JP2011149828A - Vibration detection system, device using the system, and vibration detection method - Google Patents

Vibration detection system, device using the system, and vibration detection method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems wherein, even though a vibration detection device for an ultrasonic wave, AE, or the like, that uses a fiber Bragg grating (FBG) is used for elastic wave detection at a material impact time or for ultrasonic flaw detection, in an environment receiving temperature change or strain change, ultrasonic detection is impossible or performance is lowered, and to attain miniaturization or weight reduction. <P>SOLUTION: In a system, wide-band light including an FBG reflection wavelength region is allowed to enter the FBG by using a wide band light source; the reflected light intensity from the FBG is converted into an electrical signal; a signal processing for extracting a response signal based on vibration received by the FBG is performed, relative to the electric signal, to thereby detect vibration; and thereby the vibrations of the ultrasonic waves, or the like, are detected without using an optical filter. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、広帯域光を用い、ファイバ・ブラッグ・グレーティングを利用して、可聴域から超音波域の振動を検出するシステムおよび該システムを用いた装置並びに振動検出方法に関する。例えば、超音波探傷装置、アコースティック・エミッション(AE)センサ、材料(構造体を含む)健全性評価装置に有用なシステムに関する。   The present invention relates to a system for detecting vibration from an audible range to an ultrasonic range using a fiber Bragg grating using broadband light, an apparatus using the system, and a vibration detection method. For example, the present invention relates to a system useful for an ultrasonic flaw detection apparatus, an acoustic emission (AE) sensor, and a material (including a structure) soundness evaluation apparatus.

超音波には、材料中を伝搬するとき、超音波が欠陥箇所で大きな分散及び減衰を受けることから、その伝搬状況が欠陥がない場合とある場合とで異なるという性質がある。この性質を利用した材料の欠陥検出法が超音波探傷であり、従来は超音波センサとして圧電素子が多用されてきた。また材料に微視破壊が発生するとアコースティック・エミッション(AE)が放出されることから、AEを検出することで材料の微視破壊状況を監視することができる。AEは超音波域の弾性波であることから、超音波センサと同様にAEセンサに圧電素子が多用されている。   When propagating through a material, an ultrasonic wave has a characteristic that the ultrasonic wave is greatly dispersed and attenuated at a defective portion, so that the propagation state differs depending on whether or not there is a defect. A material defect detection method using this property is ultrasonic flaw detection. Conventionally, piezoelectric elements have been frequently used as ultrasonic sensors. In addition, when a microscopic breakdown occurs in the material, acoustic emission (AE) is released. Therefore, the microscopic breakdown state of the material can be monitored by detecting the AE. Since AE is an elastic wave in the ultrasonic range, piezoelectric elements are frequently used in the AE sensor as in the ultrasonic sensor.

しかしながら、電気センサである圧電素子は電磁波障害を受けることや引火性雰囲気では使用できないなどの問題がある。近年、これらの問題を解決できる超音波・AEセンサとして光ファイバセンサの一種であるファイバ・ブラッグ・グレーティング(Fiber Bragg Grating、以下「FBG」とも呼ぶ。)が期待されている。   However, the piezoelectric element which is an electric sensor has problems such as being damaged by electromagnetic waves and not being usable in a flammable atmosphere. In recent years, fiber Bragg grating (hereinafter also referred to as “FBG”), which is a kind of optical fiber sensor, is expected as an ultrasonic wave / AE sensor that can solve these problems.

FBGをセンサとする超音波又はAE検出システムは、光源としてレーザまたは広帯域光を用いる二種類に大別される。レーザを用いる場合は、FBG反射スペクトルの反射率変化が大きな波長で発振するレーザを、FBGに入射することで、FBGが受ける超音波やAE振動に同期したFBG反射光強度を得ることができる。広帯域光源を用いる場合を図24に示す。広帯域光源2を用いる場合は、FBG反射波長域を包含する広帯域光を、光サーキュレータ3を介してFBG4に入射し、FBG反射波長域において透過または反射特性が急峻に変化する光フィルタ5に、FBG反射光を入射することで、超音波・AE振動に同期した光フィルタ透過または反射光強度を得ることができる。光フィルタを透過した光を光電変換器6に入力し、ここで光強度に対応した電気出力に変換する。波形収録器7は、光電変換器6からの電気出力を、FBG4が検知したAE・超音波として表示部に表示したり記録装置内に記録する。また、図24に図示した光フィルタ5を、広帯域光源2と光サーキュレータ3の間に設置しても同様の機能が得られる。発明者による非特許文献1には、それぞれの光源を用いたFBGによる超音波検出及び超音波探傷を行った実験が示されている。また、従来技術として、発明者らによる特許文献1乃至5がある。   Ultrasonic or AE detection systems using an FBG as a sensor are roughly classified into two types using a laser or broadband light as a light source. In the case of using a laser, an FBG reflected light intensity synchronized with an ultrasonic wave or AE vibration received by the FBG can be obtained by entering a laser that oscillates at a wavelength with a large reflectance change in the FBG reflection spectrum. FIG. 24 shows a case where a broadband light source is used. When the broadband light source 2 is used, broadband light including the FBG reflection wavelength region is incident on the FBG 4 via the optical circulator 3, and the optical filter 5 whose transmission or reflection characteristics change sharply in the FBG reflection wavelength region is applied to the FBG. By making the reflected light incident, it is possible to obtain optical filter transmission or reflected light intensity synchronized with the ultrasonic wave / AE vibration. The light transmitted through the optical filter is input to the photoelectric converter 6 where it is converted into an electrical output corresponding to the light intensity. The waveform recorder 7 displays the electrical output from the photoelectric converter 6 on the display unit as AE / ultrasound detected by the FBG 4 or records it in the recording device. The same function can be obtained even if the optical filter 5 shown in FIG. 24 is installed between the broadband light source 2 and the optical circulator 3. Non-Patent Document 1 by the inventor shows an experiment in which ultrasonic detection and ultrasonic flaw detection are performed by FBG using each light source. Moreover, there exist patent documents 1 thru | or 5 by inventors as a prior art.

ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)は、光ファイバの導光路であるコアの屈折率がファイバ軸方向に周期的に変化した構造を持ち、式(1)で表されるブラッグ波長λを中心とする狭帯域光を反射する。 The fiber Bragg grating (FBG) has a structure in which the refractive index of a core, which is a light guide for an optical fiber, periodically changes in the fiber axis direction, and is centered on a Bragg wavelength λ B represented by the equation (1). Reflects narrowband light.

Figure 2011149828
Figure 2011149828

nは屈折率、Λは屈折率変化の周期間隔(グレーティング間隔)を表す。FBGが温度またはひずみ変化を受けると、屈折率nおよびグレーティング間隔Λが変化し、それに伴いブラッグ波長λが変化する(式(1)参照)。ひずみおよび温度変化がもたらすブラッグ波長変化量は、通信分野で汎用されている1.55μm帯にブラッグ波長を持つFBGにおいて、それぞれ1.2pm/マイクロひずみ、および14pm/℃である。超音波やAEといった弾性波は、高々数マイクロひずみ程度の微弱な振動をもたらすことから、FBGが超音波やAEを受信した場合、そのブラッグ波長は高々数pm程度しか変化しない。一般に構造物の健全性評価に利用されているFBGはグレーティング長1〜20mmのものが多く、反射スペクトル全幅は高々1〜2nm程度である。このためFBGが大きな温度またはひずみ変化を受けた場合は、ブラッグ波長が大きく変化して、レーザ光源を用いたシステムでは、レーザ波長がFBGの反射波長域から外れてしまうことがある。また広帯域光源を用いたシステムでも、FBGの反射スペクトルと光フィルタの透過または反射特性が急峻に変化する波長域が交差しない状況になる。このような場合、FBGが受ける超音波やAEを検出することができなくなる。 n represents a refractive index, and Λ represents a periodic interval (grating interval) of refractive index change. When the FBG receives a change in temperature or strain, the refractive index n and the grating interval Λ change, and the Bragg wavelength λ B changes accordingly (see equation (1)). The amount of change in Bragg wavelength caused by strain and temperature change is 1.2 pm / micro strain and 14 pm / ° C., respectively, in an FBG having a Bragg wavelength in the 1.55 μm band that is widely used in the communication field. Elastic waves such as ultrasonic waves and AE cause weak vibrations of at most several microstrains, so when the FBG receives ultrasonic waves or AEs, its Bragg wavelength changes only at most about several pm. In general, many FBGs used for evaluating the soundness of structures have a grating length of 1 to 20 mm, and the total width of the reflection spectrum is about 1 to 2 nm at most. For this reason, when the FBG undergoes a large temperature or strain change, the Bragg wavelength changes greatly, and in a system using a laser light source, the laser wavelength may deviate from the reflection wavelength region of the FBG. Even in a system using a broadband light source, the FBG reflection spectrum and the wavelength region where the transmission or reflection characteristics of the optical filter change sharply do not intersect. In such a case, the ultrasonic waves and AE received by the FBG cannot be detected.

そこで波長可変レーザまたはチューナブルフィルタを用いて、FBGのブラッグ波長変化に応じて、レーザ波長、または光フィルタの光学特性が変化する波長を、制御することが考えられる。しかし、高速にFBGのブラッグ波長が変動する場合は、これらの制御がブラッグ波長変化に追随できず、超音波やAEを検出することができない。特にAEは材料破壊時に発生する瞬時のひずみ変化に伴う現象であることから、AE発生時には高速なブラッグ波長変動が生じる。このため波長可変レーザやチューナブルフィルタを用いた計測システムではAEを検出することは困難であると考えられる。   Therefore, it is conceivable to use a wavelength tunable laser or a tunable filter to control the laser wavelength or the wavelength at which the optical characteristics of the optical filter change according to the Bragg wavelength change of the FBG. However, when the Bragg wavelength of the FBG fluctuates at high speed, these controls cannot follow the Bragg wavelength change, and ultrasonic waves and AE cannot be detected. In particular, AE is a phenomenon associated with an instantaneous strain change that occurs when a material breaks down. Therefore, high-speed Bragg wavelength fluctuation occurs when AE occurs. For this reason, it is considered difficult to detect AE in a measurement system using a wavelength tunable laser or a tunable filter.

この問題を解決するため、FBGを被検体に取り付けずに被検体を伝搬する超音波やAEを検出する技術が、発明者による特許文献3の「材料健全性評価装置」に開示されている。従来のFBGによる超音波やAE検出においてはFBGを被検体に取り付けていたが、この技術ではFBGを書き込んだ光ファイバのFBG以外の箇所を被検体に接触させる。被検体を伝搬する超音波やAEは、光ファイバの接触箇所を介して、光ファイバに流入し、そして光ファイバ中を伝搬して、FBGを超音波・AE振動させる。FBGが被検体に取り付けられていないことから、FBGのブラッグ波長は、被検体が受けるひずみに無関係になる。しかし、温度変化に伴うFBGのブラッグ波長変化をなくすことはできず、温度変化が生じる環境での超音波やAE検出に問題が残る。   In order to solve this problem, a technique for detecting an ultrasonic wave or AE that propagates through a subject without attaching an FBG to the subject is disclosed in “Material Soundness Evaluation Device” of Patent Document 3 by the inventor. In conventional ultrasonic detection and FAE detection using FBG, the FBG is attached to the subject. In this technique, a portion other than the FBG of the optical fiber in which the FBG is written is brought into contact with the subject. Ultrasound or AE propagating through the subject flows into the optical fiber via the contact point of the optical fiber, and propagates through the optical fiber, causing the FBG to undergo ultrasonic / AE vibration. Since the FBG is not attached to the subject, the Bragg wavelength of the FBG is independent of the strain experienced by the subject. However, the Bragg wavelength change of the FBG accompanying the temperature change cannot be eliminated, and there remains a problem in ultrasonic detection and AE detection in an environment where the temperature change occurs.

また、発明者による特許文献4の「AE・超音波検出システム、及びそれを備えた材料監視装置並びに非破壊検査装置」では、二つのファブリ・ペローフィルタを用いたFBGのブラッグ波長に依存しない超音波・AE検出技術を開示している。この従来技術は、FBGに広帯域光を入射し、FBG反射光を二つのファブリ・ペローフィルタに入射することを特徴としている。二つのファブリ・ペローフィルタは、FBGの反射スペクトル全幅とほぼ等しいFSR(Free Spectral Range:周期的な透過特性を有するファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長の間隔)を有し、透過率ピーク波長がFSR/4だけ異なるものである。この従来技術では、FBGのブラッグ波長に関係なく、少なくとも片方のファブリ・ペローフィルタ透過光強度はFBGが受ける超音波又はAE振動に同期して変動することになり、ブラッグ波長変化に依存しない超音波又はAE検出が可能である。   In addition, in the “AE / ultrasonic detection system, and the material monitoring apparatus and non-destructive inspection apparatus including the same” disclosed in Patent Document 4 by the inventor, an ultra-independent of the Bragg wavelength of the FBG using two Fabry-Perot filters. A sound wave / AE detection technique is disclosed. This prior art is characterized in that broadband light is incident on the FBG and FBG reflected light is incident on two Fabry-Perot filters. The two Fabry-Perot filters have an FSR (Free Spectral Range: interval of transmittance peak wavelengths of a Fabry-Perot filter having periodic transmission characteristics) that is substantially equal to the full width of the reflection spectrum of the FBG. Only FSR / 4 is different. In this prior art, regardless of the Bragg wavelength of the FBG, the transmitted light intensity of at least one Fabry-Perot filter fluctuates in synchronization with the ultrasonic wave or AE vibration received by the FBG, and the ultrasonic wave does not depend on the Bragg wavelength change. Or AE detection is possible.

