JP2008534982A - ファイバーブラッグ回析格子センサー - Google Patents

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Abstract

光ファイバー歪みセンサー、その製造方法および歪みを検知する方法。その中に形成された少なくとも第１および第２のファイバーブラッグ回析格子（FBG）を有する光ファイバーを、第１FBGでの回析格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回析格子周期が拡大するように、歪み誘導力に付し；次いで第１および第２FBGに光学的に問合わせて、各々、第１および第２FBGのピーク反射波長を決定しうる；それによって、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となることを供することを含む、歪み検知方法。

Description

本願発明は広く光ファイバー歪みセンサー、その製造方法および歪みを検知する方法に関する。
FBGセンサーにおける歪みおよび温度間の効果を区別する多くの技術が報告されており、その報告は傾いたファイバーブラッグ回折格子復調器を用いた以下のスキーム [Sung Chul Kang, Se Yoon Kim etl, "Temperature-independent strain sensor system using a tilted fiber Bragg grating demodulator," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 10, No 10, October 1998] 、多層回析格子 [M. G. Xu, J. L. Archambault, L. Reekie, and J. P. Dakin, "Discrimination between strain and temperature effects using dual-wavelength fiber grating sensors," Electron. Lett., vol. 30, no. 13, pp. 10851087, 1994]、チャープブラッグ格子 [M. G. Xu, L. Dong, L. Reekie, J. A. Tucknott, and J. L. Cruz, "Temperature-independent strain sensor using a chirped Bragg grating in a tapered optical fiber," Electron. Lett., vol. 31, no. 10, pp. 823825, 1995]および長期回析格子[V. Bhatia, D. Campbell, R. O. Claus, and A. M. Vengsarkar, "Simultaneous strain and temperature measurement with long-period gratings," Opt. Lett., vol. 22, no. 9, pp. 648650, 1997]、等を含む。
現存スキームのなかで、2重ヘッドセンサーはそのコンパクトサイズおよび高性能によって最も効果的なスキームのひとつである[S. W. James, M. L. Dockney, and R. P. Tatam, "Simultaneous independent temperature and strain measurement using in-fiber Bragg grating sensors," Electron. Lett., vol. 32, no. 12, pp. 11331134, 1996] [M. Song, S. B. Lee, S. S. Choi, and B. Lee, "Simultaneous measurement of temperature and strain using two fiber Bragg gratings embedded in a glass tube," Opt. Fiber Technol., vol. 3, no. 2, pp. 194-196, 1997]。しかしながら、これら既知の技術はより研究ベースなものであり、これらの技術はいずれも実応用の要求を満たす適切なパッケンジング方法を供することができない。