JP2007333713A - Conversion mechanism for fbg and sensor applying the same - Google Patents

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一正 佐々木
Yukihiro Mizuma
幸大 水間
Tomoaki Tanaka
知朗 田中
Makoto Kobayashi
誠 小林
Kenichi Saito
健一 斉藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mechanism that converts a measured physical quantity into an amount of expansion and contraction of an FBG by using an optical fiber FBG sensitive to strain, due to expansion and contraction, in view of the advantage of using light which will not be affected by electrical discharge, unlike conventional electric disaster prevention sensor which fails or malfunctions under the influence of electrical discharge due to lightening. <P>SOLUTION: A conversion mechanism structured, such that an FBG-mounted optical fiber is wound around the outer circumference of a ring spring is provided. The conversion mechanism can accurately convert, into expansion and contraction of the optical fiber, a measured physical quantity acting thereon so as to pressure crush the ring. The conversion mechanism uses an FBG obtained by writing a Bragg diffraction grating into the optical fiber. The conversion mechanism detects a detected amount converted into expansion and contraction of grating intervals. The value of expansion and contraction can be measured as a change in wavelength of Bragg reflected light. Since sensing and signal transmission are all carried out by using optical signals, and no electrical signals are used, the conversion mechanism has a feature of not being affected by ground leakages due to rainfalls, ground leakages due to meltwater from snowfalls, or lightning, even under inclement weather conditions underwater or outdoors. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、防災センサとして従来の欠点を克服するためになされたもので、防災センサ技術に関する。  The present invention has been made to overcome the conventional drawbacks as a disaster prevention sensor, and relates to a disaster prevention sensor technology.

その手段として、光ファイバFBGを応用した圧力センサの応用に関するもので、特に、被測定圧力をFBGの伸縮量に変換する部分においてリング状のバネに巻きつけ、リングが外圧により扁平となるとき、巻きつけたFBGに伸縮が発生することを利用する技術に関する。  As its means, it relates to the application of a pressure sensor using an optical fiber FBG, and in particular, when the pressure to be measured is wound around a ring-shaped spring at the part that converts the measured pressure into the amount of expansion and contraction of the FBG, The present invention relates to a technique that utilizes the occurrence of expansion and contraction in a wound FBG.

電気的方式で実現されている従来の防災センサは雷放電の影響で、誤動作、故障が頻発し、改善する技術開発が求められていた背景がある。一方、光ファイバ技術も開発が進められ、FBGと呼ばれる新しい光デバイスが出現しているという技術背景があり、FBGをセンサとして用い、各種の防災センサを実現することが検討されたが、未解決の問題も多いのも事実である。本発明はFBGを防災センサとして利用するための根幹となる変換技術に関する。  The conventional disaster prevention sensor realized by the electric method has a background that malfunctions and failures occur frequently due to the influence of lightning discharge, and there is a demand for technological development to improve. On the other hand, the development of optical fiber technology has progressed, and there is a technical background that a new optical device called FBG has appeared, and it has been studied to realize various disaster prevention sensors using FBG as a sensor. It is also true that there are many problems. The present invention relates to a conversion technology that serves as a basis for using FBG as a disaster prevention sensor.

最近、わが国では水害、地震などの自然災害、および交通災害などが多発しているが、この被害を少しでも軽減するには、センサを配置して災害の発生を予知することが重要である。  Recently, floods, natural disasters such as earthquakes, and traffic disasters have occurred frequently in Japan. To reduce this damage as much as possible, it is important to predict the occurrence of disasters by placing sensors.

例えば、洪水は、河川上流、及び流域の水位分布の時間的変化を分析すれば、ある程度予測することが可能であり、この情報に基づいて支流の水門の開閉などで洪水を防止するように水位を制御して防災する方策もとることができる。  For example, floods can be predicted to some extent by analyzing temporal changes in the water level distribution in upstream rivers and basins. Based on this information, water levels can be prevented by opening and closing sluice gates. It is possible to take measures to control disasters and prevent disasters.

この場合水位を測定するためのセンサ(水位計)が必要であるが、現在一般的に使われているセンサは電気的な手段によるものが多い。しかし、これは各地で雷の被害を受けて誤動作や故障を起こす事故が多発し、防災の上で効果を発揮していない。  In this case, a sensor (water level meter) for measuring the water level is necessary, but most of the sensors that are generally used at present are based on electrical means. However, this is not effective in disaster prevention due to frequent occurrence of malfunctions and breakdowns due to lightning damage in various places.

本発明はこのような雷による防災センサが蒙る被害の多さに鑑みてなされるもので、次に述べるようなFBGという光ファイバ型の素子を使う技術により解決する。The present invention is made in view of the great damage caused by such a lightning disaster prevention sensor, and is solved by a technique using an optical fiber type element called FBG as described below.

これにより天災、人災から人命を救うことが本発明の目的である。Thus, it is an object of the present invention to save human lives from natural disasters and man-made disasters.

課題を解決する手段Means to solve the problem

本発明は電気的防災センサが雷放電からの妨害により適正に動作しないという現状に鑑みてなされるもので、光を使うことにより、電磁的な影響を回避し、この課題を解決しようとするものである。  The present invention is made in view of the current situation that an electrical disaster prevention sensor does not operate properly due to lightning discharge interference. By using light, an electromagnetic influence is avoided and an attempt is made to solve this problem. It is.