特開2005−326326号公報JP 2005-326326 A 特開2005−009937号公報JP 2005-009937 A 特開2007−240447号公報JP 2007-240447 A 特開2008−046036号公報JP 2008-046036 A 特開2006−132952号公報JP 2006-132952 A

Hiroshi Tsuda,“Ultrasound and Damage Detection in CFRP using Fiber Bragg Grating Sensors”, Composites Science and Technology,Vol.66,p.676−683(2006)Hiroshi Tsuda, “Ultrasound and Damage Detection in CFRP using Fiber Bragg Grating Sensors”, Composites Science and Technology, Vol. 66, p. 676-683 (2006) J.R.Lee, H.Tsuda,“Acousto−ultrasonic sensing using capsular fibre Bragg gratings for temperature compensation”, Meas.Sci.Technol. 17(2006)2920−2926J. et al. R. Lee, H.C. Tsuda, “Acousto-ultrasonic sensing using capsule fiber Bragg gratings for temperature compensation”, Meas. Sci. Technol. 17 (2006) 2920-2926

温度変化や歪み変化を受ける環境では、ブラッグ波長が大きく変化して、レーザ光源を用いたシステムでは、レーザ波長がFBGの反射波長域から外れてしまう問題があるので、広帯域光源を用いたシステムが望まれる。しかしながら、広帯域光源を用いた場合は、FBG反射波長域において透過または反射特性が急峻に変化する光フィルタを必要としていた。また、従来の技術では、温度変化に伴うFBGのブラッグ波長変化をなくすことはできないという問題がある。   In an environment subject to temperature changes and strain changes, the Bragg wavelength changes greatly, and in a system using a laser light source, there is a problem that the laser wavelength deviates from the reflection wavelength region of the FBG. desired. However, when a broadband light source is used, an optical filter whose transmission or reflection characteristics change sharply in the FBG reflection wavelength region is required. In addition, the conventional technology has a problem that the Bragg wavelength change of the FBG accompanying the temperature change cannot be eliminated.

また、特許文献4に記載された超音波・AE検出システムでは、第一にFBGの反射スペクトル全幅にほぼ等しいFSRを有する二つのファブリ・ペローフィルタを揃える、第二に二つのファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長をFSR/4ずらす必要がある。しかし第一の必要条件であるFBGの反射スペクトル全幅及びファブリ・ペローフィルタのFSRを精密に制御することは、これらの製造において困難なことであり、システム構成要素が高価になる要因となる。また第二の必要条件である二つのファブリ・ペローフィルタの透過率ピーク波長をFSR/4ずらすためには、透過率ピーク波長制御用の温度調節器をファブリ・ペローフィルタに取り付ける、または多数のファブリ・ペローフィルタを準備してその中から透過率ピーク波長がFSR/4ずれた二つのファブリ・ペローフィルタを選択する必要がある。このように、特許文献4の技術では、システム構成要素が高価であること、およびシステム構成要素数が多くなる問題がある。   In the ultrasonic / AE detection system described in Patent Document 4, first, two Fabry-Perot filters having FSR substantially equal to the full width of the reflection spectrum of the FBG are arranged, and second, two Fabry-Perot filters are arranged. It is necessary to shift the transmittance peak wavelength by FSR / 4. However, precise control of the FBG reflection spectrum full width and the Fabry-Perot filter FSR, which are the first requirement, is difficult in the manufacture of these, and causes the system components to be expensive. In order to shift the transmittance peak wavelength of the two Fabry-Perot filters, which are the second requirement, by FSR / 4, a temperature controller for controlling the transmittance peak wavelength is attached to the Fabry-Perot filter, or a number of Fabry-Perot filters. It is necessary to prepare a Perot filter and select two Fabry-Perot filters with transmittance peak wavelengths shifted by FSR / 4. As described above, the technique of Patent Document 4 has a problem that the system components are expensive and the number of system components increases.

さらに輸送機、特に航空・宇宙分野で利用される輸送機に搭載される健全性評価システムにおいては、厳しい重量制限、電力制限、寸法制限を満足することが要求される。   Furthermore, a soundness evaluation system mounted on a transport aircraft, particularly a transport aircraft used in the aerospace field, is required to satisfy strict weight restrictions, power restrictions, and dimensional restrictions.

本発明はこれらの問題を解決するものであり、従来の広帯域光を光源とした超音波・AE検出システムの光フィルタを不要にした、ひずみおよび温度変動条件下で、超音波又はAEを検出する高信頼性の検出システムを実現することを目的とする。また、本発明は、超音波やAEの検出能を改善することを目的とする。また、本発明は、構成要素数が少なく、かつ高価な要素がなく、小型で軽量、かつ安価に組み立てることができるシステムを実現することを目的とする。   The present invention solves these problems, and detects ultrasonic waves or AE under strain and temperature fluctuation conditions that eliminates the need for an optical filter of a conventional ultrasonic / AE detection system using broadband light as a light source. The purpose is to realize a highly reliable detection system. Another object of the present invention is to improve the detection ability of ultrasonic waves and AE. It is another object of the present invention to realize a system that has a small number of components, is free of expensive elements, can be assembled in a small size, is light, and is inexpensive.

本発明は、上記課題を解決するために、広帯域光をFBGに入射し、ブラッグ波長変化検出のための光フィルタを用いることなく、該FBGからの反射光を光電変換器に入射して反射光強度を電気信号に変換し、該電気信号に対して平均化処理または周波数フィルタ処理などの適切な信号処理を行うことで、FBGが受信する超音波・AEに対応する応答信号を得るものである。   In order to solve the above problems, the present invention makes broadband light incident on an FBG, and without using an optical filter for detecting a Bragg wavelength change, the reflected light from the FBG is incident on a photoelectric converter and reflected light. The response signal corresponding to the ultrasonic wave / AE received by the FBG is obtained by converting the intensity into an electric signal and performing appropriate signal processing such as averaging processing or frequency filter processing on the electric signal. .

本発明は、FBGセンサが書き込まれた光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を被検体に取り付けることにより、FBGセンサに共振構造を持たせるものである。該共振構造を有するFBGセンサからの反射光強度を電気信号に変換した後、その電気信号に対して適切な信号処理を行うことで、超音波・AE検出能をさらに向上させることができる。   In the present invention, the FBG sensor is provided with a resonance structure by attaching a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG sensor is written, or a portion other than the FBG to a subject. After converting the reflected light intensity from the FBG sensor having the resonance structure into an electric signal, by performing appropriate signal processing on the electric signal, the ultrasonic wave / AE detection ability can be further improved.

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。   The present invention has the following features in order to achieve the above object.

本発明の装置は、振動検出システムであり、可聴域から超音波域の振動を検出することを特徴とする。前記振動は、代表的には、超音波またはアコースティック・エミッションである。本発明の振動検出システムは、広帯域光源とファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)と光電変換部と信号処理部とを備えることを特徴とする。前記広帯域光源は、FBG反射波長域を包含する広帯域光を出射することを特徴とする。前記FBGに、FBG反射波長域を包含する広帯域光が入射すると、ブラッグ波長と呼ばれる波長成分がFBGで反射され、残りの成分は透過される。該ブラッグ波長のシフトが超音波振動やAEによって生じることにより、FBG反射光強度が変化することを特徴とする。前記信号処理部は、FBG反射光強度を変換した電気信号に対して、前記FBGが受ける振動に基づく応答信号を抽出する信号処理を行うことを特徴とする。前記信号処理は、平均化処理および周波数フィルタ処理のいずれか1つ以上の信号処理であることを特徴とする。前記周波数フィルタ処理は、ローパスフィルタ処理またはバンドパスフィルタ処理である。本発明の振動検出システムは、ブラッグ波長変化検出のための光フィルタを用いないことを特徴とする。   The apparatus of the present invention is a vibration detection system, and detects vibrations in an audible range to an ultrasonic range. The vibration is typically ultrasonic or acoustic emission. The vibration detection system of the present invention includes a broadband light source, a fiber Bragg grating (FBG), a photoelectric conversion unit, and a signal processing unit. The broadband light source emits broadband light including an FBG reflection wavelength region. When broadband light including an FBG reflection wavelength region is incident on the FBG, a wavelength component called a Bragg wavelength is reflected by the FBG, and the remaining components are transmitted. The Bragg wavelength shift is caused by ultrasonic vibration or AE, whereby the FBG reflected light intensity changes. The signal processing unit performs signal processing for extracting a response signal based on vibration received by the FBG, with respect to the electrical signal obtained by converting the FBG reflected light intensity. The signal processing is one or more of an averaging process and a frequency filter process. The frequency filter process is a low-pass filter process or a band-pass filter process. The vibration detection system of the present invention is characterized by not using an optical filter for Bragg wavelength change detection.

本発明の振動検出システムは、FBGセンサに共振特性を持たせることを特徴とする。FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体に接触させて、FBGセンサに共振特性を持たせることが好ましい。振動は、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させることを特徴とする。また、周波数フィルタ処理をする場合は、前記共振特性に基づく共振周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理であることが望ましい。本発明の振動検出システムにおける周波数フィルタ処理は、FBGを書き込んだ光ファイバにおける被検体との接触点と自由端との間の距離であるところの、光ファイバ共振部長さに基づいて決定される共振周波数を通過させる処理であることを特徴とする。前記光ファイバ共振部長さを調整して、前記共振周波数を制御することができる。   The vibration detection system of the present invention is characterized in that the FBG sensor has resonance characteristics. It is preferable that a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG is written or a part other than the FBG is brought into contact with the subject so that the FBG sensor has resonance characteristics. The vibration is caused to flow into the optical fiber through a contact portion with the subject. In addition, when performing the frequency filter processing, it is desirable that the band pass filter processing is in the vicinity of the resonance frequency band based on the resonance characteristics. The frequency filtering process in the vibration detection system of the present invention is a resonance determined based on the length of the optical fiber resonance part, which is the distance between the contact point with the subject in the optical fiber in which the FBG is written and the free end. The process is characterized by passing the frequency. The resonance frequency can be controlled by adjusting the length of the optical fiber resonance portion.

本発明の振動検出システムは、可動式の構成とすることができる。非共振型の構造をとる場合は、FBGを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または1mm以下の媒体に接触させることにより、可動式FBGセンサとし、該可動式FBGセンサを被検体に接触させるとよい。共振型の構造をとる場合は、FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または1mm以下の媒体に接触させることにより、共振特性をもつ可動式FBGセンサとし、該可動式FBGセンサを被検体に接触させるとよい。   The vibration detection system of the present invention can be configured to be movable. When a non-resonant type structure is adopted, the FBG is brought into contact with a medium having a lower ultrasonic propagation speed than the subject or a medium of 1 mm or less to form a movable FBG sensor, and the movable FBG sensor is attached to the subject. It is good to contact. When taking a resonance type structure, by contacting a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG is written, or a place other than the FBG with a medium having a lower ultrasonic propagation velocity than the subject or a medium of 1 mm or less, A movable FBG sensor having resonance characteristics may be used, and the movable FBG sensor may be brought into contact with the subject.

本発明の振動検出システムは、FBGセンサを複数備えることにより多点計測を行うことができる。本発明の振動検出システムを用いて、超音波伝搬状況を測定することにより、被検体の健全性を評価する材料健全性評価装置、超音波探傷装置、または材料破壊時に生じるアコースティック・エミッションを検出する装置を提供する。   The vibration detection system of the present invention can perform multipoint measurement by providing a plurality of FBG sensors. Using the vibration detection system of the present invention, by detecting the state of ultrasonic propagation, a material soundness evaluation apparatus for evaluating the soundness of a subject, an ultrasonic flaw detection apparatus, or acoustic emission generated at the time of material destruction is detected. Providing equipment.

本発明の方法は、振動検出方法であり、FBGに、FBG反射波長域を包含する広帯域光を入射し、前記FBGからの反射光強度を電気信号に変換し、前記電気信号に対して、前記FBGが受ける振動に基づく応答信号を抽出する信号処理を行うことを特徴とする。   The method of the present invention is a vibration detection method, in which broadband light including an FBG reflection wavelength region is incident on the FBG, the reflected light intensity from the FBG is converted into an electric signal, and the electric signal is Signal processing for extracting a response signal based on the vibration received by the FBG is performed.

本発明によれば、歪み及び温度が変動する状況においても、FBGを用いて超音波やAEを検出することができる。また、本発明によれば、広帯域光を光源とした超音波・AE検出システムにおいて、従来必要とされていた光学フィルタを不要としたので、システム構成要素数が少なく、システムの小型化・軽量化・低価格化・高信頼性を向上させることができる。また、本発明によれば、FBG反射光強度を電気信号に変換して、平均化や周波数フィルタリングなどの信号処理を施すことにより、超音波・AE応答を検出することができる。また、FBGセンサを共振特性をもつ構造とすることにより、超音波やAEの検出能を改善することができる。   According to the present invention, ultrasonic waves and AE can be detected using FBG even in a situation where strain and temperature fluctuate. In addition, according to the present invention, in the ultrasonic / AE detection system using broadband light as a light source, an optical filter that has been conventionally required is unnecessary, so the number of system components is small, and the system is reduced in size and weight.・ Price reduction and high reliability can be improved. Further, according to the present invention, the ultrasonic wave / AE response can be detected by converting the FBG reflected light intensity into an electric signal and performing signal processing such as averaging and frequency filtering. Moreover, the detection capability of an ultrasonic wave or AE can be improved by making a FBG sensor into a structure with a resonance characteristic.

