JP2009204494A - Vibration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバのコアにグレーティング部が形成されたセンサ用光ファイバをそのグレーティング部に張力をかけた状態でファイバ支持体を支持し、そのファイバ支持体で被測定物の振動を受けてグレーティング部に伸縮による歪みを加え、反射波長を変化させる振動検出器において、センサ用光ファイバのグレーティング部に負荷された張力自体によりファイバ支持体自身が変形し、グレーティング部にかかる張力が低下することを抑制すると共に、ファイバ支持体とセンサ用光ファイバによって決まる振動検出器の機械的振動に対する応答帯域の変化を抑制するための技術に関する。 The present invention supports an optical fiber for a sensor in which a grating part is formed in the core of an optical fiber while a fiber support is supported in a state where tension is applied to the grating part, and the fiber support receives vibrations of an object to be measured. In a vibration detector that changes the reflection wavelength by applying distortion due to expansion and contraction to the grating part, the fiber support itself is deformed by the tension applied to the grating part of the sensor optical fiber, and the tension applied to the grating part is reduced. It is related with the technique for suppressing the change of the response band with respect to the mechanical vibration of the vibration detector decided by the fiber support body and the optical fiber for sensors.
従来から変位、速度、加速度、温度などの検出器としての種々の電気式センサが用いられているが、これらの電気式センサは、落雷や電磁ノイズに弱いため、その使用環境が限定される。そこで、近年では落雷や電磁ノイズの影響を受けない光ファイバセンサに関心が集まっており、特に、光ファイバのコアにファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部を有するセンサ用光ファイバは、感度が高い等の理由から注目されている。 Conventionally, various electric sensors are used as detectors for displacement, speed, acceleration, temperature, and the like. However, these electric sensors are limited to lightning strikes and electromagnetic noises, so that their use environment is limited. Therefore, in recent years, there has been an interest in optical fiber sensors that are not affected by lightning strikes or electromagnetic noise. In particular, optical fibers for sensors having a grating part in which a fiber Bragg grating is formed in the core of the optical fiber have high sensitivity. It is attracting attention for such reasons.
センサ用光ファイバに形成されたグレーティング部は、特定波長の光を反射し、他の波長の光を通過させる。この反射波長はブラッグ波長と呼ばれ、グレーティング部に加えられた歪みや温度により変化する。このため歪みセンサや温度センサとして利用することができる。 The grating section formed in the sensor optical fiber reflects light of a specific wavelength and allows light of other wavelengths to pass through. This reflection wavelength is called a Bragg wavelength, and changes depending on strain and temperature applied to the grating portion. Therefore, it can be used as a strain sensor or a temperature sensor.
例えば、次の特許文献1、2には、センサ用光ファイバのグレーティング部を挟んだ2つの位置を接着剤等で支持体に固定し、温度や歪みによるブラッグ波長の変化を測定する方法が開示されている。
For example, the following
なお、グレーティング部を有する光ファイバを歪みセンサとして用いる場合、そのグレーティング部に張力がかからなくなると、そのブラッグ波長は変化しなくなり、そのグレーティング部はセンサとして正常に動作しなくなる。 When an optical fiber having a grating part is used as a strain sensor, the Bragg wavelength does not change when the tension is not applied to the grating part, and the grating part does not operate normally as a sensor.
したがって、センサ用光ファイバのグレーティング部には通常、予め所定の張力を与えた状態(プリテンションという)で支持体に固定し、たとえ、圧縮方向の張力が加わったとしても、プリテンションが消費されるまではその変位に対応したブラッグ波長の変化を得ることができるようにしている。 Therefore, the grating portion of the sensor optical fiber is usually fixed to the support in a state where a predetermined tension is applied in advance (referred to as pre-tension). Even if tension in the compression direction is applied, the pre-tension is consumed. Until then, it is possible to obtain a change in Bragg wavelength corresponding to the displacement.
上記のようなセンサ構造では、ファイバ支持体の構造としてプリテンションを保持するだけの剛性が必要である。 In the sensor structure as described above, the fiber support body needs to have rigidity sufficient to hold the pretension.
しかし、ファイバ支持体の剛性が高くなると、その共振周波数が高くなり、機械的振動に対する応答帯域は広がるものの、ファイバの伸縮が抑制されるため応答強度が極端に低下してしまい、被測定物から伝播された振動を高S/N比で検出できなくなり、振動の周波数や振幅を精度良く測定できなくなってしまう。 However, when the stiffness of the fiber support increases, the resonance frequency increases and the response band to mechanical vibrations increases, but the expansion and contraction of the fiber is suppressed, and the response strength is extremely reduced. The propagated vibration cannot be detected with a high S / N ratio, and the frequency and amplitude of the vibration cannot be accurately measured.
