JP2011196744A - Fbg振動検出システム、該システムを用いた装置及び振動検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ファイバ・レーザを用いて、FBG反射光をレーザ化し、前記レーザ化されたFBGからの反射光強度を電気信号に変換することで超音波等の振動を検出する。振動検出システムは、光アンプ42と、光サーキュレータ43と、光カップラ45とを備え、FBG44と光サーキュレータの入射/出射ポートとは光ファイバで接続され、光サーキュレータの入射ポートと出射ポート間は途中、光カップラおよび光アンプが挿入され、光ファイバで接続される。
【選択図】図15
Description
本発明者による前記関連特許出願に記した実験で用いた広帯域光源の光出力の波長依存性を、図25に示す。このときはブラッグ波長1,550nmのFBGを用いて実験を行った。波長1,550nm近傍では光出力が波長増加に従い、若干低下している。したがって前記関連特許出願に記した技術では広帯域光源のわずかな光出力の波長依存性を利用して、超音波がもたらすブラッグ波長変化に伴うFBG反射光強度のわずかな変化を電気信号に変換して周波数フィルタ処理や平均化処理により検出している。このように光源の有するわずかな光出力の波長依存性を利用して超音波検出ができるという事実から、超音波検出感度向上にはFBG反射光の高強度化が有効な手段と考えられる。たとえば図26のように超音波振動によりブラッグ波長が波長Aから波長Bの間を振動し、光出力が1から0.5の間で変化する場合を考える。今、波長AにおいてFBG反射光強度10を得ることができる光源を利用した場合、超音波振動により10から5の反射光強度変化が生じることから超音波振動により生じる光強度変化は5となる。次に、波長AにおいてFBG反射光強度100を得ることができる光源を利用した場合、超音波振動により100から50の反射光強度変化が生じることから超音波振動により生じる光強度変化は50となる。したがって高強度のFBG反射光を得ることができる光源を用いることで超音波振動により生じる光強度の変化は大きくなることから超音波検出の高感度化が期待できる。そこでFBGのブラッグ波長においてレーザ光を得ることができるファイバ・レーザを光源とするという発想に至った。
本発明の振動検出システムは、光電変換部で変換された電気信号に対して周波数フィルタ処理を行う信号処理部を備えることを特徴とする。例えば、前記周波数フィルタ処理は、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。
第1の実施の形態は、FBGセンサを用いた超音波応答検出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、ファイバ・レーザにより、FBGからの反射光をレーザ化して、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、光アンプと、光サーキュレータと、FBGと、光カップラと、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、FBGと光サーキュレータの入射/出射ポートとは光ファイバで接続され、光サーキュレータの入射ポートと出射ポート間は途中、光カップラ、および光アンプが挿入され、光ファイバで接続される。FBGからの反射光は光サーキュレータを介して、光カップラと光アンプが挿入された環状の光ファイバを巡り、光アンプにおいて増幅され、光サーキュレータを介してFBGに入射される。そして再びFBGにおいて反射され、光アンプが挿入されている光ファイバ環状部でFBG反射光が増幅される過程を繰り返し、FBGのブラッグ波長を発振波長とするレーザが作られる。つまりFBGを反射ミラーとしたファイバ・レーザが形成されている。このレーザ化されたFBG反射光の一部を光カップラから取り出し、光電変換器に入射し、電気信号に変換される。この電気信号は、必要に応じてフィルタ処理および増幅された後、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、記録装置に記録したりする。該平均化処理は、以下の実験で示すように、超音波発振子への励起信号入力により励起された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。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態と、共振構造を持つFBGセンサとした点で異なっており、その他の構成は同じであり、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、光アンプと、光サーキュレータと、FBGと、光カップラと、光電変換器と、波形収録器とを備える。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、レーザ化されたFBG反射光の一部を光カップラから取り出し、光電変換器に入射し、電気信号に変換する。
第3の実施の形態では、第2の実施の形態で説明した超音波検出システムを、材料中を伝搬する超音波検出に適用し、その検出感度を調べた例を、示す。図9に、第3の実施の形態のシステムを表す。図9のシステムは、光アンプ32、光サーキュレータ33、FBG34、光カップラ35、超音波発振子31、光電変換器36、フィルタ・増幅器37、波形収録器38からなり、接着箇所39で、FBGを有する光ファイバを被検体30に接着している。被検体30には超音波発振子31が固定されている。
