JP2014182101A - Strain measurement method and strain measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多点のひずみを計測するひずみ計測方法及びひずみ計測装置に関するものである。 The present invention relates to a strain measuring method and a strain measuring apparatus that measure multi-point strain.
一般にひずみを計測する方法や装置として、電気抵抗式ひずみゲージが用いられている。しかし、近年、軽量・耐電磁干渉性・耐爆性に優れる光ファイバセンサであるFBG(Fiber Bragg Grating)センサが用いられるようになっている。FBGセンサは、ブラッグ波長と呼ばれる特定の波長を強く反射する性質を有する。そしてブラッグ波長はひずみ及び温度により変化し、ひずみ変化及び温度変化に対して良い線形性を有している。 In general, an electric resistance strain gauge is used as a method and apparatus for measuring strain. However, in recent years, FBG (Fiber Bragg Grating) sensors, which are optical fiber sensors excellent in light weight, electromagnetic interference resistance, and explosion resistance, have come to be used. The FBG sensor has a property of strongly reflecting a specific wavelength called a Bragg wavelength. The Bragg wavelength changes with strain and temperature, and has good linearity with respect to strain change and temperature change.
またFBGセンサによる多点のひずみを計測する場合、一般に複数のFBGセンサを1本の光ファイバに直列(鎖状)に配して使用し、FBGセンサの計測線の単純化により敷設効率が優れるようにしている(例えば特許文献1〜3参照)。
In addition, when measuring strain at multiple points using an FBG sensor, multiple FBG sensors are generally arranged in series (chained) on a single optical fiber, and the installation efficiency is improved by simplifying the FBG sensor measurement line. (For example, see
しかしながら、複数のFBGセンサを直列(鎖状)に配し、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件に配置する際には、曲率半径の小さな光ファイバ部位ではコア内の光信号がクラッドを透過して外部へ漏洩し、光ファイバコア中を伝送される光信号強度が減衰してしまうという問題があった。一般的なシングルモードの光ファイバでは、曲率半径が30mmよりも小さくなると、光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できなくなることが知られている。曲率半径をより小さくできるシングルモード光ファイバであってもコアとクラッド間の全反射条件が満足できるのは曲率半径15mm程度である。 However, an optical fiber in which a plurality of FBG sensors are arranged in series (chains) and a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad cannot be secured for the optical signal propagating in the optical fiber core. When placed in the laying condition, the optical signal in the core leaks to the outside through the cladding at the optical fiber portion having a small radius of curvature, and the intensity of the optical signal transmitted through the optical fiber core is attenuated. There was a problem. It is known that a general single mode optical fiber cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad when the radius of curvature is smaller than 30 mm. Even in a single mode optical fiber that can make the radius of curvature smaller, it is only about 15 mm in radius of curvature that the total reflection condition between the core and the clad can be satisfied.
このようなとき、対応としては、特許文献1の図3に示す如くFBGセンサを並列にする構成が考えられている。FBGセンサを並列に配置する構成は、光カプラと呼ばれる光学受動素子が用いられる。光カプラは1本もしくは複数本の光ファイバを伝播してきた光信号強度を、2本以上の光ファイバに分割する機能と1本の光ファイバに集約させる二つの機能を果たすものである。図3の場合にあっては、光源から照射された光を光サーキュレータを介し、さらに光カプラによって、光源の照射する波長帯域のまま、光信号強度を分割してそれぞれのFBGセンサに照射し、更に、FBGセンサからの反射光を光カプラによって再結合し、光サーキュレータを介して波長測定器に導くようにしている。 In such a case, a configuration in which FBG sensors are arranged in parallel as shown in FIG. The configuration in which the FBG sensors are arranged in parallel uses an optical passive element called an optical coupler. The optical coupler fulfills two functions of dividing the optical signal intensity propagated through one or a plurality of optical fibers into two or more optical fibers and consolidating them into one optical fiber. In the case of FIG. 3, the light emitted from the light source is split through the optical circulator, and further split by the optical coupler while maintaining the wavelength band irradiated by the light source to irradiate each FBG sensor. Furthermore, the reflected light from the FBG sensor is recombined by an optical coupler and guided to a wavelength measuring device via an optical circulator.