デモジュレーターとしてFBGを用いた技術[D. A. Jackson, A. B. Lobo Ribeiro, L. Reekie, and J. L. Archambault, "Simple multiplexing scheme for a fiber-optic grating sensor network,"Opt. Lett., vol. 18, no. 14, pp. 11921194, 1993]またはファイバーファブリーペロ波長フィルター [A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, "Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber FabryPerot wavelength filter,"Opt. Lett., vol. 18, no. 16, pp. 13701372, 1993]はよい結果を示しているが、復調FBGの完全な温度アイソレーションまたは複雑な較正が、フィルターを製作する際に各々必要である。
FBG波長の温度依存性をなくすための種々な方法が工夫されている。これらの方法はモニターへのフィードバックの利用、パラメータをダイナミックに制御する能動的システムおよび温度へのFBG波長のレスポンスを修正する材料/構造の熱的特性を利用する受動デバイスを含む。受動デバイスはより単純であり電源がいらなく、よって一般にメインテナンス-フリーであるため、より望ましい。FBGの波長は温度で変化するファイバーの屈折率および格子の周期によって決定される。屈折率は制御するのが困難であるため、FBGを含む光ファイバーの温度に伴うテンションを制御することによってパッシブ温度補償デバイスが一般に動作する。
その制御は通常FBGを含むファイバーをメカニカルな構造に埋め込むことによって完成され、それは温度上昇でファイバーに加わるテンションを外すために設計されている。G.W. Yoffe et al [G.W. Yoffe, Peter A. Krug, F.Ouellette, and D.A. Thorncraft,"Passive temperature-compensating package for optical fiber grating,"Applied Optics, Vol.34, No.30, 20 October 1995]は、回折格子が異なった熱膨張係数 (TEC) の二つの材料（シリカチューブおよびアルミナムチューブ）を含むパッケージでのテンションのもとでマウントされる光ファイバー回折格子の受動的温度補償パッケージを提案している。温度が上昇すると歪みが漸次解き放されブラッグ波長の温度依存を補償する。0.7 pm/℃の波長シフトは達成されたが、全体構造は精密な部品を要求し、およびアセンブリすることを困難にする。広範囲な温度にわたって温度補償をおこなうために類似の原理に基づいた別の複雑なデザインが"光ファイバー回折用格子のためのチューナブルメカニズムを備えた温度補償装置(U.S. Patent No. 6,374,015, 2002)"としてLin et alによって特許化されている。
電気的歪みセンサーと対照的に光ファイバーセンサーは小型、堅固さ、EMIおよびRFI(ラジオ用波数干渉)に対する不干渉性、固有の安全性および正確さのような原理の観点から多くの利点を持つ。しかし、光ファイバーセンサーの開発において解決されるべき上記問題がある。
したがって、少なくとも上記問題のひとつを解決する光ファイバーセンサーを供する必要性がある。
本願の第１の局面により、その中に形成された少なくとも第１および第２のファイバーブラッグ回析格子（FBG）を有する光ファイバーを、第１FBGでの回析格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回析格子周期が拡大するように、歪み誘導力に付し；次いで、第１および第２FBGに光学的に問合わせて、各々、第１および第２FBGのピーク反射波長を決定しうる；それによって、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となる工程を含む、歪み検知方法が提供される。
第１および第２FBGは、静止状態で、第１および第２FBGのピーク反射波長の初期分離を供するための異なった回折格子周期を有することができる。
光ファイバーは、第１および第２FBGがパッケージ構造の歪み中立層の対向層に配置されるようにパッケージ構造内に埋め込むことができる。
パッケージ構造は実質上弧型を有することができ、および歪み誘導力は実質的に弧型パッケージ構造の頂点において加えられる。
該方法は、その中に形成され、光ファイバーの長さに沿って間隔が設けられた、複数の第１および第２FBGの対を有する光ファイバーを供し；光ファイバーを、第１および第２FBGの各対に対して、第１FBGでの回析格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回析格子が拡大するように複数の歪み誘導力に付し；次いで、第１および第２FBGの各対に光学的に問合わせて、第１および第２FBGのピーク反射波長を各々決定し；それによって、第１および第２FBGの各対について、各々、第１および第２FBGピークの反射波長間の分離が誘導された各歪みの代表となることを含むことができる。
