JP2017507334A - ファイバブラッググレーティング振動センサ及びその振動測定素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】ファイバブラッググレーティング振動センサを提供することに着目し、感度が高く、周波数範囲が広く、3軸方向又はそのいずれかの軸方向の振動を選択的且つ同時に測定する。【解決手段】ファイバブラッググレーティング振動センサ100であって、ベース120と、片持梁200及び片持梁200の軸方向に沿って設置された第1ボス211と第2ボス212を含む振動測定素子141、142、143、及び軸方向に沿って振動測定素子141、142、143にカプセル化され、該振動測定素子141、142、143の振動を検出するのに用いられるファイバブラッググレーティング171、172、173とを含み、振動測定素子141、142、143の第1ボス211側の一端はベース120に固着され、振動測定素子の第2ボス212側の一端は垂れ下がっている。【選択図】図1

Description

本願は振動センサに関し、特に、ファイバブラッググレーティング振動センサ(Fiber Bragg Grating Vibration Sensor)及びその振動測定素子に関する。
振動測定とは物体の振動特性を表現できる関連パラメータを測定するプロセスを指す。振動測定は、故障監視、構造ヘルスモニタリングなどにおいて重要な意味がある。振動測定には、感度と周波数応答が測定の要求を満たすことのできる振動センサを選択しなければならない。現在、振動センサの種類は様々であり、圧電型、電磁式及び光ファイバ振動センサ等を含む。
光ファイバセンシング技術は、光ファイバと光ファイバ通信技術の発展に伴って新たな道を切り開いた新しいセンシング技術である。1978年から光ファイバにおいて光誘発のブラッグを形成するグレーティングを発明して以来、ファイバブラッググレーティング(FBG:Fiber Bragg Grating)は光ファイバ通信とセンシングにおいて幅広く応用されている。ファイバブラッググレーティングが初めて歪みと温度センシング実験に応用されて以来、ファイバブラッググレーティングセンサ技術は持続的且つ急速的に成長し、光ファイバセンシング分野における成長が最も速く、最も注目される技術になっている。
これは、ファイバブラッググレーティングにより構成されたセンサが、その他の光ファイバーセンサと比べ、多くの際立つ利点を有するからである。その主な利点としては、センサ素子の体積が小さく、軽やかで隠蔽性が高く、小スペースに設置することができ、ひいては複合材料に嵌め込まれることと、空間ネットワーク形成に便利であり、分解精度を高くするために、光波長多重通信(WDM:Wavelength Division Multiplexing)、時分割多重化(TDM:Time Divison Multiplexing)及び空間分割多重(SDM,Space Division Multiplexing)技術を結合して、それぞれのファイバチャネルに複数のファイバブラッググレーティングにより構成された準分布式のセンサノードを設置することができることと、絶対量を測定するために、ファイバブラッググレーティングをセンサ素子として、絶対波長量(固有の波長測定尺度を有する)を出力することと、複合サブ構造のファイバブラッググレーティングの特別なスペクトル特性を利用して、マルチパラメータのインテリジェントセンサ素子等を製造することができることとを含む。
そのため、ファイバブラッググレーティングセンサは、特に大規模の都市工事、配管施設、宇宙船、飛行機、汽船、工業と生産設備等に対する健康安全監視と自動制御に適する。
ファイバブラッググレーティングセンサは、耐電磁干渉、感度が高く、安全且つ信頼でき、耐腐食、分散式測定可能、ネットワーク形成に便利等の様々な利点を有し、特に、一部の特別な場所に応用するのに適し、ファイバブラッググレーティングセンサ技術の応用は既に電力、石油、石油化学、交通と建築等の様々な工業分野に広がっている。公共安全、国防、工業農業安全生産、環境保護等の重大な安全監視分野にも幅広く応用されている。
本願の実施例はファイバブラッググレーティング振動センサを提供することに着目し、感度が高く、周波数範囲が広く、3軸方向又はそのいずれかの軸方向の振動を選択的且つ同時に測定することができる特性の一つ又は複数を有する。
第1様態によれば、本願は、ベースと、片持梁及び片持梁の軸方向に沿って設置された第1ボスと第2ボスを含む振動測定素子、及び該軸方向に沿って振動測定素子にカプセル化され、該振動測定素子の振動を検出するのに用いられるファイバブラッググレーティングとを含むファイバブラッググレーティング振動センサを提供し、振動測定素子の第1ボス側の一端はベースに固着され、振動測定素子の第2ボス側の一端は垂れ下がっている。
第2様態によれば、本願は、片持梁と、片持梁の軸方向に沿って片持梁に設置された第1ボスと第2ボス、及び該軸方向に沿って第1ボスと第2ボスにカプセル化されたファイバブラッググレーティングとを含むファイバブラッググレーティング振動センサに用いられる振動測定素子を提供し、振動測定素子の第1ボス側の一端は前記振動測定素子をベースに固着する固定構造を有する。