しかしながら、FBGセンサのブラッグ波長計測方法として、特許文献1の図3、特許文献4に示す如く、光サーキュレータとFBGセンサの間に光カプラを配置し、光学フィルタを用いる方法(非特許文献1に計測原理を記載)では、各FBGセンサに照射される光信号強度は光カプラの光強度分割比(例えば二つのFBGセンサに分割する場合には50%:50%)に従い小さくなり、ブラッグ波長を計測するための光学フィルタに入射される光信号強度も光カプラの光強度分割比に伴い小さくなる。またFBGセンサが直列に接続された場合と比較しても光カプラの光強度分割比に対して小さくなる。ここで、図7(a)(b)には、FBG反射光スペクトラムと、光カプラを使用した場合(分割比50%)を示し、光カプラの光信号強度が低下していることを示している。なお、図7(a)の縦軸は対数スケール軸表示であり、図7(b)の縦軸は線形スケール軸表示である。
However, as a method for measuring the Bragg wavelength of the FBG sensor, as shown in FIG. 3 of
また非特許文献1に記載されたFBGセンサによるひずみ計測方法では、FBGセンサからの反射光の波長帯域は、非特許文献1に記載された光学フィルタの波長帯域に対して、十分に狭く、光学フィルタの透過率と反射率と波長の関係から考えてほぼ線スペクトル(数学的にはδ関数状)として考えることを測定原理にしている。
In the strain measurement method using the FBG sensor described in
しかしながら、非特許文献1の方法では、ひずみを計測するための光学フィルタに入射される光信号は、FBGセンサからブラッグ波長を中心とする狭帯域光以外に、光ファイバの終端部や、光源、光サーキュレータ、光カプラ等の光コネクタや、融着接合部からのフレネル反射による微弱な広帯域光を伴うため(図7(a)のフレネル反射を参照)、FBGセンサの反射光強度が光カプラにより小さくなることは、FBGセンサからの反射光強度に対して相対的に微弱なフレネル反射による広帯域光の影響が大きくなるという問題が生じる。このとき、ひずみを計測するための光学フィルタを透過及び反射した光強度において、フレネル反射強度の影響が増すことになる。このため、光ファイバの曲率半径がコアとクラッド間の全反射条件を満足できないような部位が存在する場合に、FBGセンサと光サーキュレータの間の光信号の分割に光カプラを用いると、広帯域のフレネル反射の影響により、FBGセンサの反射光スペクトラムを線スペクラムとする測定原理を満足することができなくなり、ブラッグ波長の測定精度が低下するという課題があった。これは、FBGセンサの反射率が低下したことと同等の効果である。
However, in the method of Non-Patent
FBGセンサの反射率は一般にグレーティング長が長いほど反射率が高く、15mm程度のFBGセンサであれば99%の反射率を得ることができる。しかし、被検体の条件よりグレーティング長が1mmや2mmほどに短くなると反射率は50%から60%程度まで低下する。よって、光カプラによる光信号強度分割をグレーティング長の短いFBGセンサに適用すると、光カプラの分割比が50%ならば、FBGの反射率が25%から30%になったことと同等となる。さらに、光カプラは光源の照射波長帯域全ての光を分割するため、フレネル反射の波長帯域も光源の照射光スペクトラムと相似であると共に広帯域である。よって、非特許文献1のFBGセンサによるひずみ計測原理である、FBGセンサ反射光が線スペクトラムであるという前提条件を十分に満足しえないことが生じる。
In general, the reflectance of the FBG sensor is higher as the grating length is longer, and if the FBG sensor is about 15 mm, a reflectance of 99% can be obtained. However, when the grating length is shortened to about 1 mm or 2 mm from the condition of the subject, the reflectance decreases from about 50% to about 60%. Therefore, when optical signal intensity division by an optical coupler is applied to an FBG sensor with a short grating length, if the optical coupler division ratio is 50%, it is equivalent to the fact that the reflectivity of the FBG is reduced from 25% to 30%. Furthermore, since the optical coupler divides light in the entire irradiation wavelength band of the light source, the wavelength band of Fresnel reflection is similar to the irradiation light spectrum of the light source and has a wide band. Therefore, the precondition that the reflected light of the FBG sensor, which is the principle of strain measurement by the FBG sensor of Non-Patent
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件が存在する場合であっても、FBGセンサによる多点のひずみを好適に計測することができる、ひずみ計測方法及びひずみ計測装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an optical fiber in which a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad cannot be secured for an optical signal propagating in the optical fiber core. It is an object of the present invention to provide a strain measuring method and a strain measuring apparatus capable of suitably measuring multi-point strains by an FBG sensor even when laying conditions exist.
本発明のひずみ計測方法は、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件が存在する場合に、FBGセンサによる多点のひずみを計測するひずみ計測方法であって、
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、光源と複数のFBGセンサの間に配置される第一の波長分割器と、複数のFBGセンサからの反射光側に配置される第二の波長分割器とを備え、
前記光源からの光を第一の波長分割器により複数の光ファイバに分波して各波長帯域に対応する複数のFBGセンサに光源の光を照射し、前記光源からFBGセンサまでに敷設する光ファイバのコアとクラッド間の全反射条件を常に満足させ、且つ前記光源からFBGセンサに照射する光強度及びFBGセンサから反射された光強度の導波路にある光ファイバ中の光強度損失を最小にする条件とし、前記FBGセンサからのそれぞれの反射光を前記第二の波長分割器により分波し、複数のFBGセンサによるひずみを計測するものである。
The strain measurement method of the present invention, when there is an optical fiber laying condition that can not secure a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core, A strain measurement method for measuring strains at multiple points using an FBG sensor,
A plurality of FBG sensors and optical fibers attached to the site under the above conditions and arranged in parallel, a first wavelength divider arranged between the light source and the plurality of FBG sensors, and reflection from the plurality of FBG sensors A second wavelength divider disposed on the light side,
Light that divides light from the light source into a plurality of optical fibers by a first wavelength divider, irradiates light from the light source to a plurality of FBG sensors corresponding to each wavelength band, and lays between the light source and the FBG sensor The total reflection condition between the fiber core and the cladding is always satisfied, and the light intensity loss in the optical fiber in the waveguide of the light intensity irradiated to the FBG sensor from the light source and the light intensity reflected from the FBG sensor is minimized. In this condition, each reflected light from the FBG sensor is demultiplexed by the second wavelength divider, and distortions by a plurality of FBG sensors are measured.