本発明の第２の局面により、光ファイバー中に形成された少なくとも第１および第２のファイバーブラッグ回析格子（FBG）；もし光ファイバーが歪み誘導力に付されたらば、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するように光ファイバーを埋め込んだパッケージ構造；および第１および第２FBGに光学的に問い合わせて、第１および第２FBGのピーク反射波長を、各々、決定するための問合わせシステムを含み；それによって、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となる光ファイバー歪みセンサーが提供される。
第１および第２FBGは、静止状態で、第１および第２FBGのピーク反射波長の初期分離を供するための異なった回折格子周期を有することができる。
光ファイバーは、第１および第２FBGがパッケージ構造の歪み中立層の対向層に配置されるようにパッケージ構造内に埋め込むことができる。
パッケージ構造は実質上弧型を有することができ、および歪み誘導力は実質的に弧型パッケージ構造の頂点において加えられる。
パッケージ構造は複合ラミネート構造を含むことができる。
複合ラミネートパッケージ構造はファイバー強化カーボン複合材料プリプレグを含むことができる。
第１および第２FBGは複合構造内に互いに整列されており、および複合ラミネート構造はFBGに関して対称的である。
光ファイバーはその中に形成され、かつ光ファイバーの長さに沿って間隔が設けられた複数の第１および第２FBG対を有することができ；パッケージ構造は、もし光ファイバーが複数の歪み誘導力に付されたならば、第１および第２FBGの各対について、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するように第１および第２FBG対を埋め込んでおり；および問合わせシステムは、第１および第２FBGの各対に光学的に問合わせて、第１および第２FBGのピーク反射波長を各々決定するための問合わせシステムであり；それによって、第１および第２FBGの各対について、各々、第１および第２FBGピーク反射波長の分離が、誘導された各歪みの代表となる。
本発明の第３の局面により、光ファイバー歪みセンサーの製造方法が提供され、該方法は、光ファイバーを供し；少なくとも第１および第２のファイバーブラッグ回析格子（FBG）を光ファイバー中に形成し；もし光ファイバーを歪み誘導力に付したならば、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するようにパッケージ構造に、光ファイバーを埋め込む工程を含む。
該方法は、さらに、第１および第２FBGに光学的に問合わせて第１および第２FBGのピーク反射波長を各々決定するために、光ファイバー問合わせシステムを結合することを含むことができ；それによって、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となる。
第１および第２FBGは、静止状態で、第１および第２FBGのピーク反射波長の初期分離を供給するための異なる回折格子周期を有することができる。
光ファイバーは、第１および第２FBGがパッケージ構造の歪み中立層の対向層に配列されるようにパッケージ構造内に埋め込むことができる。
パッケージ構造は実質上弧型を有することができ、および歪み誘導力は実質的に弧型パッケージ構造の頂点において加えられる。
パッケージ構造は複合ラミネート構造を有することができる。
複合ラミネートパッケージ構造はファイバー強化カーボン複合材料プリプレグを含むことができる。
該FBGは複合構造内で互いに整列させることができ、および複合ラミネート構造はFBGに関して対称的である。
該方法は光ファイバー中にて、光ファイバーの長さに沿って間隔を設けた、複数の第１および第２FBGの対を形成し；次いで、もし光ファイバーが複数の歪み誘導力に付されたならば第１および第２FBGの各対について、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するようにパッケージ構造に、第１および第２FBGの各対を埋め込むことを含むことができる。
該問合わせシステムは、第１および第２FBGの各対に光学的に問合わせをして、第１および第２FBGのピーク反射波長を各々決定することができ；それによって、第１および第２FBGの各対について、各々、第１および第２FBGピーク反射波長の分離が、誘導された各歪みを代表する。