また、ファイバ支持体の剛性が被測定物の剛性に比べて無視できなくなると、被測定物に生じる変位が支持体の影響を受けてしまうため、被測定物自体の周波数応答を正確に測定することが困難になる。 If the rigidity of the fiber support is not negligible compared to the rigidity of the object to be measured, the displacement generated in the object to be measured is affected by the support, so the frequency response of the object to be measured is accurately measured. It becomes difficult.
例えば図9(a)のように、被測定物2に固定されてその振動を受けるベース12の上に、腕部14と板バネ15とを互いに対向するように立設し、板バネ15の先端に重り部16を支持する構造のファイバ支持体11を考え、腕部14と重り部16の間にセンサ用光ファイバ1をそのグレーティング部1aが挟まれる状態で所望のプリテンションTを付与した状態で固定して振動検出する場合を考える。
For example, as shown in FIG. 9A, the
しかし、この構造の場合、センサ用光ファイバ1に負荷されたプリテンションは、図9(b)のように板バネ15のわたみ変形によりβだけ消費されて所望より小さい値T−βになってしまうと共に、ファイバ支持体11およびセンサ用光ファイバ1で決まる共振周波数も同変形に伴い変化してしまう。
However, in the case of this structure, the pretension loaded on the sensor
特に、低い周波数領域の振動を感度良く検知しようとすると、重り部16を支える板バネ15のバネ定数を低くし、板バネ15自体を柔らかくしなければならないため、プリテンションのほとんどが板バネ15の変形により消費されてしまう。
In particular, if it is attempted to detect vibrations in a low frequency region with high sensitivity, the spring constant of the leaf spring 15 that supports the
本発明は、上記問題を解決して、ファイバ支持体の変形によるプリテンションの減少を抑制した状態でセンサ用光ファイバを支持でき、被測定物の振動をその周波数によらず重り部の変位に効率的に変換でき、該振動の周波数と振幅を高精度で検出できる振動検出器を提供することを目的としている。 The present invention solves the above problem and can support the sensor optical fiber in a state in which the decrease in pretension due to the deformation of the fiber support is suppressed, and the vibration of the object to be measured can be displaced by the weight regardless of the frequency. An object of the present invention is to provide a vibration detector capable of efficiently converting and detecting the frequency and amplitude of the vibration with high accuracy.
前記目的を達成するために、本発明の請求項1の振動検出器は、
被測定物に固定されるベース(22)と、前記ベースの上に互いに対向するように立設された一対の腕部(23、24)と、前記ベースの上で且つ前記一対の腕部に挟まれる位置に立設され、先端側を前記腕部に接離させる方向に弾性変形させる弾性変形部(25)と、前記弾性変形部の先端に支持された重り部(28)とを有し、前記被測定物から前記ベースに加えられる振動を受けて、前記弾性変形部の先端に支持された前記重り部の位置を変位させるファイバ支持体(21)と、
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a)を有し、前記腕部の一方と前記重り部との間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって固定されたセンサ用光ファイバ(1)と、
前記光ファイバ支持体の他方の腕部と前記重り部との間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記弾性変形部の変形と前記重り部の変位を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で固定されたバランス力付与手段(30、1′、1b)とを備えている。
In order to achieve the object, the vibration detector according to
A base (22) fixed to the object to be measured, a pair of arm portions (23, 24) erected on the base so as to face each other, and on the base and the pair of arm portions An elastically deformable portion (25) that is erected at a position to be sandwiched and elastically deforms in a direction in which the distal end side is brought into contact with and separated from the arm portion, and a weight portion (28) supported at the distal end of the elastically deformable portion A fiber support (21) for receiving a vibration applied to the base from the object to be measured and displacing the position of the weight portion supported at the tip of the elastically deformable portion;
An optical fiber for sensor (1) having a grating part (1a) in which a fiber Bragg grating is formed, and being fixed with tension in a state where the grating part is sandwiched between one of the arm parts and the weight part. When,
Between the other arm portion of the optical fiber support and the weight portion, the deformation of the elastically deformable portion and the displacement of the weight portion due to the tension of the optical fiber for the sensor are regulated and balanced with the tension. And a balance force applying means (30, 1 ', 1b) fixed in a state where a tensile force is applied.
また、本発明の請求項2の振動検出器は、請求項1記載の振動検出器において、
前記弾性変形部が板バネ(26、26A、26B)で形成されていることを特徴とする。
The vibration detector according to
The elastic deformation portion is formed by a leaf spring (26, 26A, 26B).
