JP2010266437A - ファイバブラッグ格子検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】寸法が比較的小さい改善された検出デバイスを提供する。
【解決手段】ファイバブラッグ格子検出システム（１０）は、流体流によって偏向可能な２つ以上の自由アーム（１６，１８，２０）を固定する固定端部部分（１４）を含む片持ち支持部材（１２）と、各支持部材の対応する自由アーム内に固定され、各々ブラッグ格子を刻印した２本以上の光ファイバと、光ファイバへ光を伝送する１つ以上の光源（３６）と、光ファイバのブラッグ格子によってフィルタリングした光を検出し、検出した光の波長変化を監視する１つ以上の検出器モジュール（３８）とを含む。２つ以上の自由アームは、固定端部の前面周辺部から固定端部部分を越えて前方へ延在する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般に、検出技術に関し、より具体的には、ファイバブラッグ格子検出システムに関する。

流速、圧力、温度、流量などの流体又はガス流のパラメータを測定する様々な検出デバイスが知られている。しかし、冷却流又はシールから漏れる流れなど、アクセスするのが困難な通路を通る流れを測定するには、従来の検出デバイスでは実施するのが比較的複雑になる。

米国特許第７４５８２７３号明細書

寸法が比較的小さい改善された検出デバイスを有することが望ましいであろう。

本明細書に開示する一実施形態によれば、ファイバブラッグ格子検出システムは、流体流によって偏向可能な２つ以上の自由アームを固定する固定端部部分を含む片持ち支持部材と、各支持部材の対応する自由アーム内に固定され、各々ブラッグ格子を刻印した２本以上の光ファイバと、光ファイバへ光を伝送する１つ以上の光源と、光ファイバのブラッグ格子によってフィルタリングした光を検出し、検出した光の波長変化を監視する１つ以上の検出器モジュールとを含む。２つ以上の自由アームは、固定端部の前面周辺部から固定端部部分を超えて前方へ延在する。

本明細書に開示する別の実施形態によれば、ファイバブラッグ格子検出システムは、流体流によって偏向可能な自由アームを固定する固定端部部分を含む片持ち支持部材と、２本以上の光ファイバとを含む。片持ち支持部材は、流体流によって偏向可能な自由アームを固定する固定端部部分を含み、この自由アームは中心スロットを画定する。２本以上の光ファイバを自由アームの中心スロット内に受け取り、光ファイバを取り囲む充填材によって中心スロット内に固定する。各光ファイバにはブラッグ格子を刻印する。ファイバブラッグ格子検出システムは、光ファイバへ光を伝送する１つ以上の光源と、光ファイバのブラッグ格子によってフィルタリングした光を検出し、検出した光の波長変化を監視する１つ以上の検出器モジュールとをさらに含む。

本発明の上記その他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。図面全体にわたって、同じ文字が同じ部分を表す。

本発明の一実施形態による流体流の流れ方向及び流速を測定するファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）検出システムの斜視図である。 図１のＦＢＧ検出システムの部分横断面図である。 図１の線３−３に沿ったＦＢＧ検出システムの横断面図である。 本発明の別の実施形態による流体流の流れ方向及び流速を測定するＦＢＧ検出システムの横断面図である。 図４のＦＢＧ検出システムの部分横断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による流体流の流れ方向及び流速を測定するＦＢＧ検出システムの横断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による流体流の流れ方向及び流速を測定するＦＢＧ検出システムの横断面図である。 図７の線８−８に沿ったＦＢＧ検出システムの横断面図である。

本発明の実施形態は、流体流を測定するためのファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）検出システムに関する。