FBGが通常の単一モードファイバー（SMF）を用いて作られ、および（強化ファイバー複合体のような）、ひとつの低コスト材料のみがセンサーパッケージングに要求される光ファイバーセンサーモジュールが記載される。一対のFBGが埋め込まれた弧型の対称的な構造は、センサーモジュールを非常に簡略化、小型化、堅固かつ低コスト化する。さらに、センサーモジュールは加えられる圧力／負荷／変位に対する高感度、反復性および精度を供する。センサーモジュールはまた、感度と検知範囲が実際の要求に従って調整できるので、デザインの柔軟性をも与える。センサーモジュールは実用センサーネットワークおよび高性能な構造の利用において応用性がある。
図1を参照し、250ミクロンアクリルコーテイング(ITU−T G652)の標準通信規格単一モード光ファイバー100がFBG製造用に用いられる。ファイバー100は感光度を増加させるために水素が添加される。センサーモジュール102はFBG104、106の対よりなる。センサーモジュール102の組立に先立って、ファイバー100の2つの短いセクション（約10ないし20 mm）のアクリルコーテイングを所定の位置で機械的に剥がされ、および２つのFBG104および106が標準の位相マスク露光技術を使って剥がされた断面に描かれる。同じ位相マスクが二つのFBG104、106を刻むために使われる。回析格子106は剥がされた断面が緩む時に描かれる。伸張が解放された後、FBG104が約0.2 nmの青色シフトを有するよう、他の切り取られた断面は露光中180マイクロ歪みまで予めテンションがかけられるBlackmann-Harrisアポダイゼーションは、反射スペクトルのガウス分布をより改善し、およびサイドローブの形成を抑えるために回折格子を描画中に適用される。
各々の回析格子104、106は約5ないし10 mmの長さであり、および切断領域の中心部に設置される。単一光ファイバーに沿ったFBGの数は、変化でき、１０を超えることができ、但し、各々のFBGセンサー対の初期波長配置が隣接したセンサー対の配置と重ならないものとする。センサー数は特定の適用に要求される感度および検知範囲に依存する。センサー数はまた帯域幅および問合わせシステムの電力量にも依存する。
FBG製作後、光ファイバー100はブラッグ波長を安定化させるために、アニーリングオーブンに入れる(２４時間、100℃）。
複合ラミネート孤形ファイバーブラッグ回析格子(FBG)センサーモジュール102は、初期ピーク波長分離がおよそ0.2 nmである２つのFBG104、106を含み、FBG問合わせシステム108と結合させる。その２つのFBG104、106はパッケージ構造に強化複合ラミネート110の形式で対称的に埋め込まれ、および複合強化ファイバーと平行して走るようにする。より短いピーク波長のFBG104は中立層112上に埋め込まれ、およびより長いピーク波長のFBG106は中立層112下に埋め込まれる。センサーモジュール102に加えられる圧力／負荷／変位114が存在する時、FBG106は緊張状態であり、およびFBG106の回析格子周期は増加し、この結果FBG106の反射スペクトルの赤色シフトをもたらす。同時に、FBG104は圧縮下に置かれ、およびFBG104の回析格子周期は減少し、これがFBG104の反射スペクトルの青色シフトを生じさせる。結果として、２つのピーク波長は互いに、直線的に加えられる圧力／負荷／変位114と共に離れていく。
上記の挙動は弧型センサーモジュールに依存しないことが知られている。類似の挙動は、３点曲げまたは４点曲げの構造を持つ複合ラミネートを含めた、他の型式においてもまた達成できる。
しかしながら、FBG対の対称的ポジショニングにより、FBG104および106両者とも、それらの周辺温度が変化する時は、同じ割合で同方向に直線的に移動する。それゆえ、２つのピーク波長を差し引くことで、温度-誘発波長シフトの成分は簡単に取り除くことができ、よって正確な圧力／負荷／変位の読み取りが簡単にモジュール102上における試験的較正を通して得ることができる。
センサーモジュール102が２つのFBG104、106および、ここでは複合ラミネート110の形で純粋に受動部品である弾性材料からなる事実により、センサー102の温度影響は、いずれの能動的な温度コントローラーまたは他の温度アイソレーションメカニズムの必要もなくして自己補償することができる。感度および検知範囲は各々のヤング率を有する異なったパッケージ材料の選択、または弧形ラミネート110の厚み（または層数）、数、または半径などのパッケージング構造を操作することによって調整することができる。