本発明によれば、可聴域から超音波域に亘る範囲の振動を検出することができる。超音波の単発パルスのみでも検出することができるので、材料破壊が発生するときに放出されるアコースティック・エミッション(AE)を的確に検出できる。また、周期性のある超音波振動を用いて応答信号を得る場合は、共振構造を有するFBGセンサは受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示すので、適切な周波数フィルタ処理をすることにより、超音波やAEの検出能をより改善することができる。   According to the present invention, it is possible to detect vibrations in a range from the audible range to the ultrasonic range. Since it is possible to detect only a single ultrasonic pulse, it is possible to accurately detect acoustic emission (AE) emitted when material destruction occurs. In addition, when obtaining a response signal using periodic ultrasonic vibration, an FBG sensor having a resonance structure shows a response having a high component intensity at a resonance frequency close to the frequency of the received ultrasonic wave. By performing the frequency filter process, the detection ability of ultrasonic waves and AE can be further improved.

また、本発明は、FBGセンサを可動式にすることにより、被検体の検査に便利な装置とすることができる。   Further, according to the present invention, by making the FBG sensor movable, it is possible to provide a device that is convenient for examining a subject.

本発明の第1の実施の形態に対応する超音波計測実験に用いたシステムを表す図。The figure showing the system used for the ultrasonic measurement experiment corresponding to the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態に対応する超音波計測実験に用いたシステムを表す図。The figure showing the system used for the ultrasonic measurement experiment corresponding to the 2nd Embodiment of this invention. 非共振構造を持つFBGセンサのスパイク波励起超音波に対する、(a)はレーザを光源に用いたときの平均化処理なしの応答波形、(b)は平均化処理なしの応答波形、(c)は平均化処理を行った応答波形を示す図。(A) is a response waveform without an averaging process when a laser is used as a light source, (b) is a response waveform without an averaging process, and (c) with respect to a spike wave excitation ultrasonic wave of an FBG sensor having a non-resonant structure. FIG. 6 is a diagram showing a response waveform after an averaging process. (a)(b)(c)は、それぞれ図3(a)(b)(c)に示した応答波形の周波数特性を示す図。(A) (b) (c) is a figure which shows the frequency characteristic of the response waveform shown to Fig.3 (a) (b) (c), respectively. 光ファイバ共振部長さ291mmにおけるスパイク波励起超音波に対する、(a)はレーザを光源に用いたときの平均化処理なしの応答波形、(b)は平均化処理なしの応答波形、(c)は平均化処理を行った応答波形を示す図。(A) is a response waveform without averaging processing when a laser is used as a light source, (b) is a response waveform without averaging processing, and (c) is for a spike wave excitation ultrasonic wave with an optical fiber resonator length of 291 mm. The figure which shows the response waveform which performed the averaging process. (a)(b)(c)は、それぞれ図5(a)(b)(c)に示した応答波形の周波数特性を示す図。(A) (b) (c) is a figure which shows the frequency characteristic of the response waveform shown to Fig.5 (a) (b) (c), respectively. スパイク波励起超音波に対し、光ファイバ共振部長さ291mmの共振構造を有するFBGセンサから得られた、(a)は平均化なしでバンドパスフィルタ処理された応答波形、(b)はフィルタ未処理で平均化処理された応答波形を示す図。Obtained from an FBG sensor having a resonance structure with an optical fiber resonance part length of 291 mm with respect to spike wave excitation ultrasonic waves, (a) is a response waveform that is bandpass filtered without averaging, and (b) is unfiltered. The figure which shows the response waveform averaged in FIG. スパイク波励起超音波に対し、光ファイバ共振部長さ50.5mmの共振構造を有するFBGセンサから得られた、(a)はフィルタ処理なしで平均化処理された応答波形、(b)はフィルタ未処理および平均化処理なしの応答波形、(c)は平均化処理なしでローパスフィルタ処理された応答波形を示す図。Obtained from an FBG sensor having a resonant structure with an optical fiber resonance part length of 50.5 mm with respect to spike wave excitation ultrasonic waves, (a) is a response waveform averaged without filtering, and (b) is unfiltered. The response waveform without a process and an averaging process, (c) is a figure which shows the response waveform by which the low pass filter process was carried out without the averaging process. (a)(b)は、それぞれ図8(a)(b)に示した応答波形の周波数特性を示す図。(A) (b) is a figure which shows the frequency characteristic of the response waveform shown to Fig.8 (a) (b), respectively. 周波数を変化させた3周期正弦波励起超音波に対する光ファイバ共振部長さ50.5mmの共振構造を有するFBGセンサ応答波形で、正弦波の周波数を(a)は100kHz、(b)は200kHz、(c)は300kHz、(d)は400kHzにしたときの応答波形を示す図。An FBG sensor response waveform having a resonance structure of an optical fiber resonance part length of 50.5 mm with respect to a three-cycle sinusoidal excitation ultrasonic wave having a changed frequency, where the frequency of the sine wave is 100 kHz, (b) is 200 kHz, ( The figure which shows a response waveform when c) is 300 kHz and (d) is 400 kHz. (a)(b)(c)(d)は、それぞれ図10(a)(b)(c)(d)に示した応答波形の周波数特性を示す図。(A) (b) (c) (d) is a figure which shows the frequency characteristic of the response waveform shown to Fig.10 (a) (b) (c) (d), respectively. 第5の実施の形態のシステムを表す図。The figure showing the system of 5th Embodiment. 探傷実験で得られた、(a)は健全部のみを通過した超音波に対する応答波形、(b)は衝撃損傷部を通過した超音波に対する応答波形を示す図。(A) is a response waveform for an ultrasonic wave that has passed only through a healthy part, and (b) is a diagram showing a response waveform for an ultrasonic wave that has passed through an impact damage part, obtained in a flaw detection experiment. (a)(b)は、それぞれ図13(a)(b)に示した応答波形の周波数特性を示す図。(A) and (b) are the figures which show the frequency characteristic of the response waveform shown to Fig.13 (a) (b), respectively. 第6および第7の実施の形態のシステムを表す図。The figure showing the system of 6th and 7th embodiment. 被検体を伝搬する超音波に対し、共振構造を持つFBGセンサから得られた、(a)はローパスフィルタ処理および平均化処理された応答波形、(b)は平均化処理なしでローパスフィルタ処理された応答波形、(c)は平均化処理なしでバンドパスフィルタ処理された応答波形を示す図。Obtained from the FBG sensor having a resonance structure with respect to the ultrasonic wave propagating through the subject, (a) is a low-pass filter processed and averaged response waveform, and (b) is low-pass filtered without averaging. (C) is a diagram showing a response waveform that has been bandpass filtered without averaging. (a)(b)は、それぞれ図16(a)(b)に示した応答波形の周波数特性を示す図。(A) (b) is a figure which shows the frequency characteristic of the response waveform shown to Fig.16 (a) (b), respectively. 被検体を伝搬する超音波に対し、非共振構造を持つFBGセンサから得られた、(a)はローパスフィルタ処理および平均化処理された応答信号、(b)は平均化処理なしでローパスフィルタ処理された応答信号を示す図。Obtained from the FBG sensor having a non-resonant structure with respect to the ultrasonic wave propagating through the subject, (a) is a response signal subjected to low-pass filter processing and averaging processing, and (b) is low-pass filtering processing without averaging processing. FIG. (a)(b)は、それぞれ図18(a)(b)に示した応答信号の周波数特性を示す図。(A) and (b) are the figures which show the frequency characteristic of the response signal shown to Fig.18 (a) (b), respectively. 第9の実施の形態のセンサ部を可動式にした装置を表す図。The figure showing the apparatus which made the sensor part of 9th Embodiment movable. 第10の実施の形態の多点計測装置を表す図。The figure showing the multipoint measuring device of 10th Embodiment. 第10の実施の形態の同時多点計測装置を表す図。The figure showing the simultaneous multipoint measuring device of 10th Embodiment. 第10の実施の形態の波長分離技術を利用する同時多点計測装置を表す図。The figure showing the simultaneous multipoint measuring apparatus using the wavelength separation technique of 10th Embodiment. 従来例を表す図。The figure showing a prior art example.

本発明は、可聴域から超音波域の振動を検出するシステムに関し、該振動として、可聴周波数30Hz〜20kHz程度およびこれより高い周波数の音波即ち超音波、あるいは広義の意味で、人間の耳で直接聞くことを目的としない音波即ち超音波を、検出するためのシステムである。また、超音波検出と同様にAE検出、およびこれらの検出を利用する超音波探傷装置、アコースティック・エミッション(AE)センサ、材料(構造体)健全性評価装置に適用できる。以下、本発明の実施の形態について説明する。   The present invention relates to a system for detecting vibrations from an audible range to an ultrasonic range, and as the vibrations, a sound wave having an audible frequency of about 30 Hz to 20 kHz and higher, that is, an ultrasonic wave, or in a broad sense, directly in a human ear. It is a system for detecting sound waves that are not intended to be heard, ie, ultrasonic waves. Further, it can be applied to AE detection, ultrasonic flaw detectors, acoustic emission (AE) sensors, and material (structure) soundness evaluation devices that use these detections as in the case of ultrasonic detection. Embodiments of the present invention will be described below.

(第1の実施の形態)
第1の実施の形態は、FBGセンサを用いた超音波応答の基本的な形態である。本実施の形態の超音波検出システムは、従来の広帯域光源を用いた検出システムにおいて必須な構成要素であった光フィルタを用いることなく、FBGが受ける超音波を検出することを最大の特徴とするものである。本実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、FBGと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態の超音波検出システムにおいて、広帯域光源と光サーキュレータとは光ファイバで接続され、光サーキュレータと光電変換器とは、光ファイバで接続されている。広帯域光源からの広帯域光が、光サーキュレータを介して、FBGを書き込んだ光ファイバに入射され、FBGからの反射光は光サーキュレータを介して、光電変換器に入射され、FBGからの反射光強度は、光電変換器で電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じて増幅およびフィルタ処理された後、波形収録器に収録される。本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、平均化処理することにより、FBGが受ける超音波を検出し、波形収録器の表示部に表示したり、記録装置に記録する。該平均化処理は、以下の実験で示すように、単発のパルス状超音波に対する応答信号波形を複数回加算平均して得られる。例えば、スパイク励起超音波発振子の励起信号をトリガーとして、平均化処理器で加算平均するとよい。また、波形収録器に、平均化処理機能を持たせてもよい。
(First embodiment)
The first embodiment is a basic form of ultrasonic response using an FBG sensor. The ultrasonic detection system of the present embodiment is characterized by detecting the ultrasonic wave received by the FBG without using an optical filter that is an essential component in a detection system using a conventional broadband light source. Is. The ultrasonic detection system of this embodiment includes a broadband light source, an optical circulator, an FBG, a photoelectric converter, and a waveform recorder. In the ultrasonic detection system of the present embodiment, the broadband light source and the optical circulator are connected by an optical fiber, and the optical circulator and the photoelectric converter are connected by an optical fiber. The broadband light from the broadband light source is incident on the optical fiber on which the FBG is written via the optical circulator, the reflected light from the FBG is incident on the photoelectric converter via the optical circulator, and the reflected light intensity from the FBG is And converted into an electric signal by a photoelectric converter. This electric signal is amplified and filtered as necessary, and then recorded in a waveform recorder. In this embodiment, the electrical signal from the photoelectric converter is averaged to detect the ultrasonic wave received by the FBG and display it on the display unit of the waveform recorder or record it on the recording device. As shown in the following experiment, the averaging process is obtained by averaging the response signal waveforms for a single pulsed ultrasonic wave a plurality of times. For example, the averaging signal may be added and averaged using the excitation signal of the spike excitation ultrasonic oscillator as a trigger. Further, the waveform recorder may have an averaging processing function.

図1及び図2は、本発明の振動検出システムを説明するための超音波計測実験に用いたシステムの模式図であり、第1および第2の実施の形態を理解するための図である。図1の超音波計測実験システムは、広帯域光源12、光サーキュレータ13、FBG14、超音波発振子11、光電変換器15、増幅器16、フィルタ17、波形収録器18からなり、接着箇所19で光ファイバを超音波発振子11に接着している。図2の超音波計測実験システムは、広帯域光源22、光サーキュレータ23、FBG24、超音波発振子21、光電変換器25、増幅器26、フィルタ27、波形収録器28からなり、接着箇所29で、FBGを有する光ファイバを超音波発振子21に接着している。   1 and 2 are schematic diagrams of a system used in an ultrasonic measurement experiment for explaining the vibration detection system of the present invention, and are diagrams for understanding the first and second embodiments. The ultrasonic measurement experiment system of FIG. 1 includes a broadband light source 12, an optical circulator 13, an FBG 14, an ultrasonic oscillator 11, a photoelectric converter 15, an amplifier 16, a filter 17, and a waveform recorder 18. Is bonded to the ultrasonic oscillator 11. The ultrasonic measurement experimental system in FIG. 2 includes a broadband light source 22, an optical circulator 23, an FBG 24, an ultrasonic oscillator 21, a photoelectric converter 25, an amplifier 26, a filter 27, and a waveform recorder 28. Is bonded to the ultrasonic oscillator 21.

