JP2008134155A - Optical fiber strain gage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工業プロセス計測、リニアモータカー・送電線・発電機等におけるひずみ測定等、強電磁界ノイズ環境下の計測、落雷環境下の土木関連計測等に用いられる光ファイバ式ひずみゲージに関し、特に、FBG[Fiber Bragg Grating(光ファイバブラッグ回折格子)]を用いた光ファイバ式ひずみゲージに関する。 The present invention relates to an optical fiber strain gauge used for industrial process measurement, strain measurement in a linear motor car, power transmission line, generator, etc., measurement in a strong electromagnetic field noise environment, civil engineering-related measurement in a lightning strike environment, etc. The present invention relates to an optical fiber strain gauge using FBG [Fiber Bragg Grating].
従来、FBGを用いた光ファイバ式ひずみゲージ等の光ファイバ式センサのひとつとして、本出願人は、温度補償の問題を解決し得るコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを提案している(特許文献1)。 Conventionally, as one of optical fiber sensors such as an optical fiber strain gauge using FBG, the present applicant has proposed an optical fiber strain gauge having a compact configuration capable of solving the problem of temperature compensation (patent) Reference 1).
上記の光ファイバ式ひずみゲージは、測定対象物に溶接等によって固定され、FBGを利用して測定対象物の測定を行い、光ファイバが装着されるゲージベースと、測定対象物との線膨張係数の差を利用して温度補償を行うものである。FBGとは、通信用シングルモード型光ファイバのコア部の屈折率をファイバ軸方向に周期的に変化させた光ファイバブラッグ回折格子を検出素子として用い、該回折格子への入射光のうち屈折率の周期に対応した特定の波長(ブラッグ波長)のみが選択的に反射される現象を利用したものである。つまり、検出素子にひずみが加えられると、回折格子の周期が変化することから、反射光の波長にシフトを生じるので、この波長のシフト量から加えられたひずみ量を測定できる。このような光ファイバ式ひずみゲージによれば、FBGを1個のみ用いるだけで、温度補償が可能であるコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを低コストに得ることができる。 The above optical fiber strain gauge is fixed to a measurement object by welding or the like, measures the measurement object using FBG, and has a linear expansion coefficient between the gauge base to which the optical fiber is attached and the measurement object. The temperature compensation is performed using the difference between the two. FBG uses an optical fiber Bragg diffraction grating in which the refractive index of the core of a single mode optical fiber for communication is periodically changed in the fiber axis direction as a detection element, and the refractive index of the incident light to the diffraction grating. This utilizes a phenomenon in which only a specific wavelength (Bragg wavelength) corresponding to the period is selectively reflected. In other words, when the strain is applied to the detection element, the period of the diffraction grating changes, and thus the wavelength of the reflected light is shifted. Therefore, the amount of strain applied from the shift amount of the wavelength can be measured. According to such an optical fiber type strain gauge, a compact optical fiber type strain gauge capable of temperature compensation can be obtained at low cost by using only one FBG.
上述した光ファイバ式ひずみゲージは、構成がコンパクトなため狭小部等でも使用することができ、また、温度補償の問題を解決することが可能なことから、測定対象物の温度が変化するような場合であっても使用することが可能となっている。そして、この光ファイバ式ひずみゲージは、測定対象物に引張力等によって発生した測定対象物のひずみを高精度に検出することが可能となっている。 The above-mentioned optical fiber strain gauge can be used even in a narrow portion because of its compact configuration, and can solve the temperature compensation problem, so that the temperature of the measurement object changes. Even in cases, it can be used. And this optical fiber type strain gauge can detect the distortion | strain of the measuring object which generate | occur | produced in the measuring object by tensile force etc. with high precision.
しかしながら、この光ファイバ式ひずみゲージは、測定対象物に固定する際に、ゲージベースの固着部を測定対象物に溶接することによって固定されるが、この固着部はゲージベースの幅方向のみに設けられていた。また、この固着部と光ファイバを挿入するための溝が設けられていることから、その分ゲージベースの固着部近傍で厚肉の部分が少なくなる態様となっていた。そして、厚肉の部分が少なくなる結果、ゲージベースの面外剛性が低くなってしまっているため、測定対象物に曲げ力等が作用してひずみが生じた場合、ゲージベースが測定対象物に合わせて変形する際に面外に塑性変形を起こす虞があった。 However, when this optical fiber type strain gauge is fixed to the measurement object, it is fixed by welding the fixed part of the gauge base to the measurement object. This fixed part is provided only in the width direction of the gauge base. It was done. In addition, since the fixing portion and the groove for inserting the optical fiber are provided, the thick portion is reduced in the vicinity of the fixing portion of the gauge base. As a result, the out-of-plane rigidity of the gauge base is reduced as a result of the reduction of the thick-walled portion.Therefore, when bending force acts on the measurement object and distortion occurs, the gauge base is attached to the measurement object. There was a risk of plastic deformation out of plane when deforming together.
そして、このようにゲージベースが面外に塑性変形してしまうと、測定対象物に曲げ力等の負荷が除去された後も、変形したまま元に戻らなくなる。ゲージベースが元に戻らない場合には、この光ファイバ式ひずみゲージは、測定対象物に発生しているひずみを忠実に測定することができなくなる。このため、この光ファイバ式ひずみゲージは、引っ張り力が作用する測定対象物ではひずみを高精度に検出できるにも拘わらず、曲げ力等が作用する測定対象物のひずみの測定に用いる場合には精度低下をきたす虞があった。 If the gauge base is plastically deformed out of plane in this way, it will not return to its original state even after the load such as bending force is removed from the measurement object. If the gauge base does not return to its original position, the optical fiber strain gauge cannot accurately measure the strain generated in the measurement object. For this reason, this fiber optic strain gauge can be used to measure the strain of a measurement object to which a bending force or the like acts even though the measurement object to which a tensile force acts can detect the strain with high accuracy. There was a risk of a decrease in accuracy.
かかる状況下、上述したようにコンパクトで温度補償の問題を解決し得る上にひずみを高精度に検出できる上記の光ファイバ式ひずみゲージを、曲げ力等が作用する測定対象物のひずみの測定にも適するように改良する必要性が高まっている。 Under such circumstances, the above-mentioned optical fiber strain gauge that can solve the problem of temperature compensation as described above and can detect strain with high accuracy can be used for measuring strain of a measurement object on which bending force or the like acts. There is a growing need for improvements to suit.
本発明は、上記のような種々の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、簡単且つ低コストな構成で温度補償の問題を解決し得る上に、測定対象物に溶接等することによりその測定対象物に加わる引張力のみならず曲げ力等をも高精度に検出し得る光ファイバ式ひずみゲージを提供することにある。 The present invention has been made in view of the various problems as described above. The object of the present invention is to solve the problem of temperature compensation with a simple and low-cost configuration and to weld the measurement object. An object of the present invention is to provide an optical fiber strain gauge capable of detecting not only a tensile force applied to the measurement object but also a bending force with high accuracy.
上記課題を解決するため、本発明の光ファイバ式ひずみゲージでは、空隙部が形成されたゲージベースと、前記ゲージベースの一方面において前記空隙部を介して連続的に形成された第1及び第2の溝と、前記第1及び第2の溝に固定されて延びる光ファイバと、該光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたブラッグ回折格子から成るセンシング素子と、前記ゲージベースと測定対象物とを固定する固定手段により固着力を加えられる固着部とを備えた光ファイバ式ひずみゲージであって、前記固着部は、前記第1の溝及び第2の溝と直交する方向に延びる第1固着部と、前記第1の溝及び第2の溝と平行に延びる第2固着部とにより形成されていることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, in the optical fiber strain gauge of the present invention, a gauge base in which a gap portion is formed, and a first and a first formed continuously on the one surface of the gauge base via the gap portion. Two grooves, an optical fiber fixed and extending in the first and second grooves, a sensing element comprising a Bragg diffraction grating formed in a portion of the optical fiber located in the gap, and the gauge base An optical fiber strain gauge having a fixing portion to which a fixing force is applied by fixing means for fixing a measurement object, wherein the fixing portion is in a direction perpendicular to the first groove and the second groove. The first fixed portion extending and the second fixed portion extending in parallel with the first groove and the second groove are characterized by being formed.
