JP2012021921A - Light measurement system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光測定システムに関し、特に、光ファイバを用いて温度及び歪みを測定することが可能な光測定システムに関する。 The present invention relates to an optical measurement system, and more particularly to an optical measurement system capable of measuring temperature and strain using an optical fiber.
従来、光ファイバを利用し、該光ファイバが設置された環境の温度や歪みなどの物理量分布を測定することが行われている。このような光ファイバを用いた物理量の測定方法は、光通信路の保守管理、ダム・堤防等の大規模構造物の保守管理、欠陥・故障についての自己診断機能を有する材料・構造物(スマートマテリアル・ストラクチャ)に利用されている。(特許文献1参照) Conventionally, an optical fiber is used to measure a physical quantity distribution such as temperature and strain of an environment in which the optical fiber is installed. Such physical quantity measurement methods using optical fibers include: maintenance and management of optical communication paths, maintenance and management of large-scale structures such as dams and dikes, and materials and structures that have self-diagnosis functions for defects and failures (smart It is used for material structure. (See Patent Document 1)
例えば、構造物内に光ファイバを埋設し、該構造物にひび割れ等が発生すると、ひび割れ近傍の光ファイバへ物理的応力が加わり、光ファイバ内のコアに屈折率変化を生じさせる。この屈折率変化が生じると、ファイバ中に発生する誘導ブリルアン散乱(SBS)において周波数シフトが生じる。この周波数シフト量とファイバ応力は線形な関係があるため、周波数シフト量の大きさから応力の大きさ、すなわち、ひび割れ等の大きさを知ることができる。ブルリアン散乱を用いた測定方法としては、特許文献2又は3のようなものが知られている。
For example, when an optical fiber is embedded in a structure and a crack or the like is generated in the structure, physical stress is applied to the optical fiber in the vicinity of the crack, causing a refractive index change in the core in the optical fiber. When this refractive index change occurs, a frequency shift occurs in stimulated Brillouin scattering (SBS) generated in the fiber. Since the frequency shift amount and the fiber stress have a linear relationship, the magnitude of the stress, that is, the size of a crack or the like can be known from the magnitude of the frequency shift amount. As a measuring method using the Brillouin scattering, a method as described in
ところで、光ファイバの屈折率は環境温度によっても変化する。このため、SBSによる周波数シフト量は、環境温度の変化の影響も被ることになり、正確な歪量を求めることが困難であった。 By the way, the refractive index of the optical fiber also changes depending on the environmental temperature. For this reason, the frequency shift amount due to SBS is also affected by changes in the environmental temperature, and it is difficult to obtain an accurate distortion amount.
SBSの周波数シフト量から正確に歪情報を抽出するためには、測定された周波数シフト量から環境温度による変化分を差し引く必要がある。温度変化により想定される周波数シフト量は、ある程度明らかにされている(1〜2MHz/℃)。したがって、電気式の温度センサあるいは光ファイバ温度センサを用いて温度を測定し、温度変化により生じる周波数シフト量を算出し、該算出値を測定された周波数シフト量から差し引けば、正確な歪情報を抽出することが可能である。 In order to accurately extract distortion information from the frequency shift amount of the SBS, it is necessary to subtract the change due to the environmental temperature from the measured frequency shift amount. The amount of frequency shift assumed by the temperature change has been clarified to some extent (1-2 MHz / ° C.). Therefore, accurate strain information can be obtained by measuring the temperature using an electrical temperature sensor or an optical fiber temperature sensor, calculating the frequency shift amount caused by the temperature change, and subtracting the calculated value from the measured frequency shift amount. Can be extracted.