また、本発明の請求項3の振動検出器は、請求項2記載の振動検出器において、
前記弾性変形部を形成する板バネは、互いに対向する一対の板バネ(26A、26B)であることを特徴とする。
The vibration detector according to
The leaf springs forming the elastically deformable portion are a pair of leaf springs (26A, 26B) facing each other.
また、本発明の請求項4の振動検出器は、請求項1〜3のいずれかに記載の振動検出器において、
前記バランス力付与手段は、前記他方の腕部と前記重り部の間に固定された光ファイバ(30、1′)であることを特徴とする。
Moreover, the vibration detector according to
The balance force applying means is an optical fiber (30, 1 ') fixed between the other arm portion and the weight portion.
また、本発明の請求項5の振動検出器は、請求項4記載の振動検出器において、
前記バランス力付与手段としての光ファイバが、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a′)を有する光ファイバ(1′)であって、該グレーティング部が前記他方の腕部と前記重り部の間に固定されていることを特徴とする。
The vibration detector according to
The optical fiber as the balance force applying means is an optical fiber (1 ′) having a grating part (1a ′) in which a fiber Bragg grating is formed, and the grating part is formed between the other arm part and the weight part. It is fixed between them.
また、本発明の請求項6の振動検出器は、請求項4記載の振動検出器において、
前記バランス力付与手段としての光ファイバが、前記センサ用光ファイバの非グレーティング部(1b)であって、該非グレーティング部が前記他方の腕部と前記重り部の間に固定されていることを特徴とする。
The vibration detector according to
The optical fiber as the balancing force applying means is a non-grating part (1b) of the sensor optical fiber, and the non-grating part is fixed between the other arm part and the weight part. And
このように構成したため、本発明の振動検出器は、ファイバ支持体の弾性変形部の変形によるプリテンションの減少を抑制した状態でセンサ用光ファイを固定でき、被測定物の振動をその周波数によらず重り部の変位に効率的に変換でき、高精度で該振動の周波数と振幅を検出することができる。 With this configuration, the vibration detector of the present invention can fix the optical fiber for sensor in a state in which the decrease in pretension due to the deformation of the elastic deformation portion of the fiber support is suppressed, and the vibration of the object to be measured is set to the frequency. Regardless of this, it can be efficiently converted into the displacement of the weight portion, and the frequency and amplitude of the vibration can be detected with high accuracy.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明を適用した振動検出器20の構造を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the structure of a
この振動検出器20は、被測定物2に固定されるファイバ支持体21で、センサ用光ファイバ1を所望張力のある状態で支持する構造を有している。
The
ファイバ支持体21は、被測定物にネジや接着材で固定されるベース22と、ベース22の上面側に、互いに対向するようにほぼ平行に立設された一対の腕部23、24と、ベース22の上面側で且つ一対の腕部23、24に挟まれる位置に立設され、先端側を腕部23、24に接離させる方向に弾性変形させる弾性変形部25と、弾性変形部25の先端に支持された重り部28とを有している。
The
このファイバ支持体21は、例えば金属や半導体基板あるいは合成樹脂等により一体的に形成され、ベース22および腕部23、24は、ファイバの張力では変形しない程度の剛性を有しているものとする。
The
弾性変形部25は、ベース22の上面側に突設されたバネ支持部22aに下端側が固定され、且つ互いに平行に対向する状態で立設された一対の板バネ26A、26Bにより形成されている。
The
一対の板バネ26A、26Bは、その表面を腕部23、24にそれぞれ対向させる向きで支持されており、その弾性により先端側を腕部23、24に対して接近・離反させる方向にのみ変形する。
The pair of leaf springs 26A and 26B are supported with their surfaces facing the
なお、この実施形態では、弾性変形部25を互いに対向する一対の板バネ26A、26Bで形成した例を示すが、後述するように1枚の板バネ26で弾性変形部25を形成してもよく、また3枚以上の板バネで構成することも可能である。また、ここではベース22の上面から突出する板バネ支持部22aにより板バネ26A、26Bの下端を支持する構造としたが、板バネ26A、26Bの下端をベース22の平坦部分で直接支持する構造であってもよい。なお、ベース22からみた重り部25の高さは、一対の腕部23、24の高さと等しくなるように設定されている。