これにより、ゲージベースを、その幅方向と長手方向の2方向に固定することが可能となる。そのため、この光ファイバ式ひずみゲージでは、ゲージベースを測定対象物に強固に固定して変形することを防止することが可能となり、曲げ力等によって発生する測定対象物のひずみを高精度に検出することができる。 This makes it possible to fix the gauge base in two directions, the width direction and the longitudinal direction. Therefore, with this optical fiber strain gauge, it is possible to prevent the gauge base from being firmly fixed to the measurement object and prevent deformation, and to detect the distortion of the measurement object caused by bending force or the like with high accuracy. be able to.
また、前記第2固着部は、前記第1固着部の端部から2方向に延びるように形成されているのが好適である。これにより、光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物により強固に固定でき、外力による光ファイバ式ひずみゲージの面外への変形を防止することが可能となる。さらに、第2固着部をゲージベースの両側部に設けるようにしても良く、これにより、第1固着部と第2固着部とを備えたゲージベースでは、第1固着部と第2固着部とが、第1の溝及び第2の溝を挟んで対称となる位置に設けられるため、ねじり等の変形を受け難くすることが可能となる。 Further, it is preferable that the second fixing portion is formed so as to extend in two directions from an end portion of the first fixing portion. As a result, the optical fiber strain gauge can be firmly fixed to the object to be measured, and the optical fiber strain gauge can be prevented from being deformed out of the plane by an external force. Further, the second fixing portion may be provided on both side portions of the gauge base. With this, in the gauge base including the first fixing portion and the second fixing portion, the first fixing portion and the second fixing portion are provided. However, since it is provided at a symmetrical position across the first groove and the second groove, it is possible to make it difficult to undergo deformation such as torsion.
また、本発明の光ファイバ式ひずみゲージは、更に、前記光ファイバ及び前記センシング素子の軸方向と直交する方向に延びて前記空隙部の両側に形成された段差部により前記ゲージベースに区画形成され、前記空隙部の周囲に位置する薄肉部と、該薄肉部より厚さの厚い厚肉部とを有することを特徴としている。また、本発明の光ファイバ式ひずみゲージは、更に、前記ゲージベースの前記薄肉部に形成されたくびれ部を有することを特徴としている。 Further, the optical fiber strain gauge of the present invention is further divided and formed on the gauge base by stepped portions extending in a direction perpendicular to the axial direction of the optical fiber and the sensing element and formed on both sides of the gap. And a thin-walled portion located around the gap and a thick-walled portion having a thickness greater than that of the thin-walled portion. The optical fiber strain gauge according to the present invention further includes a constricted portion formed in the thin portion of the gauge base.
これにより、本発明の光ファイバ式ひずみゲージでは、変形が顕著に現れる薄肉部及びくびれ部とそれ以外の厚肉部とを有することになるため、ブラッグ回折格子から成るセンシング素子をこの変形が顕著に現れる部分に配設することによって、ひずみの検出感度を向上させることが可能となる。 As a result, the optical fiber strain gauge of the present invention has a thin portion and a constricted portion where deformation is noticeable, and a thick portion other than that. Therefore, the deformation of the sensing element comprising the Bragg diffraction grating is remarkable. It is possible to improve the detection sensitivity of the strain by disposing it in the portion appearing in.
また、本発明の光ファイバ式ひずみゲージでは、前記ゲージベースは、第1の線膨張係数を有する材料から成り、該光ファイバ式ひずみゲージは、第2の線膨張係数を有する材料から成る前記測定対象物に固定され、前記第1の線膨張係数と前記第2の線膨張係数の差を利用して温度補償を行うことがより好適である。 In the optical fiber strain gauge of the present invention, the gauge base is made of a material having a first linear expansion coefficient, and the optical fiber strain gauge is made of the material having a second linear expansion coefficient. It is more preferable that temperature compensation is performed using a difference between the first linear expansion coefficient and the second linear expansion coefficient, which is fixed to the object.
これにより、ゲージベースの材料の線膨張係数と測定対象物の線膨張係数との差を利用して温度補償を行うので、ブラッグ回折格子から成るセンシング素子を1個のみ用いる場合でも温度補償が可能であるコンパクトな構成の光ファイバ式ひずみゲージを低コストに得ることができる。 As a result, temperature compensation is performed by utilizing the difference between the linear expansion coefficient of the gauge base material and the linear expansion coefficient of the measurement object, so that temperature compensation is possible even when only one sensing element comprising a Bragg diffraction grating is used. Thus, an optical fiber strain gauge having a compact configuration can be obtained at low cost.
また、本発明の光ファイバ式ひずみゲージは、前記センシング素子に予め引張力を付与した状態で用いられることがより好適である。これにより、前記センシング素子が圧縮力等によって座屈してしまう虞を無くし、安定して圧縮ひずみを測定することが可能となる。 In addition, the optical fiber strain gauge of the present invention is more preferably used in a state where a tensile force is previously applied to the sensing element. As a result, there is no possibility that the sensing element will buckle due to compressive force or the like, and the compressive strain can be measured stably.
本発明によれば、ブラッグ回折格子から成るセンシング素子を用いた光ファイバ式ひずみゲージを測定対象物に強固に固定することができるので、曲げ力等が作用する測定対象物に好適に使用することが可能となる。また、ブラッグ回折格子から成るセンシング素子を1つ設けるだけで温度補償をしたひずみ計測が可能となる。 According to the present invention, since an optical fiber strain gauge using a sensing element composed of a Bragg diffraction grating can be firmly fixed to a measurement object, it can be suitably used for a measurement object on which a bending force or the like acts. Is possible. In addition, strain measurement with temperature compensation can be performed by providing only one sensing element composed of a Bragg diffraction grating.
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、以下に説明する実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not limit the invention according to the claims, and all the combinations of features described in the embodiments are not necessarily essential to the solution means of the invention. Absent.
