検出器の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部と、を備えるものを採用した。

また、第３の手段として、上記第１又は２の手段において、前記判定部は、前記位相検出信号に基づいて前記光伝送路の断線の有無を判定するものを採用した。

第４の手段として、上記第１から３の何れかの手段において、前記光伝送路と前記光センサとを複数組備え、更に、前記測定光を入射させる前記光伝送路を順次切り替える切替手段を備えるものを採用した。

本発明によれば、光センサに外力が作用すると、光伝送路における測定光の反射位置が変化し、これによって、位相検出器の出力が変化する。したがって、光センサに外力が作用したことを位相検出器の出力に基づいて判定することができるので、従来の高価な装置を用いる手法と比較して、不法侵入検知を低コストで行うことができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における外力検出装置の構成を示す模式図である。本外力検出装置は、光源１、変調器２（光変調手段）、サーキュレータ３、伝送用光ファイバ４（光伝送路）、光センサ５、受光器６、位相検出器７、判定部８を備えている。

光源１は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）であり、一定の振幅、波長の光を出射する。変調器２は、光源１が出射した光を、所定周波数の被変調信号により強度変調し、測定光としてサーキュレータ３へ出射する。また、変調器２は、被変調信号を、位相検出器７へ出力する。
サーキュレータ３は、変調器２から入射される測定光を伝送用光ファイバ４へ出射すると共に、伝送用光ファイバ４を測定光の進行方向と逆向きに戻ってくる反射光を受光器６へ出射する。伝送用光ファイバ４は、一端がサーキュレータ３に接続され、他端が反射端４ａとされている。伝送用光ファイバ４に入射された測定光は、反射端４ａで反射されることにより、測定光と逆向きに進行する反射光となる。

光センサ５は、外力が作用しない状態では伝送用光ファイバ４を進行する測定光及び反射光を透過させる一方、外力が作用すると、測定光がコアからクラッドに漏れてクラッドで吸収される状態になる。
受光器６は、反射光を光電変換することにより、反射光の光強度に応じた電圧信号を位相検出器７へ出力する。この電圧信号は、反射光の包絡線を示す電気信号である。光センサ５に外力が作用しない状態では、受光器６に包絡線の位相が一定の反射光が入射し、受光器６は一定の位相の電圧信号を出力する。光センサ５に外力が作用すると、受光器６に反射光が入射しなくなるため、受光器６が出力する電圧信号の位相が不定状態となる。
位相検出器７は、受光器６から入力された電圧信号と、変調器２から入力される被変調信号との位相差を検出し、検出信号を判定部８へ出力する。
判定部８は、位相検出器７から入力される検出信号に基づいて、光センサ５への外力の作用の有無を判定する。この判定部８は、位相検出器７の出力する検出信号（アナログ信号）を量子化するＡ／Ｄ変換器、所定の判定処理プログラムを記憶する記憶部、Ａ／Ｄ変換器から出力されたデジタル信号としての検出データに上記判定処理プログラムに基づく判定処理を施すＣＰＵ（Central Processing Unit）、及び当該ＣＰＵによる判定処理結果を外部に出力する出力部等から構成されている。

本外力検出装置における外力検出の手法を以下に説明する。
変調器２が強度変調に用いる被変調信号の波長λは、その被変調信号の周波数をｆ、光の速度をｃ、伝送用光ファイバ４の屈折率をｎとすると、下記の式（１）で表される。
λ＝（ｃ／ｎ）／ｆ …（１）
更に、光源１からサーキュレータ３までの距離と、サーキュレータ３から受光器６までの距離とを同距離とする場合、光源１から反射端４ａまでの距離をＬとすると、光源１から受光器６までの距離は、２Ｌと表される。この距離２Ｌと、被変調信号の波長λとの関係は、下記の式（２）で表される。
２Ｌ＝Ｎλ＋ｌ …（２）
ここで、Ｎは整数で、ｌは、ｌ＜λの関係にある長さである。被変調信号の波長λを位相角２πラジアンに対応させたとき、長さｌがφラジアンに相当する場合、長さｌは、下記の式（３）で表される。
ｌ＝φ×（λ／２π） …（３）
この位相角φは、光源１から出射された測定光を基準としたときの受光器６に受光される反射光の包絡線の位相差を示している。

本外力検出装置において、上記位相角φが初期値から変化した場合、それは、反射光がない状態となったか、反射光の出発点が変わったということ、即ち、反射端４ａにおいて測定光が反射されて反射光となる状態から反射端４ａ以外の位置において測定光が反射されて反射光となる状態となったということである。反射光がない状態となったということは、光センサ５に外力が作用して測定光が吸収されているということであり、反射端４ａ以外の位置で反射が起こっているということは、伝送用光ファイバ４が切断され、その切断面で反射が起こっているということである。前者の場合の位相差は、予見される値となる。後者の場合には、位相差の変化から、切断箇所を算出することが可能である。例えば、位相差φの初期値をφ_０とし、変化後の位相差をφ_１とすると、式（３）より、位相差の変化量の絶対値｜φ_０−φ_１｜に（λ／２π）をかけた値が、断線による光路長の変化量である。