以下に、センサー102のための製造工程を詳細に述べる。単一モード感光性ファイバー100は、例えば、ボロンドープまたはゲルマニユームドープまたはボロンおよびゲルマニユームの両方をドープした光ファイバーである。感光性ファイバー100はまた、水素負荷する方法、例えば250ミクロンアクリルコーテイング(IUT-TG.652)の標準電気通信規格のシングルモード光ファイバーを特定の圧力（例えば100バール）および温度（例えば60 ℃）で数日間（例えば1週間）水素タンク下に置くことで実現され、ファイバーの感光度も増加する。
図2を参照し、ファイバー100の２つの短いセクション200、202（約10ないし20 mmまたはいずれかの所望の長さ）のアクリルコーテイング201が所定の位置において機械的に剥がされる。
2つのFBG104、106（図１）は図3に示される標準の位相マスク300露光技術により剥がされたセクション200、202（図２）に描かれる。UVレーザビーム302は、例えば、KrFエキシマレーザ(248 nm)または周波数二重アルゴンレーザ(244 nm)からのものであり得る。
図4を参照し、同じ位相マスクが2つのFBG104、106を刻むために用いられる。FBG106は剥がされたセクション200が緩んでいる時が描かれる。テンションが解放された後、FBG104が約0.2 nmの青色シフトを有するように、他方の剥がされたセクション202は露光中に180マイクロ歪みまで予めテンションがかけられる。Blackmann-Harrisアポダイゼーションは、反射スペクトルのガウス分布をより改善し、およびサイドローブの形成を抑えるために回折格子を描画中に適用される。
図５はFBG製造プラットホーム500を示す。FBGの長さは数ミリメートルから数十センチメートルに製造され得る。技術は照射工程当たりサブ回折格子を描写するという原理に基づいている。このサブ回折格子を作り出すUVフートプリントは位相マスク300によって達成される。コーティングの取り除かれた領域を有するファイバー100は、図示されていない電動移動ステージに固定された2つのファイバー留め金502、504に固定される。歪みゲージ506は、UV描きこみをスタートする前に留め金502上のファイバー100のテンション歪みをモニターするために、ファイバー留め金の１つである502の隣に配置される。UV描画中、ファイバー100は、干渉計制御移動にて、UV干渉縞に対して一定のスピードで移動される。位置は動作中非常に正確に追跡され、このデータはファイバーが次回の照射において所定の位置に到達する時に、UVレーザーをトリガーするために用いられる。サブ回折格子を順次に描写し、およびサブ回折格子の異なるセット間の位相を変化させることによって、ほとんど任意のプロファイルを有する極めて長いFBGが得られる。センサーモジュール102(図1)のために、均一な回折格子が用いられる。FBGの反射スペクトルは広帯域光源508、オプテイカルサーキュレーター510およびオプテイカルスペクトルアナライザ512（ＯＳＡ）を使用して、UV描画中、常にモニタリングされる。
FBGを描画後、ファイバーは両FBGのブラッグ波長を安定化させるために、アニーリング用オーブンに入れる(２４時間、100℃）。
ファイバー強化複合(FRC)材料は、強さ対重量の高比率、耐食性、高弾性および優れた線形力移動、低電磁気干渉および複雑な形状への成形性によってFBGセンサーを埋め込むために選択される。FRCラミナ（プリプレグ）とは（エポキシのような）マトリックスによって囲まれた強化ファイバーからなる材料の薄膜層のことを言う。FRCはある方向に向けられた個々のラミナ/プリプレグと供に結合されたラミナ等のスタックのことを言う。
図6を参照し、２つのFBG104、105は単層ラミネートを形成するために、FRCラミネート110の強化ファイバーと平行に走るFGB104、106両者を有するFRCラミネート110に対称的に埋め込まれる。短波長ピークを有するFBG104は中立層112上に埋め込まれ、長波長ピークを有するFBG116は中立層112下に埋め込まれる。２つのFBG104、106はラミネート110の外側の小ファイバーループ600を有する同ファイバー100に沿って位置される。ループ構造600は、例えば図7a）および7b）に示されるような例の配置で直列につながれたFBG700、702等の、多数の対の多重化を与える。FBGの各対、例えばFBG700、702はFBG製造中ファイバーに同じ位相マスクを用いるが、テンションは異なったものを用いて製造され得る。各FBG対は、例えば704、706それぞれひとつのモジュール内にパッケージされる。異なったモジュール、例えば704、706はファイバー100に沿ったいずれかの所望の位置に設けられる。
図６に戻り、プリプレグ、例えば602は、最初フリーザーより取り出され、および要求されるサイズに切断する前に一晩解凍をする。プリプレグ、例えば602は、その後光ファイバーの方向に関して、0°、90°、+45°および-45°等の異なる方向にペンナイフにて切断される。水汚染および他の汚染物がプリプレグ、例えば602に定着するのを防ぐために、プリプレグ、例えば602上の非接着性フィルム(図示せず)は、切断中取り除かないでおく。