図1は、本発明の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の斜視図、図2は、その光ファイバ式ひずみゲージ100におけるゲージベース10を説明するための図、図3は、その光ファイバ式ひずみゲージ100における光ファイバ11を示す図である。まず、図1を用いて、光ファイバ式ひずみゲージ100の構成について説明する。
FIG. 1 is a perspective view of an optical
図1に示すように、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100は、ゲージベース10と光ファイバ11とを備えている。このゲージベース10には、長手方向の中央部にH型の空隙部13が幅方向に亘って形成されており、この空隙部13を挟んで長手方向の両側には厚肉部18A、18Bが形成されている。そして、ゲージベース10は、全体として薄い直方体形状となっている。
As shown in FIG. 1, the optical
また、この空隙部13と厚肉部18A、18Bとの両境界部には、段差16A、16Bが形成されており、H型の空隙部13を形成している周囲の部分は、厚肉部18A、18Bより厚みの薄い薄肉部17となっている。つまり、薄肉部17と厚肉部18A、18Bとは、段差16A、16Bによって区画形成された態様となっている。そして、薄肉部17は、ゲージベース10の長手方向の中心線を基準線として線対称となるようにくびれ部20を有している。
Further, steps 16A and 16B are formed at both boundary portions between the
また、厚肉部18A、18Bには、ゲージベース10の幅方向の中心部に、ゲージベース10の長手方向の全域に亘り、空隙部13を介して連続的に第1溝部14A、14Bと、第1溝部14A、14Bより幅の狭い第2溝部15A、15Bが形成されている。光ファイバ11は、この第1溝部14A、14B、及び第2溝部15A、15Bに挿入されて固定される。また、厚肉部18A、18Bには、固着部12A、12Bが形成されている。
In addition, the
次に、図2を用いて、ゲージベース10の詳細な構成について説明する。
Next, the detailed configuration of the
図2(a)は、ゲージベース10の平面図、図2(b)は、その長手方向の側面図、図2(c)は、その幅方向の側面図である。上述したように、ゲージベース10には、固着部12A、12B、空隙部13、第1溝部14A、14B、第2溝部15A、15B、段差16A、16B、薄肉部17、厚肉部18A、18B、及びくびれ部20が形成されている。
2A is a plan view of the
本実施形態の特徴的な部分である固着部12A、12Bは、図2(a)、図2(b)に示すように、ゲージベース10の幅方向の側部から、第1溝部14A、14B、及び第2溝部15A、15Bを基準線として線対称となるように2つずつ形成されている。この固着部12A、12Bは、ゲージベース10の幅方向に延びる第1固着部12A1、12B1と、ゲージベース10の長手方向に延びる第2固着部12A2、12B2との2つの固着部から形成されており、第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2は、測定対象物に対して溶接によって固着し易いように薄肉状となっている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the fixing
この第2固着部12A2、12B2は、ゲージベース10の幅方向の側部に形成されており、第1固着部12A1、12B1は、この第2固着部12A2、12B2の長手方向の中央部から、ゲージベース10の中央部に向けて延びるように形成されている。つまり、本実施形態の固着部12A、12Bは、T字形状となっており、T字の横棒の部分が、第2固着部12A2、12B2となり、T字の縦棒の部分が、第1固着部12A1、12B1となる。
The second fixing portions 12A2 and 12B2 are formed on the side portions in the width direction of the
図2(a)、図2(c)に示すように、第1溝部14A、14B、及び第2溝部15A、15Bは、ゲージベース10の幅方向の中心線を基準線として線対称となるように形成されており、ゲージベース10の長手方向の両側部から第1固着部12A1、12B1の中心線を僅かに超えた位置までが第1溝部14A、14Bとなり、第1溝部14A、14Bから空隙部13までの間が第2溝部15A、15Bとなっている。
As shown in FIGS. 2A and 2C, the
くびれ部20は、図2(a)、図2(b)に示すように、薄肉部17に、ゲージベース10の幅方向の両側部から内側に向けて形成された凹部であり、厚肉部18A、18Bはこのくびれ部20が形成された薄肉部17によって連結される態様となっている。そのため、このくびれ部20によりゲージベース10の剛性が低下するので、ゲージベース10に外力等が作用した際には、くびれ部20で撓み易くなっている。
2 (a) and 2 (b), the
尚、本実施形態では、ゲージベース10の寸法は、以下の通りとなっている。即ち、ベース10の全長lが40mm、ゲージベース10の全幅bが12mm、厚肉部18A、18Bの厚さdが0.6mm、第1固着部12A1、12B1の中心線間の距離(ゲージ長)Lが28mm、空隙部13の間隔Gが6mm、第1固着部12A1、12B1の長さl1が5mm、第1固着部12A1、12B1の幅b1が1mm、第2固着部12A2、12B2の長さl2が7mm、第2固着部12A2、12B2の幅b2が1.5mm、第1溝部14A、14Bの幅b3が0.5mm、第2溝部15A,15Bの幅b4が0.13mm、第1溝部14A、14B、及び第2溝部15A,15Bの深さd1が0.3mm、薄肉部17の幅b5が1mm、薄肉部17の厚さd2が0.2mmとなっている。
In the present embodiment, the dimensions of the
また、本実施形態のゲージベース10は、厚肉部18A、18B、第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2、及び薄肉部17の部分を耐食性のフィルムでマスキングして空隙部13の部分を強い腐食性の液でエッチングして作製する。その後、厚肉部18A、18Bを、耐食性のフィルムでマスキングして第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2、及び薄肉部17の部分を強い腐食性の液でエッチングして作製し、その後、第1溝部14A、14Bと第2溝部15A、15Bを、回転ソーによって浚うことによって作製される。
Further, the
また、本実施形態では、このゲージベース10は、オーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304で作成されている。オーステナイト系ステンレス鋼は、Crの不働態化効果とNiによる耐食性に優れており、加工性と溶接性に優れ、低温における靭性が高いという特徴を有している。
In the present embodiment, the
尚、このゲージベース10の各部の寸法及び材質については、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の温度補償と密接な関係があるので、温度補償との関係については、後に温度補償の方法を説明する際に併せて説明する。次に、本実施形態の光ファイバ11について、図3を用いて詳細に説明する。
Note that the dimensions and materials of each part of the
図3(a)は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100に使用される光ファイバ11を側方から見た図、図3(b)は、この光ファイバ11のα−α断面図、図3(c)は、この光ファイバ11のβ−β断面図である。図3(a)、図3(b)、図3(c)に示すように、この光ファイバ11は、ファイバ素線11aと、このファイバ素線11aをコーティングする第1被膜樹脂層11bとを備えている。そして、第1被膜樹脂層11bの無い部分には、第1被膜樹脂層11bより、厚みの薄い、強度と防湿性の高い樹脂による第2被膜樹脂層11cが設けられている。
3A is a side view of the
また、この第2被膜樹脂層11cに被膜された部分のファイバ素線11aに、センシング素子としてのFBG111(光ファイバブラック回折格子)が形成されている。このFBG111は、ファイバ素線11aのコア部11dを、光ファイバ11の長手方向に周期的に屈折率を変化させて回折格子状に形成した光ディバイスであり、ある特定の波長の光信号のみを反射する特性を有している。そして、光ファイバ11を伝播していく光信号は、ファイバ素線11aの中でも屈折率の高いコア部分11dに集中するので、光ファイバ11を伝播していく光信号は、大部分が伝播損失の少ないFBG111に到達し、一部の光信号は、FBG111を透過し、一部の光信号はFBG111で反射することになる。従って、このような光ファイバ11は、高精度な検出能力を有するセンシング素子として使用することが可能となる。
Further, an FBG 111 (optical fiber black diffraction grating) as a sensing element is formed on a portion of the
また、第2被膜樹脂層11cは、第1被膜樹脂層11bより強度と剛性が高くなっているため、第2被膜樹脂層11cは、第1被膜樹脂層11bよりひずみが伝達する際の剪断変形が低くおさえられる。これにより、この第2被膜樹脂層11cに覆われたFBG111は、ひずみを高精度に検出することが可能となっている。
Further, since the second
尚、本実施形態の光ファイバ11では、外径が250μm、ファイバ素線11aの径は125μm、コア部分11dの径は5〜10μmであり、FBG111の回折格子の間隔は各約0.5μmで、FBG111の全長は4mmである。また、第1被膜樹脂層11bはUV樹脂、第2被膜樹脂層11cはポリイミド樹脂、ファイバ素線11aは石英ガラスであり、コア部分11dには、紫外線感光性を有するゲルマニウムが添加されている。そして、このゲルマニウムの特性を利用して、コア部分11dに紫外線を照射することによりFBG111は形成されている。
In the
上述した、ゲージベース10と光ファイバ11とで構成される本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、FBG111が、空隙部13の上方に配設される態様となっている。そして、空隙部13の周囲の薄肉部17にはくびれ部20が形成されており、このゲージベース10は、このくびれ部20の付近から撓んでいくようになっている。つまり、FBG111は、ゲージベース10の最も撓み易い部分に配設されることになる。従って、この光ファイバ式ひずみゲージ100は、測定対象物のひずみ等をFBG111に高精度に伝達することが可能となり、FBG111によって測定対象物のひずみを高精度に検出することが可能となっている。
In the optical
この光ファイバ式ひずみゲージ100は、測定対象物のひずみが、検出部として設けたFBG111に伝達されるとひずみを検出する態様となっているため、この光ファイバ式ひずみゲージ100でひずみの検出を行う場合、まず、測定対象物(図示せず)に光ファイバ式ひずみゲージ100を固定する必要がある。そして、この光ファイバ式ひずみゲージ100は、測定対象物に固定される場合、第1固着部12A1、12B1、及び第2固着部12A2、12B2の内部と測定対象物とを溶接するようになっている。
The optical
