JP2008232633A

JP2008232633A - Ｆｂｇ水圧変動測定センサ

Info

Publication number: JP2008232633A
Application number: JP2007068153A
Authority: JP
Inventors: Takanori Saito; 崇記斉藤; Kazuhiko Fujihashi; 一彦藤橋; Toshiaki Aoki; 俊朗青木; Masaru Okutsu; 大奥津
Original assignee: Anritsu Corp; NTT Infrastructure Network Corp
Current assignee: Anritsu Corp; NTT Infrastructure Network Corp
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02

Abstract

【課題】観測点の水を制限的にセンサ内に出入りさせることによって、深海などの高水圧下でも高精度に水圧の変化（水圧変動）が測定できるＦＢＧ水圧変動測定センサを提供する。本発明のＦＢＧ水圧変動測定センサは、津波観測用の水圧計として利用できる。
【解決手段】観測点の水圧の変化を受けて水圧検出面１ｂの面形状が変形する、外部との水の出入りを可能にしたチャンバ１と、チャンバ１の開口１ａに連通し、このチャンバ１への水の出入りを制限する水量調整器２と、チャンバ１の水圧検出面１ｂにファイバ３を介して設けられ、この水圧検出面１ｂの面形状の変形の度合いにより伸縮するＦＢＧ４とを備え、観測点の水圧の変化により変形したチャンバ１の水圧検出面１ｂの面形状が、水量調整器２を介して行われる水の出入りとともに復元されてしまう前に、水圧検出面１ｂの面形状の変形の度合いをＦＢＧ４の伸縮により検出して観測点の水圧変動を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観測点における水圧の変化（水圧変動）をＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）の伸縮（反射波長が変化する）により測定するＦＢＧ水圧変動測定センサに関し、特に深海などの高水圧下でも高精度の測定ができるＦＢＧ水圧変動測定センサに関する。本発明のＦＢＧ水圧変動測定センサは、津波観測用の水圧計として利用できる。

ＦＢＧは、ファイバの所定長さ範囲のコア部の屈折率を一定間隔で周期的に変化させたもので、このＦＢＧの一端側に光を入射すると、その入射光のうち特定波長（ブラッグ波長という）の光だけが反射されて、他の波長の光は透過する。このブラッグ波長は、屈折率が一定間隔で周期的に変化している部分が受ける軸方向の歪み（圧縮、伸長）に応じて変化する。したがって、このＦＢＧの一端側に光を入射して反射してくる光の波長（反射波長）あるいは透過してくる光の波長を測定することで、ＦＢＧに加わった歪み（ＦＢＧの伸縮）を測定することができる。

従来、このようなＦＢＧの性質を利用して観測点における水圧変動を大気圧に対して測定し、その水圧変動から観測点の水位を求める水位センサがあった（例えば特許文献１及び２参照）。

特開２００２−２６７５５７号公報特開２００３−２８６９８号公報

しかしながら、このような従来の水位センサでは、水深約２０００ｍの海底に設置されて、海底の水圧変化から海面変動を数ｃｍ程度の精度で測定することが要求される津波観測用の水圧計として利用できないという問題があった。

ここで、その理由を説明する。例えば、高水圧になるほどＦＢＧが伸張する（反射波長が長くなる）というような構造の水位センサにおいて、ＦＢＧの最大の伸張範囲（越えると破損する）を波長範囲で２０００ｐｍとし、このＦＢＧが陸上（大気圧状態）でテンションなしで取り付けられているとする。この水位センサを水深２０００ｍの海底に沈めた場合、水位センサの感度は１ｐｍ／ｍ以下に設定する必要がある。もしこれ以上に感度を上げた場合、水深が２０００ｍに達する前にＦＢＧの伸びが２０００ｐｍを越えてしまい、破損する。一方、ＦＢＧからの反射波長を測定する光スペクトラムアナライザ等での波長測定精度は数ｐｍ程度である。したがって、上記の水位センサの感度（１ｐｍ／ｍ）及び波長測定精度（数ｐｍ程度）から、この水位センサによる海面変動の測定精度は数ｍ程度となり、津波観測用の水圧計としての測定精度が満足できない。