本願の実施例によれば、1つのベースに互いに直交する振動測定素子を同時に装着することにより、3つの方向における振動を選択的且つ同時測定することができ、空間振動状況を全面的に測定することができる。また、3軸における振動感度が異なるように選択的に設定するころができ、異なる場所での測定の需要に適応することができる。
本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサの構成図である。 本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサにおける振動測定素子の構成図である。 本願の例示的な実施例のレール振動測定における応用を示す図である。
本願の技術的解決手段の目的、構造及び利点をより明瞭にするため、以下、図面に合わせて本発明をさらに詳しく説明する。
図1は本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサ100の構成図である。ファイバブラッググレーティング振動センサ100はケージング110に固定されることができる。ファイバブラッググレーティング振動センサ100は、ベース120と、振動測定素子141、142、143、及びファイバブラッググレーティング171、172、173とを含む。
説明しやすくするために、以下の実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ100は3つの振動測定素子141、142、143及び該当する3つのファイバブラッググレーティング171、172、173を含むが、ファイバブラッググレーティング振動センサ100は必ずしもこの3つの振動測定素子141、142、143及び該当する3つのファイバブラッググレーティング171、172、173を同時に含むわけではない。
一実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ100は、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向のうちの一方向の振動測定素子とファイバブラッググレーティングのみを含むように構成されることができる。別の実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ100は、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向のいずれか2つの方向の振動測定素子とファイバブラッググレーティングを含むように構成されることができる。
もう一つの実施例において、ファイバブラッググレーティング振動センサ100は、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向の3つの方向における振動測定素子とファイバブラッググレーティングを同時に含むように構成されることができる。この場合、ファイバブラッググレーティング振動センサ100は、3軸ファイバブラッググレーティング振動センサ100と呼ばれ、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向の振動を同時に測定することができ、いずれか1つ又2軸方向における振動を測定することもできる。
ベース120は、ケージング110に固定されることができる。
ベース120は、三つの互いに直交する装着面131、132、133を有するように加工されることができる。例えば、ベース120は3つの直方体により構成されることができ、この3つの直方体は、例えば左側が最も揃えている。第1と第3の直方体は、水平に配置され互いに平行し且つ位置合わせられており、それらの間の距離は幅方向に第2の直方体を配置するのにちょうど良い。第2の直方体は垂直に配置されている。互いに直交する3つの装着面131、132、133は、例えば、それぞれ第1の直方体の頂面、第2の直方体の底面、及び第3の直方体の左側面を選択する。
ベース120は、例えば、装着孔161、162等を経て、装着ボルト又はネジ等、又はその他の方式により、ケージング110の底面に固定されることができる。
3つの振動測定素子のそれぞれは、片持梁形式の本体を含むことができ、ベース120に固着されることができる。例えば、3つの振動測定素子141、142、143のそれぞれの一端はそれぞれX軸方向、Y軸方向とZ軸方向において3つの互いに直交する装着面131、132と133に装着されることができる。例えば、3つの振動測定素子141、142、143のそれぞれの片持梁の一端に装着孔を設置し、装着ボルト又はネジを使用してそれぞれ3つの互いに直交する装着面131、132と133に固定することができる。3つの振動測定素子141、142、143は、3つの互いに直交する装着面131、132と133において、空間的にも互いに直交するように装着されることができる。
3つの振動測定素子141、142、143自体は、それぞれX軸方向、Y軸方向とZ軸方向に平行することができる。上述のように、振動測定素子141、142、143のそれぞれの片持梁の一端は3つの互いに直交する装着面131、132と133に装着され、振動測定素子141、142、143のそれぞれの片持梁の他端は垂れ下がり、マスブロックの役割を果たす。