このように、第1固着部12A1、12B1、及び第2固着部12A2、12B2が溶接されるので、光ファイバ式ひずみゲージ100は、測定対象物と一緒に伸縮することになり、固定された位置からずれたりすることがない。そのため、測定対象物のひずみは、ゲージベース10が測定対象物と一緒に伸縮して空隙部13の間隔Gが増減することにより、FBG111へと伝達されることになる。
Thus, since 1st adhering part 12A1, 12B1 and 2nd adhering part 12A2, 12B2 are welded, the optical fiber
また、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、ゲージベース10を測定対象物に固定する場合、第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2の内部にスポット溶接機の丸棒状の電極を挿入し、この電極で加圧して通電し、接触点を加熱溶接することによって測定対象物に固定する態様となっている。そのため、厚肉部18A、18Bより薄肉状に形成されている第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2と、厚肉部18A、18Bとの間には段差が生じる。そして、スポット溶接機の電極を、この段差に沿わせて動かすだけで、光ファイバ式ひずみゲージ100は、測定対象物に固定することが可能となるので、光ファイバ式ひずみゲージ100の取り付け作業の容易化を図ることが可能となる。
Further, in the optical
そして、上述した光ファイバ式ひずみゲージ100でひずみを検出する場合、固定された光ファイバ式ひずみゲージ100の光ファイバ11の一端に光サーキュレイタ(図示せず)を介して光源装置(図示せず)を接続し、さらに光サーキュレイタにスペクトラムアナライザ(図示せず)を接続する。そして、光源装置から発せられた光が、FBG111へと送られ、FBG111で反射し、この反射光の波長をスペクトラムアナライザによって測定することにより、光ファイバ式ひずみゲージ100はひずみを検出する。
When detecting the strain with the optical
つまり、FBG111にひずみが伝達されると、FBG111における回折格子の周期が変化することから、反射光の波長にシフトを生じる。そのため、FBG111にひずみが伝達されている状態の反射光の波長と、FBG111にひずみが伝達されていない状態の反射光の波長との波長が変化することになる。そして、この波長変化をスペクトラムアナライザで測定することによって、この光ファイバ式ひずみゲージ100では、ひずみを検出することが可能となっている。
That is, when strain is transmitted to the
次に、この光ファイバ式ひずみゲージ100における温度変化の影響を除外する方法(温度補償)について説明する。まず、光ファイバ式ひずみゲージ100の温度補償について説明するための前提条件となる、FBG111におけるひずみの測定原理と温度影響について説明する。
Next, a method (temperature compensation) for excluding the influence of temperature change in the optical
FBG111におけるひずみの測定原理は、FBG111の反射する光信号の波長を求める次の数1から求めることができる。
The principle of strain measurement in the
FBG111にひずみが負荷された場合、回折格子の間隔が変化するためブラッグ波長も変化し、さらに、実効屈折率もひずみに依存する。従って、ブラッグ波長のシフト量は、数1から以下のように導かれる。
When strain is applied to the
FBG111における温度影響は、FBG111の反射する光信号の波長を求める先の数1から求めることができる。FBG111に温度変化を与えた場合、実効屈折率が変化するためブラッグ波長も変化する。また、光ファイバのガラスも熱膨張するため、これに伴って回折格子の間隔が変化する。従って、ブラッグ波長のシフト量は、数1から以下のように導かれる。
The temperature influence in the
図4は、本実施形態の温度補償の基本構造となる、基本型ゲージベース1を説明するための図である。この基本型ゲージベース1は、光ファイバ式ひずみゲージ100のベースゲージ10に第2固着部12A2、12B2と、薄肉部17とが形成されていないものであり、固着部2、空隙部3、第1溝部4、第2溝部5、厚肉部8を備えており、固着部2によって図示しない起歪体に固着されている。また、第1溝部4、第2溝部5に、FBGが形成された光ファイバを挿入して固定することによって、ひずみの検出を行なうことが可能となっている。そして、この基本型ゲージベース1では、FBGの温度補償を行う場合には、ΔλB/ΔT=9.5pm/℃だけの温度影響を受けるためこれを補償する必要がある。
FIG. 4 is a diagram for explaining a
そこで、基本型ゲージベース1で採用されている方法として、材料の線膨張係数を利用して温度1℃の上昇に伴い−9.5pmだけ波長が変化するひずみをFBGに与えることによって温度補償を行う方法がある。−9.5pm/℃はひずみに換算すると−7.92με/℃となる。つまり、1℃の温度上昇に伴い、7.92μεの圧縮ひずみをFBGに与える構造部を設ければ、温度補償が可能となる。この基本型ゲージベース1では、ΔTの温度変化に対して空隙部3の間隔Gの変化量を求める数11により、具体的な寸法の値を求めることができる。
Therefore, as a method adopted in the
尚、数12にて求められる値は、測定対象物のひずみが接合部(図示せず)上の基本型ゲージベース1に100%伝達し、基本型ゲージベース1のひずみは光ファイバに100%伝達するものとして算出された値である。従って、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100にこの方法を採用する場合、実際の設計にあたっては、数11によって算出された値を元に、各部材間での伝達効率を実測またはFEM(有限要素法)等で求め、それらのひずみ伝達効率を考え合わせることにより最適形状を求めれば良い。
In addition, the value calculated | required by
本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2の寸法や、ゲージベース10の材料特性に基づき有限要素法によって算出した結果、第1固着部12A1、12B1の中心線間の距離(固着間距離)Lが28mmとなった。これは、第1固着部12A1、12B1の他に、第2固着部12A2、12B2を設けているためであり、そのため、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の固着間距離Lは、基本構造におけるゲージ長Lgより長くなる。
In the optical fiber
具体的には、ゲージ長Lgは、第2固着部12A2、12B2の空隙部13よりの端部と、第1固着部12A1、12B1の中心線との略中間付近を結んだ部分となる。従って、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、ゲージベース10の大きさが、基本型ゲージベース1に比べてやや大きくなるものの、上述した式を元に構成された構造を有しているので、温度変化による影響を減少させることが可能となっている。
Specifically, the gauge length Lg is a portion connecting the end portion from the
つまり、温度の上昇により光ファイバ11に熱が加えられると、光ファイバ11が熱膨張し、FBG111における回折格子の周期が長くなり、さらに、FBG111の屈折率が変化することによって、反射光の波長にシフトを生じる。しかしながら、厚肉部18A、18Bもそれに伴って伸長し、その分だけ空隙部13の間隔Gが減少する。
That is, when heat is applied to the
これにより、光ファイバ11に温度変化による熱膨張と屈折率の変化が生じ、これに伴って反射光の波長にシフトが生じたとしても、空隙部13の間隔Gが熱膨張によって縮み、光ファイバ11を物理的に圧縮する。従って、光ファイバ11では、反射光の波長にシフトが生じた分が厚肉部18A、18Bの伸長によって相殺される。従って、光ファイバ式ひずみゲージ100は、温度影響が少ない光ファイバ式ひずみゲージ100を実現できる。
As a result, even if the
なお、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、本実施形態の固着部12A、12BがT字形状となっているが、本発明の実施の形態としては、T字ではなく、固着部12A、12BをL字形状としても良い。その場合、固着間距離Lが変化するので、次に、固着部12A、12Bの形状と固着間距離Lの変化について図5を用いて説明する。
In the optical
図5は、固着部の形状と固着間距離L、及び基本構造におけるゲージ長Lgとの関係について説明するための図であり、図5(a)は、基本型ゲージベース1を示す図であり、図5(b)は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100のゲージベース10を示す図であり、図5(c)は、本発明における第2の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ1000のゲージベース1010を示す図であり、図5(d)は、本発明における第3の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ2000のゲージベース2010を示す図である。
FIG. 5 is a view for explaining the relationship between the shape of the fixed portion, the distance L between fixed portions, and the gauge length Lg in the basic structure, and FIG. 5 (a) is a view showing the basic
図5(a)、図5(b)、図5(c)、図5(d)に示すように、光ファイバ式ひずみゲージ100、1000、2000では、第2固着部12A2、12B2、1012A2、1012B2、2012A2、2012B2を設けているため、それぞれの固着間距離L、L1000、L2000が、基本型ゲージベース1のゲージ長Lgに比べて長くなる。
As shown in FIG. 5A, FIG. 5B, FIG. 5C, and FIG. 5D, in the optical
また、固着間距離L、L1000、L2000は、固着部12A、12B、1012A、1012B、2012A、2012Bの形状に応じて変化する。例えば、光ファイバ式ひずみゲージ100のように固着部12A、12BをT字形状とした場合、固着間距離Lは、基本型ゲージベース1のゲージ長Lgに比べて僅かに長くなるのに対し、固着部1012A、1012BをL字形状にした第2の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ1000の固着間距離L1000は、光ファイバ式ひずみゲージ100の固着間距離Lに比べてさらに長くなる。
Further, the distances L, L 1000 , and L 2000 between the fixings change according to the shapes of the fixing