ここで、波長分割器と光カプラの違いについて記述すると、光カプラは光強度を分割もしくは結合する光学受動素子である。最も一般的な光カプラは1本の光ファイバを伝送してきた光信号を50%:50%の2つの光ファイバの経路に分割するものである。このような光カプラは1×2光カプラと呼ばれる。一般的に入手可能な光カプラには1本の光ファイバを伝送して来た光信号を4本の光ファイバに25%ずつ分割する1×4光カプラ等もある。一方、波長分割器は、1本の光ファイバを伝送してきた光信号を、光の波長帯域によって分波するものである。光学的に最も良く知られた波長分割器は三角プリズムである。しかし、光ファイバ技術はデジタル信号を伝送させるため、連続的な波長分割器(これは一般に分光器と呼ばれる)は使用されず、図8に示すように、明確な透過波長帯域と隣り合う波長帯域間において、信号の混信が起きないように波長帯域を有する誘電体薄膜光学フィルタや透過帯域の広いチャープFBGなどにより構成される。誘電体薄膜光学フィルタは、光信号を照射する場合に挿入損失等があり、原光信号の100%の光強度のまま波長分割をすることはできないが、光カプラのように光信号強度が半分となるようなことはない。このような光信号の波長分割は光ファイバ通信では波長分割多重伝送(Wavelength Division Multiplexing: WDM)として一般的である。しかし、FBGセンサをひずみセンサや温度センサとする場合、一般に先行技術に記載されているようにFBGセンサを直列(鎖状)に接続することが可能なため、伝送線路の簡素化が利点として挙げられることが多い。しかし、実構造物においては、本発明に記載するように、全てのFBGセンサに光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足するように光ファイバを敷設することが困難な場合がある。そのような場合、前述の通り、一般には光カプラが使用される。 Here, the difference between the wavelength divider and the optical coupler will be described. The optical coupler is an optical passive element that divides or couples the light intensity. The most common optical coupler divides an optical signal transmitted through one optical fiber into two 50%: 50% optical fiber paths. Such an optical coupler is called a 1 × 2 optical coupler. A generally available optical coupler includes a 1 × 4 optical coupler that divides an optical signal transmitted through one optical fiber into four optical fibers by 25%. On the other hand, the wavelength divider demultiplexes an optical signal transmitted through one optical fiber according to the wavelength band of light. The best optically known wavelength divider is a triangular prism. However, since fiber optic technology transmits digital signals, a continuous wavelength divider (which is commonly referred to as a spectroscope) is not used, and as shown in FIG. In order to prevent signal interference, a dielectric thin film optical filter having a wavelength band and a chirp FBG having a wide transmission band are used. Dielectric thin film optical filters have insertion loss when irradiating an optical signal, and cannot be wavelength-divided with the optical intensity of 100% of the original optical signal, but the optical signal intensity is half that of an optical coupler. There is no such thing as. Such wavelength division of an optical signal is generally used as wavelength division multiplexing (WDM) in optical fiber communication. However, when an FBG sensor is used as a strain sensor or a temperature sensor, the FBG sensor can be connected in series (in a chain) as described in the prior art. It is often done. However, in the actual structure, as described in the present invention, it may be difficult to lay the optical fiber so as to satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad in all the FBG sensors. In such a case, as described above, an optical coupler is generally used.
本発明のひずみ計測方法において、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件が存在する場合に適用することが好ましい。 The strain measurement method of the present invention can be applied when there is an optical fiber laying condition with a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core. preferable.
本発明のひずみ計測方法において、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件の部位とは、狭窄部、屈曲部、湾曲部、折り返し部、棒状体の周囲部等の少なくとも一つである。 In the strain measurement method of the present invention, the portion of the optical fiber laying condition that has a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad with respect to the optical signal propagating in the optical fiber core includes a narrowed portion, a bent portion At least one of a part, a curved part, a folded part, a peripheral part of a rod-like body, and the like.