図1を参照して以下説明する。図1の超音波計測実験用システムにおいて、広帯域光源12と光サーキュレータ13は、光ファイバで接続され、光サーキュレータ13と光電変換器15は、光ファイバで接続されている。広帯域光源12からの広帯域光が光サーキュレータ13を介して、FBG14を書き込んだ光ファイバに入射され、FBG14からの反射光は光サーキュレータ13を介して、光電変換器15に入射され、FBG14からの反射光強度は、光電変換器15で電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じて増幅およびフィルタ処理された後、波形収録器18に収録される。図1及び図2のシステムは、図24に示した従来の広帯域光源を用いた検出システムにおいて必須な構成要素であった光フィルタ5を含んでいないことが特徴である。   This will be described below with reference to FIG. In the ultrasonic measurement experiment system of FIG. 1, the broadband light source 12 and the optical circulator 13 are connected by an optical fiber, and the optical circulator 13 and the photoelectric converter 15 are connected by an optical fiber. Broadband light from the broadband light source 12 is incident on the optical fiber in which the FBG 14 is written via the optical circulator 13, and reflected light from the FBG 14 is incident on the photoelectric converter 15 via the optical circulator 13 and reflected from the FBG 14. The light intensity is converted into an electric signal by the photoelectric converter 15. This electrical signal is amplified and filtered as necessary, and then recorded in the waveform recorder 18. The system shown in FIGS. 1 and 2 is characterized in that it does not include the optical filter 5 that is an essential component in the detection system using the conventional broadband light source shown in FIG.

FBGを書き込んだ光ファイバに超音波を伝搬させるため、図1または図2のように超音波発振子に光ファイバの一部を接着した。超音波発振子は励起信号入力により超音波振動し、接着箇所を介して光ファイバに超音波が流れる。図1では、FBGが超音波発振子に貼り付けられている。図2では、FBGを有する光ファイバの一部が超音波発振子に接着され、FBGを備える光ファイバ(FBGセンサとも呼ぶ)は、光ファイバ接着点と光ファイバ自由端の間を往復伝搬する超音波を検出することから、その応答は共振特性を示す。そこで本発明では、光ファイバ接着点から自由端までの光ファイバの長さを「光ファイバ共振部長さ」と定義する。図2に、光ファイバ共振部長さLを図示する。   In order to propagate the ultrasonic wave to the optical fiber in which the FBG is written, a part of the optical fiber is bonded to the ultrasonic oscillator as shown in FIG. 1 or FIG. The ultrasonic oscillator vibrates ultrasonically when an excitation signal is input, and the ultrasonic wave flows through the optical fiber through the bonded portion. In FIG. 1, the FBG is attached to the ultrasonic oscillator. In FIG. 2, a part of an optical fiber having an FBG is bonded to an ultrasonic oscillator, and an optical fiber including an FBG (also referred to as an FBG sensor) reciprocates between the optical fiber bonding point and the optical fiber free end. Since a sound wave is detected, the response shows resonance characteristics. Therefore, in the present invention, the length of the optical fiber from the optical fiber bonding point to the free end is defined as “optical fiber resonance portion length”. FIG. 2 illustrates the optical fiber resonator length L.

比較例として、光源にレーザを用いて得られる超音波応答信号を収録した。その際、図24に示した光フィルタ5を取り除き、広帯域光源を波長可変レーザに置換し、レーザ波長をFBGの反射率が半減する波長に設定した。   As a comparative example, an ultrasonic response signal obtained using a laser as a light source was recorded. At that time, the optical filter 5 shown in FIG. 24 was removed, the broadband light source was replaced with a tunable laser, and the laser wavelength was set to a wavelength at which the reflectance of the FBG was reduced by half.

本実施の形態で用いたFBGのグレーティング長は10mmで、他の実施の形態においてもFBGのグレーティング長を特に記さない例においては、10mm長のFBGを用いた。   The grating length of the FBG used in this embodiment is 10 mm, and in the other embodiments, the FBG having a length of 10 mm is used in an example in which the grating length of the FBG is not particularly described.

FBGセンサとして、光ファイバ共振部長さが0mm、つまりFBG全長を超音波発振子に貼り付けた非共振構造のFBGセンサを用い、かつ中心周波数250kHzの超音波発振子をスパイク波励起して、光源の異なる二種類のシステムで、応答波形を収録した。図3に、該応答波形を示す。図3(a)は、レーザを光源として、単発のスパイク波を超音波発振子に入力した際に得られた応答波形である。以下、単発の励起信号入力により発振された超音波に対する応答信号を「平均化処理なしの応答信号」と呼ぶ。時間ゼロにおいて大きな超音波応答が現れるが、応答振幅は時間経過に従い急激に減衰した。   As the FBG sensor, an optical fiber resonance part length is 0 mm, that is, an FBG sensor having a non-resonant structure in which the entire length of the FBG is attached to the ultrasonic oscillator, and an ultrasonic oscillator having a center frequency of 250 kHz is excited by a spike wave, Response waveforms were recorded using two different systems. FIG. 3 shows the response waveform. FIG. 3A shows a response waveform obtained when a single spike wave is input to the ultrasonic oscillator using a laser as a light source. Hereinafter, a response signal to an ultrasonic wave oscillated by a single excitation signal input is referred to as “response signal without averaging process”. A large ultrasonic response appears at time zero, but the response amplitude decays rapidly with time.

図3(b)は、スパイク波励起超音波に対する図1に示した広帯域光源を用いるシステムから得られた「平均化処理なしの応答波形」である。ノイズが大きく、波形から超音波応答を識別することはできない。図3(c)は、図3(b)と同じシステムを用いて、スパイク波励起超音波に対する512回の応答を平均化処理した波形であり、図3(a)に示したレーザを光源とするシステムから得られた応答波形と類似する波形が得られた。光フィルタを用いない図1に示したシステムを用いて非共振構造を有するセンサから得られる応答波形を平均化処理することで、超音波検出が可能なことがわかる。   FIG. 3B is a “response waveform without averaging processing” obtained from the system using the broadband light source shown in FIG. 1 for spike wave excitation ultrasonic waves. Noisy and no ultrasonic response can be identified from the waveform. FIG. 3C shows a waveform obtained by averaging 512 responses to spike wave excitation ultrasonic waves using the same system as FIG. 3B. The laser shown in FIG. 3A is used as a light source. A waveform similar to the response waveform obtained from the system was obtained. It can be seen that ultrasonic detection is possible by averaging the response waveform obtained from the sensor having a non-resonant structure using the system shown in FIG. 1 that does not use an optical filter.

従来の広帯域光源を用いたシステムによる超音波検出では、FBGのブラッグ波長変化に応じて光学特性の波長シフトが可能なチューナブルフィルタを用いるか、または特許文献4のようにFBGの反射全幅にほぼ等しいFSRを有するファブリ・ペローフィルタを用いる必要があった。つまり超音波振動がもたらすFBGのブラッグ波長変化を、光学特性が波長に依存する光フィルタを介して、光強度に変化していた。これに対して、本実施の形態の超音波検出システムでは、光学特性が波長に依存する光フィルタを用いることなく、FBGが受ける超音波を検出する。検出部において波長に依存する光フィルタを用いていないことから、FBGのブラッグ波長に関係なく超音波検出が可能である。つまりFBGの受けるひずみや温度に関係しない超音波検出が可能となる。   In conventional ultrasonic detection using a system using a broadband light source, a tunable filter capable of shifting the wavelength of optical characteristics in accordance with a change in the Bragg wavelength of the FBG is used, or the reflection total width of the FBG is almost the same as in Patent Document 4. It was necessary to use a Fabry-Perot filter with equal FSR. That is, the Bragg wavelength change of the FBG caused by the ultrasonic vibration is changed to the light intensity through the optical filter whose optical characteristics depend on the wavelength. On the other hand, in the ultrasonic detection system of the present embodiment, the ultrasonic waves received by the FBG are detected without using an optical filter whose optical characteristics depend on the wavelength. Since no optical filter depending on the wavelength is used in the detection unit, ultrasonic detection is possible regardless of the Bragg wavelength of the FBG. That is, it is possible to detect ultrasonic waves that are not related to the strain or temperature experienced by the FBG.

図4に、図3に示した各応答信号の周波数特性を示す。図4(a)および(c)の周波数特性は、超音波発振子の中心周波数250kHzを中心とした広帯域な特徴を有する。一方、図4(b)では全周波数帯域でランダムに高い成分強度が現れている。ノイズに埋もれた信号から超音波応答を得る手段としてフィルタ処理が考えられるが、「平均化処理なしの応答信号」の周波数特性からは応答信号抽出のためのフィルタ条件を設定することができず、フィルタ処理による超音波応答の抽出は不可能である。   FIG. 4 shows frequency characteristics of the response signals shown in FIG. The frequency characteristics shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c) have a wideband characteristic centered on the center frequency of the ultrasonic oscillator of 250 kHz. On the other hand, in FIG. 4B, a high component intensity appears at random in the entire frequency band. Filtering can be considered as a means for obtaining an ultrasonic response from a signal buried in noise, but the filter conditions for extracting the response signal cannot be set from the frequency characteristics of the “response signal without averaging”. Extraction of ultrasonic response by filtering is impossible.

以上のことから、本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、平均化処理することにより、FBGが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。   From the above, in this embodiment, the response signal based on the ultrasonic wave received by the FBG can be detected by averaging the electrical signal from the photoelectric converter.

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、共振構造を持つFBGセンサの超音波応答の場合である。本実施の形態の振動検出システムでは、FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体に接触させて、FBGセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、光電変換器からの電気信号を、バンドパスフィルタによる周波数フィルタ処理することにより、FBGが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。第2の実施の形態の超音波検出システムは、第1の実施の形態と同様、広帯域光源と、光サーキュレータと、FBGと、光電変換器と、波形収録器とを備える。
(Second Embodiment)
The second embodiment is a case of an ultrasonic response of an FBG sensor having a resonance structure. In the vibration detection system of the present embodiment, a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG is written, or a part other than the FBG is brought into contact with the subject to give the FBG sensor resonance characteristics. Ultrasonic vibration is caused to flow into the optical fiber through the contact point with the subject. And the response signal based on the ultrasonic wave which FBG receives can be detected by frequency-filtering the electrical signal from a photoelectric converter by a band pass filter. Similar to the first embodiment, the ultrasonic detection system of the second embodiment includes a broadband light source, an optical circulator, an FBG, a photoelectric converter, and a waveform recorder.

第2の実施の形態を説明するために、FBGセンサの構造以外は図1と同様の超音波計測実験について、図2を参照して説明する。図5に、光ファイバ共振部長さ291mmの共振構造を持つFBGセンサを用いて、図1と同様の超音波検出実験を行った結果を示す。図5(a)は、光源にレーザを用いた場合の平均化処理なしの応答波形である。時間ゼロにおいて1番目の超音波応答が現れ、0.11ms後に2番目の応答が検出された。これら最初の二つの応答は超音波発振子から発生した超音波が光ファイバを伝搬して時間ゼロにFBGを通過し、その後、光ファイバ自由端部で反射して最初のFBG通過から0.11ms後に再びFBGを通過した現象に対応している。その後は超音波発振子上の光ファイバ接着点と光ファイバ自由端部の間を超音波が往復伝搬して、超音波がFBGを通過するたびに大きな振幅を伴う応答が検出された。このように、超音波が往復伝搬することにより大きな振幅を伴う応答が検出されるような構成又は構造を、「共振特性を有する構成」または「共振構造」と呼ぶ。   In order to describe the second embodiment, an ultrasonic measurement experiment similar to that of FIG. 1 except for the structure of the FBG sensor will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the result of an ultrasonic detection experiment similar to that shown in FIG. 1 using an FBG sensor having a resonant structure with an optical fiber resonator length of 291 mm. FIG. 5A shows a response waveform without an averaging process when a laser is used as the light source. The first ultrasonic response appeared at time zero and the second response was detected after 0.11 ms. These first two responses are that the ultrasonic wave generated from the ultrasonic oscillator propagates through the optical fiber, passes through the FBG at time zero, and then reflects at the free end of the optical fiber to 0.11 ms from the first FBG passage. This corresponds to the phenomenon of passing through the FBG again later. After that, the ultrasonic wave reciprocated between the optical fiber adhesion point on the ultrasonic oscillator and the optical fiber free end, and a response with a large amplitude was detected every time the ultrasonic wave passed through the FBG. Thus, a configuration or structure in which a response with a large amplitude is detected by reciprocating ultrasonic waves is referred to as a “configuration having resonance characteristics” or a “resonance structure”.

図5(b)に、広帯域光をFBGに入射したときの、平均化処理なしの応答波形を示す。この場合は、ノイズが大きく超音波応答を認識することができない。そこで、512回の平均化処理した応答波形を図5(c)に示す。平均化処理したことにより、レーザを光源とするシステムから得られた波形(図5(a))と類似した応答波形(図5(c))が得られている。共振構造を有するFBGセンサにおいても、非共振構造を持つ場合と同様に平均化処理を行うことにより、超音波を検出することができる。   FIG. 5B shows a response waveform without averaging processing when broadband light is incident on the FBG. In this case, the ultrasonic response cannot be recognized due to large noise. Accordingly, FIG. 5C shows a response waveform that has been averaged 512 times. By performing the averaging process, a response waveform (FIG. 5C) similar to the waveform obtained from the system using the laser as the light source (FIG. 5A) is obtained. Also in the FBG sensor having a resonance structure, ultrasonic waves can be detected by performing an averaging process in the same manner as in the case of having a non-resonance structure.

図6に、図5に示した各応答信号の周波数特性を示す。図6(a)(b)(c)のいずれの周波数特性にも、離散的に高い成分強度を有する共振特性が現れた。レーザシステムから得られた応答波形は超音波発振子の中心周波数250kHzと良く一致する248kHzに最大成分強度が現れた(図6(a)参照)。また高い成分強度が現れる周波数間隔は8.7kHzであった。   FIG. 6 shows frequency characteristics of the response signals shown in FIG. 6A, 6B, and 6C, resonance characteristics having discretely high component strengths appeared. In the response waveform obtained from the laser system, the maximum component intensity appeared at 248 kHz which is in good agreement with the center frequency of the ultrasonic oscillator of 250 kHz (see FIG. 6A). The frequency interval at which the high component intensity appears was 8.7 kHz.