具体的には、ブラッグ回折格子を光ファイバ内に内蔵させたデバイス(ファイバブラッググレーティング:FBG)を使うもので、これは外力により伸縮を受けるとブラッグ反射波長が変化することから、どのような物理量であってもFBGの伸縮情報に変換することが可能であれば波長測定により検知可能となる。  Specifically, it uses a device (fiber Bragg grating: FBG) with a Bragg diffraction grating built in the optical fiber. This is because the Bragg reflection wavelength changes when it is expanded or contracted by an external force. However, if it can be converted into FBG expansion / contraction information, it can be detected by wavelength measurement.

そこで、必要となるのが、被測定物理量を光ファイバの伸縮に変換する変換機構である。  Therefore, what is needed is a conversion mechanism that converts the physical quantity to be measured into the expansion and contraction of the optical fiber.

しかし、被測定物理量を光ファイバの伸縮に変換する仕組みはさまざまな方法があるが、光ファイバはガラスであり機械的に脆弱であること、その保護のために被覆を行うと被覆材の影響を受けやすいことなどの問題があり、精度や安定性に課題があった。つまり、実際にFBGを使うためには被測定物理量を光ファイバの伸縮に変換する新しい方法を発明する必要があった。However, there are various methods for converting the physical quantity to be measured into the expansion and contraction of the optical fiber. However, the optical fiber is glass and is mechanically fragile. There were problems such as being easily received, and there were problems with accuracy and stability. That is, in order to actually use the FBG, it is necessary to invent a new method for converting the physical quantity to be measured into the expansion and contraction of the optical fiber.

本発明は光ファイバをリング状のバネ外周に巻いた状態で固定した機構により該課題を解決するものである。すなわち、リング状バネに被測定物理量からの圧力を付与して変形させると、その変形量は巻いた状態で固定されている光ファイバの伸縮に変換される。この変換は従来の変換方式に比較してあいまいな部分がなく、正確に変換できる。The present invention solves this problem by a mechanism in which an optical fiber is fixed around a ring-shaped spring. That is, when the ring-shaped spring is deformed by applying pressure from the physical quantity to be measured, the amount of deformation is converted into the expansion and contraction of the optical fiber fixed in a wound state. This conversion has no ambiguity compared to the conventional conversion method, and can be converted accurately.

発明の効果The invention's effect

本発明はFBGをリング状バネ外周に巻きつけて固定する方法により、被測定物理量を正確にFBGの伸縮量に変換する機構に関する。この機構を用いて防災センサを実現することにより、これまで実現できなかった高信頼な防災センサを提供できる。  The present invention relates to a mechanism for accurately converting a physical quantity to be measured into an expansion / contraction amount of the FBG by a method of winding and fixing the FBG around the outer periphery of a ring-shaped spring. By realizing a disaster prevention sensor using this mechanism, it is possible to provide a highly reliable disaster prevention sensor that could not be realized so far.

本発明による変換機構で用いるリング状のバネは解析モデルとして極めて単純であるため、弾性特性、応答特性などの解析が容易であり動作を予め予測し評価することが可能である。Since the ring-shaped spring used in the conversion mechanism according to the present invention is very simple as an analysis model, it is easy to analyze the elastic characteristics, response characteristics, etc., and the operation can be predicted and evaluated in advance.

本発明による変換機構は従来の方法に比較してより正確に被測定物理量をFBGの伸縮量に変換できるため、さまざま被測定物理量センサへ応用した場合、高性能なデバイスの実現が可能となり、特に防災センサへ適用した場合には高信頼なセンサを提供できる。Since the conversion mechanism according to the present invention can convert the physical quantity to be measured into the amount of expansion and contraction of the FBG more accurately than the conventional method, when applied to various measured physical quantity sensors, it is possible to realize a high-performance device. When applied to a disaster prevention sensor, a highly reliable sensor can be provided.

発明の詳細Details of the invention

(FBGの原理)(Principle of FBG)

FBGは光ファイバのコアにブラッグ回折格子を紫外光を用いて書き込んだもので(図1),格子間隔で決まる特定の波長の光を反射する.格子間隔と波長の関係は次式で表される。
λ=n・D (1)
ここに、λは反射波長、Dは格子間隔、n はFBGの平均屈折率である。
The FBG is a Bragg diffraction grating written in the core of an optical fiber using ultraviolet light (Fig. 1), and reflects light of a specific wavelength determined by the grating spacing. The relationship between the grating interval and the wavelength is expressed by the following equation.
λ = n · D (1)
Here, λ is the reflection wavelength, D is the lattice spacing, and n is the average refractive index of the FBG.

波長変化は
る。
Wavelength change is
The

だけによるものとした場合には誤差が生ずることが知られている。 It is known that an error will occur if it is based only on this.

温度をTとすると、n、Dとも温度の関数であり、nは波長の関数となることも知られている。
n = n(T,λ) (3)
D = D(T) (4)
であるから、線形領域では、
となる。
It is also known that when temperature is T, both n and D are functions of temperature, and n is a function of wavelength.
n = n (T, λ) (3)
D = D (T) (4)
So in the linear region,
It becomes.