In this embodiment, an example in which the
上記構造のファイバ支持体21の場合、被測定物2の振動を受けて、板バネ26A、26Bの自由端側に支持されている所定重量の重り部28にベース22の長手方向の力が加わると、板バネ26A、26Bが弾性変形し、重り部28が腕部23、24の間で揺れ動くことになる。
In the case of the
この重り部28を揺らせる力を検出するために、ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部1aを有するセンサ用光ファイバ1が用いられている。
In order to detect the force which shakes the
センサ用光ファイバ1は、そのグレーティング部1aを挟む2点において、所定の張力(プリテンション)Tを持って一方の腕部23の上端面と重り部28の上端面の間に固定されている。
The sensor
また、他方の腕部24の上端面と重り部28の上端面の間には、センサ用光ファイバ1に付与されたプリテンションTとほぼ等しい張力T′を付与して、センサ用光ファイバ1に付与されたプリテンションTによる弾性変形部25の変形および重り部28の変位を規制するバランス力付与手段としての光ファイバ30が固定されている。なお、ここでは、腕部23、24と重り部28に対するセンサ用光ファイバ1および光ファイバ30の固定を接着剤31によって行っているが、各ファイバ表面がメタライズ加工されている場合には、腕部23、24、重り部28に半田付けして固定することもできる。
Further, a tension T ′ substantially equal to the pretension T applied to the sensor
このように、センサ用光ファイバ1に付与されたプリテンションTによる弾性変形部25と変形と重り部28の変位が、バランス力付与手段としての光ファイバ30に付与された張力T′により規制された状態でセンサ用光ファイバ1を支持しているので、そのプリテンションが消費されることなく、広い測定範囲を得ることができる。
In this way, the
なお、図示しないが、この振動検出器20を用いた測定系としては、例えば広帯域光源から光サーキュレータや光カプラを介してセンサ用光ファイバ1の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータや光カプラを介して波長計測器に入射する構成や、可変波長光源で波長掃引した光を光サーキュレータを介してセンサ用光ファイバ1の一端側に入射し、そのセンサ用光ファイバ1のグレーティング部1aで反射して一端側に戻ってきた光を、光サーキュレータを介して受光器に入射し、受光器への入射光強度がピークになるタイミングにおける可変波長光源の掃引波長を検出する構成等が考えられる。そして、反射光波長の変位速度や変位量から被測定物の振動速度や振動振幅を求めることができる。
Although not shown, a measurement system using the
上記構造の振動検出器20が図2(a)のように被測定物2の上に固定されているときに、被測定物2が方向Aに移動した場合、それに伴ってファイバ支持体21の腕部23、24も方向Aに移動するが、重り部28は慣性により直ぐには移動できない。つまり、重り部28は相対的に腕部24側に変位したことになり、この変位により、センサ用光ファイバ1のグレーティング部1aに対する張力がT+αに増し、その増分αに応じてブラッグ波長が長くなる。このとき逆に光ファイバ30の張力はT′−αに減少する。
When the
また、図2(b)のように、被測定物2が方向Aと逆のB方向に移動した場合、それに伴ってファイバ支持体21の腕部23、24も方向Bに移動するが、重り部28は慣性により直ぐには移動できない。つまり、重り部28は相対的に腕部23側に変位したことになり、この変位により、センサ用光ファイバ1のグレーティング部1aに対する張力がT−αに減少し、その減少分αに応じてブラッグ波長が短くなる。このとき逆に光ファイバ30の張力はT′+αに増加する。
Further, as shown in FIG. 2B, when the
したがって、被測定物2が方向A、方向Bへの移動を交互に繰り返す振動状態のとき、その変位量に応じた波長幅でブラッグ波長が変化することになる。よってこの波長変化の幅から振動振幅を求めることができる。
Therefore, when the
なお、振動検出器20の周波数応答特性は、重り部28の質量、弾性変形部25のバネ定数によって決まる。低周波領域の測定を目的とする場合には、重り部28の質量を大きくするとともに、バネを柔らかくすることで対応でき、このようにバネを柔らかくしても上記のように張力がバランスした構造で重り部28の変位が規制されているので、センサ用光ファイバ1のプリテンションTは消費されない。また、高周波領域まで帯域を伸ばしたいのであれば、ばねを硬くすればよい。このような単純な構造であるため、例えば図3のように優れた周波数応答特性(平坦性)を容易に実現できる。
The frequency response characteristic of the
このように実施形態の振動検出器20は、ファイバ支持体21の弾性変形部25の変形によるプリテンションの減少を抑制した状態でセンサ用光ファイバ1を固定でき、被測定物2の振動をその周波数によらず重り部28の変位に効率的に変換でき、高精度で振動の周波数と振幅を検出することができる。
As described above, the
また、上記のようにバランス力付与手段として光ファイバ30を用いて、周囲の温度、湿度などに対してセンサ用光ファイバ1と同等の伸縮特性をもたせることで、環境変化の影響をより受けないものにすることかできる。
Further, as described above, the
前記実施形態では弾性変形部25を2枚の板バネ26A、26Bで形成していたが、図4のように1枚の板バネ27で構成してもよく、また3枚以上の板バネで構成することも可能である。これは後述の変形例についても同様に適用できる。
In the above embodiment, the elastically deforming