本発明のひずみ計測装置は、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件が存在する場合に、FBGセンサによる多点のひずみを計測するひずみ計測装置であって、
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、光源と複数のFBGセンサの間に配置される第一の波長分割器と、複数のFBGセンサからの反射光側に配置される第二の波長分割器とを備え、
前記光源からの光を第一の波長分割器により複数の光ファイバに分波して各波長帯域に対応する複数のFBGセンサに光源の光を照射し、前記光源からFBGセンサまでに敷設する光ファイバのコアとクラッド間の全反射条件を常に満足させ、且つ前記光源からFBGセンサに照射する光強度及びFBGセンサから反射された光強度の導波路にある光ファイバ中の光強度損失を最小にする条件とし、前記FBGセンサからのそれぞれの反射光を前記第二の波長分割器により分波し、複数のFBGセンサによるひずみを計測するように構成するものである。
The strain measuring device of the present invention, when there is an optical fiber laying condition that can not ensure a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core, A strain measuring device that measures multi-point strains by FBG sensors,
A plurality of FBG sensors and optical fibers attached to the site under the above conditions and arranged in parallel, a first wavelength divider arranged between the light source and the plurality of FBG sensors, and reflection from the plurality of FBG sensors A second wavelength divider disposed on the light side,
Light that divides light from the light source into a plurality of optical fibers by a first wavelength divider, irradiates light from the light source to a plurality of FBG sensors corresponding to each wavelength band, and lays between the light source and the FBG sensor The total reflection condition between the fiber core and the cladding is always satisfied, and the light intensity loss in the optical fiber in the waveguide of the light intensity irradiated to the FBG sensor from the light source and the light intensity reflected from the FBG sensor is minimized. The reflected light from the FBG sensor is demultiplexed by the second wavelength divider, and distortions by a plurality of FBG sensors are measured.
本発明のひずみ計測装置は、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件が存在する場合に、多点のFBGセンサによるひずみを計測するひずみ計測装置であって、
光源と
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、
前記光源からの光を導波の方向を制御する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータからの光を複数の光ファイバに分波して複数のFBGセンサに出力する第一の波長分割器と、
複数のFBGセンサからの反射光を、第一の波長分割器及び光サーキュレータを介した後、分波して出力する第二の波長分割器と、
第二の波長分割器で分波された光に対応する複数の光学フィルタと、
前記光学フィルタからの透過光を受ける透過光側光電変換器と、
前記光学フィルタからの反射光を受ける反射光側光電変換器とを備えるものである。
The strain measuring device of the present invention has an optical fiber laying condition in which there is an optical fiber laying condition with a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for an optical signal propagating in the optical fiber core. A strain measuring device that measures strain by an FBG sensor,
A plurality of FBG sensors and optical fibers, which are attached to the light source and the part under the above-mentioned conditions,
An optical circulator for controlling the direction of light guiding from the light source;
A first wavelength divider that demultiplexes light from the optical circulator into a plurality of optical fibers and outputs the demultiplexed light to a plurality of FBG sensors;
Reflected light from a plurality of FBG sensors, after passing through the first wavelength divider and the optical circulator, a second wavelength divider that demultiplexes and outputs,
A plurality of optical filters corresponding to the light demultiplexed by the second wavelength divider;
A transmitted light side photoelectric converter that receives transmitted light from the optical filter;
A reflected light side photoelectric converter that receives reflected light from the optical filter.
本発明のひずみ計測装置において、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件が存在する場合に、第一の波長分割器から、該第一の波長分割器の各波長帯域に対応するFBGセンサまでに光ファイバを配した場合には、該光ファイバは、並列な複数本からなり、前記曲率半径より大きい曲率半径を備えて敷設されることが好ましい。 In the strain measuring apparatus of the present invention, when there is an optical fiber laying condition that has a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating through the optical fiber core, When an optical fiber is arranged from the wavelength divider to the FBG sensor corresponding to each wavelength band of the first wavelength divider, the optical fiber is composed of a plurality of parallel fibers and has a curvature larger than the radius of curvature. It is preferable to lay with a radius.
本発明のひずみ計測装置において、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件の部位とは、狭窄部、屈曲部、湾曲部、折り返し部、棒状体の周囲部等の少なくとも一つである。 In the strain measuring apparatus of the present invention, the portion of the optical fiber laying condition having a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad with respect to the optical signal propagating in the optical fiber core includes a narrowed portion, a bent portion At least one of a part, a curved part, a folded part, a peripheral part of a rod-like body, and the like.
本発明のひずみ計測方法及びひずみ計測装置によれば、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件が存在し、かつ、複数のFBGセンサを使用することが必要な被検体の場合であっても、第一の波長分割器により複数のFBGセンサを並列に配置して取り付けると共に、並列のFBGセンサ、第一の波長分割器、第二の波長分割器の構成によりFBGセンサの反射光強度の低減を抑制し、多点のひずみを好適に計測することができる。 According to the strain measurement method and the strain measurement apparatus of the present invention, the optical fiber laying condition is such that a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad cannot be secured for the optical signal propagating in the optical fiber core. Even in the case of a subject that requires the use of multiple FBG sensors, multiple FBG sensors are arranged and mounted in parallel using the first wavelength divider, and parallel FBG sensors The configuration of the first wavelength divider and the second wavelength divider can suppress the reduction of the reflected light intensity of the FBG sensor and can suitably measure multi-point distortion.