図１〜３は、本発明の一実施形態によるＦＢＧ検出システム１０について説明する。ＦＢＧ格子システムは、固定端部部分１４を含む支持部材１２と、固定端部部分１４から流体流路内へ延在する２本以上の光ファイバとを含む。図１に示した実施形態では、ＦＢＧ検出システム１０は、３つの自由アーム１６，１８，２０と、それぞれ対応する自由アーム１６，１８，２０内に固定され片持ち梁２８，３０，３２を形成する３本の光ファイバ２２，２４，２６（図３）とを含む。ファイバ２２，２４，２６の各々にはブラッグ格子３４を刻印する（図２）。一実施形態では、ブラッグ格子３４は、各自由アーム１６，１８，２０の自由端部より固定端部部分１４の方に近づけて配置される。固定端部部分に最も近い領域では、片持ち梁の偏向によって生じる歪み又は応力が最も大きくなる。ＦＢＧ検出システム１０は、光ファイバ２２，２４，２６を通ってブラッグ格子３４へ光を伝送する１つ以上の光源３６と、ブラッグ格子３４から反射した光を受け取る検出器モジュール３８とをさらに含む。

図示の実施形態では、自由アーム１６，１８，２０が各々、固定端部部分１４の前面周辺部に固定されている。一実施形態では、例えば固定端部部分１４は、固定端部部分１４の外側表面内に、自由アーム１６，１８，２０を固定するための３つのスロット４０（図２）を画定する。図２は、片持ち梁３０をより良く示すＦＢＧ検出システム１０の部分横断面図である。片持ち梁２８，３２は片持ち梁３０と同じ構造を有しており、梁３０の図を簡単にするために図２では省略する。図示の実施形態では、自由アーム１８は、第１の平面シート４２及び第２の平面シート４４を含む長手方向の平面板であり、第１の平面シート４２と第２の平面シート４４の間に１本のファイバ２４が配置されている。特定の実施形態では、例えば接着剤又は追加のカバー４３（図２）によって、第１の平面シート４２及び第２の平面シート４４の自由端部４５を一緒に結合する。したがって、第１の平面シート４２と第２の平面シート４４の間に、ファイバ２４を収容するための長手方向の間隙４１を画定する。

特定の実施形態では、自由アーム１８は、一例ではエポキシ又は他の有機／無機接着剤によって対応するスロット４０内に固定され、固定端部部分１４を越えて前方へ流路内に延在する。他の実施形態では、自由アーム１６，１８，２０をスロット４０内に取り付けた後、固定端部部分１４の外側表面の周りに外側スリーブ（図示せず）を配置することによって、自由アーム１６，１８，２０を対応するスロット４０内に固定することができる。本発明のさらに別の実施形態では、自由アーム１６，１８，２０は、固定端部部分１４と一体化された部分（図示せず）を含むことができる。

図３を参照すると、図示の例示的な実施形態では、片持ち梁２８，３０，３２の各々は長手方向の平面板であり、片持ち梁２８，３０，３２は平行ではない。流体流により、各片持ち梁２８，３０，３２上に抗力が発生し、それに応じて片持ち梁２８，３０，３２は各々下流方向に偏向し、自由端部の変位（σ）を有する。

各片持ち梁２８，３０，３２上にかかる抗力Ｆは、以下の抗力の方程式に従って計算することができる。

上式で、ρは流体の流量密度であり、Ｃｄは抗力係数であり、Ｖは流速であり、またＡ_fは前面面積である。したがって、抗力（Ｆ）は流速（Ｖ）の関数である。さらに、片持ち梁の理論によれば、各片持ち梁の自由端部の変位（σ）は、片持ち梁上に分散した抗力（Ｆ）の関数であり、したがって流速（Ｖ）の関数である。

片持ち梁が偏向すると、ファイバ２２，２４，２６内のブラッグ格子３４が変形し、ブラッグ格子３４から反射した光に波長シフトが生じる。実質的に安定した温度の下では、波長シフトの各々は、対応するブラッグ格子３４の歪み又は応力を示し、また片持ち梁の自由端部の変位（σ）を示す。流体流の流速は、各ブラッグ格子３４から反射した光の波長シフトと相関することがある。第１、第２、及び第３のファイバ内のブラッグ格子から反射した光の波長で流速及び流れ方向を事前に実験的に較正することで、ブラッグ格子３４から反射した波長を監視することによって、流速及び流れ方向を得ることができる。