しかし、電気式のセンサを用いる場合には、測定対象となる構造物の複数箇所にセンサを取り付けると共に、構造物が設置された現場で測定する必要がある。また、特許文献4に示すように、光ファイバ温度センサを用いる場合には、歪測定用の光ファイバの他にも温度測定用ファイバを敷設する必要があるため、少なくともファイバの本数が倍必要となり、施工費用が増加するなどの課題が生じる。
However, in the case of using an electric sensor, it is necessary to attach the sensor to a plurality of locations of the structure to be measured and perform measurement at the site where the structure is installed. Further, as shown in
また、特許文献5に示すように、1本の光ファイバで歪と温度とを同時に測定する方法も提案されているが、光ファイバ自体の構造が複雑化するため、光ファイバが高価なものとなる。 In addition, as shown in Patent Document 5, a method of simultaneously measuring strain and temperature with a single optical fiber has also been proposed, but the structure of the optical fiber itself is complicated, and the optical fiber is expensive. Become.
本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、1本の光ファイバにより歪と温度の両方を測定し、より正確な歪情報を測定することが可能であると共に、コストの増加を抑制した光測定システムを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to solve the above-mentioned problems, measure both strain and temperature with a single optical fiber, and measure more accurate strain information. It is an object to provide an optical measurement system that suppresses an increase in the light intensity.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、光ファイバを用いて温度及び歪みを測定可能な光測定システムにおいて、1本の光ファイバを用いて温度及び歪みに係る測定光を検知し、測定対象物に配置された該光ファイバの一部に、該測定対象物から該光ファイバに加わる応力を遮断するシールド部材が配置され、該シールド部材内に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から温度を検出する温度検出手段と、該シールド部材以外に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から歪みを検出する歪検出手段と、該歪検出手段の結果を、該温度検出手段の結果で補償する温度補償手段とを有することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の光測定システムにおいて、該シールド部材内に配置される該光ファイバの一部には、ファイバ・ブラッグ・グレーティングが設けられていることを特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の光測定システムにおいて、該シールド部材は、該光ファイバの複数箇所に設置されており、該温度補償手段では、2つの該シールド部材の間に配置された該光ファイバの状態に基づく歪検出手段の結果を、前記2つのシールド部材内の少なくとも一方又は両方に配置される該光ファイバの状態に基づく温度検出手段の結果を利用して補償することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the optical measurement system according to the first or second aspect, the shield member is installed at a plurality of locations of the optical fiber, and the temperature compensation means includes two shield members. Using the result of the temperature detecting means based on the state of the optical fiber disposed in at least one or both of the two shield members, the result of the strain detecting means based on the state of the optical fiber disposed between It is characterized by compensating.
請求項4に係る発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の光測定システムにおいて、該歪検出手段は、ブリルアン散乱を用いた測定方式で歪みを検出することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical measurement system according to any one of the first to third aspects, the strain detecting means detects the strain by a measurement method using Brillouin scattering.
請求項5に係る発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の光測定システムにおいて、該温度検出手段は、ブリルアン散乱を用いた測定方式、又はファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いた測定方式のいずれかを利用して、温度を検出することを特徴とする。
The invention according to claim 5 is the optical measurement system according to any one of
請求項6に係る発明は、請求項5に記載の光測定システムにおいて、該ファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いた測定方式を利用した温度検出手段は、該歪検出手段に用いる測定光の波長と異なる波長を有する測定光を用いることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical measurement system according to the fifth aspect, the temperature detection means using the measurement method using the fiber Bragg grating is different from the wavelength of the measurement light used for the strain detection means. It is characterized by using measurement light having a wavelength.
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の光測定システムにおいて、該温度検出手段に用いる測定光は、該歪検出手段に用いる測定光を波長変換した光波を使用することを特徴とする。 The invention according to claim 7 is the light measurement system according to claim 6, wherein the measurement light used for the temperature detection means uses a light wave obtained by wavelength-converting the measurement light used for the strain detection means. .