本発明は、観測点の水を制限的にセンサ内に出入りさせることによって、これらの課題を解決し、深海などの高水圧下でも高精度に水圧の変化（水圧変動）が測定できるＦＢＧ水圧変動測定センサを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１のＦＢＧ水圧変動測定センサでは、観測点の水圧の変化を受けてその少なくとも一部の面の形状が変形する、外部との水の出入りを可能にしたチャンバ（１）と、該チャンバに連通し、当該チャンバへの水の出入りを制限する水量調整器（２）と、前記チャンバにファイバ（３）を介して設けられ、前記一部の面の形状の変形の度合いにより伸縮するＦＢＧ（４）とを備え、観測点の水圧の変化により変形した前記チャンバの一部の面の形状が前記水量調整器を介して行われる水の出入りとともに復元されてしまう前に当該水圧の変化を前記ＦＢＧの伸縮により測定するようにした。

また、本発明の請求項２のＦＢＧ水圧変動測定センサでは、上述した請求項１のＦＢＧ水圧変動測定センサにおいて、前記ＦＢＧの伸縮による反射波長の変化量が水深１ｍ当たり５０ｐｍ以上であるようにした。

本発明の請求項1のＦＢＧ水圧変動測定センサでは、観測点の水圧の変化により変形したチャンバの一部の面の形状が水量調整器を介して行われる水の出入りとともに復元されてしまう前にこの水圧の変化をＦＢＧの伸縮により測定するようにしたので、深海などの高水圧下でも高精度に水圧変動が測定できる。

本発明の請求項２のＦＢＧ水圧変動測定センサでは、ＦＢＧの伸縮による反射波長の変化量が水深１ｍ当たり５０ｐｍ以上であるようにしたので、水深約２０００ｍの海底に設置されて、海底の水圧変化から海面変動を数ｃｍ程度の精度で測定することが要求される津波観測用の水圧計として利用できる。

本発明の実施形態のＦＢＧ水圧変動測定センサの基本的な構成を図１に示す。チャンバ１は、観測点の水が出入りできる開口１ａと、観測点の水圧の変化を受けて面の形状が図２、３に示すように変形する水圧検出面１ｂを備えている。水圧検出面１ｂは、外力（水圧）による変形に対して、変形のない元の状態に戻る復元力を有している。なお、図１〜３に示す形態はあくまで模式図であり、実際の形態においては十分な剛性を有する構造・材質にて構成されている。従って、観測点である海底等においても圧力差によって破損することなく、観測点の水圧変動を測定することが可能である。

水量調整器２は、チャンバ１の開口１ａに連通し、チャンバ１への水の出入りを制限する。なお、水量調整器２は、図１に示すようなくびれた管のほかに、バルブ（弁）を用いてもよい。

ＦＢＧ４は、チャンバ１における水圧検出面１ｂの面形状の変形の度合いによって伸縮するように水圧検出面１ｂに取り付けられている。具体的には、図２に示すように水圧が上昇したときには伸張し、また図３に示すように水圧が下降したときには圧縮するように取り付けられている。なお、ＦＢＧ４は、ファイバ３を介して、広帯域光源、光スペクトラムアナライザ等で構成される反射波長の測定器（図示しない）に接続されている。

このように構成されたＦＢＧ水圧変動測定センサの測定原理を説明する。例えば、チャンバ１に掛かる水圧が上昇して水圧検出面１ｂが図２に示すように変形し、その結果、チャンバ１は圧縮され体積がΔＶ減少したとする。水量調整器２の単位時間当たりの水の通過量がＳであれば、水圧検出面１ｂはΔＶ／Ｓの時間を掛けて元の変形のない状態に戻り、その結果、チャンバ１は元の体積に復元する。水圧の変化に対して、ΔＶ／Ｓが充分に遅いならば、ＦＢＧ４で検出された水圧検出面１ｂの面形状の変形の度合い（チャンバ１の体積の減少量ΔＶに相当する）が水圧の変化（水圧変動）に比例し、水位の変化にも比例する。すなわち、観測点の水圧変動によって変形したチャンバ１の水圧検出面１ｂの面形状が、水量調整器２を介して行われる水の出入りとともに復元されてしまう前に、水圧検出面１ｂの面形状の変形の度合いをＦＢＧ４の伸縮により検出して観測点の水圧変動を測定する。