自由アームが各々平面板を含む一実施形態では、流体流の全体的な流れ方向に対する自由アーム間の角度は互いに異なる。図３に示す実施形態では、全体的な流れ方向Ｄは片持ち梁２８に対して垂直であり、したがって片持ち梁２８，３０，３２上にかかる抗力（Ｆ）は低減する。したがって、片持ち梁２８，３０，３２内のブラッグ格子３４の変形も、それに応じて低減する。

一実施形態では、ＦＢＧ検出システム１０は、検出器モジュール３８（図１）からの信号を受け取って流速及び流れ方向を推定する制御装置４６（図１）をさらに含む。別の実施形態では、制御装置を検出器モジュール３８内に組み込み、したがって検出器モジュール３８が推定機能を実行する。さらに別の実施形態では、ＦＢＧ検出システム１０の較正中に作ったアルゴリズムを用いて、速度及びその方向を決定することができる。このアルゴリズムは、コンピュータ上又は類似のデータ取得システム上で実装することができる。

図４及び５は、本発明の別の実施形態によるＦＢＧ検出システム４８を示す。ＦＢＧ検出システム４８は、固定端部部分４９を含む支持部材４７と、固定端部部分４９の前面周辺端部から延在する２つ以上の自由アームとを含む。図示の実施形態では、支持部材４７は、固定端部部分４９から延在する３つの自由アーム５０，５１，５２を含む。ＦＢＧ検出システム４８は、各自由アーム５０，５１，５２内に固定され３つの片持ち梁５５，５６，５７を形成する２本の光ファイバ５３，５４（図５）を含む。

図５は、片持ち梁５６をより良く示すＦＢＧ検出システム４８の部分横断面図である。片持ち梁５５，５７は各々類似の構造を有しており、図５では省略する。図示のように、片持ち梁５６内の２本の光ファイバ５３，５４には、各々ブラッグ格子６０，６２を刻印する。一実施形態では、片持ち梁５６は薄膜６４をさらに含み、薄膜６４の両側に２本の光ファイバ５０，５２を各々配置して、１対の平面シート４２，４４間でさらに保護する。

ブラッグ格子６０，６２から反射した光の波長シフトは、歪み及び温度の関数である。同じ片持ち梁内のブラッグ格子６０，６２は互いに近接し、同じ温度下に位置するので、２つのブラッグ格子６０，６２から反射した波長に対する温度の影響は実質的に同じである。図４及び５を参照すると、一実施形態では、ＦＢＧ検出システム４８は、測定中に各片持ち梁５５，５６，５７内の２つのブラッグ格子６０，６２内で流体流の抗力が各々張力及び圧縮を引き起こすように構成されている。ブラッグ格子６０の張りにより、ブラッグ格子６０から反射する波長が長くなり、またブラッグ格子６２の圧縮により、ブラッグ格子６２から反射する波長が短くなる。したがって、２つのブラッグ格子６０，６２から反射した波長シフト間の波長シフト差は歪みを示し、温度の影響が除去又は低減される。さらに、第１の片持ち梁５５，第２の片持ち梁５６、及び第３の片持ち梁５７の各々の中の２つのブラッグ格子６０，６２から反射した光の波長シフト差で流速及び流れ方向を実験的に事前に較正することで、ブラッグ格子６０，６２から反射した波長シフト差を監視することによって、流速及び流れ方向を得ることができる。