ここで、sは温度係数、pは屈折率の波長依存関数でSellmeir式などが知られている。ρは線熱膨張係数である。通常、石英ファイバではρ=1×10−6/℃、s=9.5×10−6/℃程度の大きさであり、式(5)の右辺第2項は使っている波長が吸収帯から離れ、かつ波長変化が少ない領域では無視される。Here, s is a temperature coefficient, p is a wavelength-dependent function of refractive index, and the Sellmeier equation is known. ρ is a linear thermal expansion coefficient. Usually, the silica fiber is ρ = 1 × 10 -6 /℃,s=9.5×10 -6 / ℃ about the size, the formula (5) Wavelength right side that uses the second term absorption band of It is disregarded in a region away from the region and having a small wavelength change.

また、FBGが別な物体に固定されている場合には、その物体の熱膨張も考慮する必要がある。When the FBG is fixed to another object, it is necessary to consider the thermal expansion of the object.

通常は2つのFBGを用い、温度依存性は共通として、一方だけに応力が付与されるようにしてセンサを構成し、波長変化の差分から温度変化による誤差を補償する。  Normally, two FBGs are used, the temperature dependence is common, and a sensor is configured so that stress is applied to only one of them, and an error due to temperature change is compensated from the difference in wavelength change.

本発明は被測定物理量をFBGの伸縮量に変換する機構に関し、これまでの技術では、精度、安定性に課題があったことに鑑みてなされたもので、FBGをリング状のバネに巻きつけた構造の機構を採用することによって課題を解決している。  The present invention relates to a mechanism for converting a physical quantity to be measured into the amount of expansion / contraction of the FBG, and has been made in view of the problems in accuracy and stability in the conventional technology. The FBG is wound around a ring-shaped spring. The problem is solved by adopting a mechanism with a different structure.

つまり、圧力の検知においては、リングを楕円となるように変形する力を受けるようにすると、楕円の長径に垂直な面は小さな曲率で湾曲するため、取り付けた光ファイバのその部分は他の部分より大きく伸張を受ける。一方、短径に垂直な面では曲率は反対に大きくなるので、圧縮となる。そこで、これらの位置うち一方、もしくは両方にFBGが配されるようにすることにより、圧力情報をFBGの伸縮情報に変換することができる。In other words, in pressure detection, if the ring is subjected to a force that deforms to become an ellipse, the surface perpendicular to the major axis of the ellipse is curved with a small curvature, so that part of the attached optical fiber is the other part. Get bigger stretch. On the other hand, on the surface perpendicular to the minor axis, the curvature increases on the contrary, so compression occurs. Therefore, pressure information can be converted into expansion / contraction information of the FBG by arranging the FBG at one or both of these positions.

このとき、光ファイバに及ぼす力が、FBGを配置する位置によって相反することに注意すると、FBGを差動的に利用することができ、温度による影響のような共通する誤差成分を相殺することが可能である。  At this time, if attention is paid to the fact that the force exerted on the optical fiber conflicts depending on the position where the FBG is arranged, the FBG can be used differentially, and the common error component such as the influence of temperature can be canceled. Is possible.

リング状のバネ外周に巻きつけたFBGの固定法には、FBGをリング状バネに直接接着する方法の他、FBGを0度方向、あるいは90度方向に配置したとき、45度の位置でファイバをリング状バネに接着、もしくは機械的圧力、もしくは冶具を用いて固定する方法がある。  In addition to the method of directly bonding the FBG to the ring-shaped spring, the method of fixing the FBG wound around the outer periphery of the ring-shaped spring includes a fiber at a 45-degree position when the FBG is arranged in the 0 degree direction or 90 degree direction. Can be bonded to the ring-shaped spring or fixed using mechanical pressure or a jig.

さらに、リング外側面に光ファイバの太さに等しい溝を設けることにより、FBGを安定にリング外周に巻きつけることができる。差動動作を得るために2本のFBGを使う場合には、溝を2本設けることもある。  Furthermore, by providing a groove equal to the thickness of the optical fiber on the outer surface of the ring, the FBG can be stably wound around the ring outer periphery. When two FBGs are used to obtain a differential operation, two grooves may be provided.

以上述べたFBG変換機構は多くの応用形態をもっており、本発明は該変換機構を内蔵する全てのセンサを含むものである。つまり、水圧を該FBG変換機構に負荷することにより水位を計測する水位計、錘の動きを6方から該変換機構により支える構造を持つ地震計、水量カウント信号を該FBGセンサにより検知する雨量計などを含む。  The FBG conversion mechanism described above has many applications, and the present invention includes all sensors that incorporate the conversion mechanism. That is, a water level meter that measures the water level by applying water pressure to the FBG conversion mechanism, a seismometer that has a structure that supports the movement of the weight from six directions by the conversion mechanism, and a rain gauge that detects the water count signal by the FBG sensor Etc.