請求項1に係る発明により、光ファイバを用いて温度及び歪みを測定可能な光測定システムにおいて、1本の光ファイバを用いて温度及び歪みに係る測定光を検知し、測定対象物に配置された該光ファイバの一部に、該測定対象物から該光ファイバに加わる応力を遮断するシールド部材が配置され、該シールド部材内に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から温度を検出する温度検出手段と、該シールド部材以外に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から歪みを検出する歪検出手段と、該歪検出手段の結果を、該温度検出手段の結果で補償する温度補償手段とを有するため、1本の光ファイバにより歪と温度の両方を測定し、より正確な歪情報を測定することが可能となる。しかも、光ファイバに加わる応力を遮断するシールド部材を局的に設ける、簡単な構成のため、コストの増加も抑制することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, in the optical measurement system capable of measuring the temperature and strain using the optical fiber, the measurement light related to the temperature and strain is detected using one optical fiber, and is arranged on the measurement object. In addition, a shield member that blocks stress applied to the optical fiber from the object to be measured is disposed in a part of the optical fiber, and the temperature is detected from the measurement light based on the state of the optical fiber disposed in the shield member. Temperature detecting means for detecting, strain detecting means for detecting strain from measurement light based on the state of the optical fiber arranged other than the shield member, and the result of the strain detecting means is compensated by the result of the temperature detecting means. Since it has a temperature compensation means, it is possible to measure both strain and temperature with a single optical fiber and to measure more accurate strain information. In addition, since the shield member that cuts off the stress applied to the optical fiber is locally provided, an increase in cost can be suppressed.
請求項2に係る発明により、シールド部材内に配置される光ファイバの一部には、ファイバ・ブラッグ・グレーティングが設けられているため、シールド部材内の光ファイバの温度を効率良く検出することが可能となる。
According to the invention of
請求項3に係る発明により、シールド部材は、光ファイバの複数箇所に設置されており、温度補償手段では、2つの該シールド部材の間に配置された該光ファイバの状態に基づく歪検出手段の結果を、前記2つのシールド部材内の少なくとも一方又は両方に配置される該光ファイバの状態に基づく温度検出手段の結果を利用して補償するため、歪を検出した場所に近い部分の温度に基づき、歪検出結果を補償するため、より正確な歪測定が可能となる。
According to the invention of
請求項4に係る発明により、歪検出手段は、ブリルアン散乱を用いた測定方式で歪みを検出するため、遠隔地からの測定をより簡便に実現することが可能となる。
According to the invention of
請求項5に係る発明により、温度検出手段は、ブリルアン散乱を用いた測定方式、又はファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いた測定方式のいずれかを利用して、温度を検出するため、遠隔地からの測定をより簡便に実現することが可能となる。 According to the invention of claim 5, the temperature detection means detects the temperature using either a measurement method using Brillouin scattering or a measurement method using a fiber Bragg grating. Measurement can be realized more easily.
請求項6に係る発明は、ファイバ・ブラッグ・グレーティングを用いた測定方式を利用した温度検出手段は、該歪検出手段に用いる測定光の波長と異なる波長を有する測定光を用いるため、共通の光ファイバを用いて温度と歪の異なるパラメータを、別々に検出することが可能となる。 In the invention according to claim 6, since the temperature detection means using the measurement method using the fiber Bragg grating uses measurement light having a wavelength different from that of the measurement light used for the strain detection means, It is possible to separately detect different parameters of temperature and strain using a fiber.
請求項7に係る発明により、温度検出手段に用いる測定光は、歪検出手段に用いる測定光を波長変換した光波を使用するため、測定光を供給する光源を、測定するパラメータ毎に準備する必要が無く、光測定システムのコスト増加もより抑制することが可能となる。 According to the invention of claim 7, since the measurement light used for the temperature detection means uses a light wave obtained by wavelength conversion of the measurement light used for the strain detection means, it is necessary to prepare a light source for supplying the measurement light for each parameter to be measured. Therefore, it is possible to further suppress the cost increase of the optical measurement system.
以下、本発明の光測定システムについて、詳細に説明する。
本発明の光測定システムは、図1に示すように、光ファイバを用いて温度及び歪みを測定可能な光測定システムにおいて、1本の光ファイバ2を用いて温度及び歪みに係る測定光を検知し、測定対象物に配置された該光ファイバの一部に、該測定対象物から該光ファイバに加わる応力を遮断するシールド部材3が配置され、該シールド部材内に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から温度を検出する温度検出手段と、該シールド部材以外に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から歪みを検出する歪検出手段と、該歪検出手段の結果を、該温度検出手段の結果で補償する温度補償手段とを有していることを特徴とする。
Hereinafter, the light measurement system of the present invention will be described in detail.