また、図5のように、バランス力付与手段として光ファイバ30の代わりにセンサ用光ファイバ1と同様にグレーティング部1a′を有する光ファイバ1′を用いてもよい。この場合、例えばセンサ用光ファイバ1と同一伸縮特性のものを用いることで、環境変化の影響をより受けにくくすることかできる。また、同一伸縮特性、同一反射特性の光ファイバ1′であればセンサ用としても用いることができ、例えば、測定用の光をスイッチで切り替えて光ファイバ1、1′に対して選択的に入射できるようにし、一方の光ファイバに異常が発生した場合に他方を使う等の利用が可能である。
Further, as shown in FIG. 5, an
また、図6のように、センサ用光ファイバ1のうちグレーティング部1aが形成されていない非グレーティング部1bをバランス力付与手段として重り部28と腕部24の間に固定してもよい。この場合、所望のプリテンションTをセンサ用光ファイバ1全体に与えた状態で腕部23、24と重り部28に対して接着剤などで固定することで、グレーティング部1aとバランス力付与手段を形成する非グレーティング部1bに等しいプリテンションを正確に与えることができる。
Further, as shown in FIG. 6, the
また、前記実施形態では、センサ用光ファイバ1とバランス力付与手段としての光ファイバ30(または光ファイバ1′、非グレーティング部1b)を腕部23、24と重り部28の上端面に固定していたが、これは本発明を限定するものではなく、図7のように、腕部23、24および重り部28の上部を貫通する穴45、46、47に各ファイバを通した状態で接着固定してもよい。
In the above-described embodiment, the sensor
また、図8のように、腕部23、24および重り部28に設けたスリット51、52、53にセンサ用光ファイバ1およびバランス力付与手段を構成する光ファイバ30(1′、1b)を通した状態で接着固定してもよい。
Further, as shown in FIG. 8, the optical fibers 30 (1 ′, 1b) constituting the sensor
また、上記実施形態では、ファイバ支持体21を一体構造としたが、ベース22、腕部23、24、弾性変形部25、重り部28の少なくとも一部を別体で構成してもよい。また、バランス力付与手段としては上記ファイバ30、1′、1bだけでなく、巻きバネ等であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
1、1′……センサ用光ファイバ、1a、1a′……グレーティング部、1b……非グレーティング部、2……被測定物、20……振動検出器、21……ファイバ支持体、22……ベース、23、24……腕部、25……弾性変形部、26、26A、26B……板バネ、28……重り部、30……光ファイバ、31……接着剤、45〜47……穴、51〜53……スリット
DESCRIPTION OF
Claims (6)
ファイバブラッググレーティングが形成されたグレーティング部(1a)を有し、前記腕部の一方と前記重り部との間に、前記グレーティング部が挟まれる状態で張力をもって固定されたセンサ用光ファイバ(1)と、
前記光ファイバ支持体の他方の腕部と前記重り部との間に、前記センサ用光ファイバの張力による前記弾性変形部の変形と前記重り部の変位を規制し、該張力とバランスさせるための引張力が付与された状態で固定されたバランス力付与手段(30、1′、1b)とを備えた振動検出器。 A base (22) fixed to the object to be measured, a pair of arm portions (23, 24) erected on the base so as to face each other, and on the base and the pair of arm portions An elastically deformable portion (25) that is erected at a position to be sandwiched and elastically deforms in a direction in which the distal end side is brought into contact with and separated from the arm portion, and a weight portion (28) supported at the distal end of the elastically deformable portion A fiber support (21) for receiving a vibration applied to the base from the object to be measured and displacing the position of the weight portion supported at the tip of the elastically deformable portion;
An optical fiber for sensor (1) having a grating part (1a) in which a fiber Bragg grating is formed, and being fixed with tension in a state where the grating part is sandwiched between one of the arm parts and the weight part. When,
Between the other arm portion of the optical fiber support and the weight portion, the deformation of the elastically deformable portion and the displacement of the weight portion due to the tension of the optical fiber for the sensor are regulated and balanced with the tension. A vibration detector comprising balance force applying means (30, 1 ', 1b) fixed in a state where a tensile force is applied.
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