以下、本発明のひずみ計測方法及びひずみ計測装置を実施する形態例を図1を参照して説明する。 Hereinafter, an exemplary embodiment for carrying out the strain measuring method and strain measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
実施の形態例のひずみ計測方法及びひずみ計測装置は、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件が存在する場合に、多点のひずみ計測として適用するものである。 The strain measurement method and the strain measurement apparatus according to the embodiment are configured so that an optical fiber laying condition in which a radius of curvature that satisfies a total reflection condition between an optical fiber core and a clad cannot be secured for an optical signal propagating in the optical fiber core. Is applied as a multi-point strain measurement.
ここで光ファイバ敷設条件とは、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径を備える条件である。また、光ファイバ敷設条件の部位は、狭窄部、屈曲部、湾曲部、折り返し部、棒状体の周囲部等の少なくとも一つである。このような状態を表す例の一つとしては、図5のような棒状体の計測対象物Aの軸方向にFBGセンサ2を4本接着するような場合がある。この時、棒状体の周囲及び端側を障害物Sにより囲われている場合、FBGセンサ2を直列に接続すると、光ファイバ12の曲率半径が極端に小さい部分Fsが発生してしまう。同様に、他の例の一つとしては、図6のような計測対象物A'の垂直方向の端部の上下両方に障害物S'があり、その両方の障害物S'近傍になるように計測対象物A'の垂直方向及び水平方向にFBGセンサ2を4本接着し、垂直方向と水平方向のひずみを計測する場合がある。この時、FBGセンサ2を直列に接続すると、光ファイバ12の曲率半径が極端に小さな部分Fsが発生してしまう。
Here, the optical fiber laying condition is a condition including a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core. Further, the site of the optical fiber laying condition is at least one of a narrowed portion, a bent portion, a curved portion, a folded portion, a peripheral portion of the rod-like body, and the like. One example of representing such a state is a case where four
図5及び図6の曲率半径が小さい部分Fsを発生させないために、光ファイバの敷設の具体的な一例としては、図2、図3 に示す如く棒状体の計測対象物Aに対し、FBGセンサ2及び光ファイバ12を並列に配置するものがある。また光ファイバの敷設の具体的な他例としては、図4に示す如く計測対象物A'の垂直方向及び水平方向に対し、FBGセンサ2及び光ファイバ12を並列に配置するものがある。そして図2、図3のFBGセンサ2及び光ファイバ12は図1の第一の波長分割器4から光ファイバのコアとクラッド間の光信号の全反射条件を満足するように敷設される。
In order to prevent the generation of the portion Fs having a small radius of curvature in FIGS. 5 and 6, as a specific example of the laying of the optical fiber, an FBG sensor is used for a measuring object A of a rod-shaped body as shown in FIGS. 2 and the
実施の形態のひずみ計測方法及びひずみ計測装置は、光源1と、並列に配置された複数のFBGセンサ2と、光源1からの光を導波の方向を制御する光サーキュレータ3と、光サーキュレータ3からの光を分波して複数のFBGセンサ2に出力する第一の波長分割器4と、複数のFBGセンサ2からの反射光を分波して出力する第二の波長分割器5と、第二の波長分割器5で分波された光に対応する複数の光学フィルタ6と、光学フィルタ6からの透過光を受ける透過光側光電変換器7と、光学フィルタ6からの反射光を受ける反射光側光電変換器8と、透過光側光電変換器7及び反射光側光電変換器8に接続されるデータ処理器9とを備えている。
The strain measurement method and strain measurement apparatus of the embodiment include a
光源1は、広帯域の光を連続的に出力するものであり、広帯域の光は、FBGセンサ2のブラッグ波長を全て含むようになっている。また光源1と光サーキュレータ3の間には、広帯域の光を光サーキュレータ3に導波するように光源側の光ファイバ10を配し、光サーキュレータ3と第一の波長分割器4との間には、広帯域の光を光サーキュレータ3から第一の波長分割器4に導波するように中間側の光ファイバ11を配している。
The
FBGセンサ2は、計測側の光ファイバ12に形成されている。計測側の光ファイバ12は、所定の部位へ接着される並列な複数本からなり(図1では4本)、光ファイバ敷設条件下で並列な状態に配置されている。また計測側の光ファイバ12は、第一の波長分割器4から分岐しており、個々の計測側の光ファイバ12は、光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できる曲率半径を確保するか、または直線上の状態で配置されている。ここで光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できる曲率半径とは、一般的なシングルモード光ファイバであれば曲率半径が30mm以上となっている。また、図2、図3に示す如く棒状体の計測対象物AにFBGセンサ2を配置する場合には棒状体の周方向に沿って複数のFBGセンサ2(図3では4つ)を配置している。
The
光サーキュレータ3は、光源1からの光を、第一の波長分割器4を介してFBGセンサ2へ導波させると共に、FBGセンサ2からの反射光を、第一の波長分割器4を介して第二の波長分割器5へ導波するようになっている。
The optical circulator 3 guides the light from the
第一の波長分割器4は、複数のFBGセンサ2に対応するように光源1の光を複数の波長で分波している。ここで波長分割器の代わりに光カプラを使用した場合には、光源1の光を光強度で分波するため、信号のSN比が低下し、フレネル反射などの微弱な広帯域光に悪影響を生じる。具体的に説明すると、波長分割器は、光の挿入損失が−1dB(20.5%)程度であるのに対し、50:50の光カプラは、光コネクタ等の損失を含め、光の損失が−4dB(−1dBが挿入損失、分割比が−3dB、60.2%)程度となる。光強度の単位はミリワットやマイクロワットであるため、光損失のデシベル表示は10×log10(出力光強度/入力光強度)により計算される。