As shown in FIG. 1, the light measurement system of the present invention detects temperature and strain measurement light using a single
図1の符号1で示した部分には、温度検出手段と歪検出手段とを兼ね備えた歪・温度測定器10が配置されている。歪・温度測定器10では、特に歪測定検出手段として、ブリルアン光相関領域解析法(BOCDA)などのブリルアン散乱を用いた測定方式で歪みを検出している。これにより、遠隔地からの測定をより簡便に、より高精度に実現することが可能となる。また、温度検出手段や歪検出手段から得られたデータは、データ処理手段11で処理されるが、特に、歪検出手段の結果を、温度検出手段の結果で補償する温度補償手段が、当該データ処理手段11の中に組み込まれている。
In a portion indicated by
図2は、シールド部材3について説明する図である。光ファイバ2には、測定対象物からの応力が伝搬するのを遮断するため、光ファイバの一部を被覆するシールド部材3が配置されている。シールド部材は、測定対象物からの応力を遮断できる機械的強度を有するものであれば、特に材料に限定されない。ただし、測定対象物からの温度は、シールド部材の内部に配置される光ファイバに伝達可能なように構成することが好ましく、このため、シールド部材は、熱伝達効率の高いもので構成することが好ましい。このため、ステンレスなどの金属材料がより好適に利用可能である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the
シールド部材3の内部に配置される光ファイバ2の一部には、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)4が設けることが可能である。FBG4により、温度検出手段として、BOCDA以外の方法でも検出することが可能となる。
A fiber Bragg grating (FBG) 4 can be provided on a part of the
図3は、本発明の光測定システムの第1の実施例である。光ファイバ2は、測定対象物である橋梁等のコンクリート構造物の内部又は表面に設置されている。光ファイバ2の一部には、温度測定のためのFBG4が形成されている。FBGが設けられた光ファイバの周囲には、図2に示すシールド部材3が配置されている。
FIG. 3 shows a first embodiment of the light measurement system of the present invention. The
歪・温度測定器10には、歪検出手段と温度検出手段とが設けられている。歪検出手段では、BOCDAなどのブリルアン散乱を用いた測定方式が利用される。特許文献3に開示されたポンプ光をパルス化する技術を中心に具体的に説明するが、特許文献1などのようにブリルアン散乱を利用する測定方式は、多くの種類が提案されており、当然これらの測定方法も、本発明に利用可能であることは言うまでもない。
The strain /
具体的には、プローブ光とポンプ光とを生成する測定用光生成手段としては、図3に示すように、半導体レーザ(LD1)からの光波をプローブ光用とポンプ光用に、2つに分岐し、プローブ光用の光波は、周波数シフトするためにSSB変調器(SSBM)に導入する。図3では図示されていないが、信号源から発生された変調信号がSSBMに導入されている。ポンプ光は、パルス変調器であるマッハツェンダー型変調器(MZ)でパルス光に変換される。 Specifically, as the measurement light generating means for generating the probe light and the pump light, as shown in FIG. 3, the light wave from the semiconductor laser (LD1) is divided into two for the probe light and the pump light. The light wave for branching is introduced into the SSB modulator (SSBM) for frequency shift. Although not shown in FIG. 3, a modulated signal generated from a signal source is introduced into the SSBM. The pump light is converted into pulsed light by a Mach-Zehnder type modulator (MZ) which is a pulse modulator.