図６を参照すると、本発明のさらに別の実施形態によるＦＢＧ検出システム９１は、固定端部部分４９を含む支持部材９２と、固定端部部分４９の前面周辺端部から延在する２つ以上の自由アームとを含む。図示の実施形態では、支持部材９２は、固定端部部分４９から延在する３つの自由アーム９３，９４，９５を含む。ＦＢＧ検出システム９１は、各自由アーム９３，９４，９５内に固定され３つの片持ち梁９７，９８，９９を形成する２本の光ファイバ５３，５４を含む。図示の実施形態では、各自由アームが、平面板を含み、平面板の両側の平らな表面内に２つの溝９６を画定する。２本の光ファイバ５３及び５４を各々２つの溝９６内に受け取り、さらにエポキシ又は他の接着材によって溝９６内に固定することができる。したがって、図４及び５についての上記の説明を参照すると、第１の片持ち梁９７、第２の片持ち梁９８，及び第３の片持ち梁９９の各々の中の２つのブラッグ格子から反射した光の波長シフト差で流速及び流れ方向を実験的に事前に較正することで、ブラッグ格子から反射した波長シフト差を監視することによって、流速及び流れ方向を得ることができる。図６に示す実施形態では、各自由アームは一体型の平面板を含む。他の実施形態では、各自由アームは、互いに固定された２枚の平面シートを含むことができる。２枚の平面シートの各々は、外側表面内に光ファイバを固定する。

図７及び８を参照すると、本発明のさらに別の実施形態によれば、ＦＢＧ検出システム６６は、固定端部部分７０及び固定端部部分７０から延在する自由アーム７２を含む全体的に長手方向の片持ち支持部材６８と、支持部材６８の自由アーム７２内に、長手方向の支持部材６８と実質的に平行に固定された光ファイバ７４，７６，７８，８０とを含む。図示の実施形態では、支持部材６８は、光ファイバ７４，７６，７８，８０を受け取るための長手方向の中心スロット６９を画定する長手方向のスリーブである。一実施形態では、支持部材６８の固定端部部分７２を、静止した部材、例えばパイプの側壁、又は流路内の特有の静止した支持体に固定する。したがって、支持部材６８及び支持部材６８内に固定された光ファイバ７４，７６，７８，８０は、片持ち梁８２を形成する。片持ち梁８２は流路内に延在し、全体的な流れ方向Ｄに対して実質的に垂直である。特定の実施形態では、支持部材６８は、実質的に円形又は楕円形の横断面を有する。

光ファイバ７４，７６，７８，８０の各々にはブラッグ格子８４を刻印しており、ブラッグ格子８４は、当技術分野で知られている任意の方法によって、ファイバ７４，７６，７８，８０上に形成することができる。一例では、そのような製作には、紫外光の干渉パターンを使用して屈折率を恒久的に変化させることが含まれる。流体流は片持ち梁８２に抗力を及ぼして片持ち梁８２を偏向させ、その結果、ブラッグ格子８４から反射した光の波長を変化させる。この波長は、流速及び流れ方向を示す。

支持部材６８は、所期の動作上の使用に対して任意の構造的に適した材料を含むことができ、いくつかの例には、ステンレス鋼、プラスチック、及び複合アルミニウムが含まれる。ファイバ７４，７６，７８，８０は、自由アーム７２の開端部８６を通って中心スロット６９内に挿入することができ、又は自由アーム７２を取り付ける前に固定端部部分７０に予め取り付けることができる。一実施形態では、中心スロット６９内で光ファイバを支持する充填材８８によって、中心スロット６９内にファイバ７４，７６，７８，８０をさらに固定する。充填材は、中心スロット６９内で光ファイバ７４，７６，７８，８０を取り囲むエポキシ又は接着剤とすることができる。別の実施形態では、ガラスはんだを使用して、光ファイバの端部を開端部８６に固定することができる。図８に示す実施形態では、支持部材６８は、中心スロット６９内に光ファイバ７４，７６，７８，８０を固定された後に開端部８６を覆うように位置決めしたキャップ９０をさらに含む。特定の実施形態では、支持部材６８及びキャップ９０は、ポリイミド、ステンレス鋼、又は炭素ファイバ織物の複合物を含む。

図８に示すように、ＦＢＧ検出システム６６は、光ファイバ７４，７６，７８，８０を通ってブラッグ格子８４へ光を伝送する１つ以上の光源３６と、ブラッグ格子８４から反射した光を受け取る検出器モジュール３８とをさらに含むことができる。光源３６は、例えば、同調可能レーザ、ＬＥＤ、レーザダイオード、又は任意の他の準単色源を含むことができる。検出器モジュール３８は、ブラッグ格子８４から反射した光信号を受け取り、様々なハードウェア構成部品及びソフトウェアコンポーネントと協調して、光信号内に組み込まれた情報を解析する。