The first wavelength divider 4 demultiplexes the light of the
第二の波長分割器5は、光サーキュレータ3に反射側の光ファイバ13を介して接続されており、第一の波長分割器4とほぼ同じ機能を有し、複数のFBGセンサ2で反射された複数の反射光に対応するように反射光を複数の波長で分波している。
The second wavelength divider 5 is connected to the optical circulator 3 via a reflection-side
光学フィルタ6は、第二の波長分割器5にフィルタ側の光ファイバ14を介して接続されており、複数枚(図1では4枚)の誘電体薄膜光学フィルタにより構成され、第二の波長分割器5で分波された光の波長帯域にそれぞれ対応するようになっている。
The
透過光側光電変換器7は、光学フィルタ6に透過光側の光ファイバ15を介して接続されており、光学フィルタ6からの透過光を電気的なひずみ信号に変換するようにしている。また反射光側光電変換器8は、光学フィルタ6に反射光側の光ファイバ16を介して接続されている。透過光側光電変換器7と反射光側光電変換器8の出力電圧は光学フィルタ6の透過率及び反射率に対応しており、透過光側光電変換器7の出力電圧と反射光側光電変換器8の出力電圧から、FBGセンサの反射光幅を線スペクトラムで処理することを前提として、FBGセンサのブラッグ波長を知ることが可能であり、その結果、被検体のひずみ変化を知ることが可能となっている。
The transmitted light side
データ処理器9は、透過光側光電変換器7及び反射光側光電変換器8に光ファイバや電気ケーブル等の伝達経路17を介して接続されており、透過光側光電変換器7からひずみ信号、及び反射光側光電変換器8からひずみ信号を受けるようになっている。ここでデータ処理器9は、計測部やデータ収録部を備えており、他の信号処理機能を備えても良い。またデータ処理器9は、全ての透過光側光電変換器7及び反射光側光電変換器8の信号を受けるものでなく、必要に応じて所望の信号を受けるものでも良いし、個々に分割されても良い。
The
以下本発明を実施する形態例の作用を説明する。 The operation of the embodiment for carrying out the present invention will be described below.
光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件の部位において、多点のひずみを計測する際には、準備段階としてFBGセンサ2を含む複数の光ファイバ12を光コネクタ接続や融着接続及びメカニカルスプライス等の接着手段により敷設する。ここで光ファイバ12は、光ファイバ敷設条件下において、光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できる曲率半径を確保し、または直線上の状態で配置され、光源1からFBGセンサ2までに敷設する光ファイバ12のコアとクラッド間の全反射条件を満足させ、且つ光源1からFBGセンサ2に照射する光強度及びFBGセンサ2から反射された光強度の導波路にある光ファイバ12中の光強度損失を最小にしている。
When measuring multi-point strain in a portion of the optical fiber laying condition that has a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad, a plurality of
計測段階では、光源1から広帯域の光を照射し、光サーキュレータ3を介して第一の波長分割器4に入射させる。次に第一の波長分割器4では光を波長帯域毎に分波し、複数の光ファイバ12に分波させ、該各光ファイバ12の先端にあるFBGセンサ2に入射させる。ここで、第一の波長分割器4は、光源1からの光を波長帯域毎に分波し、各波長帯域に対応する複数のFBGセンサ2に光源1の光を照射している。
In the measurement stage, broadband light is emitted from the
夫々のFBGセンサ2から反射した反射光は、第一の波長分割器4を介して一つの光信号となり、光サーキュレータ3により第二の波長分割器5へ導波される。第二の波長分割器5では、複数のFBGセンサ2に対応するように反射光を分波し、複数の光学フィルタ6に入射させる。
The reflected light reflected from each
光学フィルタ6では、透過光と反射光を生じ、透過光を透過光側光電変換器7へ入射させると共に、反射光を反射光側光電変換器8へ入射させる。次に透過光側光電変換器7では透過光を電圧信号に変換してデータ処理器9に送り、反射光側光電変換器8では反射光を電圧信号に変換してデータ処理器9に送る。そしてデータ処理器9では、それぞれの電圧信号から複数のブラッグ波長を求める。ここでデータ処理器9の処理は、ブラッグ波長を連続的に計測するものでもよいし、必要な条件を追加して処理するものでもよい。
In the
而して、このように実施の形態例によれば、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足する曲率半径を確保できないような光ファイバ敷設条件が存在し、かつ、複数のFBGセンサ2を使用することが必要な被検体の場合であっても、第一の波長分割器4により複数のFBGセンサ2を並列に配置して取り付けると共に、並列のFBGセンサ2、第一の波長分割器4、第二の波長分割器5の構成によりFBGセンサ2の反射光強度の低減を抑制し、多点のひずみを好適に計測することができる。
Thus, according to the embodiment, the optical fiber laying in which the radius of curvature satisfying the total reflection condition between the optical fiber core and the clad cannot be secured for the optical signal propagating in the optical fiber core. Even in the case of a subject in which conditions exist and it is necessary to use a plurality of
実施の形態例のひずみ計測装置において、
光源1と、
光ファイバ敷設条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ2及び光ファイバ12と、
光源1からの光を導波の方向を制御する光サーキュレータ3と、
光サーキュレータ3からの光を分波して複数のFBGセンサ2に出力する第一の波長分割器4と、
複数のFBGセンサ2からの反射光を、第一の波長分割器4及び光サーキュレータ3を介した後、分波して出力する第二の波長分割器5と、
第二の波長分割器5で分波された光に対応する複数の光学フィルタ6と、
光学フィルタ6からの透過光を受ける透過光側光電変換器7と、
光学フィルタ6からの反射光を受ける反射光側光電変換器8とを備えると、光ファイバ敷設条件が存在する場合であっても、複数のFBGセンサ2を並列に配置して容易に取り付けると共に、並列のFBGセンサ2、第一の波長分割器4、第二の波長分割器5の構成によりFBGセンサ2の反射光強度の低減を抑制し、多点のひずみを一層好適に計測することができる。
In the strain measuring device of the embodiment,
A
A plurality of
An optical circulator 3 for controlling the direction of light guided from the