判定部８は、位相角φに変化が無いときには、反射端４ａにおいて反射が起こっていると判定し、光センサ５に外力が作用しておらず、且つ、伝送用光ファイバ４が断線していない通常状態であると判断する。
位相角φに変化があったとき、判定部８は、その変化角度から、光センサ５において吸収が起こっているのか、又は、その他の位置において反射が起こっているのかを判定する。光センサ５において吸収が起こっているのであれば、光センサ５に外力が作用していると判断する。また、その他の位置において反射が起こっているのであれば、伝送用光ファイバ４が断線していると判断する。

本発明の他の実施形態について図面を参照して説明する。図２は、本実施形態における外力検出装置の構成を示す模式図である。本外力検出装置は、前実施形態と同様の光源１、変調器２、サーキュレータ３、受光器６、位相検出器７と、前実施形態の伝送用光ファイバ４及び光センサ５からなる複数の光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎと、光スイッチ９と、判定部１０とを備えている。光スイッチ９及び判定部１０により、本実施形態における切替手段が実現されている。

サーキュレータ３は、光スイッチ９によって、光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎの何れかと接続され、接続された光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎの伝送用光ファイバ４へ測定光を出射すると共に、接続された光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎの伝送用光ファイバ４から入射される反射光を受光器６へ出射する。
光スイッチ９は、判定部１０の制御によって、サーキュレータ３と接続される光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎを順次切り替え、サーキュレータ３と光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎの何れかとを接続する。
判定部１０は、本実施形態における演算部を実現するものであり、位相検出器７の出力する信号に基づいて、光センサ５に外力が与えられたか否かを判定する一方、光スイッチ９を制御し、所定時間毎に、サーキュレータ３と接続される光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎを順次切り替えさせる。

上記構成とし、光伝送部Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎをそれぞれ別の場所に敷設することにより、複数箇所での外力検出を可能とすることができる。

なお、実施にあたって、被変調信号としては、正弦波の他、矩形波を用いてもよく、また、変調方法として、光源１が出射する光に連続して被変調信号を重畳してもよいし、間欠的に被変調信号を重畳してもよい。
また、本実施形態では、光センサ５は、外力が作用しない状態では測定光及び反射光を透過し、外力が作用すると測定光を吸収するものとしたが、実施にあたっては、光センサは、外力が作用しない状態では測定光を吸収し、外力が作用すると測定光及び反射光を透過するものであってもよい。
更に、本実施形態では、光センサ５は、外力の作用の有無によって、光を透過する状態と光を吸収する状態とを遷移するものとしたが、実施にあたっては、光センサは、外力の作用の有無によって、光を透過する状態と光を反射する状態とを遷移するものであってもよい。この場合、光センサに外力が作用したときの位相差は、伝送用光ファイバにおける光センサの位置から予見される値となる。

本発明の一実施形態における外力検出装置の構成を示す模式図である。本発明の他の実施形態における外力検出装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１…光源、２…変調器（光変調手段）、３…サーキュレータ、４…伝送用光ファイバ（光伝送路）、４ａ…反射端、５…光センサ、６…受光器、７…位相検出器、８…判定部、９…光スイッチ（切替手段の一部）、１０…判定部（切替手段の一部）、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…，Ｓｎ…光伝送部

Claims

光源と、
該光源の出射光を所定の被変調信号を用いて強度変調して強度変調光を出力する光変調手段と、
所定場所に敷設され、前記光変調手段から入射した強度変調光を測定光として伝送し、末端が前記測定光を反射して反射光を発生させる反射端とされた光伝送路と、
該光伝送路の途中部位に設けられ、外力の作用の有無によって光を透過する状態と光を吸収する状態との何れかに切り替わる光センサと、
前記反射光の包絡線と、前記被変調信号或いは前記測定光の包絡線との位相差を検出する位相検出器と、
該位相検出器の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする外力検出装置。
光源と、
該光源の出射光を所定の被変調信号を用いて強度変調して強度変調光を出力する光変調手段と、
所定場所に敷設され、前記光変調手段から入射した強度変調光を測定光として伝送する光伝送路と、
該光伝送路の途中部位に設けられ、外力が作用しない状態では前記測定光を透過させる一方、外力が作用すると前記測定光を反射して反射光を発生させる光センサと、
前記反射光の包絡線と、前記被変調信号或いは前記測定光の包絡線との位相差を検出する位相検出器と、
該位相検出器の位相検出信号に基づいて前記外力の作用の有無を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする外力検出装置。
前記判定部は、前記位相検出信号に基づいて前記光伝送路の断線の有無を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の外力検出装置。
前記光伝送路と前記光センサとを複数組備え、更に、前記測定光を入射させる前記光伝送路を順次切り替える切替手段を備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の外力検出装置。