図6(b)及び(c)に、それぞれ広帯域光システムで得られた「平均化処理なし応答信号」および「平均化処理された応答信号」の周波数特性を示す。両者は282kHzに最大成分強度が現れる類似した周波数特性を有し、高い成分強度が現れる周波数間隔は図6(a)と同じ8.7kHzであった。また「平均化処理なし応答信号」の周波数特性には、400kHz以上の高周波域にも無視できない成分強度があることから、これら高周波ノイズのため超音波応答を識別することができなかったと考えられる(図5(b)参照)。   FIGS. 6B and 6C show frequency characteristics of “response signal without averaging process” and “response signal subjected to averaging process” obtained in the broadband optical system, respectively. Both have similar frequency characteristics in which the maximum component intensity appears at 282 kHz, and the frequency interval at which the high component intensity appears is 8.7 kHz, the same as in FIG. Further, the frequency characteristic of the “response signal without averaging process” has a component intensity that cannot be ignored even in a high frequency range of 400 kHz or higher, and it is considered that the ultrasonic response could not be identified due to these high frequency noises ( (Refer FIG.5 (b)).

光ファイバ共振部長さが所定の値の共振構造を持つFBGセンサについて、その共振の動作原理について考察する。FBGセンサを図2のように取り付けたとき、このFBGセンサは、光ファイバ共振部長さを梁の長さとする片持ち梁と同じ共振特性を示すことになり、共振周波数fr,nは式(2)で与えられる。 The operation principle of the resonance of the FBG sensor having a resonance structure with the optical fiber resonance part length having a predetermined value will be considered. When the FBG sensor is attached as shown in FIG. 2, this FBG sensor exhibits the same resonance characteristics as a cantilever beam having the length of the optical fiber resonance portion as the beam length, and the resonance frequency fr, n is expressed by the formula ( 2).

Figure 2011149828
Figure 2011149828

ここで、vおよびLは、それぞれ光ファイバ中の超音波伝搬速度および光ファイバ共振部長さを表す。式(2)から、高い成分強度が現れる周波数間隔Δfは、式(3)で与えられる。 Here, v and L represent the ultrasonic wave propagation speed and the optical fiber resonance part length in the optical fiber, respectively. From equation (2), the frequency interval Delta] f r where high component strength appears, is given by Equation (3).

Figure 2011149828
Figure 2011149828

本実施の形態では、Δf=8.7kHz、および光ファイバ共振部長さL=291mmである。これらの値を式(3)に代入して得られる光ファイバ中の超音波伝搬速度vは5,060m/sで、非特許文献2に記された光ファイバ中を伝搬する周波数200kHzの超音波速度5,110m/sと非常に良く一致する。 In the present embodiment, Δf r = 8.7 kHz and the optical fiber resonator length L = 291 mm. The ultrasonic wave propagation velocity v in the optical fiber obtained by substituting these values into Equation (3) is 5,060 m / s, and the ultrasonic wave having a frequency of 200 kHz that propagates in the optical fiber described in Non-Patent Document 2. It agrees very well with the speed of 5,110 m / s.

図6(b)および(c)に示す広帯域光システムから得られた応答波形の周波数特性は、平均化処理の有無に関係なく282kHzにおいて最大成分強度が現れたことから、平均化処理なしでも282kHz近傍のバンドパスフィルタ処理を施すことで超音波応答が得られると考えられる。図2のフィルタを280kHz〜290kHzのバンドパスに設定して平均化処理なしで収録した波形を図7(a)に示す。また参照のためフィルタ未処理で、512回の平均化処理された応答信号を図7(b)に示す(図5(c)と同じ)。平均化処理なしでも最大成分強度が現れる周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理により、平均化処理された応答波形と同じ時間に大きな振幅を有する波形を得ることができた。   The frequency characteristics of the response waveform obtained from the broadband optical system shown in FIGS. 6B and 6C show the maximum component intensity at 282 kHz regardless of the presence or absence of the averaging process. It is considered that an ultrasonic response can be obtained by performing a nearby band pass filter process. FIG. 7A shows a waveform recorded without averaging processing with the filter of FIG. 2 set to a band pass of 280 kHz to 290 kHz. Further, for reference, a response signal that has not been filtered and is averaged 512 times is shown in FIG. 7B (same as FIG. 5C). A waveform having a large amplitude at the same time as the response waveform subjected to the averaging process could be obtained by the band pass filter process in the vicinity of the frequency band where the maximum component intensity appears even without the averaging process.

以上のことから、第2の実施の形態では、光ファイバ共振部長さが所定の値の共振構造を持つFBGセンサを用いることで、超音波検出が可能となる。具体的には、広帯域光源からの広帯域光が、光サーキュレータを介して、光ファイバ共振部長さが所定の値の共振構造を持つFBGセンサに入射され、FBGからの反射光は光サーキュレータを介して光電変換器に入射され、FBGからの反射光強度は光電変換器で電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じて増幅された後、周波数フィルタ処理されて、波形収録器に収録される。周波数フィルタ処理は、最大成分強度が現れる周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理が望ましい。電気信号は、平均化処理しなくともよいが、平均化処理することにより、さらに検出能力が高性能となる。   From the above, in the second embodiment, it is possible to detect ultrasonic waves by using an FBG sensor having a resonance structure in which the length of the optical fiber resonance part is a predetermined value. Specifically, broadband light from a broadband light source is incident on an FBG sensor having a resonance structure having a predetermined optical fiber resonance length via an optical circulator, and reflected light from the FBG is transmitted via an optical circulator. The light is incident on the photoelectric converter and the reflected light intensity from the FBG is converted into an electric signal by the photoelectric converter. This electric signal is amplified as necessary, frequency-filtered, and recorded in a waveform recorder. The frequency filter process is preferably a bandpass filter process in the vicinity of the frequency band where the maximum component intensity appears. The electrical signal does not need to be averaged, but by performing the averaging process, the detection capability becomes higher.

(第3の実施の形態)
第3の実施の形態は、共振構造を持つFBGセンサの超音波応答について、光ファイバ共振部長さを調整する場合に関する。本実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、FBGと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態は、第2の実施の形態と同様に、FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体に接触させて、FBGセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、光電変換器からの電気信号を、ローパスフィルタ等による周波数フィルタ処理することにより、FBGが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。
(Third embodiment)
The third embodiment relates to a case where the length of the optical fiber resonance part is adjusted for the ultrasonic response of the FBG sensor having a resonance structure. The ultrasonic detection system of this embodiment includes a broadband light source, an optical circulator, an FBG, a photoelectric converter, and a waveform recorder. In the present embodiment, as in the second embodiment, a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG is written or a portion other than the FBG is brought into contact with the subject so that the FBG sensor has resonance characteristics. . Ultrasonic vibration is caused to flow into the optical fiber through the contact point with the subject. And the response signal based on the ultrasonic wave which FBG receives can be detected by carrying out the frequency filter process by the low-pass filter etc. about the electrical signal from a photoelectric converter.

第3の実施の形態を理解するために、光ファイバ共振構造以外は第2の実施の形態の説明と同様の超音波計測実験について、説明する。図2に示した超音波計測実験の装置を用いて、光ファイバ共振部長さを50.5mmにした時のスパイク波励起超音波に対する応答波形を図8に示す。図8(a)は、512回の平均化処理された応答波形である。図8(a)には、光ファイバ共振部長さ291mmのFBGセンサが示した断続的な応答(図5(c)参照)ではなく、連続的な応答が現れた。これは光ファイバ共振部が短くなり、超音波が短時間でFBGを往復通過するため連続的な応答信号になった。平均化処理なしの応答波形を図8(b)に示すが、ノイズに埋もれ超音波応答は識別できない。   In order to understand the third embodiment, an ultrasonic measurement experiment similar to that of the second embodiment will be described except for the optical fiber resonance structure. FIG. 8 shows a response waveform to the spike wave excitation ultrasonic wave when the length of the optical fiber resonance part is set to 50.5 mm using the ultrasonic measurement experiment apparatus shown in FIG. FIG. 8A shows a response waveform that has been averaged 512 times. In FIG. 8A, a continuous response appears instead of the intermittent response (see FIG. 5C) exhibited by the FBG sensor having an optical fiber resonance portion length of 291 mm. This is a continuous response signal because the optical fiber resonance portion is shortened and the ultrasonic waves reciprocate through the FBG in a short time. The response waveform without the averaging process is shown in FIG. 8B, but it is buried in noise and the ultrasonic response cannot be identified.

図9(a)(b)は、それぞれ図8(a)(b)の応答波形の周波数特性である。両応答波形の最大成分強度は270kHzに現れた。また、両応答波形には、320kHzにおいても比較的大きな成分強度が現れている。平均化処理された応答信号の周波数特性においては、図9(a)に矢印を入れた高い成分強度を有する共振周波数以外の成分強度は極めて低い。また図9(a)から共振周波数間隔は51kHzである。この共振周波数間隔の値は、式(3)に、第2の実施の形態から評価された光ファイバ中の超音波伝搬速度v=5,060m/s、および本実施の形態における光ファイバ共振部長さL=50.5mmを代入して計算されるΔf=50kHzと良く一致している。 FIGS. 9A and 9B are frequency characteristics of the response waveforms in FIGS. 8A and 8B, respectively. The maximum component intensity of both response waveforms appeared at 270 kHz. In both response waveforms, a relatively large component intensity appears even at 320 kHz. In the frequency characteristic of the response signal subjected to the averaging process, component intensities other than the resonance frequency having high component intensities indicated by arrows in FIG. 9A are extremely low. Further, from FIG. 9A, the resonance frequency interval is 51 kHz. The value of this resonance frequency interval is calculated by the following equation (3): the ultrasonic wave propagation velocity v = 5,060 m / s in the optical fiber evaluated from the second embodiment, and the length of the optical fiber resonance portion in this embodiment. This is in good agreement with Δf r = 50 kHz calculated by substituting the length L = 50.5 mm.

図9(a)および(b)に示すように、平均化処理の有無に関係なく応答信号は周波数320kHz以下に大きな成分強度を有したことから、平均化処理なしで超音波応答を得るためにはこの共振周波数より若干高い周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタ処理が有効であると考えられる。そこで図2のフィルタをカットオフ周波数350kHzのローパスフィルタに設定し、平均化処理なしで収録した。該収録した波形を図8(c)に示す。平均化処理を行った場合と同様に、時間ゼロにおいて大きな振幅を有する応答が現れている。   As shown in FIGS. 9A and 9B, since the response signal has a large component intensity at a frequency of 320 kHz or less regardless of whether or not the averaging process is performed, in order to obtain an ultrasonic response without the averaging process. It is considered that a low-pass filter process using a frequency slightly higher than the resonance frequency as a cutoff frequency is effective. Therefore, the filter shown in FIG. 2 was set as a low-pass filter having a cutoff frequency of 350 kHz, and recorded without averaging. The recorded waveform is shown in FIG. As with the averaging process, a response having a large amplitude appears at time zero.

以上の実験からわかるように、共振構造を有するFBGセンサの共振周波数およびその周波数間隔は、光ファイバ共振部長さにより制御できる。   As can be seen from the above experiment, the resonance frequency and the frequency interval of the FBG sensor having a resonance structure can be controlled by the length of the optical fiber resonance portion.

本実施の形態では、光電変換器からの電気信号を、フィルタ処理するものである。該フィルタとして、ローパスフィルタを用いることが好ましい。該ローパスフィルタとして、共振構造を有するFBGセンサの光ファイバ共振部長さに対応する所定の共振周波数および周波数間隔に基づいて、該共振周波数より若干高い周波数をカットオフ周波数とするとよい。また、フィルタ処理をする場合、平均化処理をする必要はないが、平均化処理を施してもよい。   In this embodiment, an electrical signal from the photoelectric converter is subjected to filter processing. A low-pass filter is preferably used as the filter. As the low-pass filter, based on a predetermined resonance frequency and frequency interval corresponding to the length of the optical fiber resonance part of the FBG sensor having a resonance structure, a frequency slightly higher than the resonance frequency may be set as a cutoff frequency. In addition, when performing the filtering process, it is not necessary to perform the averaging process, but the averaging process may be performed.

また、本実施の形態では、共振構造を有するFBGセンサの超音波検出システムにおいて、その光ファイバ共振部長さを調整することにより、超音波応答を得るためのフィルタ条件を制御することができる。   In the present embodiment, in the ultrasonic detection system of the FBG sensor having a resonance structure, the filter condition for obtaining the ultrasonic response can be controlled by adjusting the length of the optical fiber resonance portion.

(第4の実施の形態)
第4の実施の形態は、周期性の超音波を用いる場合に関する。共振構造を持つFBGセンサの超音波応答に、超音波周波数が及ぼす影響を利用したものである。第4の実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、FBGと、光電変換器と、波形収録器とを備える。本実施の形態では、第2の実施の形態と同様に、FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体に接触させて、FBGセンサに共振特性を持たせる。超音波振動を、被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させる。そして、光電変換器からの電気信号を、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタによる周波数フィルタ処理することにより、FBGが受ける超音波に基づく応答信号を検出することができる。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment relates to a case where periodic ultrasonic waves are used. The effect of the ultrasonic frequency on the ultrasonic response of the FBG sensor having a resonance structure is utilized. The ultrasonic detection system of the fourth embodiment includes a broadband light source, an optical circulator, an FBG, a photoelectric converter, and a waveform recorder. In this embodiment, as in the second embodiment, a part of the FBG on which the FBG is written or a portion other than the FBG is brought into contact with the subject so that the FBG sensor has resonance characteristics. . Ultrasonic vibration is caused to flow into the optical fiber through the contact point with the subject. And the response signal based on the ultrasonic wave which FBG receives can be detected by frequency-filtering the electric signal from a photoelectric converter by a low pass filter or a band pass filter.