図８を参照し、アルミニウムカウルプレート800がレイアップにおける基板として用いられる。カウルプレート800は、カーボンファイバープリプレグを積層する前に硬化ラミネートの表面の性質に影響を与えるいかなる汚染物も除くために、アセトンを用いて洗浄した離型布テフロン加工ファイバーガラスまたは非多孔質離型フィルム802(Release Ease 234 TFNP)の層で覆われる。
複合ラミネート110はプリプレグ、例えば602を手動の積層方法を用いてカウルプレート800上の非多孔質離型フィルム802に積層することによって調整する。この段階で、２つのFBGを有する回析格子ファイバー100は、各々の強化ファイバーに平行に走る回析格子ファイバー100を有するプリプレグ、例えば602に取り込まれる。ローラーが層間の平らな配置が達成できるよう表面を平らにするために用いられる。複合ラミネート110は離型布テフロン加工ファイバーガラスまたは多孔質剥離フィルム804(Release Ease 234 TFP)の層によって覆われ、その後過剰な樹脂を吸収するために通気布806(Airwaves Super 10)で覆う。最後に、非多孔質離型フィルム808の層をセットアップされた810全体を複合硬化テーブル(例えばHeatcon 9500)または真空オーブン（例えばSalvis Lab Vacuum Oven Vacucenter VC-20)に移動する前に、通気布806の頂部に配置する。
初期温度を24 ℃とし、温度が2 ℃/分の割合で120 ℃まで上げられ、硬化が120 ℃、60分で行われる。冷却後、複合ラミネートセンサーモジュールが硬化テーブルまたはオーブンから取り出される。
弧型センサーモジュール102（図１）調製の場合、弧型ジグ812がレイアップにおける基板として用いられ、非多孔質離型フィルム802およびアルミニウムカウルプレート800間に配置される。残りの包埋手順は上記に記載したのと同様である。
図９は横方向の力904が加えられている間、変位に対するセンサーモジュール902における２つのFBGのピーク波長分離を観察するための、反射スペクトル測定セットアップ900を示す。サーキュレーター906が、広帯域光源908からの光シグナルをセンサーモジュール902の光ファイバー910に連結するために利用される。同じセンサーモジュール902の光ファイバー910に沿って伝播する、センサーモジュール902における２つのFBGからの反射光シグナルが、ピーク波長測定のためにサーキュレーター906を介してOSA912に向けられる。
負荷試験下において、図10に示すように、中立層(曲線1000)上のFBGは波長の青色シフトを示し、一方で中立層(曲線1002)下のFBGは波長の赤色シフトを示す。両者とも、曲げ力(曲線1000、1002)に対する波長シフト、および曲げ力(曲線1004)に対する変位は良好な線形性を示す。
温度依存性を試すために、センサーが様々な温度点のオーブン中に配置され、および試料へ横方向に加えられた力/圧力に対する2つのFBGの波長分離が測定される。結果は、２つのFBGのピーク波長分離は加えられる圧力／負荷／変位（例えば、カーブ1100、1102に対して)に対して32 ℃から69 ℃の温度範囲に渡ってほぼ同じ傾きで、図1１に示すように、直線的に比例することを示している。これらの実験結果は、２つのピーク-波長を差し引くことで温度による波長変化の成分が簡単に除かれ、よって正確な圧力／負荷／変位表示を簡単にモジュール上の実験的較正によって得ることができることを示す。
図１２は歪み検知の方法を説明するフローチャート1200を示している。工程1202において、その中に形成された少なくとも第１のファイバーブラッグ回折格子(FBG)および第２FBGを有する光ファイバーが供される。工程1204において、光ファイバーが、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するような歪み誘導力に付される。工程1206において、第１および第２FBGが、第１および第２FBG各々のピーク反射波長を決定するために光学的に問合わされ、それによって第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離は誘導された歪みの代表となる。
図13は光ファイバー歪みセンサーの製造方法を説明するフローチャート1300を示している。工程1302において、光ファイバーが供される。工程1304において、少なくとも光ファイバーにおける第１ファイバーブラッグ回折格子(FBG)および第２FBGが形成される。工程1306において光ファイバーは、歪み誘導力に付されたらば第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するようなパッケージ構造に埋め込まれる。