ここで、観測点の水深がＬ（水圧Ｐ）であったものが、Ｌ＋ΔＬ（水圧Ｐ＋ΔＰに上昇）に変化した場合について、チャンバ１における水圧検出面１ｂの変形とＦＢＧ４の伸縮（ＦＢＧ歪量で表す）の関係を図２に示す。図２に示すＡ〜Ｄは、それぞれ次のような状態を表している。Ａは、水深がＬ（水圧Ｐ）でＦＢＧ４にテンションが掛かっていない（ＦＢＧ歪量の０で表す）状態。Ｂは、水深がＬ＋ΔＬ（水圧Ｐ＋ΔＰに上昇）に変化し、水圧検出面１ｂが内側に変形してＦＢＧ４が伸張した（ＦＢＧ歪量の＋側で表す）状態。Ｃは、水深がＬ＋ΔＬ（水圧Ｐ＋ΔＰ）のままで、水圧検出面１ｂが復元するとともに水がチャンバ１内に吸入されて、ＦＢＧ４が伸張からテンションの掛からないＦＢＧ歪量０に変化していく状態。Ｄは、水深がＬ＋ΔＬ（水圧Ｐ＋ΔＰ）でＦＢＧ４にテンションが掛かっていない（ＦＢＧ歪量０）状態。

次に、観測点の水深がＬ（水圧Ｐ）であったものが、Ｌ−ΔＬ（水圧Ｐ−ΔＰに下降）に変化した場合について、チャンバ１における水圧検出面１ｂの変形とＦＢＧ４の伸縮（ＦＢＧ歪量で表す）の関係を図３に示す。図３に示すＥ〜Ｈは、それぞれ次のような状態を表している。Ｅは、水深がＬ（水圧Ｐ）でＦＢＧ４にテンションが掛かっていない（ＦＢＧ歪量の０で表す）状態。Ｆは、水深がＬ−ΔＬ（水圧Ｐ−ΔＰに下降）に変化し、水圧検出面１ｂが外側に変形してＦＢＧ４が圧縮した（ＦＢＧ歪量の−側で表す）状態。Ｇは、水深がＬ−ΔＬ（水圧Ｐ−ΔＰ）のままで、水圧検出面１ｂが復元するとともに水がチャンバ１外に排出されて、ＦＢＧ４が圧縮からテンションの掛からないＦＢＧ歪量０に変化していく状態。Ｈは、水深がＬ−ΔＬ（水圧Ｐ−ΔＰ）でＦＢＧ４にテンションが掛かっていない（ＦＢＧ歪量０）状態。

以上のように、本発明のＦＢＧ水圧変動測定センサは、チャンバ１内に水量調整器２を介して観測点の水を出入りさせている（チャンバ１は密閉されていない）ため、高水圧に耐える必要がない。したがって、水深約２０００ｍの海底の水圧変動を測定するような場合に、ＦＢＧ４の検出感度を数１０ｐｍ〜数１００ｐｍ／ｍ（ＦＢＧ４の伸縮による反射波長の変化量が水深１ｍ当たり数１０ｐｍ〜数１００ｐｍ）にしても、従来のように破損することを心配する必要がない。しかも、ＦＢＧ４の検出感度を５０ｐｍ／ｍ以上とすると、上述した反射波長の測定器の波長測定精度が数ｐｍ程度であったとしても、本発明のＦＢＧ水圧変動測定センサによる水位変動（海面変動）の測定精度は数ｃｍ程度以上となり、上述した津波観測用の水圧計として利用できる。

本発明の実施形態の基本的な構成を示す図本発明の測定原理を説明するための図本発明の測定原理を説明するための図

符号の説明

１・・・チャンバ、１ａ・・・開口、１ｂ・・・水圧検出面、２・・・水量調整器、３・・・ファイバ、４・・・ＦＢＧ。

Claims

観測点の水圧の変化を受けてその少なくとも一部の面の形状が変形する、外部との水の出入りを可能にしたチャンバ（１）と、
該チャンバに連通し、当該チャンバへの水の出入りを制限する水量調整器（２）と、
前記チャンバにファイバ（３）を介して設けられ、前記一部の面の形状の変形の度合いにより伸縮するＦＢＧ（４）とを備え、観測点の水圧の変化により変形した前記チャンバの一部の面の形状が前記水量調整器を介して行われる水の出入りとともに復元されてしまう前に当該水圧の変化を前記ＦＢＧの伸縮により測定することを特徴とするＦＢＧ水圧変動測定センサ。
前記ＦＢＧの伸縮による反射波長の変化量が水深１ｍ当たり５０ｐｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＦＢＧ水圧変動測定センサ。