A first wavelength divider 4 that demultiplexes the light from the optical circulator 3 and outputs the demultiplexed light to a plurality of
A second wavelength divider 5 for demultiplexing and outputting the reflected light from the plurality of
A plurality of
A transmitted light side
When the reflected light side
実施の形態例において、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件の部位は、狭窄部、屈曲部、湾曲部、折り返し部、棒状体の周囲部の少なくとも一つであっても、FBGセンサ2の反射光強度の低減を一層抑制し、多点のひずみを極めて好適に計測することができる。
In the embodiment, the portion of the optical fiber laying condition that has a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad with respect to the optical signal propagating in the optical fiber core includes a narrowed portion, a bent portion, and a curved portion. Even at least one of the peripheral portion, the folded portion, and the peripheral portion of the rod-shaped body, the reduction of the reflected light intensity of the
尚、本発明のひずみ計測方法及びひずみ計測装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the strain measuring method and strain measuring apparatus of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
1 光源(光源)
2 FBGセンサ
3 光サーキュレータ
4 第一の波長分割器
5 第二の波長分割器
6 光学フィルタ
7 透過光側光電変換器
8 反射光側光電変換器
12 光ファイバ
1 Light source
2 FBG sensor 3 Optical circulator 4 First wavelength divider 5
本発明のひずみ計測装置は、光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件が存在する場合に、多点のFBGセンサによるひずみを計測するひずみ計測装置であって、
光源と、
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、
前記光源からの光を導波の方向を制御する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータからの光を複数の光ファイバに分波して複数のFBGセンサに出力する第一の波長分割器と、
複数のFBGセンサからの反射光を、第一の波長分割器及び光サーキュレータを介した後、分波して出力する第二の波長分割器と、
第二の波長分割器で分波された光に対応する複数の光学フィルタと、
前記光学フィルタからの透過光を受ける透過光側光電変換器と、
前記光学フィルタからの反射光を受ける反射光側光電変換器とを備え、
光ファイバコア中を伝播する光信号に対して光ファイバコアとクラッド間の全反射条件を満足できない曲率半径となる光ファイバ敷設条件が存在する場合に、第一の波長分割器から、該第一の波長分割器の各波長帯域に対応するFBGセンサまでに光ファイバを配した際には、該光ファイバは、並列な複数本からなり、前記曲率半径より大きい曲率半径を備えて敷設されるものである。
The strain measuring device of the present invention has an optical fiber laying condition in which there is an optical fiber laying condition with a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for an optical signal propagating in the optical fiber core. A strain measuring device that measures strain by an FBG sensor,
A light source;
A plurality of FBG sensors and optical fibers attached to the site under the conditions and arranged in parallel;
An optical circulator for controlling the direction of light guiding from the light source;
A first wavelength divider that demultiplexes light from the optical circulator into a plurality of optical fibers and outputs the demultiplexed light to a plurality of FBG sensors;
Reflected light from a plurality of FBG sensors, after passing through the first wavelength divider and the optical circulator, a second wavelength divider that demultiplexes and outputs,
A plurality of optical filters corresponding to the light demultiplexed by the second wavelength divider;
A transmitted light side photoelectric converter that receives transmitted light from the optical filter;
A reflected light side photoelectric converter that receives reflected light from the optical filter ,
When there is an optical fiber laying condition with a radius of curvature that cannot satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for an optical signal propagating in the optical fiber core, the first wavelength divider when we arranged optical fibers to FBG sensors corresponding to each wavelength band of the wavelength splitter, the optical fiber is made of a plurality of parallel, are laid with a radius of curvature greater than the radius of curvature shall It is.