上記のセンサーモジュールはさらなる温度アイソレーションまたは温度参照プロセスなしにセンサーの温度摂動から独立した安定した歪み測定を供することができ、1 με未満の最小分解可能な歪みを示した。全受動かつ単純なメカニズム、低コスト、堅固さ、高感度、信頼性および耐久性によって、該センサーモジュールは広く例えば、ボイラー、化学工程反応、エンジン、及び人体のスマート構造に対する、圧力／負荷／変位検知で用いられる。産業上の利用には、航空機のための圧力モニタリング、および、時空間的圧力パターンを所定の睡眠状態に分類するための睡眠モニタリングが含まれる。
上記のセンサー モジュールは以下の利点を供する:
・大幅なダイナミックレンジを伴う非常に高い感度
・多数のセンサーを単一ファイバーストランド内に埋め込むことができ、どのようにデザインされた空間的形状にもアレンジ可能である
・多数のセンサーにおける配置のスケーラビリティ
・ファイバーの低減衰は、適用部位がモニタリングステーションから非常に離れ得ることを意味する:配置における柔軟性
・異なるセンサーパッケージングが、要求される感度のカスタマイズを可能とする
・独自の復調アプローチが部品数および全コストを軽減する
図１は光ファイバーセンサーモジュールの埋め込み構造の概略図を示す。 図２は図１のセンサーモジュールに使用される光ファイバーの概略断面図である。 図３は図２の光ファイバーでの回析格子形成のための位相マスク露光技術の概略断面図である。 図４は回析格子形成後の図２における光ファイバーの概略断面図である。 図５は図2の光ファイバーに回析格子を描くためのFBG製造プラットホームの概略図を示す。 図６は図1のセンサーモジュールにおける概略分解斜視図である。 図７a)および b)はマルチセンサー配置の模式図である。 図８はセンサーモジュール製作を説明する概略分解斜視図である。 図９は反射スペクトル測定セットアップの概略図を示す。 図１０は図1のセンサーモジュールについての曲げ力の関数としての波長変化および変位を示すグラフである。 図１１は異なる温度に対する、図1のセンサーモジュールについての圧力の関数としてのピーク波長分離のグラフを示す。 図１２は歪み検知の方法を説明するフローチャートを示す。 図１３は光ファイバー歪みセンサーの製造方法を説明するフローチャートである。

Claims (23)

  1. その中に形成された少なくとも第１および第２の光ファイバーブラッグ回析格子(FBG)を有する光ファイバーを供し；
    光ファイバーを、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するような歪み誘導力に付し；次いで、
    第１および第２FBGに光学的に問合わせて、各々、第１および第２FBGのピーク反射波長を決定し；
    それにより、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となる工程を含む、歪み検知方法。
  2. 静止状態で、第１および第２FBGが第１および第２FBGのピーク反射波長の初期の分離を供するための異なる回折格子周期を有する、請求項１記載の方法。
  3. 光ファイバーが、第１および第２FBGがパッケージ構造の歪み中立層の対向層に配置されるようにパッケージ構造に埋め込まれる、請求項１または２記載の方法。
  4. パッケージ構造が実質上弧型であり、歪み誘導力は実質的に弧型パッケージ構造の頂点において十分に加えられる、請求項１ないし４のいずれか１記載の方法。
  5. その中に形成され、かつ光ファイバーの長さに沿って間隔が設けられた複数の第１および第２FBG対を有する光ファイバー供し；
    光ファイバーを、第１および第２FBGの各対に対し、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するように複数の歪み誘導力に付し；次いで、
    各々、第１および第２FBGの各対に光学的に問い合わせて、第１および第２FBGのピーク反射波長を各々決定し、；
    それにより、第１および第２FBGの各々の対に対し、第１および第２FBGのピーク反射波長各々の間の分離が誘導される各歪みの代表となることを含む、前記の請求項のいずれか１記載の方法。
  6. 光ファイバー;
    光ファイバー中に形成された少なくとも第１の光ファイバーブラッグ回析格子(FBG)および第２FBG；
    光ファイバーが歪み誘導力に付された場合、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するように光ファイバーを埋め込んだパッケージ構造；および