第4の実施の形態は、共振構造を持つFBGセンサを備える超音波検出システムをAE検出に適用した例である。
非共振構造を持つFBGセンサを用いて第3の実施の形態と同様の実験、つまり平均化処理なしで被検体を伝搬する超音波の検出を試みた。図9で用いた実験セットアップにおいて、FBG全体を被検体に接着させて、非共振構造を持つFBGセンサにして、超音波発振子−光ファイバ接着点間距離を150mmにして、中心周波数250kHzの超音波発振子をスパイク波励起して被検体に超音波を伝搬させた。30kHz〜500kHzのバンドパルフィルタ処理されたFBGセンサの応答波形を図13に示す。共振構造を有する場合と同様に明確に超音波を検出していることが確認できる。前記関連特許出願の第7の実施の形態では非共振構造を持つFBGセンサは平均化処理なしでは被検体を伝搬する超音波を検出できないことが記されているが、本発明で提案する検出システムを用いることで非共振構造を持つFBGセンサ、つまりFBGを被検体に直接貼り付けた状態でも被検体を伝搬する超音波を検出できる。
第6の実施の形態は、非共振構造を持つFBGセンサを備える超音波検出システムをAE検出に適用した例である。非共振構造を持つFBGセンサを用いて第4の実施の形態と同様の実験、つまりシャープペンシル芯圧折による疑似AE計測を試みた。第4の実施の形態で用いた実験セットアップにおいてFBG全体を被検体に接着させて、非共振構造を持つFBGセンサにして、FBGセンサの被検体への接着点−シャープペンシル芯圧折箇所間距離を250mmとして、シャープペンシル芯圧折により発生させた疑似AEに対する非共振構造を持つFBGセンサの応答を収録した。応答信号収録のためのトリガー信号に30kHz〜1MHzのバンドパスフィルタ処理された光電変換器出力を用いた。トリガーレベルはバックグラウンドノイズにより誤って収録トリガーが掛からないように設定した。
超音波が材料中を伝搬するとき超音波は欠陥箇所で大きな分散、及び減衰を受けることから、その伝搬状況は欠陥がない場合と異なる。これを利用した材料の欠陥検出法が超音波探傷であり、超音波探傷に本発明に基づく超音波検出システムを利用することができる。第7の実施の形態は、本発明の超音波検出システムを利用して、超音波探傷を行う例である。図15に、本実施の形態の超音波探傷装置を示す。図15の超音波探傷装置は、光アンプ42、光サーキュレータ43、FBG44、光カップラ45、光電変換器46、フィルタ・増幅器47、波形収録器48からなり、FBGを書き込んだ光ファイバを被検体30に接触させている。超音波発振子31をFBG44の光ファイバ軸方向の延長線上に取り付け、超音波発振子31から発振される超音波40をセンサであるFBG44で検出する。
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、超音波・AE応答を明確に取り出すために、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。
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。
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。
衝撃負荷の検知は構造物の健全性評価のみではなく、防犯・防災検知において重要な技術である。そこで第11の実施の形態は、本発明を防犯・防災検知装置に適用する例である。本発明が提案する振動検出システムを用いて衝撃負荷を検出した実験を示す。図9の実験セットアップにおいて超音波発振子を取り外し、FBGセンサから150mm離れた被検体表面に30mmの高さから重さ2.7gのセラミックボールを落球した際の衝撃振動を非共振構造、および共振構造を持つFBGセンサで検出することを試みた。
第12の実施の形態において本発明の振動検出システムを超音波帯域以下の周波数の振動、つまり20kHz以下の振動検出に適用する例である。20kHz以下の振動検出に適用した実験例を示す。図9のシステムにおいて超音波発振子を取り外し、被検体の片端をバイス等の固定治具で固定して片持ち梁構造とし、FBGセンサはFBG全長が被検体に接着された非共振構造にした。またひずみ計測のためFBG近傍に抵抗式ひずみゲージを取り付けた。片持ち梁構造の被検体に自由振動を与えた際のFBGセンサ、およびひずみゲージの出力をカットオフ周波数100Hzのローパスフィルタ処理を施して収録した。
第13の実施の形態は、ファイバ・レーザを光源として用い、復調用光フィルタとを組み合わせた例である。図22に、光フィルタを信号復調に用いるシステムにファイバ・レーザを光源として組み合わせた装置を示す。図22の超音波計測システムは、光アンプ92と、光サーキュレータ93と、FBG94と、光カップラ95と、光フィルタ99と、光電変換器96と、波形収録器98とを備える。光カップラ95を介してFBG反射光を、光フィルタに入射する。
本実施の形態は、ファイバ・レーザの共振器構造として、第1の実施の形態等とは異なる構造を用いる例である。ファイバ・レーザの共振器構造には共振器の両端にFBGを形成するFBG型と、環状の共振器を形成するリング型の二種類に分類される。図23に、共振器の両端にFBGを形成するFBG型の共振器構造を用いた超音波計測システムを示す。第1乃至13の実施の形態では、リング型のファイバ・レーザを用いた場合のみを記したが、図23(a)(b)に示すようなFBG型のファイバ・レーザを用いても、上記した実施の形態を実現できる。
本実施の形態は、ファイバ・レーザを光源として用い、被検体の受けるひずみや温度を計測する例である。