ＦＢＧ検出システム６６は、片持ち梁８２が流路内に延在して、全体的な流れ方向Ｄに対して実質的に垂直になるように構成される。第１の光ファイバ７４、第２の光ファイバ７６、第３の光ファイバ７８及び第４の光ファイバ８０は、各ブラッグ格子８４が実質的に片持ち梁８２の長手方向に沿うように配置される。片持ち梁８２は、流体流のため、輪郭８５に示すように下流方向に偏向する。図１〜３を参照して前述したように、各ブラッグ格子から反射した光の波長シフトは、流速及び流れ方向を示す。第１の光ファイバ７４、第２の光ファイバ７６、第３の光ファイバ７８及び第４の光ファイバ８０内のブラッグ格子から反射した光の波長で流速及び流れ方向を実験的に事前に較正することで、ブラッグ格子８４から反射した波長を監視することによって、流速及び流れ方向を得ることができる。

特定の実施形態では、ＦＢＧ検出システム６６は、片持ち梁８２が偏向すると１つ以上のブラッグ格子８４上に張力が生じ、また別の１つ以上のブラッグ格子８４上に圧縮が生じるように構成される。図示の実施形態では、片持ち梁８２が偏向すると、第１の光ファイバ７４及び第２の光ファイバ７６上に刻印したブラッグ格子８４上に張力を引き起こし、また第３の光ファイバ７８及び第４の光ファイバ８０上に刻印したブラッグ格子８４上に圧縮を引き起こす。第１のファイバ７４及び第２のファイバ７６内のブラッグ格子８４の張力により、ブラッグ格子８４から反射した光の波長が増大し、また第３のファイバ７８及び第４のファイバ８０内のブラッグ格子８４の圧縮により、圧縮したブラッグ格子８４から反射した光の波長が低減する。例えば、ルックアップテーブルを事前に実験的に較正して構築することで、各ブラッグ格子８４の波長変化を監視することによって、流速を導出することができる。

再び図８を参照すると、流れ方向が変化すると、片持ち梁上にかかる抗力が変化し、ファイバ７４，７６，７８，８０内のブラッグ格子８４の各々にも波長シフトが生じる。例えば、流体流の方向が同じ流速でＤから方向Ｄ１へ変化すると、片持ち梁８２上にかかる抗力（Ｆ）は低減し、さらにその結果、ファイバ７４，７６，７８，８０内のブラッグ格子８４に波長シフトが生じる。例えば、ルックアップテーブルを事前に較正して構築することで、流れ方向及び流速を導出することができる。

上記で論じたように、片持ち梁の偏向によって生じる歪み又は応力が最大になる支持部材の固定端部部分に隣接して、ブラッグ格子を配置することができる。ＦＢＧセンサは、寸法が比較的小さく歪みに敏感であるため有用である。さらに、変換器が有する管が長ければ長いほど応答時間もより長くなる他の変換器とは対照的に、ＦＢＧセンサの応答時間はファイバの長さに左右されない。したがってＦＢＧ検出システムは、ガスタービン機内の冷却流又はシールから漏れる流れなど、アクセスするのが困難な流域で使用することができる。

別に定義しない限り、本明細書で使用する技術用語及び科学用語の意味は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解される意味と同じである。本明細書では、「第１」、「第２」などの用語はいかなる順序、数量、又は重要性を表すものでもなく、ある要素を別の要素と区別するために使用する。また、「ａ」及び「ａｎ」という用語は数量の限定を表すものではなく、参照する項目が１つ以上存在することを表し、また「前面」、「背面」、「底部」、及び／又は「上部」などの用語は、別に指定しない限り、単に説明の便宜上使用するだけであり、いかなる１つの位置又は空間的な向きにも限定されるものではない。

本発明について例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、またその要素の代わりに均等物を使用できることが、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入るすべての実施形態を含むものとする。