MZでパルス光に変換されたポンプ光は、光増幅器13によって増幅され、光ファイバ2に繋がる光ファイバに入射される。プローブ光も光ファイバ2に繋がる光ファイバから入射され、光ファイバ2において、プローブ光とポンプ光とが互いに逆向きに伝搬するよう構成されている。なお、プローブ光にも、必要に応じて光増幅器(不図示)を用いて増幅することができる。
The pump light converted into pulsed light by the MZ is amplified by the
光ファイバ2内でプローブ光とポンプ光とが相互作用し、ブリルアン散乱を発生させる。ブリルアン散乱光は、ポンプ光側のサーキュレータ2で受光素子(PD)に導入され、電気信号に変換される。PDの信号は、ロックインアンプに入力される。パルス発生器12からのパルス信号で、パルス変調器であるマッハツェンダー型変調器(MZ)とロックインアンプは駆動タイミングが調整されており、測定光に係る電気信号は、所定のタイミングで選択・増幅され、データ処理手段11である信号処理及び表示部に入力される。
Probe light and pump light interact in the
温度検出手段としては、後述するように、BOCDAなどのブリルアン散乱を利用することも可能である。なお、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG)4を用いることで、より簡便に測定することが可能である。FBGは、温度により特定の光波λ1の透過光量が変化するため、BOCDAのようにプローブ光やポンプ光など、複雑な光学系や駆動手段を必要としない。 As the temperature detecting means, Brillouin scattering such as BOCDA can be used as will be described later. In addition, it can measure more simply by using fiber Bragg grating (FBG) 4. The FBG does not require a complicated optical system and driving means such as probe light and pump light unlike the BOCDA because the amount of transmitted light of the specific light wave λ1 varies depending on the temperature.
半導体レーザ(LD2)から発生した光波λ1は、合波手段(mux)により、光ファイバ2に繋がる光学系(光ファイバ)に導入される。FBGを通過した光波λ1は、透過光量が温度によって変化し、サーキュレータ1で分岐手段(demux)側に導出される。
The light wave λ1 generated from the semiconductor laser (LD2) is introduced into an optical system (optical fiber) connected to the
サーキュレータ1では、温度検出用の光波だけでなく、歪検出用のポンプ光も導出されるため、分岐手段(demux)により、特定波長の光波λ1だけ分離するよう構成されている。符号14は、分岐手段を通過した不要光を受ける終端器である。
In the
分岐手段(demux)から分離された光波λ1は、比較器により、光源である半導体レーザ(LD2)の出力光(参照光)と強度比較され、光波λ1の光量変化を検出する。その結果をデータ処理手段11である信号処理/表示部に出力し、温度を検出する。光源の光強度が変化しない場合には、分岐手段(demux)の出力光のみから、温度を検出することも可能であるが、通常、光源の光強度が変化するため、図3のように、比較器を用いている。 The light wave λ1 separated from the branching means (demux) is compared in intensity with the output light (reference light) of the semiconductor laser (LD2), which is a light source, by a comparator to detect a change in the light amount of the light wave λ1. The result is output to the signal processing / display unit which is the data processing means 11 to detect the temperature. When the light intensity of the light source does not change, it is possible to detect the temperature only from the output light of the branching means (demux). However, since the light intensity of the light source usually changes, as shown in FIG. A comparator is used.
本発明の光測定システムでは、温度検出手段で検出された温度に基づき、温度に起因する誘導ブリルアン散乱(SBS)の周波数シフト量を求め、歪検出手段の結果から、環境温度による周波数シフト量を差し引き、歪のみに起因するSBSの周波数シフト量をより正確に検出するよう構成している。このようなデータ処理は、データ処理手段11に組み込まれた温度補償手段により行っている。 In the optical measurement system of the present invention, the frequency shift amount of stimulated Brillouin scattering (SBS) caused by the temperature is obtained based on the temperature detected by the temperature detection unit, and the frequency shift amount due to the environmental temperature is calculated from the result of the strain detection unit. The frequency shift amount of the SBS due to subtraction and distortion alone is detected more accurately. Such data processing is performed by temperature compensation means incorporated in the data processing means 11.