3つの振動測定素子141、142、143のそれぞれの振動測定素子は、1つの軸方向における振動を測定することができる。振動測定素子141、142、143は、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向における振動をそれぞれ測定する。ここで、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向は必要に応じて設置することができ、3つの方向が空間的に互い直交すればよい。
振動測定素子141、142、143には、それぞれファイバブラッググレーティング171、172、173がカプセル化されている。ファイバブラッググレーティング171、172、173は、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向における振動をそれぞれ検出する。
振動測定素子141、142、143のそれぞれは、その片持梁方向に沿って設置された2つのボスを含むことができ、該ファイバブラッググレーティング振動センサ100の感度を調節するのに用いられる。該2つのボスの高さは同じであってもよい。ボスの高さにより感度の拡大倍数が決定され、異なる感度の需要に応じて異なる高さの値を選択することができる。需要に応じて、各振動測定素子は異なるボスの高さを有することができ、例えば、第1振動素子141の2つのボスの高さは第2振動素子142の2つのボスの高さと異なる。
ファイバブラッググレーティング171、172、173は、例えば、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向において振動測定素子141、142、143の表面のボスにカプセル化される(例えば、貼り付ける)。振動測定素子141、142、143の表面におけるボスの構造に対しては、以下、添付の図2に合わせて説明する。
振動測定素子141、142、143のそれぞれにカプセル化されたファイバブラッググレーティング171、172、173は直列接続されることができる。例えば、該直列接続されたファイバブラッググレーティングは、引出ファイバ190を介してファイバブラッググレーティング復調器(図示せず)に接続されることができ、ケージング110の1つの引出孔180を介してケージング110に入り、その後、それぞれ第1、第2と第3振動測定素子141、142、143のそれぞれに順にカプセル化されることができる。
該ファイバブラッググレーティングの末端は、ケージング110の別の引出孔180を介して引き出された後、引出ファイバ190を介してファイバブラッググレーティング復調器(図示せず)に接続されることができる。該ファイバブラッググレーティングの引出孔180は、例えば、第2振動測定素子142から離れるが、第1振動測定素子と第3振動測定素子141と143の延長線と直交するケージング110の側面に設置されることができる。
ファイバブラッググレーティングの配置と安定のために、一実施例において、該ファイバブラッググレーティングはそれぞれ第1振動測定素子141と第2振動測定素子142の間及び/又は第2振動測定素子142と第3振動測定素子143の間でワイヤ柱151と152を避けて前進することができる。ワイヤ柱151と152は選択可能であり、1つのみであってもよく、同時に2つあってもよく、全部なくてもよい。ワイヤ柱151と152は、それぞれ第1と第3装着面131と133に固定され、それぞれ第1と第3装着面131と133と直交することができる。第1と第3装着面131と133には、具体的な需要に応じてさらなるワイヤ柱をそれぞれ固定することができる。
X軸方向、Y軸方向とZ軸方向のそれぞれの軸方向にそれぞれ振動が発生する場合、3つの振動測定素子141、142、143のそれぞれの片持梁の他端がマスブロックの役割を果たすため、3つの振動測定素子141、142、143のそれぞれの片持梁は振動方向において撓み量の変化が発生する。前記撓み量の変化はそれぞれファイバブラッググレーティング171、172、173のそれぞれの歪み変化を引き起こす。この歪み変化がファイバブラッググレーティング171、172、173により検出された後、引出ファイバ190を介してファイバブラッググレーティング復調器(図示せず)に伝達される。
そして、ファイバブラッググレーティング復調器(図示せず)はファイバブラッググレーティング171、172、173のそれぞれの波長変化を算出し、よってX軸方向、Y軸方向とZ軸方向におけるそれぞれの振動軸方向の振動量を算出する。
図2は本願の例示的な実施例によるファイバブラッググレーティング振動センサにおける振動測定素子の構成図である。該振動測定素子は図1に示された振動測定素子141、142、143のいずれかとされることができる。
振動測定素子は片持梁200及び片持梁200の軸方向に沿ってその上に設置された第1ボス211と第2ボス212を含むことができる。ファイバブラッググレーティング206は、片持梁200の略軸方向に沿って片持梁200の第1ボス211と第2ボス212の表面にカプセル化される(例えば、貼り付ける)ことができる。一実施例において、ファイバブラッググレーティング206は、幅方向において第1ボス211と第2ボス212の表面を均等に分けるように配置される。
片持梁200は、第1ボス211における2つの片持梁の装着孔231を介して対応する装着面(図示せず)に固定されることができる。例えば、前記2つの片持梁の装着孔231において、装着ボルト又はネジを使用して片持梁200の第1ボス211の一端を装着面に固定する。その他の数、その他の形式の片持梁の装着孔、又は装着孔以外のその他の固定構造によって、片持梁200を対応する装着面(図示せず)に固定することもできる。