第4の実施の形態を理解するために、光ファイバ共振構造と超音波以外は第2の実施の形態で示したものと同様の超音波計測実験について、説明する。   In order to understand the fourth embodiment, an ultrasonic measurement experiment similar to that shown in the second embodiment except for the optical fiber resonance structure and ultrasonic waves will be described.

超音波発振子に入力する励起信号に周期性のある正弦波を用いたとき、発振される超音波の周波数は正弦波の周波数と一致する。つまり発振される超音波の周波数を制御することができる。ここでは超音波周波数が共振型FBGセンサの応答信号に与える影響を評価するため、100kHz〜400kHzの3周期の正弦波で励起された超音波に対する応答信号を収録した。本実施の形態における光ファイバ共振部長さは50.5mmである。   When a periodic sine wave is used as the excitation signal input to the ultrasonic oscillator, the frequency of the oscillated ultrasonic wave matches the frequency of the sine wave. That is, the frequency of the oscillated ultrasonic wave can be controlled. Here, in order to evaluate the influence of the ultrasonic frequency on the response signal of the resonance type FBG sensor, a response signal to the ultrasonic wave excited by a three-cycle sine wave of 100 kHz to 400 kHz was recorded. The length of the optical fiber resonance part in the present embodiment is 50.5 mm.

図10(a)〜(d)に、超音波励起正弦波信号の周波数を100kHz、200kHz、300kHz、400kHzとして、図2のシステムを用いてフィルタ処理なしで、512回の平均化処理を施して収録された応答波形を示す。また各応答波形の周波数特性を図11(a)〜(d)に示す。   10A to 10D, the frequency of the ultrasonic excitation sine wave signal is set to 100 kHz, 200 kHz, 300 kHz, and 400 kHz, and the averaging process is performed 512 times without filtering using the system of FIG. The recorded response waveform is shown. Moreover, the frequency characteristics of each response waveform are shown in FIGS.

この実験では、式(2)から、次数nが1〜8までの共振周波数は、75.1kHz、125kHz、175kHz、225kHz、276kHz、326kHz、376kHz、426kHzと計算される。図11(a)〜(d)に現れた成分強度の高い周波数はこれらの共振周波数に対応し、超音波周波数に近接する共振周波数で最大成分強度が現れた。つまり共振構造を有するFBGセンサは、受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示す。   In this experiment, the resonance frequency of the order n from 1 to 8 is calculated from Equation (2) as 75.1 kHz, 125 kHz, 175 kHz, 225 kHz, 276 kHz, 326 kHz, 376 kHz, and 426 kHz. The frequencies having high component intensity appearing in FIGS. 11A to 11D correspond to these resonance frequencies, and the maximum component intensity appears at the resonance frequency close to the ultrasonic frequency. That is, the FBG sensor having a resonance structure shows a response having a high component intensity at a resonance frequency close to the frequency of the received ultrasonic wave.

以上のことから、本実施の形態では、第2、3の実施の形態における超音波として、超音波の周波数を所定の周波数に設定することにより、共振構造を有するFBGセンサは、受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示す。この応答特性を利用して、該応答に適するフィルタを用いてフィルタ処理をする。該フィルタとして、ローパスフィルタを用いる場合は、受信する超音波の周波数に近接する共振周波数より若干高い周波数をカットオフ周波数とするとよい。また、該共振周波数及び周波数間隔に基づいて、カットオフ周波数を適宜設定することとよい。   From the above, in the present embodiment, the ultrasonic wave in the second and third embodiments is set to a predetermined frequency as the ultrasonic wave, so that the FBG sensor having a resonance structure receives the ultrasonic wave. It shows a response with a high component intensity at a resonance frequency close to that frequency. Using this response characteristic, filtering is performed using a filter suitable for the response. When a low-pass filter is used as the filter, a frequency slightly higher than the resonance frequency close to the frequency of the received ultrasonic wave may be set as the cutoff frequency. The cut-off frequency may be appropriately set based on the resonance frequency and the frequency interval.

本実施の形態のように、周期性のある超音波振動を用いて応答信号を得る場合は、共振構造を有するFBGセンサは受信する超音波の周波数に近接する共振周波数において高い成分強度を有する応答を示すことを利用して、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなどの周波数フィルタ処理すると、超音波やAEの検出能をより改善することができる。   When a response signal is obtained by using periodic ultrasonic vibration as in the present embodiment, the FBG sensor having a resonance structure has a high component intensity at a resonance frequency close to the frequency of the received ultrasonic wave. If the frequency filter processing such as the low-pass filter and the band-pass filter is used, it is possible to further improve the detection ability of ultrasonic waves and AE.

(第5の実施の形態)
第5の実施の形態は、第1乃至4の実施の形態で説明した超音波検出システムを超音波探傷に適用した装置である。本発明の超音波検出システムを利用して、衝撃損傷を有する炭素繊維強化プラスティックス(CFRP)の超音波探傷を行った例を図12に示す。図12の超音波探傷装置は、広帯域光源32、光サーキュレータ33、FBG34、超音波発振子31、光電変換器35、増幅器36、フィルタ37、波形収録器38からなり、光ファイバを被検体40に接触箇所39で接触させている。被検体40は、300×150mmの直交積層CFRP板で、被検体40の中央部に、長径および短径がそれぞれ30mmおよび20mmの楕円形状の衝撃損傷41がある。なお、図12において、衝撃損傷41は模式的に楕円で示し、光ファイバ接触点は、模式的に接触箇所39として円で示した。超音波発振子31と光ファイバ接触点間距離を150mmにして、中心周波数250kHzの超音波発振子31をスパイク波励起した。被検体40の健全部のみを通過した超音波、および衝撃損傷41の短径方向を通過した超音波に対する応答を収録した。なお、この例では光ファイバ共振部長さを52mmとし、信号収録においてはカットオフ周波数1MHzのローパスフィルタ処理、ならびに512回の平均化処理を行った。
(Fifth embodiment)
The fifth embodiment is an apparatus in which the ultrasonic detection system described in the first to fourth embodiments is applied to ultrasonic flaw detection. FIG. 12 shows an example in which ultrasonic flaw detection is performed on carbon fiber reinforced plastic (CFRP) having impact damage using the ultrasonic detection system of the present invention. The ultrasonic flaw detector shown in FIG. 12 includes a broadband light source 32, an optical circulator 33, an FBG 34, an ultrasonic oscillator 31, a photoelectric converter 35, an amplifier 36, a filter 37, and a waveform recorder 38. Contact is made at a contact point 39. The subject 40 is a 300 × 150 mm 2 orthogonally laminated CFRP plate, and there is an elliptical impact damage 41 having a major axis and a minor axis of 30 mm and 20 mm, respectively, in the center of the subject 40. In FIG. 12, the impact damage 41 is schematically indicated by an ellipse, and the optical fiber contact point is schematically indicated by a circle as a contact location 39. The distance between the ultrasonic oscillator 31 and the optical fiber contact point was set to 150 mm, and the ultrasonic oscillator 31 having a center frequency of 250 kHz was excited with a spike wave. Responses to the ultrasonic wave that passed only the healthy part of the subject 40 and the ultrasonic wave that passed the minor axis direction of the impact damage 41 were recorded. In this example, the length of the optical fiber resonance part is 52 mm, and in signal recording, a low-pass filter process with a cut-off frequency of 1 MHz and an averaging process are performed 512 times.

図13(a)(b)に、それぞれ健全部のみ通過した超音波と、損傷部を通過した超音波に対する応答波形を示す。両応答波形を比較すると、損傷部を通過した超音波に対する応答レベルは極めて低下していることが分かる。   FIGS. 13 (a) and 13 (b) show response waveforms for ultrasonic waves that have passed through only the healthy part and ultrasonic waves that have passed through the damaged part, respectively. When both response waveforms are compared, it can be seen that the response level to the ultrasonic wave that has passed through the damaged portion is extremely lowered.

図14(a)(b)は、それぞれ図13(a)(b)に示した両応答波形の周波数特性である。超音波発振子の中心周波数である250kHz付近で、両応答波形に大きな成分強度が現れた。図14(a)に示されるように、超音波が健全部のみを通過した時、250kHz以上の成分強度は極めて低く、それ以下の周波数帯では離散的に成分強度の高い周波数域が現れた。一方、図14(b)に示されるように、損傷部を通過した超音波に対する応答波形は、発振子中心周波数の1/4に相当する72.5kHzにおいて最大成分強度が現れた。また超音波周波数の2倍に相当する500kHzにおいても比較的高い成分強度が現れた。   FIGS. 14A and 14B show the frequency characteristics of the two response waveforms shown in FIGS. 13A and 13B, respectively. A large component intensity appeared in both response waveforms around 250 kHz, which is the center frequency of the ultrasonic oscillator. As shown in FIG. 14 (a), when the ultrasonic wave passed only through the healthy part, the component intensity of 250 kHz or higher was extremely low, and in the frequency band lower than that, a frequency range having a high component intensity appeared discretely. On the other hand, as shown in FIG. 14B, the response waveform to the ultrasonic wave that passed through the damaged portion showed a maximum component intensity at 72.5 kHz corresponding to 1/4 of the oscillator center frequency. Also, a relatively high component intensity appeared at 500 kHz corresponding to twice the ultrasonic frequency.

このように、超音波伝搬経路における損傷の有無により、応答波形の強度変化が現れることや、他に、周波数特性に変化が現れる特徴を利用して、超音波探傷することができる。本実施の形態では、ローパスフィルタやバンドパスフィルタにより周波数フィルタ処理や平均化処理を行うことにより、超音波探傷を高精度で検出できる。   In this way, ultrasonic flaw detection can be performed by utilizing the fact that the intensity change of the response waveform appears depending on the presence or absence of damage in the ultrasonic propagation path, or in addition, the characteristic that the frequency characteristic changes. In the present embodiment, ultrasonic flaw detection can be detected with high accuracy by performing frequency filter processing and averaging processing using a low-pass filter and a band-pass filter.

(第6の実施の形態)
第6の実施の形態では、第1乃至第3の実施の形態で説明した超音波検出システムをAE検出に適用する例を示す。本実施の形態の超音波検出システムは、広帯域光源と、光サーキュレータと、FBGと、光電変換器と、波形収録器とを備える。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, an example in which the ultrasonic detection system described in the first to third embodiments is applied to AE detection will be described. The ultrasonic detection system of this embodiment includes a broadband light source, an optical circulator, an FBG, a photoelectric converter, and a waveform recorder.

AEは、材料の微視破壊発生に伴う突発的な弾性波放出であり、超音波帯域の弾性波となって材料中を伝搬する。即ち、AEは、単発のパルス状の超音波といえる。このため材料中を伝搬する超音波を平均化処理なしで検出できる計測システムでなければAEを検出することはできない。第2の実施の形態および第3の実施の形態では、平均化処理を施さずに超音波を検出できることを示した(図7(a)、および図8(c)参照)。これらの例では、FBGを書き込んだ光ファイバに、超音波発振子から超音波を流入させたため、強力な超音波が光ファイバ中を伝搬したと考えられる。   AE is a sudden elastic wave emission accompanying microscopic destruction of a material, and propagates through the material as an elastic wave in the ultrasonic band. That is, AE can be said to be a single pulsed ultrasonic wave. For this reason, AE cannot be detected unless the measurement system can detect ultrasonic waves propagating in the material without averaging. In the second embodiment and the third embodiment, it has been shown that ultrasonic waves can be detected without performing an averaging process (see FIGS. 7A and 8C). In these examples, it is considered that strong ultrasonic waves propagated in the optical fiber because ultrasonic waves were caused to flow from the ultrasonic oscillator into the optical fiber in which the FBG was written.

材料中を伝搬する超音波を平均化処理せずに検出できるかどうかを検証するために、図15に示す実験装置を組み立てた。図15のAE検出実験システムは、広帯域光源52、光サーキュレータ53、FBG54、光電変換器55、増幅器56、フィルタ57、波形収録器58を備える。被検体60は、厚さ1mmのアルミ板を用いる。図15において、光ファイバ接触点は、模式的に接触箇所59として円で示した。超音波発振子51と光ファイバ接触点間距離を150mmにして、中心周波数250kHzの超音波発振子をスパイク波励して、被検体60に超音波を伝搬させた。この例ではグレーティング長さ20mmのFBGを用い、光ファイバ共振部長さを22mmとした。なお、光ファイバ中のFBG箇所は特定できない場合があり、実験ではFBGの一部を被検体に接着させた恐れがあるが、接着箇所59にFBGの一部が入っているか否かは、検出には影響していない。   In order to verify whether ultrasonic waves propagating in the material can be detected without averaging, an experimental apparatus shown in FIG. 15 was assembled. The AE detection experiment system of FIG. 15 includes a broadband light source 52, an optical circulator 53, an FBG 54, a photoelectric converter 55, an amplifier 56, a filter 57, and a waveform recorder 58. The subject 60 uses an aluminum plate having a thickness of 1 mm. In FIG. 15, the optical fiber contact points are schematically shown as circles as contact points 59. The distance between the contact point of the ultrasonic oscillator 51 and the optical fiber was 150 mm, and an ultrasonic oscillator having a center frequency of 250 kHz was spiked to propagate the ultrasonic wave to the subject 60. In this example, an FBG having a grating length of 20 mm is used, and the length of the optical fiber resonance portion is 22 mm. In some cases, the FBG location in the optical fiber cannot be specified, and in the experiment, a part of the FBG may be adhered to the subject. However, whether or not the FBG is contained in the adhesion location 59 is detected. Has no effect.