図3では、温度検出地点(FBG)は1箇所のみを例示しているが、通常は、図1に示すように、複数箇所に温度検出地点(シールド部材3)が設けられている。このように、シールド部材を光ファイバの複数箇所に設置し、多点で温度検出する場合には、温度補償手段では、例えば、2つのシールド部材(温度検出地点)の間に配置された光ファイバの状態に基づく歪検出手段の結果を、当該2つの温度測定地点の一方又は両方の検出した温度結果に基づき、補償することが好ましい。両方を利用する場合には、両方の温度結果の平均値を利用する方法や、各温度検出地点から歪検出地点までの距離の比に応じて温度結果を加重平均したものを利用する方法など、種々の方法を採用することが可能である。 In FIG. 3, only one temperature detection point (FBG) is illustrated, but normally, as shown in FIG. 1, temperature detection points (shield members 3) are provided at a plurality of locations. As described above, when the shield members are installed at a plurality of locations of the optical fiber and the temperature is detected at multiple points, the temperature compensation unit can, for example, use an optical fiber disposed between two shield members (temperature detection points). It is preferable to compensate for the result of the strain detection means based on the state of the above based on the temperature result detected at one or both of the two temperature measurement points. When using both, the method of using the average value of both temperature results, the method of using the weighted average of the temperature results according to the ratio of the distance from each temperature detection point to the strain detection point, etc. Various methods can be employed.
また、図3に示すように、歪検出手段に利用する半導体レーザ(LD1)の測定光の波長と、温度検出手段に利用する半導体レーザ(LD2)の測定光の波長とは、異なる波長を用いることで、両者を同時に検出することが可能となる。まだ、両方の測定光が干渉するなどの不具合が生じることも無く、また、分岐手段(demux)での温度検出用の測定光と歪検出用のポンプ光との分離も容易に行うことが可能である。 As shown in FIG. 3, the wavelength of the measurement light of the semiconductor laser (LD1) used for the strain detection means and the wavelength of the measurement light of the semiconductor laser (LD2) used for the temperature detection means are different from each other. Thus, both can be detected simultaneously. There is no trouble such as interference between both measurement lights, and it is also possible to easily separate the temperature detection light and the strain detection pump light at the branching means (demux). It is.
図4は、本発明の光測定システムの第2の実施例を説明する図である。
図3の実施例と異なる点を中心に説明すると、温度検出地点を複数にするため、ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG1〜3)を複数箇所設け、各FBGが透過光量を変化させる特定波長(λ1〜3)を、異なるよう設定している。これにより、測定光の波長(λ1〜3)を選択することで、温度検出地点を選択的に切り替えることが可能となる。
FIG. 4 is a diagram for explaining a second embodiment of the light measurement system of the present invention.
3 will be mainly described. In order to make a plurality of temperature detection points, a plurality of fiber Bragg gratings (FBG1 to 3) are provided, and each FBG changes a specific wavelength (λ1). To 3) are set differently. Thereby, it becomes possible to selectively switch the temperature detection point by selecting the wavelength (λ1 to 3) of the measurement light.