図2に示すように、片持梁200の長さをL、厚さをh、幅をbに記載し、第1ボス211と第2ボス212の同じ高さδは片持梁200のの厚さhのN倍、即ちδ=Nh(Nは零より大きい数値である)であり、片持梁200の等価末端マスブロックの質量はmである。理論的に、該N値が大きいほど、ファイバブラッググレーティング振動センサの感度は高くなる。センサーの寸法に対する制限を考える上、該N値の範囲は一般的に1以上3以下である。後述のように、本願の例示的な実施例によれば、第1と第2ボス211、212の高さはファイバブラッググレーティング206から片持梁の厚さ中心面242までの距離を大きくし、そのため、ファイバブラッググレーティング振動センサの感度を著しく向上させることができる。ここで、片持梁の厚さ中心面242は片持梁200が厚さ方向の中心部に位置する仮想平面であり、片持梁200の厚さ方向における屈曲に従って屈曲する。
図2に示された片持梁200の第2ボス212側の一端は装着面に固定されず垂れ下がり、マスブロックの役割を果たす。片持梁200は慣性力により屈曲を発生し、その屈曲の曲率半径はρとする。片持梁200の屈曲によるファイバブラッググレーティング206における歪みはεと表示する。材料力学の知識によれば、以下の公式が成り立つ。
Figure 2017507334
ここで、
hは片持梁の厚さであり、単位はm、
δはボスの高さであり、単位はm、
ρは片持梁の曲率半径であり、単位はm、
Mは慣性力のモーメントであり、単位はNm、
Eは片持梁材料のヤング率であり、単位はGPa、
Jは片持梁の慣性モーメントであり、単位はm
Lは片持梁の長さであり、単位はm、
Fは片持梁に印加された慣性力であり、単位はN、
bは片持梁の幅であり、単位はm、
mは片持梁の末端の等価質量であり、単位はg、
αは外部振動の加速度であり、単位はm/s
Nはボスの高さに片持梁の厚さを除算した比である。
ここで、慣性力のモーメントMは公式(3)により計算することができ、慣性力Fに片持梁のアームLを乗算した結果である。
片持梁材料のヤング率Eは材料によるものであり、片持梁材料が選定された後、Eは表から検索することができる。
片持梁の慣性モーメントJは公式(4)により計算することができ、片持梁の幅bと厚さhが決められた後、Jを計算することができる。
片持梁に印加された慣性力Fは公式(5)により計算し、等価質量に加速度を乗算し、こちらの加速度が最終的に測定しようとする量である。
片持梁の構造と材料が決められた後、片持梁の等価質量mも決められたものとなる。mは中間量であり、実際に算出する必要がなく、公式を導き出す過程に使用するだけである。
外部振動の加速度αがセンサにより測定しようとする量である。
公式(1)〜(5)から以下を得られる。片持梁200の屈曲によるファイバブラッググレーティング206における歪みは以下のように表示される。
Figure 2017507334
片持梁200にボス211、212がなく、その他のパラメータはボスがある場合と同じであり、ファイバブラッググレーティング206が片持梁200の表面にカプセル化されたと想定する場合、Nの値は零であり、そのため、片持梁200の屈曲によるファイバブラッググレーティング206における歪みは以下のように変わる。
Figure 2017507334
公式(6)と(7)を比べれば明らか分かるように、ボスがある時のファイバブラッググレーティングにおける歪みはボスがない時のファイバブラッググレーティングにおける歪みの(1+2N)倍である。そのため、振動測定素子のその他のサイズが決められた場合、N値を大きくすることにより加速度αに発生する歪みεを大きくすることができ、よってファイバブラッググレーティング振動センサの感度を向上させることができる。ファイバブラッググレーティング振動センサのX軸方向、Y軸方向とZ軸方向における振動測定素子のボスの高さはそれぞれ選択することができ、よってこの3つの方向における感度はそれぞれ向上される。ボスを生産する過程において、異なる感度の必要に応じて異なる高さに加工することができ、第1ボスと第2ボスの高さは同じように維持することができる。そのため、一連の感度を有するファイバブラッググレーティング振動センサを提供するために、高さが異なる一連のボスを提供することができる。
実際の需要に応じてX軸方向、Y軸方向とZ軸方向における感度を測定する要求が異なる可能性があり、同じ可能性もあるため、X軸方向、Y軸方向とZ軸方向における振動測定素子のそれぞれのボスの高さは同一又は異なるように互いに単独に選択し設置されることができ、よって異なる方向における振動測定の感度に対する需要にそれぞれ適する。
本願の例示的な実施例において、3軸のファイバブラッググレーティング振動センサは3つの振動方向における振動量を同時に測定することができるが、該3軸のファイバブラッググレーティング振動センサでいずれか1つの方向における振動量のみを測定することもできる。