図16(a)に、カットオフ周波数500kHzのローパスフィルタ処理、および512回の平均化処理を施した応答信号を示す。被検体60を通過した超音波に対する応答を、平均化することで明確に超音波を検出することができる。図16(b)に平均化処理なしで500kHzローパスフィルタ処理した応答波形を示す。平均化処理なしのローパスフィルタ処理では、超音波応答は識別できない。   FIG. 16A shows a response signal subjected to low-pass filter processing with a cutoff frequency of 500 kHz and averaging processing 512 times. By averaging the response to the ultrasonic wave that has passed through the subject 60, the ultrasonic wave can be clearly detected. FIG. 16B shows a response waveform that has been subjected to 500 kHz low-pass filter processing without averaging processing. The ultrasonic response cannot be identified by the low-pass filter process without the averaging process.

図17(a)(b)は、それぞれ図16(a)(b)に示した両応答波形の周波数特性である。図17(a)は、カットオフ周波数500kHzのローパスフィルタ処理、および512回の平均化処理を施した場合であり、図17(b)は、平均化処理なしで500kHzローパスフィルタ処理した場合である。図17(a)および(b)において、両応答信号は173kHzにおいて最大成分強度が現れている。一方、光ファイバ共振部長さL=22mm、および光ファイバ中の超音波伝搬速度v=5,060m/sを、式(2)に代入して、本実施の形態で用いたFBGセンサの共振周波数は、次数0から高次の順に、57.5kHz、172.5kHz、287.5kHz、402.5kHzと計算される。したがって、1次の共振周波数において最大成分強度が現れたことになり、この共振周波数近傍のバンドパスフィルタ処理がノイズに埋もれた超音波応答の抽出に有効であると考えられる。   FIGS. 17A and 17B show the frequency characteristics of both response waveforms shown in FIGS. 16A and 16B, respectively. FIG. 17A shows a case where low-pass filter processing with a cutoff frequency of 500 kHz and 512 averaging processing are performed, and FIG. 17B shows a case where 500 kHz low-pass filter processing is performed without averaging processing. . 17A and 17B, the maximum component intensity appears in both response signals at 173 kHz. On the other hand, the resonance frequency of the FBG sensor used in this embodiment is calculated by substituting the optical fiber resonance portion length L = 22 mm and the ultrasonic wave propagation velocity v = 5,060 m / s in the optical fiber into the equation (2). Are calculated as 57.5 kHz, 172.5 kHz, 287.5 kHz, and 402.5 kHz in order from the order 0 to the higher order. Therefore, the maximum component intensity appears at the primary resonance frequency, and it is considered that the bandpass filter processing near this resonance frequency is effective for extracting the ultrasonic response buried in the noise.

そこで、図15において、光電変換器からの電気信号を、平均化処理なしで170kHzを中心周波数とするバンドパスフィルタ処理をフィルタ57で行い波形収録器58により収録した。図16(c)に、収録された応答波形を示す。増幅器56は増幅の必要に応じて適宜設けるとよい。図16(c)によれば、時間ゼロにおいて大きな振幅を伴う超音波応答が確認できる。この結果から平均化処理なしでも適切なフィルタ処理を行うことで被検体を伝搬する超音波を検出することが可能であること、特に本発明に基づきAEを検出することが可能であることがわかる。   Therefore, in FIG. 15, the electrical signal from the photoelectric converter is recorded by the waveform recorder 58 after performing bandpass filter processing with a center frequency of 170 kHz without averaging processing. FIG. 16C shows the recorded response waveform. The amplifier 56 may be appropriately provided as necessary for amplification. According to FIG. 16C, an ultrasonic response with a large amplitude can be confirmed at time zero. From this result, it is understood that it is possible to detect the ultrasonic wave propagating through the subject by performing an appropriate filtering process without the averaging process, and in particular, it is possible to detect the AE based on the present invention. .

なお、第4の実施の形態に示したように、共振構造を取るFBGセンサは、FBGが受信する超音波の周波数に近接する共振周波数に高い成分強度を有する応答を示すことが分かっている。図17(a)(b)では、1次の共振周波数に高い成分強度を有する応答が現れたが、この例より低周波の超音波を受信した場合は、0次の共振周波数に高い成分強度を有する応答が現れ、また高周波の超音波を受信した場合は2次以上の共振周波数に高い成分強度を有する応答が現れると考えられる。   As shown in the fourth embodiment, it is known that an FBG sensor having a resonance structure shows a response having a high component intensity at a resonance frequency close to the frequency of the ultrasonic wave received by the FBG. In FIGS. 17 (a) and 17 (b), a response having a high component intensity appears at the primary resonance frequency. However, when an ultrasonic wave having a lower frequency than this example is received, a high component intensity at the zeroth resonance frequency is obtained. When a high frequency ultrasonic wave is received, it is considered that a response having a high component intensity appears at a secondary or higher resonance frequency.

以上のことから、本実施の形態の、AEを検出する装置では、共振型FBGセンサの複数の共振周波数を中心とする帯域のバンドパスフィルタ処理を応答信号に対して行うことで、AE発生を漏れなく検出できる。バンドパスフィルタとして、例えば、0次、1次、2次等の複数の共振周波数を中心とするバンドパスフィルタでもよい。   From the above, in the apparatus for detecting AE according to the present embodiment, AE generation is performed by performing band pass filter processing of a band centering around a plurality of resonance frequencies of the resonance type FBG sensor on the response signal. It can be detected without omission. As the bandpass filter, for example, a bandpass filter centering on a plurality of resonance frequencies such as 0th order, 1st order, and 2nd order may be used.

(第7の実施の形態)
第7の実施の形態では、非共振構造のFBGセンサを用いる場合を示す。
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, a case where an FBG sensor having a non-resonant structure is used is shown.

既に第6の実施の形態では、共振構造を持つFBGセンサを用いて、被検体を伝搬する超音波を平均化処理なしで検出すること、つまりAE検出が可能であることを示した。FBGセンサに共振構造を持たせることが、本発明の超音波やAE検出に大きく寄与することを実証するため、図15に示す装置において、FBG全体を被検体に接着させ、非共振構造にして、第6の実施の形態で示したものと同じ実験を行った。図18(a)および(b)に、それぞれカットオフ周波数500kHzのローパスフィルタ処理後に512回の平均化処理した応答波形、および同じフィルタ処理後に平均化なしで収録された応答波形を示す。FBGセンサを非共振構造にしても、応答信号を平均化処理することで超音波検出は可能であるが、平均化処理なしでは超音波応答はノイズの中に埋もれて識別することはできない。   The sixth embodiment has already shown that the ultrasonic wave propagating through the subject can be detected without averaging processing using the FBG sensor having a resonance structure, that is, AE detection is possible. In order to demonstrate that the resonance structure of the FBG sensor greatly contributes to the ultrasonic wave and AE detection of the present invention, in the apparatus shown in FIG. 15, the entire FBG is adhered to the subject to form a non-resonance structure. The same experiment as that shown in the sixth embodiment was performed. FIGS. 18A and 18B show a response waveform that has been averaged 512 times after low-pass filter processing with a cutoff frequency of 500 kHz, and a response waveform that has been recorded without averaging after the same filter processing. Even if the FBG sensor has a non-resonant structure, ultrasonic detection is possible by averaging the response signal, but without the averaging process, the ultrasonic response is buried in noise and cannot be identified.

図19(a)および(b)に、それぞれ図18(a)および(b)に示した応答波形の周波数特性を示す。非共振構造FBGセンサの平均化処理を行った応答波形の周波数特性(図19(a))は、共振構造を持つ場合(図17(a))と比較して、広帯域で、300kHz以下に大きな成分強度が現れた。また平均化処理なしの応答信号の周波数特性(図19(b))は、300kHzを超える高周波数領域においても大きな成分強度を有する周波数がランダムに現れ、平均化処理された応答波形の周波数特性とは大きく異なる特徴を有した。このため非共振構造を持つFBGセンサにおいては、超音波応答を抽出するための適切なフィルタ条件を見つけることができず、平均化処理なしでは超音波の検出は極めて困難で、AE検出には適用できないと考えられる。なお、AE以外の振動検出には平均化処理は有効である。   FIGS. 19A and 19B show the frequency characteristics of the response waveforms shown in FIGS. 18A and 18B, respectively. The frequency characteristic (FIG. 19A) of the response waveform obtained by averaging the non-resonant structure FBG sensor has a wide band and is large at 300 kHz or less as compared with the case of having a resonance structure (FIG. 17A). Ingredient strength appeared. In addition, the frequency characteristic of the response signal without the averaging process (FIG. 19B) is a frequency characteristic having a large component intensity even in a high frequency region exceeding 300 kHz. Had greatly different characteristics. For this reason, in an FBG sensor having a non-resonant structure, it is difficult to find an appropriate filter condition for extracting an ultrasonic response, and it is extremely difficult to detect ultrasonic waves without averaging processing, and is applicable to AE detection. It is considered impossible. An averaging process is effective for vibration detection other than AE.

以上のことから、FBGセンサを共振構造とする(第2乃至第6の実施の形態)ことにより、超音波検出性能が向上される効果があることが示された。一方、非共振構造を用いる本実施の形態の場合は、平均化処理のみ、またはローパスフィルタ処理および平均化処理により、超音波応答を抽出することができる。   From the above, it has been shown that the ultrasonic detection performance is improved by using the FBG sensor as a resonance structure (second to sixth embodiments). On the other hand, in the case of the present embodiment using a non-resonant structure, the ultrasonic response can be extracted only by the averaging process, or by the low-pass filter process and the averaging process.

(第8の実施の形態)
上記した各実施の形態で示した超音波検出のための信号処理について、次のような形態をとることができる。各実施の形態では、ノイズに埋もれた超音波・AE応答を取り出すために、波形収録器での信号収録前に周波数フィルタ処理を行っているが、信号収録後に同処理を行って同様に超音波・AE応答の取り出してもよい。またセンサ出力に対する周波数フィルタ処理の他に、バックグラウンドノイズ成分を除去するスペクトルサブトラクション処理なども、超音波・AE検出に有効な手段であり、設けることができる。
(Eighth embodiment)
The signal processing for ultrasonic detection shown in the above embodiments can take the following forms. In each embodiment, in order to take out the ultrasonic wave and AE response buried in noise, frequency filter processing is performed before signal recording by the waveform recorder. -The AE response may be taken out. In addition to frequency filter processing for sensor output, spectral subtraction processing for removing background noise components is an effective means for ultrasonic / AE detection and can be provided.

また、共振構造を持つFBGセンサは、超音波やAE受信時に共振周波数において大きな成分強度を有する応答信号を出力する。そこで共振型FBGセンサを用いて、超音波やAE応答を収録する際に、センサの共振周波数をロックインアンプの測定信号周波数に設定し、ロックインアンプ出力を収録トリガーとするとよい。   The FBG sensor having a resonance structure outputs a response signal having a large component intensity at the resonance frequency when receiving ultrasonic waves or AE. Therefore, when recording an ultrasonic wave or AE response using a resonance type FBG sensor, the resonance frequency of the sensor may be set to the measurement signal frequency of the lock-in amplifier, and the lock-in amplifier output may be used as a recording trigger.

また、FBGセンサの構造が非共振又は共振に関わらず、平均化処理は超音波応答を取り出すための有効な手段であり、各実施の形態で示したフィルタ処理と適宜組み合わせることができる。   Regardless of whether the structure of the FBG sensor is non-resonant or resonant, the averaging process is an effective means for extracting an ultrasonic response, and can be appropriately combined with the filter process shown in each embodiment.

(第9の実施の形態)
第9の実施の形態では、超音波送受信点を移動させながら超音波を検出する場合を示す。既に示した実施の形態では、FBGを書き込んだ光ファイバを被検体に貼り付けた場合について示した。しかし、多くの超音波探傷では超音波送受信点を移動させながら欠陥位置を同定するため、超音波発振子およびFBGセンサの両方ともに可動式とした方が実用的であり便利である。FBGセンサを可動式とする技術が、特許文献5に開示されているが、本発明に基づく超音波検出システムのセンサ部においても、上記特許文献5と同様の可動部構造を構成して、FBGセンサを可動式とすることもできる。
(Ninth embodiment)
In the ninth embodiment, a case where ultrasonic waves are detected while moving an ultrasonic wave transmission / reception point is shown. In the embodiment already shown, the case where the optical fiber on which the FBG is written is attached to the subject has been shown. However, in many ultrasonic flaw detection, it is more practical and convenient to make both the ultrasonic oscillator and the FBG sensor movable because the defect position is identified while moving the ultrasonic transmission / reception point. A technique for making the FBG sensor movable is disclosed in Patent Document 5, but the sensor unit of the ultrasonic detection system according to the present invention also has a movable part structure similar to that of Patent Document 5 described above, and FBG The sensor can also be movable.

図20は、上記実施の形態で示した超音波検出システムを可動式にした装置である。図20に示すように、FBG74を書き込んだ光ファイバの一部を可動用治具71に取り付け、被検体70を伝わる超音波を、可動用治具71を介して光ファイバに伝える。例えば、FBGを書き込んだ光ファイバのFBG74の一部、またはFBG以外の箇所を、超音波伝搬速度の遅い媒体または厚さ1mm以下の薄い媒体(可動治具71に相当)に、接着箇所79で接触させることにより、共振特性を持たせた可動式FBGセンサとするとよい。可動式FBGセンサを被検体70に接触させることで、被検体を伝搬する超音波またはAEを検出する。   FIG. 20 shows an apparatus in which the ultrasonic detection system shown in the above embodiment is movable. As shown in FIG. 20, a part of the optical fiber in which the FBG 74 is written is attached to the movable jig 71, and the ultrasonic wave transmitted through the subject 70 is transmitted to the optical fiber via the movable jig 71. For example, a part of the FBG 74 of the optical fiber in which the FBG is written, or a part other than the FBG is bonded to a medium having a low ultrasonic propagation speed or a thin medium having a thickness of 1 mm or less (corresponding to the movable jig 71) at an adhesion point 79. It is preferable that the movable FBG sensor has a resonance characteristic by contacting. An ultrasonic wave or AE propagating through the subject is detected by bringing the movable FBG sensor into contact with the subject 70.