実施例を図1に示す。リング状バネ1の外周に光ファイバ2を巻きつけた状態を示している。FBG3は、1個、もしくは2個搭載されている。2つの場合には、図に示すように0度と90度となる位置に設置されている。光ファイバは固定冶具4にてFBGをはさむように45度方向の位置で固定されている。  An embodiment is shown in FIG. The state where the optical fiber 2 is wound around the outer periphery of the ring-shaped spring 1 is shown. One or two FBGs 3 are mounted. In the two cases, they are installed at positions of 0 degrees and 90 degrees as shown in the figure. The optical fiber is fixed at a position in the 45-degree direction so as to sandwich the FBG with the fixing jig 4.

図中部分拡大図にはリングの外周面に溝6が1つもしくは複数列設けられていることを示している。  The partially enlarged view in the figure shows that one or a plurality of rows of grooves 6 are provided on the outer peripheral surface of the ring.

光ファイバ3はリング外周を一周し、余長はリードファイバ5として光回路への接続に用いる。このとき、図2に示すように、水平にリード12を取り出す場合は巻き数を1回(A)、一方向に揃える場合には1.5回巻き(B)とする。それぞれの場合により、固定位置13および台座14の形状と感知できる圧力の方向15を選択できる。  The optical fiber 3 goes around the ring outer periphery, and the extra length is used as a lead fiber 5 for connection to an optical circuit. At this time, as shown in FIG. 2, when the lead 12 is taken out horizontally, the number of turns is 1 (A), and when it is aligned in one direction, it is 1.5 turns (B). In each case, the shape of the fixed position 13 and the base 14 and the perceivable pressure direction 15 can be selected.

本発明のFBG変換機構の動作を図3を用いて説明する。
いま、リング底部から矢印が示すような圧力が付与され、円であったものが、楕円に潰されるような変形を受けたとすると、リングの側面の部分の外周は伸び、同時に、リングの上面は縮む方向の力を受けるので、この部分にFBGを配置すれば、圧力を正確にFBGの伸縮に変換できる。
The operation of the FBG conversion mechanism of the present invention will be described with reference to FIG.
Now, assuming that the pressure indicated by the arrow is applied from the bottom of the ring and the one that was a circle is deformed to be crushed into an ellipse, the outer periphery of the side part of the ring extends, and at the same time, the upper surface of the ring Since the force in the direction of contraction is received, if the FBG is disposed in this portion, the pressure can be accurately converted into the expansion and contraction of the FBG.

本発明の応用例1を図4に示す。図1に示したリング状バネを用いたFBG変換機構(B)1を、筒状、もしくは方形の外套22に収納し、外圧23により変形するように設置してある。外套22の内部には光回路24を収納する空間を有し、さらに、これらを外部機器と光ケーブル25により防水シール26を経由して外部に接続する。An application example 1 of the present invention is shown in FIG. The FBG conversion mechanism (B) 1 using the ring-shaped spring shown in FIG. 1 is housed in a cylindrical or rectangular outer sheath 22 and installed so as to be deformed by an external pressure 23. The outer jacket 22 has a space for storing the optical circuit 24, and is further connected to the outside by an external device and an optical cable 25 via a waterproof seal 26.

この水位計は変換機構部を下に向けて水中につるすような状態で設置する。外部とは光ケーブル25を経由し、分岐結合器27を介して、光源装置28および波長分析装置29に接続する。波長分析結果から水位を求めてこれを表示器30にて表示する。This water level gauge is installed in such a state that it hangs underwater with the conversion mechanism facing downward. The outside is connected to the light source device 28 and the wavelength analyzing device 29 via the optical cable 25 and the branch coupler 27. The water level is obtained from the wavelength analysis result and displayed on the display 30.

第2の実施例を図5に示す。これは、本発明のリング型FBG変換機構31による地震計である。6方から錘32を支えておりx−方向、y−方向、及びz−方向の3次元振動を検出できる。容器は2重となっており、外容器33と内容器34、および、台座35で構成されている。台座には光ファイバケーブルの取り出し口36があり、ケーブルを引き出して外部測定部に接続する。  A second embodiment is shown in FIG. This is a seismometer based on the ring type FBG conversion mechanism 31 of the present invention. The weight 32 is supported from six directions, and three-dimensional vibrations in the x-direction, the y-direction, and the z-direction can be detected. The container is doubled and includes an outer container 33, an inner container 34, and a pedestal 35. An optical fiber cable outlet 36 is provided on the base, and the cable is pulled out and connected to an external measuring unit.

該地震計の光配線及び信号処理系の実施例を図6に示す。このような配線でFBGを駆動できることは下記の特許出願に述べられているとおりである。FBG41とFBG42とは対となっており、それぞれx、y、z方向に対向する変換機構に内蔵されている。  An embodiment of the optical wiring and signal processing system of the seismometer is shown in FIG. The fact that the FBG can be driven with such wiring is as described in the following patent application. The FBG 41 and the FBG 42 form a pair, and are incorporated in the conversion mechanisms that face each other in the x, y, and z directions.

分岐結合器43を経て光源44からの光パワーは該FBGに配分され、反射光はフォトダイオー45にてそれぞれ検出され、信号は3次元信号解析装置46に与えられ、記録装置47にて記録される一方、表示器48にて振動状態が表示される。The optical power from the light source 44 is distributed to the FBG via the branch coupler 43, the reflected light is detected by the photodiode 45, and the signal is given to the three-dimensional signal analyzer 46 and recorded by the recording device 47. On the other hand, the vibration state is displayed on the display 48.