また、固着部2012A、2012BをL字形状にし、L字の底辺部分を第1溝部2014A、2014B付近に形成した第3の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ2000では、ひずみ伝達の起点となる位置が、L字の下棒を形成する第2固着部2012A2、2012B2の先端部分になるため、ゲージ長Lgが、第2固着部2012A2、2012B2の先端部分の間隔となってしまう。そのため、第3の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ2000では、固着間距離L2000が、他の実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100、1000の固着間距離L、L1000に比べて長くなる。
Further, in the optical
従って、本発明の実施の形態としては、第2固着部12A2、12B2がゲージベース10の側部に設けられており、固着部12A、12Bの形状がT字形状となっている光ファイバ式ひずみゲージ100が、ゲージベース10のサイズの面では最も好適な形態であると言える。次に、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の固着強度について図6、図7を用いて説明する。
Therefore, as an embodiment of the present invention, the second fixing portions 12A2 and 12B2 are provided on the side portions of the
図6は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100と比較例としての従来の光ファイバ式ひずみゲージ200の固着強度の差を説明するための図であり、図7は、光ファイバ式ひずみゲージ100と従来の光ファイバ式ひずみゲージ200における面外変形の差について説明するための図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a difference in fixing strength between the optical
ここで、図6(a)は、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200の固着部212A近傍の斜視図であり、図6(b)は、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200の固着部212A近傍の平面図である。また、図6(c)は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の固着部12A近傍の斜視図であり、図6(d)は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の第1固着部12A1、第2固着部12A2近傍の平面図である。そして、図7(a)は、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200に力Fが加えられた場合の面外変形を示す図であり、図7(b)は、光ファイバ式ひずみゲージ100に力Fが加えられた場合の面外変形を示す図である。
6A is a perspective view of the vicinity of the fixing
図6(a)、図6(b)に示すように、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200では、ゲージベース210は、ゲージベース210の幅方向に延びる固着部212Aと測定対象物(図示せず)とを溶接することによって固定する。そのため、ゲージベース210の固着部212A付近の幅方向における厚肉の部分は、薄肉状になっている固着部212Aと光ファイバ11を挿入する第1溝部214Aとが設けられていない部分だけになる。
As shown in FIGS. 6A and 6B, in the conventional optical fiber strain gauge 200, the
これにより、図6(a)、図7(a)に示されているように、ゲージベース210を面外に変形させる力Fがゲージベース210に作用した際に、このゲージベース210では、固着部212A付近の厚肉の部分が僅かしか設けられていないので面外剛性が低くなってしまい、面外変形し易くなってしまう。従って、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200では、測定対象物の曲げ変形等に基づくひずみを測定した際に、ゲージベース210が面外に塑性変形してしまい、測定対象物に曲げ力等の負荷が除去された後も、変形したまま元に戻らなくなる虞がある。そして、ゲージベース210が元に戻らない場合には、この光ファイバ式ひずみゲージ200は、測定対象物に発生しているひずみを忠実に測定することができなくなる。
Accordingly, as shown in FIGS. 6A and 7A, when the force F that deforms the
これに対し、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、図6(c)、図6(d)に示すように、ゲージベース10は、ゲージベース10の幅方向に延びる第1固着部12A1、及びゲージベース10の長手方向に延びる第2固着部12A2と測定対象物(図示せず)とを溶接することによって固定する。そのため、ゲージベース10の第1固着部12A1付近の幅方向における厚肉の部分が、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200と同じく、薄肉状になっている第1固着部12A1と光ファイバ11を挿入する第1溝部14Aとが設けられていない部分だけになる。
On the other hand, in the optical fiber
しかしながら、光ファイバ式ひずみゲージ100は、さらに、第2固着部12A2によってゲージベース10の長手方向にも溶接によって固定されている。そのため、第2固着部12A2によって、ゲージベース10には、長手方向の固着力が働くことになり、溶接の止端部も厚肉となる。そのため、図6(c)、図7(b)に示されているように、ゲージベース10を面外に変形させる力Fがゲージベース10に作用した際に、このゲージベース10では、第2固着部12A2によって剛性が高くなっているため、面外変形し難くなる。従って、光ファイバ式ひずみゲージ100では、測定対象物の曲げ変形等に基づくひずみを測定した際に、ゲージベース10が面外変形して、元に戻らなくなるといった現象を防止することが可能となり、検出精度を向上させることが可能となる。
However, the optical
また、図7に、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200では、固着部212A、212Bから変形が起き始めるが、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100では、第2固着部12A2、12B2の空隙部13側溶接部止部付近から変形が起き始まる事になる。そのため、従来の光ファイバ式ひずみゲージ200では、厚肉の部分が少ない部分で変形が起き始めるのに対し、光ファイバ式ひずみゲージ100では、より厚肉な部分が多い所で変形が開始されるので、ゲージベース10の変形量を少なくすることが可能となる。
Further, in FIG. 7, in the conventional optical fiber strain gauge 200, deformation starts to occur from the fixing
上述した各作用により、光ファイバ式ひずみゲージ100では、面外変形に対する剛性が高くなっているため、溶接部に発生する塑性変形や非線形な接触に伴うヒステリシス、NL(非直線性)、繰り返し性等のセンサ特性を向上させることが可能となる。
次に、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100の使用例について図8、図9を用いて説明する。
Because of the above-described effects, the optical
Next, the usage example of the optical fiber
図8は、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100を利用した変位計300を示す図である。ここで、図8(a)は、変位計300を上方からみた断面図、図8(b)は、その変位計300を側方からみた断面図、図8(c)は、光ファイバ式ひずみゲージ100が取り付けられている部分を拡大した図である。
FIG. 8 is a diagram showing a displacement meter 300 using the optical
図8(a)、図8(b)、図8(c)に示すように、変位計300は、本体301、起歪部302、カバー303、シャフト304、載荷シャフト305、球面座306、ガイドパイプ307、エンドブッシュ308、初期値調整ナット309、引っ張りばね310、取付ボルト311、コネクタ312、光ケーブル313、等を備えている。
As shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C, the displacement meter 300 includes a main body 301, a
本体301には、空間部301aが設けられており、この空間部301a内に起歪部302が配設されている。この起歪部302は、コの字型の部材であり、一端は、取付ボルト311によって本体301に固定されており、もう一端は、載荷シャフト305と球面座306とが接続されている。また、起歪部302の中間部には、楕円形の空隙が設けられており、この空隙が設けられた部分に本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100は取り付けられる。
The main body 301 is provided with a space 301a, and a
また、載荷シャフト305には、引っ張りばね310が接続されており、この引っ張りばね310のもう一方の端部には本体部301から外に飛び出しているシャフト304に接続されている。また、シャフト304は、本体301に取り付けられたガイドパイプ307によって保護されており、ガイドパイプ307の先端部には、シャフト304が貫通するようにエンドブッシュ308が設けられている。さらに、エンドブッシュ308の近傍には、初期値調整用ナット309が設けられており、この初期値調整用ナット309によってシャフト304の先端部の位置を調整することが可能となっている。 In addition, a tension spring 310 is connected to the loading shaft 305, and the other end of the tension spring 310 is connected to a shaft 304 protruding outward from the main body 301. Further, the shaft 304 is protected by a guide pipe 307 attached to the main body 301, and an end bush 308 is provided at the tip of the guide pipe 307 so that the shaft 304 penetrates. Further, an initial value adjusting nut 309 is provided in the vicinity of the end bush 308, and the position of the tip portion of the shaft 304 can be adjusted by the initial value adjusting nut 309.