いかなる特定の実施形態でも、前述のそのような目的又は利点を必ずしもすべて実現できるわけではないことを理解されたい。したがって、例えば、本明細書に教示又は示唆された可能性のある他の目的又は利点を必ずしも実現することなく、本明細書に教示の１つの利点又は１群の利点を実現又は最適化するように、本明細書に記載のシステム及び技法を実行又は実施できることが、当業者には理解されるであろう。

さらに、異なる実施形態からの様々な特徴の互換性が、当業者には理解されるであろう。記載の様々な特徴、ならびに各特徴に対する他の知られている均等物を組み合わせ、本開示の原理による追加のシステム及び技法を構築することが、当業者には可能である。

１０ ファイバブラッグ格子検出システム
１２ 支持部材
１４ 固定端部部分
１６，１８，２０ 自由アーム
２２，２４，２６ ファイバ
２８，３０，３２ 片持ち梁
３４ ブラッグ格子
３６ 光源
３８ 検出器モジュール
４０ スロット
４１ 間隙
４２，４４ 平面シート
４３ カバー
４５ 自由端部
４６ 制御装置
４７ 支持部材
４８ ＦＢＧ検出システム
４９ 固定端部部分
５０，５１，５２ 自由アーム
５３，５４ ファイバ
５５，５６，５７ 片持ち梁
６０，６２ ブラッグ格子
６４ 薄膜
６６ ＦＢＧ検出システム
６８ 支持部材
６９ 中心スロット
７０ 固定端部部分
７２ 自由アーム
７４，７６，７８，８０ 光ファイバ
８２ 片持ち梁
８４ ブラッグ格子
８５ 偏向の輪郭
８６ 梁の開端部
８８ 充填材
９０ キャップ
９１ ＦＢＧ検出システム
９２ 支持部材
９３，９４，９５ 自由アーム
９６ 溝
９７，９８，９９ 片持ち梁

Claims (10)

1. 流体流によって偏向可能な２つ以上の自由アーム（１６，１８，２０，５０，５１，５２，９３，９４，９５）を固定する固定端部部分（４９）を含む片持ち支持部材（１２，４７，９２）であって、前記２つ以上の自由アームが前記固定端部の前面周辺部から前記固定端部部分を越えて前方へ延在する、片持ち支持部材（１２，４７，９２）と、
   各々前記支持部材の対応する自由アーム内に固定され、各々ブラッグ格子を刻印した２本以上の光ファイバ（２２，２４，２６，５３，５４）と、
   前記光ファイバへ光を伝送する１つ以上の光源（３６）と、
   前記光ファイバの前記ブラッグ格子によってフィルタリングした光を検出し、前記検出した光の波長変化を監視する１つ以上の検出器モジュール（３８）と
   を備えてなるファイバブラッグ格子検出システム（１０，４８，９１）。
2. 前記ブラッグ格子が前記自由アームの自由端部部分より前記固定端部部分の方に近い、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
3. ファイバ光センサが、前記検出器モジュールからの信号を受け取って流れ方向を推定する制御装置をさらに備えてなる、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
4. 前記固定端部部分が円形の円筒形状を含んでなる、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
5. 前記自由アームが、前記固定端部部分に対して分離した要素を含んでなる、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
6. 前記固定端部部分が、外側表面内に、前記自由アームを取り付けるための２つ以上のスロットを備えてなる、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
7. 自由アームが各々平面板を備えてなり、前記流体流の全体的な流れ方向に対する自由アーム間の角度が互いに異なる、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
8. 前記自由アームの１つが、前記全体的な流れ方向に対して実質的に垂直である、請求項７記載のファイバブラッグ格子検出システム。
9. 前記２つ以上の自由アームが各々、互いに対向してその間に対応するファイバを受け取る第１及び第２のシートを備えてなる、請求項１記載のファイバブラッグ格子検出システム。
10. 前記自由アームの各々の中に２本以上の光ファイバを備えてなり、前記各光ファイバにブラッグ格子が刻印される、請求項９記載のファイバブラッグ格子検出システム。