このように多種類の波長を有する光源を用意するのは、コスト増加の原因となるため、図4では、1つの半導体レーザ(LD)から出射される特定波長光を、周波数コム発生器(comb)で多波長光に変換し、光ファイバ2に繋がる光ファイバに導入している。また、図4では、温度検出手段に用いる半導体レーザと歪検出手段に用いる半導体レーザとを兼用している実施例を示している。当然、別々な光源とすることも可能であり、その場合は、図3のLD2の部分に、半導体レーザと周波数コム発生器(comb)が挿入される。
Since preparing a light source having a variety of wavelengths in this manner causes an increase in cost, in FIG. 4, a specific wavelength light emitted from one semiconductor laser (LD) is converted into a frequency comb generator (comb). ) Is converted into multi-wavelength light and introduced into an optical fiber connected to the
光ファイバ2の各ファイバ・ブラッグ・グレーティング(FBG1〜3)を通過した光波は、サーキュレータ1により分岐手段(demux1)側に導出され、波長毎(λ1〜3)に異なる光路に分離される。分離された各光波(λ1〜3)と、周波数コム発生器(comb)で発生させた多波長光の一部を分岐手段(demux2)に導入し分離した光波(参照光)とを、各波長毎に設けられた比較器で比較し、透過光量の変化を検出する。この透過光量の変化から各地点(FBG1〜3)における温度が検出される。
Light waves that have passed through the fiber Bragg gratings (
また、図4の実施例では、プローブ光を発生させるため、周波数シフトを行うSSB変調器(SSBM)を駆動する信号源15と、周波数コム発生器(comb)を駆動する信号源15とを兼用している。このため、歪検出と温度検出とは切り替えて実施している。
Further, in the embodiment of FIG. 4, in order to generate probe light, the
図4の光測定システムを用いて歪測定結果を、温度補償する方法について、図5を用いて説明する。図5(a)は、図4のFBG1〜3からの温度検出に対応する光強度を示している。横軸は測定点の位置を示しており、シールド部材(FBG1〜3)が配置された場所(測定位置)を符号S1〜S3で示している。縦軸は、各測定点に対応する光強度を示しており、FBGを透過する光波の光強度が低下する程、測定点における光ファイバーの温度が高くなっていることを示している。 A method for compensating the temperature of the strain measurement result using the optical measurement system of FIG. 4 will be described with reference to FIG. Fig.5 (a) has shown the light intensity corresponding to the temperature detection from FBG1-3 of FIG. The horizontal axis indicates the position of the measurement point, and the locations (measurement positions) where the shield members (FBG1 to 3) are arranged are indicated by reference numerals S1 to S3. The vertical axis indicates the light intensity corresponding to each measurement point, and indicates that the temperature of the optical fiber at the measurement point increases as the light intensity of the light wave transmitted through the FBG decreases.
図5(a)の温度に関する光強度の測定結果から、図5(b)に示すように温度を算出する。さらに、当該温度によるブリルアン散乱による周波数シフト量ΔfTを図5(c)のように算出する。 From the measurement result of the light intensity relating to the temperature in FIG. 5A, the temperature is calculated as shown in FIG. 5B. Further, a frequency shift amount Δf T due to Brillouin scattering due to the temperature is calculated as shown in FIG.
一方、ブリルアン散乱を用いて歪測定を行うと、シールド部材配置された測定位置S1〜S3を除く場所では、光ファイバ2に加わる応力だけでなく温度も影響しており、歪みと温度の影響を受けた周波数シフト量ΔfS+Tは、例えば、図5(d)のような測定結果として、検出される。
On the other hand, when strain measurement is performed using Brillouin scattering, not only the measurement positions S1 to S3 where the shield members are arranged, but also the temperature as well as the stress applied to the
例えば、図5(d)の周波数シフト量ΔfS+Tから温度の影響を排除するには、図5(c)に示すように、温度による周波数シフト量ΔfTを用いることが可能である。補償方法は、歪測定点近傍の温度測定値を使用する方法や、隣接する2つの温度測定点の測定値の平均値を用いる方法など種々の方法が使用できる。例えば、図5(c)のように、温度分布の近似曲線を利用し、図5(d)の測定値を補正すると、図5(e)に示すように歪のみの影響による周波数シフト量ΔfSが算出でき、矢印Aに示す場所に、歪が発生していることが容易に観察される。 For example, in order to eliminate the influence of temperature from the frequency shift amount Δf S + T of FIG. 5D, it is possible to use the frequency shift amount Δf T due to temperature as shown in FIG. 5C. As a compensation method, various methods such as a method using a temperature measurement value near a strain measurement point and a method using an average value of measurement values at two adjacent temperature measurement points can be used. For example, as shown in FIG. 5C, by using an approximate curve of the temperature distribution and correcting the measured value in FIG. 5D, the frequency shift amount Δf due to the influence of only the strain as shown in FIG. S can be calculated, and it is easily observed that distortion occurs at the location indicated by the arrow A.