また、本体301のガイドパイプ307が取り付けられている部分の反対側には、コネクタ312が2つ取り付けられており、コネクタ312にはそれぞれ光ファイバ11を保護する光ケーブル313が接続されている。そして、この光ケーブル313から空間部301a内へと光ファイバ11は挿入され、光ファイバ式ひずみゲージ100に固定される。そして、本体301にカバー303が取り付けられて、空間部301a内は封止されることになる。
Two connectors 312 are attached to the opposite side of the main body 301 where the guide pipe 307 is attached, and an optical cable 313 for protecting the
このような変位計300は、シャフト304に測定対象物を接続し、測定対象物の変位を引っ張りばね310、及び載荷シャフト305を介して起歪部302に伝達して起歪部302を曲げ変形させ、この曲げにより発生したひずみを光ファイバ式ひずみゲージ100に伝達することによってひずみを検出している。尚、起歪部302は、楕円形の空隙部が設けられており、この部分が最も剛性が低くなっていることからこの空隙部に最もひずみが発生することになる。その為、この空隙部に取り付けられている光ファイバ式ひずみゲージ100は、この起歪部302のひずみを高精度に検出することが可能となる。次に、変位計300に光ファイバ式ひずみゲージ100を取り付ける工程について、図9を用いて説明する。
Such a displacement meter 300 connects an object to be measured to the shaft 304, transmits the displacement of the object to be measured to the
図9は、変位計300の起歪部302に光ファイバ式ひずみゲージ100を取り付ける際の工程を説明するための図である。ここで、図9(a)は、起歪部302を上方からみた図であり、図9(b)は、起歪部302を側方からみた図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining a process for attaching the optical
図9(a)、図9(b)に示すように、起歪部302に光ファイバ式ひずみゲージ100を取り付ける場合、起歪部302を取付用治具400に取り付けて作業を行う。この取付用治具400は、起歪部押さえ401と、プーリー保持具402と、ファイバ押さえ403と、プーリー404とを備えている。
As shown in FIGS. 9A and 9B, when the optical
まず、起歪部302の空隙部の設けられた部分に、光ファイバ式ひずみゲージ100のゲージベース10を、第1固着部12A1、12B1、及び第2固着部12A2、12B2を溶接することによって固定する。それから、起歪部302を起歪部押さえ401に固定用ボルト405を使用して固定する。
First, the
次に、ファイバ押さえ403に光ファイバ11を固定し、この光ファイバ11を第1溝部14A、14B、第2溝部15A、15Bに挿入し、その光ファイバ11をさらにプーリー404まで延長する。そして、プーリー404から光ファイバ11を垂れ下げ、その垂れ下げた光ファイバ11に錘406を取り付ける。これにより、光ファイバ11には張力が与えられることになり、この予め張力が与えられた状態で光ファイバ11を、ゲージベース10の第1溝部14A、14B、第2溝部15A、15Bに接着剤を流入させることによって固定する。以上の工程により、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100は、起歪部302に取り付けられ、図8に示すように、この起歪部302は本体301に取り付けられる。
Next, the
尚、接着剤の硬化を速める為に、本実施形態では、ヒーター固定台407に取り付けられた棒状ヒーター408を、取付用治具400の起歪部302の下方部に装着することが可能となっている。本実施形態では、FBG111の全長が4mmに対して、空隙部13の間隔Gが6mmとなっているため、FBG111を空隙部13の上方に配設するのが比較的容易になっており、組み立て時の作業性を向上させることが可能となっている。次に、この変位計300の性能試験を行った結果について、図10〜14を用いて説明する。
In this embodiment, in order to accelerate the curing of the adhesive, the rod heater 408 attached to the
図10は、変位計300の負荷特性を示す図、図11は、変位計300の非直線性を示す図、図12は、変位計300のヒステリシスを示す図、図13は、恒温槽(チャンバ)に変位計300を入れ、槽内の温度を変化させた際の変位計300における測定値の変動の変化量を示す図、図14は、変位計300の安定性を示す図である。 10 is a diagram showing the load characteristics of the displacement meter 300, FIG. 11 is a diagram showing the nonlinearity of the displacement meter 300, FIG. 12 is a diagram showing the hysteresis of the displacement meter 300, and FIG. 13 is a thermostatic chamber (chamber). FIG. 14 is a diagram showing the amount of change in the measured value in the displacement meter 300 when the displacement meter 300 is inserted and the temperature in the tank is changed, and FIG.
この性能試験では、変位計300について3種類の試験を行った。第1の試験は、変位計300に10点ステップで3回繰り返して変位を加え、計測を行うものであり、その結果を図10、図11、及び図12に示す。第2の試験は、変位計300に一定の変位を加えた状態で、変位計300を恒温槽(チャンバ)内部に入れ、槽内の温度を変化させた際の変位計300における測定値の変動を調べるもので、その結果を図13に示す。第3の試験は、変位計300に一定の変位を加えた状態での安定性を調べるもので、その結果を図14に示す。 In this performance test, three types of tests were performed on the displacement meter 300. In the first test, displacement is repeatedly applied to the displacement meter 300 three times at 10-point steps, and measurement is performed. The results are shown in FIG. 10, FIG. 11, and FIG. The second test is a state in which a displacement is applied to the displacement meter 300, the displacement meter 300 is placed in a thermostatic chamber (chamber), and the temperature of the displacement meter 300 changes when the temperature in the chamber is changed. FIG. 13 shows the result. The third test is to examine the stability in a state where a certain displacement is applied to the displacement meter 300, and the result is shown in FIG.