図20には、共振型FBGセンサの例を図示したが、非共振構造FBGセンサを可動用治具に取り付けて可動式の振動検出システムとすることができる。具体的には、FBGを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または厚さ1mm以下の薄い媒体に接触させることにより、可動式FBGセンサとし、その可動式FBGセンサを被検体に接触させることで、被検体を伝搬する超音波またはAEを検出する。   FIG. 20 illustrates an example of a resonant FBG sensor, but a non-resonant FBG sensor can be attached to a movable jig to form a movable vibration detection system. Specifically, the FBG is brought into contact with a medium having a slower ultrasonic propagation speed than the subject or a thin medium having a thickness of 1 mm or less to form a movable FBG sensor, and the movable FBG sensor is brought into contact with the subject. Thus, the ultrasonic wave or AE propagating through the subject is detected.

FBGセンサを可動式とすることにより、超音波検出ならびに超音波探傷検査を容易に行うことができる。   By making the FBG sensor movable, ultrasonic detection and ultrasonic flaw detection can be easily performed.

(第10の実施の形態)
本実施の形態では、既に示した実施の形態を応用して、複数のFBGを有するシステムに拡張する場合を示す。
(Tenth embodiment)
In this embodiment, a case where the above-described embodiment is applied to a system having a plurality of FBGs will be described.

本発明の超音波検出システムを用いて多点計測するための装置を、図21に示す。図21の多点計測装置は、広帯域光源82と、光サーキュレータ83と、複数のFBG(1、2・・・n)と、光電変換器85と、波形収録器88と、光スイッチ89とを備え、増幅器86、フィルタ87は必要に応じて設けられる。広帯域光を入射するFBG(1、2・・・n)を、光スイッチ89を用いて選択する。   An apparatus for multipoint measurement using the ultrasonic detection system of the present invention is shown in FIG. 21 includes a broadband light source 82, an optical circulator 83, a plurality of FBGs (1, 2,... N), a photoelectric converter 85, a waveform recorder 88, and an optical switch 89. The amplifier 86 and the filter 87 are provided as necessary. The FBG (1, 2,..., N) on which the broadband light is incident is selected using the optical switch 89.

本発明の超音波検出システムを用いて同時多点計測するための装置を、図22に示す。図22の同時多点計測装置は、広帯域光源92と、複数の光サーキュレータ93と、複数のFBG(1、2・・・n)と、光電変換器95と、波形収録器98と、1×N カップラ99とを備え、増幅器96、フィルタ97は必要に応じて設けられる。1×Nカップラ99を用いて、複数のFBGに同時に広帯域光を入射して、各FBGからの反射光強度を測定し、同時に複数のFBG反射強度を測定する。   An apparatus for simultaneous multipoint measurement using the ultrasonic detection system of the present invention is shown in FIG. 22 includes a broadband light source 92, a plurality of optical circulators 93, a plurality of FBGs (1, 2,... N), a photoelectric converter 95, a waveform recorder 98, and 1 ×. N coupler 99, and amplifier 96 and filter 97 are provided as necessary. Using 1 × N coupler 99, broadband light is simultaneously incident on a plurality of FBGs, the reflected light intensity from each FBG is measured, and the plurality of FBG reflection intensities are simultaneously measured.

本発明の超音波検出システムを用いて同時多点計測するための装置を、図23に示す。図23の同時多点計測装置は、広帯域光源102と、光サーキュレータと、複数のFBG(1、2・・・n)と、光電変換器105と、波形収録器108と、光分波器109とを備え、増幅器106、フィルタ107は必要に応じて設けられる。図23の同時多点計測装置は、ブラッグ波長の異なる複数のFBGからの反射光を、波長により出力ラインの異なる光分波器109に通し、それぞれのFBGからの反射光強度を異なるライン(λ、λ、・・・λ)に出力させ、各FBGからの反射光強度を測定することにより、同時に複数のFBG反射強度を測定する。 An apparatus for simultaneous multipoint measurement using the ultrasonic detection system of the present invention is shown in FIG. 23 includes a broadband light source 102, an optical circulator, a plurality of FBGs (1, 2,... N), a photoelectric converter 105, a waveform recorder 108, and an optical demultiplexer 109. The amplifier 106 and the filter 107 are provided as necessary. The simultaneous multipoint measurement apparatus of FIG. 23 passes reflected light from a plurality of FBGs having different Bragg wavelengths through optical demultiplexers 109 having different output lines depending on the wavelengths, and sets the reflected light intensity from each FBG to different lines (λ 1 , λ 2 ,... Λ n ), and the reflected light intensity from each FBG is measured, thereby simultaneously measuring a plurality of FBG reflection intensities.

以上の実施の形態において、20kHzを超える超音波帯域の場合の例を示したが、20kHz以下の可聴域振動についても同様に検出することができる。共振型FBGセンサの場合は、光ファイバ共振部長さを調整することにより、20kHz以下の可聴域に共振周波数を持たせることができる。また、本発明の超音波検出システムは、実施の形態で示した超音波探傷による欠陥検出、AE検出による損傷発生検知、および振動検知による機械の異常発生検知等の装置に適用することができる。   In the above embodiment, an example in the case of an ultrasonic band exceeding 20 kHz has been shown, but an audible range vibration of 20 kHz or less can be similarly detected. In the case of a resonance type FBG sensor, the resonance frequency can be given to an audible range of 20 kHz or less by adjusting the length of the optical fiber resonance part. The ultrasonic detection system of the present invention can be applied to devices such as defect detection by ultrasonic flaw detection, damage occurrence detection by AE detection, and machine abnormality detection by vibration detection shown in the embodiments.

本発明では、各実施の形態で示した信号処理を適宜組み合わせて実施することができる。なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。   In the present invention, the signal processing shown in each embodiment can be implemented in appropriate combination. In addition, the example shown by the said embodiment etc. was described in order to make invention easy to understand, and is not limited to this form.

本発明は、超音波探傷による欠陥検出、AE検出による損傷発生検知、および振動検知による機械の異常発生検知等に有用である。   The present invention is useful for defect detection by ultrasonic flaw detection, damage occurrence detection by AE detection, machine abnormality occurrence detection by vibration detection, and the like.

2、12、22、32、52、72、82、92、102 広帯域光源
3、13、23、33、53、73、83、93 光サーキュレータ
4、14、24、34、54、74 FBG
5 光フィルタ
6、15、25、35、55、75、85、95、105 光電変換器
7、18、28、38、58、88、98、108 波形収録器
11、21、31、51 超音波発振子
16、26、36、56、86、96、106 増幅器
17、27、37、57、87、97、107 フィルタ
19、29、39、59、79 接着箇所
40、60、70 被検体
41 衝撃損傷
42 超音波
62 超音波またはAE
71 可動用治具
89 光スイッチ
99 1×Nカップラ
109 光分波器
2, 12, 22, 32, 52, 72, 82, 92, 102 Broadband light source 3, 13, 23, 33, 53, 73, 83, 93 Optical circulator 4, 14, 24, 34, 54, 74 FBG
5 Optical filter 6, 15, 25, 35, 55, 75, 85, 95, 105 Photoelectric converter 7, 18, 28, 38, 58, 88, 98, 108 Waveform recorder 11, 21, 31, 51 Ultrasound Oscillator 16, 26, 36, 56, 86, 96, 106 Amplifier 17, 27, 37, 57, 87, 97, 107 Filter 19, 29, 39, 59, 79 Bonded point 40, 60, 70 Subject 41 Impact Damage 42 Ultrasound 62 Ultrasound or AE
71 Moving jig 89 Optical switch 99 1 × N coupler 109 Optical demultiplexer

Claims (17)

可聴域から超音波域の振動を検出するシステムであって、
広帯域光源と、
前記広帯域光源からの広帯域光が入射するファイバ・ブラッグ・グレーティング(以下、FBGという。)と、
前記FBGからの反射光強度を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に対して、前記FBGが受ける振動に基づく応答信号を抽出する信号処理を行う信号処理部と、
を備えることを特徴とする振動検出システム。
A system for detecting vibration in the ultrasonic range from the audible range,
A broadband light source;
A fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG) on which broadband light from the broadband light source is incident;
A photoelectric conversion unit that converts the intensity of reflected light from the FBG into an electrical signal;
A signal processing unit that performs signal processing on the electrical signal to extract a response signal based on vibration received by the FBG;
A vibration detection system comprising:
前記信号処理は、平均化処理および周波数フィルタ処理のいずれか1つ以上の信号処理であることを特徴とする請求項1記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 1, wherein the signal processing is at least one of averaging processing and frequency filtering processing. 前記振動検出システムは、FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体に接触させて、FBGセンサに共振特性を持たせ、振動を被検体との接触箇所を介して光ファイバに流入させることを特徴とする請求項1または2記載の振動検出システム。   In the vibration detection system, a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG is written or a part other than the FBG is brought into contact with the subject, the FBG sensor has resonance characteristics, and the vibration is brought into contact with the subject. 3. The vibration detection system according to claim 1, wherein the vibration detection system is caused to flow into the optical fiber. 前記周波数フィルタ処理は、前記共振特性に基づく共振周波数帯域近傍のバンドパスフィルタ処理であることを特徴とする請求項3に記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 3, wherein the frequency filter process is a band-pass filter process in the vicinity of a resonance frequency band based on the resonance characteristics. 前記周波数フィルタ処理は、ローパスフィルタ処理であることを特徴とする請求項2記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 2, wherein the frequency filter process is a low-pass filter process. 前記周波数フィルタ処理は、バンドパスフィルタ処理であることを特徴とする請求項2記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 2, wherein the frequency filter process is a band-pass filter process. 前記周波数フィルタ処理は、FBGを書き込んだ光ファイバにおける、被検体との接触点と自由端との間の光ファイバ共振部長さに基づいて決定される共振周波数を通過させる処理であることを特徴とする請求項2の振動検出システム。   The frequency filtering process is a process of passing a resonance frequency determined based on the length of the optical fiber resonance part between the contact point with the subject and the free end in the optical fiber in which the FBG is written. The vibration detection system according to claim 2. 前記光ファイバ共振部長さを調整して、前記共振周波数を制御することを特徴とする請求項7記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 7, wherein the resonance frequency is controlled by adjusting a length of the optical fiber resonance unit. 前記FBGを複数備えることにより多点計測を行うことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 1, wherein multipoint measurement is performed by providing a plurality of the FBGs. 前記FBGを、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または1mm以下の媒体に接触させることにより可動式FBGセンサとし、該可動式FBGセンサを被検体に接触させることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記載の振動検出システム。   The movable FBG sensor is brought into contact with the subject by contacting the FBG with a medium having an ultrasonic wave propagation speed slower than that of the subject or a medium of 1 mm or less, and the movable FBG sensor is brought into contact with the subject. The vibration detection system of any one of thru | or 9. 前記FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、またはFBG以外の箇所を、被検体よりも超音波伝搬速度の遅い媒体または1mm以下の媒体に接触させることにより共振特性をもつ可動式FBGセンサとし、該可動式FBGセンサを被検体に接触させることを特徴とする請求項2乃至9のいずれか1項記載の振動検出システム。   A movable FBG sensor having a resonance characteristic by bringing a part of the FBG of the optical fiber in which the FBG is written, or a part other than the FBG into contact with a medium having an ultrasonic wave propagation speed slower than the subject or a medium of 1 mm or less. The vibration detection system according to any one of claims 2 to 9, wherein the movable FBG sensor is brought into contact with a subject. 前記振動は、超音波またはアコースティック・エミッションであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項記載の振動検出システム。   The vibration detection system according to claim 1, wherein the vibration is an ultrasonic wave or an acoustic emission. ブラッグ波長変化検出のための光フィルタを用いないことを特徴とする請求項1記載の振動検出システム。   2. The vibration detection system according to claim 1, wherein an optical filter for detecting a Bragg wavelength change is not used. 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の振動検出システムを備えることを特徴とする超音波探傷装置。   An ultrasonic flaw detector comprising the vibration detection system according to claim 1. 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の振動検出システムを用いて、超音波伝搬状況を測定することにより、被検体の健全性を評価することを特徴とする材料健全性評価装置。   A material soundness evaluation apparatus for evaluating the soundness of a subject by measuring an ultrasonic wave propagation state using the vibration detection system according to any one of claims 1 to 13. 請求項1乃至13のいずれか1項に記載の振動検出システムを用いて、材料破壊時に生じるアコースティック・エミッションを検出して、被検体の健全性を評価することを特徴とする材料健全性評価装置。   A material soundness evaluation apparatus for detecting acoustic emission generated at the time of material destruction by using the vibration detection system according to any one of claims 1 to 13, and evaluating the soundness of an object. . FBG反射波長域を包含する広帯域光を前記FBGに入射し、前記FBGからの反射光強度を電気信号に変換し、前記電気信号に対して、前記FBGが受ける振動に基づく応答信号を抽出する信号処理を行うことにより振動を検出することを特徴とする振動検出方法。   Broadband light including an FBG reflection wavelength region is incident on the FBG, the reflected light intensity from the FBG is converted into an electric signal, and a response signal based on vibrations received by the FBG is extracted from the electric signal. A vibration detection method characterized by detecting vibration by performing processing.
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