Claims (7)
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、光源と複数のFBGセンサの間に配置される第一の波長分割器と、複数のFBGセンサからの反射光側に配置される第二の波長分割器とを備え、
前記光源からの光を第一の波長分割器により複数の光ファイバに分波して各波長帯域に対応する複数のFBGセンサに光源の光を照射し、前記光源からFBGセンサまでに敷設する光ファイバのコアとクラッド間の全反射条件を満足させ、且つ前記光源からFBGセンサに照射する光強度及びFBGセンサから反射された光強度の導波路にある光ファイバ中の光強度損失を最小にする条件とし、前記FBGセンサからのそれぞれの反射光を前記第二の波長分割器により分波し、複数のFBGセンサによるひずみを計測することを特徴とするひずみ計測方法。 When there is an optical fiber laying condition that does not ensure a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core, the multipoint distortion caused by the FBG sensor is reduced. A strain measurement method for measuring,
A plurality of FBG sensors and optical fibers attached to the site under the above conditions and arranged in parallel, a first wavelength divider arranged between the light source and the plurality of FBG sensors, and reflection from the plurality of FBG sensors A second wavelength divider disposed on the light side,
Light that divides light from the light source into a plurality of optical fibers by a first wavelength divider, irradiates light from the light source to a plurality of FBG sensors corresponding to each wavelength band, and lays between the light source and the FBG sensor Satisfy the total reflection condition between the core and clad of the fiber, and minimize the light intensity loss in the optical fiber in the waveguide of the light intensity irradiated from the light source to the FBG sensor and the light intensity reflected from the FBG sensor A strain measuring method characterized in that each reflected light from the FBG sensor is demultiplexed by the second wavelength divider, and strains by a plurality of FBG sensors are measured.
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、光源と複数のFBGセンサの間に配置される第一の波長分割器と、複数のFBGセンサからの反射光側に配置される第二の波長分割器とを備え、
前記光源からの光を第一の波長分割器により複数の光ファイバに分波して各波長帯域に対応する複数のFBGセンサに光源の光を照射し、前記光源からFBGセンサまでに敷設する光ファイバのコアとクラッド間の全反射条件を満足させ、且つ前記光源からFBGセンサに照射する光強度及びFBGセンサから反射された光強度の導波路にある光ファイバ中の光強度損失を最小にする条件とし、前記FBGセンサからのそれぞれの反射光を前記第二の波長分割器により分波し、複数のFBGセンサによるひずみを計測するように構成したことを特徴とするひずみ計測装置。 When there is an optical fiber laying condition that does not ensure a radius of curvature that satisfies the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core, the multipoint distortion caused by the FBG sensor is reduced. A strain measuring device for measuring,
A plurality of FBG sensors and optical fibers attached to the site under the above conditions and arranged in parallel, a first wavelength divider arranged between the light source and the plurality of FBG sensors, and reflection from the plurality of FBG sensors A second wavelength divider disposed on the light side,
Light that divides light from the light source into a plurality of optical fibers by a first wavelength divider, irradiates light from the light source to a plurality of FBG sensors corresponding to each wavelength band, and lays between the light source and the FBG sensor Satisfy the total reflection condition between the core and clad of the fiber, and minimize the light intensity loss in the optical fiber in the waveguide of the light intensity irradiated from the light source to the FBG sensor and the light intensity reflected from the FBG sensor A strain measuring apparatus, characterized in that each reflected light from the FBG sensor is demultiplexed by the second wavelength divider, and the strain by a plurality of FBG sensors is measured.
光源と、
前記条件下の部位に取り付けられ且つ並列に配置された複数のFBGセンサ及び光ファイバと、
前記光源からの光を導波の方向を制御する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータからの光を複数の光ファイバに分波して複数のFBGセンサに出力する第一の波長分割器と、
複数のFBGセンサからの反射光を、第一の波長分割器及び光サーキュレータを介した後、分波して出力する第二の波長分割器と、
第二の波長分割器で分波された光に対応する複数の光学フィルタと、
前記光学フィルタからの透過光を受ける透過光側光電変換器と、
前記光学フィルタからの反射光を受ける反射光側光電変換器とを備えたことを特徴とするひずみ計測装置。 Strain that measures strain with a multipoint FBG sensor when there is an optical fiber laying condition with a radius of curvature that does not satisfy the total reflection condition between the optical fiber core and the clad for the optical signal propagating in the optical fiber core A measuring device,
A light source;
A plurality of FBG sensors and optical fibers attached to the site under the conditions and arranged in parallel;
An optical circulator for controlling the direction of light guiding from the light source;
A first wavelength divider that demultiplexes light from the optical circulator into a plurality of optical fibers and outputs the demultiplexed light to a plurality of FBG sensors;
Reflected light from a plurality of FBG sensors, after passing through the first wavelength divider and the optical circulator, a second wavelength divider that demultiplexes and outputs,
A plurality of optical filters corresponding to the light demultiplexed by the second wavelength divider;
A transmitted light side photoelectric converter that receives transmitted light from the optical filter;
A strain measurement apparatus comprising: a reflected light side photoelectric converter that receives reflected light from the optical filter.
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