本発明のリング型FBG変換機構の応答特性は図7に示すようにオーバーシュートを伴うものとなる。この応答信号が図6の例のようなアナログ信号として得られる場合には、出力信号を積分回路に通じ、C及びRの値を適当に選べばオーバーシュートを補償することができる。The response characteristic of the ring type FBG conversion mechanism of the present invention is accompanied by an overshoot as shown in FIG. When this response signal is obtained as an analog signal as in the example of FIG. 6, the overshoot can be compensated by passing the output signal through an integration circuit and appropriately selecting the values of C and R.

デジタル化された信号であれば上述と等価なデジタル積分処理を行えばオーバーシュートを解消することができる。  In the case of a digitized signal, overshoot can be eliminated by performing digital integration processing equivalent to that described above.

は本発明を説明する図であって、2つの図から構成されているが、1つは側面図、他は斜め方向から見た見取り図で表現している。これらはいずれもリング状のバネにFBGを搭載した光ファイバを巻きつけている状態を示している。また、FBGの両側をリングに固定している様子、また、リングには溝をつけて、光ファイバを巻き付けた後ずれたりしないように工夫している様子を示している。FIG. 2 is a diagram for explaining the present invention, and is composed of two diagrams. One is a side view and the other is represented by a sketch viewed from an oblique direction. Each of these shows a state in which an optical fiber mounted with FBG is wound around a ring-shaped spring. In addition, a state where both sides of the FBG are fixed to the ring and a state where a groove is formed in the ring so as not to be shifted after the optical fiber is wound are shown. は本発明になるリング状のFBG変換機構を実際に使うときの固定法と、リード線(光ファイバ)の引き出し方向に、(A)と(B)の2つのバリエーションがあることを示している。(A)は、土台となるものに上向きで固定して、上から圧力を付与するタイプ、リード線は両端から取り出す。(B)は、吊り下げるような位置に固定して下から圧力を付与するもので、リード線は上方に向けて取り出すものである。用途により使い分けられる。Indicates that there are two variations (A) and (B) in the fixing method when the ring-shaped FBG conversion mechanism according to the present invention is actually used and the lead wire (optical fiber) drawing direction. . (A) is a type in which pressure is applied from above, and lead wires are taken out from both ends. (B) is to apply pressure from below by fixing at a position where it is suspended, and the lead wire is taken out upward. It is properly used depending on the application. は本発明になるリング形状のFBG変換機構の動作原理を示している。リングが図のように平たく押しつぶされると、リングの外側の周(外周)に伸びる部分と縮む部分とが発生することを説明している。この部分にFBGが来るように配置することによりリングを押しつぶす力をFBGにより検知可能となる。Shows the operating principle of the ring-shaped FBG conversion mechanism according to the present invention. It is explained that when the ring is flattened as shown in the figure, a portion extending to the outer circumference (outer periphery) of the ring and a portion contracting are generated. By arranging the FBG so as to come to this portion, the force for crushing the ring can be detected by the FBG. は本発明にかかるリング状のFBG変換機構を水圧計に応用した実施例を示すものである。水圧は自然界では水深に比例するから、水深計、水位計としても応用できる。図中のブロックダイアグラムはFBGを駆動するための光学系の構成と配線を示している。These show the Example which applied the ring-shaped FBG conversion mechanism concerning this invention to the water pressure gauge. Since water pressure is proportional to the water depth in nature, it can also be applied as a water depth gauge or water level gauge. The block diagram in the figure shows the configuration and wiring of an optical system for driving the FBG. は本発明のリング状FBG変換機構を地震計に応用した実施例を説明している。中央に錘を置き、その前後左右上下に計6個の本発明のリング状FBG変換機構を配置し、錘に負荷される加速度による荷重を計量することにより、全方向の振動を計測することが可能である。Describes an embodiment in which the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention is applied to a seismometer. It is possible to measure vibrations in all directions by placing a weight in the center, placing a total of six ring-shaped FBG conversion mechanisms of the present invention on the front, rear, left, right, top and bottom, and measuring the load due to the acceleration applied to the weight. Is possible. は図5で示した実施例の6個の本発明のリング状FBG変換機構を同時に駆動し、高速な振動を正確に検知するための光配線(光学系)を示している。FIG. 5 shows an optical wiring (optical system) for simultaneously detecting six high-speed vibrations by simultaneously driving the six ring-shaped FBG conversion mechanisms of the present invention shown in FIG. は、本発明のリング状FBG変換機構のFBGのパルス入力(衝撃的荷重負荷)に対する応答波形と、その補正回路を示している。該機構は応答速度が高速であるため、波形にはオーバーシュートが発生することが示されている。オーバーシュートは通常同じ時定数をもつ積分回路によって補正することができる。この機能は実際の電気回路としてだけでなく、デジタル処理によっても実現することが可能である。These show the response waveform with respect to the pulse input (impact load load) of FBG of the ring-shaped FBG conversion mechanism of this invention, and its correction circuit. Since the mechanism has a high response speed, it is shown that overshoot occurs in the waveform. Overshoot can usually be corrected by an integration circuit having the same time constant. This function can be realized not only as an actual electric circuit but also by digital processing.