2 広帯域光源
3、13、23、33、43、53、63、73、83、93、103、113 光サーキュレータ
4、14、24、34、44、54、94、114 FBG
5、16、26、36、46、56、66、76、86、96、106、116 光電変換器
6 増幅器
7 フィルタ
8、18、28、38、48、58、68、78、88、98、108、118 波形収録器
9、19、29、39、59 接着箇所
12、22、32、42、52、62、72、82、92、112 光アンプ
15、25、35、45、55、65、75、85、95、115 光カップラ
17、27、37、47、57、67、77、87 フィルタ・増幅器
30 被検体
40 超音波
41 損傷
51 可動用治具
64 光スイッチ
79 チューナブルフィルタ
89、104 光分波器
99 光フィルタ
102 ポンプ光源
119 ひずみ計測用光フィルタ
Claims (20)
- 振動を検出するシステムであって、
ファイバ・レーザと、前記ファイバ・レーザの反射ミラーとなるファイバ・ブラッグ・グレーティング(以下、FBGという。)と、前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記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を備えることを特徴とする振動検出システム。 - 前記振動検出システムは、
光アンプと、光サーキュレータと、光カップラとを備え、
前記ファイバ・レーザは、センサとなるFBGを反射ミラーとして、前記FBGの反射波長を包含する波長域において光増幅機能を有する前記光アンプにより、前記FBGのブラッグ波長を発振波長とするレーザであることを特徴とする請求項1の振動検出システム。 - 前記FBGと前記光サーキュレータの入射/出射ポートとは光ファイバで接続され、前記光サーキュレータの入射ポートと出射ポート間は途中、前記光カップラおよび前記光アンプが挿入され、光ファイバで接続されることを特徴とする請求項2記載の振動検出システム。
- 前記FBGからの反射光は前記光サーキュレータを介して、前記光カップラと前記光アンプが挿入された環状の光ファイバを巡り、前記光アンプにおいて増幅され、前記光サーキュレータを介して前記FBGに入射され、再び前記FBGにおいて反射され、前記光アンプが挿入されている光ファイバ環状部でFBG反射光が増幅される過程を繰り返し、前記FBGのブラッグ波長を発振波長とするレーザが作られることを特徴とする請求項3記載の振動検出システム。
- 前記振動検出システムは、前記FBGを書き込んだ光ファイバのFBGの一部、または前記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記載の振動検出システム。
- 前記振動検出システムは、光フィルタを備えることを特徴とする請求項1記載の振動検出システム。
- 前記ファイバ・レーザは、同一のブラッグ波長を有するFBGの間に増幅媒体を備えることを特徴とする請求項1の振動検出システム。
- 前記電気信号に対して周波数フィルタ処理を行う信号処理部を備えることを特徴とする請求項1記載の振動検出システム。
- 前記周波数フィルタ処理は、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8に記載の振動検出システム。
- 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9のいずれか1項記載の振動検出システム。
- 前記FBGを、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。
- 前記振動は、サブHzの振動を含む20kHz以下の振動、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。
- 前記ファイバ・レーザによりレーザ化されたFBG反射光を用いて、前記振動の検出をすると同時に、ひずみ又は温度を計測することを特徴とする請求項1記載の振動検出システム。
- 請求項1乃至12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。
- 請求項1乃至12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。
- 請求項1乃至12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。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動検出システムを用いて、衝撃負荷を検知することを特徴とする防犯防災装置。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の振動検出システムを用いて、衝撃負荷を検知して、衝撃位置を標定することを特徴とする防犯防災装置。
- 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、振動を検知し、振動の状況から機械の異常を診断することを特徴とする異常検知装置。
- ファイバ・レーザの反射ミラーとなるFBGを備え、前記ファイバ・レーザによりレーザ化された前記FBGからの反射光強度を電気信号に変換する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。
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