第1の試験は、変位計300に0mm〜40mmまでの変位を与え、4mm毎に検出された値を記録し、これを3回繰り返すものである。第1の試験において、本実施形態の変位計300の負荷特性は、図10に示すようにほぼ直線状を示した。尚、図10中の直線は、全てのデータの近似値を元に引かれた直線であり、この直線の式は、y=0.0661x+1545となる。そして、この負荷特性の直線を基準として、図11、図12の試験結果はグラフ化されている。図11、図12に示されているように、変位計300の検出値は、負荷特性の直線と比較して、非直線性の値の変動は、0%ROから−1%ROの範囲内に収められた。またヒステリシスにおいても、値の変動は0%ROから−1%ROの範囲内に収められた。従って、この変位計300では、使用されている光ファイバ式ひずみゲージ100に繰り返し荷重が加えられたとしても、検出精度を維持することが可能となり、繰り返し検出を行ったとしても高精度な検出を行うことが可能であることが判る。
In the first test, a displacement of 0 mm to 40 mm is given to the displacement meter 300, the value detected every 4 mm is recorded, and this is repeated three times. In the first test, the load characteristic of the displacement meter 300 of the present embodiment was substantially linear as shown in FIG. The straight line in FIG. 10 is a straight line drawn based on the approximate values of all data, and the equation of this straight line is y = 0.0661x + 1545. The test results in FIGS. 11 and 12 are graphed with the straight line of the load characteristic as a reference. As shown in FIGS. 11 and 12, the detected value of the displacement meter 300 shows that the fluctuation of the non-linearity value is within the range of 0% RO to −1% RO as compared with the straight line of the load characteristic. It was stored in. Also in the hysteresis, the fluctuation of the value was within the range of 0% RO to -1% RO. Therefore, with this displacement meter 300, even if a load is repeatedly applied to the optical
第2の試験は、変位計300を恒温槽(チャンバ)に入れ、20mmの変位を与えた状態で、3時間毎に27時間、恒温槽(チャンバ)内の温度を20℃ずつ、−20℃から60℃までの範囲で変化させ、その間の変位計における検出値の変化を記録したものである。第2の試験において、27時間の間に80℃温度を変化させてみたが、変位計の検出する値の変動は、0%ROから1%ROの範囲に収められた。これにより、この変位計300では、使用する光ファイバ式ひずみゲージ100が温度補償されており、−20℃から60℃の温度範囲において、温度補償が可能であることが判る。
In the second test, the displacement meter 300 was placed in a thermostatic chamber (chamber), and the temperature in the thermostatic chamber (chamber) was set to -20 ° C by 20 ° C for 27 hours every 3 hours, with a displacement of 20 mm. The change in the detected value in the displacement meter during that time was recorded in the range from 1 to 60 ° C. In the second test, the temperature of 80 ° C. was changed during 27 hours, and the fluctuation of the value detected by the displacement meter was within the range of 0% RO to 1% RO. Thereby, in this displacement meter 300, the optical fiber
第3の試験では、変位計に一定の変位を与えた状態を960時間継続され、その間の変位計における検出値の変化を記録したものである。第3の試験において、検出値の変動は、960時間経過した場合でも、初期に0.5%ROの変動が発生したのみでその後はほぼ一定であった。これにより、光ファイバ式ひずみゲージ100が、長時間負荷が与えられたとしても安定した計測が可能であることが判る。
In the third test, a state in which a certain displacement is applied to the displacement meter is continued for 960 hours, and a change in a detected value in the displacement meter during that time is recorded. In the third test, even when 960 hours had passed, the fluctuation in the detected value was almost constant after that, with the initial fluctuation of 0.5% RO only occurring. Thus, it can be seen that the optical
以上に述べたように、本実施形態の光ファイバ式ひずみゲージ100は、第1固着部12A1、12B1、第2固着部12A2、12B2により、ゲージベース10を幅方向と長手方向の2方向に固定することが可能となる。そのため、この光ファイバ式ひずみゲージ100では、ゲージベース10を測定対象物に強固に固定して、面外変形することを防止することが可能となり、曲げ力等によって発生する測定対象物のひずみを高精度に検出することができる。そして、FBG111を用いた光ファイバ式ひずみゲージ100でありながら、温度補償用のFBG111を設けることなく、1つのFBG111で温度補償をしたひずみ計測が可能であり、長時間繰り返しひずみ計測を行ったとしても、高精度にひずみを計測することが可能となる。
As described above, in the optical
尚、本発明の実施形態は、以上に述べたものに限定されるものではなく、ひずみを測定する使用環境や、ゲージベース10、光ファイバ11の材質等に応じて、溝部14、固着部12A、12B、くびれ部20等を形成する位置を変更しても良い。例えば、FBG111の温度補償を行う事が可能な態様であれば、溝部14、固着部12A、12B、くびれ部20は、それぞれの基準線から線対称となっていなくても良いし、ゲージベース10の寸法L、G等も本実施形態の数値でなくても良い。
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described one, and the groove portion 14 and the fixing
また、本実施形態では、固着部12A、12Bは、第1固着部12A1、12B1と第2固着部12A2、12B2とでT字型となるように形成されていたが、本発明の固着部はこの形状に限定されるものではなく、例えば、第2固着部が第1固着部の端部から空隙部側にのみ延びるように形成されたL字型であっても良く、光ファイバ式ひずみゲージ100と同様の作用・効果を奏することが可能となる。
In the present embodiment, the fixing
また、ゲージベース10の材質は、本実施形態では、オーステナイト系ステンレス鋼であるSUS304を使用していたが、本発明のゲージベースの材質はこれに限定されるものではなく、FBGの温度補償が可能な線膨張係数を有する素材であればよい。
Further, in this embodiment, the material of the
また、ゲージベース10と測定対象物とを固定するための溶着には種々の形態を採用することができ、本実施形態のスポット溶接の他、レーザー溶接、更に、ガス圧接のような圧接のみならず、種々の融接技術等で両者を固定することが可能である。
In addition, various forms can be adopted for welding for fixing the
本発明の光ファイバ式ひずみゲージは、トンネルの落盤、崩落等及び地滑り等の公共土木の防災用、橋梁、プラント機器、ライフライン(埋設ガス導管等)等の大型構造物の寿命予測や設備診断用、長距離の計測システム用、等の用途に広く適用可能である。 The optical fiber strain gauge of the present invention is used for disaster prevention of public civil engineering such as tunnel fall, collapse, landslide, etc., life prediction and equipment diagnosis of large structures such as bridges, plant equipment, lifelines (buried gas conduits, etc.) It can be widely applied to applications such as for long-distance measurement systems.