符号の説明Explanation of symbols

1 リング状バネ : 本発明のリング状FBG変換機構の基本材料である。これに下記2の光ファイバを巻きつける。
2 光ファイバ(FBG搭載) : コア内部にFBGが書き込まれている光ファイバで、上記1に巻きつけて使用する。
3 FBG部 : 上記2の内部に書き込まれたFBG本体
4 固定冶具 : 上記2の光ファイバをリングに巻きつけた後緩みがないように固定する必要があるが、その固定に用いる冶具。
5 光ファイバリード : 上記2の光ファイバの両端をFBGへ光を送り込む、および、反射光や透過光を取り出すための延長部分。
6 溝 : 上記1のリングにつけられたもので、巻きつけた光ファイバがずれることを防止する。
11 リング型変換機構(図1) : 本発明のリング状FBG変換機構全体をさす。
12 リード光ファイバ : 上記2の光ファイバの両端をFBGへ光を送り込む、および、反射光や透過光を取り出すために必要な延長部分。
13 固定ネジ : 本発明のリング状FBG変換機構を土台に固定するためのネジ。
14 保持機構と固定土台 : 本発明のリング状FBG変換機構を固定しようとするときの相手
15 圧力方向 : 本発明のリング状FBG変換機構は圧力を波長情報に変換する機能をもつが、該機構が感じ取れる圧力の方向を示している。
21 リング状バネを用いたFBG変換機構([図2](B)) : 実施例[図2(B)]の方式の応用をしめしている。
22 外套 : 本発明のリング状FBG変換機構を保護する筒。もしくは箱である。
23 水圧方向 : 本発明のリング状FBG変換機構は圧力を波長情報に変換する機能をもつが、該機構が感じ取れる圧力の方向をしめしている。
24 光回路収納スペース : 本発明のリング状FBG変換機構を駆動するための光回路(光配線)を収納する空間。
25 光ケーブル : 本発明のリング状FBG変換機構を駆動するためにはFBG部分に光源光を導入する必要があるが、そのための光ファイバを内蔵したケーブルであり、水中で使うことを考慮して耐水性がある。
26 防水シール : 水圧計(水位計)の内部に水が浸入しないようにケーブル導入部に設ける。
27 光源装置 : 本発明のリング状FBG変換機構を駆動するためにはFBG部分に光源光を必要とするが、その光を発生させる装置。
28 分岐結合器 : 光源からFBGへ向かう光源光と、FBGからの反射光を分離するための光素子。
29 波長分析装置 : 本発明のリング状FBG変換機構は圧力を反射光の波長情報への変換しているが、その波長情報を計測するための光学装置。
30 水位表示装置 : 本発明のリング状FBG変換機構を水位計として利用する場合、水圧が波長情報に変換されていることから、波長情報計測後、それを水位値に再度変換して表示する装置。この変換には予め較正された定数を用いる。
31 リング状バネを用いたFBG変換機構(図1) : 本発明のリング状FBG変換機構そのもの。この応用では各機構に1個のFBGを配置する。
32 錘 : 本発明のリング状FBG変換機構に、加速度により圧力を発生させるために用いる。
33 外容器 : 本発明のリング状FBG変換機構を含む光学系を保護するための箱で、丈夫さを考慮して2重としているがその外側。
34 内容器 : 上記33に対応する内側。
35 台座 : 装置を安定に設置するための土台。
36 光ケーブル取り出し口 : 容器の内部に光ファイバを導入するための孔。
41 FBG : 本発明のリング状FBG変換機構に取り付けられているFBGのことである。
42 41のFBGと対になるFBG : 本応用例では2つのリングが対向して用いられている。上記41のFBGと対となっているものを指す。
43 分岐結合器 : 光源からFBGへ向かう光源光と、FBGからの反射光を分離するための光素子。
44 光源 : 本発明のリング状FBG変換機構を駆動するためにはFBG部分に光源光を必要とするが、その光を発生させる装置。
45 フォトダイオード : 本発明のリング状FBG変換機構からの反射光をパワーを計量する半導体素子。
46 3次元データ処理装置 : 本応用例の地震計は、上下左右前後の3方向の振動を検知できるが、これらの情報から振動を3次元空間(東西南北上下)の座標系に変換する装置。
47 記録装置 : 上記46で計算された値を記録する装置。
48 表示装置 : 上記46で計算された値を表示する装置。
101 リング状バネを用いたFBG変換機構(図1) : 本発明のリング状FBG変換機構そのもの。
102 101より発生する信号波形 : 横軸は時間、縦軸は波長変化で表現した波形。オーバーシュートが発生している状況を示している。
103 信号処理回路 : 上記102の波形に現れるオーバーシュートを除去する回路で、アナログ信号で得られる場合は実際のR及びCを用いる。また、デジタル信号で得られる場合には等価なRとCによるデジタル信号処理によって実現できる。
1 Ring-shaped spring: A basic material of the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention. The following two optical fibers are wound around this.
2 Optical fiber (with FBG installed): An optical fiber in which FBG is written inside the core.
3 FBG part: FBG main body 4 written inside 2 above Fixing jig: It is necessary to fix the optical fiber of 2 above around the ring so as not to loosen, but a jig used for the fixing.
5 Optical fiber lead: An extended portion for sending light to the FBG at both ends of the optical fiber of 2 and extracting reflected light and transmitted light.
6 Groove: Attached to the ring 1 described above, prevents the wound optical fiber from shifting.
11 Ring type conversion mechanism (FIG. 1): Refers to the entire ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention.
12 Lead optical fiber: An extension required to send light to the FBG at both ends of the optical fiber of 2 and to extract reflected light and transmitted light.
13 Fixing screw: A screw for fixing the ring-shaped FBG converting mechanism of the present invention to the base.
14 Holding mechanism and fixed base: counterpart 15 when trying to fix the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention Pressure direction: The ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention has a function of converting pressure into wavelength information. Indicates the direction of pressure that can be felt.
21 FBG conversion mechanism using ring spring ([FIG. 2] (B)): Application of the system of the embodiment [FIG. 2 (B)] is shown.
22 Mantle: A cylinder that protects the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention. Or a box.
23 Water pressure direction: The ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention has a function of converting pressure into wavelength information, but indicates the direction of pressure that the mechanism can feel.