次に、ブリルアン散乱を用いて温度を測定する方法を図6に示す。歪を測定する場合とまったく同様であるため、測定光学系は、ブリルアン散乱を用いた測定光学系のみで構成することができる。個々の構成については、図3又は4でも説明しているため、ここでは説明を省略するが、符号20は、ポンプ光がSSB変調器(SSBM)や半導体レーザに逆入射しないように、図の左方向に進む光波を遮断する光学部品である。また、測定点S1〜S3には、シールド部材が配置されているが、光ファイバには、FBGは設けられていない。
Next, a method for measuring temperature using Brillouin scattering is shown in FIG. Since it is exactly the same as the case of measuring strain, the measurement optical system can be configured only with a measurement optical system using Brillouin scattering. Since the individual configurations are also described in FIG. 3 or 4, description thereof is omitted here, but
図7は、図6の光測定システムを用いて温度補償を行う方法を説明したものである。まず、図7(a)のように、測定点S1〜S3におけるブリルアン散乱による周波数シフト量ΔfTを測定する。測定点S1〜S3には、シールド部材により光ファイバに加わる応力が遮断されているため、この周波数シフト量は、温度によるシフト量である。 FIG. 7 illustrates a method for performing temperature compensation using the optical measurement system of FIG. First, as shown in FIG. 7A, the frequency shift amount Δf T due to Brillouin scattering at the measurement points S1 to S3 is measured. Since the stress applied to the optical fiber by the shield member is blocked at the measurement points S1 to S3, this frequency shift amount is a shift amount due to temperature.
そして、測定点S1〜S3を除く他の地点での測定結果は、図7(b)に示すように、歪と温度とが共に影響した周波数シフト量ΔfS+Tとなっている。このため、図7(a)を用いて、図7(b)を補正(温度変化の影響を排除)すると、図7(c)に示すように、歪のみが影響した周波数シフト量ΔfSの空間分布を示すグラフが得られ、容易に歪が発生している箇所を特定することができる。 Then, as shown in FIG. 7B, the measurement result at other points excluding the measurement points S1 to S3 is the frequency shift amount Δf S + T in which both the strain and the temperature are affected. For this reason, when FIG. 7B is corrected (excludes the influence of temperature change) using FIG. 7A, as shown in FIG. 7C, the frequency shift amount Δf S affected only by the distortion is shown. A graph showing the spatial distribution is obtained, and the location where the distortion is generated can be easily identified.
以上説明したように、本発明によれば、1本の光ファイバにより歪と温度の両方を測定し、より正確な歪情報を測定することが可能であると共に、コストの増加を抑制した光測定システムを提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to measure both strain and temperature with a single optical fiber, to measure more accurate strain information, and to suppress the increase in cost. A system can be provided.
1 検出部
2 光ファイバ
3 シールド部材
4 ファイバ・ブラッグ・グレーティング
10 歪・温度測定器
11 データ処理手段
12,15 信号源
13 光増幅器
14 終端器
DESCRIPTION OF
Claims (7)
1本の光ファイバを用いて温度及び歪みに係る測定光を検知し、
測定対象物に配置された該光ファイバの一部に、該測定対象物から該光ファイバに加わる応力を遮断するシールド部材が配置され、
該シールド部材内に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から温度を検出する温度検出手段と、
該シールド部材以外に配置される該光ファイバの状態に基づく測定光から歪みを検出する歪検出手段と、
該歪検出手段の結果を、該温度検出手段の結果で補償する温度補償手段とを有することを特徴とする光測定システム。 In an optical measurement system capable of measuring temperature and strain using an optical fiber,
Detects measurement light related to temperature and strain using a single optical fiber,
A shield member that blocks stress applied to the optical fiber from the measurement object is arranged on a part of the optical fiber arranged on the measurement object,
Temperature detection means for detecting temperature from measurement light based on the state of the optical fiber disposed in the shield member;
Strain detection means for detecting strain from measurement light based on the state of the optical fiber disposed other than the shield member;
An optical measurement system comprising temperature compensation means for compensating the result of the strain detection means with the result of the temperature detection means.
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