    第１および第２FBGに光学的に問い合わせをして、各々、第１および第２FBGのピーク反射波長を決定するための問合せシステム；
    それによって、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となることを特徴とする、光ファイバー歪みセンサー。
  7. 静止状態で、第１および第２FBGが第１および第２FBGのピーク反射波長の初期分離を供するための異なる回折格子を有する、請求項６記載のセンサー。
  8. 光ファイバーが、第１および第２FBGがパッケージ構造の歪み中立層の対向層に配置されるように、パッケージ構造に埋め込まれる、請求項６または７記載の方法。
  9. パッケージ構造が実質上弧型を有し、歪み誘導力が弧型パッケージ構造の頂点において十分に加えられる、請求項６ないし８のいずれか１記載の方法。
  10. パッケージ構造が複合ラミネートパッケージを含む、請求項６ないし９のいずれか１記載のセンサー。
  11. 複合ラミネート構造が、ファイバー強化カーボン複合材料プリプレグを含む、請求項１０記載のセンサー。
  12. 第１および第２FBGが複合構造内で相互に整列され、複合ラミネート構造はFBGに関して対称的である、請求項１０または１１記載のセンサー。
  13. 光ファイバーが、その中に形成され、かつ光ファイバーに沿って間隔が設けられた複数の第１および第２FBGの対を有し；パッケージ構造は、光ファイバーが複数の歪み誘導力に付された場合、第１および第２FBG対各々において、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するように第１および第２FBG対を埋め込んでおり；および
    問合せシステムが、第１および第２FBG各々の対に光学的に問い合わせて、第１および第２FBGのピーク反射波長を決定し；
    それにより、第１および第２FBGの各々の対に対し、第１および第２FBGピーク反射波長各々の分離が誘導された各歪みの代表となる、請求項６ないし１２のいずれか１記載のセンサー。
  14. 光ファイバーを供し；
    光ファイバー中に少なくとも第１のファイバーブラッグ回析格子(FBG)および第２FBGを形成し;
    光ファイバーが歪み誘導力に付された場合、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するようにパッケージ構造内に光ファイバーを埋め込む工程を含む、光ファイバー歪みセンサーの製造方法。
  15. 第１および第２FBGに光学的に問い合わせをして、第１および第２FBGのピーク反射波長を決定するために、光ファイバーに問合わせシステムを結合させることをさらに含み；
    それによって、第１および第２FBGのピーク反射波長間の分離が誘導された歪みの代表となる、請求項14記載の方法。
  16. 静止状態で、第１および第２FBGが、第１および第２FBGのピーク反射波長の初期分離を供するための異なる回折格子周期を有する、請求項１４または１５記載のセンサー
  17. 第１および第２FBGがパッケージ構造の歪み中立層の対向層に配置されるようにパッケージ構造中に光ファイバーが埋め込まれる、請求項１４ないし１６のいずれか１記載の方法。
  18. パッケージ構造が実質上弧型を有し、歪み誘導力が弧型パッケージ構造の頂点において十分に加えられる、請求項１４ないし１７のいずれか１記載の方法。
  19. パッケージ構造が複合ラミネート構造を含む、請求項１４ないし１８のいずれか１記載の方法。
  20. 複合ラミネートパッケージ構造がファイバー強化カーボン複合材料プリプレグを含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 第１および第２FBGが複合構造内に互いに整列され、複合ラミネート構造がFBGに関して対称的である、請求項１９または２０に記載の方法。
  22. 光ファイバー中に、かつ光ファイバーの長さに沿って間隔を設けて、複数の第１および第２FBG対を形成し；次いで、光ファイバーが歪み誘導力に付された場合、第１および第２FBG対各々について、第１FBGでの回折格子周期が圧縮しおよび第２FBGでの回折格子周期が拡大するようにパッケージ構造内に第１および第２FBG対を埋め込むことを含む、請求項１４ないし２１いずれか１記載の方法。
  23. 問合わせシステムが、第１および第２FBG対各々に光学的に問合わせをして、第１および第２FBGのピーク反射波長を各々決定し；
    それによって、第１および第２FBG対各々における第１および第２FBGピーク反射波長各々の間の分離が、誘導された各歪みの代表となる、請求項２２記載の方法。
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