24 Optical circuit storage space: Space for storing an optical circuit (optical wiring) for driving the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention.
25 Optical cable: In order to drive the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention, it is necessary to introduce light source light into the FBG part. This is a cable incorporating an optical fiber for that purpose, and is water resistant in consideration of use in water. There is sex.
26 Waterproof seal: Installed in the cable inlet to prevent water from entering the water pressure gauge (water level gauge).
27 Light source device: A device for generating light that requires light source light in the FBG portion in order to drive the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention.
28 Branch coupler: An optical element for separating light source light directed from the light source to the FBG and reflected light from the FBG.
29 Wavelength analyzer: The ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention converts pressure into wavelength information of reflected light, and is an optical device for measuring the wavelength information.
30 Water level display device: When the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention is used as a water level meter, since the water pressure is converted into wavelength information, after the wavelength information measurement, it is converted again into a water level value and displayed. . A constant calibrated in advance is used for this conversion.
31 FBG conversion mechanism using ring-shaped spring (FIG. 1): The ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention itself. In this application, one FBG is placed in each mechanism.
32 weight: Used in the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention to generate pressure by acceleration.
33 Outer container: A box for protecting an optical system including the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention. The outer container is doubled in consideration of its robustness.
34 Inner container: Inside corresponding to 33 above.
35 Pedestal: A base for stable installation of the device.
36 Optical cable outlet: Hole for introducing an optical fiber into the container.
41 FBG: FBG attached to the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention.
FBG paired with 42 41 FBG: In this application example, two rings are used facing each other. It refers to a pair with the 41 FBG.
43 Branch coupler: An optical element for separating light source light from the light source toward the FBG and reflected light from the FBG.
44 Light source: An apparatus for generating light that requires light source light in the FBG portion in order to drive the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention.
45 Photodiode: A semiconductor element that measures the power of reflected light from the ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention.
46 Three-dimensional data processing device: The seismometer of this application example can detect vibrations in three directions (up, down, left and right, front and rear).
47 Recording device: A device for recording the value calculated in 46 above.
48 display device: a device for displaying the value calculated in 46 above.
101 FBG conversion mechanism using ring-shaped spring (FIG. 1): The ring-shaped FBG conversion mechanism of the present invention itself.
102 Signal waveform generated from 101: The horizontal axis is time, and the vertical axis is a waveform expressed by wavelength change. It shows the situation where overshoot occurs.
103 Signal processing circuit: A circuit for removing the overshoot appearing in the waveform 102. When the signal processing circuit is obtained as an analog signal, actual R and C are used. Further, when it is obtained as a digital signal, it can be realized by digital signal processing using equivalent R and C.