1 基本型ゲージベース、
2 固着部、
3 空隙部、
4 第1溝部、
5 第2溝部、
8 厚肉部、
10 ゲージベース、
11 光ファイバ、
11a ファイバ素線、
11b 第1被膜樹脂層、
11c 第2被膜樹脂層、
11d コア部分、
12A、12B 固着部、
12A1、12B1 第1固着部、
12A2、12B2 第2固着部、
13 空隙部、
14A、14B 第1溝部、
15A、15B 第2溝部、
16A、16B 段差、
17 薄肉部、
18A、18B 厚肉部、
20 くびれ部、
100 光ファイバ式ひずみゲージ、
111 FBG(ファイバブラッグ回折格子)、
200 従来の光ファイバ式ひずみゲージ、
300 変位計、
301 本体、
301a 空間部、
302 起歪部、
303 カバー、
304 シャフト、
305 載荷シャフト、
306 球面座、
307 ガイドパイプ、
308 エンドブッシュ、
309 初期値調整ナット、
310 引っ張りばね、
311 取付ボルト、
312 コネクタ、
313 光ケーブル、
400 取付用治具、
401 起歪部押さえ、
402 プーリー保持具、
403 ファイバ押さえ、
404 プーリー、
405 固定用ボルト、
406 錘、
407 ヒーター固定台、
408 棒状ヒーター、
1000 第2の光ファイバ式ひずみゲージ、
2000 第3の光ファイバ式ひずみゲージ、
1 Basic gauge base,
2 fixing part,
3 voids,
4 first groove,
5 second groove,
8 Thick part,
10 gauge base,
11 Optical fiber,
11a Fiber strand,
11b 1st coating resin layer,
11c 2nd coating resin layer,
11d core part,
12A, 12B fixing part,
12A1, 12B1 first fixing part,
12A2, 12B2 second fixing part,
13 voids,
14A, 14B first groove,
15A, 15B second groove,
16A, 16B steps,
17 Thin part,
18A, 18B Thick part,
20 Constriction,
100 fiber optic strain gauge,
111 FBG (fiber Bragg grating),
200 Conventional fiber optic strain gauge,
300 Displacement meter,
301 body,
301a space,
302 strain generating portion,
303 cover,
304 shaft,
305 loading shaft,
306 spherical seat,
307 guide pipe,
308 End bush,
309 Initial value adjustment nut,
310 tension spring,
311 mounting bolts,
312 connector,
313 optical cable,
400 mounting jig,
401 Strain holding part presser,
402 pulley holder,
403 Fiber retainer,
404 pulley,
405 fixing bolts,
406 weights,
407 heater fixing base,
408 Bar heater,
1000 Second optical fiber strain gauge,
2000 Third optical fiber strain gauge,
Claims (7)
前記ゲージベースの一方面において前記空隙部を介して連続的に形成された第1及び第2の溝と、
前記第1及び第2の溝に固定されて延びる光ファイバと、
該光ファイバの前記空隙部内に位置する部分に形成されたブラッグ回折格子から成るセンシング素子と、
前記ゲージベースと測定対象物とを固定する固定手段により固着力を加えられる固着部とを備えた光ファイバ式ひずみゲージであって、
前記固着部は、
前記第1の溝及び第2の溝と直交する方向に延びる第1固着部と、前記第1の溝及び第2の溝と平行に延びる第2固着部とにより形成されていることを特徴とする光ファイバ式ひずみゲージ。 A gauge base in which a void is formed;
First and second grooves continuously formed on one surface of the gauge base via the gap,
An optical fiber fixed and extending in the first and second grooves;
A sensing element comprising a Bragg diffraction grating formed in a portion located in the gap of the optical fiber;
An optical fiber strain gauge having a fixing portion to which a fixing force is applied by a fixing means for fixing the gauge base and the measurement object,
The fixing portion is
It is formed by a first fixing portion extending in a direction orthogonal to the first groove and the second groove, and a second fixing portion extending in parallel with the first groove and the second groove. An optical fiber strain gauge.
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Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011217599A (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | General Electric Co <Ge> | System for monitoring relative displacement of components |
EP2484834A1 (en) * | 2009-09-30 | 2012-08-08 | Fasten Group Company Ltd | Bridge intelligent cable system with built-in fiber grating sensor |
JP2013029502A (en) * | 2011-06-30 | 2013-02-07 | General Electric Co <Ge> | Method and system for optical fiber sensor |
CN104034458A (en) * | 2014-06-25 | 2014-09-10 | 西南交通大学 | Fiber grating sensor based comprehensive on-bridge continuous welded rail test method |
WO2015098425A1 (en) | 2013-12-27 | 2015-07-02 | 株式会社シミウス | Strain sensor and strain sensor installation method |
WO2017150476A1 (en) | 2016-03-01 | 2017-09-08 | 株式会社シミウス | Optical fiber sensor |
WO2022157963A1 (en) | 2021-01-25 | 2022-07-28 | 三菱電機株式会社 | Gauge carrier, optical fiber displacement sensor, and production method for optical fiber displacement sensor |
CN117288112A (en) * | 2023-08-23 | 2023-12-26 | 大连理工大学 | Device and method for calibrating strain coefficient of distributed optical fiber and fiber grating |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108931262A (en) * | 2018-06-01 | 2018-12-04 | 北京华工信息技术有限公司 | It is a kind of for monitoring the optical fiber sensing system of structural safety |
CN112304468A (en) * | 2020-09-30 | 2021-02-02 | 西北大学 | Optical fiber high-temperature strain gauge |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002122492A (en) * | 2000-10-17 | 2002-04-26 | A & D Co Ltd | Strain inducer for load cell and its manufacturing method |
JP2002286563A (en) * | 2001-03-28 | 2002-10-03 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | Optical fiber type strain gage |
JP2005055450A (en) * | 2004-11-29 | 2005-03-03 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | Optical fiber strain gage |
JP2006194704A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | Welded optical strain gage, its manufacturing method, and welded optical strain gage unit |
JP2006242586A (en) * | 2005-02-28 | 2006-09-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Stress measuring apparatus and strain gauge mounting method |
-
2006
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002122492A (en) * | 2000-10-17 | 2002-04-26 | A & D Co Ltd | Strain inducer for load cell and its manufacturing method |
JP2002286563A (en) * | 2001-03-28 | 2002-10-03 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | Optical fiber type strain gage |
JP2005055450A (en) * | 2004-11-29 | 2005-03-03 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | Optical fiber strain gage |
JP2006194704A (en) * | 2005-01-12 | 2006-07-27 | Kyowa Electron Instr Co Ltd | Welded optical strain gage, its manufacturing method, and welded optical strain gage unit |
JP2006242586A (en) * | 2005-02-28 | 2006-09-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Stress measuring apparatus and strain gauge mounting method |
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2484834A1 (en) * | 2009-09-30 | 2012-08-08 | Fasten Group Company Ltd | Bridge intelligent cable system with built-in fiber grating sensor |
EP2484834A4 (en) * | 2009-09-30 | 2014-07-16 | Fasten Group Company Ltd | Bridge intelligent cable system with built-in fiber grating sensor |
KR101840874B1 (en) | 2010-03-31 | 2018-03-21 | 제너럴 일렉트릭 캄파니 | System for monitoring a relative displacement of components |
JP2011217599A (en) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | General Electric Co <Ge> | System for monitoring relative displacement of components |
EP2549254A3 (en) * | 2011-06-30 | 2017-03-15 | General Electric Company | Method and system for a fiber optic sensor |
JP2013029502A (en) * | 2011-06-30 | 2013-02-07 | General Electric Co <Ge> | Method and system for optical fiber sensor |
US9857250B2 (en) | 2013-12-27 | 2018-01-02 | Cmiws Co., Ltd. | Strain sensor and method for installing strain sensor |
WO2015098425A1 (en) | 2013-12-27 | 2015-07-02 | 株式会社シミウス | Strain sensor and strain sensor installation method |
CN104034458B (en) * | 2014-06-25 | 2016-04-06 | 西南交通大学 | Based on the seamless turnout on bridge rail integrated test facility of fiber-optic grating sensor |
CN104034458A (en) * | 2014-06-25 | 2014-09-10 | 西南交通大学 | Fiber grating sensor based comprehensive on-bridge continuous welded rail test method |
WO2017150476A1 (en) | 2016-03-01 | 2017-09-08 | 株式会社シミウス | Optical fiber sensor |
US10663324B2 (en) | 2016-03-01 | 2020-05-26 | Cmiws Co., Ltd. | Optical fiber sensor |
WO2022157963A1 (en) | 2021-01-25 | 2022-07-28 | 三菱電機株式会社 | Gauge carrier, optical fiber displacement sensor, and production method for optical fiber displacement sensor |
CN117288112A (en) * | 2023-08-23 | 2023-12-26 | 大连理工大学 | Device and method for calibrating strain coefficient of distributed optical fiber and fiber grating |
Also Published As
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