図3は本願の例示的な実施例による3軸のファイバブラッググレーティング振動センサ316のレール振動測定における応用を示す図である。該図は3軸のファイバブラッググレーティング振動センサ316が装着されたレールの側面図である。レール313の両側は一般的に取り付けネジ314によってそれぞれ枕木に固定される。3軸のファイバブラッググレーティング振動センサ316は、例えば、保持部材315によってレール313の下方に装着される。鉄道沿線の落石は枕木システムを衝撃してレールの振動を引き起こすことができ、3軸のファイバブラッググレーティング振動センサ316はこのような振動を測定することができる。落石が枕木システムを衝撃する角度と落下点が異なるため、発生するレールの3軸方向における振動も異なり、そのため、レールの3軸方向における振動状況から落石の状況を総合的に判定することができる。落石による振動であると判定された場合、即時に警報する。3軸のファイバブラッググレーティング振動センサ316はレールの3軸方向のいずれかの方向における振動状況を同時に測定することができる。
本願の例示的な実施例によれば、3軸のファイバブラッググレーティング振動センサ316は、例えば、電力、石油、石油化学、交通及び建築等の分野にさらに応用することができる。
以上、図面に合わせて本願の例示的な実施形態を説明したが、本発明の保護範囲はそれに限定されず、当業者であれば、本願により開示された技術範囲内で、種々の変更又は置換の形式を想到できるだろう。
100 振動センサ 110 振動センサのケージング
120 ベース 131、132、133 装着面
141、142、143 振動測定素子 151、152 ワイヤ柱
161、162、163 装着孔
171、172、173 ファイバブラッググレーティング
180 引出孔 190 引出ファイバは 200 片持梁
211、212 ボス 231 片持梁の装着孔
242 片持梁の厚さの中心面
206 ファイバブラッググレーティング 313 レール
314 取り付けネジ 315 保持部材
316 ファイバブラッググレーティング振動センサ

Claims (12)

  1. ファイバブラッググレーティング振動センサであって、
    ベースと、
    片持梁及び片持梁の軸方向に沿って設置された第1ボスと第2ボスを含む振動測定素子と、
    該軸方向に沿って振動測定素子にカプセル化され、該振動測定素子の振動を検出するのに用いられるファイバブラッググレーティングと、
    を含み、
    振動測定素子の第1ボス側の一端はベースに固着され、振動測定素子の第2ボスの一端は垂れ下がる、
    ことを特徴とするファイバブラッググレーティング振動センサ。
  2. 第1ボスと第2ボスの高さは同じであることを特徴とする請求項1に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  3. 第1ボスと第2ボスの高さは片持梁の厚さのN倍であり、Nの範囲は1以上3以下であることを特徴とする請求項2に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  4. 前記ベースには、空間的に互いに直交するように装着された複数の振動測定素子が装着されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  5. 前記複数の振動測定素子によりカプセル化されたファイバブラッググレーティングは直列接続されることを特徴とする請求項4に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  6. 前記ファイバブラッググレーティング振動センサの数は3つであることを特徴とする請求項4に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  7. 前記複数の振動測定素子における第1振動測定素子の第1ボスと第2ボスの高さは第2振動測定素子の第1ボスと第2ボスの高さと異なることを特徴とする請求項4に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  8. 前記ファイバブラッググレーティングを、前記振動の量を算出するためのファイバブラッググレーティング復調器に接続するのに用いられる引出ファイバをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  9. 前記複数の振動測定素子の間で前記ベースに固定されるワイヤ柱をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のファイバブラッググレーティング振動センサ。
  10. ファイバブラッググレーティング振動センサの振動測定素子であって、
    片持梁と、
    片持梁の軸方向に沿って片持梁に設置された第1ボスと第2ボス、及び
    該軸方向に沿って第1ボスと第2ボスにカプセル化されたファイバブラッググレーティングと、
    を含み、
    振動測定素子の第1ボス側の一端は前記振動測定素子をベースに固着する固定構造を有する
    ことを特徴とする振動測定素子。
  11. 第1ボスと第2ボスの高さが同じであることを特徴とする請求項10に記載の振動測定素子。
  12. 第1ボスと第2ボスの高さは片持梁の厚さのN倍であり、Nの範囲は1以上3以下であることを特徴とする請求項11に記載の振動測定素子。
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