Claims (8)

光ファイバブラッググレーティング(以下、FBG)は外力による伸縮に対し、その内部にあるグレーティングからの反射波長が変化するということで応答するセンサデバイスであり、被測定物理量をFBGの伸縮に変換できるものであればどのような物理量でも測定可能であるが、被測定物理量をFBGの伸縮に変換するため、リボン状平板をリング形状に丸めるか、もしくは、筒状のパイプを所定の幅で輪切りにする方法で作成した平リング状バネに、FBG部分を予め所定の張力を付与しつつ外周に巻きつけて固定した状態で使うことを特長とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  An optical fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) is a sensor device that responds to the expansion and contraction caused by external force by changing the reflection wavelength from the grating inside the optical fiber Bragg grating. Any physical quantity can be measured, but in order to convert the physical quantity to be measured into FBG expansion / contraction, a method of rounding a ribbon-shaped flat plate into a ring shape or cutting a cylindrical pipe into a predetermined width An FBG sensor having a conversion mechanism for an FBG, characterized in that the FBG portion is wound around and fixed to the flat ring-shaped spring created in step 1 while applying a predetermined tension in advance. 請求項1のリング形状バネ外周に光ファイバが巻きつけられて固定されているとき、該リングを楕円状態に潰すような圧力をかけると、楕円の長径に垂直な面は小さな曲率で湾曲するためその部分の光ファイバは他の部分より大きく伸張を受け、一方、短径に垂直な面では曲率は反対に大きくなるので、圧縮となることから、これらの2つの場合のうち、一方、もしくは両方の位置にFBGが配されるように設置固定することにより、圧力情報をFBGの伸縮情報に変換することを特長とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  When an optical fiber is wound around and fixed to the outer periphery of the ring-shaped spring according to claim 1, a surface perpendicular to the major axis of the ellipse is curved with a small curvature when pressure is applied to collapse the ring into an elliptical state. The optical fiber in that part is stretched more than the other part, while the curvature perpendicular to the minor axis is oppositely large, so it is compressed, so one or both of these two cases An FBG sensor having a conversion mechanism for FBG, characterized in that pressure information is converted into expansion / contraction information of FBG by installing and fixing the FBG so that it is disposed at the position of FBG. 請求項2で述べたように、リング状バネを押し潰して楕円化させるように作用する力に対し、その周囲に配置されたFBGに及ぼす力が固定位置によって相反することを利用し、伸びる部分と圧縮する部分にそれぞれ取りつけられたFBGを差動的に使うことを特長とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  As described in claim 2, a portion that extends by utilizing the fact that the force acting on the FBG arranged around the force acting to crush the ring-shaped spring to be ovalized depends on the fixed position. FBG sensor with a conversion mechanism for FBGs, which uses differentially FBGs attached to the parts to be compressed. 請求項1において述べたリング状のバネに巻きつけたFBGの固定法に関し、FBGをリング状バネに直接接着するか、もしくは、FBGを0度方向、あるいは90度方向に配置したとき、45度の位置でファイバをリング状バネに接着、もしくは機械的圧力、もしくは冶具を用いて固定し、より正確に伸縮力がFBGに伝達できることを特長とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  With respect to the fixing method of the FBG wound around the ring-shaped spring described in claim 1, when the FBG is directly bonded to the ring-shaped spring or when the FBG is arranged in the 0 degree direction or the 90 degree direction, 45 degrees An FBG sensor having a conversion mechanism for FBG, characterized in that the fiber can be bonded to a ring-shaped spring at the position or fixed using mechanical pressure or a jig, and the stretching force can be transmitted to the FBG more accurately. 請求項4において述べたリング状のバネに巻きつけたFBGの固定位置に関し、FBGを0度方向、あるいは90度方向に配置したとき、45度より小さい角度位置でファイバをリング状バネに接着、もしくは機械的圧力、もしくは冶具を用いて固定することにより、感度およびオーバーシュートを改善することができることを特長とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  Regarding the fixing position of the FBG wound around the ring-shaped spring described in claim 4, when the FBG is arranged in the 0 degree direction or the 90 degree direction, the fiber is bonded to the ring spring at an angular position smaller than 45 degrees. Alternatively, an FBG sensor having a conversion mechanism for the FBG, characterized in that sensitivity and overshoot can be improved by fixing with mechanical pressure or a jig. 請求項1において述べたFBGを巻きつけるためのリング状のバネに関し、FBGを巻きつけるリングの表面に溝をつけ、FBGを安定に巻きつけることができるようにしたことを特徴とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  A ring-shaped spring for winding the FBG described in claim 1, wherein a groove is formed on the surface of the ring for winding the FBG so that the FBG can be wound stably. FBG sensor with a conversion mechanism. 請求項4で述べたFBGの固定位置を、片端2箇所以上とすることにより、各固定点の両側での張力差を小さくすることにより、固定力を軽減し、固定による光の伝播損失を軽減できることを特徴とするFBGのための変換機構をもったFBGセンサ。  The fixing position of the FBG described in claim 4 is set to two or more at one end, thereby reducing the tension difference between both sides of each fixing point, thereby reducing the fixing force and reducing the light transmission loss due to the fixing. An FBG sensor having a conversion mechanism for an FBG characterized by being able to do so. 請求項1で述べたFBGセンサを応用もしくは内蔵せしめて作成できることを特長とする物理センサの全てであって、水圧をリング状の該FBGセンサに負荷することにより水位を計測する水位計、錘の動きを6方から支える該FBGセンサにより検知する原理の地震計、水量カウント信号を該FBGセンサにより検知する雨量計などを含む。  All of the physical sensors characterized in that the FBG sensor described in claim 1 can be applied or built in, and a water level meter that measures the water level by applying a water pressure to the ring-shaped FBG sensor. It includes a seismometer based on the principle of detecting movement by the FBG sensor that supports movement from six directions, a rain gauge for detecting a water count signal by the FBG sensor, and the like.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011030416A (en) * 2009-07-21 2011-02-10 General Electric Co <Ge> Stator end-winding component monitoring system
KR101427810B1 (en) 2013-08-05 2014-08-08 한국철도기술연구원 3 axis optic acceleration sensor for seismometer
CN106123796A (en) * 2016-07-28 2016-11-16 山西省交通科学研究院 A kind of fiber grating measurement apparatus improving precision and stability

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